Parte quinta - Incompatibilità idraulica

Parte quinta
Rischio idraulico e difesa dalle inondazioni
L’insufficienza idraulica di una sezione di un corso d’acqua, per portate di piena infrequenti, è causa di esondazione.
Si seguito sono riportate le misure dirette di portata registrate nelle tre stazioni distribuite lungo
il fiume Aterno, site in località: Tre Ponti, L’Aquila e Molina. Le caratteristiche di ciascuna stazione
sono riportate nella seguente Figura 1 e, per ciascuna di essa, sono stati estratti i dati relativi alle
portate al colmo massime annuali registrate a partire dal Dicembre 1925 fino al Gennaio 1991 e
riportate nella Tabella .
Figura 1. Bacino idrometrico di L’Aquila
241
Nella successiva Tabella I sono riassunti, per ogni stazione, il valore massimo, minimo e medio di
portata nonché lo scarto quadratico medio del campione.
Tabella I
Come era prevedibile le portate crescono dalla sezione di Tre Ponti, con un area di bacino sotteso di
114 km2 , alla sezione di L’Aquila, area del bacino di 531 km2, mentre nella stazione di Molina, pur
con un bacino di 1.303 km2, qualsiasi valore di portata è inferiore a quella registrate, nello stesso
periodo, a L’Aquila. La ragione è da ricercare nell’effetto di laminazione prodotto dall’esondazione
del Fiume Aterno nel Comune di Fossa (Figura 2).
Figura 2. La piana di Fossa – Evento di piena del 15 dicembre 2003
242
1. Quadro normativo: dalla Pericolosità alla valutazione del Rischio Ovviamente questo fenomeno naturale di “espansione” oltre i limiti dell’alveo è possibile fintanto
che non si arrechino danni alle cose ma, soprattutto, non si pregiudichi l’incolumità delle persone.
Con la progressiva urbanizzazione di vaste aree prospicienti i corsi d’acqua sono iniziati i problemi
di interferenza tra le acque esondate ed i correlati danni arrecati alle strutture. A seguito delle alluvioni del novembre 1966 lo Stato promuove la programmazione delle opere idrauliche e forestali
per la sistemazione dei corsi d'acqua, dalle pendici montane fino alla aree costiere ed alle relative
foci, attraverso la realizzazione dei
Piano di bacino. Però solo nel 1977 con il D.P.R. n. 616 inizia
un lungo percorso legislativo, peraltro non ancora concluso, che si concretizza nella legge 18
maggio 1989, n.183 “Norme per il riassetto organizzativo e funzionale per la difesa del suolo” che
identifica nel “Piano di Bacio Idrografico” (PBI) “lo strumento conoscitivo, normativo e tecnicooperativo mediante il quale sono pianificate e programmate le azioni e le norme d’uso, finalizzate alla
conservazione, alla difesa e alla valorizzazione del suolo e alla corretta utilizzazione delle acque, sulla base delle caratteristiche fisiche ed ambientali del territorio interessato”. Viene istituita
l’Autorità di Bacino quale ente competente in grado di razionalizzare la frammentarietà delle competenze degli Enti esistenti ed assicurare il coordinamento di tutte le azioni sul territorio.
Nel 1998 a seguito degli eventi che colpirono la Campania, ed in particolare Sarno, fu emanata la
Legge n. 267/1998 recante misure urgenti per la prevenzione del rischio idrogeologico; tra questi
fu disposto l'adozione, da parte delle Autorità di Bacino di rilievo nazionale e interregionali e delle
Regioni, dei Piani Stralcio di Bacino per l'Assetto Idrogeologico (PAI). Con il successivo D.P.C.M.
del 29 settembre 1998 “Atto di indirizzo e coordinamento per l’individuazione dei criteri relativi agli
adempimenti di cui all’art. 1, commi 1 e 2, del decreto‐legge 11 giugno 1998 n.180” sono stati indicati i criteri ed i metodi per l'individuazione del rischio dipendente dai fenomeni di carattere idrogeologico ripartendo la pericolosità idraulica P in tre livelli correlati a vari tempi di ritorno Tr:



20‐50 anni alluvioni frequenti → elevata probabilità di accadimento (P3) 100‐200 anni alluvioni poco frequenti → media probabilità di accadimento (P2) 200 ‐500 anni alluvioni rare → estrema intensità bassa probabilità di accadimento (P1) Nota. Nel PSDA della Regione Abruzzo la distribuzione della pericolosità idraulica è zonizzata in 4 classi in funzione del limite di inondazione per i tempi di ritorno di 50, 100 e 200 anni (Figura 3); le classi di pericolosità “molto elevata” e “ele‐
vata” sono definite tenendo conto anche dei valori assunti dalle altezze idriche e dalle velocità di corrente. Figura 3. Pericolosità idraulica lungo il corso del fiume Aterno a L’Aquila
Lo stesso decreto classifica il
rischio idraulico secondo le seguenti categorie:
243

R1: rischio moderato: danni sociali, economici e al patrimonio ambientale di tipo marginale;

R2: rischio medio possibili danni minori agli edifici, alle infrastrutture e al patrimonio ambientale, che non pregiudicano
l’incolumità delle persone, l’agibilità degli edifici e la funzionalità delle attività economiche;

R3: rischio elevato possibili problemi per l’incolumità delle persone, danni funzionali agli edifici e alle infrastrutture con conseguente inagibilità degli stessi, interruzione delle attività socio-economiche e danni rilevanti al patrimonio ambientale;

R4: rischio molto elevato con possibile perdita di vite umane e lesioni gravi alle persone, danni gravi agli edifici, alle infrastrutture e al
patrimonio ambientale, distruzione delle attività socio-economiche.
Il rischio idraulico può essere definito in maniera qualitativa come
R=D∙P [1]

P è la pericolosità idraulica

D è il danno potenziale arrecato
analogamente si può classificare il danno potenziale in quattro classi:

D1: moderato o nullo aree libere dove risulta possibile il libero deflusso delle piene.

D2: medio aree con limitati effetti sulle persone e sul tessuto socio-economico;

D3 : elevato aree con problemi per l’incolumità delle persone e per la funzionalità del sistema economico;

D4 : molto elevato aree in cui si può verificare la perdita di vite umane, ingenti danni ai beni economici, naturali, storici e culturali di rilevante interesse, gravi disastri ecologico-ambientali;
La classificazione del danno è in funzione del grado di urbanizzazione, dalla maggiore o minore
concentrazione dei beni esposti ad elevato valore sociale ed economico. Pertanto il danno può essere esplicitato dal prodotto tra gli elementi esposti al rischio E e la loro vulnerabilità V, cioè
l’attitudine ad essere danneggiato dagli effetti conseguenti l’onda alluvionale: si esprime con un valore che va dal danno nullo, V=0 al danno massimo, V=1.
R=D∙P= E∙V∙P [2]
In sintesi per un evento, a parità di tempo di ritorno, probabilità ed intensità, un’area più vulnerabile è soggetta ad un danno maggiore.
N.B. la pericolosità è spesso confusa con il rischio. Un’area può essere molto pericolosa per le allu‐
vioni ma con un rischio basso poiché nell’area non ci sono elementi esposti che possono essere danneggiati dall’alluvione. Secondo gli “Indirizzi operativi per l’attuazione della Direttiva 2007/60/CE relativa alla valutazione
e alla gestione dei rischi da alluvioni con riferimento alla predisposizione delle mappe della pericolosità e del rischio di alluvioni” redatti nel Gennaio 2013 dal Ministero dell’Ambiente, della Tutela
del Territorio e del Mare in collaborazione con ISPRA e le Autorità di Bacino di rilievo nazionale e i
Distretti idrografici può essere redatta la Carta degli insediamenti o Carta degli elementi esposti a rischio alluvione,
categorie:
244
nella quale gli elementi esposti possono essere raggruppati in sei macro-
1. Zone urbanizzate (agglomerati urbani, nuclei abitati con edificazione diffusa e sparsa, zone di espan‐
sione, aree commerciali e produttive) con indicazione sul numero di abitanti potenzialmente interes‐
sati da possibili eventi alluvionali 2. Strutture Strategiche (ospedali, scuole, caserme) 3. Infrastrutture strategiche e principali (linee elettriche, metanodotti, oleodotti, gasdotti e acquedotti, vie di comunicazione di rilevanza strategica sia carrabili che ferrate, porti e aeroporti, invasi idroelet‐
trici, grandi dighe) 4. Beni ambientali, storici e culturali di rilevante interesse (aree naturali, aree boscate, aree protette e vincolate, aree di vincolo paesaggistico, aree di interesse storico e culturale, zone archeologiche 5. Distribuzione e tipologia delle attività economiche insistenti sull’area potenzialmente interessata 6. Zone interessate da insediamenti produttivi o impianti tecnologici, potenzialmente pericolosi dal pun‐
to di vista ambientale Definite le varie classi di danno, i conseguenti livelli di Rischio R1, R2, R3 ed R4
verranno stabiliti,
attraverso una valutazione matricale
e successivamente è redatta la carta delle aree a rischio.
Figura 4. Carta delle aree a rischio PSDA – Fiume Aterno a L'Aquila
Direttiva 2007/60 e D.Lgs. 49/2010
245
2. Problemi di incompatibilità tra le portate stimate e quelle ammissibili dalle sezioni dell’alveo Il problema può essere risolto con una ”difesa attiva” tendente ad una riduzione della portata attesa. Le proposte di difesa attiva tendono alla riduzione delle portate del corso d’acqua agendo sui
fattori che producono il deflusso. Pertanto gli interventi di riqualificazione ambientale, ricadono in
generale su opere, diffuse sul territorio, tendenti alla riduzione di fenomeni di dissesto e di erosione con conseguente ottimizzazione della regimazione e del drenaggio delle acque superficiali.
Alla derivante riduzione di velocità della corrente nella parte montano-collinare del bacino si correla un aumento del tempo di corrivazione.
Quando tutto ciò non è possibile il problema trova soluzioni tra i cosiddetti “interventi passivi”,
che non incidono sulla formazione dell’onda di piena ma tendono a contenerne gli effetti attraverso
interventi strutturali per:
 riduzione e regolazione delle portate attraverso il processo di laminazione delle portate di pie‐
na; lo stoccaggio di acque in surplus in vasche di espansione;  scindere le portata mediante scolmatore ; 
incrementare la sezione utile con la realizzazione o l’innalzamento degli argini;
 migliorare le caratteristiche idrauliche del corso d’acqua (geometria della sezione, pendenza e scabrezza) in modo tale da aumentare la portata ammissibile. 1. Riduzione e regolazione delle portate attraverso il processo di laminazione Nel precedente Capitolo è stata definita la
laminazione come attenuazione di un’onda di piena per
l’effetto dell’inserzione di un serbatoio lungo un corso d’acqua. Vengono così a ridursi le portate di
piena ed accrescersi quelle di morbida in virtù del fatto che la variazione di portata Qe
dell’emissario è legata alla possibilità di immagazzinamento temporaneo di un volume d’acqua,
funzione del massimo ammissibile sopralzo h della superficie libera dell’invaso.
Quando i volumi di laminazione non richiedono la realizzazione di un serbatoio possono essere utilizzate , nella parte bassa del reticolo idrografico, aree che, opportunamente sistemate ed arginate,
possano consentire l’invaso provvisorio di volumi d’acqua. Per contenere le altezze massime degli
argini di conterminazione ne consegue un’altezza utilizzabile di qualche metro ed una superficie da
riservare all’invaso assai estesa (Figura 5).
Figura 5. Vasca di espansione “ Isola dei Rena” sul F.Arno - Firenze Signa
Queste opere di mitigazione del rischio idraulico, costituite dalle Vasche o Casse d’espansione, devono essere compatibili con i vincoli imposti dal territorio e dalle infrastrutture presenti in termini di
aree disponibili. Qualora tali zone non siano già di pertinenza idraulica del fiume, deve essere pre-
246
vista una forma di tutela assoluta con un regime vincolistico. In genere le aree soggette ad alto rischio di allagamento non sono compatibili con attività insediative permanenti.
Figura 6. Cassa di espansione di Alfonsine Ravenna
1.1. Criteri generali per la scelta delle aree e progettazione delle opere Preliminarmente vanno raccolte tutte le informazioni storiche relative all’area da utilizzare e quella
ad essa afferente ed indicazioni riguardo il tempo di ritorno di progetto dell’opera. Tali informazioni
sono ricavabili dai Piani Stralcio sul rischio idraulico ed idrogeologico (Autorità di Bacino nell’ambito
territoriale di competenza). Successivamente dovranno essere condotte indagini specifiche riguardanti:
 il bacino e l’asta fluviale a monte della cassa
devono essere acquisiti tutti gli elementi necessari per una dettagliata conoscenza della geologia,
morfometria ed uso del suolo del bacino afferente, la geometria dell’asta fluviale, i dati pluriennali
sul regime pluviometrico e, se disponibili, le contemporanee registrazioni di eventi idrometrici, utili
per la definizione della Portata di Piena Qp che il reticolo a monte della cassa è in grado di smaltire. Particolare attenzione va posta poi al problema del trasporto solido per la stima
dell’interrimento nel tempo della cassa e le variazioni che essa induce su tale fenomeno.
 l’asta fluviale di valle e l’area da destinare a vasca o cassa d’espansione
Come più volte rimarcato l’insufficienza della sezione idraulica di un corso d’acqua è causa di esondazione. Stabilito un tempo di ritorno Tr a questo si correla il massimo valore della portata di piena Qp. Qualora venisse individuato un tratto critico per il deflusso di questa portata occorrerà stimare la
Portata Qc compatibile con la capacità di portata dell’alveo per un deflusso senza eson-
dazione e con un adeguato franco e ricercare un’area che consenta di accumulare i volumi eccedenti.
La ricerca di questa area con la condizione di limitare l’altezza nella cassa contro un sensibile volume da invasare comporta, come detto, di dovere disporre d’una superficie estesa, non sempre disponibile e, pertanto, è possibile frazionare il volume totale in più casse disposte sia in serie che in
parallelo. In questo modo è altresì possibile “gestire” le piene in rapporto ai volumi da controllare
in ciascun evento.
Rilievi topografici e sopralluoghi consentiranno di definire la tipologia della cassa, l’ubicazione delle
opere di presa e di scarico e la realizzazione delle arginature perimetrali. Per queste opere, come
verrà specificato in seguito, sarà estremamente importante verificare il moto di filtrazione attraverso sia il corpo che le fondazioni al fine di valutare la necessità di eventuali diaframmi .
247
Le tipologie ricorrenti sono, generalmente:

casse di espansione di difesa locale: per la messa in sicurezza di un abitato ubicato a valle ;

casse di espansione di servizio: hanno la funzione di contribuire con le altre casse al raggiungi-
mento dei volumi di laminazione necessari;

casse di espansione tampone: sono aree di laminazione, generalmente in derivazione,
con il
compito di evitare esondazioni nei centri abitati posti lungo i corsi d’acqua rigurgitati a causa delle
piene che si verificano nel corpo idrico in cui gli stessi confluiscono. In questo caso la cassa viene
ubicata a valle del centro abitato, in prossimità della confluenza.
1.2.Dimensionamento della cassa e dei manufatti di regolazione Le casse o vasche di espansione sono aree di accumulo temporaneo dei volumi idrici V necessari
per ridurre la portata di piena Qp al valore Qc, valore della portata compatibile a valle. Questo concetto, schematizzato nella Figura 3 , è espresso dall’equazione di continuità :
Q p t   Q c t  
dV
dt
[1]
Figura 7. Idrogrammi di piena a monte e valle della cassa
L’area tratteggiata, compresa tra le due curve rappresenta il volume massimo necessario per ridurre il valore della Qp al valore Qc.
Vt  
t
t
0 Qp tdt  o Q c tdt
[2]
I fattori che influiscono su questo fenomeno, variabile nel tempo t, sono la massima capacità V
realizzabile, ed i manufatti di alimentazione e di scarico che, con le loro caratteristiche geometriche
ed idrauliche, influenzano direttamente l’evoluzione delle portate sfiorate: Qsf = Qp- Qc
La conoscenza dei volumi di invaso deriva dalla scelta della zona allagabile e di questa la variabilità
delle aree con la quota e, successivamente, il volume dinamico della cassa (Figura 8).
Figura 8 . Diagramma aree - volumi di invaso
248
I processi idraulici che si svolgono nella cassa d’espansione sono descritti dalle stesse equazioni
che governano quelli dei serbatoi: con luci a stramazzo (sfioratori) e luci a battente (scarichi). Da
un punto di vista costruttivo le casse possono essere realizzate in linea e/o in derivazione.
Il funzionamento idraulico della cassa, indipendentemente dalla tipologia, è regolato dall’equazione
di continuità :
Q p t   Q c t  
dV
dt
[3]
La soluzione numerica dell’equazione differenziale [a] si sviluppa alle differenze finite secondo la
forma:
Qp t  t   Qp t  Q c t  t   Q c t  Vh(t  t )  V(ht )


2
2
t
[4]
a. Casse di espansione in linea Sfruttano, per la laminazione, il volume ottenuto dal rigurgito provocato da una struttura fissa attraverso luci a battente (Figura 9), le quali controllano la portata effluente in funzione del livello
nella cassa, determinando in tal modo il funzionamento idraulico dell’opera. In questo tipo di cassa
si rinuncia, generalmente, a manufatti regolati da paratoie. In questo modo si consegue un funzionamento semplice ed affidabile poiché il processo di riempimento ed il successivo svuotamento della cassa è autonomo.
Figura 9. Vasca di espansione in linea
La sezione di controllo generalmente è a sezione rettangolare inserita nel corpo dell’opera di regolazione, normalmente realizzata con una briglia (Figura 10), posta direttamente sul corso d’acqua
La sezione viene dimensionata in modo da consentire il deflusso della portata di piena ordinaria
che, generalmente, impegna l’alveo di modellazione, o di bankfull (a ripe piene) senza impegnare
la vasca e viene raccordata con le sezioni correnti dell’alveo sia a monte che a valle.
Figura 10 . Manufatto di controllo
A seconda della geometria delle sezioni e delle loro dimensioni si possono avere raccordi convergenti quando la sezione dell’alveo è sensibilmente maggiore della sezione di controllo (Figura 11) ,
249
ovvero il contrario (Figura 12)
Nel primo caso viene consigliato1 un tronco di raccordo con un angolo tra l’asse dell’alveo ed il
tronco di transizione di 27,5°, nel tratto convergente, e di 22,5° nel tratto divergente in modo da
contenere le perdite di carico valutabili con la relazione di stima
h  k i
V = velocità nella sezione ristretta
2
V 2  Vm
[5]
2g
Vm = velocità nella sezione a monte
Ki = 0,20 perdita di imbocco (nel divergente si ha un coefficiente kd= 0,5) .
Figura 11. Tronco di transizione broken-back o a cuneo
Figura 12. Tronco di transizione divergente
Per queste configurazioni sono possibili tre diverse condizioni di efflusso delle portate al variare del
tirante idrico hm:
Condizione 1 ‐ Figura 13: hm< S = 2 m il deflusso attraverso la bocca della briglia è a superficie
libera e può essere rappresentato mediante la relazione di Strickler:
Q    k  R 2 / 3  i1 / 2
1
[m3/s]
Roberson, Cassidy e Chaudhry : Hydraulic Engineering – John Wiley & Sons
250
Figura 13. Deflusso a superficie libera
Condizione 2 – Figura 14 : hm > s ; hm< a efflusso sotto battente non rigurgitato La portata , nel
caso di efflusso libero, si determina con la relazione : Q     2g  hm  hc 
[6]
Figura 14. Deflusso con luce sotto battente non rigurgitato
hc  0,62  s ;
s
hm
   0,615
4
Nell’ ipotesi di efflusso rigurgitato :
e per s 
hm
4
   0,66  0,70
Q     2g  hm  hv 
[7]
Condizione 3 – Figura 15 : hm > S + a efflusso sulla gaveta della briglia in aggiunta all’efflusso
sottobattente. Pertanto la portata effluente risulterà somma dei due contributi .
Figura 15. Deflusso sulla gaveta della briglia
Quando il tirante idrico hm raggiunge la quota di sfioro della briglia inizia lo sfioro attraverso la gaveta con una portata :
Q   L h 2gh
Con
 = 0,385 coefficiente di efflusso per stramazzo in parete grossa
L = lunghezza della gaveta
da cui
h = tirante sulla soglia di sfioro rilevato a monte della briglia
Q
h 
L
2/3
 1 


 1,71 
2/3
Q
 0,7   
L
2/3
Questa condizione si realizza solo per portate superiori alla portata di piena duecentenaria o per eventuali occlusioni e conseguenti riduzioni della luce della briglia ad opera di materiale di vario genere trasportato dalla corrente. Pertanto, è possibile considerare la soglia della briglia come uno sfioratore di sicurezza 251
Esempio 28. Cassa d’espansione in linea Nella previsione di porre in sicurezza aree urbanizzate ricadenti in aree esondabili occorre prevedere la realizzazione di vasche di laminazione . Preliminarmente alla progettazione delle opere si considera già svolto lo studio idrologico relativo al bacino imbrifero del corso d’acqua in oggetto e finalizzato alla determinazione della portata di piena, alla ricostruzione dell’idrogramma di piena ed il
relativo volume. Pertanto la sezione di chiusura del bacino, caratterizzata da un tempo di corrivazione tc = 3,5 ore, è investita, con un tempo di ritorno di 200 anni, da un’onda di piena con picco
massimo di 165 m3/s.
Figura 1. Area di intervento
In maniera speditiva, viene ricostruita l'onda di piena utilizzando le relazioni di stima di Gregorig.
Operando a favore della sicurezza si considera la persistenza del valore della portata di picco (fase
di stanca) k=1 ora :
fase di crescita:
0  t  tc
 t 

Q i t   Q max  sen2 
 2  tc 
fase di stanca :
tc  t  tc + k
Q(t) = cost = Qmax
fase di esaurimento:
t  tc + k

 t

Q i t   Q max  exp   1,386
 1 

 tc  k

Nella successiva Figura 2 è riprodotto l’idrogramma di piena .
Figura 2. Idrogramma di piena
Per la sezione corrente dell’alveo, calcolata la scala di deflusso, vengono riportati i tiranti di moto
uniforme determinati
Qmax = 165 m3/s .
252
rispettivamente per la portata di “bank full” di 35 m3/s
ed di colmo
Figura 3. Sezione corrente dell’alveo e correlata scala di deflusso
Centralizzando l’alveo con la realizzazione di arginature, secondo la sezione di progetto riportata
nella Figura 3, si determina una portata compatibile di Q = 80 m3/s con un tirante di 2,72 m (Tabella I – Figura 4) .
Figura 4. Sezione di progetto
Tabella I
253
Figura 5. Scala di deflusso della sezione di valle regolarizzata
Ricordato che il rapporto di laminazione 2  
ovvero in termine di volumi  
Q a,max  Q e
Q a,max

165  80
 0,52
165
Wd  We 3.760.375  We
We

1
 0,52 da questo è possibiWd
3.760.375
3.760.375
le risalire al volume da realizzare con la cassa. We  0,48  3.760.375  1.805.000 m3
Dall’esame della cartografia del territorio e soprattutto da rilievi aerofotogrammetrici si rileva la
possibilità di realizzare una cassa d’espansione in linea (Figura 5). Così facendo si perviene alla costruzione della curva di invaso, funzione delle caratteristiche morfologiche dell’area prescelta, che
consente di correlare, in forma analitica, le quote di invaso con i corrispondenti volumi invasati (Figura 3). Risulta opportuno esprimere la curva di invaso in forma analitica attraverso una funzione
di regressione .
Figura 6. Cassa in linea

Q i t  è la portata entrante, rappresentata dall’idrogramma di piena che, per le casse in linea,
coincide con l’idrogramma del corso d’acqua indisturbato (Figura 2);

Il legamene funzionale tra livelli idrici h e correlati volumi V invasati nella cassa è espresso in
forma analitica attraverso la funzione di regressione (Figura 5):
h  3  10 6  V  0 ,01

Qu è la portata uscente e dipende dalla geometria dell’opera di regolazione che, in questo caso,
è realizzata con una briglia dotata di una luce di fondo a sezione rettangolare, larga 7,0 m ad alta
2
Vedi Capitolo IV – pagina 221
254
2,5 m , raccordata con la sezione esistente dell’alveo sia a monte che a valle con un tronco di
transizione .
Figura 7
Per le questa configurazione sono possibili tre distinte condizioni di deflusso della Qu(h) al variare
del tirante idrico hm, funzione del tempo t, e pertanto incognito, che si stabilisce nella cassa in funzione dei volumi invasati.
Condizione 1: fintanto che hm< s = 2 m (fino alla quota 572 m s.m.) la portata Q defluisce liberamente attraverso la bocca della briglia e la Qu(h) (Figura 5) è espressa dalla funzione:
Q    k  R2 / 3  i1 / 2
con i = 0,004, pendenza di fondo alveo nel tratto interessato dal manufatto di regolazione e ks =
35 (coefficiente di scabrezza di Strickler).
hv è l’altezza di moto uniforme che si stabilirà nell’alveo a valle della briglia per effetto della portata; viene desunta utilizzando la scala di deflusso h (Q) di Figura 5 .
Figura 8. Scale di deflusso Q(h) e h (Q) – Condizione 1
255
Condizione 2: successivamente per s < hm < a , da quota 572 a 575 m s.m., la portata Qu h si
valuta con la relazione: Qu     2g  hm  hv 
con
  0,66 ; hv è l’altezza di moto uniforme
calcolata nella sezione dell’alveo a valle della briglia; h’ rappresenta il valore di primo tentativo.
Figura 9. Scala di defluisso Q (h) – Condizione 2
Condizione 3: infine per hm > s + a, dalla quota 575 a 576,50 m s.m., la portata effluente QT è la
somma dell’efflusso sottobattente Qi e della portata sfiorata Qsf sulla gaveta della briglia:
Q sf    L  h  2  g  h
Con :
 = 0,385 coefficiente di deflusso per stramazzo in parete grossa
L = lunghezza della gaveta ;
h = tirante sulla soglia di sfioro rilevato a monte della briglia
Figura 10. Qu(h) – Condizione 3
256
Stabilito
un
intervallo di tempo t, la soluzione numerica alle differenze finite della
dV
può essere valutata utilizzando il seguente schema utilizzato per lo sviluppo
Qi t   Qu t  
dt
della Tabella IV:
Colonna 1 : intervallo di tempo in ore
Colonna 2 : dt - tempo trascorso, in secondi, tra due intervalli
Colonna 3 : portata in ingresso rappresentata dall’idrogramma di Figura 2 costruito utilizzando le
relazioni di stima di Gregorig
Colonna 4 : Qa-Qe pari alla differenza tra il valore della colonna 3 – il valore della colonna 8 della
riga precedente
Colonna 5 : variazione del volume invasato nella vasca
V
Colonna 6 : innalzamento del livello dh, nella sezione di sfioro, causato dalla variazione di livello
V e h
Colonna 7 : tirante idrico hi al termine dell’intervallo di tempo t
Colonna 8 : correlato valore della portata in uscita Qu(h) in funzione delle condizioni 1, 2 e 3
Tabella IV
257
Nella seguente Figura 11, sovrapposta all’idrogramma di piena, è riportata l’onda di piena laminata
per effetto dei volumi invasati nella cassa d’espansione in linea; da questa si evince una portata
Qu-max  80 m3/s .
Figura 11. Onda di piena laminata
b. Casse di espansione in derivazione
La realizzazione di questa tipologia è possibile solo se il corso d’acqua è arginato, in quanto la portata di laminazione dovrà essere sversata nella cassa per poi ritornare nell’alveo a piena esaurita.
Le opere di derivazione sono caratterizzate, generalmente, da uno sfioratore laterale dimensionato
per la portata Qsf = Qp- Qc ed inserito nel corpo dell’argine ed un manufatto di regolazione che
determina il funzionamento della cassa (Figura 16).
Figura 16 . Casse di espansione in derivazione
La casse in derivazione sfruttano porzioni di territorio che si sviluppano parallelamente all’alveo, in
generale aree di pertinenza fluviale. L’attivazione della cassa avviene attraverso soglie tracimabili
ricavate nel corpo dell’argine fluviale e poste ad una quota alla quale corrisponde in alveo un valore
di portata uguale o leggermente inferiore a quello che si desidera non venga superato. Con questa
disposizione la cassa viene allagata soltanto quando nel corso di una piena la portata supera il valore di soglia prefissato .
A volte la necessità di derivare, in condizioni di piena, parte della portata eccedente facilitandone
la derivazione verso la cassa di espansione comporta, in aggiunta alle opere di derivazione, la realizzazione da opere fisse che possono essere realizzate sia con traverse (Figura 17) o soglie di
fondo, in caso di elevato trasporto solido associato al deflusso della piena. (Figura 18), o con re258
stringimenti del corso d’acqua realizzando delle sezioni di controllo delle massime portate da indirizzare verso valle (Figura 19).
Figura 17. Complesso di opere di derivazione
Figura 18. Soglia emergente con pareti inclinate
Figura 19. Opera di sfioro regolata da valle
(Comune di Prato- Genio Civile di Prato)
Le casse in derivazione consentono di ottenere una più efficace laminazione
dell’idrogramma di
piena (Figura 20).
259
Figura 20. Idrogrammi di piena a monte e valle di cassa
d’espansione in linea ed in derivazione
Qualora la pendenza dell’alveo risultasse sensibile, per ragioni costruttive, può essere conveniente
suddividere la cassa in più settori ognuno fornito di soglia sfiorante e scarico di fondo (Figura 21).
Figura 21. Cassa di espansione a settori sul T.Marinella
(Comune di Prato – Genio Civile di Prato) Tratta da “L’Acqua” n.5/2002
A fronte di una maggiore flessibilità delle casse di espansione a settori l’efficienza di laminazione risulta inferiore rispetto a quella di una cassa unica. 3
c. Opera di restituzione Ha la funzione di svuotamento della cassa una volta transitato il picco di piena.
Nella cassa in linea lo svuotamento è regolato direttamente dalla struttura fissa che con funzionamento attraverso luci a battente, le quali controllando la portata effluente ne determinato la
vuotatura. Nella soluzione in derivazione, per consentire lo svuotamento della cassa, è prevista la
realizzazione di uno o più tombini di scarico attrezzati con paratoia (Figura 22).
Lo svuotamento avverrà con deflusso sottobattente regolato dall’equazione:
Q      2g  h
 = 0,65 coefficiente di efflusso h = carico idraulico.
 = area totale della luce sottobattente.
3
Le acque di piena sono generalmente caratterizzate da un notevole contenuto di materiale in sospensione che
sedimenta, principalmente, nella prima cassa, modificandone la capacità. Questo comporta la necessità di periodici interventi di manutenzione e, pertanto, ciascuna cassa deve essere dotata di una rampa di discesa per
l’accesso dei mezzi da utilizzare per manutenzione o riparazione.
260
Durante lo svuotamento il carico idraulico h a monte della paratoia è variabile, di conseguenza è
variabile anche la portata uscente dalla paratoia, la portata diminuisce con il tempo, fino ad azzerarsi per livello “zero”. Generalmente, in via semplificativa, per determinare il tempo di svuotamento dell’invaso si fa riferimento al valore medio della portata defluente dalla paratoia, calcolata
sull’ipotesi di carico idraulico medio e con un grado di apertura pari al 50%.
Figura 22 . Tombino di scarico
Esempio 29 . Cassa d’espansione in derivazione Con ovvie semplificazioni si ipotizza un diverso caso di studio ipotizzando l’utilizzo di una cassa
d’espansione in derivazione. Questa è strutturata con una serie di manufatti ed opere necessarie
per consentire il riempimento e lo svuotamento della cassa (Figura 1):
Figura 1 . Cassa di espansione in derivazione
1. Opera di regolazione: assolve alla necessità di garantire, in condizioni di piena, il contenimento
della portata effluente al massimo valore compatibile Qu .
Nel tratto di alveo interessato, opportunamente regolarizzato e provvisto di argini, dovrà essere
verificato il regime idraulico della corrente al fine di garantire il funzionamento dello stramazzo
che si sviluppa parallelamente alla direzione della corrente . Pertanto la legge di regolazione è rappresentata dalla scala di deflusso della sezione regolarizzata (Figura 2b):
261
Figura 2. Sezione corrente dell’alveo prima e dopo la sistemazione
Figura 3. Scala di deflusso della sezione nel tratto di alveo sistemato a monte dello sfioratore
Figura 4. Determinazione dell’altezza critica per la portata Qi  165 m3/s
Utilizzando i grafici di Figura 3 e Figura 4 si rileva, per la portata al colmo Qi  165 m3/s,
un’altezza di moto uniforme h  3,60 m ed un’altezza critica
262
0,5845
Q 
hc  0,2084   i 
 g


 0,2084  52,680,5845  2,11 m ;
il flusso è in regime di corrente lenta e, pertanto, la scala di deflusso dell’opera di derivazione è
funzione del tirante idrico h (Q) che si stabilisce nell’alveo sistemato.
2 Manufatto di derivazione: è realizzato con una soglia fissa tracimabile ricavata nel corpo
dell’argine fluviale. Alla massima quota di sfioro dovrà corrispondere nell’alveo a valle un valore di
portata uguale o leggermente inferiore a quello che si desidera non venga superato. Per la portata
compatibile4 Qu-max  80 m3/s viene preliminarmente dimensionata la soglia di sfioro per una porQsf =   L  h  2g  h = 165 – 80 = 85 m3/s .
Posto   0 ,43 , coefficiente di deflusso ed L = 22 m si ottiene un’altezza di sfioro h=1,60 m.
tata
Figura 5. Scala di deflusso dello stramazzo laterale
Il funzionamento idraulico della cassa, anche in questo caso, è regolato dall’equazione di continuità:
Qi t   Qu t  
dV
dt
dV rappresenta l’incremento di volume nella cassa per effetto della portata sfiorata Qsf, nell’intervallo di tempo dt, funzione del tirante di moto uniforme che si instaura nell’alveo principale per
effetto della portata Qi(t) rappresentata dall’idrogramma di piena. La soluzione numerica si sviluppa alle differenze finite seguendo un procedimento iterativo, sviluppato numericamente in forma
tabellare (Tabella VI) , secondo il seguente schema:
Colonna 1 : intervallo di tempo in ore
Colonna 2 : tempo trascorso, in secondi, tra due intervalli
Colonna 3 : portata in ingresso rappresentata dall’idrogramma (Esempio 28 - Figura 2)
Colonna 4 : altezza di moto uniforme correlata alla portata Qi ricavabile dalla funzione
h = 0,438 Q0,42 della scala di deflusso di Figura 3
Colonna 5 : altezza sul ciglio di sfioro dello stramazzo laterale pari alla differenza tra h monte – h0
Colonna 6 : portata sfiorata nella cassa d’espansione correlata alla hsf attraverso l’equazione degli
stramazzi
4
Q    L  h 2g  h
→
Q sf  41,903 h
1 ,5
per praticità verranno utilizzati tutti gli elementi definiti e calcolati precedentemente
263
Colonna 7 : portata in uscita Qu(h) pari alla differenza tra i valori di Qi(t) (colonna 3) e Qsf(h) (colonna 6) .
Tabella VI
Nella seguente Figura 6, sovrapposta all’idrogramma di piena, è riportata l’onda di piena laminata
per effetto dei volumi invasati nella cassa d’espansione per effetto della portata sfiorata Qsf .
Anche in questo caso la portata Qu-max  80 m3/s . Figura 6. Onda di piena laminata
3. Opera di restituzione: ha la funzione di svuotamento della cassa una volta transitato il picco di
piena.
264
1.3 Regolazione delle opere di sfioro L’efficienza di una cassa di espansione è dunque correlata all’efficienza delle opere di sfioro e di
vuotatura. L’assenza di regolazione consente un funzionamento affidabile e pochi interventi di manutenzione.
Benché la regolazione con paratoie consenta di elevare la portata di inizio sfioro fino alla portata
Qsf  Qp  Qc è poco utilizzata in quanto comporta la presenza di un gestore a cui spetti, oltre il
potere decisionale di intervento, anche l’assunzione di rischi sul mancato funzionamento ed i conseguenti oneri per la manutenzione degli organi meccanici di regolazione.
Una particolare soluzione che consente sia un automatismo di sversamento nella cassa e sia il
conseguimento di una portata di sfioro prossima alla Qsf è rappresentato dagli sfioratori fusibili.
Gli sfioratori fusibili sono, in realtà, porzioni di argini destinati alla tracimazione con conseguente
demolizione per erosione .
Il processo di erosione comincia quando il livello dell’acqua raggiunta la quota di sfioro del canale
di tracimazione o pilota tracima sul paramento di valle non inerbito e realizzato con materiale facilmente erodibile (Figura 23). Il tratto destinato alla “fusione” è contenuto da pareti in calcestruzzo.
Figura 23. Sfioratore fusibile
Da Deppo L. Casse d’espansione fluviali- Ed.Bios- 1977 - Rielaborazione
Poichè la portata evacuabile è funzione oltre che dell’altezza della breccia anche della lunghezza del
tratto fusibile, è possibile sezionarlo in più tronchi separati dai setti in calcestruzzo. In questo caso
è opportuno prevedere la quota di sfioro del canale di tracimazione a quote crescenti in modo da
seguire la piena e limitare la ricostruzione dei tronchi crollati.
La Hydroplus International ha sviluppato il sistema FusegateTM. Questo
consiste in una serie di
moduli indipendenti che vengono posizionati l’uno a fianco all’altro. Ogni elemento, realizzato con
una struttura rigida con la funzione di barriera di ritenuta del corso d’acqua, poggia su una fondazione in calcestruzzo creando un vuoto, o camera, in comunicazione con la sommità del Fusegate
con un pozzo (Figura 24 a).
265
Figura 24 . Schema di funzionamento del FusegateTM
Questo sistema, simile per funzionamento agli sfioratori fusibili, viene attivato quando il livello idrico del corso d’acqua superando l’altezza del paramento verticale ha un funzionamento di sfioratore laterale fino a quando non viene impegnata la cresta del pozzo (Figura 24 b). A questo punto
l’acqua scende nella camera generando una spinta sufficiente per provocare il ribaltamento attorno
ad un “gradino”, annegato nella fondazione, che evitando spostamenti orizzontali favorisce la rotazionale della struttura (Figura 24 c e d).
Anche con questo sistema è possibile, con opportuno posizionamento delle quote dei pozzi, programmare l’abbattimento progressivo degli elementi e quindi controllare e gestire le portate da
laminare.
Figura 25. Schema di un sistema di vasche di espansione in cascata
Agence de l’eau Loire Bretagne - 1977.
2. Scindere le portata mediante scolmatore Opere idrauliche (opere di presa e canali di diversione) con le quali viene sottratta acqua alla portata di piena ed avviata direttamente al mare (diversivi) o restituita all’alveo principale dopo un
determinato tratto (scolmatori). La ripartizione della portata determina una diminuzione dei livelli
di piena ma, per contro, sorge l’inconveniente che la chiamata prodotta dell’imbocco del diversivo,
accelerando la velocità della corrente nel tratto a monte, può produrre escavazione . Questa situazione combinata con la minore pendenza a valle, conseguente alla diminuita portata e velocità, può
dare luogo ai cosiddetti ventri di piena , interrimento con conseguente sopraelevazione del fondo,
vanificando, nel tempo, l’effetto del diversivo. Infine per consentire il deflusso nel diversivo occorrerà posizionarlo “in quota” in modo tale da avere una pendenza sufficiente .
Analogo problema si ha negli scolmatori per i quali resta difficile posizionarne il punto di rientro
nell’alveo principale. Pertanto l’utilizzo dei diversivi viene limitato in tronchi prossimi al mare men266
tre gli scolmatori vengono utilizzati in prossimità di centri abitati o dove il letto del fiume è costretto da situazioni non rimovibili (Figura 26).
Figura 26 Scolmatore di piena in corrispondenza
di un ponte ferroviario sulla Roma-Napoli
Negli scolmatori, così come già visto in precedenza, fissato il rapporto tra la massima portata compatibile Qc dalle opere di protezione esistenti e la massima portata di piena, Qp , per un assegnato
tempo di ritorno, viene a definirsi la portata in eccesso, Qsf , da trasferire a valle della sezione critica. Il prelievo di questa portata viene effettuato, in generale, in fregio all’alveo principale con sfioratori laterali (Figura 27).
Figura 27. Scolmatore di piena sul Fiume Liri a monte dell’abitato di Isola Liri
3. Incrementare la sezione utile con la realizzazione o l’innalzamento degli argini Gli argini longitudinali, quali opere contenitrici delle piene, rappresentano le prime costruzioni per
aumentare la sezione del fiume e consentirne il deflusso ed il contenimento della portata di massima piena. In latino il termine ager ha il significato di mucchio di terra.
267
La costruzione degli argini si è sviluppata nel tempo in base a regole empiriche che hanno assunto
validità nel 1819 con il Regolamento Ansaldi interamente trascritto nel T.U. n. 525 del 25 luglio
1904, relativo alle opere idrauliche, che con il T.U. n. 959 dell’11 luglio 1913, sulla navigazione interna, rappresentano la Normativa di riferimento in tema di costruzione di argini.
Gli argini longitudinali possono essere realizzati in :

froldo , lungo le sponde naturali del letto ordinario;

golena, più o meno distanti, dal froldo verso il perimetro esterno delle aree inondabili .
Nel caso di grandi fiumi possono essere presenti, oltre agli argini maestri, arginature secondarie
ubicate tra il froldo e l’argine golenale, di altezza limitata e pertanto sommergibili . Nel caso in cui
siano obliqui rispetto alla corrente sono detti soprastanti se procedendo nel verso della corrente
sono divergenti rispetto ad essa; soggiacenti in caso contrario.
Gli argini in terra sono realizzati con rilevati di altezza generalmente contenuta in 10÷12 m con
compiti di tenuta d’acqua. Le pendenze delle scarpate variano, verso fiume, tra 1:1,5 ÷ 1:2 mentre lato campagna generalmente 1:2.
Nelle Figure 29 e 30, tratte da una pubblicazione del Ministero LL.PP, sono raffigurate alcune tipologie di arginature
Figura 29. Terminologia in materia di arginature
( ridisegnata da una pubblicazione del Ministero LL.PP)
268
Figura 30. Tipologie di argini maestri
( ridisegnata da una pubblicazione del Ministero LL.PP)
Un esempio di sopraelevazione e adeguamento delle arginature è mostrato in Figura 31 e 32:
Figura 31. Lavori sull’argine sinistro dell’Adige a Masi di Badia Polesine
(dall’anno 1600 all’anno 1939)
Figura 32. Filtro drenante orizzontale ed adeguamento
della sezione trasversale dell’argine
Le azioni che possono creare condizioni di instabilità si possono dividere in due categorie:

azioni esterne, dovute all’erosione e allo scalzamento della scarpata per effetto della corrente
Figura 33. Rottura degli argini
azioni interne, causate dai moti di filtrazione alimentati dalle falde, dagli eventi meteorici e dalle
variazioni del livello nel corso d’acqua. La rottura degli argini per sifonamento, è conseguente
all’asporto del materiale solido e creazione dei fontanazzi (Figura 34). Il fenomeno inizia con
una movimentazione delle particelle più fini costituenti il terreno di fondazione, creando meati ,
via via crescenti, nei quali l’aumento della velocità di filtrazione causa l’asportazione di materiale
269
costituente il terreno di fondazione. Una delle cause più frequenti di formazione dei fontanazzi
trova origine nell'attività di scavo svolta da alcuni animali quali, ad esempio, la nutria ed
il tasso. Questi mammiferi costruiscono le loro tane preferibilmente in prossimità dei corsi d'acqua e, in particolare la nutria, scava profondi cunicoli all'interno dell'argine che possono attraversarlo per tutta la sua larghezza. In quest'ultimo caso, diventa spesso necessario l'intervento
immediato con la posa di sacchi di sabbia attorno al foro in modo da formare una coronellae
successivamente, la chiusura delle gallerie allo scopo di ripristinare la continuità e stabilità
dell’argine.
Figura 34. Creazione di “fontanazzi” e loro arginatura e chiusura
Ulteriori cause di dissesto e di rottura delle arginature sono schematicamente rappresentate in Figura 35.
Figura 35. Principali cause di dissesto e rottura degli argini
270
Per individuare il moto di filtrazione dell’acqua, dal corso d’acqua e sintetizzare in modo sufficientemente esatto i processi di erosione e di sifonamento si può fare ricorso a codici di calcolo con
pacchetti applicativi
per l’analisi di filtrazione, sia per flusso saturo e non saturo.
Sono disponibili numerosi softwares che consentono di eseguire il calcolo molto rapidamente, una
volta disegnata la geometria della scarpata e individuati la distribuzione delle pressioni neutre u e i
parametri di resistenza al taglio dei terreni.
Procedure di calcolo più raffinate per condurre analisi di stabilità vengono condotte con codici di
calcolo agli elementi finiti. Con questi codici, specificate preliminarmente le condizioni al contorno,
possono essere condotte analisi sia di filtrazione che di stabilità. Una volta discretezzato l’intero
dominio attraverso una maglia ad elementi finiti, l’analisi di filtrazione restituisce i risultati in forma grafica (Figura 36) individuando le linee di flusso, le linee equipotenziali ed i vettori di flusso.
L’analisi di stabilità del corpo arginale, condotta utilizzando la distribuzione delle pressioni neutre
ricavate dall’analisi di filtrazione precedente, permette di visualizzare la superficie di scorrimento
con il minimo fattore di sicurezza (Figura 37).
Figura 36. Caratterizzazione della sezione e Risultato dell’analisi di filtrazione
Figura 37. Risultato dell’analisi di stabilità
271
4. Migliorare le caratteristiche idrauliche del corso d’acqua (geometria della sezione, pen‐
denza e scabrezza) in modo tale da aumentare la portata compatibile. Ogni corrente idrica ha una capacità di trasporto del materiale solido che dipende dalla pendenza
dell’alveo, dalla velocità dell’acqua e dalla dimensione e dalla forma del letto del fiume.
Quando una corrente trasporta una quantità di solidi pari alle sue potenzialità, si dice che è in condizioni di saturazione. Se la portata solida è inferiore a quella di saturazione, la corrente avrà la
tendenza a erodere altro materiale dall’alveo; se invece la portata solida è superiore, avrà la tendenza a depositare questo materiale in eccesso. L’equilibrio dell’alveo sarà quindi il risultato di un
compromesso fra l’azione di erosione e quella di sedimentazione.
4.1. Il coefficiente di scabrezza in un alveo naturale La maggior parte degli interventi di regimazione idraulica dei corsi d’acqua riguarda la riduzione
dell’erosione dell’alveo. Dall’esame dell’equazione di Manning-Strickler, correntemente utilizzata
per la verifica ed il dimensionamento della sezione idrica di un corso d’acqua :
Q    k  R 2 / 3  i1 / 2
K, coefficiente di scabrezza, rappresenta la natura dell’alveo nel suo complesso (fondo, sponde ed
eventuali ostacoli presenti). L’alterazione di uno solo di questi parametri riduce la portata determinata in fase progettuale; pertanto i corsi d’acqua sono in uno stato di costante instabilità legata soprattutto a una cattiva o mancanza di manutenzione. (Figura 38).
Figura 38. Variazione della scabrezza in un corso d’acqua
Il coefficiente di scabrezza k diminuisce per la presenza di ostacoli, quali la vegetazione o altro, con
conseguente rallentamento del deflusso idrico; la sezione  diminuisce allo stesso modo, a causa
dell’ingombro da parte della vegetazione o di materiali ghiaiosi depositatisi.
E’ stato affrontato e risolto il problema della scabrezza variabile lungo il contorno bagnato e delle
sezioni con banchine, tipiche di alvei fluviali di pianura o di grandi canali. Considerazioni svolte, il
più delle volte, su sezioni regolari ed uniformi e, pertanto, non applicabili ai corsi d’acqua naturali.
In questi casi si può procedere caratterizzando tronchi elementari in modo da poter definire, per
ognuno, valori medi della sezione bagnata e del coefficiente di scabrezza. Per la pendenza sarà sufficiente considerare la pendenza media del tronco. Per la sezione media di un tronco si può scegliere, in via speditiva, la sezione posta a metà del tronco stesso . Un metodo più accurato può essere quello di sovrapporre più sezioni del tronco e tracciare una linea media (linea tratto e punto md
di Figura 39)
272
Figura 39.
Per i torrenti e per la parte medio-alta dei fiumi una stima approssimativa del coefficiente di scabrezza è possibile con la relazione: Ks = 26/d901/6 nella quale d90 (m) è il diametro del materiale
d’alveo cui corrisponde un passante pari al 90%.
Generalmente si ricorre alle indicazioni fornite da Tabelle con le quali è possibile correlare la descrizione con il valore atteso.
Per i corsi d’acqua di pianura l’alveo di piena è, generalmente, costituito da un alveo centrale per il
deflusso di magra o di piene moderate, e di una o due zone laterali o golene, talvolta anche molto
estese, impegnate solo nel corso delle piene più gravose. Normalmente vegetate o coltivate, talvolta con frutteti, rappresentano più o meno marcatamente una resistenza alla corrente.
Nel caso di tali sezioni composite la maggior parte dei moduli di calcolo permettono di assegnare
valori diversi di scabrezza per ogni parte elementare della sezione; in alternativa si compone un
valore di scabrezza dell’ alveo naturale come misura globale della resistenza al moto, secondo le
indicazioni fornite dalla seguente
Tabella (tratta da
"Open Channel Hydraulics", Ven te Chow,
McGraw Hill)
Pertanto a seguito di un’accurata ricognizione dei luoghi, rilevate le caratteristiche specifiche dei
273
materiali che compongono l’alveo e la copertura vegetale delle sponde e delle aree golenali si determina:
n = (n0 + n1 + n2 + n3 + n4) m5
Tabella I: Elementi di calcolo del coefficiente globale di scabrezza n
Ricordato che
stima
tra Ks = coefficiente di Strickler ed n coefficiente di Manning
ks 
vale la relazione di
1
n
Variazioni di portata e velocità sono causa di fenomeni di instabilità della geometria e della forma
dell’alveo. Come detto precedentemente oltre alla stabilità delle sponde si accompagna quella del
fondo. A tratti soggetti ad escavazioni seguono tratti soggetti a notevoli depositi di inerti di varia
pezzatura (Figura 40).
Figura 40. Alvei in erosione e deposito
274
La tendenza degli alvei ad assumere un andamento irregolare e sinuoso può essere ricollegata alla
differente erodibilità delle formazioni attraversate.
In generale è possibile osservare una relativa stabilità delle sezioni di flesso planimetrico, cui fa riscontro invece una decisa instabilità a valle dei vertici delle curve, dovuta ad una distribuzione
asimmetrica delle velocità. L’origine di quest’ultimo fenomeno va ricercato nella presenza di moti
trasversali nelle sezioni in curva, originati dal sovralzo della superficie libera lungo la sponda esterna della curva, ad opera della forza centrifuga. La componente trasversale del moto aumenta con
l’intensità della velocità e diminuisce con l’aumento del raggio di curvatura.
Pertanto, a curve di piccolo raggio e percorse con notevoli velocità, corrisponderanno sezioni profonde, dissimmetriche e caratterizzate da più probabili fenomeni di instabilità. Viceversa, per un
raggio di curvatura superiore, convenzionalmente a circa tre volte la larghezza della superficie libera, questi effetti diminuiscono. Nella
seguente Figura è riportato un esempio di “divagazione “
dell’alveo del Fiume Liri .
Figura 41. Divagazione dell’alveo del Fiume Liri
Stabilite la forma , le dimensioni della sezione e la pendenza del fondo occorre verificare i valori
della velocità media V, la quale non dovrà essere eccessivamente bassa per evitare il fenomeno
della deposizione, causato dal deposito delle torbide trasportate, pertanto è necessario che la velocità minima risulti superiore a 0,30÷0,40 m/s mentre i valori massimi dovranno essere contenuti
entro valori ammissibili per il tipo di terreno o dal rivestimento adottato al fine di evitare fenomeni
di erosione .
Nelle seguenti Tabelle sono riportati i valori della velocità limite espressi in [m/s]:
Redtenbacher sabbia
0,30
ghiaietto
0,60
ghiaia
0,90
pietrisco
1,20
275
Fortier‐Scobey sabbia fine
acque chiare
0,45
acque con torbida
0,75
terreno sabbio-argilloso
0,55
0,75
terreno argillo-limoso
0,60
0,90
ghiaia fina
0,75
1,50
argilla compatta
1,15
1,50
ghiaia grossolana
1,20
1,85
ciottoli o brecce
1,50
1,70
Qualora la velocità eccedesse i massimi valori tollerabili sarà opportuno intervenire con opportuni
rivestimenti.
5
“La principale funzione di un’opera di difesa idraulica è quella di fornire una solida interfaccia tra il corso d’acqua e il terreno che lo contiene. Per raggiungere questo scopo l’intervento di sistemazione deve possedere i seguenti requisiti base, mancando i quali i risultati risulterebbero perlomeno incerti Stabilità ‐ La difesa deve essere in grado di sopportare i carichi imposti, stabilizzare il suolo sottostante e impe‐
dirne la erosione. Flessibilità ‐ Capacità di assorbire le deformazioni del sedime senza che vengano pregiudicate le altre funzioni. Durata ‐ Durante il suo periodo di esercizio l’opera non deve perdere di efficienza a causa dell’invecchiamento. Manutenzione ‐ Il progetto dovrebbe prevedere delle soluzioni che facilitino la manutenzione, che comprende la riparazione del danno locale e la sostituzione dei materiali degradati. Gli elementi che richiedono una manuten‐
zione periodica devono essere facilmente raggiungibili per l’ispezione e il ripristino. Sicurezza ‐ In fase di progettazione si dovrebbero eliminare i potenziali rischi per gli operai e per gli utenti. Si dovrebbero includere tutti gli aspetti relativi alla sicurezza che considerino tutte le attività che hanno luogo so‐
pra e intorno alla sponda, siano esse autorizzate o meno. Accettazione sociale ed ambientale ‐ La difesa diventerà parte del paesaggio e del sistema ecologico locale; per soddisfare dette esigenze, il progetto non dovrà includere pertanto solo considerazioni puramente tecniche Co‐
sto ‐ Il progetto dovrà soddisfare tutti i requisiti funzionali restando nei costi accettabili per l’intervento, valu‐
tando quelli di costruzione e manutenzione. 4.2. Opere per la stabilizzazione delle sponde Il più semplice dei rivestimenti è rappresentato dal manto erboso. La vegetazione erbacea riveste
un ruolo importante nel limitare l’azione erosiva sia delle acque meteoriche che di deflusso, impedendo l’asportazione delle particelle superficiali del terreno, per cui il suo sviluppo può risultare determinante per un successo finale della sistemazione spondale. Tra i vari metodi di rinverdimento si
possono ricordare i diversi tipi di semina e la messa a dimora di tappeti erbosi, talee o piantine di
specie arbustive o arboree. Queste tipologie possono anche essere integrate attraverso l’uso di reti,
stuoie o tessuti in materiale naturale o sintetico in quanto favoriscono la germinazione dei semi e
quindi concorrono a una più rapida riuscita del rinverdimento (Figura 42).
Figura 42. Impianto di rivestimento erboso su stuoie sintetiche
5
Da “Strutture flessibili in gabbioni e materassi Reno nelle aste torrentizie e fluviali”
Parte seconda Opere Longitudinali -Officine Maccaferri spa . Bologna
276
Quando sia per fenomeni erosivi delle pendici o per bassa coesione del terreno, occorre sostenere
le sponde con opportuni rivestimenti.
Figura 43. Superficie di scivolamento passante per il piede della sponda (a) e
per il fondo dell’alveo (b)
1. Rivestimenti rigidi: sono realizzati o in muratura di pietrame e malta o in calcestruzzo. Per la loro rigidità tendono a
spezzarsi sotto cedimenti causati da frane o smottamenti a meno di realizzare spessori elevati.
Questo comporta un rivestimento pressoché impermeabile, che impedisce gli scambi naturali tra
l’alveo del fiume e l’ambiente circostante generando, inoltre, sotto spinte che possono innescare sifonamenti della struttura. Infine dal punto di vista ambientale rappresentano strutture impattanti.
Figura 44. Rivestimenti rigidi
2 Rivestimenti semi‐rigidi: Volendo essere migliorativi rispetto ai precedenti devono esse più leggeri, avere una deformabilità
associata anche alla possibilità di ridurre le sotto spinte.
277
Figura 45. Rivestimenti semi rigidi
Non hanno conseguito i risultati attesi rivestimenti realizzati da elementi in calcestruzzo tenuti tra
loro con catene o perni o da “salsicciotti” in geotessile riempiti di calcestruzzo.
Figura 46. Esempi di collasso di rivestimenti semi rigidi
3. Rivestimenti flessibili: adattandosi ai cedimenti possono sopportare sensibili deformazioni senza subire rotture, inoltre,
sono strutture che, per loro caratteristica, sono permeabili e, pertanto, eliminando le sottopressioni riducono il pericolo del sifonamento .
1.Materiali sciolti: consistono in gettate di massi maturali o artificiali prefabbricati, di vari forma e
pezzatura, posti alla rinfusa
o all’interno di sacche realizzate con stuoie di materiale plastico
278
Figura 47
2. Scogliere in pietrame sciolto o in blocchi :
Figura 48. Varie tipologie di scogliere in pietrame
Nella Figura 46 viene ancora rappresentata una difesa di sponda in blocchi di pietrame, in cui il
piede viene ulteriormente rinforzato collegando i massi con funi di acciaio.
279
Figura 49. Difesa di sponda in blocchi di pietrame
3.Strutture flessibili realizzate con rete metallica e pietrame : i materassi “Reno”6
Il materasso Reno è costituito da una struttura metallica avente forma parallelepipeda di notevole ampiezza e piccolo spessore, divisa in più celle, e viene fabbricata con rete metallica a maglia esagonale a doppia torsione, fortemente zincata ed eventualmente protetta con rivestimento in materiale plastico; tale elemento viene riem‐
pito in opera con ciottoli o pietrisco di idonee dimensioni. Figura 50. Rivestimento flessibili in materassi tipo “Reno”
66
Descrizioni ed immagini tratte dalle monografie edite dalle Officine Maccaferri spa. Bologna
280
Figura 51. Fiume Tagliamento a Latisana : sn 1969 dx 1984
Il fenomeno naturale di inerbimento può essere accelerato con nuove metodologie di intervento
nelle quali ai materiali inerti vengono associati a vegetazione erbacea ed arbustiva .
Figura 52
Lungo il percorso fluviale può rendersi necessaria la realizzazione di muri di sponda, soprattutto in
attraversamenti urbani. Queste opere, parallele alla corrente, hanno lo scopo di sostenere le sponde, prevenire fenomeni franosi ed azioni erosive.
Figura 53
281
Dal punto di vista costruttivo possono essere realizzati con strutture permeabili ( muri a secco e
gabbionature – Figura 54) o impermeabili ( muratura legata con malta e muri in cls armato – Figura 56).
Figura 54. Muro di pietrame a secco e gabbionate
Il gabbione è strutturalmente simile al materasso , ovviamente di dimensioni maggiori
Figura 55. Strutture flessibili in Gabbioni
Le strutture permeabili sono sottoposte a sollecitazioni minori rispetto alle strutture impermeabili
però sono soggette a fenomeni simili al sifonamento con asportazione del materiale a tergo del muro in elevazione. Pertanto a tergo di questo viene posto materiale arido di pezzatura sensibilmente
maggiore del terreno retrostante. Oggi è molto diffuso l’uso di geotessisili o in sostituzione del filtro
drenante o in aggiunta a questo e posizionato a ridosso del muro.
282
Figura 56. Muro di pietrame legato con malta e muro in cls armato
Particolare attenzione deve essere posta nella realizzazione della fondazione soggetta sia a fenomeni di erosione ed escavazione del fondo ed, anche in questo caso, a fenomeni di sifonamento.
Di conseguenza potranno essere realizzati taglioni in cls, jet-grouting , palificate in acciaio o cls
armato, ecc.
4.3. Opere per la stabilizzazione del fondo 1.Soglie o salti di fondo Vengono realizzati con la trasformazione a gradini del profilo longitudinale dell’alveo in maniera tale
da ridurne la pendenza. Hanno il compito di fissare l’altimetria e rendere stabile il profilo altimetrico
dell’alveo .
Figura 57. Alveo sistemato con soglie di fondo
A valle della soglia si avrà un’accelerazione della corrente con conseguente maggiore erosione; per
questo motivo le soglie dovranno essere ben radicate nel terreno e protette , al piede, con rivestimenti , anche in pietrame.
2.Macro scabrezze diffuse Le resistenze al moto sono fortemente influenzate dalla scabrezza. Le perdite energetiche assumono infatti una ben maggiore rilevanza quando sono presenti intense turbolenze create da irregolarità emergenti dal fondo .
Figura 58. Macro scabrezze naturali emergenti sul fondo dell’alveo
283
L’esigenza di limitare velocità elevate e la tutela ambientale hanno portato a soluzioni progettuali di
utilizzo di corpi isolati emergenti rispetto alla superficie libera della corrente realizzati con elementi
naturali, legname e pietrame, tipici della bio-engineering .
Figura 59
Il grado di dissipazione
dipende
dalle dimensioni, dalla geometria e dal posizionamento
degli
elementi rocciosi caratterizzati da elevate scabrezze relative /h (dove  è l’altezza dell’asperità
del fondo e h l’altezza del tirante idrico).
In molti casi il dimensionamento comporterebbe l’utilizzo di elementi di notevoli dimensioni in contrasto “estetico-paesaggistico” con l’ambiente originario; pertanto è possibile conseguire solo una
parziale dissipazione energetica.
Dall’osservazione di un corso d’acqua, nel tratto montano, si evidenzia l’alternanza di tratti a pendenza sostenuta e profondità modeste, riffle, con tratti a profilo più piatto e tiranti idrici più sensibili, pool.
Figura 60. Torrente con sequenza di riffle e pool.
Nel primo caso la corrente, selezionando una granulometria molto variegata, aggrega gli elementi
più pesanti con conseguente riduzione della lunghezza dei riffle, dando luogo ad una unità morfologica a gradino, step. Il profilo longitudinale assume in questi tratti un andamento a gradinata, sequenze di riffle e pool riconducibile ad una serie di stramazzi in caduta in ognuno dei quale viene
dissipata energia
Figura 61. Scala di stramazzi
284
Di seguito sono riportati due esempi progettuali 7, di rinaturalizzazione di due corsi d’acqua.
Il primo riguarda un alveo regolarizzato con una serie di soglie di fondo realizzate con pietrame di
varia pezzatura in sostituzione di strutture fisse in calcestruzzo .
La disposizione dei massi realizza una serie di soglie trasversali ognuna costituita da tre file di massi ciclopici, saldamente fondate su pietrame di fondo, di cui emerge solo la fila centrale quale elemento efficace ai fini dissipativi.
Tra le soglie viene a dissiparsi energia riducendo nel tratto interessato la velocità (Figura 60).
Il secondo esempio riguarda un tratto fluviale con una briglia e contro-briglia in calcestruzzo che,
nell’obbiettivo di rinaturalizzare il corso d’acqua, verranno inglobate tra massi ciclopici di dimensioni variabili tra 12 m.
Figura 62. Sostituzione di soglie in cls con una rampa in pietrame
A valle della contro briglia è evidente la collocazione di una soglia trasversale in massi ciclopici con
il compito di mantenere il livello idrico ad una quota tale da “sommergere” la struttura mentre, i
massi collocati tra i tre elementi emergenti, riduce il contenuto cinetico della corrente e nel contempo conferire un aspetto di “naturalità” al corso d’acqua.
7
dal Manuale Tecnico di Ingegneria Naturalistica – Regioni Emilia Romagna e Veneto . 1993
285
Figura 63
4.4. Regolarizzazione dei corsi d’acqua: i canali Per quanto riguarda il dimensionamento sotto il profilo economico, si potrebbe ipotizzare che il minor costo equivale al minor volume di scavo, ovvero a rendere minima l'area della sezione trasversale . Ciò non è più vero se si impone la necessità del franco, necessario per la salvaguardia dalle
esondazioni, o se vengono utilizzati rivestimenti, il cui costo, proporzionale al perimetro, rappresenta una percentuale molto elevata rispetto a quella dello scavo. Pertanto, tenuto conto della molteplicità degli elementi che concorrono nella valutazione del costo del canale, si esclude la possibilità di trovare soluzioni di carattere generale; il problema si risolve caso per caso confrontando i costi di soluzioni ugualmente soddisfacenti dal punto di vista tecnico.
Generalmente il tracciato è realizzato con lunghi tratti rettilinei, a pendenza costante, raccordati
con curve a largo raggio. Le sezioni possono essere aperte, a speco chiuso ed in galleria, queste
ultime mal utilizzate per il convogliamento di modeste portate. Comune a tutte le sezioni è il franco
quale elemento di sicurezza costituito dalla distanza tra superficie libera della corrente e piano di
campagna, ovvero generatrice superiore dello speco o della sezione della galleria. Nelle sezioni
chiuse il franco deve assicurare il deflusso stabile e la corretta ventilazione: 40%÷50% dell' altezza
della sezione, per piccoli spechi; 20%÷30% dell' altezza della sezione, per grandi spechi.

sezioni aperte:
sono generalmente a forma trapezia, con inclinazione delle sponde funzione
della consistenza del materiale di cui essere sono formate. Per canali in terra non rivestiti si possono avere sponde con pendenza 2/3, altezza su base (per terreni incoerenti può elevarsi a 1/3 ) e
pendenze 1/1 per terreni coesivi. Per canali scavati in roccia o per canali con rivestimenti rigidi si
realizzano sponde verticali.
Figura 64

sezioni chiuse : I canali superficiali hanno speco chiuso ogni qual volta è necessario od oppor-
tuno l'isolamento dell'acqua trasportata dall'ambiente circostante o per evitare contaminazioni ovvero, per ragioni opposte. Queste ed altre ragioni pratiche hanno condotto a dare speco chiuso a
286
canali realizzati frequentemente a cielo aperto fino alcuni decenni or sono. I canali a struttura muraria e speco chiuso, hanno forme e dimensioni dettate dal tipo di impiego al quale sono destinati e
dalla natura dei terreni attraversati. Nelle moderne realizzazioni si tende generalmente ad assegnare dimensioni dello speco che lo rendano agevolmente ispezionabile. Per la struttura, un tempo
spesso realizzata in muratura di mattoni o di pietrame, è divenuto prevalente l'impiego del calcestruzzo di cemento. I canali chiusi sono generalmente incassati per intero nel terreno in modo da
avere, col rinterro, un adeguato ricoprimento ed il ripristino della continuità del terreno.
Figura 65.
Può risultare conveniente l'inserimento di tronchi in galleria:

per l'impossibilità di adattamenti altimetrici del tracciato (trovando il maggior costo per unità di
lunghezza di tale soluzione compenso nell'accorciamento del tracciato)

per morfologia accidentata i terreni da attraversare hanno forte pendenza trasversale, stabilità
precaria per fenomeni di erosione o franosità, per presenza di centri abitati e di infrastrutture
urbane.
Figura 66 . Canali in galleria
Infine i canali vengono realizzati sia in scavo, sia con l'alveo parzialmente contenuto entro arginature ( Figura 6) ovvero pensili realizzando dei ponti canale .
Figura 67 . Canali seminterrati
287
Figura 68 . Ponte canale e canale pensile
4.5. Perdite di carico localizzate nei canali Le perdite di carico nei canali vengono di regola espresse con riferimento alla altezza cinetica della
corrente. Sono dovute a cambiamenti della sezione corrente o a cambiamenti di direzione.
a. allargamento di sezione
La perdita di carico H è data da:
 V2
V22 

1
H  k

 2g
2g 


k varia in funzione della geometria del tronco di raccordo. Secondo Hinds si ha:
brusco allargamento
k = 1,0
allargamento graduale raccordato
k = 0,1÷0,2
b. restringimento di sezione
 V2 V2 
 1  2 
La perdita di carico H è formalmente identica alla precedente : H  k
 2g
2g 


k assume differenti valori in funzione della gradualità del tronco di raccordo.
brusco restringimento
k = 0,5
restringimento graduale raccordato
k = 0,05÷0,10
Nei casi a) e b) i valori minimi di k si hanno con allargamenti o riduzioni realizzati con superfici di
transizione raccordate e con angoli  di deviazione non superiori a 10° - 12° .
Figura 69 . Tronchi di transizione - Ven Te Chow - Open channel hydraulics
288
c. deviazioni planimetriche
La perdita di carico localizzata assume valori apprezzabili solo in corrispondenza di angoli di deviazione  superiori a 45°. E’ valutata con la relazione: H  k
V2
. Il coefficiente k è funzione del nu2g
mero di Reynolds e del rapporto R/b con R, raggio di curvatura della deviazione, b, larghezza del
canale. Per R/b = 1 
k = 0,3÷0,5.
Figura 70
Per effetto della curva si ha un innalzamento, sulla sponda esterna della curva, che viene valutato
con la seguente espressione:
h  2,30
V2
logR 2  logR1 
g
4.5. Compatibilità idraulica con opere interferenti il corso d’acqua La presenza di manufatti di attraversamento di corsi d’acqua modifica le caratteristiche del moto
nell’alveo che per sua deformabilità tende a deformarsi. Vengono a innescarsi fenomeni di erosione localizzata in corrispondenza delle opere di fondazione e di sostegno con conseguenti scalzamenti e dissenti dell’opera.
1.Pile dei ponti Secondo quanto indicato dalla normativa CNR – UNI 10007, si definisce come ponte o viadotto un
manufatto di attraversamento con luce netta complessiva superiore a 6 m.
Si richiama nel seguito la normativa vigente per gli aspetti connessi alla compatibilità idraulica dei
ponti.
Circolare n. 34233 del 25 febbraio 1991 del Ministero LL.PP. “Istruzioni relative alla norma‐
tiva tecnica dei ponti stradali” ……… omissis ………
289
2.4 Problemi idraulici Gli elementi del ponte, quali le opere di sostegno, di difesa ed accessorie, quando interessino l’alveo di un corso d’acqua, specie se di qualche importanza, dovranno far parte di un progetto unitario. Nello studio andranno in particolare illustrati i seguenti aspetti: ricerca e raccolta presso gli Uffici ed Enti competenti delle notizie e dei rilievi esistenti, utili per lo studio idrauli‐
co da svolgere, ‐ giustificazione della soluzione proposta per: l’ubicazione del ponte, le sue dimensioni e le sue strutture in pianta, in elevazione e in fondazione, tenuto conto del regime del corso d’acqua, dell’assetto morfologico attua‐
le e della sua prevedibile evoluzione e della natura geologica della zona interessata; ‐ studio idrologico degli eventi di massima piena; esame dei principali eventi verificatisi nel corso d’acqua; rac‐
colta dei valori estremi, in quanto disponibili, e loro elaborazione in termini di frequenza probabile del loro veri‐
ficarsi; definizione dei mesi dell’anno durante i quali siano da attendersi eventi di piena, con riferimento alla prevista successione delle fasi costruttive; ‐ definizione della scala delle portate nella sezione interessata per le condizioni attuali e per quelle dipendenti dal costruendo manufatto, anche per le diverse e possibili fasi costruttive previste; calcolo del rigurgito provoca‐
to dal ponte. Nel caso in cui l’opera di attraversamento sia costituita, oltre che dal ponte vero e proprio, anche da uno o due rilevati collocati in alveo, dovranno essere valutate quali modifiche possono prodursi a monte dell’opera in con‐
seguenza della riduzione della luce libera rispetto a quella primitiva. 2.4.1. Indicazione dei criteri per fissare il franco minimo rispetto al livello di massima piena La quota idrometrica e il franco dovranno essere posti in correlazione con la piena di progetto anche in conside‐
razione della tipologia dell’opera e delle situazioni ambientali. Può ritenersi normalmente che il valore della por‐
tata massima e del relativo franco siano riferiti ad un tempo di ritorno non inferiore a 100 anni; è di interesse stimare i valori della frequenza probabile di ipotetici eventi che diano luogo a riduzioni del franco stesso. Nel ca‐
so di corsi d’acqua arginati, la quota di sottotrave dovrà comunque essere non inferiore alla quota della sommi‐
tà arginale. Nello studio idraulico, sempre che le opere interessino l’alveo, dovranno inoltre essere considerati i seguenti problemi: ‐ classificazione del corso d’acqua ai fini dell’esercizio della navigazione interna; ‐ valutazione dello scavo localizzato con riferimento alle forme e alle dimensioni delle pile, delle spalle e delle relative fondazioni, nonché dei rilevati; ‐ valutazione degli effetti dovuti alla eventuale presenza di una corrente veloce; ‐ esame delle conseguenze della presenza di natanti, corpi flottanti e trasportati dalle acque, ove ricorra detta possibilità, e studio della difesa dagli urti e dalle abrasioni, nonché delle conseguenze di possibili ostruzioni delle luci (specie se queste possono creare invasi anche temporanei a monte), sia nella fase costruttiva sia durante l’esercizio delle opere. In situazioni particolarmente complesse può essere opportuno sviluppare le indagini anche con l’ausilio di mo‐
delli idraulici sperimentali. 2.4.2. Relazione idraulica Le questioni idrauliche, trattate con ampiezza e grado di approfondimento commisurati alla natura dei problemi ed al grado di
elaborazione del progetto, saranno oggetto di apposita relazione idraulica, che farà parte integrante del progetto stesso
“Piano stralcio per la realizzazione degli interventi necessari al ripristino dell'assetto idrau‐
lico, all’eliminazione delle situazioni di dissesto idrogeologico e alla prevenzione dei rischi idrogeologici nonché per il ripristino delle aree di esondazione" ‐ PS 45 (art. 4, comma 5, legge 22/95). Approvato con deliberazione 10 maggio 1995, n. 9, del Comitato Istituzionale dell’Autorità di bacino del fiume Po. Norme di attuazione. ……… omissis ………
7.9.2.4 Norme per gli attraversamenti interferenti con la rete idrografica 1. L’evento alluvionale ha messo in evidenza nelle aree colpite una situazione di generale inadeguatezza delle opere di attraversamento e dei relativi rilevati di accesso. Le opere in questione sono state frequentemente danneggiate o demolite e hanno inoltre frequentemente contribuito ad aggravare almeno localmente le condi‐
zioni di piena (effetto di rigurgito, sbarramenti effimeri delle luci) e i conseguenti effetti sul territorio. 290
2. Per la progettazione dei ponti stradali si richiamano le norme vigenti, D.M. del 2 agosto 1980 e D.M. del 4 maggio 1990 “Norme tecniche per la progettazione, l’esecuzione e il collaudo dei ponti stradali” e la Circolare del Ministero LL.PP. n. 34233 del 25 febbraio 1991 recante “Istruzioni relative alla normativa tecnica dei ponti stradali” in cui sono contenuti indirizzi e prescrizioni circa il dimensionamento idraulico dei manufatti. 3. In particolare i progetti di ricostruzione dei ponti e dei rilevati dovranno contenere, ai fini della sicurezza delle stesse strutture, le seguenti verifiche: ‐ franco minimo tra quota di massima piena di progetto e quota di intradosso del ponte pari a 0.5 volte l’altezza cinetica della corrente e comunque non inferiore a un 1.00 m, ‐ il dimensionamento delle opere di fondazione, lo scalzamento massimo sulle pile e le spalle (scalzamento di‐
retto + modificazioni d’alveo) compatibile, ‐ interasse minimo tra le pile adeguato a non provocare fenomeni di ostruzione. Il dimensionamento idraulico dei rilevati di accesso in area golenale soggetta ad esondazione dovrà considerare e definire i seguenti elementi essenziali: ‐ franco minimo tra quota di massima piena di progetto e quota del piano viabile pari a 0.5 volte l’altezza cinetica della corrente e comunque non inferiore a 1.00 m ‐ scalzamento massimo ammissibile al piede compatibile con le relative opere di controllo. 4. Dovrà essere inoltre condotta una verifica sul fatto che l’attraversamento non provochi ostruzioni e condizio‐
namenti delle modalità di deflusso dell’alveo di piena incompatibili con le condizioni di sicurezza dell’area circo‐
stante e con le caratteristiche delle opere di difesa. Dovrà pertanto essere condotta la valutazione della compa‐
tibilità dei manufatti con l’assetto dell’alveo in termini di: ‐ effetti di restringimento dell’alveo attivo e/o di indirizzamento della corrente; ‐ effetti di rigurgito a monte; ‐ compatibilità locale con le opere idrauliche esistenti. 5. Ai fini della verifica di compatibilità di cui al punto precedente l’Amministrazione competente sul corso d’acqua è tenuta a definire la portata di piena di riferimento al quale riferire le verifiche di compatibilità delle opere di attraversamento. In via transitoria, nei casi in cui l’amministrazione non sia in condizioni di fissare il va‐
lore di portata, in relazione alla mancanza di dati e studi idrologici relativi al corso d’acqua nella sezione di at‐
traversamento, la portata di piena di riferimento dovrà essere individuata nell’ambito del progetto di ricostru‐
zione. 6. Per le opere minori di attraversamento (ponticelli e scatolari) il dimensionamento idraulico dei manufatti do‐
vrà considerare e definire i seguenti elementi essenziali: ‐ condizioni di deflusso in funzione della portata liquida di progetto; ‐ condizioni di deflusso in funzione della portata solida di progetto; ‐ effetti di erosione allo sbocco e relative protezioni. 7. Il progetto di ricostruzione o di nuova realizzazione di un ponte stradale o ferroviario dovrà essere corredato da una relazione di progetto idraulico del manufatto contenente : ‐ descrizione e giustificazione della soluzione progettuale proposta in relazione all’ubicazione e alle dimensioni degli elementi strutturali interessanti l’alveo (sia in fase di costruzione che d’esercizio) in rapporto all’assetto morfologico attuale dello stesso e alla sua prevedibile evoluzione, alla natura geologica della zona interessata, al regime idraulico del corso d’acqua; ‐ definizione della portata di piena di riferimento e del relativo tempo di ritorno; ‐ calcolo del profilo per la piena di riferimento in condizioni di moto stazionario in assenza e in presenza del manufatto di attraversamento con evidenziazione degli effetti di rigurgito eventualmente indotti; ‐ evidenziazione delle interazioni con l’alveo di piena in termini di eventuale restringimento della sezione di pie‐
na, orientamento delle pile in alveo in rapporto alla direzione della corrente, eventuale riduzione delle aree al‐
lagabili, eventuali effetti di possibili parziali ostruzioni delle luci a causa del materiale galleggiante trasportato dall’acqua; ‐ individuazione e progettazione delle eventuali opere di sistemazione dell’alveo (difesa di sponda, soglia di fondo, argini) che si rendano necessari in relazione alla realizzazione del ponte secondo criteri di compatibilità e integrazione con le opere idrauliche esistenti; ‐ quantificazione dello scalzamento massimo prevedibile sulle fondazioni delle pile in alveo, delle spalle e dei ri‐
levati di approccio e progettazione delle eventuali opere di protezione necessarie; ‐ indicazione delle eventuali interferenze delle opere di attraversamento con le sistemazioni idrauliche presenti (argini, opere di sponda, ...) e delle soluzioni progettuali che consentano di garantirne la compatibilità. 291
L’ampiezza e l’approfondimento del progetto idraulico e delle indagini che ne costituiscono la base dovranno essere commisurati all’importanza dell’opera e al grado di elaborazione del progetto generale. 8. Le norme fissate andranno adottate anche per la verifica delle opere di attraversamento esistenti e non sog‐
gette a interventi di ripristino. Rispetto a tali opere dovrà essere definito, a cura degli Enti proprietari o gestori delle opere, un programma di graduale adeguamento per quelle che fossero risultate inadeguate rispetto le ve‐
rifiche fissate in funzione anche delle esigenze di manutenzione straordinaria delle opere stesse. Per quelle ope‐
re che risultino incompatibili con le sistemazioni idrauliche previste nel presente piano dovranno essere adottati i provvedimenti necessari contestualmente alla realizzazione degli interventi idraulici. Le pile e le spalle di un ponte provocano un restringimento della sezione dell’alveo da B a b .
Figura 71
Questa riduzione provoca una contrazione della vena libera tanto maggiore quanto la sagoma della
testa della pila si discosta da un profilo aerodinamico biconvesso simmetrico. La corrente, nella sezione contratta, impegna una sezione di larghezza ridotta b’/2. Per la costanza della portata si avrà
per un aumento della velocità con conseguente alterazione del regime della corrente e modifiche
alle altezze idrometriche della corrente, che devono essere tenute in conto nella progettazione del
ponte e delle eventuali opere complementari necessarie. Il calcolo del sovralzo a monte del restringimento va effettuato, nell’ambito della costruzione del profilo idrico, attraverso l’impiego delle
usuali formulazioni della letteratura scientifica, in funzione della classe di moto presente:
-
classe A: il moto è lento e rimane lento nel restringimento;
-
classe B: il moto avviene con transizione, da lento a veloce o viceversa (casi 1b e 2b);
-
classe C: il moto è veloce e rimane veloce.
La distinzione tra le classi è rappresentata nel diagramma di Figura 72, in funzione del numero di
Vv
Froude Fr 
a valle con hv altezza di moto uniforme in regime di corrente non perturbata
g  hv
e del rapporto di strozzatura r 
b
B
Figura 72. Classificazione del deflusso attraverso le pile di un ponte8
8
Autorità di Bacino del Fiume Po – Piano Stralcio per l’Assetto Idrogeologico – Norme di Attuazione: Direttiva contenente i criteri per la valutazione della compatibilità idraulica delle infrastrutture pubbliche e di interesse pubblico all’interno delle fasce “A” e “B”.
292
Nel caso più ricorrente di deflusso di Classe A (alveo a debole pendenza) il deflusso attraverso le
pile di un ponte è rappresentato nella seguente Figura 73
Figura 73
Il valore di
h, quale differenza tra la superficie libera di monte e di valle, può essere stimato ricor-
rendo a varie formule:

Rehbock:



h      1  0,4   2  9 4  1  Fr 
B b
tasso di riduzione della sezione; Fr 
B
Vv
g  hv
moto uniforme in regime di corrente non perturbata;
Figura 24 ; noto il numero di Froude ed il valore di
Vv2
2g
[1]
numero di Froude a valle con hv altezza di
viene desunto dagli abachi riprodotti nella
 si verifica il campo di applicabilità della for
mula di Rehbock e, a secondo della geometria delle pile, si risale , graficamente, al valore di
Figura 74
della [1] viene proposta una versione semplificata :
dove

Kr =1 , per pile e rostri arrotondati
Yarnell :
dove (1-r) =  

h  K r   
Vv2
2g
[2]
Kr = 2 , per pile a spigoli vivi


h
4
 K f K f  0,6  5  Frv2  1  r  151  r   Frv2
hv
[3]
B b
è il grado di restringimento e Kf un coefficiente di forma (Figura 25)
B
Figura 75
293
 diverso da 0, i valori di h calcolati con l’espressione [3], vanno moltiplicati per un coefficiente 1.3 per  = 10° e 2.3 per
= 20°.
Nell’ipotesi che la corrente investa l’asse della pila con un angolo

0,5 
Nagler : Q  KN  b  2g
dove:


hv   
Vv2  
V2 
 h  Cr  m 
2g  
2g 
0,5
 = coefficiente di turbolenza (normalmente assunto pari a 0.3),
b
Cr = coefficiente in funzione del rapporto di contrazione r 
B
Figura 76
KN = coefficiente di forma della pila, funzione di r, dell’angolo formato dalla corrente con l’asse della pila e della forma della pila
Tabella I valori di KN e KA per pile parallele alla corrente


2
Aubuisson : Q  K A  b  hv 2g  h  Vm

0,5
dove KA dipende principalmente dal rapporto di contrazione r e dalla forma e dall’orientamento
dell’ostacolo (Tabella I).
Nel caso in cui il deflusso attraversa le pile sia di classe B, il moto avviene passando nella sezione
ristretta in condizioni critiche.
Figura 77
294
Per deflusso di classe 1b la profondità a monte della sezione contratta è data :
1/3
hm


Q2

 K
2
2
 g  B  Frlim 


[4]
con
B = larghezza dell’alveo a monte del restringimento,
Fr lim = numero di Froude funzione del rapporto di contrazione r (Figura 22)
K = coefficiente dipendente dalla forma dell’ostruzione (Tabella II)
Tabella II pile con fronti squadrate 1.135 pile con fronti triangolari 1.085 pile con fronti semicircolari 1.050 contrazione laterale ben accompagnata 1.030 ‐ 1.020 Volendo analizzare in dettaglio ciò che accade nel passaggio della corrente tra le pile del ponte ,
nell’ipotesi che ciò avvenga senza apprezzabili dissipazioni di energia è possibile considerare il carico H=cost. mentre la larghezza complessiva della sezione liquida si riduce alla larghezza b < B
Q Q

.
con conseguente aumento della portata unitaria
b
B
Nel caso in cui il restringimento della sezione sia rilevante o l'energia in arrivo non sia sufficiente a
superare l'ostacolo interviene un rigurgito localizzato a monte del ponte. La corrente attraverserà il
passaggio tra le pile con il minimo valore dell'energia specifica, con tirante pari all'altezza critica .
3
Se la sezione è rettangolare si avrà: H'  h'c , mentre il valore di h'2 è facilmente deducibile dal
2
grafico di Figura 78 ; a valle del risalto si ristabilirà il tirante di moto uniforme h1.
Figura 78
Nel caso in cui il deflusso attraversa le pile sia di classe 2b, il moto avviene passando nella sezione
ristretta in condizioni critiche. Poiché , come detto, si richiede un recupero dell'energia, la corrente
in arrivo dovrà diventare lenta con un risalto, a monte delle pile.
Superato lo stato critico, tra le pile, la corrente sarà veloce per poi tendere asintoticamente all'altezza di moto uniforme h1.
295
Figura 79
Nel caso in cui il deflusso attraverso il ponte sia di classe C, il massimo dell’elevazione si ha nella
sezione contratta ed è inferiore, o al massimo uguale, all’altezza critica .
Figura 80
Esempio 30 ‐ Deflusso attraverso le pile di un ponte Un corso d’acqua con portata di piena, con tempo di ritorno Tr =200, 250 m3/s è interessato
dall’attraversamento di un ponte a due campate con una pila centrale e spalle arrotondate di raggio r=2,0 m; l’alveo a monte e valle dell’attraversamento ha una larghezza di 30,0 m, una pendenza di fondo uniforme i=0,0003 ed è rivestito con lastre di calcestruzzo (k = 70 m1/3 s-1)
Verifica della Classe di moto: 296
hc  3
Altezza critica
Q2
b2 g
3
2502
302 * 9,81
 1,92 m
Altezza di moto uniforme per Q = 250 m3/s,
B= 30,00 m i = 0,0003
k= 70 h=3,45 m
Regime di corrente lenta Alla velocità media V 
Fr 
Vv
g  hv
definisce una
Q
250

 2,42 m/s si correla un numero di Froude della corrente :
 103,5
2,42

9,81  3,45
 0,42 che associato al rapporto di strozzatura r 
b 26

 0,87
B 30
Classe di moto A - il moto è lento e rimane lento nel restringimento. In questo caso Il valore di
h, quale differenza tra la superficie libera di monte e di valle, può esse-
re stimato con la formula:

Rehbock:
h  K r   
Vv2
2,42 2
 1  0,13 
 0,04 m
2g
2  9,81
Kr =1 , per pile e rostri arrotondati


B  b 30  26

 0,13 tasso di riduzione della sezione;
B
30
Yarnell :



h
4
 K f K f  0,6  5Frv2  1  r  151  r  Frv2
hv
dove (1-r) =  
B  b 30  26

 0,13 è il grado di restringimento
B
30
Kf = 0,9 coefficiente di forma
297



h
 0,9 0,9  0,6  5  0,422  0,13  15  0,134  0,422  0,025
3,45

Nagler : Q  K N  b  2g
V2  
V2 
h v    v    h  C r  m 

2g  
2g 

 



 h  0,08 m
0,5
0,5 
Formula implicita e con il termine Vm 
Q
B  h v  h
Vm (velocità in corrispondenza dell’altezza
d’acqua hm ) incognito e pertanto si perviene alla soluzione o per tentativi ovvero utilizzando la
funzione “risolutore” di Excel
Per r 
b 26

 0,87
B 30
KN = 0,94 (Tabella I)
Cr = 1,3 (Figura 33)

2,422
250  0,94  262  9,810,5  3,45  0,3

2g

2



250
1

 h  1,3




30
*
(
h


h
)
2

9
,
81
v




 = 0.3




0,5
 h  0,11 m


2
Aubuisson : Q  K A  b  h v 2g  h  Vm
per r 

0,5
b 26

 0,87 KA = 0,99 (Tabella I) .
B 30
Anche questa formula il
h è dato in forma implicita e con il termine Vm 
Q
B  h v  h
(veloci-
tà in corrispondenza dell’altezza d’acqua hm ) incognito e pertanto, anche in questo caso, si perviene alla soluzione

Q  0,99  26  3,45 2  9,81  h 


2
 

250
 

 30 * hv  h 
0,5
h  0,13 m
Rehbock:
h  0 ,04 m
Yarnell h  0 ,08 m
Nagler h  0 ,11 m
Aubuisson h  0,13 m
Per successivi lavori di manutenzione e ripristino strutturale del ponte, la sezione di passaggio della
corrente verrà ridotta a b=18 m.
298
la Classe di moto varia in funzione del mutato rapporto di strozzatura r 
sociato al numero di Froude Fr 
Caso 1b .
Vv
g  hv

2,42
9,81  3,45
b 18

 0,60 che asB 30
 0,42 definisce una Classe di moto B –
moto con transizione attraverso lo stato critico.
In questo caso la corrente passa nella sezione ristretta in condizioni critiche; la profondità a monte
della sezione contratta è data dalla formula [4]:
hm


Q2

 K
 g  B 2  Fr 2 
lim 

1/3


2502
 1,05

 9,81  302  0,422 
1/3
 3,60 m
con
B = 30 m
Frlim = 0,42
K = 1,05 (Tabella II)
299
4.6. Erosioni localizzate attorno alle fondazioni (scalzamento )9 Variazioni rapide d’intensità e di distribuzione della velocità della corrente possono provocare fenomeni di erosione localizzata, soprattutto se l’alveo è composto da materiale incoerente. La profondità di scavo massima è determinabile tramite l’applicazione di formule empiriche, disponibili
nella letteratura scientifica, derivante da indagini sperimentali.
A titolo esemplificativo viene descritta una delle formule comunemente utilizzate, definiti:
ds
profondità di scavo a partire dal fondo indisturbato,
s
larghezza della pila,
Vo
velocità media della corrente indisturbata,
h0
tirante di moto uniforme della corrente indisturbata
l lunghezza della pila,
V  
ds
h
 f1  0   2  tan gh 0
s
V
 s
 1 

l

   f2 forma   f3  , 
s



dove le tre funzioni f1, f2 ed f3 sono definite
V 
f1   0  = 0
 Vc 
per
V
f1   0
 Vc
per 0,5 

V
  2 0  1
Vc

V 
f1   0   1
 Vc 
Vc  0,85 2g  d
per
 s
V0
 0,5
Vc
V0
1
Vc
V0
1
Vc
 
velocità critica di trascinamento, intesa come velocità media della cor
rente alla quale inizia il movimento del materiale di fondo di assegnato diametro d; per materiale
disomogeneo si adotta normalmente d = d50; s è il peso specifico del materiale di fondo e il peso specifico dell’acqua ;
 = angolo tra la direzione della corrente indisturbata e la pila,
f2 (forma) = 1.00 per pile circolari o con fronti arrotondate,
f2 (forma) = 0.75 per pile sagomate in modo da accompagnare la corrente,
f2 (forma) = 1.30 per pile rettangolari,
 l
f3  ,  è ricavabile dalla Figura A.
 s
Figura A
9
Autorità di Bacino del Fiume Po – Piano Stralcio per l’Assetto Idrogeologico – Norme di Attuazione: Direttiva contenente i criteri per la va‐
lutazione della compatibilità idraulica delle infrastrutture pubbliche e di interesse pubblico all’interno delle fasce “A” e “B”.
300
In sede di progetto, volendo contenere il valore dello scalzamento nel limite derivante dalla dimensione della pila, è necessario porre il plinto di fondazione a una quota inferiore al valore ds rispetto
al fondo alveo; infatti nel caso in cui esso venga messo allo scoperto dall’erosione, le dimensioni
maggiori e le forme più tozze provocano un ulteriore scalzamento. In tal caso il calcolo di ds va ripetuto considerando le dimensioni del plinto invece che quelle della pila. In sede di progetto o di
verifica il massimo scalzamento stimabile in corrispondenza di una pila in alveo è pertanto definito
come:
dmax = ds + da
dove:
ds = scalzamento proprio della pila valutabile secondo l’espressione sopra riportata;
da = abbassamento proprio del fondo alveo (eventuale) dipendente dalla tendenza evolutiva del
corso d’acqua, estrapolato sulla base della durata di vita economica dell’opera.
4.7 tombe a sifone
Destinate al sottopasso di alvei o di strade o per altri attraversamenti; sono costituite da uno o più
condotti in pressione raccordati al canale da due pozzetti di forma opportuna.
Per il dimensionamento del sifone la maggiore incognita è data dalle oscillazioni di portata e dai
valori massimi velocità (35 m/s) legati al materiale con il quale è realizzato il sottopasso e minimi
(0,61 m/s) necessari per l’autopulizia. Inoltre il dislivello disponibile tra monte e valle, spesso modesto, vincolano alla ripartizione della portata in più condotti . Il progetto di una tomba a sifone si
riconduce sostanzialmente alla verifica che, per una portata assegnata Q e stabilita la forma del
condotto, la somma delle perdite di carico h lungo il percorso sia inferiore al dislivello disponibile
tra la sezione A e B.
Figura 81. Tombe a sifone
Il rigurgito h può essere valutato con un bilancio energetico tra la sezione A e B.
hA 
 h  JC  L   k
VC2
2g
VA2
2g
  z  hB 
VB2
2g
 h
con JC  L perdite di carico per attrito lungo il condotto L e k
VC2
2g
per-
dite di carico localizzate (Imbocco, curve, sbocco, ecc).
o con la formula di Weissbach
h 
essendo :
 sezione del condotto
V2 
C 
L
1   0  
2g 
4 
[m2]
C contorno bagnato del condotto [m]
301
Q portata
[m3/s]
V = Q/ = velocità media
[m/s]
0,01
  0,0144 
L lunghezza del condotto [m]
0 = 0,51
V
C
1
C
bh
mentre, per sezioni rettangolari b*h 
Per condotti circolari


4
2bh
4
d
4.8. sifone a cavaliere :
utilizzati essenzialmente per il sovrappasso di argini; sono realizzati da condotte in pressione poste a “cavaliere” sull’ostacolo da sormontare
Figura 82
1. valvola di fondo con succheruola 2. pompa autoadescante
3. pozzetto con valvola di ritegno e saracinesca di regolazione
Per il dimensionamento del sistema si ricorre alla formula delle luci sottobattente
Q    2g  H   hi 
 = coefficiente del sifone  0,5
[m3/s]
 = area condotta [m2]
H = dislivello tra la superficie libera a monte e la quota della bocca di utilizzazione [m]
hi
= sommatoria delle perdite di carico
4.9. salti di fondo
Di uso frequente nei canali non rivestiti, in cui non potendosi adottare pendenze elevate, a causa
del pericolo di erosioni, occorre disporre idonei manufatti nei quali si realizzi la perdita di quota e la
conseguente dissipazione di energia. Di norma sono costituiti da una briglia trasversale al canale
seguita da una vasca di dissipazione o da un tronco di canale rivestito. Ad evitare la formazione di
un lungo profilo di rigurgito di abbassamento e le conseguenti elevate velocità, si assegna alla gaveta una sezione ridotta rispetto a quella del canale, calcolata come una bocca a stramazzo, di solito senza petto, tenendo conto della velocità d'arrivo (Figura 23). Nei canali rivestiti è frequente
l'uso di lunghi scivoli , con velocità fino a 34 m/sec.
Figura 23 .Salti di fondo – Ridisegnato da FAO – ICID
302