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Di CATELLO MASULLO

Tratto da http://www.mediafire.com/?hndnggk2lt944z6

In questo articolo si affronta il problema relativo al comportamento di colate rapide di detriti e di fango che tendono, come verificato sperimentalmente in precedenti esperienze, a mantenere un tracciato rettilineo lungo la linea di massima pendenza, senza sensibili variazioni della sezione trasversale in ragione del contenimento della colata da parte degli argini naturali, talvolta costituiti dai bordi laterali solidificati della colata stessa. Si descrivono le sperimentazioni effettuate su modello fisico ed i risultati ottenuti, con i quali si dimostra l’efficacia di soglie ad altezza variabile, sia al fine della dissipazione dell’energia che dello spaglio della colata su tutta la superficie disponibile.

1.       INTRODUZIONE

Nell’ambito dell’attuazione degli interventi prioritari, urgenti e indifferibili, finalizzati al soccorso della popolazione, alla salvaguardia della pubblica incolumità e per la ripresa delle normali condizioni di vita dei territori colpiti dall’alluvione del 5-6 maggio 1998, il Commissario di Governo per l’Emergenza Idrogeologica nella Regione Campania ha predisposto l’attuazione di opere di presidio contro la difesa di colate detritiche. Una di tali opere è la vasca di accumulo a difesa del Comune di Quindici (Avellino). Propedeuticamente alla progettazione è stata effettuata un’accurata analisi della propagazione del moto di scorrimento del debris flow. Ricerche sperimentali (Natale et. altri, 2001) sulla dinamica delle correnti detritiche hanno evidenziato la modesta espansione laterale delle colate di fango. L’obiettivo della ricerca è quello di individuare una forma di soglia emergente che sia atta a massimizzare l’espansione laterale della colata, in modo da utilizzare appieno i volumi delle vasche di accumulo ed evitare così che le colate, mantenendo filoni ristretti lungo le linee di massimo declivio, possano pervenire agli argini di chiusura delle vasche con sufficiente energia cinetica residua per scavalcarli. Essendo numerose le vasche di contenimento di colate in corso di progettazione, la ricerca si pone l’obiettivo di fornire indicazioni di carattere generale anche per opere simili, ancora da definire in dettaglio.

2.       DESCRIZIONE DELLA RICERCA

L’intervento in esame interessa un’area di oltre 10 ettari (figura 1), compresa tra il vallone Connola, sul lato destro, l’alveo San Francesco, sul lato sinistro, e la località Santa Lucia a valle. Tale area del comune di Quindici è stata oggetto di una colata rapida di detriti che ha distrutto una porzione dell’abitato, causando numerose vittime in occasione degli eventi del maggio 1998.

Figura 1: Area del Comune di Quindici oggetto della colata di detriti del maggio 1998

L’intervento prevede il rimodellamento di detta area mediante la realizzazione di una vasca, capace di accumulare i volumi di fango provenienti dai versanti in frana.

                L'intervento previsto dal progetto comprende le seguenti opere:

1.            un manufatto di regolazione delle portate, capace di deviare verso il vallone S. Francesco, in sinistra orografica, una portata dell'ordine dei 30 m3/s e di impegnare, solo in occasione di portate superiori, il lato destro, che prevede un fondo rialzato ed una larghezza progressivamente crescente;

2.            una platea di fondo in cemento armato, di lunghezza pari a circa 25 m, con sovrastante rivestimento in pietrame, e gabbionate sulle sponde di altezza pari a 3 m, posta in prosecuzione del manufatto di cui sopra;

3.            la sistemazione del canale, subito a valle della platea, con pendenza all'incirca pari al 10% e larghezza che nel tratto terminale supera i 100 m; le sponde del canale sono realizzate con gabbionate ed ai lati del canale sono previste opere di drenaggio e di convogliamento della acque zenitali;

4.            una vasca di accumulo, con fronte realizzato con rilevato in terramesh poggiante su una superficie di gabbioni e lati gabbionati.

3.       CARATTERIZZAZIONE DEL MATERIALE D’ALVEO

La granulometria del materiale d’alveo, che viene movimentato in occasione dei fenomeni di colata, è stato ricavato a seguito di indagini geognostiche. Le curve granulometriche relative al materiale della zona oggetto di studio, in particolare nei valloni S. Francesco e Connola, sono riportate in figura 2.

Figura 2: Curve granulometriche del materiale presente nei valloni S. Francesco e Connola

Dal punto di vista mineralogico (Masullo, 2000) tali materiali contengono significative percentuali di materiale organico e di materiale criptocristallino amorfo e basse percentuali di minerali argillosi (principalmente illite e secondariamente smectite). Alcuni campioni hanno manifestato una capacità di assorbimento d’acqua superiore al 18%. Si è dedotto che la devetrificazione delle ceneri vulcaniche in silicato criptocristallino (SiO2.nH2O), accoppiata ad una granulometria fine e medio-fine, aumenti a dismisura la superficie di assorbimento d’acqua. Le cause dei movimenti di massa dei depositi piroclastici sembrerebbero quindi essere correlabili ad una condizione prolungata di imbibimento pluviometrico nelle zone dove si trovano suoli con il più alto indice di devetrificazione, ad elevata capacità di assorbimento d’acqua e valori di resistenza a trazione (tensile strength) critici. Tali materiali, in condizioni di imbibizione prolungata, sembrerebbero produrre un effetto di sollevamento per rigonfiamento e di lubrificazione degli strati superficiali piroclastici e di conseguenza il loro scivolamento.

4.       DESCRIZIONE DEL MODELLO FISICO

Per verificare su modello fisico i manufatti, è stata progettata e realizzata all’interno del Laboratorio di Idraulica del CUDAM (Centro Universitario Difesa Idrogeologica in Ambiente Montano – Università degli Studi di Trento) un’attrezzatura per consentire di effettuare rilasci impulsivi di miscugli granulari. Nel modello fisico si utilizza un sistema di alimentazione costituito da un serbatoio cilindrico di volume pari ad un metro cubo e da una saracinesca servo comandata. Le portate liquide e solide vengono regolate per mezzo di un motore, che consente di intervenire sulla dimensione dell’apertura alla base del recipiente. La colata viene rilasciata all’imbocco di un canale posizionato a monte della vasca. Gli esperimenti vengono eseguiti simulando, attraverso un rilascio di acqua e materiale, vari eventi di colata ed osservando e misurando le grandezze idrauliche di interesse per mezzo della strumentazione installata. Si controlla l’evoluzione della colata nel tempo ed inoltre si effettua il rilievo topografico del deposito a fine prova. Parallelamente si possono misurare le portate solide in ingresso nella vasca e la velocità di avanzamento del fronte.

Il sistema di alimentazione della portata consente di impostare a priori diversi idrogrammi di piena ad una concentrazione prefissata e di ripeterli per più volte, permettendo di confrontare su modello soluzioni progettuali diverse per eventi di piena identici tra loro.

5.       CRITERI DI SIMILITUDINE E SCALE DEL MODELLO

Nella realizzazione di un modello fisico di colate di detriti o di fango, la scelta del tipo di materiale solido da utilizzare riveste particolare importanza in quanto, nel caso di colate di fango, sia il regime degli sforzi che i processi di natura dissipativa hanno caratteristiche radicalmente diverse rispetto al caso di acqua chiara, ancorché interessata da fenomeni di trasporto solido ordinario.

La durata dell’evento è stata assunta pari a dieci minuti. Il volume massimo di colata di fango è stato fissato pari a 60.000 m3. Tale volume, commisurabile a quello effettivamente mobilitatosi nell’evento del 5-6 maggio 1998, è destinato a rimanere accumulato nella vasca fino a rimozione dello stesso. È stata inoltre presa in considerazione la possibilità che, sempre nel tempo di 10 minuti, venisse contemporaneamente convogliato nel vallone S. Francesco un ulteriore volume di fango di circa 20.000 m3. L’idrogramma di piena è assunto a forma di triangolo isoscele, con portata massima di 300 m3/s, e durata dell’evento di 600 secondi.

Visto che non è possibile ricostruire con precisione la concentrazione di colate avvenute nel passato, né prevederne quella di eventi futuri, riveste particolare importanza la verifica su modello fisico di manufatti per colate di diverse caratteristiche, in particolare verificando l’effetto delle variazioni di concentrazione della mistura.

Nel caso in cui l’evento oggetto di studio sia originato da un fluido costituito da una miscela omogenea di acqua e materiale solido con concentrazione indicativamente inferiore al 2025%, la riproduzione su modello di tali fenomeni è essenzialmente guidata dalla similitudine di Froude. Infatti in tali eventi è preponderante l’effetto dovuto alle forze di gravità ed alle forze di inerzia, rispetto a quelle dovute alla viscosità. In tal caso, il rapporto tra le concentrazioni su modello e su prototipo viene assunto pari ad 1.

Considerate le dimensioni del prototipo, la scala di riduzione geometrica del modello più idonea è apparsa essere 1: 60. Questa scala ha consentito di ottenere, su modello, dati e misure con sufficiente precisione. In tali condizioni risultano i seguenti rapporti di scala per le indicate grandezze fisiche (intesi come rapporti tra grandezze su modello e su prototipo):

- scala geometrica                                        l = 1: 60

- scala delle velocità                                      l_V = l^1/2 = 1: 7,8

- scala della portata liquida                              l_Q = l^5/2 = 1: 27,9

- scala dei tempi cinematica                              l_t = l^1/2 = 1: 7,8

Ulteriori considerazioni devono essere fatte nel caso in cui il fluido coinvolto nei fenomeni di colata sia una miscela di acqua e materiale solido con una concentrazione indicativamente superiore a circa il 25%. In questo caso, infatti, la viscosità riveste un ruolo fondamentale, di importanza non secondaria rispetto alle forze di inerzia ed alle forze di gravità, perciò è necessario soddisfare simultaneamente le similitudini di Froude e Reynolds. In letteratura sono riportate molteplici espressioni che legano la viscosità specifica del fango alla concentrazione relativa della fase solida. Nell’equazione (1), rappresentata graficamente in figura 3, si riporta l’espressione proposta da Krieger (1972), nella quale m   rappresenta la viscosità dell’acqua, m_f  la viscosità del fango, C la concentrazione in volume della fase solida e C* la concentrazione in volume di massimo impaccamento della fase solida. Dalla figura 3 è possibile notare come sia la viscosità della miscela che la relativa derivata aumentino al crescere della concentrazione.

Figura 3: Viscosità specifica del fango in funzione della concentrazione relativa della fase solida (Krieger, 1972).

Se nel prototipo invece la concentrazione, che come detto precedentemente peraltro non è nota, fosse molto elevata, mantenere sul modello una concentrazione bassa consentirebbe di operare in ogni caso in condizioni di sicurezza.

Si è tuttavia deciso di eseguire delle prove su modello anche con concentrazioni elevate, per verificare l’efficienza del manufatto per colate più lente e viscose, caratterizzate da valori più elevati del tirante, soprattutto per quanto attiene la dinamica del trasporto solido.

La concentrazione utilizzata su modello per questo tipo di prove è stata del 35%, a cui corrisponderebbe una concentrazione su prototipo in similitudine di Reynolds e Froude del 64%, quindi prossima alla concentrazione di massimo impaccamento.

Alla luce delle suddette considerazioni, per il modello si è utilizzato un materiale caratterizzato da un d50 pari a 0.0035 mm. Tale valore del diametro si ottiene riducendo in scala geometrica il d50 del materiale presente su prototipo, rappresentato in Figura 2, per il quale, essendo presenti diverse curve granulometriche, è stato assunto un valore caratteristico pari a 0.2 mm.

L’idrogramma di piena di progetto della colata di fango, ridotto secondo la scala geometrica 1:60 e rispettando la similitudine di Froude, è assunto con portata massima di 10.8 l/s, durata dell’evento di 78 secondi ed un volume totale di 0.42 m3 .

Se la coesione è importante, il problema si complica ulteriormente perché anche i valori dello sforzo di soglia del fluido nel modello vanno ridotti, rendendo ancora più difficile il contemporaneo soddisfacimento delle similitudini di Froude e di Reynolds. Infatti nel modello a scala ridotta l’influenza dello sforzo di soglia è relativamente più importante e va tenuto in debito conto al fine di ottenere valori corretti dell’altezza del plug.

6. GEOMETRIA DELLA SEZIONE DELLA SOGLIA SPORGENTE

Il canale di rimodellamento è costituito da una platea in cemento armato sulla quale ergono delle soglie di altezza variabile (figura 4). Il muro parafango ha una geometria trapezoidale con altezza al centro di tre metri ed ai lati di mezzo metro (figura 5). Al centro della barriera è presente una apertura per far defluire le acque meteoriche. La pendenza longitudinale del canale è del 10% circa.

Figura 4 – Profilo longitudinale dell’opera di contenimento

Figura 5 – Sezione trasversale della soglia sporgente tipo

7.       Prove sperimentali su modello fisico

Le opere di difesa sono sollecitate, oltre che da un carico di tipo idrostatico, da una rilevante spinta di tipo dinamico, funzione del peso specifico della mistura e della velocità di impatto. Il contributo dinamico è preponderante nella maggiore parte delle applicazioni, dal momento che il fronte di una colata rapida di detriti o di fango trasla verso valle con una celerità elevata e con una concentrazione della fase solida generalmente prossima a quella di massimo impaccamento. Il tipo di configurazione geometrica adottato permette l’espansione laterale della vena fluida su tutta la sezione trasversale dell’opera, con il concreto vantaggio di una riduzione delle spinte agenti sul paramento. Le simulazioni hanno mostrato che durante l’evento di piena si possono realizzare due situazioni:

1. La colata sorpassa la barriera, ricadendovi a tergo, risentendo in misura marginale di questa;
2. La colata viene intercettata dall’opera; si genera una zona ad elevata vorticità e turbolenza, ove la massa fluida defluisce dalle estremità laterali della barriera, le cui altezze del paramento sono inferiori.

Un elemento di criticità tra le scelte progettuali dell’opera è rappresentato dalla valutazione dell’altezza delle soglie sporgenti (in particolare della prima), giacché un valore modesto di questa ridurrebbe l’efficacia del sistema, viceversa un valore elevato genererebbe dei getti verticali di grandi dimensioni che, ricadendo all’esterno dal manufatto, produrrebbero dei pericolosi fenomeni erosivi. A tutt’oggi, da parte degli scriventi, sono in corso ulteriori indagini, volte a ridurre questi pericolosi effetti. I risultati delle simulazioni effettuate su modello fisico dimostrano che la vasca riesce a contenere i volumi di fango mobilitati, senza che occorrano fenomeni di tracimazione dai paramenti di valle dell’opera di contenimento. La configurazione geometrica delle soglie consente:

1. L’allargamento della sezione del fronte della colata;
2. La movimentazione della massa fluida dal centro verso le aree laterali, con grande espansione della colata;
3. La riduzione della velocità della colata.

8.       Conclusioni

L’attenuazione prodotta sul moto della colata da una serie di briglie sporgenti ad altezze variabili è analizzata con studi sperimentali. I risultati delle prove sono estremamente significativi. Lo schema trapezoidale della soglia sporgente consente sia di dissipare efficacemente l’energia cinetica posseduta dalla colata, riducendone gli spazi di arresto ed evitando tracimazioni dai paramenti di valle delle vasche di accumulo ad opera delle colate fluide, caratterizzate da elevati valori delle velocità di avanzamento e da modeste altezze di deflusso, sia di spagliare efficacemente le colate più dense, caratterizzate da bassa velocità e da elevati tiranti, all’interno dell’opera, evitandone il rigurgito e la conseguente alluvione nelle aree più a monte. La validità generale della scelta adottata consiste nella garanzia di un efficace funzionamento per le diverse tipologie di colata, considerata l’impossibilità di conoscere con precisione la concentrazione delle colate verificatesi nel passato e, quindi, di prevedere quella di eventi futuri. Ulteriori indagini sulle interazioni e sui meccanismi di dissipazione delle opere di contenimento costituiscono un naturale sviluppo del presente lavoro.