ESAME DI PROGETTO DI OPERE IDRAULICHE PROGETTO DI UN ARGINATURA FLUVIALE. Gaetano Passaro

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1 ESAME DI PROGETTO DI OPERE IDRAULICHE PROGETTO DI UN ARGINATURA FLUVIALE Studenti: Alessandro Serafini Docente: Corrado Paolo Mancini Gaetano Passaro Flavio Consolo Anno accademico 2011/2012

2 Sommario 1.INQUADRAMENTO TERRITORIALE NORMATIVE E PROCEDURE TECNICHE DI RIFERIMENTO COMPETENZA NAZIONALE: COMPETENZA REGIONALE OBIETTIVI DEL PROGETTO IL MODELLO GENERALITÀ EQUAZIONI PROCESSO DI CALCOLO EQUAZIONE DEI MOMENTI PER SEZIONI CON PONTI IMPLEMENTAZIONE SPECIFICHE DELLA SITUAZIONE IN ESAME TARATURA DEL MODELLO STATO ANTE OPERAM INTERVENTO OBIETTIVI CRITERI DI PROGETTO STATO POST OPERAM RICOSTRUZIONE DEI PONTI Il ponte di Maccarese Il Ponte Tre Denari Il ponte delle Ferrovie dello Stato Il ponte dell'autostrada Il ponte di Via Muratella ADEGUAMENTO DELLA PLANIMETRIA BIBLIOGRAFIA

3 1.INQUADRAMENTO TERRITORIALE L Arrone è un effluente naturale del lago di Bracciano, è lungo circa 37km. La sorgente si trova a circa 164m slm, quindi la pendenza media del fondo è del 4,43 circa. Il Fiume attraversa il territorio dei comuni di Bracciano, Cerveteri e Fiumicino, e si getta nel mar Tirreno, dopo aver attraversato la frazione di Maccarese. La Foce, ad estuario, conserva ancora un certo grado di naturalità e pertanto cambia, di anno in anno, aspetto a seconda dell'intensità delle mareggiate e delle piene offrendo una morfologia costiera sempre nuova e diversificata. Ad esempio l Arrone deposita i suoi sedimenti e la corrente marina tenta di portarli via: questo genera un cordone sabbioso davanti alla foce del fiume, e c è quindi una divisione tra l'ambiente marino e quello fluviale. Il bacino complessivo del Fiume è di 303 Km2, ma il Lago non dà più contributi di piena, quindi lo studio è stato fatto su un area del bacino pari a 125,4 Km2. Il fiume rientra nella gestione dell'autorità dei Bacini Regionali del Lazio, ed è inserito nella riserva naturale statale Litorale romano. L Arrone è dotato di arginatura, questa è però insufficiente se riferita alle attività umane presenti nel Bacino: più volte nel passato (14/11/1956, 15/2/1958 e 16/2/1976) il Fiume ha rotto gli argini. 2

4 2.NORMATIVE E PROCEDURE TECNICHE DI RIFERIMENTO 2.1 COMPETENZA NAZIONALE: R.D n. 523: Testo unico delle disposizioni di legge intorno alle opere idrauliche delle diverse categorie ; D.M. LL.PP. 24/03/1982: Norme tecniche per la progettazione e la costruzione delle dighe di sbarramento ; D.M. LL.PP. 11/03/1988 e Circ. M. LL.PP. 24/09/88: Norme tecniche riguardanti le indagini sui terreni e sulle rocce, la stabilità dei pendii naturali e delle scarpate, i criteri generali e le prescrizioni per la progettazione, l esecuzione e il collaudo delle opere di sostegno delle terre e delle opere di fondazione ; Classificazione delle terre CNR-UNI del giugno 2002: La norma fornisce prescrizioni sulle tecniche di impiego delle terre per la costruzione e la manutenzione delle strade, con particolare riferimento alla classificazione delle terre, alle opere di difesa dalle acque, al costipamento, alla preparazione del sottofondo, alla costruzione dei rilevati e delle trincee, alle fondazioni e agli strati superficiali di terra stabilizzata. 2.2 COMPETENZA REGIONALE Per quanto riguarda le competenze regionali abbiamo disposizioni generali in materia di lavori pubblici di interesse regionale, e Capitolati Speciali sulla Difesa Del Suolo: Legge 183/89 sulla difesa del suolo; Decreto Legislativo n.180 del 11/06/1998; Decreto P.C.M. del 29/09/1998; Decreto Legislativo di riforma della normativa ambientale (DLgs 152/2006); Circolare n 617 del 2/2/2009 esplicativa del D.M. 14/1/2008 (Testo Unico sulle Costruzioni). 3

5 3.OBIETTIVI DEL PROGETTO Per quanto riguarda la difesa idraulica dei fiumi le portate di progetto sono variabili da un tempo di ritorno di 100 fino a 300 anni; le Autorità di Bacino possono stabilire limiti propri. Comunque in linea di massima si distinguono tre fasce di aree inondabili: la prima relativa ad una portata con Tr di circa 30 anni, che è una portata inderogabilmente a servizio del fiume, nel senso che serve al fiume per espandersi. Per la difesa vera e propria la Q di riferimento è quella con T r pari a 200 anni. C è poi una terza fascia che serve agli scopi di protezione civile (utile per stabilire i limiti della piena catastrofica e capire quale e quanta popolazione bisogna evacuare), la cui portata ha un T r di circa 500 anni. Il progetto proposto consiste nell adeguamento e rifacimento degli argini del fiume Arrone, al fine di contenere la portata al colmo con tempo di ritorno di 200 anni. Nel caso in esame esiste un arginatura già realizzata, ma non secondo le moderne regole di progettazione. Queste ultime prevedono che si debba fare un inquadramento dell area in esame e un analisi storica di cos è accaduto (se vi sono state delle alluvioni, delle rotture arginali); sono inoltre previste un analisi idrologica e la determinazione delle portate di progetto. L analisi idrologica consiste nel correlare il livello alla Q, basandosi su lunghe serie di registrazioni effettuate nel tempo. Se abbiamo delle stazioni idrometrografiche possiamo fare le analisi statistiche dirette delle massime portate al colmo ed estrapolare, mediante leggi di distribuzione di probabilità, quale è la Q attesa con un certo T r. Si utilizzano a tale scopo i modelli afflussideflussi, con cui si trasformano le piogge in deflussi, si considerano le perdite idrologiche e si assume che piogge con un certo T r producono portate con lo stesso T r. Le moderne regole di progettazione prevedono inoltre che la fase preliminare comprenda anche un acquisizione di dati: cartografie, foto aeree, modello digitale del terreno, rilievi d alveo e di opere d arte. Lo scopo è quello di modificare le sezioni delle arginature in maniera che il fiume porti la Q di progetto con un certo franco, quindi il progetto si struttura come un analisi idraulica della situazione attuale, una determinazione della capacità di trasporto del fiume e delle insufficienze; si propongono poi delle soluzioni e si verifica con il modello HEC-RAS se queste soluzioni sono congrue con il fine di difesa nei confronti delle piene con un certo T r. 4

6 4. IL MODELLO 4.1 GENERALITÀ Il modello idraulico utilizzato per la simulazione del Sistema è HEC-RAS: si tratta di un modello monodimensionale, che prende in considerazione la sola componente longitudinale della velocità, quella cioè diretta secondo la direzione prevalente del moto (in un modello 2D si tiene conto anche delle componenti trasversali al moto; in un modello 3D si considera anche l andamento delle velocità con la verticale). Il nostro Progetto si basa inoltre sull'ipotesi semplificativa di moto permanente, in cui le caratteristiche cinematiche dello stesso sono variabili nello spazio, ma non nel tempo; anche le grandezze geometriche sono costanti nel tempo. Attraverso il Modello abbiamo quindi calcolato profili di corrente gradualmente variata in condizioni stazionarie (steady flow water surface profiles), per corrente lenta, veloce o mista. 4.2 EQUAZIONI La procedura di risoluzione permanente: del nostro Sistema si basa sulle equazioni proprie del moto equazione monodimensionale di bilancio energetico (detta anche Teorema di Bernoulli): il carico totale in una sezione è uguale al carico totale in una sezione precedente più le perdite di carico nel tratto compreso fra le due sezioni. Y 2 Z 2 2 U 2 g 2 2 Y Z U 2 g dove h e è la perdita di carico totale nel tratto: 2 1 h e h e L S f 2 U U C g 2 1 L è la lunghezza del tratto, mediata sulle portate: L L lo Q lo L Q c Q tot c L ro Q ro Il Modello specifica infatti tre lunghezze diverse, una per l alveo ordinario (channel), una per la zona golenale di destra (right overbank) e una per la zona golenale sinistra (left overbank); ricordiamo che la destra e la sinistra idrauliche sono riferite ad un osservatore che dà le spalle alla sorgente ed è rivolto verso la sezione terminale. 5

7 Nella formula che esprime le perdite di carico S f indica la cadente della linea dei carichi totali, cioè le perdite continue dovute all attrito; C indica il coefficiente di espansione/contrazione, che, moltiplicato per il termine successivo, esprime le perdite di carico dovute all espansione e alla contrazione della vena. Il coefficiente C varia fra 0 e 1. Quando i filetti fluidi si concentrano o si espandono si creano dei vortici che rallentano la corrente: la perdita di carico in questione riguarda l'altezza cinetica. Le perdite di carico per espansione sono superiori a quelle per contrazione. Equazione di Chezy: Q A 1 J A n 2 3 J.1 2 Viene espressa in una forma particolare, ponendo in evidenza la portata specifica: Q 1 A J n 2 3 Il termine al secondo membro viene detto conveyance (K), ed è un parametro che tiene conto globalmente delle caratteristiche della sezione (area, materiale, raggio idraulico); il Modello è in grado di calcolare diverse conveyance, definendo ad esempio indici di Manning diversi per il channel e per le overbank: il valore finale unico di K per l intera sezione è ottenuto come somma dei tre contributi parziali. Espressione dell altezza cinetica. Si osserva che, dato che il modello è monodimensionale, ad ogni sezione è associata una sola superficie libera e di conseguenza una sola altezza cinetica. Pertanto, per un dato valore del tirante idrico nella sezione, l altezza cinetica viene calcolata come un valor medio pesato alla Q fra quelli associati alle 3 sottosezioni. In pratica l altezza cinetica è calcolata mediante la seguente relazione generale : U 2 g 2 n Qi U i1 2 g Q 2 i tot 6

8 Espressione delle perdite di carico continue. Per calcolarle occorre conoscere il valore medio della pendenza della linea dei carichi totali tra due sezioni contigue. In corrispondenza di una sezione la cadente, detta anche pendenza d attrito o pendenza piezometrica, viene valutata con l equazione di Manning : S f 2 Q K 5. PROCESSO DI CALCOLO La modalità attraverso cui il programma calcola, per ogni sezione, il valore incognito dell altezza della superficie libera, a partire da dati geometrici, di portata e di condizioni al contorno assegnati, è costituita da una soluzione iterativa delle equazioni dell'energia e delle perdite di Carico. La procedura di calcolo consiste nei seguenti passi : 1. scelta di un valore di primo tentativo per la quota della superficie libera (WS1, water surface 1), in corrispondenza della sezione di valle per correnti lente, o di monte per correnti veloci; 2. calcolo, a partire dal valore assunto al passo 1, dei corrispondenti valori di conveyance ed altezza cinetica; 3. stima di J mediaf e soluzione dell'equazione delle perdite di carico per il calcolo di queste ultime (h e ); 4. soluzione, a partire dai valori ottenuti ai passi 2 e 3, dell'equazione dell'energia per il calcolo della superficie libera WS2; 5. confronto fra il valore di WS2 calcolato ed il valore assunto al passo 1 e reiterazione dei passi 1-5 fino al raggiungimento della convergenza, definita per default da una differenza fra i due valori inferiore a 0,003 m. Questa tolleranza è modificabile dall'utente. 5.1 EQUAZIONE DEI MOMENTI PER SEZIONI CON PONTI Ci sono delle situazioni particolari, come la presenza di ponti, in cui non possiamo applicare l equazione dell energia, che si basa sull ipotesi di flusso gradualmente variato e non è valida quando avviene il passaggio attraverso l altezza critica. Si ricorre in questi casi equazione dei Momenti: P P W 2 1 x F f Q U x Dove: P 1,2 è la spinta idrostatica in corrispondenza delle sezioni 1 e 2 ; W x è la componente della forza peso nella direzione del moto ; 7

9 F f è la forza resistente dovuta all attrito ; Q è la portata ; ρ è la densità dell acqua ; U x è la variazione di velocità fra le sezioni 1 e 2, nella direzione del moto. 6. IMPLEMENTAZIONE Il Modello di calcolo viene applicato ad un project, costituito da tutto l insieme di dati (plan data) che caratterizzano un sistema idrografico: geometric data sono le informazioni atte a caratterizzare il corso d acqua: - sezioni topografiche; - opere in alveo (ponti, tombini, briglie, traverse ecc.); steady flow data (il Modello gestisce anche il moto vario, unsteady) sono le informazioni relative alle condizioni al contorno (WS nota, altezza di moto uniforme ecc.), l informazione di portata nelle sezioni e l assegnazione di un tipo di corrente: lenta (subcritical), veloce (supercritical) o mista. Nella parte del programma dedicato ai dati geometrici è possibile disegnare fiumi o reti di canali, si possono generare sezioni trasversali, si stabiliscono i coefficienti di Manning, le distanze parziali fra le sezioni. C è la possibilità di effettuare l interpolazione automatica delle sezioni trasversali: quando la variazione della geometria del terreno può essere ritenuta lineare, è possibile far inserire al programma, tra due sezioni contigue, un numero a piacere di sezioni interpolate. Si possono inserire punti singolari quali ponti anche con pile in alveo, sottopassi anche ad aperture multiple, manufatti di sbarramento ecc... Nella parte relativa ai dati del moto permanente si inseriscono la portata di progetto e le condizioni al contorno, per esempio la pendenza della superficie libera (e quindi dell alveo) in condizioni di moto uniforme (normal depth) o una known WS, cioè una quota nota del pelo libero. Inseriti i geometric ed i flow data, si fa eseguire il Processo con le portate e le condizioni al contorno in esame (comando Perform a steady flow simulation ). Il programma combina gli input geometrici, di portata e di condizioni al contorno e ricava l andamento del moto, il profilo del pelo libero e numerose grandezze caratteristiche del moto. 8

10 7. SPECIFICHE DELLA SITUAZIONE IN ESAME Per la riprogettazione degli argini abbiamo utilizzato dati che provengono da studi precedenti, basati sul modello afflussi-deflussi (IUH): in questo Modello i contributi di Q che arrivano nel tempo alla sezione di chiusura sono schematizzabili come contributi di aree in cui il bacino stesso viene suddiviso; combinando tale informazione con uno ietogramma di progetto che ha t finale uguale al tempo di concentrazione del bacino ( 11 ore), si ottengono le onde sintetiche di piena per determinati T r, che dipendono dai T r delle precipitazioni. Utilizziamo tali onde per la modellazione; dato che il nostro è un modello di moto permanente, ci interessa solamente la Portata al colmo. È inoltre monodimensionale, perciò quando il livello idrico supera il livello arginale, noi vediamo solo che il fiume tracima, ma non sappiamo dire nulla su cosa accada: non vediamo erosione, crolli dell argine, apertura di brecce, l onda di piena che invade la valle, ecc.. 9

11 8. TARATURA DEL MODELLO La taratura del Modello sull'arrone fa uso di misure di Q ottenute a partire da registrazioni di livelli idrici: un idrometrografo che si trova in corrispondenza di un ponte, nella parte a nord del tracciato, dal 1999 misura anno per anno i livelli idrici, e ad essi vengono correlate le relative portate tramite la scala di Deflusso dell alveo. L unico elemento di taratura del modello è l indice di scabrezza di Manning. Tarare il modello significa quindi trovare quegli Indici tali che, facendo girare nel modello diverse Q, si ottengono nella sezione in cui è posto l idrometrografo i valori che più si avvicinano ai valori di Q noti. I valori dell indice di scabrezza di Manning sono pari a : 0,04 nel channel; 0,06 in corrispondenza delle pareti inclinate; 0,025 in corrispondenza delle pareti verticali. In figura è riportata la scala di deflusso del fiume Arrone; si può notare che oltre i 120 m 3 /sec la curva è tratteggiata, perché iniziano le tracimazioni (nel Modello possiamo comunque far crescere in verticale l area della sezione bagnata per sapere quale sarebbe il livello teorico raggiunto). Le misure di Q, come spesso accade, si trovano tutte nella parte bassa della Scala: quando si utilizza il Modello si va ad estrapolare, e la bontà dell estrapolazione è legata alla modalità di schematizzazione della geometria e a come sono stati tarati gli indici di scabrezza (sono stati tarati quelli che riguardano la parte più bassa della scala di deflusso; comunque la variabilità degli indici di Manning nelle situazioni in cui ci troviamo non è molto grande). 9. STATO ANTE OPERAM Il moto avviene a corrente lenta, le condizioni iniziali al contorno (boundary condition) sono quindi riferite a valle (downstream): l'altezza dello sbocco in mare è nota (known WS) e pari a 0,75 m sul livello del mare: si tiene conto della variabilità delle maree e del sovralzo di tempesta. I dati in ingresso sono le Q con T r pari a 30, 50, 100, 200 e 500 anni; nella situazione precedente al rifacimento degli argini si ha, come si può vedere nelle seguenti figure, tracimazione già per la Q con T r di 30 anni: 10

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13 Il profilo e le sezioni relative alla portata con T r di 200 sono i seguenti: 12

14 Il profilo e le sezioni relative alla portata con T r di 500 sono i seguenti: 13

15 10. INTERVENTO 10.1 OBIETTIVI Garantire il contenimento negli argini della Q con T r di 200 anni, rispettando i franchi di sicurezza CRITERI DI PROGETTO La strategia adottata per contenere la Q duecentennale è stata quella di spostare gli argini e sollevare i ponti, prendendo come riferimento le prescrizioni della normativa di rispettare un franco pari ad 1 m; inoltre la pendenza del fondo è stata regolarizzata prendendo, per il tratto non verificato ante operam (inizialmente individuato dalla 40 e proseguente verso monte), quella media: i 0,0012 i 0,

16 Le condizioni al contorno rimangono invariate (condizione al contorno di valle=0,75 m sul livello del mare). Anche gli input sono gli stessi: Q con T r pari a 30, 50, 100, 200 e 500 anni. Abbiamo adottato sezioni di tre tipi : trapezie; rettangolari; miste trapezio-rettangolari. Per stabilire le dimensioni delle sezioni abbiamo: 1. imposto il tirante idrico considerando 1 metro di franco; 2. calcolo dei perimetri bagnati e delle aree tramite AUTOCAD; 3. conoscendo già tutti gli altri dati, tramite Chezy determino la base. 15

17 Sezione di tipo trapezio. Sezione di tipo trapezio-rettangolare (mista). Sezione di tipo rettangolare. 16

18 10.3 STATO POST OPERAM L allargamento di ogni sezione è stato analizzato e si è trovata una base per ogni singolo caso,l altezza degli argini rispetto al piano campagna è rimasta all incirca invariata, i ponti sono stati completamente rifatti. Con le modifiche effettuate, la Q con T r di 200 anni è contenuta negli argini e vengono rispettati i franchi di sicurezza. 17

19 Regolarizzazione alvei 18

20 Per quanto riguarda la Q con T r di 500 anni, non si ha tracimazione, ma non vengono rispettati i franchi di sicurezza. 19

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22 10.4 RICOSTRUZIONE DEI PONTI Il ponte di Maccarese Ante operam: Post operam: 21

23 Il Ponte Tre Denari Ante operam: Post operam: 22

24 Il ponte delle Ferrovie dello Stato Ante operam: Post operam: 23

25 Il ponte dell'autostrada Ante operam: Post operam: 24

26 Il ponte di Via Muratella Ante operam: Post operam: 25

27 11. ADEGUAMENTO DELLA PLANIMETRIA L adeguamento in planimetria parte dalla sezione 40: le sezioni precedenti non hanno subito modifiche. Questo aspetto è importante anche dal punto di vista della conservazione ambientale, ma l argomento non è qui rilevante. Abbiamo scelto di mantenere il margine sinistro dell argine, e di ricostruire il destro, per tutte le sezioni comprese tra la 40 e la 90; tra la sezione 100 e la 140 è stato ricostruito il margine sinistro; dalla 150 in poi è stato allargato l argine destro. La zona di territorio occupata dalle nuove arginature riportate in planimetria è stata ricavata dall intersezione dei paramenti di valle degli argini con il piano campagna; dalla sezione 100 alla 150 è necessario espropriare una fascia di territorio (sulla quale c è un campo da calcio). 26

28 BIBLIOGRAFIA Citrini, Noseda Idraulica Calenda Infrastrutture Idrauliche Mancini Dispense del corso di Progetto di Opere Idrauliche Wikipedia ( Sistema Informativo sulle Catastrofi Idrogeologiche ( Centro di Educazione Ambientale della RNS Litorale romano ( 27