crosshore distance (m)

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1 UNIVERSITÀ POLITECNICA DELLE MARCHE FACOLTÀ DI INGEGNERIA Istituto di Idraulica e Infrastrutture Viarie Dottorato di Ricerca in Ingegneria dei Materiali, delle Acque e dei Terreni V ciclo, nuova serie IDRODINAMICA COSTIERA IN PRESENZA DI STRUTTURE DISSIPATIVE Tutore: Chiar.mo Prof.Ing. Alessandro Mancinelli Dottoranda: Ing. Antonella Strappa Coordinatore: Chiar.mo Prof. Giacomo Moriconi A.A

2 IDRODINAMICA COSTIERA IN PRESENZA DI STRUTTURE DISSIPATIVE SOMMARIO La dissipazione dell energia delle onde avviene nella zona costiera principalmente per frangimento. La rappresentazione delle onde nella surf zone richiede un modello accurato di frangimento per poter prevedere l andamento delle altezze d onda nel profilo trasversale quando il fondo è ondulato per la presenza di barre. Anche la progettazione delle opere longitudinali di difesa della costa è finalizzata all abbattimento dell energia delle onde per frangimento sulle strutture. Le scogliere sommerse, ampiamente utlizzate negli ultimi anni come metodo di protezione della costa, influenzano fortemente l idrodinamica costiera; inducono infatti una circolazione caratterizzata da correnti verso costa al di sopra delle strutture ed intense correnti verso mare (i.e. rip currents) in corrispondenza dei varchi tra le scogliere sommerse stesse (vedi pannello di sinistra della fig.1). Tale andamento della circolazione è determinato dal gradiente di setup indotto dal frangimento differenziale che si verifica sulle strutture (i.e. circolazione primaria) e vicino alla riva (i.e. circolazione secondaria). Rip currents ed erosioni localizzate sono i limiti più diffusamente osservati per le scogliere sommerse realizzate. Fig. 1. Rappresentazioni schematiche dei possibili schemi di circolazione idrodinamica costiera. Pannello di sinistra: rip current in presenza di scogliere sommerse; pannello di destra: inversione della circolazione costiera in presenza di aree ad elevato coefficiente d attrito. Dunque sono auspicabili soluzioni alternative, che possano ridurre sia i costi di costruzione e manutenzione sia l impatto ambientale. Nel presente lavoro si sono considerate strutture dissipative, da utilizzare nella difesa dei litorali, in grado di dissipare gradualmente l energia delle onde riducendo il

3 setup lato terra delle strutture in modo che le correnti indotte non producano trasporto dei sedimenti fuori dalla zona protetta. Queste opere potrebbero essere usate, ad esempio, a protezione dei ripascimenti artificiali. Al fine di generare un sistema di circolazione opposto a quello che si instaura in presenza di scogliere sommerse, Hisamichi et al. (1996) hanno proposto una serie di strutture sommerse costituite da pannelli inclinati. Sulla base dei loro risultati sperimentali, in cui l inversione del sistema di circolazione dipende fortemente dall attrito al fondo, si è pensato di testare numericamente un opera alternativa costituita da strutture ad elevata sommergenza, tali da non indurre frangimento, caratterizzate da un coefficiente d attrito superiore a quello relativo all area circostante (vedi pannello di destra della fig. 1). Tali strutture a scabrezza elevata possono essere costituite sia da aree occupate da vegetazione, sia da manufatti artificiali da testare. Si è dunque scelto di approfondire lo studio sugli effetti delle strutture dissipative, utilizzando un modello numerico di tipo shockcapturing che risolve le equazioni delle acque basse, Nonlinear Shallow Water Equations NSWE (Brocchini et al., 2001), medie sulla profondità, con l inclusione di un termine per la simulazione dell attrito al fondo spazialmente variabile, i.e. c f (x, y). Sono stati analizzati i risultati numerici sia in termini di trasformazione dell altezza d onda, che in termini di circolazione. Simulazioni preliminari per la validazione del modello numerico NSWE, in termini di trasformazione dell altezza d onda H, sono state effettuate utilizzando dati sperimentali, disponibili in letteratura, relativi a prove realizzate in presenza di un tappeto di alghe artificiali (Lovas, 2000). Per simulare numericamente la presenza di un tappeto di alghe si è utilizzato un coefficiente d attrito al fondo pari a C f =0.2. In figura 2, a titolo di esempio, sono riportati i risultati dell evoluzione dell altezza d onda relativi alle prove con H=0.125m and T=3.5s. In tutte le simulazioni numeriche, il modello numerico ha riprodotto in maniera soddisfacente l abbattimento dell altezza d onda, sia per onde frangenti, che non frangenti. H (m) d (m) no kelp experimental data kelp experimental data no kelp numerical results kelp numerical results submerged vegetation crosshore distance (m) Fig. 2. Confronto tra altezze d onda misurate (Lovas, 2000) e calcolate, con e senza tappeto artificiale, per onde non frangenti (pannello di sinistra) e per onde frangenti (pannello di destra).

4 Dal campo di velocità medie, in condizioni quasi stazionarie, mostrato in fig. 3, è infatti evidente la presenza della rip current nel varco tra le scogliere sommerse, mentre velocità decisamente ridotte si instaurano nel caso delle strutture dissipative e comunque prevalentemente dirette verso terra, rispettivamente pannello di sinistra e di destra. Le caratteristiche ondose di input sono caratterizzate da T=1.826s e H=0.045m, con una profondità dell acqua di 0.182m. Da notare come per la configurazione delle scogliere sommerse la massima velocità offshore è pari a 0.3m/s mentre per i tappeti artificiali è più piccola di un ordine di grandezza, cioè circa uguale a 0.03m/s. E evidente che in questo secondo caso non c è formazione di rip current..i differenti comportamenti idrodinamici sono strettamente legati alle caratteristiche del setup generato dalle diverse configurazioni m/s m/s 7 7 longshore direction (m) longshore direction (m) onshore direction (m) onshore direction (m) Fig. 3. Campi di velocità medie in presenza di scogliere sommerse disposte in batteria (pannello di sinistra) e di tappeti artificiali a scabrezza elevata (pannello di destra). In figura 4 è mostrato un esempio dell andamento longitudinale del setup misurato per una sezione longitudinale, lato terra delle strutture, con una profondità d acqua pari a h=0.09m, per le due diverse configurazioni. Per le scogliere in batteria, il gradiente longitudinale del setup è notevole e tale da indurre formazione di rip (vedi fig. 3), mentre per i tappeti artificiali sia il setup che la sua variazione longitudinale sono piccoli. In queste condizioni la spiaggia risulta protetta. 9 x longshore setup gradient submerged breakwaters 6 η (m) deeply submerged high friction steps almost constant setup 1 0 gap longshore distance (m) Fig. 4. Gradiente longitudinale di setup generato da una condizione ondosa di H=5.00 cm e T=0.9s.

5 Ulteriori prove sono state effettuate per valutare l influenza delle caratteristiche geometriche e delle caratteristiche ondose. Risultati preliminari hanno evidenziato come per altezze d v della struttura e per coefficienti di scabrezza C f crescenti, aumenti non solo l abbattimento di H, ma anche il valore del setup e la sua variabilità longitudinale. Per quanto riguarda la dimensione trasversale, si è trovato che per valori di b crescenti si ha un maggiore abbattimento dell altezza d onda, ma comunque non si hanno incrementi apprezzabili oltre un certo limite di b/l=0.5 1, con L=lunghezza d onda, come mostrato in fig. 5, per diverse caratteristiche ondose di input. H (m) bathymetry b=0.4m b=0.8m b=1.6m H e (no reef) H f (no reef) H e (b/l=0.5) H e (b/l=1) H f (b/l=0.5) H f (b/l=1) d (m) X (m) p=1/ Fig. 5. Abbattimento dell altezza dell onda per effetto della variabilità della dimensione traversale b I risultati numerici preliminari sono incoraggianti, in quanto mostrano che le strutture dissipative come difesa costiera determinano una circolazione opposta a quella generata dalle scogliere sommerse (i.e. un sistema di rip currents). La principale caratteristica di queste strutture alternative è data dalla componente di dissipazione per effetto dell attrito, legato alla presenza di un tappeto di alghe o a quella di materiali artificiali, e dunque non alla componente di dissipazione legata al frangimento. La ricerca è ancora in fase di sviluppo; sono in corso simulazioni numeriche e sperimentali in canale che hanno lo scopo di determinare il valore corretto del coefficiente di attrito al fondo C f e la disposizione planimetrica ottimale di tali strutture.

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