D. Poggi, S. Grimaldi, F. Miotto

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1 D. Poggi, S. Grimaldi, F. Miotto DIGHE E INVASI Ottobre 2011

2 INTRODUZIONE AMBITO Ridefinizione delle competenze regionali in materia di piccoli sbarramenti Contratti di ricerca Regione Piemonte Settore pianificazione difesa del suolo - dighe Definizione di una metodologia speditiva per il calcolo del coefficiente di rischio globale per gli sbarramenti di competenza regionale Archivio anomalie sbarramenti

3 SCOPO DEL LAVORO Fornire una metodologia di indagine del rischio legata ai bacini di competenza regionale Sintetica Rapidamente applicabile Scientificamente basata DEFINIZIONE DEL RISCHIO R = P *V *Dp* Pericolosità (P = 0-1) 0 (V = 0-1) 0 Danno potenziale Vulnerabilità

4 IL CALCOLO DEL RISCHIO TEORIA R = P *V *Dp* P probabilità di collasso o di malfunzionamento V Vulnerabilità. Funzione di: a) velocità e profondità onda b) curve di vulnerabilità valore economico o numero di unità esposte all evento Dp

5 IL CALCOLO DEL RISCHIO Le quattro fasi di studio P V E FASE 1: Valutazione della pericolosità legata alle anomalie riscontrabili su ogni invaso FASE 2: Valutazione delle caratteristiche fisiche dell onda di dam break (velocità media e profondità) FASE 3: Valutazione e quantificazione delle curve di vulnerabilità FASE 4: Valutazione del danno potenziale nei territori a valle degli sbarramenti

6 FASE 1: Valutazione della pericolosità Esigenza: - Proporre una metodologia di calcolo della pericolosità applicabile a tutte le dighe di competenza della Regione Piemonte - La metodologia deve essere semplice, robusta, ricorsiva ed in grado di fornire un risultato in tempi molto rapidi - Deve essere compatibile SCHEDE con la procedura di ispezione periodica che i tecnici della pericolosità Regione effettuano agli sbarramenti degli elementi strutturali Procedura proposta: - ispezione allo sbarramento - rilevazione delle caratteristiche e delle anomalie - valutazione quantitativa delle anomalie - assegnazione del livello di PERICOLOSITA dell invaso

7 Possibili anomalie interessanti uno sbarramento ARCHIVIO ANOMALIE! CREAZIONE ARCHIVIO DELLE ANOMALIE

8 CORONAMENTO ZONE DI CONTATTO CORPO DIGA - VERSANTI- ALTRI ELEMENTI PARAMENTO DI VALLE PARAMENTO DI MONTE PERMEABILITA DEL CORPO DIGA FONDAZIONI PERMEABILITA DELLE FONDAZIONI SCARICHI DI SUPERFICIE - DESCRIZIONE SCARICHI PROFONDI - DESCRIZIONE SCARICO DI SUPERFICIE - FUNZIONALITA SCARICHI PROFONDI - FUNZIONALITA CONDOTTO EVACUATORE -SCARICO SUPERFICIE CONDOTTO EVACUATORE -SCARICHI PROFONDI ESERCIZIO - MANUTENZIONE SCARICO SUPERFCIE ESERCIZIO - MANUTENZIONE SCARICHI PROFONDI INTERSEZIONE CON IL RETICOLO NATURALE LIVELLO TRASPORTO SOLIDO VERSANTI LAMINAZIONE SISMA IDROLOGIA CORPO DIGA FONDAZIONI SISTEMI DI DRENAGGIO OPERE ACCESSORIE VERIFICHE STATICHE VERIFICHE IDROLOGICHE ED IDRAULICHE INTERVENTI SULL OPERA ETA 1) ELEMENTI STRUTTURALI? P? DIGA IN MATERIALE SCIOLTO - FATTORE DI RISCHIO - STRUTTURA ANOMALIE 2) OPERE ACCESSORIE 4) INVASO 3) PROGETTAZIONE 5) EVENTI ESTREMI

9 ELEMENTI STRUTTURALI CORONAMENTO PROGETTAZION VEGETAZIONE ALBERI FESSURAZIONI EROSIONI SIFONAMENTO PROTEZIONE MOVIMENTI PROTEZIONE CEDIMENTI ALLINEAMENTO FESSURAZIONI EROSIONI LATO VALLE LATO MONTE PARAMENTO DI VALLE PARAMENTO DI MONTE PERMEABILITA DEL CORPO DIGA FONDAZIONI PROGETTAZION VEGETAZIONE ELEMENTI DI MOVIMENTI MOVIMENTI DRENAGGIO PARAMENTO NUCLEO ALTRI. SATURAZIONE FILTRAZIONE SIFONAMENTO RILEVATO ELEMENTI FILTRAZIONE SIFONAMENTO DIFFERENZIALI PROGETTAZIONE DEFORMAZIONI EROSIONE FESSURAZIONI FILTRAZIONI ELEMENTI DI PROTEZIONE MA LA PERICOLOSITA? PERMEABILITA FONDAZIONI ZONE DI CONTATTO

10 FASE 1: Valutazione del rischio di collasso dello sbarramento Stima semi-quantitativa della probabilità di accadimento Livello Descrizione qualitativa Descrizione estesa Fascia di probabilità interessata Probabilità di accadimento adottata A Virtualmente improbabile Potrebbe occorrere solo in seguito a cause eccezionali 0,001 0,01 0,01 B C D E Molto improbabile Completamen te incerto Molto probabile Virtualmente certo Non è da escludere a priori la possibilità che si generino le condizioni necessarie al suo verificarsi 0,01 0,10 0,10 Potrebbe verificarsi in alcuni casi 0,10 0,90 0,50 Si possono verificare con una certa facilità le condizioni per il suo verificarsi E molto probabile che le condizioni necessarie si verifichino 0,90 0,99 0,90 0,99 0,999 0,99

11 Probabilità CORONAMENTO Livello accadiment accadimento o PROTEZIONE CEDIMENTI ALLINEAMENTO FESSURAZIONI EROSIONI LATO VALLE LATO MONTE Rilevazione da Ispezione A 0.01 x B 0.10 ELEMENTI STRUTTURALI VEGETAZIONE Descrizione ZONE DI CONTATTO Inerbimento superficiale continuo, con copertura prossima al 100% dell'area, di caratteristiche uniformi, assenza di alta vegetazione. Inerbimento superficiale buono, con copertura tra l'80% ed il 100% dell'area, di caratteristiche quasi uniformi, assenza di alta vegetazione. EROSIONE FESSURAZIONI FILTRAZIONI ELEMENTI DI PROTEZIONE PROGETTAZION VEGETAZIONE PARAMENTO DI VALLE C 0.50 ALBERI FESSURAZIONI EROSIONI SIFONAMENTO PROTEZIONE MOVIMENTI RILEVATO D 0.90 E 0.99 A 0.01 PARAMENTO Inerbimento PERMEABILITA superficiale PERMEABILITA scarso, con copertura tra il DI MONTE 5% DEL ed CORPO il 40% DIGA dell'area. Sono FONDAZIONI visibili aree estese con vegetazione con caratteristiche diverse e/o di altezza diversa. Inerbimento superficiale pessimo, con copertura minore del 5% dell'area. Sono visibili aree estese con vegetazione con caratteristiche diverse e di altezza rilevante. RISULTATO INDAGINE PROGETTAZION VEGETAZIONE ELEMENTI DI MOVIMENTI MOVIMENTI Inerbimento superficiale discreto, con copertura tra l'40% ed il 100% dell'area. Sono visibili aree FONDAZIONI estese con vegetazione con caratteristiche diverse e/o di altezza diversa. DRENAGGIO PARAMENTO NUCLEO ALTRI. SATURAZIONE FILTRAZIONE SIFONAMENTO ELEMENTI FILTRAZIONE SIFONAMENTO DIFFERENZIALI PROGETTAZIONE DEFORMAZIONI

12 Livello accadimento Probabilità accadiment o PARAMENTO DI VALLE Rilevazione da Ispezione A 0.01 x VEGETAZIONE Descrizione Inerbimento superficiale continuo, con copertura prossima al 100% dell'area, di caratteristiche uniformi, assenza di alta vegetazione. B 0.10 C 0.50 PROGETTAZ. p 1 1 VEGETAZ. D 0.90 E 0.99 A 0.01 ALBERI p I 1 FESSURAZ. Inerbimento superficiale buono, con copertura tra l'80% ed il 100% dell'area, di caratteristiche quasi uniformi, assenza di alta vegetazione. EROSIONI SIFONAMENTO pn 1 Inerbimento superficiale discreto, con copertura tra l'40% ed il 100% dell'area. Sono visibili aree estese con vegetazione con caratteristiche diverse e/o di altezza diversa. Inerbimento superficiale scarso, con copertura tra il 5% ed il 40% dell'area. Sono visibili aree estese con vegetazione con caratteristiche diverse e/o di altezza diversa. Inerbimento superficiale pessimo, con copertura minore del 5% dell'area. Sono visibili aree estese con vegetazione con caratteristiche diverse e di altezza rilevante. RISULTATO INDAGINE MOVIMENTI RILEVATO

13 PARAMENTO DI VALLE PARAMENTO DI VALLE Peso dell'anomalia PROGETTAZ. Livello accadimento VEGETAZ. Probabilità accadimento ALBERI FESSURAZ. EROSIONI SIFONAMENTO ANOMALIA 0,24 A 0,0024 PROGETTAZIONE 0,42 A 0,0042 VEGETAZIONE 0,50 A 0,0050 ALBERI ed ARBUSTI 0,58 A 0,0058 FESSURAZIONI 0,71 A 0,0071 EROSIONI 1,00 A 0,0100 FILTRAZIONE/SIFONAMENTO 0,42 A 0,0042 ELEMENTI DI PROTEZIONE 1,00 A 0,0100 MOVIMENTI GLOBALI DEL RILEVATO 1,00 A 0,0100 MOVIMENTI ALLA BASE DEL RILEVATO 9 Totale anomalie riscontrabili MOVIMENTI RILEVATO B 0,057 Probabilità totale di anomalia dell'elemento

14 CORONAMENTO ELEMENTI STRUTTURALI PROGETTAZION VEGETAZIONE ALBERI FESSURAZIONI EROSIONI SIFONAMENTO PROTEZIONE PROTEZIONE CEDIMENTI ALLINEAMENTO FESSURAZIONI EROSIONI LATO VALLE LATO MONTE MOVIMENTI RILEVATO PROGETTAZION VEGETAZIONE ELEMENTI DI MOVIMENTI MOVIMENTI DRENAGGIO PARAMENTO NUCLEO ALTRI. SATURAZIONE FILTRAZIONE SIFONAMENTO PROGETTAZIONE DEFORMAZIONI PARAMENTO DI VALLE PARAMENTO DI MONTE PERMEABILITA DEL CORPO DIGA PERMEABILITA FONDAZIONI ZONE DI CONTATTO FONDAZIONI ELEMENTI FILTRAZIONE SIFONAMENTO DIFFERENZIALI EROSIONE FESSURAZIONI FILTRAZIONI ELEMENTI DI PROTEZIONE p f 7 p f 6 p f 5 p f 4 pf 2 pf 3 p f 1

15 pi 1 CORONAMENTO ZONE DI CONTATTO CORPO DIGA - VERSANTI- ALTRI ELEMENTI PARAMENTO DI VALLE PARAMENTO DI MONTE PERMEABILITA DEL CORPO DIGA FONDAZIONI PERMEABILITA DELLE FONDAZIONI SCARICHI DI SUPERFICIE - DESCRIZIONE SCARICHI PROFONDI - DESCRIZIONE SCARICO DI SUPERFICIE - FUNZIONALITA SCARICHI PROFONDI - FUNZIONALITA CONDOTTO EVACUATORE -SCARICO SUPERFICIE CONDOTTO EVACUATORE -SCARICHI PROFONDI ESERCIZIO - MANUTENZIONE SCARICO SUPERFCIE ESERCIZIO - MANUTENZIONE SCARICHI PROFONDI INTERSEZIONE CON IL RETICOLO NATURALE LIVELLO TRASPORTO SOLIDO VERSANTI LAMINAZIONE SISMA IDROLOGIA CORPO DIGA FONDAZIONI SISTEMI DI DRENAGGIO OPERE ACCESSORIE VERIFICHE STATICHE VERIFICHE IDROLOGICHE ED IDRAULICHE INTERVENTI SULL OPERA ETA 1) ELEMENTI STRUTTURALI?! P f!? DIGA IN MATERIALE SCIOLTO - FATTORE DI RISCHIO - p f 5 pf 1 5) EVENTI ESTREMI p f 4 pf 2 p f 3 2) OPERE ACCESSORIE 4) INVASO 3) PROGETTAZIONE pn 1 p1 1

16 LA VULNERABILITA DEL TERRITORIO Studi pregressi definiscono le curve di vulnerabilità in funzione del grado di danno atteso e dell elemento esposto. Es: AREE URBANE (Clausen & Clark, 1975)

17 LA VULNERABILITA DEL TERRITORIO VULNERABILITA : Valore soglia grado di perdita prodotto su un certo elemento Grado di danno atteso 7 m 2 s -1 Distruzione totale (100%) Dipende da : Velocità del flusso v (m/s) 3 m 2 s -1 Danno maggiore (70%) Altezza d acqua d (m) 1 m 2 s -1 Danno minore (30%) v * d (m 2 /s) CURVE DI VULNERABILITA 3 zone delimitate da rami d iperbole Range di variazione diversi a seconda dei soggetti esposti Danno totale Danno parziale Danno limitato

18 LA VULNERABILITA BASE DATI Database Regione Piemonte (Circa 600 invasi) Altezza Volume Lunghezza Categoria Coordinate X e Y Denominazione CARATTERIZZAZIONE TERRITORIO DEM Digital Elevation Model (50 m)

19 CONCETTI DI DAM-BREAK Moto di un onda di piena: EQUAZIONI DI DE SAINT VENANT (moto vario in un canale a pelo libero) Ricerca di v(x,t) e h(x,t) Come sfruttare le poche informazioni disponibili? SEMPLIFICAZIONI ANALITICHE SOLUZIONI NUMERICHE SOLUZIONI SPERIMENTALI

20 CONCETTI DI DAM-BREAK PROBLEMI: a) Troppi invasi b) Pochi dati c) DEM a bassa risoluzione Ricerca di v(x,t) e h(x,t) Come sfruttare le poche informazioni disponibili? SOLUZIONE Ricerca di formulazioni speditive basate su a) Lab numerico b) Lab sperimentale

21 INVASI TIPO Analisi statistica della morfologia degli invasi e delle valli piemontesi (banca dati della Regione Piemonte) SERBATOIO: parallelepipedo dati in ingresso: σ σ altezza dello sbarramento y o larghezza dello sbarramento b pdf lunghezza del serbatoio l 0.4 PARALLELEPIPEDO CUNEO BRECCIA: profondità pari all altezza del serbatoio e varie larghezze VALLE: ipotesi conservativa di canale prismatico parametro di rettangolare, forma parametri idraulci (scabrezza n, pendenza i f ) costanti. La larghezza è funzione della modalità di collasso. 0.2

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25 UNA SOLUZIONE NUMERICA: IL SOFTWARE BREZO 4.0 INPUT: A) Matrice strutturata delle quote del terreno (DEM) B) Ampia casistica di casi semplici: influenza Volume, altezza diga, morfologia alveo a valle, etc.. Simulazione e ricostruzione della superficie libera (h e v dell acqua)

26 LAB NUMERICI MODALITA DI COLLASSO: Istantaneo (ipotesi conservativa) La completa modellazione di un cospicuo numero di onde (500) di dam-break è stata conseguita mediante il software BreZo (Begnudelli & Sanders, 2006) Parametri variati: a) Altezza, larghezza e profondità della diga b) Pendenza e scabrezza del territorio a valle dello sbarramento c) Tipologia di collasso: parziale o totale. Per il parziale la larghezza della breccia è pari a 4 volte tale valore (analsi statistica di dati reali, Wahl 1988) d) Larghezza canale di valle

27 LAB NUMERICI DEM Casi ideali

28 LAB NUMERICI Una serie di onde negative risale verso monte e, contemporaneamente, una serie di onde positive scende a valle. L indipendenza della propagazione dei due treni d onda è subordinata all ipotesi teorica di un invaso di estensione INFINITA. y/y0 q/qbreccia q/qbreccia L intensità della piena ha andamento monotono negativo Parametri: - y 0, b breccia - n, if

29 Invaso di estensione infinita LAB NUMERICI Parametri Fondamentali

30 Invaso di estensione infinita q q max breccia x f = f 2 yo, n i LAB NUMERICI q max /q breccia i f 2 n x/y o q max q = α breccia y o β x + γ α = i f n i β = β log 1 n γ = α + 1 f β 2 β1 β 2 = = y o

31 LAB NUMERICI Ipotesi realistica di un invaso di estensione FINITA q/q breccia La prima onda negativa raggiunge la parete di monte del serbatoio (al tempo t l /2) e viene riflessa verso valle t l /2 t l Al tempo t l essa raggiunge nuovamente la sezione dello sbarramento Si origina un onda di perturbazione che si propaga verso valle influenzando la serie di onde positive

32 LAB NUMERICI Casi ideali

33 Invaso di estensione finita LAB NUMERICI q q max breccia x l f = f 2, n i q max /q breccia i f 2 n x/l q q max breccia = λ x l δ λ = log n δ = 1 i f

34 Equazioni sintetiche: Stima del valore del parametro di vulnerabilità in ogni punto a valle dello sbarramento A A B q max /b 9 7 DISTRUZIONE TOTALE B 5 DANNO MAGGIORE DANNO MINORE A B C x Grado di danno atteso

35 Livello di ESPOSIZIONE A A B B E3=1 E1 : aree disabitate o improduttive; E2 : case sparse, infrastrutture viarie minori, zone agricole o a verde pubblico; E3 : nuclei abitati; insediamenti industriali, artigianali, commerciali, turistici; infrastrutture viarie.

36 Livello di ESPOSIZIONE A AREA URBANA A B DANNO MINORE: V=0.3 B E3=1 R = P * ( V * E) = P * (0.3 * 1) = P * 0.3

37 BAROLO RIO BERGERA ESEMPIO APPLICATIVO NOVELLO

38 BAROLO RIO BERGERA ESEMPIO APPLICATIVO NOVELLO

39 BAROLO RIO BERGERA ESEMPIO APPLICATIVO NOVELLO

40 Case Sparse: E = 0.8 B B A A P = 0.96 V = 0.70 BAROLO C R = P*V*E=0.53 C ESEMPIO APPLICATIVO NOVELLO

41 ESEMPIO APPLICATIVO Lago della Spina BAROLO

42 Da 0.98 senza scarico BAROLO a 0.66 dopo gli interventi ESEMPIO APPLICATIVO Lago della Spina

43 Centro Abitato: E = 1 A A Statale: E = 1 P = 0.66 BAROLO V = 1 R = P*V*E=0.66 ESEMPIO APPLICATIVO Lago della Spina

44 Davide Poggi Filippo Miotto Stefania Grimaldi GRAZIE PER L ATTENZIONE Ringraziamenti Maurizio Rosso Eliana Perucca Michela Pozzallo Andrea Cagninei Daniele Pesce