STUDIO DEGLI EFFETTI SULL IDRODINAMICA E SULLA DINAMICA DEL TRASPORTO SOLIDO DI OPERE DI LAMINAZIONE: MODELLAZIONE NUMERICA E FISICA

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Maria Catalano
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1 Università di Genova STUDIO DEGLI EFFETTI SULL IDRODINAMICA E SULLA DINAMICA DEL TRASPORTO SOLIDO DI OPERE DI LAMINAZIONE: MODELLAZIONE NUMERICA E FISICA Relatore Prof. Ing. M. Colombini

2 CONVENZIONI AdB-UNIGE 1) Studio dell evoluzione morfodinamica di un tratto del Fiume Vara e analisi dell efficacia e dell impatto ambientale di alcuni interventi sistematori Ottobre 1999 Luglio ) Studio degli effetti sull idrodinamica e sulla dinamica del trasporto solido di opere di laminazione da realizzarsi nel bacino montano del fiume Vara Gennaio 2003 Ottobre ) Approfondimenti sullo studio degli effetti. Ottobre 2005 Aprile 2006

effetti sull idrodinamica e sulla dinamica del trasporto solido di opere di laminazione da realizzarsi nel

3 GRUPPO DI LAVORO DIAM Prof. Giovanni Seminara Prof. Marco Colombini Ing. Alessandro Stocchino Ing. Annunziato Siviglia Ing. Giampiero Nobile Ing. Michele Bolla Pittaluga Ing. Bianca Federici Ing. Andrea Cesio

Annunziato Siviglia Ing. Giampiero Nobile Ing.

4 CONVENZIONI AdB-UNIGE 1) Studio dell evoluzione morfodinamica di un tratto del Fiume Vara e analisi dell efficacia e dell impatto ambientale di alcuni interventi sistematori Ottobre 1999 Luglio ) Studio degli effetti sull idrodinamica e sulla dinamica del trasporto solido di opere di laminazione da realizzarsi nel bacino montano del fiume Vara Gennaio 2003 Ottobre ) Approfondimenti sullo studio degli effetti Ottobre 2005 Aprile 2006

5 AREA DI STUDIO

6 LE OPERE DI LAMINAZIONE: TIPOLOGIA E FUNZIONAMENTO METODOLOGIE DI STUDIO EFFETTI SULL IDRODINAMICA EFFETTI SULLA DINAMICA DEL TRASPORTO SOLIDO: ANALISI A SCALA DI EVENTO EFFETTI SULLA DINAMICA DEL TRASPORTO SOLIDO: ANALISI A LUNGO TERMINE CONCLUSIONI

TRASPORTO SOLIDO: ANALISI A SCALA DI EVENTO EFFETTI SULLA

7 LE OPERE DI LAMINAZIONE: TIPOLOGIA E FUNZIONAMENTO METODOLOGIE DI STUDIO EFFETTI SULL IDRODINAMICA EFFETTI SULLA DINAMICA DEL TRASPORTO SOLIDO: ANALISI A SCALA DI EVENTO EFFETTI SULLA DINAMICA DEL TRASPORTO SOLIDO: ANALISI A LUNGO TERMINE CONCLUSIONI

8 TIPOLOGIE DI CASSE Opera di sbarramento (cassa in linea e mista) Argine longitudinale (cassa mista)

9 OPERA DI SBARRAMENTO SCALA 1:62.5 L H b d al vero (m) sul modello (cm)

10 FUNZIONAMENTO IDRAULICO Cassa in linea Cassa mista

11 LE OPERE DI LAMINAZIONE: TIPOLOGIA E FUNZIONAMENTO METODOLOGIE DI STUDIO EFFETTI SULL IDRODINAMICA EFFETTI SULLA DINAMICA DEL TRASPORTO SOLIDO: ANALISI A SCALA DI EVENTO EFFETTI SULLA DINAMICA DEL TRASPORTO SOLIDO: ANALISI A LUNGO TERMINE CONCLUSIONI

12 METODOLOGIE DI STUDIO 1) Modellazione fisica dell idrodinamica e della morfodinamica della Cassa VARA1 2) Modellazione numerica dell idrodinamica delle Casse VARA1 e VARA2 e della morfodinamica per la cassa VARA1

2) Modellazione numerica dell idrodinamica delle

13 METODOLOGIE DI STUDIO 1) Modellazione fisica dell idrodinamica e della morfodinamica della Cassa VARA1 2) Modellazione numerica dell idrodinamica delle Casse VARA1 e VARA2 e della morfodinamica per la cassa VARA1

14 MODELLAZIONE FISICA Similitudine di Froude Scala 1:62.5 Prove a fondo fisso e mobile OTTOBRE 2003 Riproduzione in scala dell idrodinamica e del trasporto solido al fondo

15 MODELLAZIONE FISICA

16 MODELLAZIONE FISICA

17 MODELLAZIONE FISICA

18 MODELLAZIONE FISICA

19 MODELLAZIONE FISICA 9 Dicembre 2003

20 METODOLOGIE DI STUDIO 1) Modellazione fisica dell idrodinamica e della morfodinamica della Cassa VARA1 2) Modellazione numerica dell idrodinamica delle Casse VARA1 e VARA2 e della morfodinamica per la cassa VARA1

21 MODELLAZIONE NUMERICA Modello 1D a fondo fisso e mobile: Variazioni spaziali e temporali delle caratteristiche idrodinamiche molto graduali INCOGNITE Q = portata liquida Ω = area della sezione liquida η = quota minima della fondo

22 ( ) ( ) η η σ η η η σ η d x x h I d x h I t x Y t x Y = = ), ( 0 2 ), ( 0 1 ), ( ), ( Continuità della fase liquida Equazione del moto q l x Q t = + Ω ( ) j i g gi gi Q x t Q f + = + + Ω Ω β s s q x Q t = + η Continuità della fase solida ( ) 2 3/2 2 ) ( = b dy Y y C g Q j Modello di Engelund per valutare le perdite di carico distribuite MODELLAZIONE NUMERICA

23 LE OPERE DI LAMINAZIONE: TIPOLOGIA E FUNZIONAMENTO METODOLOGIE DI STUDIO EFFETTI SULL IDRODINAMICA EFFETTI SULLA DINAMICA DEL TRASPORTO SOLIDO: ANALISI A SCALA DI EVENTO EFFETTI SULLA DINAMICA DEL TRASPORTO SOLIDO: ANALISI A LUNGO TERMINE CONCLUSIONI

24 SCALA DI DEFLUSSO DELL OPERA

25 LAMINAZIONE DI UNA PIENA Cassa in linea Tr = 30 anni

26 LAMINAZIONE DI UNA PIENA Cassa mista Tr = 30 anni

27 EFFICIENZA DI LAMINAZIONE

28 EFFICIENZA DI LAMINAZIONE L efficienza è massima per la portata di progetto e diminuisce per portate sia inferiori sia superiori La cassa in linea produce efficienze superiori per portate inferiori alla portata di progetto Le efficienze sono confrontabili per portate eguali o superiori alla portata di progetto

29 EFFICIENZA DI LAMINAZIONE Nel caso di cassa mista (invaso statico) le prove numeriche mostrano un buon accordo con le misure sperimentali Nel caso di cassa in linea (invaso dinamico) il confronto è buono per portate inferiori alla portata di progetto mentre l efficienza è sottostimata dal modello numerico per portate superiori: forte bidimensionalità del moto

30 EFFICIENZA DI LAMINAZIONE 1 ε ( QIN ) Rappresenta la risposta idrodinamica della cassa ad un dato evento di piena (min 80% Q MAX IN ) Q 50 Rappresenta l intervallo di portate per cui l efficienza di laminazione è superiore al 50% dell efficienza massima (ca 30% Q MAX IN )

31 SISTEMA DI CASSE IN SERIE Q=420 m 3 /s Q=360 m 3 /s Q=310 m 3 /s VARA1 ε MAX =0.14 VARA2 ε MAX =0.14 ε ( 1 2 = ε1 + ε 2 1 ε1) = 0.26

32 LE OPERE DI LAMINAZIONE: TIPOLOGIA E FUNZIONAMENTO METODOLOGIE DI STUDIO EFFETTI SULL IDRODINAMICA EFFETTI SULLA DINAMICA DEL TRASPORTO SOLIDO: ANALISI A SCALA DI EVENTO EFFETTI SULLA DINAMICA DEL TRASPORTO SOLIDO: ANALISI A LUNGO TERMINE CONCLUSIONI

33 ANALISI MORFODINAMICA L effetto di laminazione è ottenuto attraverso un forte innalzamento della superficie libera necessario per ottenere volumi di invaso consistenti con piccole aree a disposizione: la profondità passa dai 2-3 metri (alveo torrentizio) ai 10 m in corrispondenza dell opera di sbarramento

34 ANALISI MORFODINAMICA Il rallentamento della corrente che produce la laminazione induce la formazione di aree di deposito nella cassa: la capacità di trasporto della corrente in corrispondenza dello sbarramento è, inizialmente, quasi nulla.

35 ANALISI A SCALA DI EVENTO Si propone di valutare: l effetto del trasporto solido sull efficienza idrodinamica della cassa L entità dei depositi e la loro distribuzione planimetrica V = V IN V V IN OUT È la percentuale del complessivo volume entrante durante un singolo evento di piena che viene depositato all interno della cassa 1 V Rappresenta la risposta morfodinamica della cassa ad un singolo evento di piena

36 ANALISI A SCALA DI EVENTO Cassa mista 1 evento T=30 anni Modello fisico V=100% Cassa mista 1 evento T=30 anni Modello numerico V=100%

37 ANALISI A SCALA DI EVENTO Fondo medio: Media sulla sezione dell entità del deposito/erosione Cassa mista 1 evento T=30 anni Cassa mista 2 eventi T=30 anni

38 ANALISI A SCALA DI EVENTO Le efficienze di laminazione risultano poco alterate dall effetto del deposito (diminuito volume disponibile all invaso)

39 LE OPERE DI LAMINAZIONE: TIPOLOGIA E FUNZIONAMENTO METODOLOGIE DI STUDIO EFFETTI SULL IDRODINAMICA EFFETTI SULLA DINAMICA DEL TRASPORTO SOLIDO: ANALISI A SCALA DI EVENTO EFFETTI SULLA DINAMICA DEL TRASPORTO SOLIDO: ANALISI A LUNGO TERMINE CONCLUSIONI

40 ANALISI A LUNGO TERMINE Cassa mista: T = 30 anni

41 ANALISI A LUNGO TERMINE Cassa in linea 5 eventi T = 30 anni V=100% Cassa mista 5 eventi T = 30 anni V=48%

42 ANALISI A LUNGO TERMINE Percentuali volumi depositati durante successioni di eventi

43 ANALISI A LUNGO TERMINE Prova stazionaria con portata T=5 anni costante (ca 50 h al vero)

44 ANALISI A LUNGO TERMINE 1 evento T=30 anni + 6 eventi T=5 anni

45 LE OPERE DI LAMINAZIONE: TIPOLOGIA E FUNZIONAMENTO METODOLOGIE DI STUDIO EFFETTI SULL IDRODINAMICA EFFETTI SULLA DINAMICA DEL TRASPORTO SOLIDO: ANALISI A SCALA DI EVENTO EFFETTI SULLA DINAMICA DEL TRASPORTO SOLIDO: ANALISI A LUNGO TERMINE CONCLUSIONI

46 CONCLUSIONI Lo studio effettuato ha condotto ad un approfondita comprensione dei fenomeni idraulici e morfodinamici che si realizzano all interno di un opera di laminazione. I risultati ottenuti sono estendibili a opere di analoga tipologia Si sono individuati gli strumenti modellistici più adeguati per le diverse fasi di pianificazione e progettazione di opere di laminazione Le opere di laminazione alterano il naturale equilibrio del sistema fluviale in particolare per quanto riguarda il trasporto solido, sempre più frequentemente considerato come un importante indicatore della naturalità e della qualità ambientale di un corso d acqua Il sistema fluviale tende ad adattarsi alle nuove condizioni imposte dalla presenza dell opera ma la corretta progettazione, il monitoraggio e la manutenzione di queste opere rivestono particolare importanza per la pianificazione di questi interventi

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