L insufficienza idraulica di una sezione di un corso d acqua, per portate di piena infrequenti, è causa di esondazione.

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1 Parte quinta Rischio idraulico e difesa dalle inondazioni L insufficienza idraulica di una sezione di un corso d acqua, per portate di piena infrequenti, è causa di esondazione. Si seguito sono riportate le misure dirette di portata registrate nelle tre stazioni distribuite lungo il fiume Aterno, site in località: Tre Ponti, L Aquila e Molina. Le caratteristiche di ciascuna stazione sono riportate nella seguente Figura 1 e, per ciascuna di essa, sono stati estratti i dati relativi alle portate al colmo massime annuali registrate a partire dal Dicembre 195 fino al Gennaio 1991 e riportate nella Tabella. Figura 1. Bacino idrometrico di L Aquila 41

2 Nella successiva Tabella I sono riassunti, per ogni stazione, il valore massimo, minimo e medio di portata nonché lo scarto quadratico medio del campione. Tabella I Come era prevedibile le portate crescono dalla sezione di Tre Ponti, con un area di bacino sotteso di 114 km, alla sezione di L Aquila, area del bacino di 531 km, mentre nella stazione di Molina, pur con un bacino di km, qualsiasi valore di portata è inferiore a quella registrate, nello stesso periodo, a L Aquila. La ragione è da ricercare nell effetto di laminazione prodotto dall esondazione del Fiume Aterno nel Comune di Fossa (Figura ). Figura. La piana di Fossa Evento di piena del 15 dicembre 003 4

3 1. Quadro normativo: dalla Pericolosità alla valutazione del Rischio Ovviamente questo fenomeno naturale di espansione oltre i limiti dell alveo è possibile fintanto che non si arrechino danni alle cose ma, soprattutto, non si pregiudichi l incolumità delle persone. Con la progressiva urbanizzazione di vaste aree prospicienti i corsi d acqua sono iniziati i problemi di interferenza tra le acque esondate ed i correlati danni arrecati alle strutture. A seguito delle alluvioni del novembre 1966 lo Stato promuove la programmazione delle opere idrauliche e forestali per la sistemazione dei corsi d'acqua, dalle pendici montane fino alla aree costiere ed alle relative foci, attraverso la realizzazione dei Piano di bacino. Però solo nel 1977 con il D.P.R. n. 616 inizia un lungo percorso legislativo, peraltro non ancora concluso, che si concretizza nella legge 18 maggio 1989, n.183 Norme per il riassetto organizzativo e funzionale per la difesa del suolo che identifica nel Piano di Bacio Idrografico (PBI) lo strumento conoscitivo, normativo e tecnicooperativo mediante il quale sono pianificate e programmate le azioni e le norme d uso, finalizzate alla conservazione, alla difesa e alla valorizzazione del suolo e alla corretta utilizzazione delle acque, sulla base delle caratteristiche fisiche ed ambientali del territorio interessato. Viene istituita l Autorità di Bacino quale ente competente in grado di razionalizzare la frammentarietà delle competenze degli Enti esistenti ed assicurare il coordinamento di tutte le azioni sul territorio. Nel 1998 a seguito degli eventi che colpirono la Campania, ed in particolare Sarno, fu emanata la Legge n. 67/1998 recante misure urgenti per la prevenzione del rischio idrogeologico; tra questi fu disposto l'adozione, da parte delle Autorità di Bacino di rilievo nazionale e interregionali e delle Regioni, dei Piani Stralcio di Bacino per l'assetto Idrogeologico (PAI). Con il successivo D.P.C.M. del 9 settembre 1998 Atto di indirizzo e coordinamento per l individuazione dei criteri relativi agli adempimenti di cui all art. 1, commi 1 e, del decreto legge 11 giugno 1998 n.180 sono stati indicati i criteri ed i metodi per l'individuazione del rischio dipendente dai fenomeni di carattere idrogeologico ripartendo la pericolosità idraulica P in tre livelli correlati a vari tempi di ritorno Tr: 0 50 anni alluvioni frequenti elevata probabilità di accadimento (P3) anni alluvioni poco frequenti media probabilità di accadimento (P) anni alluvioni rare estrema intensità bassa probabilità di accadimento (P1) Nota. Nel PSDA della Regione Abruzzo la distribuzione della pericolosità idraulica è zonizzata in 4 classi in funzione del limite di inondazione per i tempi di ritorno di 50, 100 e 00 anni (Figura 3); le classi di pericolosità molto elevata e elevata sono definite tenendo conto anche dei valori assunti dalle altezze idriche e dalle velocità di corrente. Figura 3. Pericolosità idraulica lungo il corso del fiume Aterno a L Aquila Lo stesso decreto classifica il rischio idraulico secondo le seguenti categorie: 43

4 R1: rischio moderato: danni sociali, economici e al patrimonio ambientale di tipo marginale; R: rischio medio possibili danni minori agli edifici, alle infrastrutture e al patrimonio ambientale, che non pregiudicano l incolumità delle persone, l agibilità degli edifici e la funzionalità delle attività economiche; R3: rischio elevato possibili problemi per l incolumità delle persone, danni funzionali agli edifici e alle infrastrutture con conseguente inagibilità degli stessi, interruzione delle attività socio-economiche e danni rilevanti al patrimonio ambientale; R4: rischio molto elevato con possibile perdita di vite umane e lesioni gravi alle persone, danni gravi agli edifici, alle infrastrutture e al patrimonio ambientale, distruzione delle attività socio-economiche. Il rischio idraulico può essere definito in maniera qualitativa come R=D P [1] P è la pericolosità idraulica D è il danno potenziale arrecato analogamente si può classificare il danno potenziale in quattro classi: D1: moderato o nullo aree libere dove risulta possibile il libero deflusso delle piene. D: medio aree con limitati effetti sulle persone e sul tessuto socio-economico; D3 : elevato aree con problemi per l incolumità delle persone e per la funzionalità del sistema economico; D4 : molto elevato aree in cui si può verificare la perdita di vite umane, ingenti danni ai beni economici, naturali, storici e culturali di rilevante interesse, gravi disastri ecologico-ambientali; La classificazione del danno è in funzione del grado di urbanizzazione, dalla maggiore o minore concentrazione dei beni esposti ad elevato valore sociale ed economico. Pertanto il danno può essere esplicitato dal prodotto tra gli elementi esposti al rischio E e la loro vulnerabilità V, cioè l attitudine ad essere danneggiato dagli effetti conseguenti l onda alluvionale: si esprime con un valore che va dal danno nullo, V=0 al danno massimo, V=1. R=D P= E V P [] In sintesi per un evento, a parità di tempo di ritorno, probabilità ed intensità, un area più vulnerabile è soggetta ad un danno maggiore. N.B. la pericolosità è spesso confusa con il rischio. Un area può essere molto pericolosa per le alluvioni ma con un rischio basso poiché nell area non ci sono elementi esposti che possono essere danneggiati dall alluvione. Secondo gli Indirizzi operativi per l attuazione della Direttiva 007/60/CE relativa alla valutazione e alla gestione dei rischi da alluvioni con riferimento alla predisposizione delle mappe della pericolosità e del rischio di alluvioni redatti nel Gennaio 013 dal Ministero dell Ambiente, della Tutela del Territorio e del Mare in collaborazione con ISPRA e le Autorità di Bacino di rilievo nazionale e i Distretti idrografici può essere redatta la Carta degli insediamenti o Carta degli elementi esposti a rischio alluvione, nella quale gli elementi esposti possono essere raggruppati in sei macrocategorie: 44

5 1. Zone urbanizzate (agglomerati urbani, nuclei abitati con edificazione diffusa e sparsa, zone di espansione, aree commerciali e produttive) con indicazione sul numero di abitanti potenzialmente interessati da possibili eventi alluvionali. Strutture Strategiche (ospedali, scuole, caserme) 3. Infrastrutture strategiche e principali (linee elettriche, metanodotti, oleodotti, gasdotti e acquedotti, vie di comunicazione di rilevanza strategica sia carrabili che ferrate, porti e aeroporti, invasi idroelettrici, grandi dighe) 4. Beni ambientali, storici e culturali di rilevante interesse (aree naturali, aree boscate, aree protette e vincolate, aree di vincolo paesaggistico, aree di interesse storico e culturale, zone archeologiche 5. Distribuzione e tipologia delle attività economiche insistenti sull area potenzialmente interessata 6. Zone interessate da insediamenti produttivi o impianti tecnologici, potenzialmente pericolosi dal punto di vista ambientale Definite le varie classi di danno, i conseguenti livelli di Rischio R1, R, R3 ed R4 verranno stabiliti, attraverso una valutazione matricale e successivamente è redatta la carta delle aree a rischio. Figura 4. Carta delle aree a rischio PSDA Fiume Aterno a L'Aquila Direttiva 007/60 e D.Lgs. 49/010 45

6 . Problemi di incompatibilità tra le portate stimate e quelle ammissibili dalle sezioni dell alveo Il problema può essere risolto con una difesa attiva tendente ad una riduzione della portata attesa. Le proposte di difesa attiva tendono alla riduzione delle portate del corso d acqua agendo sui fattori che producono il deflusso. Pertanto gli interventi di riqualificazione ambientale, ricadono in generale su opere, diffuse sul territorio, tendenti alla riduzione di fenomeni di dissesto e di erosione con conseguente ottimizzazione della regimazione e del drenaggio delle acque superficiali. Alla derivante riduzione di velocità della corrente nella parte montano-collinare del bacino si correla un aumento del tempo di corrivazione. Quando tutto ciò non è possibile il problema trova soluzioni tra i cosiddetti interventi passivi, che non incidono sulla formazione dell onda di piena ma tendono a contenerne gli effetti attraverso interventi strutturali per: riduzione e regolazione delle portate attraverso il processo di laminazione delle portate di piena; lo stoccaggio di acque in surplus in vasche di espansione; scindere le portata mediante scolmatore ; incrementare la sezione utile con la realizzazione o l innalzamento degli argini; migliorare le caratteristiche idrauliche del corso d acqua (geometria della sezione, pendenza e scabrezza) in modo tale da aumentare la portata ammissibile. 1. Riduzione e regolazione delle portate attraverso il processo di laminazione Nel precedente Capitolo è stata definita la laminazione come attenuazione di un onda di piena per l effetto dell inserzione di un serbatoio lungo un corso d acqua. Vengono così a ridursi le portate di piena ed accrescersi quelle di morbida in virtù del fatto che la variazione di portata Q e dell emissario è legata alla possibilità di immagazzinamento temporaneo di un volume d acqua, funzione del massimo ammissibile sopralzo h della superficie libera dell invaso. Quando i volumi di laminazione non richiedono la realizzazione di un serbatoio possono essere utilizzate, nella parte bassa del reticolo idrografico, aree che, opportunamente sistemate ed arginate, possano consentire l invaso provvisorio di volumi d acqua. Per contenere le altezze massime degli argini di conterminazione ne consegue un altezza utilizzabile di qualche metro ed una superficie da riservare all invaso assai estesa (Figura 5). Figura 5. Vasca di espansione Isola dei Rena sul F.Arno - Firenze Signa Queste opere di mitigazione del rischio idraulico, costituite dalle Vasche o Casse d espansione, devono essere compatibili con i vincoli imposti dal territorio e dalle infrastrutture presenti in termini di aree disponibili. Qualora tali zone non siano già di pertinenza idraulica del fiume, deve essere pre- 46

7 vista una forma di tutela assoluta con un regime vincolistico. In genere le aree soggette ad alto rischio di allagamento non sono compatibili con attività insediative permanenti. Figura 6. Cassa di espansione di Alfonsine Ravenna 1.1. Criteri generali per la scelta delle aree e progettazione delle opere Preliminarmente vanno raccolte tutte le informazioni storiche relative all area da utilizzare e quella ad essa afferente ed indicazioni riguardo il tempo di ritorno di progetto dell opera. Tali informazioni sono ricavabili dai Piani Stralcio sul rischio idraulico ed idrogeologico (Autorità di Bacino nell ambito territoriale di competenza). Successivamente dovranno essere condotte indagini specifiche riguardanti: il bacino e l asta fluviale a monte della cassa devono essere acquisiti tutti gli elementi necessari per una dettagliata conoscenza della geologia, morfometria ed uso del suolo del bacino afferente, la geometria dell asta fluviale, i dati pluriennali sul regime pluviometrico e, se disponibili, le contemporanee registrazioni di eventi idrometrici, utili per la definizione della Portata di Piena Q p che il reticolo a monte della cassa è in grado di smaltire. Particolare attenzione va posta poi al problema del trasporto solido per la stima dell interrimento nel tempo della cassa e le variazioni che essa induce su tale fenomeno. l asta fluviale di valle e l area da destinare a vasca o cassa d espansione Come più volte rimarcato l insufficienza della sezione idraulica di un corso d acqua è causa di esondazione. Stabilito un tempo di ritorno Tr a questo si correla il massimo valore della portata di piena Q p. Qualora venisse individuato un tratto critico per il deflusso di questa portata occorrerà stimare la Portata Q c compatibile con la capacità di portata dell alveo per un deflusso senza esondazione e con un adeguato franco e ricercare un area che consenta di accumulare i volumi eccedenti. La ricerca di questa area con la condizione di limitare l altezza nella cassa contro un sensibile volume da invasare comporta, come detto, di dovere disporre d una superficie estesa, non sempre disponibile e, pertanto, è possibile frazionare il volume totale in più casse disposte sia in serie che in parallelo. In questo modo è altresì possibile gestire le piene in rapporto ai volumi da controllare in ciascun evento. Rilievi topografici e sopralluoghi consentiranno di definire la tipologia della cassa, l ubicazione delle opere di presa e di scarico e la realizzazione delle arginature perimetrali. Per queste opere, come verrà specificato in seguito, sarà estremamente importante verificare il moto di filtrazione attraverso sia il corpo che le fondazioni al fine di valutare la necessità di eventuali diaframmi. 47

8 Le tipologie ricorrenti sono, generalmente: casse di espansione di difesa locale: per la messa in sicurezza di un abitato ubicato a valle ; casse di espansione di servizio: hanno la funzione di contribuire con le altre casse al raggiungimento dei volumi di laminazione necessari; casse di espansione tampone: sono aree di laminazione, generalmente in derivazione, con il compito di evitare esondazioni nei centri abitati posti lungo i corsi d acqua rigurgitati a causa delle piene che si verificano nel corpo idrico in cui gli stessi confluiscono. In questo caso la cassa viene ubicata a valle del centro abitato, in prossimità della confluenza. 1..Dimensionamento della cassa e dei manufatti di regolazione Le casse o vasche di espansione sono aree di accumulo temporaneo dei volumi idrici V necessari per ridurre la portata di piena Q p al valore Q c, valore della portata compatibile a valle. Questo concetto, schematizzato nella Figura 3, è espresso dall equazione di continuità : Qp t dv Qc t [1] dt Figura 7. Idrogrammi di piena a monte e valle della cassa L area tratteggiata, compresa tra le due curve rappresenta il volume massimo necessario per ridurre il valore della Q p al valore Q c. t t V t Q t dt Q dt t 0 p o c [] I fattori che influiscono su questo fenomeno, variabile nel tempo t, sono la massima capacità V realizzabile, ed i manufatti di alimentazione e di scarico che, con le loro caratteristiche geometriche ed idrauliche, influenzano direttamente l evoluzione delle portate sfiorate: Q sf = Q p- Q c La conoscenza dei volumi di invaso deriva dalla scelta della zona allagabile e di questa la variabilità delle aree con la quota e, successivamente, il volume dinamico della cassa (Figura 8). 48 Figura 8. Diagramma aree - volumi di invaso

9 I processi idraulici che si svolgono nella cassa d espansione sono descritti dalle stesse equazioni che governano quelli dei serbatoi: con luci a stramazzo (sfioratori) e luci a battente (scarichi). Da un punto di vista costruttivo le casse possono essere realizzate in linea e/o in derivazione. Il funzionamento idraulico della cassa, indipendentemente dalla tipologia, è regolato dall equazione di continuità : dv Q p t Q c t [3] dt La soluzione numerica dell equazione differenziale [a] si sviluppa alle differenze finite secondo la forma: Qpt t Qpt Qct t Qct Vh(t t) V(ht ) [4] t a. Casse di espansione in linea Sfruttano, per la laminazione, il volume ottenuto dal rigurgito provocato da una struttura fissa attraverso luci a battente (Figura 9), le quali controllano la portata effluente in funzione del livello nella cassa, determinando in tal modo il funzionamento idraulico dell opera. In questo tipo di cassa si rinuncia, generalmente, a manufatti regolati da paratoie. In questo modo si consegue un funzionamento semplice ed affidabile poiché il processo di riempimento ed il successivo svuotamento della cassa è autonomo. Figura 9. Vasca di espansione in linea La sezione di controllo generalmente è a sezione rettangolare inserita nel corpo dell opera di regolazione, normalmente realizzata con una briglia (Figura 10), posta direttamente sul corso d acqua La sezione viene dimensionata in modo da consentire il deflusso della portata di piena ordinaria che, generalmente, impegna l alveo di modellazione, o di bankfull (a ripe piene) senza impegnare la vasca e viene raccordata con le sezioni correnti dell alveo sia a monte che a valle. Figura 10. Manufatto di controllo A seconda della geometria delle sezioni e delle loro dimensioni si possono avere raccordi convergenti quando la sezione dell alveo è sensibilmente maggiore della sezione di controllo (Figura 11), 49

10 ovvero il contrario (Figura 1) Nel primo caso viene consigliato 1 un tronco di raccordo con un angolo tra l asse dell alveo ed il tronco di transizione di 7,5, nel tratto convergente, e di,5 nel tratto divergente in modo da contenere le perdite di carico valutabili con la relazione di stima V Vm h ki [5] g V = velocità nella sezione ristretta V m = velocità nella sezione a monte K i = 0,0 perdita di imbocco (nel divergente si ha un coefficiente k d = 0,5). Figura 11. Tronco di transizione broken-back o a cuneo Figura 1. Tronco di transizione divergente Per queste configurazioni sono possibili tre diverse condizioni di efflusso delle portate al variare del tirante idrico h m : Condizione 1 Figura 13: h m < S = m il deflusso attraverso la bocca della briglia è a superficie libera e può essere rappresentato mediante la relazione di Strickler: Q /3 1/ k R i [m 3 /s] 1 Roberson, Cassidy e Chaudhry : Hydraulic Engineering John Wiley & Sons 50

11 Figura 13. Deflusso a superficie libera Condizione Figura 14 : h m > s ; h m < a efflusso sotto battente non rigurgitato La portata, nel caso di efflusso libero, si determina con la relazione : Q g h m h c [6] h c Figura 14. Deflusso con luce sotto battente non rigurgitato hm hm 0,6 s ; s 0, 615 e per s 0,66 0, Nell ipotesi di efflusso rigurgitato : Q g h m h v [7] Condizione 3 Figura 15 : h m > S + a efflusso sulla gaveta della briglia in aggiunta all efflusso sottobattente. Pertanto la portata effluente risulterà somma dei due contributi. Figura 15. Deflusso sulla gaveta della briglia Quando il tirante idrico h m raggiunge la quota di sfioro della briglia inizia lo sfioro attraverso la gaveta con una portata : Q L h g h Con = 0,385 coefficiente di efflusso per stramazzo in parete grossa L = lunghezza della gaveta h = tirante sulla soglia di sfioro rilevato a monte della briglia da cui Q h L /3 1 1,71 /3 Q 0,7 L Questa condizione si realizza solo per portate superiori alla portata di piena duecentenaria o per eventuali occlusioni e conseguenti riduzioni della luce della briglia ad opera di materiale di vario genere trasportato dalla corrente. Pertanto, è possibile considerare la soglia della briglia come uno sfioratore di sicurezza /3 51

12 Esempio 8. Cassa d espansione in linea Nella previsione di porre in sicurezza aree urbanizzate ricadenti in aree esondabili occorre prevedere la realizzazione di vasche di laminazione. Preliminarmente alla progettazione delle opere si considera già svolto lo studio idrologico relativo al bacino imbrifero del corso d acqua in oggetto e finalizzato alla determinazione della portata di piena, alla ricostruzione dell idrogramma di piena ed il relativo volume. Pertanto la sezione di chiusura del bacino, caratterizzata da un tempo di corrivazione t c = 3,5 ore, è investita, con un tempo di ritorno di 00 anni, da un onda di piena con picco massimo di 165 m 3 /s. Figura 1. Area di intervento In maniera speditiva, viene ricostruita l'onda di piena utilizzando le relazioni di stima di Gregorig. Operando a favore della sicurezza si considera la persistenza del valore della portata di picco (fase di stanca) k=1 ora : fase di crescita: 0 t t c t Q i t Qmax sen tc fase di stanca : t c t t c + k Q(t) = cost = Q max fase di esaurimento: t t c + k Qi t Nella successiva Figura è riprodotto l idrogramma di piena. t Qmax exp 1,386 1 tc k Figura. Idrogramma di piena Per la sezione corrente dell alveo, calcolata la scala di deflusso, vengono riportati i tiranti di moto uniforme determinati rispettivamente per la portata di bank full di 35 m 3 /s ed di colmo Q max = 165 m 3 /s. 5

13 Figura 3. Sezione corrente dell alveo e correlata scala di deflusso Centralizzando l alveo con la realizzazione di arginature, secondo la sezione di progetto riportata nella Figura 3, si determina una portata compatibile di Q = 80 m3/s con un tirante di,7 m (Tabella I Figura 4). Figura 4. Sezione di progetto Tabella I 53

14 Figura 5. Scala di deflusso della sezione di valle regolarizzata Q Ricordato che il rapporto di laminazione a,max Q e , 5 Q a,max 165 Wd We We We ovvero in termine di volumi 1 0, 5 da questo è possibile risalire al volume da realizzare con la cassa. W e 0, m 3 Wd Dall esame della cartografia del territorio e soprattutto da rilievi aerofotogrammetrici si rileva la possibilità di realizzare una cassa d espansione in linea (Figura 5). Così facendo si perviene alla costruzione della curva di invaso, funzione delle caratteristiche morfologiche dell area prescelta, che consente di correlare, in forma analitica, le quote di invaso con i corrispondenti volumi invasati (Figura 3). Risulta opportuno esprimere la curva di invaso in forma analitica attraverso una funzione di regressione. Figura 6. Cassa in linea Q i t è la portata entrante, rappresentata dall idrogramma di piena che, per le casse in linea, coincide con l idrogramma del corso d acqua indisturbato (Figura ); Il legamene funzionale tra livelli idrici h e correlati volumi V invasati nella cassa è espresso in forma analitica attraverso la funzione di regressione (Figura 5): h V 0,01 Q u è la portata uscente e dipende dalla geometria dell opera di regolazione che, in questo caso, è realizzata con una briglia dotata di una luce di fondo a sezione rettangolare, larga 7,0 m ad alta Vedi Capitolo IV pagina 1 54

15 ,5 m, raccordata con la sezione esistente dell alveo sia a monte che a valle con un tronco di transizione. Figura 7 Per le questa configurazione sono possibili tre distinte condizioni di deflusso della Q u (h) al variare del tirante idrico h m, funzione del tempo t, e pertanto incognito, che si stabilisce nella cassa in funzione dei volumi invasati. Condizione 1: fintanto che h m < s = m (fino alla quota 57 m s.m.) la portata Q defluisce liberamente attraverso la bocca della briglia e la Q u (h) (Figura 5) è espressa dalla funzione: Q k R / 3 i 1 / con i = 0,004, pendenza di fondo alveo nel tratto interessato dal manufatto di regolazione e k s = 35 (coefficiente di scabrezza di Strickler). h v è l altezza di moto uniforme che si stabilirà nell alveo a valle della briglia per effetto della portata; viene desunta utilizzando la scala di deflusso h (Q) di Figura 5. Figura 8. Scale di deflusso Q(h) e h (Q) Condizione 1 55

16 Condizione : successivamente per s < h m < a, da quota 57 a 575 m s.m., la portata valuta con la relazione: Q g h h Q u h si u m v con 0, 66 ; h v è l altezza di moto uniforme calcolata nella sezione dell alveo a valle della briglia; h rappresenta il valore di primo tentativo. Figura 9. Scala di defluisso Q (h) Condizione Condizione 3: infine per h m > s + a, dalla quota 575 a 576,50 m s.m., la portata effluente Q T è la somma dell efflusso sottobattente Q i e della portata sfiorata Q sf sulla gaveta della briglia: Q sf L h g h Con : = 0,385 coefficiente di deflusso per stramazzo in parete grossa L = lunghezza della gaveta ; h = tirante sulla soglia di sfioro rilevato a monte della briglia Figura 10. Q u (h) Condizione 3 56

17 Stabilito un intervallo di tempo t, la soluzione numerica alle differenze finite della dv Qi t Qu t può essere valutata utilizzando il seguente schema utilizzato per lo sviluppo dt della Tabella IV: Colonna 1 : intervallo di tempo in ore Colonna : dt - tempo trascorso, in secondi, tra due intervalli Colonna 3 : portata in ingresso rappresentata dall idrogramma di Figura costruito utilizzando le relazioni di stima di Gregorig Colonna 4 : Q a -Q e pari alla differenza tra il valore della colonna 3 il valore della colonna 8 della riga precedente Colonna 5 : variazione del volume invasato nella vasca V Colonna 6 : innalzamento del livello dh, nella sezione di sfioro, causato dalla variazione di livello V e h Colonna 7 : tirante idrico h i al termine dell intervallo di tempo t Colonna 8 : correlato valore della portata in uscita Q u (h) in funzione delle condizioni 1, e 3 Tabella IV 57

18 Nella seguente Figura 11, sovrapposta all idrogramma di piena, è riportata l onda di piena laminata per effetto dei volumi invasati nella cassa d espansione in linea; da questa si evince una portata Q u-max 80 m 3 /s. Figura 11. Onda di piena laminata b. Casse di espansione in derivazione La realizzazione di questa tipologia è possibile solo se il corso d acqua è arginato, in quanto la portata di laminazione dovrà essere sversata nella cassa per poi ritornare nell alveo a piena esaurita. Le opere di derivazione sono caratterizzate, generalmente, da uno sfioratore laterale dimensionato per la portata Q sf = Q p- Q c ed inserito nel corpo dell argine ed un manufatto di regolazione che determina il funzionamento della cassa (Figura 16). Figura 16. Casse di espansione in derivazione La casse in derivazione sfruttano porzioni di territorio che si sviluppano parallelamente all alveo, in generale aree di pertinenza fluviale. L attivazione della cassa avviene attraverso soglie tracimabili ricavate nel corpo dell argine fluviale e poste ad una quota alla quale corrisponde in alveo un valore di portata uguale o leggermente inferiore a quello che si desidera non venga superato. Con questa disposizione la cassa viene allagata soltanto quando nel corso di una piena la portata supera il valore di soglia prefissato. A volte la necessità di derivare, in condizioni di piena, parte della portata eccedente facilitandone la derivazione verso la cassa di espansione comporta, in aggiunta alle opere di derivazione, la realizzazione da opere fisse che possono essere realizzate sia con traverse (Figura 17) o soglie di fondo, in caso di elevato trasporto solido associato al deflusso della piena. (Figura 18), o con re- 58

19 stringimenti del corso d acqua realizzando delle sezioni di controllo delle massime portate da indirizzare verso valle (Figura 19). Figura 17. Complesso di opere di derivazione Figura 18. Soglia emergente con pareti inclinate Figura 19. Opera di sfioro regolata da valle (Comune di Prato- Genio Civile di Prato) Le casse in derivazione consentono di ottenere una più efficace laminazione dell idrogramma di piena (Figura 0). 59

20 Figura 0. Idrogrammi di piena a monte e valle di cassa d espansione in linea ed in derivazione Qualora la pendenza dell alveo risultasse sensibile, per ragioni costruttive, può essere conveniente suddividere la cassa in più settori ognuno fornito di soglia sfiorante e scarico di fondo (Figura 1). Figura 1. Cassa di espansione a settori sul T.Marinella (Comune di Prato Genio Civile di Prato) Tratta da L Acqua n.5/00 A fronte di una maggiore flessibilità delle casse di espansione a settori l efficienza di laminazione risulta inferiore rispetto a quella di una cassa unica. 3 c. Opera di restituzione Ha la funzione di svuotamento della cassa una volta transitato il picco di piena. Nella cassa in linea lo svuotamento è regolato direttamente dalla struttura fissa che con funzionamento attraverso luci a battente, le quali controllando la portata effluente ne determinato la vuotatura. Nella soluzione in derivazione, per consentire lo svuotamento della cassa, è prevista la realizzazione di uno o più tombini di scarico attrezzati con paratoia (Figura ). Lo svuotamento avverrà con deflusso sottobattente regolato dall equazione: Q = 0,65 coefficiente di efflusso h = carico idraulico. = area totale della luce sottobattente. g h 3 Le acque di piena sono generalmente caratterizzate da un notevole contenuto di materiale in sospensione che sedimenta, principalmente, nella prima cassa, modificandone la capacità. Questo comporta la necessità di periodici interventi di manutenzione e, pertanto, ciascuna cassa deve essere dotata di una rampa di discesa per l accesso dei mezzi da utilizzare per manutenzione o riparazione. 60

21 Durante lo svuotamento il carico idraulico h a monte della paratoia è variabile, di conseguenza è variabile anche la portata uscente dalla paratoia, la portata diminuisce con il tempo, fino ad azzerarsi per livello zero. Generalmente, in via semplificativa, per determinare il tempo di svuotamento dell invaso si fa riferimento al valore medio della portata defluente dalla paratoia, calcolata sull ipotesi di carico idraulico medio e con un grado di apertura pari al 50%. Figura. Tombino di scarico Esempio 9. Cassa d espansione in derivazione Con ovvie semplificazioni si ipotizza un diverso caso di studio ipotizzando l utilizzo di una cassa d espansione in derivazione. Questa è strutturata con una serie di manufatti ed opere necessarie per consentire il riempimento e lo svuotamento della cassa (Figura 1): Figura 1. Cassa di espansione in derivazione 1. Opera di regolazione: assolve alla necessità di garantire, in condizioni di piena, il contenimento della portata effluente al massimo valore compatibile Q u. Nel tratto di alveo interessato, opportunamente regolarizzato e provvisto di argini, dovrà essere verificato il regime idraulico della corrente al fine di garantire il funzionamento dello stramazzo che si sviluppa parallelamente alla direzione della corrente. Pertanto la legge di regolazione è rappresentata dalla scala di deflusso della sezione regolarizzata (Figura b): 61