COMUNE DI EMPOLI RELAZIONE DI VERIFICA/COMPATIBILITÀ IDRAULICA DI NUM. 2 ATTRAVERSAMENTI IN LOC. PRUNECCHIO, NEL COMUNE DI EMPOLI (FI)

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1 COMUNE DI EMPOLI PROVINCIA DI FIRENZE STUDIO DI INGEGNERIA CIVILE MATTEO INGEGNERE CAROTI tel: mail: matteo.caroti@gmail.com via Cavour, Calcinaia (PI) - P.IVA : RELAZIONE DI VERIFICA/COMPATIBILITÀ IDRAULICA DI NUM. 2 ATTRAVERSAMENTI IN LOC. PRUNECCHIO, NEL COMUNE COMMITENTE: COMUNE DI EMPOLI OGGETTO: Verifica idrologico idraulica Giugno 2015 IL TECNICO Ing. Matteo CAROTI R Emi Redatto/Verificato Note

2 1. PREMESSA CARATTERISTICHE FISICHE E MORFOLOGICHE DEI BACINI STUDIATI FOSSO OVEST FOSSO EST CALCOLO PERMEABILITÀ DELL AREA METODO CN STUDIO DELLE PIOGGE TRASFORMAZIONI AFFLUSSI DEFLUSSI MODELLO HEC HMS E SCS DETERMINAZIONE DELLE PORTATE DI PROGETTO VERIFICA IDRAULICA CONCLUSIONI ALLEGATI /19

3 1. Premessa Su incarico del Comune di Empoli, è stato richiesto di dimensionare gli attraversamenti sui fossi che la strada oggetto del progetto intercetta nel suo sviluppo. Tali corsi d acqua sono evidenziati nel reticolo di cui alla L.R. 79/2012, aggiornato con D.C.R.T. 9/ Il dimensionamento di ciascuno dei due attraversamenti è stato eseguito in maniera indipendente l uno dall altro, verificando che ognuno fosse in grado di far transitare una determinata portata di progetto, relativa al proprio bacino imbrifero sotteso, seguendo la procedura riportata di seguito. Per ognuno dei due attraversamenti, si è proceduto stimando con un modello idrologico una determinata portata di progetto nel modo come segue. Con l ausilio della Cartografia Tecnica Regionale, del rilievo fornito dalla committenza e mediante sopralluoghi sul posto, sono stati individuati i bacini imbriferi, sottesi dall attraversamento in progetto, ricavando l estensione totale e l altezza ipsografica di bacino. Le perdite di bacino sono state quantificate con il metodo CN. Lo studio delle piogge è stato eseguito utilizzando le linee segnalatrici di possibilità pluviometrica fornite dal S.I.R. della Regione Toscana per le vicine stazioni pluviografiche di Empoli e di Turbone. Sono stati considerati eventi con tempo di ritorno pari a 200 anni, definendo vari ietogrammi per tempi di pioggia pari a 30, 60, 90, 120 e 150 minuti. Mediante il modello di trasformazione afflussi-deflussi S.C.S., utilizzando i dati ricavati come descritto ai punti sopra, è stato possibile stimare i valori delle portate di progetto attese a ciascun attraversamento con un tempo di ritorno di 200 anni per ciascuna delle durate di pioggia sopra riportate. Per ognuno dei due attraversamenti è stata definita come portata di progetto il valore massimo tra quelli ottenuti per i vari tempi di pioggia. Il dimensionamento degli attraversamenti è stato ottenuto garantendo, con una modellazione a moto uniforme, il transito delle portate di progetto sopra definite; è stata utilizzata la pendenza media dell asta fluviale, ottenuta dal rilievo fornito, mentre il coefficiente di scabrezza è stato dedotto da tabelle di letteratura per scatolari in cls. Nei paragrafi a seguire, è dettagliato ciascun punto della procedura esposta. 3/19

4 Dato che nel reticolo individuato della Regione Toscana non è riportato alcun riferimento toponomastico per i corsi d acqua oggetto di studio, per chiarezza espositiva si vanno a nominare i corsi d acqua nella maniera che segue ( ). Figura 1-1 Inquadramento dell area di studio 4/19

5 2. Caratteristiche fisiche e morfologiche dei bacini studiati 2.1. Fosso Ovest Il bacino imbrifero analizzato è quello del fosso ovest, che si estende per circa 0,644 kmq, come riportato nella cartografia in allegato. Il bacino è caratterizzato da una parte collinare, posta a monte del centro abitato di Villanova, e da una parte esclusivamente pianeggiante a valle della citata località. Analizzando l andamento plano altimetrico per mezzo delle curve di livello tracciate sulla Cartografia Tecnica Regionale, è stato possibile definire l altezza ipsografica del bacino, riferita alla sezione di chiusura, pari a: H ips = m Sul bacino imbrifero sono presenti terreni coltivati e terreni a prato con una certa aliquota di aree impermeabili dovute a insediamenti civili. Una migliore definizione delle caratteristiche e degli usi del suolo è riportata nel successivo paragrafo 3. 5/19

6 2.2. Fosso Est Il bacino imbrifero analizzato è quello del fosso est, che si estende per circa 0,889 kmq, come riportato nella cartografia in allegato. Il bacino è caratterizzato da una parte collinare, posta a monte del centro abitato di Sammontana, e da una parte esclusivamente pianeggiante a valle della citata località. Analizzando l andamento plano altimetrico per mezzo delle curve di livello tracciate sulla Cartografia Tecnica Regionale, è stato possibile definire l altezza ipsografica del bacino, riferita alla sezione di chiusura, pari a: H ips = m Sul bacino imbrifero sono presenti terreni coltivati e terreni a prato con una certa aliquota di aree impermeabili dovute a insediamenti civili. Una migliore definizione delle caratteristiche e degli usi del suolo è riportata nel successivo paragrafo 3. 6/19

7 3. Calcolo permeabilità dell area Metodo CN Al fine di potere definire la portata di piena in corrispondenza della sezione di indagine, risulta necessario individuare le perdite che si verificano nel bacino oggetto di studio, in modo da poter determinare quella che è l altezza netta di pioggia, da poter inserire nella modellazione di trasformazione afflussi-deflussi. Nel presente studio le perdite di bacino sono state simulate con il metodo Curve Number [CN], del Soil Conservation Service [S.C.S.]. Tale metodologia operativa si basa sulla definizione del parametro CN per il quale sono forniti dei valori tabellati sulla base di quella che è la litologia del territorio oggetto di studio, dell uso che viene fatto del medesimo suolo e della relativa copertura vegetale. Tale parametro è infine corretto in funzione di quelle che sono le condizioni di umidità iniziali. All interno di un bacino, come già evidenziato, generalmente ci sono aree che hanno caratteristiche diverse le une dalle altre e quindi vengono caratterizzate da parametri CN diversi. Facendo una media ponderata sulle aree dei vari CN, è possibile ottenere un valore medio di CN per l intero bacino. Da un punto di vista operativo, per la determinazione del parametro CN per ogni cella [o gruppo di celle] presa in considerazione, è stata seguita in primo luogo la Tabella 3-1 per la classificazione del suolo secondo la natura del terreno da un punto di vista idrogeologico. Classificazione litologica dei suoli secondo il SCS. GRUPPO A B C D DESCRIZIONE Scarsa potenzialità di deflusso. Comprende sabbie profonde con scarsissimo limo e argilla, ghiaie profonde molto permeabili. Potenzialità di deflusso moderatamente bassa. Comprende la maggior parte dei suoli sabbiosi meno profondi che nel gruppo A, ma il gruppo nel suo insieme mantiene alte capacità di infiltrazione anche a saturazione. Potenzialità di deflusso moderatamente alta. Comprende suoli sottili e suoli contenenti considerevoli quantità di argilla e colloidi, anche se se meno che nel gruppo D. Il gruppo ha scarsa capacità di infiltrazione a saturazione. Potenzialità di deflusso molto alta. Comprende la maggior parte delle argille con alta capacità di rigonfiamento, ma anche suoli sottili con orizzonti pressoché impermeabili in vicinanza della superficie. Tabella 3-1 7/19

8 Una volta definito il gruppo, mediante la successiva Tabella 3-2 è stato determinato il valore del CN in base alla copertura e uso del terreno [tali valori sono riferiti a una condizione di umidità media del suolo, ovvero AMC = II]. Parametri CN relativi a AMC II per le quattro classi litologiche e per vati tipi di uso del suolo. A B C D Terreno coltivato Senza trattamenti di conservazione Con interventi di conservazione Terreno da pascolo Cattive condizioni Buone condizioni Praterie Buone condizioni Terreni boscosi o forestati Terreno sottile sottobosco povero senza foglie Sottobosco e copertura buoni Spazi aperti, prati rasati, parchi Buone condizioni con almeno il 75% dell area con copertura erbosa Condizioni normali con copertura erbosa intorno al 50% Aree commerciali [impermeabilità 85%] Distretti industriali [impermeabilità 72%] Aree residenziali impermeabilità media 65% % % % % Parcheggi impermeabilizzati, tetti Strade Pavimentate, con cordoli e fognature Inghiaiate o selciate con buche In terra battuta [non asfaltate] Tabella 3-2 8/19

9 Le condizioni di umidità antecedenti [Antecedent Moisture Condition] sono individuate sulla base delle precipitazioni totali nei 5 giorni antecedenti all evento considerato e sono discretizzate in 3 classi, come sintetizzato nella seguente Tabella 3-3: Condizioni di umidità antecedenti individuate in base alla precipitazione totale nei 5 giorni precedenti [mm]. CLASSE AMC STAGIONE RIPOSO DI STAGIONE CRESCITA DI I < 12.7 < 35.5 II III >28.0 > 53.3 Tabella 3-3 Mediante la Tabella 3-4 si effettua la conversione dalla classe AMC II ai valori corrispondenti per AMC I e AMC III. Tabella di conversione del valore del CN per AMC II CLASSE AMC I II III Tabella 3-4 9/19

10 Attraverso sopralluoghi mirati e sulla base delle conoscenze note del posto, sono stati definiti i parametri di caratterizzazione geologica del suolo e di uso del suolo stesso, per potere far riferimento alle tabelle sopra riportate. Seguendo la metodologia sopra esposta e ponendoci nella condizione relativa a AMC = III, si è definito ciascun bacino a seconda dell uso del suolo ricavando un valore medio del CN, come esposto di seguito. Tabella 3-5 Sintesi metodo CN Fosso Ovest Tabella 3-6 Sintesi metodo CN Fosso Est 10/19

11 4. Studio delle piogge Per quantificare le piogge che interessano i due bacini, sono stati presi a riferimento i dati del S.I.R. della Regione Toscana, disponibili sul sito: In particolare sono stati analizzati i dati delle stazioni pluviografiche più vicine all area di studio, ovvero: - Empoli - Turbone. Figura 4-1 Dati S.I.R. stazione di Empoli 11/19

12 Figura 4-2 Dati S.I.R. stazione di Turbone Per ciascun delle due stazioni, fissato il tempo di ritorno dell evento pari a 200 anni, vengono forniti i relativi parametri a ed n della curva di possibilità pluviometrica. È stata operata una media ponderata sulla distanza tra le stazioni e il sito oggetto di studio in modo da ottenere dei valori medi della curva di seguito riportata: =.. Tabella 4-1 Valori medi della curva di possibilità pluviometrica Con tale curva di possibilità pluviometrica, sono stati definiti vari ietogrammi per tempi di pioggia pari a 30, 60, 90, 120 e 150 minuti; data la morfologia del bacino è stato usato uno ietogramma di tipo rettangolare, riportati in allegato. 5. Trasformazioni afflussi deflussi Le analisi idrologiche sono state condotte utilizzando il software HEC-HMS Modello HEC HMS e SCS Il software HEC-HMS del U.S. Army Corps of Engineers è il software della nuova generazione per le simulazioni afflussi - deflussi, che ha sostituito il pacchetto HEC-1, con un notevole avanzamento. E un prodotto del Corps Civil Works Hydrologic Engineering R&D Program. In HEC-HMS, rispetto ad HEC- 1, vi sono inoltre diverse nuove funzioni: principalmente, simulazioni continue con calcolo di idrogrammi per lunghi periodi temporali e calcolo di deflussi spazialmente distribuiti, ottenuti caratterizzando il bacino mediante un sistema a reticolo regolare. HEC-HMS comprende un interfaccia grafica (GUI) in ambiente Windows, componenti di analisi idrologiche integrate, funzioni di management e di memorizzazione dei dati, servizi di grafica e di relazioni dei dati. Anche se collegati in un unico programma, vi sono delle chiare separazioni tra GUI, le librerie, i 12/19

13 database ed il motore principale di calcolo. Questo design facilità l uso di altri componenti, anche successivi nel tempo, senza dover revisionare la parte di calcolo del software. HEC-HMS è progettato per simulare i processi relativi alla trasformazione afflussi deflussi di sistemi idrografici con struttura ad albero. è stato creato per essere applicabile in un ampio campo di problemi idrologici: - studio dei deflussi in grandi bacini idrografici - analisi dei deflussi di piena - analisi dei deflussi provenienti da piccoli bacini urbani o rurali - disponibilità idriche di regioni geografiche - studio dei sistemi di drenaggio urbani - previsione dei deflussi - riduzione dei danni dovuti alle piene fluviali - gestione delle aree golenali - regolazione di sistemi idraulici L esecuzione di una simulazione idrologica richiede la specificazione di tre insiemi di dati (componenti idrologici): 1. Basin Model: rappresentazione fisica delle caratteristiche del bacino idrografico; 2. Meteorologic Model: dati meteorologici relativi alle precipitazioni e all evapotraspirazione; 3. Control Specifications: informazioni temporali necessarie per la simulazione. Nella fattispecie la trasformazione afflussi netti - deflussi è stata effettuata con riferimento al metodo dell'idrogramma unitario, in particolare l'idrogramma unitario del SCS. L'idrogramma unitario SCS è un idrogramma di tipo sperimentale ottenuto dal Soil Conservation Service sulla base di registrazioni di piogge ed idrogrammi di piena di un gran numero di piccoli bacini agricoli strumentati. L'idrogramma unitario SCS è un idrogramma adimensionale con un singolo picco, che esprime la portata istantanea Ut come frazione della portata di picco Up in funzione del rapporto tra l'istante t e il tempo del picco Tp. Le correlazioni effettuate dal SCS hanno mostrato che la portata di picco e l'istante a cui si verifica lo stesso sono legate dalla: 13/19

14 dove A rappresenta l'area del bacino idrografico. L'istante di picco è legato alla durata dell'unità di precipitazione t (pari al passo di calcolo) secondo la seguente: dove tlag è il tempo di ritardo del bacino, definito come lo sfasamento temporale tra il baricentro della pioggia netta e il picco dell'idrogramma unitario. Una volta definito il parametro tlag l'idrogramma unitario può essere completamente descritto. Per bacini non strumentati l'scs suggerisce di mettere in relazione il tempo di ritardo con il tempo di corrivazione, secondo la seguente: in particolare: dove: T lag = lag time [ore] L = lunghezza idraulica del bacino [feet] Y = pendenza del bacino [%] S = definito secondo le caratterizzazione del metodo CN, di cui sopra Determinazione delle portate di progetto Mediante il modello di trasformazione afflussi-deflussi S.C.S., utilizzando i dati ricavati come descritto ai paragrafi sopra, andremo a ricavare i valori delle portate di progetto attese per ciascun attraversamento con un tempo di ritorno di 200 anni per ciascuna delle durate di pioggia sopra riportate. Per i due bacini oggetto di studio sono riportate le caratterizzazioni fisiche di sintesi inserite nel modello di calcolo: 14/19

15 Tabella Bacino Fosso Ovest Tabella Bacino Fosso Est Per ognuno dei due attraversamenti è stata definita come portata di progetto il valore massimo tra quelli ottenuti per i vari tempi di pioggia, per tempo di ritorno 200 anni. Fosso Ovest: : Q max Ovest = m 3 /s (per tempo di pioggia 120 minuti) Fosso Est : Q max Est = m 3 /s (per tempo di pioggia 90 minuti) 15/19

16 6. Verifica idraulica Il dimensionamento degli attraversamenti è effettuato garantendo che questi siano in grado di far transitare le portate di progetto stimate nei paragrafi precedenti. La modellazione di calcolo usata è a moto uniforme; quindi per ognuno dei due corsi d acqua sono state definita una pendenza media dell asta fluviale, ottenuta dal rilievo fornito, mentre il coefficiente di scabrezza è stato dedotto da tabelle di letteratura per scatolari in cls ( k = 70 m 1/3 /s ). Considerando le dimensioni attuali dei canali, ipotizzando una sezione dell attraversamento di forma rettangolare, sono state individuate le dimensioni della sezione libera per il deflusso idraulico, rispettivamente: Fosso Ovest: : Altezza libera : 1.25 m Base libera : 2.00 m Tabella 6-1 Verifica sezione libera - fosso Ovest Q >Q max Ovest Fosso Est : Altezza libera : 1.50 m Base libera : 2.00 m Tabella 6-2 Verifica sezione libera - fosso Est 16/19

17 Q >Q max Est Sono necessari opportuni tratti di raccordo tra la sezione in terra e gli scatolari; questi devono essere realizzati con scogliere da porsi sulle sponde e sul fondo per almeno 6 m a monte e valle dei manufatti. Considerando l attuale insufficienza della sezione dei corsi d acqua per le portate di progetto, al fine di non pregiudicare eventuali ipotesi di adeguamento dell intera asta dei due corsi d acqua si riporta quanto segue. Per non creare una soglia fissa sul fondo di ciascuno dei due nuovi attraversamenti, è ottimale ipotizzare l impiego di scatolari di dimensioni maggiori di quelle della sezione libera indicata sopra, in modo da poter posare gli stessi ad una quota inferiore di quella del fondo dell attuale corso d acqua, sempre garantendo le dimensioni libere di progetto per il deflusso idraulico. In allegato è riportata una tavola esplicativa di tale indicazione. 17/19

18 7. Conclusioni Il presente studio ha lo scopo di dimensionare i due attraversamenti, necessari per ramo stradale oggetto di progettazione, all intersezione di due corsi d acqua riportati nel reticolo di cui alla L.R. 79/2012, aggiornato con D.CR.T. 9/ Il dimensionamento è stato operato verificando che ognuno dei due manufatti fosse in grado di far transitare una determinata portata di progetto, relativa al proprio bacino imbrifero sotteso, generata da eventi di pioggia con tempo di ritorno pari a 200 anni. La portata di calcolo è stata stimata, partendo dai dati pluviometrici del S.I.R. (stazioni di Empoli e di Turbone) e deducendo vari ietogrammi per tempi di pioggia pari a 30, 60, 90, 120 e 150 minuti. Mediante il modello di trasformazione afflussi-deflussi S.C.S., utilizzando i dati di pioggia detti e le caratteristiche fisiche di ciascun bacino, è stato possibile stimare i valori delle portate di progetto attese a ciascun attraversamento. Con tali valori è stata definita le sezione libera necessaria per i due attraversamenti di progetto Fosso Ovest: : Q max = m 3 /s Altezza libera : 1.25 m Base libera : 2.00 m (per tempo di pioggia 120 minuti) Fosso Est : Q max = m 3 /s Altezza libera : 1.50 m Base libera : 2.00 m (per tempo di pioggia 90 minuti) Risulta opportuno che il fondo dello scatolare sia predisposto con idoneo franco per non creare una soglia fissa sul fondo stesso dell alveo. Ciò comporta l impiego di scatolari più alti rispetto alla sezione libera di calcolo, ma garantisce una migliore gestione e manutenzione del corso d acqua. IL TECNICO 18/19

19 ALLEGATI Planimetria generale; Sezione tipo attraversamenti; Ietogrammi di calcolo Output hms 19/19