Giornata della Ricerca del DICATAM 2015 VALUTAZIONE DELLA STABILITA E DELLA SICUREZZA DEGLI ARGINI FLUVIALI

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1 VALUTAZIONE DELLA STABILITA E DELLA SICUREZZA DEGLI ARGINI FLUVIALI Prof. Ing. Francesco Colleselli Professore Ordinario di Geotecnica ICAR 07 Gruppo GEOTER Brescia, Aula consiliare, via Branze 38, 27 Gennaio 2015

2 Giornata della Ricerca del DICATAM 2015 SVILUPPO DELLE ARGINATURE DEL PO ED AFFLUENTI 1/34 IL SISTEMA ARGINALE DEL PO- (lungo circa 2000 km)- è il risultato dello sviluppo in lunghezza e in altezza di antichi argini originariamente discontinui, via via rialzati e rinforzati VALUTAZIONE DELLA STABILITA E DELLA SIICUREZZA DEGLI ARGINI FLUVIALI Prof. Ing. Francesco Colleselli

3 LE GRANDI PIENE 2/34 14 Novembre 1951 a Rovigo 5 novembre 1994 esondazioni del Po e del Tanaro NEL XX SECOLO: le arginature del Po e dei suoi affluenti sono state potenziate per l aumento dei livelli idrometrici e dei colmi di piena (e conseguente incremento dei pericoli di esondazione) causati da: incremento dello sviluppo del sistema arginale e della altezza dei rilevati diminuzione delle aree golenali e di quelle di espansione delle acque di piena fenomeni di sifonamento e di sormonto fenomeni di subsidenza nell area del Delta del Po dovuto all estrazione di acqua e metano ( 3m!). GRANDI PIENE: 1872, 1926,1951,1994,2000,

4 RICERCA GRUPPO GEOTECNICA ICAR /34 Convenzioni con L Agenzia Interregionale per il fiume Po (AIPO): 5 luglio 1999: Convenzione n Studio delle condizioni di stabilità degli argini fluviali per la definizione di una metodologia progettuale Stipulata tra: Magistrato per il Po e Università degli Studi di Brescia, di Parma, di Roma La Sapienza e di Napoli Federico II 28 Novembre 2006: E-Spec-774 n 329 Per l analisi del comportamento e degli interventi di protezione idraulica delle arginature in materiali impermeabili dell alto corso del Po e il proseguimento dello studio sull argine sperimentale di Viadana. Stipulata tra AIPo e Università degli Studi di Brescia, di Parma, di Torino e di Napoli Federico II

5 PRODOTTI RICERCA GRUPPO GEOTECNICA ICAR /34 Colombo P., Colleselli F., Sanzeni A.. (2014). Stabilità e sicurezza delle arginature del Po. In: AGI XXV. LA GEOTECNICA NELLA DIFESA DEL TERRITORIO E DELLE INFRASTRUTTURE DALLE CALAMITÀ NATURALI. vol. 2, p , Edizioni AGI Roma, ISBN: , Baveno, 4-6 giugno Belardi A., Colleselli F., Ferrero M., Mancuso C., Nocilla A., Pagano L., Rosso A., Segalini A. (2014). Studio del comportamento idraulico degli argini dell'alto bacino del Po. In: AGI. XXV. LA GEOTECNICA NELLA DIFESA DEL TERRITORIO E DELLE INFRASTRUTTURE DALLE CALAMITÀ NATURALI. vol. 2, p , Edizioni AGI Roma, ISBN: , Baveno, 4-6 giugno Calabresi G., Colleselli F., Danese D., Giani G.P., Mancuso C., Montrasio L., Nocilla A., Pagano L., Reali E., Sciotti A. (2013). A research study of the hydraulic behaviour of the Po river embankments. CANADIAN GEOTECHNICAL JOURNAL. Volume 50, Issue 9, Sep-tember 2013, Pages ISSN: Pagano L., Nocilla A. (2013). Studio sperimentale del comportamento idraulico degli argini del medio corso del Po. IARG 2013 Perugia. Perugia, Luglio 2013, vol. 1, Curatori: M. Cecconi, V. Pane. Editore: Università degli Studi di Perugia. ISBN: Bettineschi S, Colleselli F, Danese D, Nocilla A. (2007). Comportamento di un argine sperimentale. In: AIPO INFORMA. vol. No 3-4, Anno II, p

6 PRODOTTI RICERCA GRUPPO GEOTECNICA ICAR /34 Colleselli F., Jommi C., Vinciguerra D. (2004). Analisi delle condizioni di sicurezza di un'arginatura del Delta del Po. IN: XXII CONVEGNO NAZIONALE DI GEOTECNICA. vol. XXII, p , PATRON EDITORE BOLOGNA, ISBN: , Palermo, Colleselli F. (2001). Il progetto delle arginature delle casse di espansione. In: INTERVENTI DI LAMINAZIONE CONTROLLATA DELLE PIENE FLUVIALI. p , Cosenza:Editoriale Bios. Colleselli F. (2000). Interventi geotecnici per la stabilizzazione dei versanti: strutture di contenimento e di sostegno. In: SISTEMAZIONE DEI CORSI D'ACQUA. p , Cosenza:Editoriale Bios Colleselli F. (1999). Interventi geotecnici per la stabilizzazione dei versanti. In: L'INGEGNERIA NATURALISTICA NELLE SISTEMAZIONI DEI VERSANTI. p , Cosenza: Editoriale Bios. Colleselli F., Cortellazzo G., Jommi C., Lagioia R (1999). Controlli e misure durante e dopo la costruzione delle arginature nel delta del Po. In: XX CONVEGNO NAZIONALE DI GEOTECNICA. vol. XX, p , Patron Editore. Colleselli F. (1998). Arginature fluviali e difese spondali: criteri di progetto, problemi idraulici e strutturali. In: LA DIFESA IDRAULICA DEI TERRITORI FORTEMENTE ANTROPIZZATI. p , Cosenza: Editoriale Bios.

7 CRITERI DI PROGETTO e NORMATIVE 6/ Profili di argini in froldo e in golena Consiglio Superiore dei LL PP del 08/02/1873 INCLINAZIONI: 1:2 scarpate verso campagna e 1:1,5 e 1:2 verso fiume. RINFORZI: con banche di 6-10m di larghezza verso campagna, ogni 3m di altezza dalla sommità arginale. FRANCO: fissato a 0,8m a monte foce Oglio, a 1,0 m da foce Oglio a S. Maria e a 0,6 m nei rami del Delta. CORONAMENTO: con larghezza variabile 5-7m a monte foce Ticino, 7-9 m sino a S. Maria in Punta, 8 m nel Delta e di almeno 10m di fronte a centri abitati.

8 CRITERI DI PROGETTO e NORMATIVE 7/ Profili di arginature fluviali Istruzioni Generali del Circolo Superiore di Ispezione per il Po del 1929 TIPOLOGIE DI SEZIONE: con diverse altezze, confermate nella successiva circolare del 1937 seguendo i criteri del 1873.

9 CRITERI DI PROGETTO e NORMATIVE 8/ Sezioni e interventi a) Imbancamento e ringrosso per ripresa di fontanazzo Circolare per la sistemazione delle arginature del Circolo Superiore di Ispezione del Po del 25/07/1952 b) Antipetto e imbancamento nel caso di abitato SEZIONE ATTUALE DELL ARGINATURA MAESTRA DEL MEDIO E BASSO Po: ricopre la linea ipotetica di imbibizione, o di saturazione, di 1:6. SCARPATE: con pendenza 1:1:1,5 verso fiume e 1:2 verso campagna BANCHE: larghezza variabile da 6 a 10

10 MECCANISMI DI ROTTURA DEGLI ARGINI 9/34 ROTTURE VERSO FIUME Assestamento Urto meccanico Scivolamento della scarpata a fiume Erosione della scarpata a fiume Liquefazione Scalzamento per erosione Deterioramento per gelo Meccanismi di rottura degli argini (AIPCN 1990)

11 MECCANISMI DI ROTTURA DEGLI ARGINI 10/34 ROTTURE VERSO CAMPAGNA Sormonto Sifonamento Sormonto da onde Traslazione Scivolamento della scarpata a campagna Rotazione Micro-instabilità Meccanismi di rottura degli arigni (AIPCN 1990)

12 MECCANISMI DI ROTTURA DEGLI ARGINI 11/34 1 FASE 2 FASE Rottura per sifonamento attraverso il terreno di fondazione

13 DEFINIZIONE DI UNA METODOLOGIA PROGETTUALE MEDIO CORSO DEL PO 12/34 5 luglio 1999 Convenzione n Studio delle condizioni di stabilità degli argini fluviali per la definizione di una metodologia progettuale Università di Brescia Università di Parma Università di Roma Università di Napoli Federico II AIPO, Agenzia Interregionale per il fiume Po MEDIO BACINO (Calabresi et al., 2013) SUL COMPORTAMENTO IDRAULICO DEI TERRENI DI FONDAZIONE E DEGLI ARGINI DEL MEDIO CORSO DEL PO. I problemi connessi alla filtrazione e al pericolo di sifonamento costituiscono un aspetto essenziale della stabilità e sicurezza dei rilevati arginali

14 DEFINIZIONE DI UNA METODOLOGIA PROGETTUALE MEDIO CORSO DEL PO 13/34 Andamento temporale del livello d'invaso durante le simulazioni di piena Argine sperimentale Invaso m.s.l.m. 29,5 29 Piena 2000 Piena di morbida (1976) 28,5 Piena , , ,5 25/4 15/5 4/6 24/6 14/7 3/8 23/8 12/9 2/10 22/10 11/11 1/12 21/12 Tempo (Giorno) (Calabresi et al., 2013) SUL COMPORTAMENTO IDRAULICO DEI TERRENI DI FONDAZIONE E DEGLI ARGINI DEL MEDIO CORSO DEL PO. Simulazione di eventi di piena e studio del comportamento idraulico di un argine sperimentale strumentato.

15 Giornata della Ricerca del DICATAM 2015 DEFINIZIONE DI UNA METODOLOGIA PROGETTUALE 14/34 MEDIO CORSO DEL PO (Calabresi et al., 2013) SUL COMPORTAMENTO IDRAULICO DEI TERRENI DI FONDAZIONE E DEGLI ARGINI DEL MEDIO CORSO DEL PO. Profilo Geotecnico del sito di Viadana (medio corso del Po). VALUTAZIONE DELLA STABILITA E DELLA SIICUREZZA DEGLI ARGINI FLUVIALI Prof. Ing. Francesco Colleselli

16 DEFINIZIONE DI UNA METODOLOGIA PROGETTUALE MEDIO CORSO DEL PO 15/34 (Calabresi et al., 2013) SUL COMPORTAMENTO IDRAULICO DEI TERRENI DI FONDAZIONE E DEGLI ARGINI DEL MEDIO CORSO DEL PO. Ubicazione di parte della strumentazione impiegata a Viadana, sezione A (Calabresi et al., 2013)

17 DEFINIZIONE DI UNA METODOLOGIA PROGETTUALE MEDIO CORSO DEL PO 16/34 S= 400 kpa S= 0 kpa (Calabresi et al., 2013) SUL COMPORTAMENTO IDRAULICO DEI TERRENI DI FONDAZIONE E DEGLI ARGINI DEL MEDIO CORSO DEL PO. Inviluppi di rottura in funzione del livello di suzione per provini ricostituiti.

18 DEFINIZIONE DI UNA METODOLOGIA PROGETTUALE MEDIO CORSO DEL PO 17/34 (Calabresi et al., 2013) SUL COMPORTAMENTO IDRAULICO DEI TERRENI DI FONDAZIONE E DEGLI ARGINI DEL MEDIO CORSO DEL PO. Confronto tra simulazione numerica e misura sperimentale della suzione in corrispondenza dei punti di osservazione.

19 DEFINIZIONE DI UNA METODOLOGIA PROGETTUALE MEDIO CORSO DEL PO 18/34 (Calabresi et al., 2013) SUL COMPORTAMENTO IDRAULICO DEI TERRENI DI FONDAZIONE E DEGLI ARGINI DEL MEDIO CORSO DEL PO. Andamento del coefficiente di sicurezza (Bishop) utilizzando la distribuzione della pressione neutra ottenuta da analisi di filtrazione in transitorio considerando la zione ("s") o trascurando la suzione ("ns") il contributo della suzione sopra la linea di saturazione.

20 CONSIDERAZIONI CONCLUSIVE MEDIO CORSO DEL PO 19/34 ARGINE: formazione di una linea di imbibizione, particolarmente contenuta (terreni a bassa permeabilità). MISURE DI SUZIONE: i valori di suzione diminuiscono con la profondità. Continuano ad incrementarsi anche dopo lo svaso e negli strati più superficiali dell argine è direttamente influenzata dagli agenti climatici.i tensiometri più profondi, più vicini alla linea di imbibizione, mostrano andamenti che seguono l onda di piena. ANALISI DI STABILITA : Un incremento della suzione si traduce in un incremento del coefficiente di sicurezza. La presenza di materiali a bassa permeabilità contiene la linea di imbibizione e conseguentemente aumenta il valore del coefficiente di sicurezza.

21 LINEE GUIDA 1999 CON INTEGRAZIONE /34 MEDIO E BASSO CORSO DEL PO 1) RINFORZI E RIALZI a fiume possono essere correttamente eseguiti con materiali poco permeabili tipo A-7 A-6 (Norme CNR-UNI Ed. 2002), secondo i criteri indicati dalle Linee guida del ) SCARPATE A FIUME CON PENDENZA (1:2): per evitare fenomeni di instabilità dopo le piene del paramento a fiume e per aumentare la capacità di tenuta e ritardare l'avanzamento all'interno del corpo dell'argine della superficie di saturazione 3) BANCHE INTERMEDIE eventuali per altezze del paramento maggiori di 5 m e conseguente TAGLIONE AL PIEDE approfondito di 1 2 m per il nuovo petto al piede dell'argine. 4) IMMORSAMENTO VECCHIO E NUOVO CORPO da realizzarsi con particolare cura 1) RINFORZI A CAMPAGNA vanno correttamente eseguiti con materiali di media permeabilità tipo A-6 A-4 e comunque più permeabili di quelli costituenti il corpo arginale esistente. 2) MATERIALI PER I RINGROSSI E RINFORZI messi in opera con riferimento alla densità Proctor Standard, avendo cura di controllare in maniera specifica l'omogeneità delle caratteristiche di plasticità e granulometriche del materiale impiegato; in particolare i materiali tipo A-6 e A--7 con contenuto in sabbia non inferiore al 15% e tipo A-6 e A-4 con contenuto in sabbia non maggiore del 50%.

22 LINEE GUIDA 1999 CON INTEGRAZIONE /34 MEDIO E BASSO CORSO DEL PO 7) IRREPERIBILITÀ MATERIALI IDONEI: utilizzo di terreni grossolani e permeabili e conseguente necessario progetto di interventi di impermeabilizzazione del corpo arginale. 8) DIAFRAMMATURE CONTINUE : per assicurare l impermeabilizzazione dei terreni di fondazione e garantire una effettiva tenuta idraulica contro il pericolo di sifonamento, le diaframmature devono essere di lunghezza sufficiente ad evitare fenomeni di aggiramento del flusso e tali da intercettare interamente il banco permeabile. 9) PROFILO DELL ARGINE E LINEA DI IMBIBIZIONE : La linea di imbibizione all interno del corpo arginale si dispone ben al di sotto della linea teorica utilizzata come riferimento per il progetto del profilo a campagna dei rilevati arginali del medio e basso Po ( pendenza di 1 : 5 1 : 6). E sempre e comunque valido il criterio di progetto "convenzionale" di disporre il profilo dell'argine a campagna, tale da ricoprire per almeno 1 m la linea teorica di imbibizione. 10) SEZIONI ARGINALI PIU RIDOTTE rispettivamente con linee teoriche di imbibizione di 1:4,5 1:5,5 in presenza di arginature realizzate con materiali di caratteristiche note, in condizioni geotecniche ben definite e in assenza di pericolo di sifonamento a campagna.

23 LINEE GUIDA 1999 CON INTEGRAZIONE /34 MEDIO E BASSO CORSO DEL PO 2007 Sezioni e dettagli costruttivi

24 DEFINIZIONE DI UNA METODOLOGIA PROGETTUALE ALTO CORSO DEL PO 23/34 28 Novembre 2006 Convenzione n 329 Per l analisi del comportamento e degli interventi di protezione idraulica delle arginature in materiali impermeabili dell alto corso del Po e il proseguimento dello studio sull argine sperimentale di Viadana. Università di Brescia Università di Parma Università di Torino Università di Napoli Federico II AIPO SESIA (sito B) BORMIDA (sito A) (Belardi et al., 2014) SUL COMPORTAMENTO IDRAULICO DEI TERRENI DI FONDAZIONE E DEGLI ARGINI DELL ALTO CORSO DEL PO. Caratterizzazione dei moti di filtrazione negli argini dell alto bacino del Po

25 DEFINIZIONE DI UNA METODOLOGIA PROGETTUALE ALTO CORSO DEL PO 24/34 SITO A SITO B (Belardi et al., 2014) SUL COMPORTAMENTO IDRAULICO DEI TERRENI DI FONDAZIONE E DEGLI ARGINI DELL ALTO CORSO DEL PO. Modello Geotecnico nei due siti sperimentali.

26 DEFINIZIONE DI UNA METODOLOGIA PROGETTUALE ALTO CORSO DEL PO 25/34 SITO A SITO B (Belardi et al., 2014) SUL COMPORTAMENTO IDRAULICO DEI TERRENI DI FONDAZIONE E DEGLI ARGINI DELL ALTO CORSO DEL PO: Planimetrie e sezioni trasversali degli invasi artificiali, ubicazione della strumentazione nei due siti. SPERIMENTAZIONE IN VERA GRANDEZZA su INVASO ARTIFICALE: Simulando eventi di piena su segmenti di argine esistente

27 DEFINIZIONE DI UNA METODOLOGIA PROGETTUALE ALTO CORSO DEL PO 26/34 SITO A SITO A: L alterazione si verifica unicamente in corrispondenza della superficie libera della falda. (Belardi et al., 2014) SUL COMPORTAMENTO IDRAULICO DEI TERRENI DI FONDAZIONE E DEGLI ARGINI DELL ALTO CORSO DEL PO. Letture nei piezometri, livello dell0ivaso realizzato durante la simulazione nel sito A.

28 DEFINIZIONE DI UNA METODOLOGIA PROGETTUALE ALTO CORSO DEL PO 27/34 SITO B EFFETTO DELLA PIENA REALE: Le misure di quota piezometrica in questo caso risentono soprattutto della piena reale verificatasi. Tali incrementi sono improvvisi, si registrano proprio in concomitanza della piena reale e persistono dopo lo svuotamento della vasca, causa il persistere dell incremento del livello di falda indotto dalla piena reale. (Belardi et al., 2014) SUL COMPORTAMENTO IDRAULICO DEI TERRENI DI FONDAZIONE E DEGLI ARGINI DELL ALTO CORSO DEL PO. Letture nei piezometri, livello dell0ivaso realizzato durante la simulazione nel sito B.

29 DEFINIZIONE DI UNA METODOLOGIA PROGETTUALE ALTO CORSO DEL PO 28/34 SITO A EVOLUZIONE DELLE MISURE DI SUZIONE: Tali riduzioni risultano più marcate nei punti di misura più profondi, in quanto questi intercettano la propagazione verso il basso del fronte umido. (Belardi et al., 2014) SUL COMPORTAMENTO IDRAULICO DEI TERRENI DI FONDAZIONE E DEGLI ARGINI DELL ALTO CORSO DEL PO. Misure di suzione nel sito A. Tensiometri più profondi.

30 DEFINIZIONE DI UNA METODOLOGIA PROGETTUALE ALTO CORSO DEL PO 29/34 SITO A EVOLUZIONE DELLE MISURE DI SUZIONE: Nei punti più superficiali, interessati dalla risalita capillare del fronte umido, si osservano incrementi di pressioni interstiziali di pochi kpa. I valori restano comunque di segno negativo. (Belardi et al., 2014) SUL COMPORTAMENTO IDRAULICO DEI TERRENI DI FONDAZIONE E DEGLI ARGINI DELL ALTO CORSO DEL PO. Misure di suzione nel sito A. Tensiometri più superficiali.

31 DEFINIZIONE DI UNA METODOLOGIA PROGETTUALE ALTO CORSO DEL PO 30/34 MITIGAZIONE DEGLI EFFETTI DELLA PIENA soprattutto sotto i due aspetti: La condizioni del flusso di fatto non altera le condizioni di sicurezza. Il sistema si può considerare un BACINO DI ESPANSIONE nascosto. (Belardi et al., 2014) SUL COMPORTAMENTO IDRAULICO DEI TERRENI DI FONDAZIONE E DEGLI ARGINI DELL ALTO CORSO DEL PO. Risultati della modellazione: a) Vettori velocità di flusso all istante di massimo invaso nella modellazione numerica per il sito A. b) Dettaglio.

32 CONSIDERAZIONI CONCLUSIVE ALTO CORSO DEL PO 31/34 SIFONAMENTO: l assenza di falda a piano campagna mitiga il pericolo innesco di fenomeni di sifonamento. BACINO DI ESPANSIONE: Gli argini realizzati in materiali decisamente più permeabili, consentono la penetrazione del flusso all interno del rilevato e del sottosuolo. Tuttavia la breve durata dell evento di piena (alcune ore), la transitorietà del flusso e lo stato di parziale saturazione dei terreni, verticalizzano il flusso e non alterano in modo significativo le condizioni di stabilità. CARATTERE TRANSITORIO DEL FLUSSO: Come per il medio-basso corso del Po, nell alto corso del Po, si riscontra l effetto a favore delle condizioni di stabilità del carattere transitorio del flusso.

33 INTEGRAZIONE LINEE GUIDA (2010) 32/34 ALTO CORSO DEL PO 1) RINFORZI E RIALZI: rialzo della sommità, ove necessario per garantire il franco di piena (0.8 1m), e interventi di protezione del corpo arginale a fiume e del terreno di fondazione immediatamente sottostante. 2) SCARPATE: il progetto dovrebbe in generale garantire il ricoprimento della scarpata a campagna della linea di imbibizione con pendenza 1 : 4 (vedi schema). Idonee scarpate a fiume dell'ordine di 2 : 3 e a campagna di 1 : 2 e 2 : 3. 3) PROTEZIONE SCARPATA LATO FIUME: lato fiume, potrà essere realizzata con lastre in c.a. prefabbricate o gettate in opera da ricoprire poi con terreno vegetale. Lo stesso intervento può essere eseguito con geocompositi (geotessuti + geogriglie) o con materassi tipo "Reno" e con reti metalliche anti intrusione (vedi nutrie). 1) PROTEZIONE PIEDE SCARPATA LATO FIUME: dovrebbe prevedere un cordolo in c.a. prefabbricato o gettato in opera dell'altezza di m.

34 INTEGRAZIONE LINEE GUIDA (2010) ALTO CORSO DEL PO 33/34 LATO FIUME 3-4m LATO CAMPAGNA Max Piena Protezione con Terreno Vegetale Rivestimento Rivestimento Linea di infiltrazione Taglione in c.a.

35 SVILUPPI FUTURI 34/34

36 GRAZIE PER L ATTENZIONE