AUTORITA PORTUALE MARINA DI CARRARA

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1 AUTORITA PORTUALE MARINA DI CARRARA STIMA DEL RATEO MEDIO DI SEDIMENTAZIONE DELL IMBOCCATURA E DEL CANALE DI ACCESSO AL PORTO DI CARRARA LUGLIO 2015 Prof. Ing. Paolo De Girolamo

2 INDICE 1. Premessa Dati e informazioni di riferimento Definizione del problema Analisi dei documenti di base Principali risultati di interesse tratti dallo studio di Delft Hydraulics Attuale sedimentazione del canale di accesso al porto Formule esistenti in letteratura Stima del rateo medio di sedimentazione del nuovo canale di accesso Stima di Q in situazione attuale Stima del rateo medio di sedimentazione del canale in progetto Analisi dei risultati Riferimenti bibliografici

3 1. PREMESSA Con riferimento all incarico conferito allo scrivente dall Autorità Portuale di Carrara dal titolo: Progettazione definitiva per appalto integrato degli interventi necessari ad assicurare la stabilità delle banchine in seguito all intervento di dragaggio del bacino portuale e del passo di accesso al Porto di Marina di Carrara e relativo approfondimento dei fondali (CUP: D86J CIG: Z4E1466FBF), la presente relazione riguarda la Stima del rateo medio di sedimentazione dell imboccatura e del canale prevista dal sopra-citato incarico. 3

4 2. DATI E INFORMAZIONI DI RIFERIMENTO Per la redazione del presente lavoro l A.P. di Carrara ha fornito allo scrivente una serie di documenti. Dopo aver analizzato il materiale trasmesso, per le finalità del presente lavoro sono risultati utili i documenti di seguito elencati ai quali nel seguito si fa riferimento utilizzando il numero posto fra parentesi quadra. [1] Richiesta di adeguamento tecnico-funzionale nel rispetto del Piano Regolatore Potuale Vigente Relazione; [2] Relazione tecnica per la determinazione della profondità del canale di accesso e del bacino portuale per una nave di progetto con L.O.A. 220 m e pescaggio 11,0 m ; [3] Planimetria dei fondali contenente i limiti del canale di accesso e le relative profondità di dragaggio; [4] Ricostruzione dei volumi di dragaggio eseguiti nel passato (Tabella excell); [5]Studio dal titolo Carrara Coastal Study eseguito nel 2006 dal laboratorio olandese Delft Hydraulics (oggi Deltares) e articolato nei seguenti 5 rapporti; Port [5.1] Volume 1: Data Summary [5.2] Volume 2: Wave Climate Summary; [5.3] Volume 3: Coastline Evolution study; [5.4] Volume 4: Morphological Field Modelling Hot Spot 1: Carrione River; [5.5] Volume 4: Morphological Field Modelling Hot Spot 2: Sand Trap at of Carrara; 4

5 3. DEFINIZIONE DEL PROBLEMA L A.P. di Carrara ha la necessita di approfondire il canale di accesso al porto e parte del bacino portuale per consentire l ingresso e la sosta di navi caratterizzate da un pescaggio maggiore rispetto a quelle che attualmente possono frequentare il porto in virtù dei fondali disponibili. La nave di progetto è definita nel documento [2] e presenta un pescaggio massimo di 11,0 m. Per garantire l accesso e la sosta di questa nave, l A.P. ha previsto la realizzazione di un nuovo canale di accesso che prevede l approfondimento di quello esistente. Il canale in progetto è rappresentato schematicamente nella Fig.1, realizzata dallo scrivente sulla base del documento [3]. Nella figura sono indicati i limiti geometrici del canale e le relative profondità di dragaggio. Nella figura non sono rappresentate le sponde di raccordo del canale con i fondali attuali. Per le finalità di analisi di seguito descritte, il canale riportato nella Fig. 1 è stato suddiviso in tre tratti denominati, partendo da largo, C1, C2, e I. Per ogni tratto nella Fig. 1 sono riportate le profondità di dragaggio e le superfici di ciascun tratto. Come specificato nelle premesse, l A.P. di Carrara ha richiesto allo scrivente di stimare il rateo medio di sedimentazione annuo del canale, facendo riferimento ai risultati degli studi disponibili e ai dati esistenti, nonché ad eventuali schemi di calcolo semplificati o formule empiriche reperibili nella letteratura di settore. 5

6 Fig. 1 Schema del canale in progetto di accesso al Porto di Carrara. 6

7 4. ANALISI DEI DOCUMENTI DI BASE 4.1. Principali risultati di interesse tratti dallo studio di Delft Hydraulics L analisi morfologica e di evoluzione storica della linea di riva del litorale in cui ricade il Porto di Carrara, è riportata nel documento [5.3]. L analisi copre il lungo tratto di costa, esteso circa 60 km, compreso tra la foce del Fiume Magra e il Porto di Livorno. Si riportano di seguito i principali risultati di interesse per il caso in questione tradotti dallo studio di Delft Hydraulics. In particolare alla pag. 10 del documento [5.5] si legge: A. Nello studio di evoluzione della linea di costa, vedi documento [5.3], il trasporto solido longitudinale è stato calcolato con il modello monodimensionale della linea di riva UNIBEST. Questo modello calcola il bilancio dei sedimenti e utilizza il trasporto solido longitudinale determinato in sezioni specifiche lungo la costa per il calcolo della variazione della linea di riva. UNIBEST non calcola il campo idrodinamico nello spazio come invece fa Delft 3D. Di conseguenza eventuali condizioni idrodinamiche complesse del campo di corrente, non sono tenute in conto dal modello. B. Allo scopo di verificare i risultati del modello idrodinamico di campo, è stato eseguito un confronto con il trasporto solido longitudinale determinato nel documento [5.3] mediante il modello UNIBEST. In quello studio, il trasporto solido longitudinale netto nell area posta a monte (nord) del porto è stato calcolato nell ordine di circa m 3 /anno con riferimento alla linea di riva del C. Il trasporto solido netto in prossimità del Porto di Carrara è diretto verso sud e si propaga intorno la diga di sopraflutto del Porto. Una parte significativa di questo trasporto solido è trasportata nel porto e si deposita nel canale di accesso. D. Nella Figura 2 è riportato, per alcune sezioni poste a monte e a valle del Porto di Carrara, il trasporto solido longitudinale netto medio annuale che transita nelle relative sezioni espresso in migliaia di m 3 /anno. E. In prossimità della diga di sopraflutto il modello calcola in alcune situazioni anche un trasporto solido diretto verso nord. Ciò è dovuto ad alcune onde oblique che frangono sulla diga, che generano una corrente diretta verso nord. Di conseguenza si forma un vortice a nord della testata della diga foranea che può generare correnti di rip. Questa è la ragione per cui il modello impiegato calcola una riduzione del trasporto longitudinale andando verso sud e addirittura, per alcune condizioni di moto ondoso, un trasporto diretto verso nord, subito a nord della diga. F. La dimensione e l entità di questo vortice sono sensibili alle correnti locali, alle caratteristiche delle onde, alle profondità dei fondali e alla geometria. Oltre a questi fattori anche la viscosità e la risoluzione di griglia costituiscono parametri importanti per la previsione di questa complessa idrodinamica. A causa di queste dipendenze i risultati del modello devono essere interpretati con cautela. 7

8 Fig. 2 Trasporto annuale attraverso transetti x10 3 m 3 /anno (Tratta da [5.5]) I numeri in rosso indicano il trasporto basato su 85 stati di mare. I numeri in blu indicano il trasporto basato su 10 stati di mare In conclusione quindi i valori di trasporto solido longitudinali riportati nello studio e in particolare nella Fig. 2, sono valori netti, ovvero con riferimento alla generica sezione, dati dalla somma algebrica tra i valori di trasporto solido longitudinali positivi (se diretti verso sud) e negativi (se diretti verso nord) causati dal singolo evento di moto ondoso. La figura 2 mostra che la componente diretta verso sud è dominante sia a monte che a valle del porto di Carrara, poiché il trasporto solido netto è diretto in ogni sezione verso sud. Purtroppo lo studio di Delft Hydraulics non riporta per le sezioni indicate in figura 2 il valore della singola componente di trasporto, ovvero della due componenti: quella diretta verso nord e quella diretta verso sud. Si evidenzia che un determinato valore netto del trasporto solido longitudinale, può risultare dalla somma algebrica di numerose coppie di componenti positive e negative, le quali possono essere singolarmente anche elevate, ma la cui somma algebrica può risultare anche molto piccola quando le due componenti tendono a diventare simili. 8

9 Per un calcolo anche approssimato del trasporto solido intercettato dall imboccatura portuale è necessaria la conoscenza delle due componenti separate, in quanto le opere foranee e il canale di accesso costituiscono una discontinuità del litorale e sono in grado di intercettare, totalmente o parzialmente, ciascuna delle componenti del trasporto solido longitudinale. In conclusione quindi dal punto di vista quantitativo si ritiene che lo studio di Delft Hydraulics non fornisca risultati direttamente utilizzabili per la presente analisi, anche se ci aiuta a comprendere gli ordini di grandezza del trasporto solido longitudinale netto che interessa il litorale in cui è posto il Porto di Carrara. Comunque dal punto di vista metodologico e di analisi costituisce sicuramente un supporto validissimo al problema in questione. Per chiarezza si evidenzia che lo studio di Delft Hydraulics non è stato indirizzato ad analizzare la sedimentazione del canale di accesso al Porto, ma più in generale a comprendere l evoluzione storica del litorale, a valutare l effetto prodotto dal porto sui litorali adiacenti al porto stesso e a valutare alcune problematiche particolari, come ad esempio la realizzazione di una trappola per sedimenti da porre a nord del Porto per ridurre la quantità di materiale intercettata dal porto stesso e sottratta ai litorali posti sottoflutto Attuale sedimentazione del canale di accesso al porto Con riferimento al documento [5] fornito dall Autorità Portuale e ad alcuni colloqui intercorsi, i ratei medi annui di dragaggio dell attuale canale di accesso oscillano tra e m 3 /anno. La profondità che attualmente viene raggiunta con questi dragaggi è nel canale di accesso dell ordine dei - 10,50 m sul l.m.m. locale. 9

10 5. FORMULE ESISTENTI IN LETTERATURA L unica formula empirica disponibile nella letteratura scientifica per il calcolo della frazione di sedimenti intercettati da un canale dragato è quella proposta da Galvin (1981). Prendendo in esame la sezione di un canale dragato riportata in Fig. 3, la frazione di portata solida Q i intercettata dal canale può essere espressa da: con: Q i = α Q (1) (2) dove: Q = componente di trasporto solido ortogonale all asse del canale; d 1 = profondità del fondale prima del dragaggio; d 2 = profondità del fondale dopo il dragaggio; m varia tra 3/2 e 5/2. Fig. 3 Schema di un canale dragato Questa formula non tiene conto della larghezza del canale. 10

11 6. STIMA DEL RATEO MEDIO DI SEDIMENTAZIONE DEL NUOVO CANALE DI ACCESSO La stima del rateo medio di sedimentazione del canale di accesso in progetto è stata eseguita in due fasi: - nella prima, con riferimento alla situazione attuale, si è dedotto il trasporto solido medio annuale Q sulla base dei dati di dragaggio forniti dalla A.P.; - nella seconda, assumendo il valore di Q calcolato nella prima fase, si è stimato il rateo medio di sedimentazione del canale in progetto Stima di Q in situazione attuale In questa fase si è usata la (2) per calcolare Q facendo riferimento alla situazione attuale e assumendo che il canale, a causa della sua limitata estensione longitudinale, blocchi solo una quota parte del trasporto solido Q. Ponendo nella (2): d 1 = 7,5 m; d 2 = 10,5 m; m=3/2 si ottiene α = 0,40. Quindi assumendo per Q i i valori m 3 /anno e m 3 /anno si ottiene che Q assume valori compresi tra circa e m 3 /anno Stima del rateo medio di sedimentazione del canale in progetto Poiché il canale in progetto è lungo circa 2,0 km e presenta un modesto angolo rispetto alla direzione media del trasporto solido longitudinale, si assume che il canale intercetti completamente il trasporto solido longitudinale Q stimato al paragrafo precedente. Ovviamente il canale sarà soggetto ad una sedimentazione variabile lungo il suo asse. In particolare sulla base della (2) tenderà a sedimentare di più dove la differenza tra la profondità di dragaggio e quella in condizioni indisturbate è maggiore, ovvero sedimenterà molto più velocemente nella zona d imboccatura portuale. Per tenere conto di questo fattore si è suddiviso il canale nei tratti I, C2 e C1 di figura 1 all interno dei quali la profondità di dragaggio è prevista in progetto costante. Indicando con il pedice i il generico tratto di canale, la frazione di trasporto solido longitudinale normalizzata intercettata dal tratto i-esimo,, è esprimibile con la seguente espressione: dove: (3) (4) 11

12 Indicando con Δd la riduzione di fondale prodotta dal trasporto solido medio annuale intercettato per ciascun tratto di canale, in relazione ai due valori di trasporto solido, si ottiene: per Q= m 3 /anno: Δd = I 1,1 m Δd = C2 0,2 m Δd = C1 0,0 m per Q= m 3 /anno: Δd = I 0,3 m Δd = C2 = 0,0 m Δd = C1 0,0 m I risultati sopra riportati sono stati ottenuti prendendo in esame per ciascun tratto una sezione media rappresentativa dello stesso e assumendo per d 2 il valore medio che si ottiene tra le due sponde del canale in corrispondenza della sezione rappresentativa. Inoltre per il calcolo della riduzione di fondale si è ipotizzato che il materiale si distribuisca uniformemente su ciascuna area. 12

13 7. ANALISI DEI RISULTATI I risultati riportati nel paragrafo 6 sono stati ottenuti mediante l applicazione di una formula empirica senza introdurre alcun coefficiente di sicurezza. Date le approssimazioni in gioco, dovute in gran parte allo schema di calcolo adottato, forse potrebbe risultare opportuno applicare un coefficiente di sicurezza ai risultati ottenuti. I risultati mostrano in generale che all aumentare della profondità di dragaggio rispetto alla profondità naturale, tende ad aumentare la capacità del canale dragato di intercettare la portata solida che lo attraversa. Di conseguenza la zona a maggiore sedimentazione è sicuramente quella di imboccatura che potrebbe richiedere dragaggi con cadenza dell ordine dell anno. I valori di riduzione di fondale calcolati sono stati ottenuti nell ipotesi che il materiale intercettato si distribuisca in modo uniforme su ciascuna area. Questa ipotesi non è cautelativa specialmente per la zona d imboccatura dove la sedimentazione tenderà ad interessare maggiormente l area posta a ridosso della diga foranea. Per ridurre le approssimazioni del metodo utilizzato, si potrebbe studiare il problema utilizzando un approccio numerico che riproduca sia il campo idrodinamico sia il relativo trasporto solido e di conseguenza le variazioni del fondale nel tempo. L applicazione di un approccio di questo tipo potrebbe risultare utile durante il monitoraggio. In questo contesto i rilievi batimetrici di controllo potrebbero essere utilizzati per verificare/calibrare i modelli numerici. I modelli numerici una volta calibrati consentirebbero sia di calcolare i valori medi annui di sedimentazione, sia di analizzare la morfodinamica dei fondali a scala di evento, ovvero la sedimentazione che può essere prodotta da singoli eventi di moto ondoso estremi ma frequenti che potrebbero causare rapide sedimentazioni nella sezione d imboccatura con eventuale ripercussione sull operatività del canale. Si ritiene che una analisi a scala di evento potrebbe risultare utile anche per valutare la necessità o meno di mettere a punto metodologie di gestione del canale dragato rivolte a limitare la durata di eventuali situazioni di ridotta operatività del porto. RIFERIMENTI BIBLIOGRAFICI Gosh, L.K., Prasadd, N., Joshi, V.B., Kunte, S.S. (2001), A study on siltation in access canne to a port, Coastal Engineering, 43 (2001)