Gli invasi Artificiali e la gestione. Paola Galliani

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1 Gli invasi Artificiali e la gestione Paola Galliani ISPRA Istituto Superiore per la Protezione e Ricerca Ambientale 11 marzo 2013 Ing. Paola Galliani 1

2 Parte prima: Ing. Paola Galliani Invasi artificiali, la loro classificazione, la competenza del Ministero delle Infrastrutture e dei Trasporti, gli elementi conoscitivi sul loro dimensionamento. benefici indotti sul territorio. Parte seconda: Ing. Angelo Felli Interrimento degli invasi artificiali. Progetti di gestione. Ing. Paola Galliani 2

3 Sommario E obiettivo di questa presentazione fornire un quadro sugli invasi artificiali, la loro classificazione, le principali definizioni, i principali elementi e grandezze di una diga, la tipologia. In particolare per i grandi invasi, di competenza del Ministero delle Infrastrutture e dei Trasporti verrà fornito un quadro sulla loro suddivisione nel territorio nazionale distinto per regione, per età media della costruzione, per ufficio periferico e per volume d invaso. Per gli invasi verranno forniti elementi conoscitivi sui benefici indotti sul territorio per effetto della laminazione delle piene Ing. Paola Galliani 3

4 Dighe per la gestione delle risorse idriche E fondamentale la presenza sul territorio di invasi per la gestione delle risorse idriche. In Italia sono state realizzate 539 grandi dighe di competenza del Ministero Infrastrutture e Trasporti e oltre invasi di piccole dimensioni di competenza delle Regioni, delle Province e di altri Enti. Detti invasi permettono di invasare oltre 9 Mld m 3 ; vi sono poi altri serbatoi in costruzione, che dovrebbero portare la capacità totale a 10,5 Mld m 3. Ing. Paola Galliani 4

5 Gli Uffici Tecnici per le Dighe, coordinati dalla Direzione generale per le dighe presso il Ministero delle Infrastrutture e dei Trasporti, svolgono funzioni di controllo e vigilanza sulla sicurezza delle dighe, con altezza maggiore di 15 metri oppure con volume di invaso maggiore di di metri cubi. I 9 Uffici Tecnici per le Dighe svolgono, sulle dighe di competenza, periodici sopralluoghi ed espletano attività di raccolta di dati e di informazioni, relative alle misure di controllo condotte sugli impianti. Gli Uffici forniscono anche supporto tecnico in occasione di scenari di emergenza che coinvolgano la sicurezza delle dighe, nonché consulenze ad altri Enti pubblici in merito al controllo di dighe di altezza o volume di invaso inferiori ai suddetti parametri. UTD TO UTD MI UTD VE UTD FI UTD PG UTD NA UTD CZ UTD PA UTD CA Ing. Paola Galliani 5

6 Introduzione : quadro nazionale grandi dighe Regione Grandi Dighe Età media PIEMONTE VALLE D'AOSTA 8 72 LIGURIA LOMBARDIA EMILIA ROMAGNA TRENTINO ALTO ADIGE VENETO FRIULI VENEZIA GIULIA Tot. 539 dighe età media 57 anni Regione Grandi Dighe Età media TOSCANA MARCHE UMBRIA LAZIO ABRUZZO MOLISE 7 33 SARDEGNA CAMPANIA PUGLIA 9 30 BASILICATA CALABRIA SICILIA Ing. Paola Galliani 6

7 LE DIGHE IN ITALIA Sono 539 le dighe in esercizio di competenza della D.G. Dighe 75 % collaudate 25 % in invaso sperimentale N. PROGR. DIGHE ANNO DI COSTRUZIONE Ing. Paola Galliani 7

8 CLASSIFICAZIONE DELLE DIGHE (D.M. LL.PP. 24 marzo 1982) A. Dighe murarie: a. a gravità; 1. ordinarie; 2. a speroni, a vani interni; b. a volta; 1. ad arco; 2. ad arco-gravità; 3. a cupola; c. a volte o solette, sostenute da contrafforti. B. Dighe di materiali sciolti; a. di terra omogenee; b. di terra e/o pietrame, zonate, con nucleo di terra per la tenuta; c. di terra permeabile o pietrame, con manto o diaframma di tenuta di materiali artificiali; C. Sbarramenti di tipo vario; D. Traverse fluviali. Ing. Paola Galliani 8

9 DIGA A GRAVITA ORDINARIA struttura ad asse planimetrico rettilineo o a debole curvatura, con profilo trasversale fondamentale triangolare a sezioni orizzontali piene la resistenza alla spinta dell'acqua - ed eventualmente del ghiaccio ed alle azioni sismiche - è sopportata per effetto del solo peso proprio Ing. Paola Galliani 9

10 DIGA A GRAVITA A SPERONI struttura costituita da una successione di elementi indipendenti (speroni) con profilo fondamentale triangolare, a reciproco contatto lungo il paramento di monte la resistenza alla spinta dell'acqua - ed eventualmente del ghiaccio ed alle azioni sismiche - è sopportata per effetto del solo peso proprio Ing. Paola Galliani 10

11 DIGA AD ARCO la resistenza alla spinta dell'acqua - ed eventualmente del ghiaccio ed alle azioni sismiche - è sopportata in grande prevalenza per effetto della curvatura longitudinale (arco) Ing. Paola Galliani 11

12 DIGA AD ARCO GRAVITA la resistenza alla spinta dell'acqua - ed eventualmente del ghiaccio ed alle azioni sismiche - è sopportata sia per effetto della curvatura longitudinale (arco) sia per il peso proprio della sezione trasversale (mensola) Ing. Paola Galliani 12

13 DIGA A CUPOLA quando la forma ed i rapporti di dimensione sono tali che la reattività elastica e assimilabile a quella di lastra a doppia curvatura. la resistenza alla spinta dell'acqua - ed eventualmente del ghiaccio ed alle azioni sismiche - è sopportata per effetto della doppia curvatura longitudinale e verticale Ing. Paola Galliani 13

14 DIGA A VOLTE E CONTRAFFORTI successione di volte o di solette poggiate su contrafforti aventi profilo fondamentale triangolare Ing. Paola Galliani 14

15 DIGA DI MATERIALI SCIOLTI rilevato formato con materiali sciolti (terra o pietrame) la resistenza alla spinta dell'acqua - ed eventualmente del ghiaccio ed alle azioni sismiche - è sopportata per effetto del solo peso proprio Il dispositivo di tenuta è formato con materiali sciolti appropriati (nucleo) ovvero con materiali artificiali (manto di tenuta) Ing. Paola Galliani 15

16 TRAVERSA Struttura di sbarramento costituita da paratoie sostenute da pile che determinano un rigurgito contenuto nell'alveo del corso d'acqua Ing. Paola Galliani 16

17 Tipologia costruttiva delle grandi dighe italiane materiali sciolti 25.32% traverse 6.61% Volume Tipologia invaso muratura materiali sciolti traverse Totale muratura 68.07% Ing. Paola Galliani 17

18 Grandi dighe italiane confronto percentuale volumi di dimensionamento e numero degli sbarramenti per tipologia costruttiva numero dighe Volumi dimensionamento Gravità ordinaria muratura Gravità ordinaria calcestruzzo Gravità a speroni pieni Gravità a speroni a vani interni Arco gravità Arco semplice Cupola Volte sostenute da contrafforti Solette sostenute da contrafforti Muratura a secco Terra omogenea Terra con manto Terra con nucleo verticale Pietrame con manto Pietrame con nucleo inclinato Pietrame con nucleo verticale Blocchi di calcestruzzo lubrificati Traversa in muratura Traversa in calcestruzzo Ing. Paola Galliani 18

19 Grandi dighe italiane tipologia costruttiva per ufficio periferico mur ter tra mur ter tra mur ter tra mur ter tra mur ter tra mur ter tra mur ter tra mur ter tra mur ter tra UPMI UPTO UPVE UPFI UPPG UPNA UPCZ UPPA UPCA Ing. Paola Galliani 19

20 1.0 Grandi dighe italiane tipologia costruttiva, esercizio ed ufficio periferico Normale Sperimentale Limitato Costruzione Fuori esercizio muratura terra traversa muratura terra traversa muratura terra traversa muratura terra traversa muratura terra traversa muratura terra traversa muratura terra traversa muratura terra traversa muratura terra traversa UPMI UPTO UPVE UPFI UPPG UPNA UPCZ UPPA UPCA Ing. Paola Galliani 20

21 Definizioni di principali elementi o grandezze di una diga Ing. Paola Galliani 21

22 PRINCIPALI DEFINIZIONI 1. Altezza della diga: è il dislivello tra la quota del piano di coronamento (esclusi parapetti ed eventuali muri frangionde) e quella del punto più basso della superficie di fondazione (escluse eventuali sottostrutture di tenuta). 2. Quota di massimo invaso: è la quota massima a cui può giungere il livello dell'acqua dell'invaso ove si verifichi il più gravoso evento di piena previsto, escluso la sopraelevazione da moto ondoso. 3. Quota di massima regolazione: è la quota del livello d'acqua al quale ha inizio, automaticamente, lo sfioro degli appositi dispositivi. 4. Altezza di massima ritenuta: è il dislivello tra la quota di massimo invaso e quella del punto più depresso dell'alveo naturale in corrispondenza del paramento di monte. 5. Franco: è il dislivello tra la quota del piano di coronamento e quella di massimo invaso. 6. Franco netto: è il dislivello tra la quota del piano di coronamento e quella di massimo invaso aggiunta a questa la semiampiezza della massima onda prevedibile nel serbatoio. 7. Volume totale di invaso: è la capacità del serbatoio compresa tra la quota di massimo invaso e la quota minima di fondazione; per le traverse fluviali è il volume compreso tra il profilo di rigurgito più elevato indotto dalla traversa ed il profilo di magra del corso di acqua sbarrato. 8. Volume utile di regolazione: è il volume compreso fra la quota massima di regolazione e la quota minima del livello dell'acqua alla quale può essere derivata l'acqua invasata. 9. Volume di laminazione: è il volume compreso fra la quota di massimo invaso e la quota massima di regolazione, ovvero, per i serbatoi specifici per laminazione delle piene, tra la quota di massimo invaso e la quota della soglia inferiore dei dispositivi di scarico. Ing. Paola Galliani 22

23 ELEMENTI CHE COMPONGONO UNA DIGA struttura di sbarramento roccia di fondazione schermo in fondazione scarichi e relativi impianti serbatoio drenaggi strumentazione di controllo accessi (strade, funivie, sentieri, cunicoli, gallerie,...) casa di guardia derivazione PRESTAZIONE RICHIESTA PER L ESERCIZIO O LA SICUREZZA tenuta e stabilità alla spinta dell acqua di invaso e agli altri carichi permanenti e transitori elevata resistenza e bassa deformabilità tenuta evacuazione delle piene, vuotamento del serbatoio, ma anche stabilità volume utile di invaso, tenuta e stabilità delle sponde abbattimento delle sottopressioni evoluzione nel tempo di deformazioni, stati di sforzo, perdite, piezometria, rendere accessibile l opera consentire la vigilanza utilizzo dell acqua di invaso Ing. Paola Galliani 23

24 Introduzione: serbatoio artificiale - definizione tecnica serbatoio: un dispositivo per trasferire una determinata quantità di acqua da un tempo ad un altro, e precisamente dal tempo in cui la natura la rende disponibile, ma essa è inutile o addirittura dannosa dal punto di vista antropico, al tempo in cui ne diventa necessario l utilizzo, oppure può esserne effettuato lo smaltimento senza danni (C. Fassò, 1991) impianto di ritenuta: il serbatoio artificiale costituito dall insieme dello sbarramento, delle opere complementari ed accessorie, delle sponde del serbatoio e dell acqua invasata (schema nuovo regolamento dighe) invaso: accumulo idrico che si crea attraverso la costruzione e gestione di un manufatto (diga o traversa) in grado di trattenere dell'acqua e di causare il contemporaneo deposito di materiale solido (regolamento dighe Regione Piemonte); Ing. Paola Galliani 24

25 Introduzione: altre definizioni tecnico-normative Volume di invaso o capacità di invaso: capacità del serbatoio compresa fra la quota più elevata delle soglie sfioranti degli scarichi, o della sommità delle eventuali paratoie (quota di massima regolazione), e la quota del punto più depresso del paramento di monte, da individuare sulla linea di intersezione tra detto paramento e piano di campagna (art.1 D.L. 507/94 conv. L. 584/94 e circ. P.C.M /95, lettera F). Volume utile di regolazione o capacità utile dell invaso: volume compreso fra la quota massima di regolazione e la quota minima alla quale l acqua invasata può essere derivata per l utilizzazione prevista (D.M. 24 marzo 1982). Volume morto: volume destinato da progetto al progressivo interrimento, in genere compreso tra la quota di fondo più depressa del serbatoio e la quota inferiore delle soglie di imbocco degli scarichi profondi (fondo e/o esaurimento). Ing. Paola Galliani 25

26 Introduzione: schema definizioni tecnico-normative volume di invaso volume morto volume utile di regolaz. originaria intersezione tra paramento di monte e piano di campagna Ing. Paola Galliani 26

27 LAMINAZIONE DELLE PIENE L accumulo temporaneo dei volumi idrici transitanti durante un evento di piena in un invaso artificiale produce una riduzione del valore al colmo dell idrogramma in uscita rispetto a quello in entrata, configurando il cosiddetto effetto di laminazione della piena. L'effetto di "laminazione" è quindi ottenuto mediante l'invaso della portata affluente in una parte del volume utile del serbatoio, che quindi incrementa di livello idrico nel serbatoio. Successivamente il volume raccolto viene restituito in un intervallo di tempo più lungo: in questo gioco di invaso e rilascio, l'onda di piena riduce il suo colmo e si appiattisce. Durante la progettazione devono essere attentamente considerati l'idrogramma di progetto (ovvero la forma e le quantità di acqua che potrebbe affluire), le caratteristiche realizzative del manufatto e degli scaricatori. A parità di caratteristiche dell onda di piena entrante, l effetto di laminazione risulta fortemente influenzato da fattori di tipo morfologico e idraulico, quali l area del lago, l area del bacino e le caratteristiche geometriche degli organi di scarico Ing. Paola Galliani 27

28 Le equazioni che reggono il processo di laminazione nel lago a monte della diga sono l equazione di continuità qe(t) qu(t) = dw(t)/dt e la legge di efflusso dallo sfioratore di superficie q u (t) = µ L h(t) 3/2 2g dove q e (t) e q u (t) sono rispettivamente la portata entrante e uscente dal lago al tempo t, W(t) è il volume invasato nel lago al di sopra del ciglio sfiorante nel medesimo istante, h(t) l innalzamento misurato a partire dal punto più elevato del profilo di sfioro Creager, L la lunghezza dello sfioratore e µ il suo coefficiente di efflusso. Ing. Paola Galliani 28

29 Q c Q Idrogramma in ingresso Idrogramma in uscita W Q umax W t Ing. Paola Galliani 29

30 La finalità d uso dell invaso modificano sostanzialmente la sua modalità di gestione e questo si ripercuote sull entità delle portate di piena rilasciate a valle. Se l invaso è destinato unicamente alla laminazione delle piene, di norma esso è dotato di una luce libera in prossimità del fondo e di uno sfioratore superficiale. Questa situazione determina un forte effetto di laminazione, almeno fino al punto in cui il pelo libero non raggiunge la quota degli sfioratori. Se l invaso svolge anche funzione di regolazione dei deflussi ai fini delle utilizzazioni, oltre che al controllo delle piene, si possono avere risultati diversi al variare delle regole di gestione, dell entità del volume riservato per la laminazione delle piene, oltre che dalle leggi di efflusso dalle luci. Una diga produce comunque un effetto di laminazione Ing. Paola Galliani 30

31 PIANI DI LAMINAZIONE PREVENTIVI PROGRAMMI STATICI O DINAMICI: devono consentire di rendere disponibile con adeguato anticipo i volumi preventivamente definiti o comunque utili ai fini delle laminazione della piena. PROGRAMMA STATICO di breve periodo prevede il mantenimento con continuità e durante i periodi dell anno valutati critici per il verificarsi di eventi di piena, di una quota di invaso minore della quota di esercizio autorizzata. PROGRAMMA DINAMICO cioè nel tempo reale, prevede l'esecuzione di manovre preventive e/o nel corso dell'evento in atto da attivare sulla base di previsioni quantitative delle precipitazioni sul bacino a monte e dei conseguenti deflussi attesi all'invaso, nonché sulla base dello stato dell'invaso e della portata territorialmente sostenibile a valle dello stesso. Ing. Paola Galliani 31

32 ASPETTI DI SICUREZZA Le fasi di progettazione e costruzione delle dighe introducono ampi margini di sicurezza nella realizzazione delle opere. Il lungo tempo di esercizio potrebbe ridurre sensibilmente le cautele iniziali e compromettere le prestazioni originarie dei vari elementi che compongono una diga. NEL CORSO DELL ESERCIZIO AUMENTA IL RISCHIO COMPLESSIVO CHE E IL PRODOTTO DEI DUE FATTORI RISCHIO = VULNERABILITÀ * ESPOSIZIONE AUMENTA: LA VULNERABILITA DELLA STRUTTURA (può diminuire le prestazioni dei singoli componenti/materiali rispetto alle previsioni di progetto) L ESPOSIZIONE DEL TERRITORIO (incrementano gli insediamenti a valle) DIMINUISCE: LA CAPACITA UTILE DEL SERBATOIO (interrimento e progetto di gestione) Ing. Paola Galliani 32