STUDIO SPERIMENTALE DEL COMPORTAMENTO IDRAULICO DEGLI ARGINI DEL MEDIO CORSO DEL PO. Luca Pagano, DICEA, Università di Napoli Federico II luca.pagano@unina.it Alessandra Nocilla DICATAM, Università di Brescia nocilla@ing.unibs.it Sommario Nella nota si presentano i risultati di prove di invaso in vera grandezza per l analisi delle condizioni di sicurezza e la definizione dei moti di filtrazione negli argini del medio corso del Po. La sperimentazione è stata sviluppata in un prototipo opportunamente strumentato realizzato a tergo dell argine esistente. Il rilevato esistente, il prototipo e i terreni di fondazione sono stati oggetto di una campagna di indagini, eseguita sia in sito che in laboratorio, finalizzata alla definizione delle caratteristiche fisiche e meccaniche e del profilo geotecnico dei terreni di fondazione e dei materiali da costruzione. Le prove di invaso ed il contemporaneo monitoraggio delle pressioni interstiziali e delle variabili atmosferiche, sono state eseguite con carichi idraulici variabili, simulando i gravosi eventi di piena verificatisi nel 1976 e nel 2000. Tali eventi di piena non hanno comportato la totale saturazione dell argine nel quale, come indicato dai risultati e dalla intepretazione della modellazione del problema al finito, è assicurato il persistere di uno stato di parziale saturazione nella maggior parte del volume. I valori di suzione che ne derivano influenzano i valori della restistenza del terreno e i coefficienti di stabilità degli argini. 1. Introduzione Eventi di piena del fiume Po e dei suoi affluenti hanno spesso causato distruzioni e vittime sia nel lontano che nel recente passato. Storicamente esse sono state fronteggiate con la costruzione di nuovi argini e un continuo adeguamento degli argini esistenti, adottando altezze maggiori e utilizzando materiali con differenti caratteristiche meccaniche. Lungo l intero sviluppo degli argini, che oggi è di circa 2000 Km, i materiali da costruzione sono stati e vengono a tutt oggi prelevati da cave di prestito ubicate in corrispondenza della zona golenale. L assortimento granulometrico dei materiali impiegati, ovvero dei depositi fluviali incontrati, risulta caratterizzato da percentuali di fine progressivamente maggiori nella direzione di scorrimento del fiume. Le procedure e i criteri adottati per la costruzione e l adeguamento sono stati nel tempo progressivamente migliorati e standardizzati all interno di linee guida dall agenzia che gestisce i problemi di sicurezza del fiume e degli affluenti (in precedenza denominata Magistrato per il Po - MagisPo, e, attualmente Agenzia Interregionale per il fiume PO AIPO). I problemi di sicurezza riguardano soprattutto l instabilità globale del sistema rilevato-terreni di fondazione e il sifonamento dei terreni di fondazione. Le linee guida prescrivono che, la stabilità globale del sistema vada verificata ipotizzando condizioni di flusso stazionario associate al massimo livello di piena previsto. Tale assunzione appare ragionevole se riferita ai rilevati presenti nell alto corso del fiume, in quanto costituiti da materiali più grossolani. Sembra al contrario irrealistica se applicata ai rilevati in materiali a grana fine del medio e basso corso, laddove è legittimo supporre che i bassi valori del coefficiente di permeabilità e la limitata durata di una piena producano una modesta penetrazione del fronte saturo all interno dell argine, assicurando il persistere di uno stato di parziale saturazione nella maggior parte del volume di rilevato. Il considerare scenari di flusso di natura transitoria in luogo di quelli stazionari
Incontro Annuale dei Ricercatori di Geotecnica 2013- IARG 2013 oggi prescritti potrebbe consentire di portare in conto nelle verifiche di stabilità gli effetti della suzione che, come noto, rappresenta una risorsa aggiuntiva di resistenza (Colombo, 1965). Il presente lavoro (Calabresi et al., 2013), sviluppato nell ambito di una convenzione di ricerca tra il MagisPo e quattro università italiane (Brescia, Napoli, Parma e Roma), è finalizzato al riconoscimento dei livelli di suzione che persistono durante eventi di piena severi da considerare nelle verifiche di stabilità. Le implicazioni pratiche sarebbero soprattutto di ordine economico, in quanto considerare una maggiore resistenza si tradurrebbe in argini di volume minore in tutti quei casi in cui la verifica di stabilità risulta condizionante per la definizione della geometria. L attività sperimentale, sviluppata realizzando un argine sperimentale strumentato per la misura della suzione e sottoposto ad eventi di piena simulati, è stata localizzata nel medio corso del fiume Po in Viadana (Mantova). I risultati sono stati interpretati attraverso la modellazione del problema al finito, che ha fornito le distribuzioni di pressioni interstiziali e quindi gli stati tensionali efficaci necessari alle verifiche di stabilità. 2. Caratterizzazione geotecnica del sito e realizzazione del prototipo La geometria del prototipo e la strumentazione installata sono riportate in Figura 1. Esso presenta uno sviluppo parallelo all argine esistente e si chiude su di esso a formare una vasca. Attraverso il riempimento di tale vasca è stato possibile simulare eventi di piena storici e caratterizzare, grazie al sistema di monitoraggio illustrato in figura, la risposta idraulica del sistema costituito dal prototipo e dai terreni di fondazione. Figura 1. Geometria del sistema costituito dal prototipo e dell argine esistente e ubicazione degli strumenti per il monitoraggio dell opera
Incontro Annuale dei Ricercatori di Geotecnica 2013- IARG 2013 Seguendo la pratica comune i materiali da costruzione sono stati estratti da una cava di prestito realizzata nella zona golenale. Il prototipo è stato realizzato di altezza uguale a quello esistente (H= 4.5 m). Le caratteristiche stratigrafiche del sottosuolo sono state definite attraverso una campagna di indagini comprendente numerosi sondaggi a carotaggio continuo, il profilo geotecnico è stato ottenuto con prove di laboratorio finalizzate all identificazione e alla valutazione delle caratterizzazione delle proprietà fisico-meccaniche, e con prove in sito, consistenti nell installazione di numerosi piezometri e nell esecuzione di SPT, Vane Tests, CPTU e prove Lefranc (misura della permeabilità in sito). La Figura 2 riporta schematicamente le geometrie incontrate nel sottosuolo. E possibile notare la presenza di uno strato superficiale di sabbie sovraimposto a terreni caratterizzati da conducibilità idraulica inferiore. Il prototipo è stato costruito adottando, in una configurazione geometrica simmetrica, due diversi materiali, classificati (AASHTO M 145-82) rispettivamente A6-A7 (terreni a grana fine plastici e compressibili; materiale indicato come A nel seguito) e A4-A6 (terreni a grana fine caratterizzati da basta plasticità e compressibilità; materiale indicato come materiale B nel seguito). Nelle due porzioni di rilevato sono state ubicate due sezioni strumentate, indicate con le medesime lettere con cui sono stati simboleggiati i due diversi materiali impiegati (Figura 2). Per entrambe le porzioni di rilevato le prove di controllo hanno evidenziato che il costipamento è avvenuto sul ramo umido della curva Proctor Standard (+3% wopt). I materiali da costruzione sono stati caratterizzati nel loro comportamento meccanico e idraulico anche in condizioni di parziale saturazione (Vassallo et al., 2007). Sia su provini ricavati da campioni costipati in laboratorio, sia su provini ottenuti da prelievi indisturbati eseguiti all interno del prototipo, sono state ricavate la curva di ritenzione idrica in desaturazione e risaturazione, gli inviluppi di rottura e le proprietà di rigidezza al variare della suzione. Dall esecuzione di prove edometriche in condizioni sature è stato infine misurato il coefficiente di permeabilità al variare dell indice dei vuoti. Figura 2. Stratigrafia dei terreni di fondazione
3. Monitoraggio e analisi del problema al finito. L esperimento approntato ha consentito di caratterizzare il comportamento di un rilevato in vera grandezza assoggettato ad eventi di piena e sotto l effetto di condizioni al contorno realistiche alla base (terreni di fondazione reali) e lungo la superficie esposta (flussi d interscambio rilevato-atmosfera reali). Le piene soso state simulate riempendo la vasca con acqua prelevata dal fiume, con una pompa calibrata per consentire la simulazione di due piene storica così come esse sono state registrate in corrispondenza del sito di ubicazione del prototipo: quella del 1976, risultata eccezionale per la durata dei livelli idrometrici elevati, e quella del 2000, risultata eccezionale per il picco idrico raggiunto dal fiume (valore massimo raggiunto negli ultimi secoli). Le pressioni interstiziali misurate nel sottosuolo e nel prototipo nelle fasi precedenti, contestuali e successive agli eventi di piena sono state dapprima interpretate empiricamente e, successivamente, reinterpretate attraverso una modellazione del problema al finito propedeutica all analisi delle condizioni di stabilità. L evoluzione delle condizioni idrauliche che agiscono al contorno del sistema è mostrata in Figura 3a e 3b. Figura 3a mostra l evoluzione dei livelli idrici della vasca e del fiume e l evoluzione della falda lato campagna, ottenuta dall interpretazione dei livelli piezometrici realizzati al piezometro maggiormente ubicato verso campagna. La Figura 3b riporta invece l evoluzione di variabili meteorologiche tradizionali (precipitazioni, temperatura, umidità relativa) interpretate anche in chiave di evaporazione potenziale e reale. L evaporazione reale è stata stimata, in particolare, seguendo i suggerimenti FAO (Allen et al., 1998) come: E c (t) =k c (t) E p (t) (1) Nell equazione (1), si rappresenta l evapotranspirazione potenziale di una superficie di riferimento. Essa è stata stimata seguendo l approccio suggerito da the Penman (1948)-Monteith (1965). Alla fine del processo costruttivo si osservano (Figure 3c e 3d) valori di suzione di pochi kpa. Successivamente si osserva un processo di desaturazione del rilevato, accompagnato da incrementi di suzione saltuariamente interrotti, nei tensiometri superficiali (T1A e T1B, 5 Maggio) dagli effetti delle precipitazioni e nei tensiometri più profondi (T3B, T5B, T6B e T3A) dal riempimento della vasca. Nelle zone più esterne gli alti livelli di evaporazione potenziale favoriscono il processo di desaturazione e generano incrementi di suzione più significativi rispetto all interno del rilevato dove gli effetti indotti dall atmosfera si attenuano. In allontanamento dal contorno rilevato-atmosfera le riduzioni di suzione sono dunque meno rapide, come risulta evidente dal confronto tra gli andamenti registrati in T1A e T2A, in T1B e T2B, in T6A e T5A/T3A. In T1 e T2 la rapidità del processo di desaturazione porta in breve tempo i valori di suzione oltre la soglia di cavitazione degli strumenti (80 kpa). Le misure in T2A and T2B non risultano sensibili al riempimento della vasca anche per livelli idrici che superano la quota degli strumenti. Si dimostra quindi sperimentalmente che il fronte umido realizza una penetrazione modesta verso l interno del rilevato anche in presenza di una piena significativa. Nel corso degli eventi di piena simulati i tensiometri ubicati in prossimità della base del rilevato nella sezione B (T3B, T5B and T6B) misurano un improvviso decremento di suzione, effetto che si attenua con la distanza dalla vasca. Il moto di filtrazione che si sviluppa attraverso lo strato superficiale molto permeabile determina infatti un fronte umido che penetra attraverso la base del rilevato. Le misure mostrano in sintesi che il rilevato non solo conserva lo stato iniziale di parziale saturazione iniziale ma lo accentua nel tempo, mostrandosi molto sensibile ad azioni di tipo persistente, quali quelle associabili ai processi evaporativi, e poco sensibile alle azioni di breve durata, quali le precipitazioni e gli eventi di piena. La modellazione del problema al finito è stata realizzata nell ipotesi di scheletro solido rigido, dopo aver verificato, attraverso confronti con approcci diversi, la fondatezza di tale assunzione.
Figura 3. Evoluzione dei livelli idrici, delle variabili atmosferiche, dei flussi suolo-atmosfera e della suzione
Sono state risolte le equazioni di Richard su un dominio bidimensionale (Figura 4) utilizzando il codice ad elementi finiti SEEP/W FEM (GEO-SLOPE, 2004) e assumendo al contorno dello schema geometrico le evoluzioni dei flussi e dei valori noti di pressione riportate nelle Figure 3a e 3b. I contorni non bagnati sono stati trattati come superfici di filtrazione assumendo come flussi di riferimento il valore nullo ai bordi laterali (NM e WZ in Fig.4) e i valori potenziali indotti dall atmosfera sulla restante parte del contorno. Figura 4. Schema geometrico sottoposto ad analisi con indicazione delle condizioni al contorno Attraverso il modello è stata realizzata un analisi a ritroso delle misure di suzione nel prototipo e delle misure di pressione interstiziale nel sottosuolo, variando la funzione di permeabilità del materiale. Il best-fitting delle misure, riportato nelle figure 5 e 6, è risultato abbastanza soddisfacente. Figura 5. Best fitting delle evoluzioni di suzione misurate nel prototipo
Figura 6. Best fitting delle evoluzioni di pressione interstiziale misurate nel sottosuolo I valori di pressione interstiziale ottenuti attraverso le analisi sono stati utilizzati per eseguire verifiche di stabilità di tipo tradizionale con il metodo di Bishop. La Figura 7 riporta in confronto l evoluzione del coefficiente di sicurezza nel tempo. Esso mostra una tendenza crescente o al più costante durante
gli eventi di piena simulati. I Valori del coefficiente di sicurezza ottenuti nell ipotesi di flusso transitorio si discostano progressivamente dai valore ottenuti assumendo un flusso di tipo stazionario. Figura 7. Evoluzione dei coefficienti di sicurezza all instabilità globale 4. Conclusioni L esperimento condotto consente di svolgere le seguenti osservazioni conclusive: - il comportamento degli argini fluviali interessati solo saltuariamente da eventi di piena, non può essere compreso o previsto senza considerare gli effetti dell interazione rilevato-atmosfera e i livelli di suzione generati dai processi evaporativi, - il comportamento può essere analizzato ricorrendo all ipotesi di scheletro solido rigido, - la stratigrafia del sottosuolo può condizionare in modo decisivo il flusso all interno del rilevato, - la penetrazione della linea di saturazione nel rilevato durante un evento di piena è modesta, - l annullamento della suzione è dunque relativo ad una sottile zona prossima al contorno bagnato ed eventualmente, come nel caso in esame, alla base, - le verifiche di stabilità possono senz altro essere condotte considerando condizioni di flusso transitorio e livelli di suzione non nulli all interno del rilevato. Note La presente nota è la sintesi del lavoro (Calabresi et al., 2013) sviluppato dal gruppo di ricerca delle Univeristà di Roma La Sapienza (Giovanni Calabresi, Alessandra Sciotti), Napoli Federico II (Claudio Mancuso, Luca Pagano), Parma (Gianpaolo Giani, Lorella Montrasio) e Brescia (Francesco Colleselli, Alessandra Nocilla) con l Agenzia Interregionale del fiume Po AIPO (Ernesto Reali, Domenico Danese).
Bibliografia Allen R. G., Pereira L. S., Raes D., and Smith M. (1998). Crop evapotranspiration: guidelines for computing crop requirements. Irrigation and Drainage Paper No. 56, FAO, Rome, Italy. 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. doi: 10.1139/cgj-2012-0339 Colombo, P. (1965). I materiali dei rilevati arginali. Studio delle caratteristiche dell argilla limosa degli argini del Po. La ricerca scientifica. Anno 35, Serie 2, No. 8(4), 863-880 (in Italian) GEO-SLOPE (2004). SEEP/W for finite element seepage analysis. GEO-SLOPE International, Calgary Monteith, J.L., 1965. Evaporation and Environment. 19th Symposia of the Society for Experimental Biology, University Press, Cambridge, 19, 205-234 Penman, H. L. 1948. Natural evaporation from open water, bare soil and grass. Proc. Roy. Soc. London. A193, 120-146. Vassallo R., C. Mancuso, F. Vinale, 2007. Effects of net stress and suction history on the small strain stiffness of a compacted clayey silt. Canadian Geotechnical Journal, 44(4), 447-462.