Categoria: Idraulica e Difesa del Suolo

Ridurre dal 35 al 40% l’altezza significativa dell’onda incidente e mantenere la torbidità dell’acqua sotto i 50 FTU, contro gli 800 registrati lungo una sponda nuda: questi, in sintesi, i numeri con cui un tappeto vegetale ottenuto dal giacinto d’acqua si è comportato in laboratorio come difesa spondale. La ricerca, firmata da Nguyen Quoc Bang, Dinh Van Duy, Tran Van Ty, Cu Ngoc Thang, Nigel K. Downes e Hitoshi Tanaka, è pubblicata su CivilEng, vol. 6, pag. 55, DOI 10.3390/civileng6040055.

Dal giacinto d’acqua, specie invasiva, a materia prima antierosione

L’erosione spondale nel Delta del Mekong vietnamita (VMD) mette sotto pressione terreni agricoli, infrastrutture e insediamenti. Le difese ricorrenti puntano su geotessili sintetici o rivestimenti in calcestruzzo, soluzioni costose e con effetti ambientali disturbanti. Il gruppo di lavoro ha seguito una strada diversa, valorizzando Eichhornia crassipes, il giacinto d’acqua (water hyacinth, WH), pianta acquatica invasiva e ampiamente disponibile nel territorio. Dalla pianta si ricavano tappeti biodegradabili a basso costo, proposti come soluzione basata sulla natura (nature-based solution, NbS) per protezioni di sponda su scala contenuta. La sperimentazione ha inoltre un primato: è la prima a verificare tappeti di WH minimamente lavorati in condizioni di marea simulate nel VMD.

Sedimenti e moto ondoso: le due prove idrauliche

Il programma di laboratorio copre tre verifiche: capacità di ritenzione dei sedimenti, riduzione dell’energia ondosa e durabilità meccanica in cicli bagnato-asciutto. Sulla prima il tappeto agisce direttamente sulla risospensione: nello scenario privo di protezione la torbidità raggiunge 800 FTU, mentre in presenza del geotessile vegetale il valore scende sotto i 50 FTU.

La seconda verifica riguarda il moto ondoso. L’attenuazione dell’energia trasmessa si riflette in una riduzione delle altezze d’onda significative tra il 35 e il 40%, con conseguente alleggerimento del carico a cui la sponda resta esposta. Un comportamento che, se confermato sul campo, diventa il parametro determinante per dimensionare la protezione nelle fasce soggette a marea.

Trazione e allungamento dopo cicli bagnato-asciutto

La tenuta meccanica è stata valutata sottoponendo i campioni a cicli bagnato-asciutto, condizione che riproduce l’alternanza di immersione ed emersione tipica delle zone a marea. Le prestazioni discriminano due variabili: geometria di tessitura e rivestimento. La configurazione a spina di pesce (fish bone) con rivestimento adesivo esprime la resistenza a trazione più alta della campagna, 8,36 kN/m dopo 12 cicli bagnato-asciutto. I campioni privi di rivestimento vanno in direzione opposta: l’allungamento arriva fino al 61,67%, a fronte di una maggiore flessibilità del manufatto. Due comportamenti distinti, che mostrano come la scelta tra tessitura rivestita e nuda pesi sul bilancio tra resistenza e deformabilità.

I numeri chiave della campagna

Biodegradazione e verifica in campo: le tappe mancanti

Gli esiti di laboratorio sostengono la fattibilità dei geotessili di giacinto d’acqua come soluzione basata sulla natura estendibile a scala più ampia nei delta tropicali esposti all’erosione. Il passaggio all’applicazione richiede però tre approfondimenti: la validazione su scala di campo, la quantificazione dei tassi di biodegradazione e l’ottimizzazione delle prestazioni per applicazioni di lunga durata. In un materiale biodegradabile la curva di degrado nel tempo diventa il parametro che definisce la durata utile: la resistenza misurata dopo 12 cicli bagnato-asciutto fotografa il comportamento a quella sollecitazione, mentre la vita reale del manufatto dipenderà dalla velocità con cui la fibra vegetale si degrada nell’ambiente di posa.

Resta da confermare sul campo quello che la cella di laboratorio ha già indicato: che un’infestante acquatica possa diventare, con lavorazione minima, materia prima per difese spondali economiche e biodegradabili.

L’analisi di frequenza delle piene è uno degli strumenti di lavoro consolidati per gli ingegneri civili, eppure le sue fondamenta statistiche sono oggetto di discussione aperta da oltre sessant’anni. È da questo divario tra ciò che la ricerca idrologica produce e ciò che serve a chi progetta che Fahmidah Ummul Ashraf, William H. Pennock e Ashish D. Borgaonkar rilettono l’evoluzione della disciplina in Conundrum of Hydrologic Research: Insights from the Evolution of Flood Frequency Analysis, pubblicato sulla rivista CivilEng (vol. 6, pag. 66, doi: 10.3390/civileng6040066).

Cinque ere, due velocità di avanzamento

La ricostruzione storica procede per epoche: cinque fasi, ognuna dominata da paradigmi e orientamenti propri. Dentro questo quadro emergono ritmi molto diversi. La modellistica idrologica ha accumulato nel Novecento progressi enormi; l’analisi delle frequenze delle piene mostra invece uno sviluppo discontinuo, fatto di cambi di rotta più che di avanzamento lineare. A questa asimmetria si aggiunge una doppia lettura del progresso nella comprensione idrologica: da un lato svolte modellistiche di rilievo, dall’altro una sequenza di risultati rimasti inconclusivi. Due narrazioni contrapposte che coesistono senza risolversi.

Perché la ricerca perde il contatto con il progetto

Le cause della frattura sono tecniche prima che organizzative. Nella letteratura convivono ipotesi statistiche tra loro contraddittorie. Le architetture dei modelli crescono in complessità. Alcune tecniche finiscono per standardizzarsi, cristallizzandosi nell’uso. E i risultati restano privi di un significato fisico unificato, cioè di una chiave che dica al progettista che cosa quei numeri rappresentano davvero sul sistema fisico. La somma di questi fattori genera un conflitto evidente tra il perimetro della ricerca idrologica e quello dei suoi utenti finali, gli ingegneri civili.

Un dibattito aperto dagli anni Sessanta

Nella comunità idrologica esiste chi sostiene che le questioni sollevate dall’evoluzione dei metodi statistici a partire dagli anni Sessanta non siano mai state affrontate fino in fondo. In questa prospettiva ogni epoca non chiude i conti aperti dalle precedenti: vi aggiunge incertezza, nuove domande, nuovi dubbi. Un accumulo, più che una risoluzione.

Il passato come predittore: la posta filosofica del progetto

Sotto la varietà degli strumenti analitici avanzati, anche quando differiscono nella forma, opera un presupposto comune: i dati del passato consentono di prevedere le condizioni future. La tesi opposta, per cui il passato non sempre basta a predire, costituisce invece uno dei fondamenti filosofici della progettazione civile basata sulla resilienza. Sono due impostazioni che descrivono la realtà in modi incompatibili, non varianti dello stesso calcolo.

Il parallelo proposto dagli autori è con la fisica: i fisici riconoscono apertamente i conflitti tra meccanica quantistica e fisica newtoniana. Un atteggiamento analogo, applicato all’idrologia, significherebbe accettare che dalla pratica ingegneristica emergano principi divergenti rispetto a quelli della ricerca, senza forzarli dentro un unico quadro.

La sintesi come condizione del progresso

Senza una sintesi tra scienziati, ingegneri e stakeholder, per gli autori il progresso non si realizza. Riconoscere che filosofie contrastanti possono descrivere la stessa realtà aiuta a illuminare il nodo dei confini della ricerca idrologica e rende possibili attività di sintesi orientate a mettere insieme i pezzi del puzzle.

Per chi usa i risultati dell’analisi di frequenza nelle decisioni di progetto, il messaggio operativo è diretto: dietro ogni metodo c’è un’assunzione sul rapporto tra passato e futuro, e va trattata come tale. Riconoscere la legittimità di principi divergenti, anziché imporne uno solo, è la condizione perché ricerca e pratica tornino a parlare la stessa lingua.

Quantificare il rischio associato alla sicurezza pubblica nel territorio a valle di una diga richiede strumenti in grado di convertire giudizi di natura qualitativa in misure numeriche confrontabili. Un framework sviluppato da Tareq Salloum ed Ernest Forman, pubblicato su CivilEng (doi: 10.3390/civileng7010005), affronta proprio questo problema integrando una struttura concettuale basata su hazard, eventi, obiettivi e controlli con l’Analytic Hierarchy Process, il metodo di decisione multicriterio noto in letteratura come AHP.

Dalla valutazione qualitativa alla scala di rapporto

L’architettura metodologica poggia su un punto centrale: probabilità di accadimento, conseguenze e rischio complessivo vengono espresse su una scala di rapporto. Questa scelta non è secondaria. Operare su rapporti anziché su scale ordinali consente di aggregare i risultati, confrontarli e comunicarli in termini monetari, un aspetto rilevante quando le valutazioni devono sostenere decisioni di allocazione di risorse da parte di proprietari e regolatori.

Il passaggio dal giudizio qualitativo alla misura quantitativa avviene proprio attraverso l’AHP, che trasforma le preferenze espresse dai valutatori in pesi numerici coerenti all’interno della struttura hazard-event-objective-control.

Simulazione probabilistica e misure di rischio estremo

La gestione dell’incertezza è affidata alla simulazione probabilistica. Gli output generati comprendono tre strumenti consolidati nell’analisi dei rischi:

• il Value-at-Risk, per la quantificazione delle perdite attese oltre determinate soglie di confidenza;
• le curve di eccedenza delle perdite, che descrivono la probabilità di superamento per livelli crescenti di danno;
• i diagrammi F-N di tipo societal, che rappresentano la relazione tra frequenza e numero di vittime.

L’insieme di questi output restituisce un quadro che copre sia gli scenari attesi sia quelli estremi, dimensione quest’ultima spesso decisiva nelle valutazioni di tollerabilità del rischio per infrastrutture con potenziale di danno rilevante.

Selezione dei portafogli di controlli

La fase operativa del framework riguarda l’individuazione delle misure di mitigazione. L’ottimizzazione identifica i portafogli di controlli che conseguono la maggiore riduzione del rischio rispetto ai budget disponibili. Il caso di studio, sviluppato su una diga ipotetica, mostra l’applicazione del metodo e la sua capacità di individuare gli investimenti di sicurezza a più alto valore.

Il campo di applicazione copre due livelli decisionali distinti: quello di impianto, con le scelte relative alla singola diga, e quello di programma, con la priorizzazione degli interventi su scala di portafoglio. La coerenza con i principi internazionali di tollerabilità del rischio e con il criterio ALARP, ovvero la riduzione del rischio tanto quanto ragionevolmente praticabile, completa il quadro metodologico.

Per i professionisti del settore, l’interesse del contributo risiede nella trasparenza del processo: una base quantitativa e documentabile su cui fondare la priorizzazione degli interventi di sicurezza pubblica a valle delle dighe.

Al livello di massima piena, le isoipse di carico a 178 e 179 m superano il colmo del sipario di iniezioni della spalla destra, incorporato a quota 177,5 m: la filtrazione trova così una via al di sopra della barriera. È l’esito più rilevante dell’analisi tridimensionale del raccordo tra la diga in terra e pietrame e la diga in calcestruzzo dell’invaso HS, pubblicata su Infrastructures (Vol. 11, pagina 287, doi: 10.3390/infrastructures11080287) da Xinqi Zhao, Fengming Zhou, Yu Li, Yaohong Yang, Jialin Chen, Xiaoyuan Shen e Shoukai Chen. Una verifica previsiva, sviluppata in fase di progetto, che delimita con precisione le zone su cui concentrare la revisione del sistema di controllo delle filtrazioni.

Il raccordo tra diga eterogenea e manufatto in calcestruzzo

Negli invasi realizzati con dighe miste, il punto di raccordo tra il corpo in terra e pietrame e la diga in calcestruzzo costituisce il componente più delicato dell’intero sistema di controllo delle filtrazioni. Il contrasto di rigidezza tra materiali molto diversi e la complessità delle condizioni di fondazione possono generare, proprio in queste zone, percorsi di filtrazione preferenziali localizzati. L’efficacia dell’opera dipende quindi dalla capacità di intercettare il flusso laddove geometria e comportamento meccanico dei materiali cambiano.

Due modelli tridimensionali, due scale di analisi

La valutazione, a carattere previsivo e collocata in fase di progetto, si fonda su due schemi tridimensionali complementari. Il primo copre l’intero sistema diga, fondazione e spalle, restituendo il quadro d’insieme del campo di filtrazione. Il secondo è dedicato alla connessione in corrispondenza del muro taglia-flussi a sperone (cutoff spur wall), dove la morfologia del raccordo impone un approfondimento locale.

I tre scenari di invaso esaminati comprendono il livello di normale invaso, il livello di piena di progetto e il livello di massima piena. Per ciascuna condizione sono stati valutati il campo di filtrazione, i gradienti idraulici nelle posizioni di controllo e le portate zonali, insieme alla risposta dell’interfaccia di connessione e del sipario della spalla destra.

Il nucleo impermeabile assorbe oltre l’80% del carico

Nella sezione di massimo alveo, il nucleo impermeabile assorbe tra l’82,2% e l’83,6% del dislivello idraulico totale nei tre scenari di base. I gradienti nelle posizioni di controllo restano inferiori ai corrispondenti valori di progetto in tutte le condizioni esaminate. Il funzionamento della sezione fluviale appare quindi governato dal nucleo, in linea con la funzione che la tipologia eterogenea zonata assegna a questo elemento.

Spalla destra: filtrazione sopra il colmo del sipario

Il quadro cambia al livello di massima piena. Nel modello locale, le isoipse di carico a 178 e 179 m passano al di sopra del colmo del sipario, posto a quota 177,5 m: si delinea così un percorso di filtrazione sopra la barriera (over-curtain), che aggira la porzione sommitale del sipario.

Le conseguenze sul bilancio di filtrazione sono misurabili. Dal livello di piena di progetto a quello di massima piena, la portata della spalla destra cresce da 259,86 a 544,49 m³/d, con un incremento del 109,5%; nello stesso intervallo la portata totale aumenta del 28,6%. Il divario tra i due tassi di crescita indica che l’apporto del versante destro pesa in misura crescente, in concomitanza con l’attivazione del percorso sopra il colmo del sipario.

Nella zona di connessione il flusso aggira e sottopassa il muro

Anche il raccordo risponde in modo sensibile al livello di invaso. Nella zona di connessione il flusso devia attorno al muro taglia-flussi e al di sotto di esso, mentre i gradienti sulla superficie di connessione crescono all’aumentare del livello dell’invaso. La verifica del contatto diretto tra i due corpi acquista così peso crescente al crescere del carico idraulico.

Le previsioni del modello caratterizzano la risposta tridimensionale della zona di connessione e del sistema di controllo delle filtrazioni della spalla destra, indicando tre direttrici operative: la revisione della crestatura del sipario, i controlli di qualità esecutiva e l’impostazione del monitoraggio dopo il primo invaso. Il passaggio dallo scenario di piena di progetto a quello di massima piena, in questo caso, basta a ridisegnare i percorsi di filtrazione in prossimità dell’aggancio tra corpi eterogenei e strutture in calcestruzzo.

Quando un serbatoio o un canale rivestito in calcestruzzo poggia su un terreno ad alta permeabilità, la quantità d’acqua che raggiunge il sottosuolo dipende essenzialmente da ciò che attraversa il rivestimento: il fondo, molto permeabile, non costituisce di fatto un limite al flusso. La conducibilità idraulica del calcestruzzo diventa così il parametro determinante per il bilancio idrico dell’opera.

A complicare la stima interviene un fattore ben noto a chi segue opere idrauliche in calcestruzzo: nei rivestimenti le fessure si sviluppano in modo generalizzato. Ne consegue che la valutazione della conducibilità idraulica non può prescindere dallo stato di fessurazione, ed è proprio questo il terreno di lavoro di Jean-Pierre Giroud in un contributo pubblicato su Construction Materials.

Perdite idrauliche: quando a governare è il rivestimento

Le camicie in calcestruzzo trovano impiego per il contenimento dell’acqua, in particolare in serbatoi e canali. Su fondazioni ad alta permeabilità il quadro idraulico si sposta: non è più il terreno a condizionare l’infiltrazione nel sottosuolo, ma la portata che passa attraverso il rivestimento. Ogni stima attendibile delle perdite parte quindi dalla caratterizzazione idraulica del calcestruzzo.

La fessurazione, che si manifesta generalmente in questi rivestimenti, impone di condurre la valutazione con particolare riferimento al calcestruzzo fessurato, senza fermarsi al materiale integro. Su questo scenario l’analisi proposta nella pubblicazione si sviluppa lungo due direzioni distinte.

Due approcci alla stima della conducibilità idraulica

• Rassegna di dati misurati. Il primo approccio passa da una revisione di valori selezionati di conducibilità idraulica, misurati sperimentalmente su calcestruzzo integro e su calcestruzzo fessurato e ricavati dalla letteratura pubblicata.
• Modello analitico con fondamento sperimentale. Il secondo porta alla determinazione della conducibilità idraulica del calcestruzzo fessurato tramite un metodo analitico originale, impostato a partire dai risultati di una valutazione sperimentale dell’influenza che tortuosità e rugosità delle fessure esercitano sul flusso di acqua.

Tortuosità e rugosità delle fessure nel metodo analitico

Il secondo approccio si regge su due grandezze che descrivono la geometria interna della fessura. La tortuosità riguarda l’andamento del percorso che l’acqua deve seguire all’interno della fessura stessa, mentre la rugosità dipende dalle caratteristiche delle pareti che la delimitano. Entrambe influenzano il flusso di acqua attraverso la fessura, ed è proprio questa influenza a essere stata oggetto di una valutazione sperimentale specifica.

Una volta caratterizzato il contributo delle due grandezze con dati di prova, il metodo analitico restituisce la conducibilità idraulica del calcestruzzo fessurato, offrendo al progettista una strada di calcolo costruita ad hoc, da affiancare ai valori ricavabili dalla letteratura.

Confronto dei risultati ed esempi numerici per il progettista

I valori ottenuti per via analitica e quelli emersi dalla rassegna bibliografica vengono messi a confronto, e il lavoro presenta esempi numerici che mostrano l’applicazione delle due procedure. Il quadro si completa con indicazioni pratiche destinate ai progettisti, pensate per condurre una valutazione sicura della conducibilità idraulica di rivestimenti in calcestruzzo, fessurati o meno.

Per chi si occupa di serbatoi e canali in calcestruzzo, il contributo offre una base documentata per motivare a calcolo le perdite attese, appoggiandosi sia su valori misurati sia su un metodo di calcolo fondato su prove di flusso in fessura. Il lavoro completo, firmato Jean-Pierre Giroud, è pubblicato su Construction Materials, volume 6, pagina 25, ed è consultabile al DOI 10.3390/constrmater6030025.