Indagine sperimentale sullo scavo a valle di opere trasversali in alvei a media e alta pendenza

Osservando l’alveo di un torrente montano si può facilmente osservare come una struttura morfologica fondamentale sia un susseguirsi di tratti a pendenza elevata e limitata profondità (riffle o step) e di tratti a pendenza inferiore e profondità più elevata (pool). L’idea che la formazione di tali strutture fosse legata ad una maggiore stabilità dell’alveo ha spinto innumerevoli autori a indagare quale fosse il principio fisico che ne regolasse la genesi. Dopo avere studiato le varie ipotesi riportate in letteratura è stato affrontato più approfonditamente il comportamento e l’evoluzione di tali strutture durante gli eventi di piena. La convinzione che la principale causa di instabilità di un gradino, sia esso naturale o artificiale, sia da porre in relazione all’escavazione al piede, ha spinto ad indagare più approfonditamente tale fenomeno a valle di quelle strutture artificiali che, più di tutte, si avvicinano come comportamento alle gradinate artificiali: le soglie di fondo. Tra gli innumerevoli riferimenti bibliografici reperiti in letteratura, uno in particolare è sembrato fornire interessanti spunti di approfondimento per il problema in esame. Si è pensato dunque di estendere il campo di applicazione di tale ricerca introducendo due elementi tipici dei torrenti montani: l’elevata pendenza e la granulometria non uniforme, indagando la loro influenza sullo scavo. Una valutazione comparata delle strutture a gradinata naturali e delle soglie di fondo artificiali comporta, inoltre, un duplice vantaggio: la possibilità di conoscere lo stato di stabilità di un alveo naturale a elevata pendenza e la possibilità di sapere quando può essere ritenuto sicuro costruire semplicemente una struttura a imitazione di un gradino naturale o di una sequenza a gradinata per ridurre l’impatto ambientale. Ipotizzando che l’interasse tra due soglie successive sia tale da permettere lo sviluppo completo di uno scavo, in condizioni di similitudine di Froude, si ha che la profondità di scavo dipende da diverse grandezze fisiche quali l’accelerazione di gravità, la viscosità cinematica dell’acqua, la densità dell’acqua, la pendenza iniziale del fondo e quella finale, la portata specifica, l’altezza a monte e a valle, la densità del materiale solido, il diametro rappresentativo, la portata solida specifica e la distanza tra le soglie. Supponendo che a valle dello scavo si instaurino le condizioni di moto uniforme e che la pendenza finale coincida con la pendenza di moto incipiente, si ottiene una semplificazione della relazione funzionale basata sul cosiddetto “salto morfologico”. Applicando il Teorema di Buckingham e ipotizzando la densità relativa costante e la viscosità indipendente dal numero di Reynolds, si ottiene una relazione che lega la profondità di scavo all’energia dissipata nel salto, all’energia specifica in prossimità della soglia e a un termine caratteristico del sedimento. Un’analoga relazione è possibile anche per la lunghezza dello scavo. L’attività sperimentale ha messo in evidenza la validità della trattazione teorica e la possibilità di estenderla alle alte pendenze. Nelle esperienze di riferimento alcuni termini sono risultati trascurabili, permettendo una semplificazione delle relazioni. Le esperienze condotte in questa sede hanno però evidenziato come tale approssimazione, pur restando valida per la massima lunghezza di scavo, non sia più giustificabile per le massime profondità. Per tenere conto di tale parametro è stato dunque necessario modificare la relazione proposta. Sono state proposte due metodologie di modifica: introducendo la profondità netta di scavo o utilizzando una relazione alternativa. Precisando che la scelta della particolare relazione è del tutto arbitraria, è stato verificato che la seconda garantisce una maggiore correlazione tra i dati. Per quanto concerne il ruolo della distribuzione granulometrica, sembra che la profondità di scavo debba essere legata ad un diametro caratteristico mediano, mentre la lunghezza tenda ad essere maggiormente relazionata ad un diametro più grande. Applicando le correzioni descritte, sono state proposte due relazioni per la predizione della profondità e della lunghezza di uno scavo pienamente sviluppato. Mediante lo studio su modello fisico è stata infine confermata l’ipotesi che la distruzione delle strutture naturali a gradinata sia legata a fenomeni di escavazione al piede e che la disposizione degli elementi costituenti il singolo gradino sia fondamentale per la stabilità.