Analisi delle Sollecitazioni nei Rivestimenti in Conglomerato Bituminoso delle Dighe
in Terra: Un Caso Studio: “Diga Del Menta”
PREMESSA
Stefano Luzi
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PREMESSA
Il presente lavoro si propone di analizzare il comportamento del manto di
rivestimento di una diga in rockfill, a seguito di un ciclo di invaso-svaso del
serbatoio a monte del rilevato.
L’opera studiata è la diga del Menta, sita nel comune di Roccaforte del Greco
(Reggio Calabria).
La tesi ha la seguente struttura:
Il primo capitolo della tesi analizza le tipologie di dighe, con una maggiore
attenzione rivolta alle costruzioni in materiale sciolto, alle problematiche e
ai possibili meccanismi di rottura delle stesse.
Il secondo capitolo introduce le miscele bituminose e i modelli reologici che
meglio descrivono le loro caratteristiche.
Vengono analizzati nello stesso capitolo modelli previsionali atti a
determinare le caratteristiche meccaniche del materiale.
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Il terzo capitolo introduce l’opera in esame, ovvero la Diga in rockfill
costruita sul Torrente Menta (Roccaforte del Greco, RC), presentandola dal
punto di vista geografico e geologico e illustrandone le parti che la
compongono.
Il quarto capitolo è dedicato alla calibrazione del modello previsionale sulla
base di quello teorico. Tale calibrazione è mirata alla definizione dei
parametri di input da assegnare al software di analisi.
Il quinto capitolo riassume le fasi di modellazione attraverso i due software
LUSAS e PLAXIS e la successiva analisi dei risultati per tutte le condizioni
di carico.
Nel presente capitolo si è cercato anche di eseguire un confronto tra i
risultati dei due programmi per tre diverse tipologie di analisi.
Nelle conclusioni vengono riassunte le fasi salienti delle analisi e del
confronto dei risultati cercando di trarne le opportune considerazioni.
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Capitolo 1: Funzione delle Dighe in Terra
Stefano Luzi
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CAPITOLO 1: Funzione delle Dighe in Terra
Generalità
Una diga è uno sbarramento permanente su un corso d'acqua naturale che serve a
creare un lago artificiale.
A seconda dei materiali impiegati per la costruzione o dello schema statico, si
distinguono:
Dighe di materiali sciolti, che possono ancora suddividersi in base al
materiale in:
Dighe in terra, costituite da materiale naturale;
Dighe in rockfill (pietrame).
Dighe murarie, oggi realizzate esclusivamente in calcestruzzo, che in base
al loro comportamento statico si possono ulteriormente suddividere in:
Dighe a gravità, che resistono alla spinta dell'acqua grazie al loro peso;
Dighe a contrafforti, sensibilmente più leggere delle prime, che per
resistere alla spinta dell'acqua sfruttano anche il peso della stessa;
Dighe a volta, che scaricano tutta o parte della spinta sulle spalle della
stretta per effetto arco.
La scelta del tipo di diga dipende essenzialmente dalla forma, dalla geologia della
stretta del fiume e dai materiali da costruzione disponibili nelle vicinanze.
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1.1 Dighe in materiali sciolti
Le dighe in materiali sciolti per serbatoi artificiali sono tra quelle più impegnative,
poiché pongono problemi di tenuta e di stabilità sia nel rilevato che in fondazione,
insieme a notevoli esigenze di sicurezza.
Rispetto alle dighe in calcestruzzo, in genere, trasmettono ai terreni d‟imposta
sollecitazioni relativamente ridotte e sono più deformabili per cui il numero di
queste opere è notevolmente aumentato.
Sono costituite di un rilevato formato con materiali litici sciolti micro e/o
macroclastici ed il dispositivo di tenuta potrà essere formato con materiali litici
appropriati, ovvero, con materiali artificiali.
I materiali di formazione del rilevato possono essere approvvigionati direttamente
per cavatura (terre) o ricavati per abbattimento di rocce (pietrame).
1.1.1 Dighe in Terra
Le dighe in terra si classificano in funzione degli elementi deputati alla tenuta in:
- Dighe di terra omogenee, costituite totalmente da terreni di permeabilità
uniforme di misura atta da sola a realizzare la tenuta (non è adatta per altezze
superiori a 30 m);
- Dighe di terra e/o pietrame, zonate, con nucleo di terra per la tenuta. Sono
costituite solo di materiali naturali di specie diverse, disposti in diverse parti
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della sezione ma pur sempre ampiamente permeabili e di una zona di terra di
bassa permeabilità (nucleo) con funzione di tenuta;
- Dighe di terra permeabile o pietrame, con manto o diaframma di tenuta. Sono
costituite da materiali naturali di una o più specie avente permeabilità
piuttosto elevata e da dispositivi di tenuta a monte (manto) o interno
(diaframma), di materiali artificiali.
Figura 1 Tipologie di dighe in funzione dell’organo di tenuta
Gli elementi che definiscono una diga sono essenzialmente tre:
- Paramento di monte;
- Coronamento;
- Paramento di valle.
La pendenza dei paramenti dipende essenzialmente dalle caratteristiche
meccaniche del materiale impiegato. Essa può andare da valori pari a 1/2 per
materiali dotati di un angolo di attrito molto elevato, fino a valori di 1/3, 1/4 o
ancora meno in dighe omogenee costituite con materiali meno pregiati dal punto
di vista meccanico.
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Il coronamento ha una larghezza di 6÷12 m, per far passare almeno una strada di
servizio e soprattutto per consentire il transito e la manovra dei mezzi d'opera
durante la costruzione. La quota del coronamento deve essere alcuni metri
superiore alla quota massima di invaso assoluto, per assicurare un franco contro la
tracimazione e per contenere la massima altezza d'onda prevedibile.
Le dighe omogenee sono impiegate quando non è disponibile materiale di elevate
caratteristiche meccaniche, necessario per realizzare i contronuclei.
A causa delle non eccelse caratteristiche meccaniche della maggior parte dei
materiali impermeabili e della difficoltà nel metterli in opera, tali dighe si
realizzano generalmente con paramenti dotati di pendenze poco elevate e quindi
con volumi e costi notevoli. Nella figura seguente è illustrata una diga omogenea,
e si è indicato l'andamento a regime della linea di saturazione, ossia della
superficie libera del moto filtrante.
Come si vede nella figura 2a l'acqua affiora lungo tutto il tratto AB del parametro
di valle, dove forma una sorgente sospesa.
Allo scopo di evitare questa situazione, poiché l'acqua, emergendo e ruscellando
sul parametro, potrebbe provocarne l'erosione, si è soliti introdurre un dreno sotto
l'unghia di valle, che ha l'effetto di deprimere la linea di saturazione come indicato
nella figura 2b e di far avvenire il flusso idrico all‟interno del corpo diga.
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Figura 2 Linea di saturazione nelle dighe di terra
Il dreno termina con del materiale molto grossolano in modo da proteggere
l'unghia di valle anche dalle erosioni, che possono essere provocate dall'acqua
sversata dagli organi di scarico nell'alveo a valle.
Le dighe zonate sono senz'altro le più diffuse fra le dighe di terra. Esse sono
costituite da un nucleo di materiale sciolto praticamente impermeabile (con
permeabilità K inferiore a circa 10
-6
cm/s), dotato di una notevole frazione
argillosa, o meglio limosa, e da due contronuclei permeabili (con permeabilità K
superiore a circa 10
-5
cm/s) di buone caratteristiche meccaniche. Lo spessore del
nucleo aumenta dall'alto verso il basso e viene posto pari ad una aliquota
dell‟altezza del battente idraulico. Esso viene fissato generalmente pari al 30÷50%
del carico, ma può scendere fino al 15÷20% con l'esecuzione di filtri
particolarmente curati.
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Frequentemente il nucleo viene disposto con una certa inclinazione verso valle
(figura 3). Ciò consente l'adozione di una maggiore pendenza per il paramento di
valle, perché il contronucleo di valle, destinato a reggere la spinta trasmessa dal
nucleo, è più massiccio. Tuttavia non si può accentuare troppo questa disposizione
altrimenti le potenziali linee di scorrimento verso monte, indicate a tratteggio
nella figura, potrebbero interessare per un lungo tratto il materiale del nucleo, che
generalmente ha caratteristiche meccaniche inferiori, e il guadagno ottenuto a
valle sarebbe neutralizzato dalla necessità di diminuire la pendenza del paramento
di monte.
Figura 3 Nucleo Inclinato
Nella figura 4 è illustrato l'andamento della linea di saturazione ed il verso del
moto dell'acqua in una diga zonata, sia in condizioni di regime con serbatoio
pieno (a tratto intero), sia dopo lo svuotamento rapido del lago (a tratteggio).
Quando l'acqua esce dal nucleo con elevata cadente piezometrica, la sua forza di
trascinamento dei granuli può essere tale da asportare le particelle del nucleo,
trasportandole attraverso i vuoti del materiale permeabile che forma i
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contronuclei. Ciò avverrebbe verso valle in condizioni di regime, verso valle e
verso monte dopo lo svuotamento. Questo provocherebbe l'erosione del nucleo,
con progressivo aumento della velocità di filtrazione e delle forze di
trascinamento, e conseguente intensificarsi dell'erosione, fino al completo dissesto
della struttura.
Figura 4 Linea di saturazione in dighe con nucleo
Per evitare questo pericolosissimo fenomeno, che è stato causa di notevoli
disastri, occorre interporre tra contronuclei e nucleo dei filtri, costituiti da strati di
materiale a granulometria intermedia, secondo il criterio che il materiale sottile di
uno strato sia sufficientemente grosso da non poter entrare nello strato adiacente a
valle.
In pratica si adotta la regola che il D
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del filtro deve essere superiore di cinque
volte quello del terreno, ma inferiore di cinque volte il D
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dello stesso terreno. La
disposizione dei filtri (F) è illustrata nella figura 5. Nella stessa figura sono
indicati anche l'andamento della linea di saturazione, e la posizione di un dreno
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sotto il contronucleo di valle, che ha la stessa funzione di quello impiegato nelle
dighe omogenee.
Figura 5 Posizione dei filtri
Il paramento di monte delle dighe omogenee e zonate deve essere protetto dal
moto ondoso per mezzo di un rivestimento resistente alle onde e permeabile,
indicato con R nella figura precedente. La permeabilità di questo strato di
protezione è essenziale per la sua stabilità, perché se fosse impermeabile, durante
lo svuotamento del serbatoio l'acqua contenuta nel rilevato, che tende a uscire,
eserciterebbe su di esso una sottospinta, dissestandolo. Lo strato di protezione
viene perciò realizzato di scogliera, eventualmente assestata a mano (riprap)
(figura 6), composta di pietrame di dimensioni adeguate a resistere all'azione delle
massime onde prevedibili. In alternativa, mancando il pietrame adatto, possono
essere impiegati massi artificiali di calcestruzzo.
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Figura 6 Protezione del paramento di monte con scogliera e filtro
In tutte le dighe di terra il paramento di valle deve essere protetto dal
ruscellamento dell'acqua piovana. A questo scopo esso viene interrotto con
banchine o berme, in cui vengono disposte canalette che raccolgono l'acqua di
pioggia e l'adducono ad altre canalette, che corrono lungo le imposte e scaricano a
valle. Il paramento di valle viene ricoperto da uno strato di terreno vegetale
inerbito.
Un problema estremamente delicato nelle dighe di terra è l'impermeabilizzazione
delle fondazioni, poiché eccessive velocità di filtrazione, oltre a causare una
grossa perdita d'acqua, possono provocare il sifonamento della struttura. I
provvedimenti usati dipendono essenzialmente dalle caratteristiche della roccia di
fondazione e dalla profondità a cui si rinviene una formazione sufficientemente
impermeabile (permeabilità K almeno 10-5÷10-6 cm/s). Quando il terreno di
fondazione è impermeabile, o se un livello impermeabile è presente a poca
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profondità, è sufficiente intestare nella formazione impermeabile il corpo diga
(dighe omogenee) (figura 7a), o il nucleo (dighe zonate) (figura 7b).
Figura 7 Impermeabilizzazione delle fondazioni
Se lo strato impermeabile ha profondità tale che non è possibile o conveniente
approfondire il nucleo, lo si può raggiungere con un taglione di calcestruzzo
gettato in una profonda trincea, di modesto spessore, con pareti verticali. Le pareti
dello scavo possono essere sostenute durante la costruzione mantenendo la trincea
piena di fanghi di bentonite, che esercitano su di esse una pressione stabilizzante.
Al posto del taglione si ricorre spesso a degli schermi di impermeabilizzazione,
eseguiti con una o più file di fori iniettati con miscele di acqua, cemento e argilla.
Per non ritardare l'inizio della costruzione del rilevato durante l'esecuzione delle
iniezioni, queste possono essere eseguite a partire da un cunicolo realizzato
all'interno della struttura, al piede del nucleo.
Talvolta la formazione impermeabile è a tale profondità che non è possibile
raggiungerla con degli schermi. Ci si contenta allora di ridurre le portate filtranti,
aumentando il percorso dell'acqua per mezzo di schermi profondi (figura 8a) o di
tappeti impermeabili disposti a monte del nucleo (figura 8b).
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Figura 8 Sistemi per allungare il percorso della filtrazione sotto la diga
Oggi le dighe di terra vengono costruite per cordoli, ossia per strati orizzontali di
modesto spessore (0,5÷1 m), costipati per mezzo di rulli. I rulli possono essere
statici, se la loro azione è dovuta essenzialmente al peso, o vibranti. I rulli statici
possono essere lisci, gommati o a “piedi di pecora” (figura 9).
Per ottenere rilevati molto compatti è essenziale il dosaggio dell'umidità del
materiale durante la posa in opera. Se esso è troppo asciutto, la compattazione è
poco efficace ed occorre molta energia. Infatti l'acqua, se aggiunta in modesta
quantità, favorisce l'assestamento; tuttavia se il materiale è molto umido, risulta
impossibile compattarlo bene, perché l'acqua riempie quasi completamente i pori
e gli sforzi compiuti per costipare si esercitano totalmente su di essa.
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Figura 9 Rulli per la compattazione dei rilevati di terra
Le dighe con manto impermeabile vengono impiegate quando non è disponibile in
quantità sufficiente del buon materiale da nucleo. In tal caso si costruisce il
rilevato con del materiale possibilmente permeabile e di buona resistenza
meccanica, compatibilmente con la disponibilità; la tenuta idraulica è assicurata
da un manto impermeabile disposto sul paramento di monte.
Un tempo il manto veniva generalmente costruito di calcestruzzo, tale materiale è
ancora usato ma, a causa della sua elevata rigidezza, non si adatta a seguire gli
inevitabili assestamenti di un rilevato di materiale sciolto, per cui il manto deve
essere formato da lastre separate giuntate tra loro con del lamierino di rame o, più
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