PROCESSI EROSIVI La presenza in alveo delle strutture poste a sostegno dell’impalcato di un ponte causa un restringimento più o meno marcato della sezione ed un conseguente aumento della velocità della corrente e dei fenomeni di turbolenza. L’asportazione di materiale dalla base delle pile e delle spalle può creare problemi di stabilità alla struttura, conducendo allo scalzamento della fondazione ed a danneggiamenti delle strutture poste in alveo.

I ponti maggiormente a rischio di erosione sono quelli di più antica costruzione, con pile di dimensioni notevoli e luci molto ridotte, che producono forti gradi di contrazione della corrente ed espongono le fondamenta a grandi rischi di erosione a causa dell’aumento di velocità

1. VARIABILI DEL FENOMENO FATTORI GEOMORFOLOGICI pendenza media dell’alveo, forma della sezione trasversale, regime della corrente, presenza di vegetazione sulle sponde SEDIMENTI DI FONDO curva granulometrica caratteristica del terreno: a parità di corrente si ha una differente portata solida a seconda che i sedimenti siano a granuli grossi come le ghiaie o a grani fini come le sabbie o i limi GEOMETRIA DEL PONTE geometria delle fondazioni,forma e dimensioni delle pile e delle spalle, posizione dell’intera opera rispetto al corso d’acqua e ad altre strutture, opere di protezione. Si tratta cioè di un fattore che definisce il grado di contrazione della sezione fluviale ovvero dell’influenza dell’opera stessa sul corso d’acqua

L’approccio seguito per la risoluzione del problema è di tipo più sperimentale che analitico a causa delle difficoltà di valutazione delle variabili coinvolte. Inoltre l’erosione è un fenomeno che necessita di essere studiato su periodi idrologici completi per simulare l’alternanza tra periodi piovosi e secchi, i quali possono determinare una variazione del comportamento di erosione-deposito.

2. DINAMICA DEI FENOMENI EROSIVI Nel calcolo della profondità di scavo in corrispondenza di attraversamenti fluviali occorre tenere in conto la possibile sovrapposizione dei seguenti fenomeni: GENERAL SCOUR erosione dovuta alla evoluzione plano-altimetrica del corso d’acqua sul quale l’opera di attraversamento insiste ed è indipendente dalla presenza dell’opera in alveo CONTRACTION SCOUR erosione dovuta al restringimento indotto dall’opera di attraversamento sulla sezione indisturbata del corso d’acqua LOCAL SCOUR erosione localizzata dovuta allo sviluppo di sistemi vorticosi in corrispondenza di pile e spalle 2. DINAMICA DEI FENOMENI EROSIVI

2.1 GENERAL SCOUR L’ erosione generalizzata, ove presente, è un fenomeno di abbassamento del fondo alveo che si manifesta indipendentemente dalla presenza del manufatto di attraversamento. Il calcolo dell’eventuale abbassamento d’alveo è tuttavia indispensabile al fine di definire la quota che il fondo alveo assumerebbe in assenza del manufatto, la quale viene assunta come quota di riferimento per calcolare l’entità dei fenomeni di erosione localizzata e per scavo di contrazione. Proprio perché indipendente dalla presenza del ponte in alveo questo contributo di erosione non verrà trattato approfonditamente per dare maggior spazio invece agli altri due fenomeni localizzati in corrispondenza della sezione di attraversamento del ponte.

L'aumento locale di velocità, causato dal restringimento di sezione, aumenta la capacità di trasporto della corrente innescando un fenomeno erosivo che interessa l'intera sezione del ponte. L’entità dell’erosione è influenzata notevolmente dalle caratteristiche geometriche dell’alveo in prossimità dell’attraversamento. In particolare in presenza di golene o di una pianura alluvionale si osserva una minore erosione rispetto al caso in cui ho un unico canale centrale. Questo perché le golene scaricano la potenza del flusso in arrivo e quindi la velocità e la portata nel canale principale vengono ridotte e con esse i fenomeni di trasporto solido al fondo nella sezione contratta. 2.2 CONTRACTION SCOUR

clear-water scour live-bed scour Per valutare la profondità di erosione da restringimento è conveniente trattare separatamente due casi: clear-water scour assenza di trasporto solido e l’erosione avviene solamente nel tronco contratto live-bed scour presenza di trasporto solido e l’erosione avviene anche a monte ed a valle del ponte

clear-water scour Laursen (1963) Per calcolare la profondità di erosione basta sottrarre a y la profondità della corrente nella sezione indisturbata a monte del restringimento. IPOTESI: 1)Sezione rettangolare larga 2)materiale letto incoerente Laursen (1963) y = profondità della corrente nella sezione contratta n = coefficiente di scabrezza di Manning nella sezione contratta θc = parametro di Shields s = rs/r rs è la densità dei sedimenti costituenti il fondo e r è la densità dell’acqua d = diametro del sedimento (m)

live bed scour Straub (1934) y = profondità della corrente Nel caso di acque chiare la formula si riduce semplicemente a Straub (1934) y = profondità della corrente B = larghezza del canale t = tensione tangenziale al fondo i pedici 1 e 2 indicano rispettivamente la sezione indisturbata e quella contratta

2.3 LOCAL SCOUR DOWNFLOW HORSE-SHOE VORTEX VORTICI A SCIA BOW WAVE

DOWNFLOW Quando la corrente (flow) si avvicina alla pila, è costretta ad una decelerazione per superare l’ostacolo e questo provoca un cambio di direzione della corrente verso il basso ( downflow ). In particolare, la corrente si muove verso il basso perché sulla facciata della pila è presente una pressione di ristagno decrescente con la profondità e questo seppur debole gradiente costringe l’acqua a muoversi verso il fondo del fiume.

HORSE – SHOE VORTEX Il contributo maggiore all’erosione localizzata é però dato dai vortici a forma di ferro di cavallo, così chiamati per la loro forma caratteristica, che si sviluppano alla base delle pile a seguito delle correnti downflow. La corrente verticale arriva sul fondo dell’alveo ed è costretta a cambiare di nuovo direzione di propagazione perché ogni ulteriore movimento verso il basso è impedito. ,

I filamenti vorticosi che compongono il vortice a ferro di cavallo si estendono a valle per una lunghezza di alcuni diametri della pila, fino a che essi perdono la loro identità e rientrano a far parte della turbolenza generale della corrente. Durante il processo di erosione attiva la velocità del vortice è tale da rendere la capacità erosiva molto superiore rispetto a quella di deposito all’interno dello scavo che via via si approfondisce. L’aumento di dimensioni dello scavo attorno alla pila produce una riduzione della velocità del vortice e conseguentemente una diminuzione della sua capacità erosiva. E’ possibile classificare le pile in “blunt-nosed” o “sharp-nosed” a seconda che siano in grado o no di creare un gradiente di pressione abbastanza grande da dare inizio al fenomeno di erosione descritto che però dipende dalle caratteristiche idrauliche della corrente e non da quelle geometriche delle pile in esame.

VORTICI A SCIA ( VORTICI DI VON KARMAN ) Si formano nella parte posteriore (rispetto a quella di impatto del flusso) della pila e sono anch’essi generati dallo stesso campo di pressione che genera il flusso verticale davanti alla pila.

E’ possibile distinguere tutt’attorno al cilindro una regione in cui gli effetti viscosi sono importanti. Questa regione prende il nome di strato limite. La necessità di considerare la viscosità del fluido nasce dalla necessità di spiegare la presenza di campi di velocità continui che soddisfino la condizione di aderenza del fluido alla parete (ossia velocità nulla a contatto con la parete). Tale spiegazione non sarebbe possibile considerando lo schema di fluido ideale. Quindi lo strato limite è una zona caratterizzata da elevati gradienti di velocità e ciò causa un’adeguata vorticità presso la parete del cilindro. All’aumentare del numero di Reynolds diminuisce l’ampiezza dello strato limite e aumenta l’inerzia del fluido fino a che questo non riesce più a seguire la superficie curva del solido nella regione posteriore e si ha il distacco dello strato limite.

Re < 0,5 Per bassi numeri di Reynolds le forze viscose prevalgono su quelle d’inerzia e la corrente investe la pila in modo tale che il fluido più vicino vi aderisca senza che vi siano fenomeni di distacco dello strato limite né la formazione di vortici a valle della pila stessa.

0,5 < Re < 50 Si forma una “bolla” di separazione all’interno della quale il flusso è diretto sia verso valle che verso monte a causa del gradiente di pressione invertito che si forma nella parte posteriore del cilindro. Questo gradiente di pressione invertito, insieme alle forze di attrito alla superficie del corpo, tende a decelerare il fluido finché, ad un certo punto, quando l’energia cinetica della corrente in arrivo non basta più a compensare queste forze, il flusso si inverte, con relativa formazione di vortici.

Re > 50 Per Re  50 i vortici si distaccano alternativamente e vengono trascinati a valle dapprima con una velocità di poco inferiore a quella della corrente in arrivo, poi con una velocità costante ed uguale a quella della corrente indisturbata a partire da una distanza pari a circa otto volte il diametro del cilindro. Nel momento in cui un vortice si distacca ne nasce un altro che a sua volta si accrescerà fino a distaccarsi anch’esso seguendo un ciclo vitale periodico.

Re = 20

Re = 50

BOW WAVE Infine è possibile notare la formazione di un’onda di prua al livello del pelo libero a monte della pila. Si tratta di un vortice, che ruota in senso opposto al vortice a ferro di cavallo, detto “bow wave” ( baffo di prora ) caratterizzato da vortici simili a quelli che si realizzano in corrispondenza della prua di un’imbarcazione. Quando la profondità di moto uniforme è sufficientemente bassa i due vortici interagiscono e ciò causa una diminuzione dell’intensità dell’horseshoe vortex e quindi dell’erosione.

2.4 ALLINEAMENTO PILE - CORRENTE La fondazione in alveo di due pile (ad esempio di forma circolare) separate da un setto determina una configurazione particolare dell’erosione, secondo cui gli scavi che si formano separatamente al piede delle rispettive pile tendono ad avvicinarsi al crescere dell’angolo di attacco della corrente con la posizione del setto. L’aumento dell’angolo determina una variazione della collocazione dello scavo massimo. Si nota inoltre come una direzione della corrente parallela alla direzione delle pile non comporta un effetto significativo del setto.

Tutte le considerazioni riguardo l’erosione fatte per le pile valgono ovviamente anche per le spalle dei ponti fluviali con l’unica differenza che nel caso delle spalle la corrente investe solamente un lato dell’elemento.

Dalle prove sperimentali è stato notato che per ogni forma geometrica considerata, la profondità dello scavo risulta crescente con l’aumento del grado di contrazione, inoltre per una forma di spalle a spigolo vivo lo scavo osservato risulta maggiore di circa il 15% rispetto a quello di spalle con spigoli arrotondati.

Nel caso in cui si sovrappongono gli effetti erosivi di pile e spalle è possibile osservare come la presenza di pile associate a quella delle spalle non determini una variazione marcata dello scavo attorno a queste ultime. Al contrario la presenza delle spalle provoca effetti erosivi ai piedi delle pile in alveo. In particolare la configurazione dello scavo attorno alle pile in questo caso è simile a quella osservata per un angolo d’attacco della corrente pari a 45°.

2.5 CALCOLO profondità DI SCAVO Ad influenzare l’entità dell’erosione localizzata alla base delle pile e/o delle spalle di un ponte fluviale intervengono numerosi parametri: caratteristici del fluido densità – viscosità – velocità - profondità corrente indisturbata caratteristici della pila e/o spalla Forma – dimensioni - tipologia dei sistemi di protezione ove adottati caratteristici del materiale letto densità dei sedimenti - curva granulometrica - forma dei grani -coesione

Ky dimensioni della pila o della spalla Per calcolare la profondità dell’erosione localizzata all’equilibrio ds, ossia quando non vi è più trasporto di sedimenti dalla buca, si può utilizzare la relazione di Melville (1997) : ds = Ky Ke Kd  Ks  Ka  KG Ky dimensioni della pila o della spalla Ke dell’intensità della corrente in arrivo Kd della distribuzione granulometrica dei granuli Ks della forma della pila o della spalla Ka dell’angolo d’impatto corrente - pila o corrente – spalla KG della geometria del canale Le formule che sono state ricavate per il calcolo di tali coefficienti sono diverse a seconda che si voglia valutare l’erosione localizzata alla base di una pila o di una spalla

Le formulazioni disponibili in letteratura sono molteplici e forniscono risultati spesso sensibilmente discordanti fra loro, sicché è necessario basarsi sull’applicazione congiunta di diverse metodologie e sul successivo confronto critico dei risultati ottenuti.

2.6 INTERAZIONE TRA LE PILE E΄interessante studiare i fenomeni di interazione tra gli scavi al piede di due strutture distinte ad esempio un’autostrada realizzata con due ponti affiancati oppure un ponte stradale ed uno ferroviario affiancati.

due pile allineate (angolo d’attacco M = 0°) al variare del rapporto tra l’interasse tra le pile α e il diametro s della pila

in funzione dell’interasse e dell’angolo di attacco

3. SISTEMI DI PROTEZIONE I sistemi di protezione contro l’erosione si possono classificare in due macro-categorie: Contromisure a protezione del fondo alveo (bed – armouring) - Gettate di pietrame ( riprap ) – Gabbioni Contromisure interferenti con la corrente (flow altering) - Gruppi di pile - Fessura passante - Collari - Setti Iowa - Palizzate permeabili – Pali sacrificali – Soglia di fondo

GETTATE DI PIETRAME (RIPRAP) Breusers (1977)

GRUPPI DI PILE

FESSURA PASSANTE

COLLARE

SETTI IOWA

PALIZZATE PERMEABILI

PALI SACRIFICALI

SOGLIA DI FONDO

SOGLIA DI FONDO

“L’uomo che trascura l’acqua sotto il ponte troverà il ponte sotto l’acqua” (Neill, 1973) GRAZIE PER LA CORTESE ATTENZIONE