CRITERI GEOTECNICI DI PROGETTAZIONE DELLE OPERE DI MARGINAMENTO DELLE FALDE INQUINATE Battista Grosso1, Marco Cigagna1, Giuseppe Frongia2, Aldo Muntoni1, Paolo Tronci1 Università degli studi di Cagliari Dipartimento di Geoingegneria e Tecnologie Ambientali

INDICE PROBLEMATICHE CONNESSE ALLA MESSA IN SICUREZZA DEL POLO INDUSTRIALE DI PORTOVESME BARRIERE FISICHE VERTICALI BARRIERE IDRAULICHE CRITERI DI SCELTA DELL’INTERVENTO DI CONTENIMENTO DEGLI INQUINANTI NEL POLO INDUSTRIALE DI PORTOVESME CONCLUSIONI

PROBLEMATICHE CONNESSE ALLA MESSA IN SICUREZZA DEL POLO INDUSTRIALE DI PORTOVESME

Modello concettuale

Sintesi dei caratteri morfologici e geologici orizzonte continuo di sabbie dunari sciolte, con sovrapposti materiali di origine antropica; lenti allungate argilloso–sabbiose intercalate ad orizzonti ghiaiosi; livelli di sabbie molto addensate e compatte, con intercalati livelli argillosi; livelli algali e torbosi, più frequenti verso il basso; livelli siltosi più o meno continui. la copertura alluvionale è sede di un accumulo idrico sostenuto dalla superficie di contatto con le rocce vulcaniche; il primo acquifero, nelle rocce vulcaniche, è complicato dall’esistenza di faglie e livelli tufacei impermeabili intercalati; travaso sotterraneo dal sopramonte vulcanico posto ad est, verso l’area industriale; le faglie hanno un ruolo idrogeologico importante. 80 – 90 m ignimbriti riolitiche massive, caratterizzate da estrema saldatura, colore dal grigio ceruleo al rosso cupo, in coltri potenti, in media superiori ai 20 m; arealmente più estese, caratterizzano morfologicamente il paesaggio; flussi cineritico pomicei di uguale composizione mineralogica, potenza 2040 m; ignimbriti riolitiche la cui potenza si aggira sui 1525 m,

Sintesi dell’idrogeologia il settore nord è caratterizzato da una direzione prevalente di deflusso sotterraneo NNE-SSW ed un gradiente piezometrico medio variabile nell’intervallo 0.7%1%; il settore Sud, caratterizzato da una direzione prevalente di deflusso sotterraneo NW-SE e gradienti piezometrici decisamente inferiori (i=0.2%0.7%); la soggiacenza media della falda è variabile da 10 m circa in corrispondenza del settore nord a 1-2 m lungo la fascia costiera;

Tipici Interventi di Marginamento Problematiche relative alla scelta dell’intervento per il contenimento del flusso inquinato Barriere fisiche verticali Tipici Interventi di Marginamento Barriere Idrauliche Confronto: efficacia, reale o presunta, di intercettazione del flusso impegno tecnologico ed economico tempi di realizzazione impatti di tipo ambientale nel breve e nel lungo periodo Complessità del problema ed Incertezze: aspetti geologici, geotecnici ed idrogeologici delle formazioni coinvolte garanzie su tecnologie costruttive e tolleranze di lavorazione aspetti gestionali degli impianti compatibilità dei materiali utilizzati con le caratteristiche delle acque etc Aspetti critici del problema: profondità e permeabilità del basamento vicinanza dei bersagli alle fonti di inquinamento basso valore del gradiente idraulico richiamo di acqua salata dal mare

BARRIERE FISICHE VERTICALI Applicazioni in campo civile a partire dagli anni ’40: - opere di sostegno degli scavi: funzione strutturale costruzioni di dighe: funzione idraulica di riduzione dei flussi Applicazioni in campo ambientale a partire dagli anni ’70: Messa in sicurezza di emergenza Messa in sicurezza definitiva Obiettivo: annullamento dei flussi Richiesta di Standard prestazionali molto più elevati Procedure costruttive e sistemi di controllo del processo costruttivo estremamente rigorosi

Configurazione geometrica delle barriere fisiche verticali Figura 4: Cinturazione a monte Figura 5: Cinturazione a valle

Configurazione geometrica delle barriere fisiche verticali Figura 6: Cinturazione perimetrale

Configurazione geometrica delle barriere fisiche verticali In relazione al rapporto con il substrato impermeabile di fondo, si distinguono: barriere verticali immorsate (per 0.5 – 1 metro) nello strato impermeabile di fondo e realizzate generalmente per il contenimento da sostanze inquinanti miscibili con l’acqua o pesanti; barriere verticali sospese utilizzate nel caso in cui le sostanze inquinanti siano leggere o non miscibili (idrocarburi).

Tecnologie di realizzazione delle barriere verticali scavo, asportazione del terreno e sua sostituzione con miscele impermeabilizzanti spostamento laterale del terreno attraverso infissione di elementi strutturali quali palancole o manufatti prefabbricati riduzione della permeabilità del terreno originario attraverso l’introduzione di miscele impermeabilizzanti

Caratteristiche prestazionali delle barriere verticali

Diaframmi plastici – Sistemi di costruzione Fasi della costruzione: scavo della trincea (spessore 0.4 - 1.6 metri), fino alla profondità di progetto. Durante lo scavo le pareti della trincea sono stabilizzate da una miscela acqua-bentonite (diaframmi bifase) o acqua – cemento – bentonite (diaframmi monofase); riempimento della trincea mediante la miscela che garantisce le caratteristiche prestazionali del diaframma ed in particolare la bassa permeabilità; per la realizzazione dei diaframmi monofase, il materiale di riempimento è immesso durante la fase di scavo della trincea e svolge anche il compito di stabilizzazione delle pareti. introduzione dei teli in HDPE (diaframmi compositi) Figura 7: Scavo continuo di un diaframma terreno - bentonite Figura 8: Fasi della costruzione di un diaframma per pannelli alternati

Diaframmi plastici – Sistemi di costruzione scavo della trincea Benne mordenti Le benne mordenti (6 –10 t) possono essere a funzionamento idraulico o meccanico. Le benne sono manovrate mediante fune libera o tramite aste di guida tipo Kelly. La verticalità dello scavo è determinata dal peso dell’utensile ed è controllata attraverso inclinometri biassiali. Correzioni sono possibili attraverso l’azionamento delle valve della benna sospesa dalla fune. Stabilità delle pareti durante lo scavo miscela acqua-bentonite in proporzione compresa fra 1 e 5% Livello di piano di campagna o falda Produzione del fango Caratteristiche del fango – valori del peso specifico La durata del ciclo aumenta con il crescere della profondità per cui anche il costo unitario del diaframma (riferito per esempio al m2) è crescente con la profondità.

Diaframmi plastici – Sistemi di costruzione scavo della trincea Scavo con Idrofresa Teste rotanti in verso opposto con v variabile Possibilità di cambiare gli utensili Possibilità di variazione della larghezza delle teste di scavo (spessore del diaframma) Scavo in rocce con sc fino a 250 MPa Estrazione dei frammenti attraverso pompe per fango (200 e 700 m3/ora ) Regolazione della v di scavo attraverso il pistone La tecnologia di scavo di trincee con idrofresa è nata in Giappone negli anni ‘80 diaframmi profondi minimi valori delle tolleranze di lavorazione

Diaframmi plastici – Sistemi di costruzione scavo della trincea Scavo con Idrofresa Sistema di guida Misura dell’inclinazione mediante pendolo Pattini di guida Tolleranze 0.5 – 0.1 % Nei lavori di realizzazione del passante ferroviario di Torino - terreni sedimentari a profondità 34 metri, con una larghezza di 1 m, 100 m2/giorno. il solo costo di costruzione è stato stimato in 130 Euro/m2.

Diaframmi plastici – Sistemi di costruzione 2. Riempimento della trincea Miscele impermeabilizzanti Terreno – bentonite: proporzione bentonite/terreno è del 4 – 6 % peso specifico della miscela è intorno a 11 kN/m3 permeabilità 10-9 – 10-8 m/s costi di realizzazione modesti (40 – 80 Euro/m2) poco profondi (fino a 40 metri) Costruzione bifase 4. Diaframmi compositi : gel cemento-bentonite autoindurente l’inserimento di un telo o pannello in HDPE riduzione della permeabilità fino a 10-12 m/s profondità massime 40 - 50 metri Costruzione monofase 2. Terreno – cemento - bentonite: proporzione bentonite/terreno è del 4 – 6 % proporzione cemento/terreno è del 10 % Bentonite: bassa permeabilità Cemento: resistenza Costruzione bifase 5. Cemento – bentonite – inerti – acqua (calcestruzzo plastico ) : sollecitazioni a cui è sottoposta la barriera rilevanti Costruzione bifase permeabilità fino a 10-9m/s profondità massime 40 - 50 metri 3. Gel cemento - bentonite: Costruzione di diaframmi monofase e bifase Profondità fino a 100 metri permeabilità 10-9 – 10-8 m/s Acqua 55% - 75% Cemento 7% - 20% Bentonite sodica 4% - 6%

Diaframmi plastici cemento - bentonite Pareti verticali impermeabili costituite da una miscela cemento - bentonite Tipo di barriera verticale più diffusa in Europa Negli Stati Uniti dagli anni ’80, vengono utilizzate principalmente le barriere terreno – bentonite. Innovazioni tecnologiche e nuove applicazioni: Introduzione di teli in HDPE sviluppo di nuove tecnologie di scavo per barriere verticali profonde (fino a 120) e terreni di caratteristiche variabili. materiali biodegradabili per il sostegno delle pareti degli scavi sistemi funnel and gate

Sistemi funnel and gate

Criteri di dimensionamento dei diaframmi Obiettivo: contenimento del flusso inquinante 1. I parametri dimensionali che determinano la capacità di contenimento sono: Conducibilità idraulica del materiale Spessore del diaframma Profondità di immorsamento Criteri di dimensionamento possono essere derivati dal D.Lgs. n. 36 del 13 gennaio 2003 “Attuazione della direttiva 1999/31/CE relativa alle discariche di rifiuti”: Permeabilità e spessore possono essere determinati sulla base del tempo minimo di attraversamento Tipologia rifiuto Spessore (m) K (m/s) Tmin (gradiente unitario) Pericoloso 5 10-9 5.109 s (158,55 anni) Non pericoloso 1 109 s (31.71 anni)

Criteri di dimensionamento dei diaframmi Spessore b: - kd: conducibilità idraulica della barriera; - DH: differenza di carico idraulico - nd: porosità efficace della barriera; - ta: tempo di attraversamento. Profondità di immorsamento c: - ks: conducibilità idraulica del substrato; - ns: porosità efficace del substrato;

BARRIERE IDRAULICHE Obiettivo: protezione dei bersagli posti a valle - cattura del flusso contaminato Intervento: depressione della superficie piezometrica e la deviazione delle linee di flusso verso i pozzi stessi Ubicazione: esterna alla zona di contaminazione Tempi ridotti di realizzazione: Interventi di messa in sicurezza sia di emergenza sia operativa

CRITERI DI DIMENSIONAMENTO DELLE BARRIERE IDRAULICHE 1. Ampiezza del fronte di cattura del pozzo maggiore del fronte del flusso inquinato 2. Profondità di richiamo maggiore di profondità di diffusione del contaminante 3. Portata estratta maggiore o uguale alla portata che attraversa la fonte o la sezione del plume

CRITERI DI DIMENSIONAMENTO DELLE BARRIERE IDRAULICHE Ampiezza del fronte di cattura del pozzo Equazione di Bear x, y = coordinate cartesiane; l’origine è il pozzo K = conducibilità idraulica media [m/s] b = spessore dell’acquifero [m] i = gradiente idraulico in condizioni pre-pompaggio [adimensionale] Q = portata estratta dal pozzo (tasso di pompaggio) [m3/s]

CRITERI DI DIMENSIONAMENTO DELLE BARRIERE IDRAULICHE Efficienza idraulica della barriera Ei = (ΣLr)/ Lcont

Aspetti caratterizzanti il caso del polo industriale di Portovesme: CRITERI DI SCELTA DELL’INTERVENTO DI CONTENIMENTO DEGLI INQUINANTI NEL POLO INDUSTRIALE DI PORTOVESME Aspetti caratterizzanti il caso del polo industriale di Portovesme: ampiezza del fronte inquinante; profondità del substrato roccioso; stato di fratturazione e permeabilità del substrato roccioso; vicinanza della linea di costa alle fonti di inquinamento; qualità delle acque; impatti ambientali nel breve e nel lungo periodo.

Costo di realizzazione (milioni di Euro) CRITERI DI SCELTA DELL’INTERVENTO DI CONTENIMENTO DEGLI INQUINANTI NEL POLO INDUSTRIALE DI PORTOVESME Ampiezza del fronte contaminato: circa 6.5 km Tempo e costo di realizzazione dell’intervento di messa in sicurezza Intervento Tempo di realizzazione Costo di realizzazione (milioni di Euro) Barriera idraulica 1 anno 10 Diaframma 3 – 5 anni 200 – 300

Metodo di scavo Problematiche Tolleranze CRITERI DI SCELTA DELL’INTERVENTO DI CONTENIMENTO DEGLI INQUINANTI NEL POLO INDUSTRIALE DI PORTOVESME Profondità del substrato roccioso : da 40 a 90 m Tecnologie e tolleranze di lavorazione Intervento Metodo di scavo Problematiche Tolleranze Barriera idraulica sonda - battipalo - Diaframma Idrofresa Garanzia di immorsamento Impermeabilità fondo Sicurezza di continuità Interferenza del chimismo acqua con bentonite 0.5 – 0.1% (50 – 10 cm a 100 m)

Richiamo di acqua dal mare CRITERI DI SCELTA DELL’INTERVENTO DI CONTENIMENTO DEGLI INQUINANTI NEL POLO INDUSTRIALE DI PORTOVESME Distribuzione delle fonti di inquinamento su tutta l’area e vicino alla linea di costa Tracciato dell’opera lungo ed in vicinanza della linea di costa Richiamo di acqua dal mare

Obiettivi del dimensionamento della barriera idraulica Cattura integrale del flusso inquinato da monte 2. Minimizzazione della portata richiamata da valle Parametri del dimensionamento Portata totale 2. Mutua distanza e numero dei pozzi 3. Profondità dei pozzi

Soluzione intermedia: Diaframma sospeso Effetto della barriera fisica: riduzione della portata richiamata da valle Soluzione intermedia: Diaframma sospeso

Confronto fra le due soluzioni (parametro portata richiamata da valle) Costi di gestione: proporzionali alla portata del trattamento Barriera fisica: alti costi di costruzione – bassi costi di gestione Barriera Idraulica: bassi costi di costruzione – alti costi di gestione Intervento Portata totale (m3/anno) Portata da monte Portata da valle Barriera fisica 850.000 Barriera fisica sospesa 1.150.000 875.000 275.000 Barriera idraulica 300.000

Impatti dell’intervento sull’ambiente Volume del materiale proveniente dallo scavo Barriera fisica: 370.000 m3 Barriera idraulica: trascurabile 2. Effetti della barriera fisica nel lungo periodo Barriera idraulica: trascurabili Barriera fisica: innalzamento della superficie piezometrica al termine dell’eduzione

Barriera fisica: innalzamento della superficie piezometrica al termine dell’eduzione

Conclusioni Incertezza sulla base di dati di progetto Profondità elevate e rischi di non raggiungimento degli obiettivi di progetto (barriera fisica) Necessità di intervento in tempi brevi Approccio Osservazionale: 1. Intervento suddiviso in fasi 2. Sistema di verifica dell’efficacia 3. Aggiornamento del progetto e dell’intervento