Progetti

La nascita della Laboratorium^3D è legata a filo diretto con il progetto di risanamento della rampa di Lodrino, commissionato dal Consorzio Manutenzione Arginature Riviera. L’obiettivo degli interventi è duplice: da un lato si prefigge un miglioramento della sicurezza idraulica e della struttura stessa come pure delle aree circostanti, d’altra parte mira a ristabilire la connettività ittica favorendo in particolare la libera migrazione del temolo. La rampa odierna è stata infatti concepita e realizzata negli anni ’70 con lo scopo di stabilizzare l’alveo e da allora costituisce un ostacolo insormontabile per il temolo in ragione delle elevate pendenze che raggiungono l’8%. Il dislivello odierno pari a ca. 5 m dovrà essere superato grazie alla costruzione di una rampa dinamica, la cui pendenza finale dovrà essere compresa tra il 2 e il 3% in modo da garantire la risalita del temolo. Il concetto sul quale si basa la rampa dinamica consiste nel fornire al fiume materiale con un ampio spettro granulometrico (per la rampa di Lodrino da 0 fino a 2.0 m di diametro equivalente). Con il succedersi degli eventi di piena l’alveo si struttura progressivamente, processo accompagnato da una riduzione della pendenza longitudinale e da una stabilizzazione della struttura. La varietà del materiale impiegato per la costruzione della rampa è tale da portare già per piene relativamente frequenti a una morfologia ricca e variegata. Questo si riflette in modo significativo sul valore ecologico della rampa (in particolare in termini di possibilità di risalita dei pesci) così come sull’inserimento paesaggistico dell’opera.
La sperimentazione fisica sulla rampa di Lodrino è iniziata lo scorso autunno ed è attualmente in pieno svolgimento. I processi di strutturazione e la stabilità della rampa vengono analizzati per diverse pendenze iniziali (comprese tra il 3.0 e il 4.5%) e differenti tipi di struttura per quanto concerne grandezza, densità e disposizione dei blocchi che compongono la rampa. Le varie geometrie vengono sottoposte a carichi idraulici crescenti con deflussi compresi tra l’evento biennale (HQ₂ = 530 m³/s) e l’evento straordinario (EHQ = 1‘693 m³/s). Ogni situazione viene analizzata in modo sistematico documentando le condizioni di deflusso e la geometria dell’alveo una volta raggiunto lo stato di equilibrio.
Per i deflussi significativi nell’analisi dei corridoi migratori, gli effetti di scala nel modello 1:30 sono rilevanti. La questione deve essere pertanto valutata per mezzo di simulazioni numeriche 3D in scala naturale. Le simulazioni numeriche 3D vengono eseguite con il software open source OpenFOAM. La base per il modello numerico è costituita dai rilievi fotogrammetrici ad alta risoluzione (nell’ordine di grandezza del millimetro) della topografia della rampa nel modello fisico, riportati geometricamente in scala naturale.
La prova di un corridoio migratorio tra il piede e la testa della rampa è considerata fornita se vi è continuità di zone lungo le quali le condizioni di deflusso (in termini di velocità massima del deflusso e di profondità minima) rientrano nei criteri indicati dalla letteratura specifica sulle capacità natatorie del temolo. Determinanti sono i deflussi Q₃₆ (deflusso che viene in media superato 36 giorni l’anno) e Q₃₄₇. L’analisi numerica eseguita per alcune delle geometrie già testate nel nostro laboratorio evidenzia come l’elevata strutturazione della rampa dinamica che già si osserva a partire da piene relativamente frequenti, all’instaurarsi delle condizioni necessarie per la risalita della rampa da parte del temolo. L’obiettivo consiste nell’individuazione della geometria della rampa che garantisca il raggiungimento ottimale obiettivi ecologici, e che nel contempo rispetti i criteri di sicurezza idraulica.

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Il progetto definitivo per la messa in sicurezza della tratta di Maira in località Promontogno allestito dallo studio beffa tognacca sagl di Grono prevedeva la stabilizzazione dell’alveo mediante un’alternanza di salti e pozze (“step pool system”), intervento combinato con un innalzamento dell’alveo allo scopo di stabilizzare gli argini. Oltre a garantire la sicurezza idraulica, le misure devono essere compatibili con le esigenze legate alla libera migrazione dei pesci. La tipologia di blocchi a disposizione per gli interventi (risultanti dall’attigua camera di ritenzione di Bondo e di dimensioni inferiori rispetto a quanto supposto in un primo momento) ha portato a una rivalutazione del principio costruttivo delle traverse in blocchi. Con i massi a disposizione la garanzia di stabilità non era data a priori, rispettivamente non poteva essere definita con sufficiente affidabilità mediante formule empiriche o analitiche. Per ovviare all’incertezza legata alla mancanza di solide basi teoriche ed empiriche di dimensionamento il progetto è stato ottimizzato mediante modellizzazone fisica all’interno della seconda canaletta approntata nel nostro laboratorio, che permette di analizzare situazioni con pendenze fino al 25%.

La tratta di Maira in progetto presenta una pendenza media dell’8%, una larghezza variabile tra 10 e 15 m e deflussi pari a 280 m³/s per HQ₁₀₀. La geometria è stata riprodotta in scala 1:30 e la modellizzazione si basa sui criteri di similitudine di Froude. Complessivamente sono state analizzate 4 differenti situazioni di progetto, nelle quali le strutture sono state progressivamente migliorate in base alle risultanze degli esperimenti precedenti in relazione ai processi erosivi e ai meccanismi di rottura osservati.

Gli esperimenti in laboratorio sono risultati di fondamentale importanza per la messa a punto di una geometria delle traverse in blocchi che permetta di gestire le importanti sollecitazioni sulle strutture risultanti dagli elevati carichi idraulici in caso di evento di piena. La sperimentazione fisica ha permesso inoltre la definizione di principi costruttivi chiari garantendo una corretta messa in cantiere degli interventi nel pieno rispetto delle conoscenze acquisite grazie all’osservazione dei processi in laboratorio. La geometria delle traverse in blocchi permette in prima analisi di rispettare le esigenze ecologiche in relazione alla connettività ittica.

In generale gli esperimenti fisici eseguiti sulla Maira evidenziano l’elevata flessibilità e la prontezza del nostro laboratorio nel valutare in modo robusto e affidabile l’efficienza di progetti fluviali nei tempi talvolta stretti indicati dalla committenza. Grazie alla modellizzazione in laboratorio è inoltre possibile una efficace ottimizzazione dei progetti.

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Il riale di Marolta in Val di Blenio è un corso d’acqua molto attivo, caratterizzato da un bacino imbrifero con un elevato potenziale di materiale erodibile, che in corrispondenza di piogge intense viene trasportato a valle sotto forma di colate detritiche oppure di evento di piena con intenso trasporto di materiale solido. Negli scorsi decenni si sono verificati diversi eventi di piena importanti, che hanno messo in pericolo sia l’abitato di Traversa che la strada cantonale. L’ultimo evento alluvionale risale al giugno 2019 e ha provocato dissesti in più punti lungo la parte bassa dell’asta fluviale, con un forte trasporto di materiale depositatosi alla foce con il Brenno. In modo particolare a valle della strada cantonale si sono verificate importanti erosioni di fondo.

Quali opere urgenti nella tratta di Traversa sono stati definiti interventi di stabilizzazione del fondo e degli argini su una lunghezza di ca. 100 m. Tra le varianti valutate dallo studio beffa tognacca sagl, la variante “tetrapodi” è stata considerata la migliore. Malgrado un inserimento paesaggistico non ottimale, rispetto alla stabilizzazione dell’alveo con classiche briglie di fondo in calcestruzzo o brevi rampe in blocchi, la soluzione con tetrapodi garantisce una maggior flessibilità in caso di sovraccarico, permette una transizione ottimale tra il selciato in duro e l’alveo naturale e presenta dei costi inferiori.

La variante con tetrapodi consiste nel posizionamento in alveo di file trasversali di elementi in calcestruzzo (tetrapodi) di peso pari a ca. 10 t, che fungono da “briglie di fondo” in quanto elementi che interagiscono con l’alveo. Il comportamento dei tetrapodi in caso di piena e per la situazione di sovraccarico è stata analizzata per mezzo di esperimenti su modello fisico in scala 1:30. Complessivamente sono state analizzate tre differenti disposizioni di tetrapodi, variando sia la distanza tra le varie traverse di tetrapodi sia il posizionamento dei tetrapodi all’interno delle traverse.

Gli esperimenti hanno messo in evidenza l’elevata flessibilità e la robustezza globale del sistema in caso di sovraccarico. Con il crescere dei deflussi si osserva una progressiva erosione dei singoli tetrapodi, con un adattamento duttile delle traverse che mantengono comunque una coerenza pure per deflussi importanti. Per deflussi superiori all’evento centenario i gruppi di tetrapodi posizionati in traverse iniziano progressivamente a sfaldarsi (processo accompagnato da una riduzione della pendenza), senza però che si arrivi a un collasso delle strutture. Il sistema trova infatti un nuovo equilibrio, passando gradualmente dalla disposizione iniziale con i raggruppamenti ordinati e distinti, a una disposizione sparsa dei tetrapodi, che occupano con il protrarsi dei processi erosivi in modo sempre più omogeneo la superficie dell’alveo.

L’evoluzione dell’alveo e delle strutture di tetrapodi con il crescere dei deflussi è stata documentata con fotografie ortogonali ad alta risoluzione. Queste permettono grazie alla fotogrammetria la restituzione della morfologia dell’alveo con una precisione nell’ordine di grandezza millimetrico. La documentazione degli esperimenti fisici sui tetrapodi è stata messa a disposizione di due studenti del Politecnico federale di Losanna che l’hanno analizzata nell’ambito di un lavoro di semestre (Design Project 2020) presso la Facoltà di Scienze e ingegneria ambientali in collaborazione con il nostro laboratorio.

Gli esperimenti fisici hanno quindi confermato le ipotesi iniziali riguardanti il comportamento globale del sistema e permesso di ottimizzare la geometria delle traverse di tetrapodi per l’intervento lungo il riale di Marolta. I test in laboratorio sulla stabilizzazione dell’alveo con tetrapodi proseguiranno, con l’obiettivo di studiare in modo sistematico l’effetto della densità dei tetrapodi, della pendenza e del rapporto tra le dimensioni degli elementi in calcestruzzo e l’alveo mobile sulla stabilità del sistema. Si vuole in questo modo sviluppare una formula empirica che permetta di dimensionare in modo affidabile questo genere di interventi.

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Nell’ambito di un progetto interno di ricerca stiamo studiando la dinamica del deposito delle colate detritiche su un conoide subacqueo. La necessità nasce dall’esigenza di validare i modelli numerici per condizioni di deflusso particolari.

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