Studio delle Interazioni tra Opere di Sbarramento Fluviale, Correnti Idriche Superficiali e Sotterranee: Cassa di Espansione del Torrente Crostolo in Località Rivalta nel Comune di Reggio Emilia Lisa Borgatti1, Federico Cervi2, Alessandro Corsini2, Marcello Fiorentini3, Giovanni Moretti3, Stefano Orlandini3, Maurizio Pellegrini2, Francesco Ronchetti2 1. Dipartimento di Ingegneria delle Strutture, dei Trasporti, delle Acque, del Rilevamento, del Territorio, Università degli Studi di Bologna. 2. Dipartimento di Scienze della Terra, Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia. 3. Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Civile, Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia. Cassa di espansione sul Torrente Crostolo Torrente Crostolo Tratto arginato Casse di espansione Ponte del Tondo Cassa di Rivalta Fasce fluviali Modello Idrologico Analisi Territoriale: DTM 20 m × 20 m, Regione Emilia Romagna. Uso del suolo “Corine”, Regione Emilia Romagna. Banca dati geologica, Regione Emilia Romagna. Definizione dei parametri del metodo CN per la stima della pioggia efficace. Precipitazioni ragguagliate al bacino con il metodo dei Poligoni di Thiessen. Calibrazione del modello idrologico utilizzando eventi registrati dalla rete pluvio-idrometrica dell’ARPA-ER. Laminazione delle Piene della Cassa di Rivalta Analisi effettuata utilizzando il programma HEC-ResSim, USACE. 550 500 450 400 P or tata ( m 3/s) 350 300 250 200 150 100 50 0 03:00 06:00 09:00 12:00 01May2009 15:00 Rivalta-Pool.V_2CE_C3H-0.Flow-IN.15MIN Rivalta-Pool.V_2CE_C3H-0.Flow-OUT.15MIN Idrogramma in ingresso corrispondente ad una precipitazione sintetica con durata pari a 3 h. Determina il raggiungimento della quota massima di regolazione. Laminazione della Cassa di Rivalta: Aspetti Generali 450 Idrogramma in ingresso 400 Idrogramma in uscita 350 Volume accumulato Volume rilasciato P or tata ( m 3/s) 300 250 200 150 100 50 0 03:00 06:00 Rivalta-Pool.V_2CE_C7H-0.Flow-IN.15MIN Rivalta-Pool.V_2CE_C7H-0.Flow-OUT.15MIN 09:00 12:00 01May2009 15:00 18:00 21:00 Laminazione della Cassa di Rivalta: Analisi delle Portate 1000 entrante uscente900 800 700 600 500 400 300 Curva delle precipitazioni massime di Cati 200 Invaso inizialmente vuoto, Paratoie aperte 100 3 -1 portata (m s ) 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 1 2 3 4 5 6 durata di precipitazione (h) 7 entrante uscente Curva delle precipitazioni massime di Cati Invaso inizialmente pieno, Paratoie aperte 8 0 1 2 3 4 5 6 durata di precipitazione (h) 7 La capacità di laminazione dell’idrogramma: • è circa il 40%, se la quota di invaso non raggiunge la quota massima di regolazione • diminuisce all’aumentare della durata di precipitazione • diminuisce al calare della sezione utile delle luci di fondo • diminuisce all’aumentare del volume inizialmente presente nell’invaso 8 Laminazione della Cassa di Rivalta: Quote e Volumi 3.3 3.2 3 volume invasato (10 m ) 115.0 Curva delle precipitazioni massime di Cati Invaso inizialmente vuoto Paratoie aperte quota invaso (m) 6 3.1 3.0 2.9 2.8 2.7 Curva delle precipitazioni massime di Cati Invaso inizialmente vuoto 114.8 Paratoie aperte 114.6 114.4 114.2 114.0 2.6 113.8 2.5 113.6 2.4 113.4 0 1 2 3 4 5 6 durata di precipitazione (h) 7 8 0 1 2 3 4 5 6 7 durata di precipitazione (h) Il tempo critico per l’invaso è in corrispondenza dell’invaso massimo Il tempo critico non varia con le diverse configurazioni delle paratoie L’andamento delle quote è analogo a quello dei volumi tcr = 3 h 8 -1 intensità di precipitazione efficace (mm h ) Soglie di Precipitazione della Cassa di Rivalta 70 60 Soglia per la tracimazione manufatto di Rivalta Paratoie aperte invaso vuoto invaso pieno 50 Condizione di insicurezza Condizione di sicurezza 40 Le soglie per il sormonto arginale sono maggiori delle precipitazioni massime possibili di Cati 30 20 10 0 1 2 3 4 5 durata precipitazione (h) 6 7 Limitando l’efflusso dalle luci di fondo le curve si abbassano, in particolare quelle con la condizione iniziale di invaso pieno Laminazione della Cassa di Rivaltella 450 Idrogramma in ingresso Idrogramma in uscita 400 450 350 400 350 300 P or tata ( m 3/s) P or tata ( m 3/s) 300 250 200 150 100 250 200 150 50 0 03:00 06:00 09:00 12:00 01May2009 15:00 18:00 21:00 100 Rivalta-Pool.V_2CE_C7H-0.Flow-IN.15MIN Rivalta-Pool.V_2CE_C7H-0.Flow-OUT.15MIN 50 0 03:00 06:00 09:00 12:00 01May2009 Rivaltella-Pool.V_2CE_C7H-0.Flow-IN.15MIN Rivaltella-Pool.V_2CE_C7H-0.Flow-OUT.15MIN La cassa risente della laminazione attuata da quella di Rivalta Scarsa laminazione degli idrogrammi in ingresso Le percentuali di laminazione sono sotto al 10% L’idrogramma in uscita segue quello in entrata 15:00 18:00 21:00 Laminazione della Cassa di Rivaltella: Quote e Volumi 3 0.8 6 volume invasato (10 m ) 0.9 0.7 Curva delle precipitazioni massime di Cati Sfioro incipiente nella cassa di Rivalta Invaso inizialmente vuoto quota invaso (m) ! 1.0 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 luci di fondo funzionanti luci di fondo ostruite 0.1 0.0 0 1 2 3 4 5 6 durata di precipitazione (h) 7 8 104.4 Curva delle precipitazioni massime di Cati 104.2 Sfioro incipiente nella cassa di Rivalta 104.0 Invaso inizialmente vuoto 103.8 103.6 103.4 103.2 103.0 102.8 102.6 102.4 luci di fondo funzionanti 102.2 luci di fondo ostruite 102.0 0 1 2 3 4 5 6 durata di precipitazione (h) Si considera solo l’evento che porta alla tracimazione del manufatto di Rivalta Il volume immagazzinato è maggiore se le luci di fondo sono ostruite Il livello dell’invaso si alza di 60 cm se le luci sono ostruite 7 8 -1 intensità di precipitazione efficace (mm h ) Soglie di Precipitazione della Cassa di Rivaltella 90 Soglia per la tracimazione dell'arginatura Cassa di Rivaltella 80 luci libere luci ostruite 70 Condizione di insicurezza Condizione di sicurezza 60 50 Se le luci sono ostruite le soglie si abbassano indipendentemente dalla durata di precipitazione 40 30 20 10 0 1 2 3 4 5 durata precipitazione (h) 6 7 I valori riportati sono intermedi tra le soglie per la tracimazione del manufatto di Rivalta e le curve di Cati Tracimazione delle Arginature di Rivalta Valutazione del Periodo di Ritorno Metodo proposto nel progetto VAPI (VAlutazione delle Piene in Italia) dal Gruppo Nazionale Difesa Catastrofi Idrogeologiche 900 altezza di precipitazione (mm)! Curve di probabilità pluviometrica VAPI 800 T = 1000 a 700 T = 500 a T = 200 a 600 T = 100 a 500 T = 50 a 400 T = 20 a T = 10 a 300 T=5a 200 invaso vuoto invaso pieno 100 0 0 1 2 3 4 5 6 7 durata di precipitazione (h) 8 9 10 Sfioro del Manufatto di Rivalta Valutazione del Periodo di Ritorno Metodo proposto nel progetto VAPI (VAlutazione delle Piene in Italia) dal Gruppo Nazionale Difesa Catastrofi Idrogeologiche 250 altezza di precipitazione (mm)! Curve di probabilità pluviometrica VAPI 225 T = 1000 a 200 T = 500 a 175 T = 200 a 150 T = 100 a T = 50 a 125 T = 20 a 100 T = 10 a T=5a 75 invaso vuoto 50 invaso pieno 25 0 0 1 2 3 4 5 6 7 durata di precipitazione (h) 8 9 10 Tracimazione delle Arginature di Rivaltella Valutazione del Periodo di Ritorno Metodo proposto nel progetto VAPI (VAlutazione delle Piene in Italia) dal Gruppo Nazionale Difesa Catastrofi Idrogeologiche 250 altezza di precipitazione (mm)! Curve di probabilità pluviometrica VAPI 225 T = 1000 a 200 T = 500 a 175 T = 200 a 150 T = 100 a T = 50 a 125 T = 20 a 100 T = 10 a T=5a 75 luci libere 50 luci ostruite 25 0 0 1 2 3 4 5 6 7 durata di precipitazione (h) 8 9 10 Propagazione dell’Onda di Piena HEC-RAS, U.S. Army Corps of Engineers crostolo Plan: 1) Plan_72 8/26/2009 Crostolo Rivalta-A1 54 Legend WS Max WS Ponte del Tondo Ground 52 Elevation (m) Left Levee Right Levee 50 48 46 3200 3400 3600 3800 4000 4200 Main Channel Distance (m) Portata pari a 260 m3 s-1 in uscita dalla cassa di Rivalta. Conclusioni Evento Caratterizzazione Idrologica Periodo di Ritorno Insufficienza idraulica del Ponte del Tondo: riempimento della sezione di deflusso. Altre insufficienze idrauliche all’aumentare della portata. Qout ≥ 262 m3 s1 Qin ≥ 494 m3 s1 d=3h he ≥ 66 mm ie ≥ 22 mm h1 h = 82 mm (φ = 0.80, ARF = 1) T ≈ 50–100 a* T > 200 a†,‡ Insufficienza idraulica della cassa di espansione di Rivaltella: tracimazione delle arginature della cassa. Qout ≥ 410 m3 s1 Qin ≥ 586 m3 s1 d=3h he ≥ 78 mm ie ≥ 26 mm h1 h = 97 mm (φ = 0.80, ARF = 1) T ≈ 100–200 a* T > 200 a† Insufficienza idraulica della cassa di espansione di Rivalta: tracimazione delle arginature della cassa. Qout ≥ 2168 m3 s1 Qin ≥ 2300 m3 s1 d=3h he ≥ 308 mm ie ≥ 102 mm h1 h = 385 mm (φ = 0.80, ARF = 1) T > 1000 a* Precipitazione temibile superiore a quella massima stimata da Cati (154 mm). * † ‡ Secondo le curve di probabilità pluviometrica basate sui risultati del progetto VAPI del GNDCI. Secondo le curve di probabilità pluviometrica pubblicate da ARPA Emilia Romagna. Susin ottiene Qout = 270 m3 s1 per Qin = 410 m3 s1 in ragione di un minore volume immagazzinabile. Il valore Qin = 410 m3 s1 è associato ad una precipitazione di 108 mm in una durata di 4.3 h ed al periodo di ritorno T = 100 a, ma il valore corretto della portata per quella precipitazione è Qin = 501 m3 s1. Pertanto, per le precipitazioni considerate da Susin, l’evento Qout = 270 m3 s1, e quindi anche l’evento Qout = 262 m3 s1, ha un periodo di ritorno T < 100 a. Ulteriori Considerazioni • Circolare P.C.M. 19 Marzo 1996 [...] le manovre volontarie degli organi di scarico siano svolte, in generale ed ove non diversamente specificato, adottando ogni cautela al fine di determinare un incremento graduale delle portate scaricate contenendone al massimo l'entità. • D.P.C.M. 15 Dicembre 1998 Criteri di allertamento [...] Poiché obiettivo del programma è tutto il territorio nazionale, si ritiene opportuno dirigere gli sforzi per conseguire un livello minimo per tutto il paese, costituito quindi dall’uso di soglie pluviometriche. • Direttiva P.C.M. 27 Febbraio 2004 - regolazione dei deflussi 450 - piani di laminazione 400 350 • Gestione delle piene artificiali - Pista ciclabile - Parco del Crostolo - Centri abitati P or tata ( m 3/s) 300 250 200 150 100 50 0 03:00 Rivalta-Pool.P_2PA_C4H-0.Flow-IN.15MIN Rivalta-Pool.P_2PA_C4H-0.Flow-OUT.15MIN 06:00 09:00 12:00 01May2009 15:00 Quadro Normativo •Circolare P.C.M. 19 Marzo 1996 Il documento di protezione civile deve altresì contenere: la prescrizione che le manovre volontarie degli organi di scarico siano svolte, in generale ed ove non diversamente specificato, adottando ogni cautela al fine di determinare un incremento graduale delle portate scaricate contenendone al massimo l'entità che, nella fase di allerta di cui alla lettera a), non deve superare, nella fase crescente, quella della portata affluente al serbatoio […] •Direttiva P.C.M. 27 Febbraio 2004 Le manovre previste dal documento di protezione civile e/o dal programma statico e dal piano di laminazione potranno essere direttamente eseguite dal gestore dopo averne data comunicazione all'ufficio compartimentale dal Registro Italiano Dighe ed all'ufficio territoriale del Governo di riferimento […] Nel caso in cui il gestore, anche ai fini di salvaguardare l'opera, le popolazioni ed i beni a valle della diga, proponga di operare sia una manovra preventiva contemplata dal programma dinamico del piano di laminazione che una manovra in difformità a quanto rappresentato nel documento di protezione civile e/o nel piano di laminazione stesso, dovrà darne comunicazione all'Unità di comando e controllo attraverso l'Ufficio territoriale del Governo di riferimento. Lavoro in Corso • Descrizione dettagliata della geometria idraulica del sistema fluviale LiDAR aviotrasportato sull’intero bacino Rilievo di sezioni significative • Monitoraggio dello stato idrico e dei flussi sub-superficiali in prossimità del manufatto e delle arginature della cassa di Rivalta Indagini geognostiche Installazione di un sistema di monitoraggio in continuo con trasmissione dei dati in remoto Campagna di letture piezometriche in una rete di monitoraggio periodico allargata Piezometri sul rilevato arginale • 6 sezioni significative (+2) strumentate con piezometri di Casagrande e sonde per acquisizione dei dati in continuo e trasmissione in remoto Piezometri sul rilevato arginale Destra Sezione n° 1 Piezometro Sonde Centraline 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 (2 canali) 5 P1A P1B P2A P2B P2C P3A P3B P4A P4B P5 6 P6 11 1 (8 canali) 7 P7A (11) P7A (18) P7B P7C P8A P8B 12 13 14 15 16 17 17 1 (4 canali) 2 3 4 Sinistra 8 Totale Note 1 (3 canali) 1 (2 canali) 1 (2 canali) 1 (8 canali) I canali liberi saranno utilizzati per i piezometri sotto platea I canali liberi saranno utilizzati per i piezometri sotto platea 1 (2 canali) 8 4 1 1 2 da da da da 2 3 4 8 canali; canali; canali; canali Piezometri in platea • 6 piezometri di 2 m di profondità, fenestrati tra 1.5 e 1.8 m in corrispondenza dello strato in ghiaia lavata drenante posto immediatamente al di sotto di ciascuna delle piastre della vasca di dissipazione. Nel caso delle piastre con dissipatori, si è posizionato un piezometro in prossimità del manufatto principale, nella zona in cui si attendono le maggiori fluttuazioni di pressione dovute al risalto idraulico; • 6 piezometri di 5 m di profondità circa, fenestrati tra 2 e 5 m in corrispondenza del substrato limoso; • 2 piezometri di 20 m di profondità fenestrati in corrispondenza di lenti di materiale permeabile che si trovano a partire da quota di 85 m s.l.m. circa. Piezometri in platea Destra Sezione n° 1 Piezometro Sonde Centraline 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 (2 canali) 5 P1A P1B P2A P2B P2C P3A P3B P4A P4B P5 6 P6 11 1 (8 canali) 7 P7A (11) P7A (18) P7B P7C P8A P8B 12 13 14 15 16 17 17 1 (4 canali) 2 3 4 Sinistra 8 Totale Note 1 (3 canali) 1 (2 canali) 1 (2 canali) 1 (8 canali) I canali liberi saranno utilizzati per i piezometri sotto platea I canali liberi saranno utilizzati per i piezometri sotto platea 1 (2 canali) 8 4 1 1 2 da da da da 2 3 4 8 canali; canali; canali; canali