Simulazione numerica della formazione e sviluppo di una breccia in dighe in materiali sciolti

 5
altre parole la sicurezza, almeno per quel che riguarda il rischio di 
tracimazione delle acque oltre il coronamento della diga, sarà tanto più 
elevata quanto più si avrà avuto cura nel dimensionare gli scarichi al 
fine di poter eliminare, senza problemi,  portate massime di progetto 
determinate in via molto cautelativa. Da quanto detto appare chiaro 
dunque come sia indispensabile conoscere prima di tutto le 
caratteristiche principali dell’opera in questione ma anche i parametri 
idrologici sulla base dei quali sono state determinate le portate di 
progetto. La particolare natura delle strutture di cui ci occuperemo 
conferisce al problema un carattere interdisciplinare in cui sono 
richieste conoscenze sia di natura idraulica ma anche di natura 
geotecnica. Occorre specificare, in ogni caso, che per quanto riguarda lo 
scopo di quanto seguirà, le problematiche relative alla stabilità dei 
rilevati e della analisi meccanica dei terreni entreranno in gioco soltanto 
in via collaterale, volendo privilegiare certamente i risvolti idraulici del 
caso.  Rimanendo nell’ambito introduttivo vale la pena di osservare che 
i metodi di indagine possibili a livello previsionale sono in costante 
evoluzione ed oggi, di fatto, sono raggruppabili in due categorie 
distinte: modellizzazione fisica e simulazione numerica. Questo lavoro  
si orienta proprio in questa ultima categoria di indagine. Per definire il 
quadro degli obbiettivi del seguente studio segnaliamo la possibilità non 
soltanto di utilizzare un modello matematico ma anche di saperne 
interpretare i risultati sulla base del metodo di calcolo impiegato per 
raggiungere gli stessi. Verificare la validità di alcuni approcci teorici  
del modello rispetto ad altri e  confrontarne l’efficacia quando applicati 
a casi concreti piuttosto che ad esempi a semplice scopo didattico 
risulterà essere lo scopo principale dello studio in oggetto. E’ naturale 
estensione di quanto appena detto che per poter svolgere un indagine al 
 6
massimo grado di obbiettività sarà fondamentale tener conto di tutti i 
limiti delle teorie applicate e delle ipotesi fisiche di partenza per poter 
riprodurre fenomeni naturali di elevata complessità. In questo ambito si 
colloca una parte piuttosto importante di questo studio dedicata 
esclusivamente alla discussione della metodologia di calcolo impiegata 
dal modello. Restando in tema di difficoltà operative, non deve poi 
essere dimenticata quella relativa alla reperibilità dei dati iniziali, i 
quali, non solo possono essere incompleti, ma anche presentare scarsa 
attendibilità; ciò influenzerebbe la conseguente elaborazione e di fatto, 
invaliderebbe  le conclusioni. Resta ben chiaro da subito che, in un 
simile scenario, la possibilità di affidarsi ad un unico studio, per quanto 
completo, non esclude di fatto che esso possa essere esente da lacune o 
imperfezioni che ne riducano la fondatezza. Soltanto quando il grado di 
esperienza  e sensibilità  risultino molto alti il margine di previsione 
potrà essere corredato dalla interpretazione dei risultati che diverrà 
determinante; in mancanza di questo, come si vedrà, le uniche 
possibilità per aumentare l’affidabilità del metodo saranno quelle 
dettate dall’integrazione teorica. Sulla base delle analisi effettuate  di 
cui si è accennato sarà possibile esprimere anche un giudizio sul grado 
di accuratezza con cui è stata effettuata la progettazione e l’esecuzione 
della diga ai fini della sicurezza in relazione ad eventi che possano 
provocarne la tracimazione. Riassumendo, il problema presenta 
numerosi aspetti di un certo interesse: la scelta del metodo di indagine, 
il suo impiego e la discussione circa l’attendibilità dei risultati 
(utilizzando dove possibile comparazioni con casi analoghi) ed infine la 
discussione di quanto ottenuto. Le difficoltà principali riguarderanno la 
scelta dei dati iniziali, le semplificazioni adottate nella fase di 
simulazione, la conseguente incertezza nello scegliere gli approcci 
 7
teorici che meglio si adattano allo scopo.  Come già anticipato il 
problema della tracimazione assume carattere predominante nelle 
analisi di sicurezza di serbatoi realizzati mediante impiego di argini in 
materiale incoerente. Questi eventi sono legati al manifestarsi di varie 
cause che possono anche essere compresenti: la parziale o totale 
inefficienza degli apparati di scarico delle acque, la determinazione di 
portate di progetto non corretta, il manifestarsi di eventi meteorologici 
eccezionali, il cedimento strutturale dovuto a cause accidentali non 
previste (come sismi di cospicua intensità), l’impiego di materiali di 
caratteristiche non conformi alla corretta esecuzione, l’assenza o la 
negligente manutenzione dell’opera o di sue parti. Molte di queste 
eventualità possono essere prevenute mediante l’accurata progettazione 
ed esecuzione, altre di natura accidentale non sono imputabili 
direttamente ad una responsabilità umana e sono pertanto quelle verso 
cui si deve orientare la fase di studio previsionale. Premesso questo si 
intende per tracimazione quel fenomeno che causa un’ innalzamento del 
pelo libero del serbatoio fino al superamento della quota di 
coronamento dell’argine, intendendo tacitamente che questo si verifichi 
senza che l’opera abbia già subito danneggiamenti di altra natura che lo 
abbiano favorito, ammettendo, di fatto, che la tracimazione avvenga per 
eventi così intensi da provocare un esubero di portata rispetto a quella 
smaltibile dagli organi di scarico. In realtà questa assunzione non tiene 
fede a ciò che è reperibile il letteratura ove erosioni progressive dovute 
a questi fenomeni sono state possibili in compresenza di più fattori. 
Rimane però corretta l’interpretazione comune secondo cui la causa di 
“innesco” della tracimazione resta, comunque sia, la presenza di portate 
defluenti dalla sommità degli sbarramenti. Un effetto catalizzante del 
processo erosivo è inoltre dovuto, in taluni casi, alla formazione di 
 8
ruscellamenti di acqua piovana sul paramento di valle degli sbarramenti 
in relazione ad una scarsa capacità drenante della superficie dello stesso 
e delle inefficienza od assenza di opportune protezioni del manto atte a 
limitare tali eventualità. La documentazione raccolta circa il 
manifestarsi di erosioni molto gravi avvenute negli anni passati resta il 
punto di partenza per poter capire in che modo e quali sono i tempi in 
cui si verificano tali eventi. Si indica con il termine sifonamento il 
fenomeno erosivo che si manifesta all’interno delle opere in terra o nei 
terreni di fondazione di altre infrastrutture idrauliche in materiale 
murario quali, in particolare, le traverse fluviali. Questo particolare tipo 
di erosione si origina in ragione del fatto che in presenza di acqua in 
movimento a contatto con materiale di scarsa coesione esso può essere 
mobilitato. Si può ritenere che nel momento in cui la velocità delle 
acque filtranti eccede le velocità teoriche limite  i materiali sciolti di 
determinate granulometrie vengono a  raggiungere e superare la soglia 
del moto incipiente. Si osservi che in entrambi i fenomeni erosivi 
esposti la fisica del caso non cambia: l’acqua in moto ha capacità di 
trasportare un materiale sufficientemente leggero e non vincolato da 
alcun legame di tenuta con altro materiale attiguo. Nel caso in esame 
questo materiale è interno alla massa dell’opera e può essere asportato 
dalle acque di filtrazione. Le cause che possono produrre il sifonamento 
sono: assenza o inadeguatezza di dispositivi di tenuta, drenaggio 
insufficiente, costipazione del materiale non corretta, scelta di materiali 
non adeguati o dalla granulometria male assortita, opere accessorie non 
funzionali o danneggiate. In ragione a questa ultima voce la 
regolamentazione vigente, riferendosi alle dighe in terra, impone al 
progettista di evitare tassativamente il passaggio di qualsiasi organo di 
scarico che interessi il corpo del manufatto. Per quanto attiene all’entità 
 9
del fenomeno ovvero alle quantità di materiale effettivamente 
asportabile si dovrà anche riguardare la presenza di dispositivi interni 
che possono in alcuni casi limitare, in altri estendere, il fenomeno. Una 
caratteristica da non sottovalutare affatto riguarda poi il fatto che 
mentre una erosione per tracimazione è, se non altro, facilmente 
rilevabile lo stesso non si può affermare sempre nei confronti del 
sifonamento che per sua natura assume spesso i caratteri di un’insidia 
nascosta. Non deve stupire quindi che nelle strutture di un certo rilievo 
il progettista preveda di far ricorso ad una serie di apparecchiature per 
la misurazione delle portate di filtrazione.      
 
 
 10
 CAPITOLO I: LE COSTRUZIONI IN MATERIALE SCIOLTO
1.1     I RILEVATI IN TERRA: GENERALITA’ 
 
L’impiego di materiali sciolti per la realizzazione di manufatti  o parti 
di essi è certamente conosciuto ed attuato fin dalle origini dell’attività 
costruttiva sviluppata dall’uomo. La selezione dei materiali e le 
tecniche costruttive hanno subito, come intuibile, costanti evoluzioni 
fino a sviluppare modalità e criteri molto vari. In accordo con questo 
progresso anche la tipologia e le finalità delle costruzioni realizzate si 
sono ampliate in relazione anche alla disponibilità di nuove tecniche di 
cantiere per la movimentazione dei materiali e la migliore conoscenza 
geotecnica con particolare riferimento ai carichi applicabili sui terreni di 
fondazione. I vantaggi delle opere così realizzate riguardano la 
possibilità di realizzare manufatti in grado di subire, senza 
danneggiamenti gravi, grandi deformazioni anche sotto forma di 
cedimenti differenziali, la capacità di mantenere impatti ambientali 
limitati, la possibilità molto elevata di adattarsi a morfologie ambientali 
molto differenti tra loro ed inoltre di rendere relativamente accessibili i 
costi di realizzazione. Mentre i rilevati, gli argini, alcune tipologie di 
sbarramenti hanno funzione prevalentemente statica, le dighe hanno, 
oltre a questa anche funzioni di tenuta. E’ questo essenzialmente il 
motivo per cui sono queste ultime le opere più impegnative dal punto di 
vista ingegneristico. Il progetto delle strutture in questione si effettua in 
funzione di vari parametri: le proprietà  dei terreni di imposta e dei 
materiali disponibili per la costruzione, la finalità dell’opera, gli aspetti 
economici, la morfologia dell’ambiente, le condizioni di utilizzo 
(presenza di sovraccarichi, accessibilità, possibilità di interventi di 
mantenimento o modifica etc…) e naturalmente da tutto ciò che 
 11
concerne l’attuabilità dal punto di vista legislativo. Per quanto attiene 
alle dighe in terra, storicamente si possono ritenere relativamente 
recenti in quanto quelle più antiche risalgono allo scorso secolo, la 
massima diffusione è avvenuta intorno agli anni ’50 con il progresso 
delle conoscenze teoriche e sperimentali della Geotecnica consentendo 
di realizzare opere in condizioni anche molto difficili in particolare 
nell’Italia centro-meridionale. Lo sviluppo delle grandi opere in terra 
trova oggi i suoi limiti principali nella presenza di siti aventi materiali 
di fondazione scarsamente adatti o sensibili alle azioni dinamiche specie 
per opere di grande altezza in zone sismiche e dall’esigenza di garantire 
la sicurezza del territorio con prelievi di materiale sciolto controllati. 
Considerevoli anche le problematiche inerenti all’impatto ambientale in 
particolare se relazionate all’apertura, in passato non sufficientemente 
disciplinata, di grandi aree di cava per il prestito del materiale 
necessario all’esecuzione. 
Fonte di limitazioni ulteriori derivano dalla realizzazione degli elementi 
strutturali integranti il corpo diga quali manti di tenuta, diaframmi, 
protezioni, muri paraonde, reti di drenaggio ed altri in relazione alle 
interazioni reciproche e con il corpo diga stesso. In Italia il volume 
massimo di tali opere ha raggiunto i 12 milioni di m
3
 ed una altezza 
massima di circa 100 m. I requisiti geotecnici principali riguardanti i 
materiali di comune impiego riguardano: resistenza meccanica, 
deformabilità, permeabilità, disponibilità in sito.  
 
 
 12
1.2 TIPOLOGIE DI MANUFATTI 
 
 
Come già osservato i manufatti in materiali sciolti sono strutture alle 
quali si assegnano dimensioni e forme opportune in relazione a vari 
parametri. La realizzazione con diverse modalità è, di norma, scelta in 
base alle finalità a cui l’opera è destinata ed alle azioni che su di essa si 
prevedono applicate. E’ importante considerare anche che spesso i 
materiali in questione vengono impiegati per la realizzazione di parti 
strutturali con funzione di tenuta, drenaggio, protezione che richiedono, 
normalmente, una selezione molto accurata. Si riportano di seguito le 
principali tipologie di manufatti realizzabili mediante uso di materiale 
incoerente. I rilevati sono strutture destinate all’appoggio di 
sovrastrutture (strade, ferrovie, piazzali) ed, in generale, non 
raggiungono dimensioni molto grandi. Oltre alla stabilità statica globale 
si richiede la massima portanza in prossimità della superficie per 
limitare entro valori accettabili le deformazioni indotte dai carichi lì 
applicati e dalle frequenti azioni dinamiche insite nella tipologia 
strutturale qui presa in considerazione. Spesso le azioni di natura 
idraulica interessano marginalmente queste costruzioni, limitandosi alle 
azioni di ruscellamento lungo i versanti piuttosto che al contenimento 
ed alla locale canalizzazione delle acque meteoriche. In genere per la 
loro esecuzione sono richiesti materiali di buone caratteristiche 
meccaniche  ed una compattazione idonea ad ottenere alte capacità 
drenanti. La sezione tipo di questi manufatti sarà schematicamente 
riportata in figura 1.2.1 . Gli argini di difesa idraulica hanno in genere 
altezze modeste ma possono talvolta avere notevole sviluppo 
planimetrico ed interessare terreni molto diversi. Negli argini di difesa 
 13
fluviale  i requisiti geotecnica di sicurezza richiesti riguardano la 
resistenza allo scorrimento in fondazione e la protezione nei confronti 
di eventuali fenomeni di ritiro o rigonfiamento. La sicurezza in termini 
di sifonamento verso il lato campagna e la protezione alla azione 
erosiva della corrente nel lato fiume sono invece i parametri essenziali 
dal punto di vista idraulico. In ogni caso le sollecitazioni idrodinamiche 
massime si ritengono applicate per periodi di tempo relativamente 
brevi, ne consegue che la tenuta viene spesso affidata a materiali non 
altamente selezionati dalla permeabilità discreta. Altro tipo di argine è 
quello marittimo o costiero, dove gioca un ruolo determinante il 
dimensionamento del rivestimento a difesa del paramento lato mare, 
generalmente effettuato con scogliere di massi naturali o artificiali. Lo 
studio delle maree e dei moti ondosi diviene importante mentre il grado 
di costipamento può essere limitato se l’argine viene ben proporzionato 
in larghezza. Altre strutture sono le dighe marittime che, a differenza 
degli argini, possono assumere dimensioni rilevanti specie in funzione 
della profondità del fondale. Vengono realizzate in particolare per la 
realizzazione di infrastrutture portuali o per la salvaguardia costiera. 
Consegue da quanto appena detto che i requisiti da rispettare in maniera 
prioritaria riguardano la stabilità meccanica dovendo far fronte ad 
elevate azioni dinamiche dovute al moto ondoso ed alla presenza 
frequente di terreni di fondazione spesso altamente comprimibili. Si 
impiegano, di norma, materiali di grande pezzatura posti in opera 
sott’acqua alla rinfusa. La figura 1.2.2 indica sommariamente una 
sezione tipo di una diga marittima. Le dighe di sbarramento in materiale 
sciolto, per la creazione di invasi artificiali su corsi d’acqua, sono i 
manufatti più impegnativi per la già segnalata difficoltà di dover 
soddisfare, in fase di progettazione, al duplice requisito di tenuta e di 
 14
stabilità. Queste problematiche sono da intendersi estese non solo al 
rilevato ma anche alla fondazione dello stesso. In termini di sicurezza le 
azioni idrauliche da tenere in conto legate alla presenza del serbatoio 
sono: le oscillazioni del pelo libero dovute al moto ondoso, l’azione 
delle acque di filtrazione,il controllo del livello del pelo libero mediante 
efficiente deflusso delle acque in esubero da parte degli organi di 
scarico, l’azione erosiva delle acque meteoriche sul paramento di valle. 
I problemi di natura geotecnica attengono alla stabilità globale 
dell’opera, alla scelta ed alla reperibilità dei materiali opportuni, alla 
corretta posa in opera degli stessi, all’efficace progettazione delle opere 
accessorie secondo quanto specificato dalla legislazione in merito. I 
materiali da costruzione devono essere accuratamente selezionati così 
come curati devono essere il costipamento e la posa in opera. Gli stessi 
materiali possono poi essere usati anche per realizzare tutta una serie di 
opere specifiche quali rinfianchi o banchinamenti, rilevati di precarico, 
terrapieni, colmate per bonifica ed accumuli di varia natura. Viene 
riportato, a titolo d’esempio, in figura 1.2.3 uno schema di rinfianco per 
stabilizzazione di pendio. Si osservi inoltre che fra materiali diversi 
possono insorgere problemi di contatto che richiedono l’utilizzo di strati 
di transizione per i quali si impiegano di norma: conglomerati cementizi 
semplici o armati, materiali bituminosi, geotessili, metalli, o una 
combinazione degli elementi qui elencati. Oltre che interposti a formare 
strati di transizione come specificato, questi prodotti vengono anche 
validamente utilizzati per costituire parti accessorie quali: strati di 
protezione, sostegno, drenaggio, tenuta e fondazione. 
 
 15
 
Figura 1.2.1: schema di un rilevato stradale 
 
 
 
 
muro frangionde
 
Figura 1.2.2:schema di una diga marittima 
 
 
fi 1 2 4 h di i fi di
 
Figura 1.2.3: schema di rinfianco per stabilizzare un pendio 
 16
 
 
1.3 LE DIGHE DI RITENUTA: CLASSIFICAZIONE 
 
 
Una sezione schematica di diga di ritenuta verrà proposto in figura 
1.3.1. A causa delle modeste tensioni indotte in fondazione da questi 
rilevati essi possono realizzarsi anche su terreni di imposta poco 
resistenti e relativamente comprimibili. Per quanto riguarda una loro 
classificazione in base alle modalità costruttive si può fare riferimento 
alla tabella che segue. 
 
 
DIGHE IN PIETRAME DIGHE IN TERRA 
Muratura a secco Scogliera Rullata Rifluita 
Solitamente 
predisposte 
mediante conci 
squadrati 
sistemati a mano. 
Praticamente oggi 
quasi in disuso. 
Blocchi di grande 
pezzatura posti alla 
rinfusa. Tipologia 
impiegata oggi 
soltanto in presenza 
di manufatti
integranti la capacità 
di tenuta idraulica.  
Strutture costituite 
da strati successivi 
costipati. Tipologia 
diffusa in varie 
sottoclassi in 
funzione dei 
materiali impiegati 
e del grado di 
omogeneità. 
Ottenute per 
sedimentazione in 
acqua dei
materiali. Oggi 
praticamente 
abbandonate.  
Tabella 1.3.1: tipologie di dighe in materiale sciolto 
 
La classificazione sopra proposta ha carattere puramente indicativo, in 
quanto mancano in questa le importanti caratterizzazioni derivanti 
dall’uso dei vari materiali costruttivi. Sono infatti le proprietà e la 
disposizione di questi ultimi a definire, di norma, il tipo di struttura che 
si ottiene dal loro impiego. E’ importante sottolineare subito che 
saranno i materiali con granulometria inferiore a garantire la tenuta 
idraulica mentre alle pezzature maggiori sarà demandato il compito 
della stabilità meccanica. Secondo questo criterio, discusso nel dettaglio 
 17
più avanti, appare evidente che spesso un singolo rilevato potrà 
costituirsi con più parti a ciascuna delle quali si assegnerà una prevista 
finalità. Trascurando le categorie ormai quasi totalmente abbandonate, 
ci si può riferire alle dighe in terra costipata. Per queste si distinguono 
di norma due classi: le dighe in terra omogenea e quelle in terra zonate. 
Le prime saranno costituite da rilevati di materiale fine con eventuali 
zone di rinforzo. La tenuta idraulica sarà qui ottenuta dall’intero corpo 
diga; questi manufatti devono essere limitati ad altezze inferiori a 30 m. 
secondo quanto previsto dalle attuali disposizioni. Le seconde saranno 
costituite da una serie di sezioni interne a quella complessiva in 
funzione delle proprietà geotecniche dei materiali adottati per ognuna; 
materiali di grande pezzatura generalmente nelle sezioni più esterne con 
scopo di stabilizzazione e protezione, granulometrie decrescenti verso 
l’interno del corpo diga con funzione di tenuta. In certi casi si assiste 
alla parziale o totale sostituzione del materiale fine con manufatti di 
altra costituzione quali calcestruzzo plastico, sostanze bituminose o 
bentonite. Si spiega dunque la diffusa  tendenza nel definire queste 
strutture dighe con nucleo. Questo può essere a sviluppo verticale ma 
anche inclinato, se questa disposizione viene ritenuta opportuna per 
ragioni statiche ovvero per l’esigenza di realizzare la tenuta in una 
regione più favorevole o, infine, per estendere la struttura di ritenuta 
con un tappeto verso monte.  La tendenza a sfruttare, per la 
realizzazione di manti di tenuta, materiali sempre più performanti ha 
guidato il progettista a realizzare dighe sempre più elaborate e 
difficilmente individuabili nella casistica sopra riportata. Non mancano 
esempi di dighe in pietra con organi di tenuta interni o posti nel 
paramento di monte. Le soluzioni di questo genere, che sono affidabili 
per rilevati di buone caratteristiche meccaniche e su terreni di 
 18
fondazione relativamente poco deformabili, offrono vantaggi per la 
separazione della funzione di tenuta da quella statica e per la possibilità 
d’ispezione diretta e di eventuale riparazione del manto; ben si prestano 
anche ad ipotetica sopraelevazione. Nelle dighe zonate,  in certi casi, 
per fronteggiare i rischi derivanti da rapido svaso, può essere opportuno 
disporre materiale drenante nel fianco a monte. In altri casi, in 
particolare in zone sismiche, si tende a disporre il materiale con 
permeabilità crescente verso valle per un più sicuro controllo delle 
filtrazioni e delle pressioni neutre in caso di improvvisa rottura del 
manto. La presenza di elementi strutturali diversificati a seconda delle 
condizioni ambientali come taglioni e difese dei paramenti contribuisce 
ad aumentare ancora la complessità di una classificazione univoca. 
Riassumendo le dighe di ritenuta hanno subito nel corso del tempo un 
graduale processo di aggiornamento che ha portato gli sbarramenti 
omogenei in materiale fine alle recenti dighe zonate. Ciò che 
caratterizza maggiormente le costruzioni a cui ci riferiamo non è tanto 
la tecnica usata nella loro messa in opera ma la disposizione dei 
materiali secondo le finalità da raggiungere.