I LABORATORI DI IDRAULICA

LABORATORIO DI IDRAULICA N. 1

Il primo laboratorio di modellistica idraulica – attivo dal 2005 - è stato realizzato con la collaborazione e consulenza scientifica dell'Università degli Studi di Parma - Dipartimento di Ingegneria Civile, dell'Ambiente, del Territorio e Architettura (DICATeA).

Ha una superficie di 530 m 2 circa, in aggiunta a una zona uffici realizzata nella struttura soppalcata ed impiega in maniera fissa 3 persone tra tecnici e laureati oltre che a ricercatori e docenti delle Università che collaborano con l'Agenzia.

Le opere idrauliche del laboratorio sono state dimensionate in modo da garantire una portata costante massima di 300 l/s con un carico piezometrico statico di 5,40 m sul piano del pavimento.

L'acqua, ad impianto spento, è accumulata nella vasca interrata (circa 80 m 3 di capacità). In esercizio, tre pompe la prelevano dalla vasca interrata ed alimentano un serbatoio di accumulo in quota. Dal serbatoio in quota, l'acqua alimenta per gravità la condotta omnibus. Dopo l'utilizzo l'acqua è convogliata nella vasca interrata tramite un canale di raccolta a sezione rettangolare.

Attrezzature e strumenti di lavoro presenti in laboratorio

Oltre alle opere che costituiscono il circuito idraulico di alimentazione dei modelli, il laboratorio è dotato di strumenti di misura, software di acquisizione dati (MATLAB + Signal Processing Toolbox + Statistic Toolbox, LabVIEW 8.0, Golden Surfer e Grapher Six) ed attrezzature varie per le necessità del laboratorio. Si riporta di seguito l’elenco dettagliato del materiale disponibile in laboratorio.

Planimetria	Sezione del laboratorio

Attività svolte

Modello idraulico della cassa di espansione sui t. Rio Torto e Chisola

Nel marzo 2006 l’AIPo ha commissionato l’incarico per la realizzazione e l’esecuzione delle prove su modello fisico dei manufatto regolatori della cassa di espansione sui torrenti Rio Torto-Chisola.

Ubicazione della zona di intervento

L’incarico è stato articolato tramite due convenzioni stipulate con il Dipartimento di Ingegneria Civile, dell’Ambiente, del Territorio ed Architettura (DICATeA) dell’Università degli Studi di Parma - responsabile scientifico prof. Paolo Mignosa, ed al Dipartimento di Idraulica, Trasporti ed Infrastrutture Civili (DITIC) del Politecnico di Torino - responsabile scientifico prof. Luigi Butera.

Il DICATeA è stato altresì incaricato di realizzare il modello matematico del funzionamento della cassa, nonché quello della confluenza a valle della cassa medesima, al fine di integrare i risultati del modello fisico e di fornire le (eventuali) condizioni al contorno necessarie per una corretta simulazione delle prove sul modello fisico stesso.

La modellazione fisica si poneva l’obiettivo di:
- determinare la scala delle portate delle due bocche d’uscita;
- determinare le scale dei limiti di sommergenza;
- individuare il funzionamento della cassa in condizioni particolari, quali quelle dovute all’ostruzione delle bocche lato monte.

SCHEMATIZZAZIONE DEL MODELLO

FASI DI REALIZZAZIONE DEL MODELLO

Modello idraulico per lo studio della cassa del parma

Nel luglio del 2007 l’AIPo ha commissionato l’attività di ricerca volta alla valutazione sperimentale delle interazioni che le operazioni di invaso e di svaso delle casse di espansione, assimilabili ad invasi di medie dimensioni, possono avere sugli acquiferi sotterranei e sulla stabilità delle strutture delle opere di sbarramento, costituite da dighe in conglomerato cementizio armato e da rilevati arginali a struttura complessa.

La sperimentazione, condotta sull’impianto già esistente sul torrente Parma, ubicato a Sud della città di Parma, ha studiato i seguenti aspetti:

1) ricostruzione del campo di moto tridimensionale dei flussi idrici sotterranei attraverso un modello concettuale su base fisico-matematica;
2) esame delle cause che determinano lo stato delle sottopressioni nella vasca di dissipazione del manufatto regolatore della cassa di espansione del torrente Parma;
3) realizzazione e l’esecuzione di prove su modello fisico del manufatto regolatore, degli scaricatori di superficie e della vasca di dissipazione della cassa di espansione sul torrente Parma.

Lo studio nel suo complesso si articola attraverso tre convenzioni “coordinate” con il Dipartimenti di Scienze Agrarie e di Scienze della Terra dell’Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia, il Dipartimento di Ingegneria Strutturale e Geotecnica (DISTR) del Politecnico di Torino ed il Dipartimento di Ingegneria Civile, dell’Ambiente, del Territorio ed Architettura (DICATeA) dell’Università degli Studi di Parma.

Nel dettaglio il Dipartimento di Scienze Agrarie e di Scienze della Terra dell’Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia ha svolto le attività di cui al punto 1), il DISTR quelle di cui al punto 2) ed il DICATeA quelle del punto 3).

Il modello fisico è stato realizzato principalmente allo scopo di fornire indicazioni sull’entità delle sollecitazioni che possono manifestarsi al fondo della vasca di dissipazione del manufatto regolatore della cassa di espansione sul torrente Parma.

Durante le prime prove di invaso, effettuate nella primavera e nell’autunno del 2006, si erano in effetti riscontrate significative sottopressioni in corrispondenza di alcuni piezometri ubicati nella vasca di dissipazione.

Tali sottopressioni, estrapolate alla quota di massimo invaso (che in quell’occasione non era stata raggiunta) avrebbero dato luogo ad un inadeguato coefficiente di sicurezza nei confronti del sollevamento delle piastre costituenti la vasca di dissipazione, nel caso di giunti completamente sigillati.

Nella realtà i giunti non sono completamente sigillati, consentendo alle fluttuazioni di pressione che si verificano nella vasca di dissipazione di propagarsi al di sotto delle piastre che ne costituiscono il pavimento.

Si è ritenuto quindi necessario procedere ad una modellazione fisica del fenomeno, al fine di individuare l’entità delle sollecitazioni pulsanti che agiscono al fondo della vasca.

FASI DI REALIZZAZIONE DEL MODELLO

FUNZIONAMENTO DEL MODELLO

Modello visto da valle con portata uscente dalle luci di fondo.

Funzionamento becco d’anatra per piccoli tiranti sullo sfioratore.

ATTIVITÀ IN CORSO

Campo pozzi

Nell’estate del 2008 l’AIPo ha finanziato il filone di ricerca relativo alla sperimentazione idrogeologica del Dipartimento di Ingegneria Civile (DICATeA) dell’Università degli Studi di Parma, realizzando un nuovo campo pozzi presso il polo scientifico di Boretto (RE). Il campo pozzi è attiguo al preesistente laboratorio idraulico n. 1, soluzione di comodo per l’immediata disponibilità di un ricovero per gli strumenti, di energia elettrica (bi e trifase) e del collegamento alla rete internet. L’area è circondata da terreno agricolo non suscettibile di futura edificazione, caratteristica essenziale per l’operatività dell’istallazione, inoltre si dispone al confine di un canale di bonifica per l’eventuale smaltimento dei volumi d’acqua estratti. Il sito gode infine di una posizione ottimale poiché dista meno di 3 km dal fiume Po.

Polo scientifico di Boretto (RE) (immagine Google Earth)

Il campo pozzi è finalizzato al monitoraggio continuo delle quote di falda dell’acquifero sotterraneo, di tipo artesiano, costituito da un banco di sabbia media e grossolana della potenza di 15 m confinato sia superiormente che inferiormente da argilla.

L’apparato sperimentale consta di un pozzo centrale di 35 m, del diametro di 330 mm e di quattro piezometri del diametro di 125 mm, attestati alla profondità di 30 m dal p.c.

Per poter attingere dal solo acquifero artesiano la finestratura dei pozzi è limitata alla fascia 15¸30 m di profondità.

Dettaglio disposizione pozzi

La strumentazione consiste in cinque trasduttori di pressione (uno per ogni pozzo) per il monitoraggio in continuo della falda, di tre pompe sommerse di potenze 1, 4 e 22 kW, in grado di estrarre portate dai 3 ai 30 l/s, di due misuratori di portata e di un freatimetro per il controllo manuale del livello di falda; chiude il corredo strumentale una sonda multiparametrica in grado di rilevare parametri fisico-chimici dell’acqua tra cui: PH, torbidità e salinità.

Gli esperimenti condotti hanno riguardato prove di emungimento semplice per una prima valutazione dei parametri di trasmissività e coefficiente di immagazzinamento dell’acquifero. Sono state condotte inoltre prove di emungimento a “gradino” per saggiare la risposta del singolo pozzo/piezometro al tipo di sollecitazione indotta. Sono in corso altri esperimenti con pompaggi combinati che, grazie a moderne metodologie di interpretazione dei dati quali la tomografia idraulica, porteranno ad una descrizione dettagliata delle caratteristiche idrauliche dell’acquifero.

Per maggiori informazioni sulla sperimentazione in corso:
prof.a Maria Giovanna Tanda - Dipartimento di Ingegneria Civile (DICATeA) dell’Università degli Studi di Parma.

LABORATORIO DI IDRAULICA N. 2

Il secondo laboratorio - realizzato con la collaborazione e consulenza scientifica dell'Università degli Studi di Genova - Dipartimento di Ingegneria delle Costruzioni, dell'Ambiente e del Territorio (DICAT)- è stato attrezzato all'interno di un fabbricato di nuova edificazione.

L’edificio prefabbricato ha una superficie di 2.050 m² (di cui 1.320 m² – 24 m x 55 m- utile per la costruzione di modelli fisici in scala), in aggiunta ad una palazzina a due piani ad uso uffici, aule didattiche e riunioni, officina e deposito avente superficie complessiva di circa 1.180 m² (580 m² per piano).

Il laboratorio è stato dimensionato per ospitare modelli fisici di grandi dimensioni.

Il circuito idraulico del laboratorio è in grado di fornire, ai modelli fisici allestiti al suo interno, sia una alimentazione costante, per prove di tipo stazionario, sia di realizzare una portata variabile nel tempo così da poter riprodurre un generico idrogramma di piena durante prove non stazionarie.

L’acqua utilizzata per le prove viene raccolta in un serbatoio interrato, il cui volume complessivo è pari circa a 285 m³ , parte del quale è dedicato all'alloggiamento di quattro elettropompe.

Tali elettropompe collegano, attraverso tubazioni in PVC posizionate lungo una canaletta larga 2 m, il serbatoio interrato con una vasca di carico, ubicata a monte dell'area del modello, da realizzare in funzione del modello per imporne un determinato carico piezometrico all'imbocco e realizzare le condizioni di deflusso desiderate.

La portata defluente nelle condotte viene regolata con valvole corredate di controllo motorizzato, gestibile sia in locale che in remoto.

L’acqua defluisce dai modelli al serbatoio attraverso un salto di 1 m, a cui segue il transito in una vasca di sedimentazione a sezione trapezia e in uno scivolo della lunghezza di 4,4 m.

 Attrezzature, strumenti e materiale presenti in laboratorio

Oltre alle opere che costituiscono il circuito idraulico di alimentazione dei modelli (vasca interrata, elettropompe sommergibili e condotte in PVC) il laboratorio dispone di:

1. Gru a ponte bitrave (portata 5 t);

2. Strumenti di misura e controllo lungo le condotte di alimentazione:

- n. 4 valvole lineari (a globo) di controllo della portata dotate di attuatori
- n. 4 valvole a farfalla (ON/OFF) dotate di attuatori
- n. 4sistemi elettromagnetici di misura della portata
- n. 4 sistema diaframma con flangia tarata e misuratore di pressione differenziale

3. Strumenti in campo:
- n. 20 sensori di livello ad ultrasuoni (200-1500 mm)
- n. 3 sensori laser CCD a triangolazione per misura di spostamento senza contatto (campo di misura 200 mm, distanza di lavoro 160 mm)
- celle di carico e microdosatori della portata solida

4. Sistema completo di movimentazione assi nello spazio 3D. Il sistema è finalizzato ad acquisire, in automatico o manuale, il valore “elettrico” di sensori analogici in corrente 4/20mA montati sulla meccanica di posizionamento e da essa movimentati.

L’output del sistema è un file di testo riportante in forma tabellare l’indicazione di data, ora, coordinate geometriche in cui il valore è stato acquisito e il valore elettrico acquisito dal sensore.

La principale applicazione del sistema è quella di eseguire il rilievo della topografia nell’esecuzione di prove su modelli fisici a fondo mobile

5. Sistema SCADA (supervisory control and data acquisition) ovvero di un sistema di supervisione, controllo e acquisizione dati di tutti gli strumenti presenti in laboratorio (v. punti 2, 3 e 4)

6. Utensili e materiale di consumo in dotazione all’officina

Ingresso principale	Particolare strumenti di controllo della portata liquida
Interno del laboratorio

Attività in corso

E’ in corso di ultimazione (estate 2009) la costruzione del modello fisico a fondo mobile del fiume Tanaro nel tratto che attraversa la città di Alessandria. Le relative prove sperimentali saranno completate entro il 2009.

Il modello fisico riproduce in scala geometrica indistorta 1:60 il tratto di lunghezza pari a circa 3 km del fiume Tanaro compreso tra il Ponte della Ferrovia (a monte) e il Ponte Orti (a valle).

La paternità scientifica dello studio è del DICAT dell’Università degli Studi di Genova

FASI DI REALIZZAZIONE DEL MODELLO