Indagine numerica sul ruolo delle dighe di controllo con scarichi di fondo nella mobilità delle colate detritiche mediante SPH 2D

Jan 26, 2024

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 20456 (2022) Citare questo articolo

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Le dighe di controllo con scarichi di fondo sono ampiamente utilizzate nei canaloni delle colate detritiche per ridurre al minimo i danni causati dalle colate detritiche. Tuttavia, la dimensione del fondo è spesso basata su criteri empirici a causa della mancata conoscenza dell'interazione tra la colata detritica e la diga di controllo con lo scarico del fondo. In questo studio, l'interazione tra una colata detritica viscosa e le dighe di controllo con scarichi di fondo viene studiata tramite test sui canali utilizzando l'idrodinamica delle particelle levigate 2D. L'altezza normalizzata dello scarico di fondo viene variata da 0 a 1 e vengono considerati angoli di pendenza da 15 a 35°. Sulla base dei risultati numerici, l'altezza del salto decade con l'aumentare dell'altezza normalizzata dell'uscita inferiore e questa tendenza può essere approssimata da una funzione di legge di potenza. Quando l'altezza normalizzata dello scarico inferiore è inferiore a 0,15, le prestazioni sono simili a quelle di una diga chiusa. Le funzioni di regolazione del flusso e di intrappolamento dei sedimenti della diga di controllo potrebbero fallire quando l'altezza normalizzata dello scarico inferiore è maggiore di 0,6. Questi risultati mostrano che le funzioni di rottura dell’energia, regolazione del flusso e intrappolamento dei sedimenti delle dighe di controllo con scarichi sul fondo funzionano bene quando l’altezza normalizzata dello scarico sul fondo è compresa tra 0,15 e 0,6. Anche se le limitazioni del modello richiedono ulteriori sforzi per convalidare i risultati di questo studio, esse forniscono una base per la progettazione razionale di dighe con scarichi di fondo.

Le attività umane e i disastri naturali come incendi, terremoti e frane portano alla dispersione di un gran numero di alberi morti, abbattuti o tagliati nelle regioni di formazione delle colate detritiche. Quando si verifica una colata detritica, questi alberi vengono trasportati a valle1. L'elevata velocità e l'enorme volume di questi flussi spesso provocano danni considerevoli ai tratti inferiori di un bacino idrografico. Inoltre, i costi associati alle colate detritiche contenenti tali legni galleggianti comprendono la perdita di legname di alto valore e la manutenzione delle infrastrutture nelle regioni a monte2.

Sono state proposte varie contromisure ingegneristiche per mitigare i danni causati dalle colate detritiche. Tra queste, le dighe di controllo con aperture sono progressivamente aumentate di numero come strumento per migliorare la gestione delle grandi colate detritiche legnose3. Una volta installata una diga di controllo in un canale di colata detritica, tutto il legname galleggiante e i sedimenti in movimento rimangono intrappolati dietro la diga prima di raggiungere strutture più importanti a valle. Tuttavia, il volume di ritenzione di una diga di controllo può riempirsi completamente dopo diversi eventi di colata detritica4. Per migliorare la sostenibilità delle dighe di controllo, uno scarico di fondo è spesso posizionato tra la diga di controllo e il letto del canale di colata detritica5.

Le funzioni principali delle dighe di controllo con scarichi di fondo sono la regolazione della portata, l'intrappolamento dei sedimenti o del legname galleggiante e la dissipazione dell'energia cinetica. Queste funzioni sono fornite da due meccanismi, vale a dire il controllo meccanico e idraulico dello spostamento di legni e sedimenti6. Il controllo meccanico è spesso correlato all'ostruzione delle aperture quando la scala caratteristica dei legni e dei sedimenti supera la dimensione di tali aperture5. Il controllo idraulico ha lo scopo di diminuire la capacità di trasporto causata dal ritorno dell'acqua dalla diga6. Pertanto, la dimensione dell'apertura gioca un ruolo importante nel garantire la funzionalità delle dighe.

Sono stati condotti numerosi studi sperimentali e numerici per fornire una base scientifica per le linee guida di progettazione delle dighe di controllo con scarichi di fondo. Piton e Recking3 hanno scoperto che è probabile che il legname galleggiante rimanga intrappolato quando la lunghezza dei singoli tronchi è due volte la larghezza dell’apertura e hanno dimostrato che l’efficienza di intrappolamento è negativamente correlata allo scarico dell’acqua, al numero di Froude e alla dimensione dell’uscita. Schwindt6 ha riscontrato che la probabilità di inceppamento è relativamente elevata quando l'altezza dell'uscita è inferiore alle dimensioni caratteristiche degli oggetti trasportati. Choi et al.7 hanno condotto una serie di test sui canali per modellare l'interazione tra flussi granulari secchi e dighe di controllo con scarichi sul fondo. Sulla base di questo studio, Shen et al.8 hanno modellato i test del canale artificiale utilizzando il metodo degli elementi discreti e hanno scoperto che il numero di Froude e la dimensione normalizzata dello scarico (il rapporto tra l'altezza dello scarico \({H}_{c}\) e la diametro delle particelle D) sono due considerazioni chiave nella valutazione dell'altezza del salto, della forza d'impatto, dell'efficienza di rottura dell'energia, dell'efficienza di ritenzione e della velocità di deflusso. Per i flussi granulari secchi monodispersi, l'intasamento può essere indotto dalla diga di controllo se l'altezza dello scarico inferiore è 1,5 volte il diametro delle particelle. L'efficienza di ritenzione e l'efficienza di interruzione dell'energia diminuiscono con l'aumentare della dimensione della presa. Per migliorare le prestazioni dei sistemi a barriera multipla, Ng et al.9 hanno condotto una serie di test sui canali analizzando l'influenza della dimensione dello scarico inferiore della prima barriera sui volumi di troppopieno e sulla forza di impatto nelle barriere rigide doppie.