OPERE IN SOTTERRANEO Definizioni e terminologia Gallerie: infrastrutture civili realizzate nel campo dell’ingegneria stradale, ferroviaria ed idraulica, in caso di tracciato che interessa rilievi morfologici il cui attraversamento esterno risulterebbe particolarmente complesso e/o oneroso, o per motivi di carattere ambientale o urbanistico. A) Gallerie naturali: le rocce e/o terreni inglobano completamente la galleria (scavo a foro cieco). B) Gallerie artificiali: scavo preliminare di trincea (scavo a cielo aperto) e successiva copertura. C) Gallerie parietali: gallerie naturali realizzate all’interno di fianchi vallivi con coperture estremamente esigue sul paramento di valle. D) Gallerie paramassi: gallerie artificiali realizzate per proteggere la sede stradale da caduta di massi.
Definizioni e terminologia
Terminologia delle diverse parti di una galleria
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Definizioni e terminologia
Esempio galleria TAV
Indagini geognostiche 1) Indagini geognostiche finalizzate alla scelta del tracciato - Fase preliminare: preliminare: Informazioni bibliografiche e foto aeree: indicazioni sulle direttrici più favorevoli. - Indagini approfondite: in corrispondenza corrispondenza di tali direttrici: rilevamento geologico geologico (1:10.000 (1:10.000 – 1:25.000); rilievi rilievi geomeccanici di dettaglio su affioramenti rocciosi. r occiosi. - Studio geomorfologico ed idrogeologico dell’area
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Definizioni e terminologia
Esempio galleria TAV
Indagini geognostiche 1) Indagini geognostiche finalizzate alla scelta del tracciato - Fase preliminare: preliminare: Informazioni bibliografiche e foto aeree: indicazioni sulle direttrici più favorevoli. - Indagini approfondite: in corrispondenza corrispondenza di tali direttrici: rilevamento geologico geologico (1:10.000 (1:10.000 – 1:25.000); rilievi rilievi geomeccanici di dettaglio su affioramenti rocciosi. r occiosi. - Studio geomorfologico ed idrogeologico dell’area
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Indagini geognostiche 1) Indagini geognostiche finalizzate alla scelta del tracciato - Risultati: elaborati tecnici tecnici in cui vengono vengono evidenziate evidenziate aree critiche in cui sono necessarie ulteriori indagini geognostiche (sondaggi, prospezioni geofisiche) - Deter Determinaz minazione ione del tracci tracciato ato più più favor favorevole evole - Sezio Sezione ne geologico-t geologico-tecnic ecnica: a: longi longitudina tudinale le all’asse all’asse della galleria, con informazioni su aspetti strutturali ed idrogeologici.
Principali problematiche di natura geologica durante la realizzazione di gallerie 1) Problematiche legate alla natura litologica ed all’assetto all’as setto stratigrafic stratigrafico o - tetton tettonico ico -Terreni sciolti: situazioni sfavorevoli legate a scarse caratteristiche di resistenza e presenza d’acqua. - Roccia: problematiche problematiche legate a grado di fratturazione, condizioni giaciturali in rocce stratificate, deformazioni (pieghe, faglie).
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1) Problematiche legate alla natura litologica ed all’assetto stratigrafico - tettonico - Relazioni con stratificazione
1) Problematiche legate alla natura litologica ed all’assetto stratigrafico - tettonico - Pieghe: ospitano tensioni residue di varia natura
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1) Problematiche legate alla natura litologica ed all’assetto stratigrafico - tettonico - Pieghe: ospitano tensioni residue di varia natura
1) Problematiche legate alla natura litologica ed all’assetto stratigrafico - tettonico - Faglie: presenza di materiale cataclasato (limo, breccia di frizione) con autoportanza scarsa o nulla e circolazione preferenziale di acqua
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1) Problematiche legate alla natura litologica ed all’assetto stratigrafico - tettonico - Sovrascorrimenti: particolarmente problematici ed imprevedibili
2) Problematiche legate alle condizioni morfologiche A) Gallerie superficiali Condizioni di stabilità influenzate da: - tipo di copertura, soprattutto se in presenza di materiali sciolti - fenomeni carsici - dissesti superficiali - fenomeni di alterazione superficiale
Fig.5.9 - La coltre di detrito e i depositi glaciali favoriscono l’infiltrazione delle acque sotterranee che vengono convogliate in galleria attraverso le fratture della roccia.
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2) Problematiche legate alle condizioni morfologiche A) Gallerie superficiali L'equilibrio delle pareti è influenzato dalla ridotta copertura in gioco e dalla conseguente presenza di materiali sciolti: eventuali dissesti Inoltre possibili cospicue venute d'acqua ed alterazione della roccia
Fig.5.10 - Forte instabilità della falda di detrito.
2) Problematiche legate alle condizioni morfologiche B) Gallerie parietali Problematiche analoghe a gallerie superficiali, cui si aggiungono carichi dissimmetrici dovuti a disposizione strati e fratturazione
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2) Problematiche legate alle condizioni morfologiche C) Gallerie profonde - presenza di convergenze elevate - Possibili bruschi detensionamenti con possibile violenta proiezione di materiale in galleria (colpo di montagna ) - Possibile presenza di elevate temperature
3) Altre problematiche - Venute d’acqua (“inrush ”): soprattutto in corrispondenza di faglie/sovrascorrimenti, fratture, carsismo. Possono comportare problemi per l’avanzamento. - Reperimento di gas (anidride carbonica, ossido di carbonio, ossidi di azoto, acido solfidrico, anidride solforosa) - Rinvenimento di acque aggressive: in grado di aggredire chimicamente i calcestruzzi. - Rinvenimento di materiali rigonfianti (smectiti, illiti, caoliniti): aumentano di volume e comportano deformazioni e convergenza delle pareti - Rinvenimento di amianto
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Mezzi di scavo, metodologie di avanzamento e tecniche costruttive Mezzi di scavo 1. Scavo meccanico - Mezzi di scavo tradizionali (pale meccaniche, martelli demolitori, ecc.)
Pale meccaniche: riservate a materiali incoerenti o debolmente coerenti
1. Scavo meccanico - Mezzi di scavo tradizionali (pale meccaniche, martelli demolitori, ecc.)
Martelli demolitori (“martelloni”): per rocce con caratteristiche scadenti o per correggere profilatura di scavo dopo abbattimento con esplosivo
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Mezzi di scavo 1. Scavo meccanico - Mezzi di scavo non tradizionali
Frese: utilizzate per roccia Scudi: per terreni o per rocce molto fratturate
Frese - Frese ad attacco puntuale: telaio montato su gomma o cingoli e braccio mobile con utensili di scavo di vario tipo (a seconda della resistenza della roccia) montati all’estremità.
Frese ad attacco puntuale: versatili e poco ingombranti ma avanzamento lento
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Frese - Frese ad attacco integrale o a piena sezione o TBM (Tunnel Boring Machine ): testa rotante, con diametro pari a quello della galleria, con spinta ottenuta contrastando la macchina alle pareti mediante cuscinetti azionati da dispositivi idraulici
Frese ad attacco integrale (TBM): testa rotante con diametro pari a quello della galleria
Scudi Costituiti da camicia esterna, generalmente cilindrica, sulla cui parte anteriore è collocato il sistema di scavo che varia a seconda del tipo di scudo Scudi aperti simili a frese poste all’interno di uno scudo per proteggere da distacchi localizzati - Scudi semimeccanizzati: scudo esterno contenente fresa puntuale - Scudi meccanizzati: scudo esterno contenente fresa ad attacco integrale
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Scudi
Scudi: simili a frese collocate all’interno di un grosso cilindro per proteggere lo scavo da possibili distacchi localizzati. Utilizzati per terreni sciolti o rocce molto fratturate.
Scudi chiusi dotati di una testa di taglio a fronte chiuso, senza comunicazione tra fronte di scavo ed interno della galleria. La stabilità del fronte durante l’avanzamento è garantita mediante la pressione esercitata dallo scudo chiuso sul fronte stesso. - Scudi a pressione meccanica: esercitano pressione di contenimento sul fronte mediante testa della fresa.
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Scudi chiusi - Scudi a pressione d’aria: pressione di contenimento sul fronte mediante aria - Scudi a pressione di fanghi: utilizzo di fango in pressione - Scudi a pressione di terra o EPB: iniettano al fronte mediante appositi ugelli un agente avente funzione di fluidificare il terreno da scavare, in modo da formare strato di terreno parzialmente fluidificato (cake )
2. Scavo mediante esplosivo - Realizzazione di fori da mina nel fronte di scavo mediante appositi mezzi ( “ jumbo ”) dotati di una serie di perforatrici
- Insieme di mine (“volata”) fatte brillare contemporaneamente o in fasi successive distanziate di millisecondi (tecnica di “presplitting ”),
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2. Scavo mediante esplosivo Mezzi (“jumbo”) che ospitano perforatrici provviste di aste metalliche (“fioretti”) attrezzate all’estremità con mezzi taglienti: nei fori così realizzati si inseriscono le mine
Volata
Metodologie di avanzamento
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Metodologie di avanzamento Metodi più recenti - Avanzamento a piena sezione: eseguiti, a breve distanza dal fronte, interventi di consolidamento e rivestimento - Avanzamento a sezione parzializzata: abbattimento del fronte con piano di scavo leggermente sopraelevato e successivo ribasso, dopo applicazione dei rivestimenti
Tecniche costruttive Principali fasi durante la realizzazione di gallerie: 1) Preconsolidamenti (eventuali) e precontenimento: finalizzati a migliorare la qualità dei materiali da attraversare. Iniezioni di miscele cementizie e/o chimiche, jet-grouting , chiodatura del fronte di scavo. 2) Scavo 3) Consolidamenti radiali (eventuali) e contenimento del cavo Bulloni, iniezioni
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Tecniche costruttive Principali fasi durante la realizzazione di gallerie: 4) Rivestimento di prima fase: finalizzato a conseguimento di condizioni di equilibrio a breve termine della cavità Spritz-beton eventualmente armato, centine 5) Impermeabilizzazione (eventuale, ma quasi sempre presente) Manto in P.V.C. su pareti di scavo 6) Rivestimento definitivo o di seconda fase Getto di calcestruzzo eventualmente armato su pareti con spessore variabile a seconda delle condizioni esistenti (30120 cm)
Soluzioni progettuali Sintesi dei risultati campagna geognostica A) Definizione della qualità degli ammassi B) Metodologie per previsione del comportamento della roccia in seguito a scavo
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Soluzioni progettuali Elaborazione di un profilo geomeccanico di previsione
Esempio di profilo geomeccanico di previsione
Definizione della qualità degli ammassi A) Classificazione di Rabcewicz-Pacher qualitativa; applicabile a rocce e materiale sciolto
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B) Classificazione di Bieniawski o dell’indice RMR (Rock Mass Rating ) - sem semiqu iquant antita itativ tiva a - appli applicabil cabile e solo ad ammassi ammassi rocciosi rocciosi - prima classificazione (1973) che fornisce fornisce un valore valore di coesione ed angolo di attrito in funzione di spaziatura discontinuità e resistenza a compressione compressione monoassiale monoassiale della roccia intatta
Prova di resistenza a compressione monoassiale - Resi Resistenz stenza a a compressi compressione: one: è la resistenz resistenza a che le rocce rocce oppongono alle forze che tendono a romperle per schiacciamento - parametro utilizzato utilizzato per esprimere le caratteristiche geomeccaniche della roccia - utiliz utilizzata zata nel campo campo minerario minerario -- ai fini della classificazione classificazione di ammassi rocciosi si ricorre spesso a valutazioni speditive in sito sulla base di tabelle (vedi prossimi lucidi)
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Prova di resistenza a compressione monoassiale - si sottopone un blocco di roccia a dei carichi e si misurano misurano le deformazioni assiali Si possono effettuare due tipi di prove: - monoa monoassial ssiali: i: si porta a rottura rottura un provino sottoponendolo ad una sollecitazione normale con dilatazione laterale libera - triass triassiali: iali: il campion campione e non può può espandersi liberamente in quanto soggetto ad una pressione di contenimento.
Prova di resistenza a compressione monoassiale CLASSE [*]
DESCRIZIONE
RESISTENZA A COMPRESSIONE MONOASSIALE (MPA)
INDICE DI RESISTENZA (POINT
VALUTAZIONE DELLA RESISTENZA IN SITO
R6
Resistenza estremamente elevata
>250
LOAD) (MPA) >10
R5
Resistenza molto elevata
100-250
4-10
Un campione richiede molti colpi di un martello geologico per essere fratturato
R4
Resistenza elevata
50-100
2-4
R3
Resistenza media
25-50
1-2
R2
Resistenza bassa
5-25
[**]
R1
Resistenza molto bassa
1-5
[**]
R0
Resistenza estremamente bassa
0.25-1
[**]
Un campione richiede più di un colpo di un martello geologico per essere fratturato Non può essere raschiato o spellato con un coltellino, un campione può essere fratturato con un solo colpo di un martello geologico Con difficoltà può essere spellato con un coltellino, una intaccatura superficiale può essere procurata con un colpo inferto mediante la punta di un martello geologico Si frantuma per effetto di alcuni colpi con la punta di un martello geologico, può essere spellato mediante un coltellino Intagliato con l’unghia di un pollice
Un campione può essere solamente scheggiato con un martello geologico
ESEMPI
Basalto intatto, selce, diabase, gneiss, granito, quarzite Anfibolite, arenaria, basalto, gabbro, gneiss, granodiorite, calcare, marna, riolite, tufi Calcare, marna, fallite, arenaria, scisto, argillite Argillite, carbone, calcestruzzo, scisto, siltite Calcare bianco, salgemma
Rocce estremamente alterate Miloniti, cataclasi
[*] In accordo a Brown E.T. (1981), Rock characterization, testing and monitorino . ISRM suggested methods, pp. 171-183, Oxford Pergamon. [**] La prova m eccanica point load su rocce con resistenza a compressione monoassiale inferiore a 25 Mpa f ornisce risultati poco attendibili
Tabella per una valutazione in sito della resistenza a compressione monoassiale della roccia
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Point Load Test - Prova di tipo tipo monoassiale consistente nel comprimere il campione posizionato tra due punte coniche comandate da un sistema idraulico a pressione, fino a provocarne la rottura
- Si ottiene un Indice di Point Point Load dal dal quale si risale, tramite una relazione empirica, alla resistenza a compressione monoassiale del materiale.
Point Load Test Prova standard D =50 Provino cilindrico D =50 mm Is (50) =
P D 2
Modalità Modali tà di esecu esecuzione zione - 10 pr prov ove e - Si esclu escludon dono o i due valo valori ri più più alt altii e i due più più bas bassi si - Si fa la media aritmetica dei restanti sei valori
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Point Load Test Correlazioni tra indice di point load e resistenza a compressione monoassiale
σ c =
Argilliti, calcari Arenarie Graniti Tufo
24 Is (50)
σ c = σ c =
15 Is (50) 23 Is (50) σ c = 30 Is (50) σ c = 8 Is (50)
Martello di Schmidt o sclerometro - Utilizzato per ricavare la resistenza a compressione (apparente) della porzione più superficiale della roccia - Massa battente proiettata da una molla su un’asta metallica appoggiata alla roccia - Confronto con valore prove monoassiali o point load test, utilizzato per dare indicazioni sul grado di alterazione superficiale della roccia
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Martello di Schmidt o sclerometro - Relazione di Miller: σ c = 10 0.00088γ R +1.01 dove σc (Mpa): resistenza a compressione (apparente); γ (kN/m3): peso di volume; R : numero rimbalzi
Correlazione tra resistenza a compressione monoassiale, numero di rimbalzi ed inclinazione dello strumento
Carotiere Tubo di ferro (1.5 m) avvitato alla sommità alle aste e con corona dentata alla base - Carotiere semplice - Unico tubo con carota a contatto con pareti e fluido di circolazione. - Si usa in roccia intatta o poco fratturata.
- Carotiere doppio - Doppio tubo con fluido che circola nell’intercapedine. - Si usa in terreni sciolti addensati e roccia fratturata
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RQD (Rock Quality Designation) R.Q.D. =
Lunghezza degli spezzoni di carota > 10 cm Lunghezza totale della carota
100
B) Classificazione di Bieniawski o dell’indice RMR (Rock Mass Rating ) Versione successiva (1979) basata su 5 parametri: 1) Resistenza alla compressione, ottenuta tramite prova di compressione monoassiale o Point Load Test 2) RQD 3) Spaziatura dei giunti 4) Condizione dei giunti: apertura, rugosità, grado di alterazione, presenza o meno di materiali di riempimento 5) Condizioni idrauliche - RMR: Somma dei valori assegnati ai 5 parametri (variabile tra 0 e 100) - Correzioni (tramite apposite tabelle) in base a rapporti tra orientazione galleria e delle discontinuità
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B) Classificazione di Bieniawski o dell’indice RMR
B) Classificazione di Bieniawski o dell’indice RMR Effetti dell’orientamento delle discontinuità
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B) Classificazione di Bieniawski o dell’indice RMR
B) Classificazione di Bieniawski o dell’indice RMR
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B) Classificazione di Bieniawski o dell’indice RMR
Classificazione di Bieniawski applicata a stabilità dei versanti: Indice SMR (Slope Mass Rating) SMR = RMR + (F1 F2 F3) + F4 dove F1, F2, F3 sono indici che dipendono da rapporto tra direzione discontinuità e versante ed inclinazione discontinuità e versante, mentre F4 tiene conto dei metodi di scavo del versante (o pendio naturale) (Romana, 1985). CLASSE V IV III II I
SMR 0 – 20 21 – 40 41 – 60 61 – 80 81 – 100
ROCCIA Molto scadente Scadente Discreta Buona Molto buona
PENDIO Assai instabile Instabile Parzialmente stabile Stabile Completamente stabile
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C) Classificazione di Barton o Q-system - semiquantitativa - applicabile ad ammassi rocciosi Si basa sulla definizione dell’indice Q definito come:
Q=
RQD Jr Jw Jn Ja SRF
dove: - RQD (Rock Quality Designation ): percentuale di recupero di un sondaggio - Jn: numero di famiglie di discontinuità - Jr: scabrezza delle discontinuità - Ja: alterazione ed il riempimento dei giunti - Jw: presenza di acqua nei giunti - SRF: stato tensionale dell’ammasso
C) Classificazione di Barton o Q-system Q=
RQD Jr Jw Jn Ja SRF
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C) Classificazione di Barton o Q-system Q=
RQD Jr Jw Jn Ja SRF
C) Classificazione di Barton o Q-system Q=
RQD Jr Jw Jn Ja SRF
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C) Classificazione di Barton o Q-system Q=
RQD Jr Jw Jn Ja SRF
C) Classificazione di Barton o Q-system Q=
RQD Jr Jw Jn Ja SRF
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C) Classificazione di Barton o Q-system
C) Classificazione di Barton o Q-system
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C) Classificazione di Barton o Q-system Dimensione equivalente: rapporto tra diametro cavità e ESR (Excavation Support Ratio )
C) Classificazione di Barton o Q-system
Numeri: indicano i diversi tipi di interventi di sostegno (Hoeck & Brown)
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D) Indice GSI (Geological Strength Index) (Hoek, 1994) Si basa sulla semplice identificazione, mediante apposita tabella, di una categoria di appartenenza dell’ammasso roccioso in esame, in funzione di una sua descrizione qualitativa, nella quale si fa riferimento alle osservazioni in sito, tendenti ad individuare le famiglie di discontinuità e le condizioni delle loro superfici di contatto L’indice GSI è stato introdotto per superare alcune lacune del sistema di classificazione di Bieniawski, per quanto concerne gli ammassi rocciosi scadenti. Il metodo GSI permette inoltre di stimare i parametri di resistenza al taglio dell’ammasso roccioso.
D) Indice GSI
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Sistemi di classificazione di ammassi rocciosi 1) RMR (Rock Mass Rating ) di Beniawski 2) Q di Barton (Q system ) Q=
RQD Jr Jw Jn Ja SRF
Relazione tra RMR e Q: RMR = 9 ln Q + 44
Metodologie progettuali Oltre alle classificazioni geomeccaniche degli ammassi rocciosi, esistono numerosi metodi per prevedere il comportamento di un ammasso roccioso allo scavo di una galleria, tra i quali si ricordano: - Metodo basato sulla teoria di Kastner: consente di valutare lo stato tensionale dell’ammasso al contorno della cavità, per comportamento completamente elastico o plastico - Metodo basato sulla teoria di Rabcewicz: consente di esprimere il contributo alla pressione di confinamento fornito dagli elementi di sostegno e consolidamento (rivestimenti, centine, spritz-beton, bulloni, ecc.)
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Metodologie progettuali - Metodo dell’area indice: valuta l’entità dei fenomeni di plasticizzazione e di deformazione nel caso di gallerie affiancate - Metodi basati su teoria di Terzaghi e Carquot-Kerisel: consentono la determinazione del carico gravante sulle strutture di sostegno di una galleria. - Metodo basato sulla teoria delle linee caratteristiche: analizza l’interazione tra spostamento radiale (convergenza o deformazione) subìto dal contorno del cavo e reazione opere di stabilizzazione a tale spostamento
Modelli numerici - Metodo di calcolo agli elementi distinti: ammasso roccioso suddiviso in una serie di elementi distinti, ognuno rappresentante un blocco individuale di roccia con specificate proprietà geomeccaniche. Simulazione: per ogni step temporale vengono ricavate le tensioni e gli spostamenti di ciascun elemento della maglia.
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Modelli numerici - Metodo di calcolo agli elementi finiti: suddivisione del materiale (anche terreni sciolti) in elementi trattando il mezzo come continuo; definizione condizioni iniziali e al contorno. Simulazione: per ogni step temporale vengono ricavate le tensioni e gli spostamenti di ciascun elemento della maglia
Tecniche di consolidamento Tecniche utilizzate per migliorare le caratteristiche fisicomeccaniche dei terreni e delle rocce. Si possono distinguere due gruppi di tecniche: A) Interventi migliorativi Causano un aumento di resistenza, andando a costituire uno spessore di materiale consolidato all’intorno della zona dove viene realizzata l’opera. Comprendono: 1. Iniezioni; 2. Jet grouting; 3. Congelamento; 4. Compattazione; 5. Drenaggio B) Interventi conservativi Impiegati durante l’esecuzione di uno scavo in modo da conservare il più possibile indisturbate le condizioni di tensioni e deformazioni del terreno o roccia. Comprendono: 1. Armature; 2. Pretaglio meccanico
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Interventi migliorativi: Iniezioni Iniezione in rocce o terreni dotati di una certa permeabilità di miscele cementizie o soluzioni chimiche all’interno di fori di sondaggio. A) Intasamento o impregnazione Riempimento vuoti all’interno del terreno o roccia, senza indurre modificazioni di volume e di struttura. Si utilizza infatti un volume di miscela prefissato, in funzione del volume di vuoti da colmare, con tecniche differenti a seconda se si tratta di terreno o roccia.
Iniezioni B) Fratturazione controllata o claquage Utilizzo per materiale molto fine con bassissima permeabilità. Micro-fratturazione attraverso getti preventivi ad alta pressione che provocano fessure e piccoli condotti disposti radialmente all’interno dei quali penetra la miscela. Miscele di iniezione: Malte: miscele cementizie con basso contenuto d’acqua Sospensioni: miscele di cemento e acqua, con aggiunta di sabbia ed eventualmente di bentonite Soluzioni: miscele chimiche senza cemento
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Iniezioni Applicazioni - dal piano campagna - opere in sotterraneo: in avanzamento dal fronte di scavo o da cunicolo laterale
Jet grouting - Iniezione di miscele cementizie ad altissima pressione - Il getto provoca una disgregazione del terreno, miscelandolo contemporaneamente con un fluido cementizio stabilizzante fino a formare una colonna di materiale con caratteristiche meccaniche migliori rispetto al terreno originario - Adatto a terreni di qualsiasi granulometria - Realizzazione di una serie di colonne di terreno consolidato - Diametro delle singole colonne: 80-100 cm (terreni incoerenti); 40-50 cm (terreni coesivi)
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Jet grouting Metodo monofluido Disgregazione attraverso l’azione della miscela cementizia che ha anche funzione di stabilizzare il terreno
Jet grouting Metodo bifluido Disgregazione attraverso l’azione di acqua o aria immessa preventivamente; getto di miscela cementizia successivo solo con funzione stabilizzante
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Jet grouting Metodo trifluido Disgregazione attraverso l’azione di acqua o aria immediatamente seguita da getto di miscela cementizia
Jet grouting Impiego del jet grouting secondo varie modalità: - Trattamenti colonnari verticali dalla superficie (gallerie poco profonde)
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Jet grouting - Trattamenti suborizzontali: a partire dal fronte di avanzamento lungo il profilo estradosso
Jet grouting - Trattamenti suborizzontali a partire dal fronte di avanzamento in corrispondenza del fronte stesso
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Interventi conservativi: Armature Miglioramento delle caratteristiche meccaniche di terreno o roccia fratturata mediante inserimento di elementi strutturali più resistenti (barre, tubi, cavi in acciaio) Armature passive o precompresse Strutture disposte ortogonalmente rispetto all’asse del fronte di scavo Centine: tipo di armature passive attualmente più utilizzato. Armature metalliche costituite da profilati a doppia T, montate in sito e imbullonate tra loro.
Infilaggi Serie di armature portanti in acciaio disposte all’esterno della sezione con andamento lievemente inclinato verso l’alto.
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Ancoraggi Miglioramento caratteristiche di resistenza al taglio e a trazione lungo superfici di debolezza. Tre tipi di ancoraggi: - bulloni - chiodi - tiranti
Monitoraggio grandi opere Normativa di riferimento: Legge obiettivo 21.12.2001 n.443 Linee Guida per il Progetto di Monitoraggio Ambientale (PMA) Aspetti geologici di interesse: 1. Suolo e sottosuolo 2. Ambiente idrico 3. Rifiuti – Rocce e terre da scavo
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Monitoraggio grandi opere Articolazione temporale del monitoraggio: 1. Monitoraggio ante-operam: stato attuale dell’ambiente naturale relativamente alle sue componenti fisiche 2. Monitoraggio in corso d’opera: variazioni delle componenti fisiche indotte dalla realizzazione dell’opera 3. Monitoraggio post-operam: modifiche delle componenti fisiche avvenute rispetto alla situazione di riferimento ante-operam
Suolo e sottosuolo Monitoraggio ante-operam - Caratterizzazione geolitologica e geostrutturale - Caratterizzazione geomorfologica - Caratteristiche geotecniche dei terreni e delle rocce - Caratterizzazione geochimica del sottosuolo
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Suolo e sottosuolo Monitoraggio in corso d’opera e post-operam Processi morfoevolutivi e meccanica dei terreni in ambiente continentale - Processi morfoevolutivi di versante, fluviali e lacustri - Possibili alterazioni dei parametri geotecnici
Processi morfoevolutivi in ambiente marino e di transizione - Processi morfoevolutivi della linea di costa (spiagge, falesie, alterazioni moto ondoso) - Interrimento di zone umide costiere (lagune, paludi e stagni costieri)
Ambiente idrico Monitoraggio ante-operam - Definizione della circolazione idrica superficiale e sotterranea - Definizione delle caratteristiche chimico-fisiche delle acque
Monitoraggio in corso d’opera e post-operam - Falde acquifere, sorgenti e pozzi nell’area interessata dall’opera - Parametri idraulici e chimico-fisici delle acque, sia superficiali che sotterranee, dei corpi idrici interessati dall’opera
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Monitoraggio gallerie 1. Processi di versante e deformazioni superficiali - Possibile innesco di frane , soprattutto nelle tratte di imbocco ed in gallerie superficiali che vanno ad interessare materiali sciolti e coperture detritiche - Deformazioni superficiali ed eventuali sprofondamenti (“fornelli”) in tratte di gallerie a bassa copertura che interessano terreni o rocce estremamente fratturate/carsificate
Fornelli in galleria Rilascio gravitativo, cedimento della volta, fornello: termini che indicano il distacco e crollo, per lo più improvviso ed inaspettato, di volumi rocciosi o di terreno sciolto anche in grande quantità
Terreni detritici sciolti e basse coperture: il fornello può raggiungere la superficie dando luogo ad un cratere
Svuotamento improvviso di cavità piena di breccia, tipico di attraversamento di faglie o sottopasso di paleoalvei sottofalda
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Monitoraggio gallerie 2. Impatti sulla circolazione idrica sotterranea e acque superficiali - Se la galleria si trova al di sopra della falda, le problematiche sono ridotte; se invece la galleria si snoda al di sotto della falda, gli effetti possono essere molto rilevanti - Effetti generali: drenaggio delle falde, con perdita di risorse idriche sotterranee, abbassamento dei livelli freatici nella zona soprastante, variazioni delle portate in pozzi, sorgenti e corsi d’acqua superficiali connessi alle falde - Le operazioni di scavo possono intercettare il locale deflusso idrico sotterraneo che alimenta le emergenze idriche, con conseguente riduzione della portata ed in condizioni estreme il prosciugamento. Tale impatto si verifica in fase di costruzione e può essere irreversibile
Monitoraggio gallerie - Impatti sulla qualità delle acque, con possibili rischi di inquinamento durante la fase di cantiere per sversamenti accidentali all’interno della galleria fino a quando non viene impermeabilizzata
3. Impatti legati allo smaltimento del materiale di scavo - Possibili alterazioni chimico-fisiche del suolo, del sottosuolo, delle acque superficiali (corsi d’acqua) e sotterranee , derivanti dalla movimentazione e dall’accumulo del materiale di scavo delle gallerie
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Monitoraggio gallerie 2. IMPATTI SULLA CIRCOLAZIONE IDRICA SOTTERRANEA - Aree interessate da carsismo: effetti accentuati e spesso imprevedibili a causa della complessità del sistema di circolazione sotterranea
Spaccato verticale schematico di un sistema carsico
Acquiferi carsici
- Presenza di conche endoreiche : dovute ad azione combinata di tettonica e carsismo - Infiltrazione attraverso inghiottitoi - Circolazione sotterranea molto complessa ed imprevedibile, influenzata da fratture, stratificazione, livelli meno permeabili, ecc.
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Acquiferi carsici
- Presenza di faglie dirette con fasce cataclasitiche possono invertire l’effetto sulla circolazione idrica: esempio Galleria autostradale del Gran Sasso (Faglia valle Fredda: perdita concentrata di carico piezometrico di 200 m)
Acquiferi carsici
- Intercalazioni di rocce relativamente meno permeabili condizionano fortemente la circolazione in acquiferi carsici
- Complesso calcareo-marnoso interposto nelle dolomie dei monti di Salerno che evitava perdite consistenti di acque verso mare e verso le falde di depositi recenti - Galleria ferroviaria: abbassamento della quota di emergenza di sorgenti a 15 m s.l.m. mentre prima l’acquifero alimentava sorgenti a circa 100 m s.l.m.
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Nuova Linea AV/AC Venezia-Trieste Tratta Ronchi dei Legionari – Trieste
Nuova Linea AV/AC Venezia-Trieste Tratta Ronchi dei Legionari – Trieste - Contesto geomorfologico unico, caratterizzato dalla presenza di carsismo e da un elevato numero di cavità carsiche lungo gran parte del tracciato: - Accertata una elevata interferenza dell’opera con le cavità (14 cavità a distanza inferiore di 30 m ed elevata probabilità di incontrarne altre), tenendo altresì conto che siamo in un contesto in cui sono catastate più di 4700 cavità nel Friuli Venezia Giulia)
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Esempi di interferenze con cavità
Grotta del laghetto Grotta presso quota 36
Grotta degli Scalpellini
Grotta Aurisina Grotta nuova di Prosecco
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Nuova Linea AV/AC Venezia-Trieste Tratta Ronchi dei Legionari – Trieste Flysch arenaceo-pelitico
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Flysch arenaceo
500m Flysch arenaceo-pelitico
Flysch arenaceo
Calcari Terziari
B
A Calcari Terziari
Calcari Mesozoici
Sezioni geologiche rappresentative con evidenziata la posizione del tracciato di progetto (A) e dell’alternativa di progetto (B)
Gallerie TAV attraverso l’Appennino Toscano * Anni tra 1996 e 2005: territorio provincia di Firenze interessato dalle opere di cantierizzazione e scavo di uno dei più importanti sistemi di gallerie ferroviarie realizzati in Europa. Finalità: collegamento Firenze – Bologna mediante Alta Velocità / Alta Capacità ferroviaria Tratta in questione (“TAV”) comprende 79 km di cui 73 in gallerie, di cui in Provincia di Firenze 54.5 km di cui 45 in galleria
da Canuti et al. (2009), Le gallerie TAV attraverso l’Appennino toscano: impatto idrogeologico ed opere di mitigazione. Edifir, Edizioni Firenze, 207 pp.
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Gallerie TAV attraverso l’Appennino Toscano Problematiche: 1. Il controllo delle deformazioni del cavo della galleria indotte dall’interessamento di terreni e rocce spingenti o rocce fratturate potenzialmente in grado di innescare distacchi; 2. L’intercettazione con il fronte di scavo di rocce fratturate che possono essere sedi di serbatoi di fluidi quali acqua, gas ed eventualmente anche idrocarburi liquidi
Gallerie TAV attraverso l’Appennino Toscano Effetti più importanti causati da intercettazione: - generalizzato abbassamento dei carichi piezometrici , conseguente allo svuotamento parziale o totale delle porzioni acquifere di ammasso roccioso, che ha localmente esaurito e diminuito la resa di pozzi - riduzione della portata dei torrenti montani , riconducibile a perdite in alveo, con prosciugamento completo nei periodi di magra o comunque con flussi ampiamente inferiori al Deflusso Minimo Vitale
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Geologia del tracciato
Profilo geologico lungo la linea TAV
Acque sotterranee intercettate dalle gallerie TAV - A titolo di esempio si riporta il caso della Galleria Firenzuola (km 15), la quale attraversa per gran parte della sua estensione la Formazione Marnoso – Arenacea - Idrogramma della portata in avanzamento: evidenzia l’intercettazione di numerose strutture acquifere (ciò si è verificato anche per le altre gallerie)
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Acque sotterranee intercettate dalle gallerie TAV
Idrogramma di drenaggio in avanzamento della galleria Firenzuola con identificazione dei principali inrush
Acque sotterranee intercettate dalle gallerie TAV
Eventi di inrush di maggior rilievo per il lato nord
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Acque sotterranee intercettate dalle gallerie TAV - Galleria Vaglia (km 18.5), la più lunga dell’intero tracciato, interessa prevalentemente la formazione calcareo marnosa di M.Morello - Idrogramma della portata in avanzamento evidenzia l’intercettazione di alcune strutture acquifere, in numero inferiore rispetto alla Firenzuola e, soprattutto, con portate istantanee meno ingenti ma con effetti ambientali consistenti, soprattutto sul bacino del Torrente Carzola
Analisi degli impatti desunta dal monitoraggio - Sorgenti: 2 su 5 in media sono state influenzate, con prosciugamento totale ed irreversibile per 33 sorgenti, prosciugamento estivo per 21 sorgenti, o abbassamento di portata per 15 sorgenti - Torrenti: 17 aste torrentizie principali monitorate, delle quali solo 3 possono considerarsi non influenzate, le altre 14 influenzate con vario grado di impatto (da riduzioni portata a prosciugamento) - Pozzi: su 31 monitorati, in 35 pozzi si è verificata un’interferenza
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Programma di monitoraggio ambientale (PMA) Aspetti da trattare:
1. Finalità (alla conoscenza di quali aspetti è finalizzato il programma di monitoraggio) 2. Fattori per la definizione elementi rete di monitoraggio (in base a cosa scegliere dove effettuare le misure) 3. Definizione elementi rete di monitoraggio (stazioni misura, tipologia misure, parametri, frequenza, ecc.)
Programma di monitoraggio ambientale (PMA) Settori di competenza geologica: 1. Assetto del territorio (versanti, corsi d’acqua) 2. Ambiente idrico sotterraneo (circolazione idrica, pozzi, sorgenti)
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Programma di monitoraggio ambientale (PMA): Assetto del territorio 1. Finalità Il Programma di Monitoraggio dell’assetto del territorio (versanti e corsi d’acqua) deve essere finalizzato ai seguenti aspetti: 1. Certificazione dello stato dei versanti e corsi d’acqua nella situazione precedente l’avvio dei lavori 2. Controllo delle modificazioni che avvengono nella fase di cantiere 3. Acquisizione dati necessari per tempestiva messa in opera di eventuali interventi di stabilizzazione al primo manifestarsi di effetti negativi sulla stabilità del territorio connessi alla realizzazione di particolari opere
PMA Assetto del territorio 1. Finalità Il Programma di Monitoraggio dell’assetto del territorio (versanti e corsi d’acqua) deve essere finalizzato ai seguenti aspetti: 4. Verifica degli effetti a breve-medio termine dopo la realizzazione delle opere 5. Predisposizione di una rete permanente di misura per il controllo dei comparti a rischio nella fase di esercizio dell’opera
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PMA Assetto del territorio 2. Fattori Criteri per la definizione della rete di monitoraggio basati sui seguenti fattori: - Vulnerabilità geologico-geomorfologica dei diversi settori del territorio interessato dalle opere - Localizzazione dei dissesti in atto - Tipologia locale delle opere autostradali , in funzione del maggiore o minore grado di interferenza potenziale con stabilità dei versanti o corso d’acqua - Presenza di abitazioni o infrastrutture di rilievo insistenti sui versanti o corso d’acqua oggetto di monitoraggio
PMA Assetto del territorio 3. Definizione rete di monitoraggio La definizione del programma si riferisce ai seguenti elementi della rete di monitoraggio: - Quadro dei settori di territorio oggetto del monitoraggio (versanti, corsi d’acqua) - Parametri oggetto delle misure, con riferimento ad un set standard di rilievi previsti su tutte le stazioni (rete di “primo livello”) e ad un set di rilievi aggiuntivi di approfondimento (rete di “secondo livello”) - Frequenza delle rilevazioni - Modalità di esecuzione delle misure, di acquisizione dei dati, e tipologia delle installazioni fisse
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PMA Assetto del territorio Aree interessate dal monitoraggio La scelta dei settori di territorio interessati da monitoraggio viene generalmente effettuata in base a: a) Definizione delle “aree sensibili” sulla base della propensione al dissesto b) Definizione delle tipologie di “opere sensibili”, ossia potenzialmente soggette ad influenzare le condizioni di stabilità dei versanti / corsi d’acqua c) Individuazione dei settori da monitorare, derivanti dalla sovrapposizione delle “opere sensibili” e delle “aree sensibili”
PMA Assetto del territorio Aree interessate dal monitoraggio Opere sensibili: Opere con potenziali interferenze con la stabilità dei versanti: - Settori di imbocco gallerie - Gallerie parietali e/o a debole profondità - Spalle di viadotti - Settori a mezzacosta Opere con potenziali interferenze con la dinamica fluviale : - Viadotti e difese di sponda Opere non influenti: - Rilevati - Gallerie profonde
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Monitoraggio strumentale gallerie Ha soprattutto lo scopo di misurare e monitorare i parametri geotecnici e geomeccanici e le deformazioni nella galleria e nei dintorni del cavo, per assicurare la stabilità e la sicurezza nella realizzazione dell’opera, piuttosto che per monitorare gli effetti dell’opera sull’ambiente circostante
Monitoraggio strumentale gallerie 2. Estensimetro multibase (movimenti di terreno e roccia attorno al cavo della galleria ) 4. Celle di pressione (misura della pressione gravante sulle centine ) 5. Distometro a nastro (monitoraggio della convergenza del cavo ) 6. Colonna inclino-estensimetrica (sforzi e deformazioni attorno al cavo ) 7. Celle di carico (misura carico dei tiranti ) 9. Barrette gettate nel calcestruzzo (sforzi nel cls ) 10. Piezometri elettrici (controllo delle pressioni interstiziali ) 14. Accelerometri (monitoraggio delle vibrazioni durante lo scavo )
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Monitoraggio strumentale gallerie
Celle di pressione Estensimetri Celle di carico
Piezometri elettrici
Celle di pressione
Sonda inclinometrica e datalogger
Monitoraggio strumentale gallerie In alcuni casi (passaggio di una galleria sotto abitazioni) il monitoraggio strumentale coinvolge anche abitazioni che possono risentire delle deformazioni dovute allo scavo
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Programma di monitoraggio ambientale (PMA): Acque sotterranee 1. Finalità Il Programma di Monitoraggio delle acque sotterranee deve essere finalizzato ai seguenti aspetti: 1. Certificazione dello stato quali-quantitativo dei corpi idrici nella situazione precedente l’avvio dei lavori 2. Controllo dei corpi idrici nella fase di cantiere
3. Acquisizione dati necessari a valutazione circolazione idrica sotterranea e messa in atto di eventuali interventi di protezione delle aree di utilizzazione delle risorse idriche degli acquiferi
PMA Acque sotterranee 1. Finalità Il Programma di Monitoraggio delle acque sotterranee deve essere finalizzato ai seguenti aspetti :
4. Verifica delle caratteristiche quali-quantitative di corpi idrici individuati come potenziali fonti di approvvigionamento idrico alternativo (in sostituzione di captazioni ad elevato rischio di interferenza) 5. Predisposizione di una rete permanente di misura per il controllo dei comparti a rischio nella fase di esercizio dell’opera
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PMA Acque sotterranee 2. Fattori Criteri per la definizione della rete di monitoraggio basati sui seguenti fattori: - Rischio di interferenza tra opere in progetto e corpi idrici sotterranei - Rilevanza socio-economica di ogni captazione
PMA Acque sotterranee Possibili punti inseriti in una rete di monitoraggio delle acque sotterrane 1. Sorgenti per le quali non si individua un rischio di interferenza ma caratterizzate da una significativa portata (es. >1 l/s) e pertanto rilevanti sia per l’approvvigionamento in atto che potenziale 2. Sorgenti o pozzi a rischio di interferenza in base alle risultanze dello studio idrogeologico (indipendentemente dall’uso attuato o previsto) 3. Sorgenti o pozzi costituenti l’unica fonte di approvvigionamento per abitati o piccoli gruppi di abitazioni 4. Sorgenti o pozzi per i quali esistono progetti di sfruttamento da parte di acquedotti pubblici, consorzi irrigui, ecc. 5. Punti di captazione per i quali è prospettabile un uso come risorsa sostitutiva in caso di effettivo depauperamento di risorse a rischio
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PMA Acque sotterranee 3. Definizione rete di monitoraggio La definizione del programma si riferisce ai seguenti elementi della rete di monitoraggio:
- Quadro delle stazioni di misura (sorgenti, pozzi, piezometri) - Parametri oggetto delle misure, con riferimento ad un set standard di determinazioni previste su tutte le stazioni e ad un set di parametri specialistici rilevabili in specifiche indagini di approfondimento - Frequenza delle misure - Modalità di esecuzione delle misure, di acquisizione dei dati, e tipologia delle installazioni fisse
PMA Acque sotterranee Scelta degli indicatori 1. Set standard Il set standard comprende i parametri di base per la caratterizzazione dei punti di misura: Stazioni di misura su pozzi : - livello statico - temperatura - concentrazione ioni idrogeno (pH) - conducibilità elettrica - ossigeno disciolto
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PMA Acque sotterranee
Regime di variazioni dei livelli piezometrici in relazione al regime delle precipitazioni e delle temperature (pianura emiliana tra i fiumi Enza e Secchia)
PMA Acque sotterranee Scelta degli indicatori 1. Set standard Stazioni di misura su sorgenti : - portata - temperatura - concentrazione ioni idrogeno (pH) - conducibilità elettrica
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PMA Acque sotterranee
Correlazioni tra precipitazioni e portate medie di due sorgenti a scala stagionale
Correlazioni tra precipitazioni e portate medie di una sorgente
PMA Acque sotterranee Scelta degli indicatori 2. Set parametri specialistici Oltre al set di parametri standard, la cui misura viene effettuata su tutti i punti della rete, vanno previsti alcuni parametri aggiuntivi in relazione alle seguenti finalità: 1. verificare eventuali alterazioni della qualità connesse al contatto tra i corpi idrici sotterranei e le acque in galleria 2. verificare l’idoneità qualitativa di corpi idrici identificati come possibili risorse alternative in sostituzione di risorse a rischio
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PMA Acque sotterranee 2. Set parametri specialistici Alterazioni qualitative determinate dal contatto tra acque sotterranee e materiali di rivestimento di gallerie (finalità 1): unico effetto rilevabile deriva dalla percolazione delle acque sotterranee a contatto con lo spritz-beton del rivestimento provvisorio Il dilavamento del cemento può produrre un aumento di ioni Ca++ e Na++, dell’alcalinità, del pH e della conducibilità elettrica
PMA Acque sotterranee 2. Set parametri specialistici Pertanto per la finalità 1 i parametri aggiuntivi sono in genere: - Calcio (mg/l Ca++) - Sodio (mg/l Na++) - Alcalinità (mg/l HCO3-) Per le finalità 2 e 3 (idoneità qualitativa) i parametri aggiuntivi sono in genere: - Carica batterica - Coliformi - Nitrati - Ammoniaca - ecc.
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PMA Acque sotterranee Modalità di esecuzione delle misure 1. Livello statico in pozzi: acquisizione dati “per campagne” (mediante sonda piezometrica elettroacustica con cavo graduato o freatimetro) o in continuo (mediante sonda di pressione con sensore collegato a data-logger)
Freatimetri
Monitoraggio automatico livello di falda e temperatura
Sonde di pressione
PMA Acque sotterranee Modalità di esecuzione delle misure 2. Misure di portata su sorgenti : acquisizione dati “per campagne” (metodo volumetrico, metodo correntometrico, traccianti) o in continuo (misure portata con stramazzo, sonda piezometrica collegata a datalogger)
Micromulinello
Misuratore di portata tramite stramazzo
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PMA Acque sotterranee Modalità di esecuzione delle misure 3. Parametri fisico-chimici rilevabili in sito : Temperatura Concentrazione ioni idrogeno Conducibilità elettrica Ossigeno disciolto Vengono rilevati in sito attraverso l’impiego di strumentazione elettronica portatile.
Misuratore Ph
Misuratore Ossigeno disciolto
Campionatore d’acqua per analisi chimiche
PMA Acque sotterranee Frequenza delle misure La frequenza con cui devono essere misurati i vari parametri va definita anche in funzione delle caratteristiche di circolazione idrica sotterranea evidenziate nello studio idrogeologico. Ad esempio, per monitorare la variabilità delle portate sono necessari dati sufficienti per definire le curve di ricarica (relazione portata-tempo nei periodi di ricarica) e di esaurimento. Nel caso di un contesto idrogeologico con “stile” di circolazione generalmente epidermico, circuiti brevi, portate scarse e fortemente variabili , il monitoraggio per risultare significativo deve essere effettuato con elevata frequenza .
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