FILTRI E DRENAGGI - marcofavaretti.net · Il diametro di filtrazione di un filtro granulare è...

PROGETTAZIONE GEOTECNICAPROGETTAZIONE GEOTECNICA

Dott.Ing. Stefano Busana

MAGGIO 2012

FILTRI E DRENAGGI

PARERE DI UNA GIOVANE COLLEGAPARERE DI UNA GIOVANE COLLEGA

“Forse è proprio la banalità di questi metodi [diTerzaghi per la verifica dei filtri] che ha portato

alcuni progettisti a ritenere banale ilalcuni progettisti a ritenere banale il

funzionamento di un filtro o di un dreno, ed è

così che spesso i criteri non vengono insegnati ai

giovani ingegneri. Ritengo invece che la

conoscenza dell’argomento sia fondamentale”

PROCESSO DI FILTRAZIONE NEI TERRENI (1)PROCESSO DI FILTRAZIONE NEI TERRENI (1)

Tutti i terreni sono caratterizzati da una struttura principale diparticelle: uno scheletro continuo di grani di diverse dimensioniin contatto tra loro, sottoposto ai carichi esterni e in grado ditrasferisce le tensioni.trasferisce le tensioni.Entro lo scheletro sono inglobate particelle di dimensioniminori, che non partecipano, in primis, alle vicende tensionali.Nella figura è rappresentato uno scheletro costituito da sferefotosensibili, soggetto ad un carico esterno, con le catene di forzaben visibili che si sviluppano solo lungo particolari particelle piùluminose mentre le altre, più scure, non partecipano allatrasmissione del carico


Le particelle “scariche” possono spostarsi nei poriconfinanti se sufficientemente piccole: se le“costrizioni” (le strette gole che congiungono due pori)nella rete dei pori dello scheletro principale sono piùnella rete dei pori dello scheletro principale sono piùgrandi delle particelle inglobate, queste ultime possonoessere trasportate

I “tappeti o manti drenanti” sono utilizzati in una varietà distrutture geotecniche:

� nelle dighe e negli argini in materiale sciolto, e a tergo dei muri

di sostegno, per contenere le pressioni neutre che influenzano

sfavorevolmente i risultati delle verifiche di stabilità;

IMPIEGHI DEI MANTI DRENANTI DELL’ACQUA

IMPIEGHI DEI MANTI DRENANTI DELL’ACQUA

� nei rilevati per infrastrutture, per accelerare il decorso della

consolidazione;

� nelle discariche: vengono inseriti all’interno del sistema di

copertura finale, tra lo strato vegetale di copertura e la barriera

sottostante, (i) per ridurre al minimo l’infiltrazione di acqua

meteorica attraverso la barriera idraulica e del biogas, (ii) per

drenare lo strato di protezione, pur garantendo l’umidità

necessaria alla crescita della vegetazione in superficie, (iii) per

ridurre le pressioni neutre, evitando che la saturazione dello

strato crei problemi di instabilità del pendio; vengono impiegati

anche sul fondo, per raccogliere e far defluire il percolato.

I materiali costituenti gli strati drenanti possonoessere:

� granulari, ghiaia e sabbia;

� geosintetici, geotessili, georeti e geocompositi.

TIPOLOGIA DEI MANTI DRENANTI DELL’ACQUA

TIPOLOGIA DEI MANTI DRENANTI DELL’ACQUA

� geosintetici, geotessili, georeti e geocompositi.

Nel caso di contatto con strati di terreni fini ènecessario prevedere un filtro, in sabbia ogeotessile, che impedisca l’intasamento dellostrato drenante, causato dalla migrazione diparticelle fini all’interno del flusso liquido

Uno strato drenante granulare deve risultare

internamente stabile.

Un materiale può definirsi stabile se la sua

GENERALITA’ SULLA STRUTTURA DI UNO STRATO DRENANTE GRANULARE

GENERALITA’ SULLA STRUTTURA DI UNO STRATO DRENANTE GRANULARE

Un materiale può definirsi stabile se la sua

struttura non subisce variazioni nel tempo.

Uno strato granulare necessita di una

progettazione ispirata al concetto di

self-healig o autoprotezione del mezzo

poroso.

Uno strato drenante granulare risulta autoprotetto se:

� il materiale costituente non presenta coesione internatale fenomeno andrebbe a compromettere la

capacità di “autocicatrizzazione” dello strato, a fronte

SELF-HEALING O AUTOPROTEZIONE DEL MEZZO POROSO GRANULARE

SELF-HEALING O AUTOPROTEZIONE DEL MEZZO POROSO GRANULARE

capacità di “autocicatrizzazione” dello strato, a fronte

di assestamenti del piano di posa sottostante

(particolarmente sensibili nelle discariche)

� verifica il criterio di compatibilità granulometrica per i filtri granularilo scopo è quello di evitare il depauperamento della

frazione fine, assicurando la distribuzione uniforme

delle diverse classi granulometriche all’interno del

medesimo materiale

Occorre evitare:

� la coesione da “interlocking” legata alla

forma allungata delle particelle, utilizzando

grani tondeggianti

MANCANZA DI COESIONE INTERNA DELLO STRATO GRANULARE

MANCANZA DI COESIONE INTERNA DELLO STRATO GRANULARE

grani tondeggianti

� la cementazione del materiale granulare,

selezionando sabbie e ghiaie composte da

minerali stabili, anziché materiali

potenzialmente solubili, come i calcari

Gli inconvenienti che sorgono al contatto tra due materiali di composizione

granulometrica diversa e interessati da un moto di filtrazione orientato dal materiale a grana fine verso quello a grana grossa, sono

FILTRI: SITUAZIONI LIMITE D’INTERFACCIA

FILTRI: SITUAZIONI LIMITE D’INTERFACCIA

grana fine verso quello a grana grossa, sono riconducibili a due situazioni limite:

� situazione limite di “intasamento”

� situazione limite di “erosione”

Si verifica quando i pori del materialepiù grossolano vengono gradualmenteocclusi dalle particelle del materiale

SITUAZIONE LIMITE D’INTASAMENTOSITUAZIONE LIMITE D’INTASAMENTO

occlusi dalle particelle del materialepiù fine (di base) fino a un livello taleda precluderne l’efficienza idraulica

Si verifica quando le particelle fini delmateriale di base passano attraverso ivuoti del materiale più grossolano evengono portate via dal flusso liquido.

SITUAZIONE LIMITE D’EROSIONESITUAZIONE LIMITE D’EROSIONE

vengono portate via dal flusso liquido.Tale fenomeno genera nel terreno dibase una progressiva erosione, che puòevolversi fino alla formazione di unvero e proprio condotto all’interno delmateriale di base, in modo tale dapregiudicare la stabilità dell’opera

Per fronteggiare le suddette condizionilimite, è necessario l’inserimento,all’interfaccia tra i due materiali, di

FUNZIONE DEL FILTROFUNZIONE DEL FILTRO

all’interfaccia tra i due materiali, diun filtro, ovvero di una zona ditransizione con porometria intermediatra quella più fine del materiale dibase e quella del materiale più grosso.

Se il filtro è realizzato in geotessile, si ha un ulteriore stato limite detto di accecamento

(blinding), che avviene quando il flusso idraulico sposta particelle di terreno di

SITUAZIONE LIMITE D’ACCECAMENTOSITUAZIONE LIMITE D’ACCECAMENTO

idraulico sposta particelle di terreno di base e queste si accumulano sull’interfaccia terreno di base-filtro, creando una zona a

bassa permeabilità che genera l’insorgenza di elevate pressioni dell’acqua, con

conseguenti effetti sulla stabilità della struttura

Un filtro di materiale naturale non èaltro che uno strato granulare chedeve avere vuoti sufficientemente

CONTRAPPOSTE ESIGENZE IN UN FILTRO DI MATERIALE NATURALECONTRAPPOSTE ESIGENZE IN UN FILTRO DI MATERIALE NATURALE

grandi da permettere un facilepassaggio del fluido, ma anchesufficientemente piccoli per impedire ilpassaggio delle particelle fini delterreno attraverso gli interstizi tra igrani

E’ descritta dai seguenti parametri:

porosità n che rappresenta il rapporto tra il volume dei vuoti e il volume

GEOMETRIA DEI FILTRI GRANULARI (1)GEOMETRIA DEI FILTRI GRANULARI (1)

tra il volume dei vuoti e il volume totale

distribuzione granulometrica del materiale

forma delle particelle

GEOMETRIA DEI FILTRI GRANULARI (2)

GEOMETRIA DEI FILTRI GRANULARI (2)

Un parametro per caratterizzare i mezzi filtrantinaturali è il “constriction size” o diametro dei pori. Èequivalente al diametro della particella più grande cheha la possibilità di passare in un mezzo filtrante ed halo stesso significato dell’“equivalent opening size OPS”

fO

lo stesso significato dell’“equivalent opening size OPS”usato per caratterizzare la rete di vuoti in un geotessile.Questo parametro è molto utile perché aiuta adeterminare quantitativamente una misura delladimensione dei canali all’interno di un filtro granulare,e di conseguenza a capirne il processo di filtrazione.

FILTRATION OPENING SIZE (1) FILTRATION OPENING SIZE (1)

Se si ipotizza che tutte le sfere costituenti ilmateriale granulare abbiano lo stesso diametro d, sipossono considerare due situazioni limite:

•Massimo addensamento, che si ottiene attraversouna disposizione tetraedrica di particelle sferiche;

• Minimo addensamento, che si ottiene attraversouna disposizione cubica di particelle sferiche(consente la maggiore mobilitazione di particelle).


Nel caso in cui si abbia una distribuzione random diparticelle, come avviene in un materiale granulare,il diametro dei pori dipende anche dallo spessoreOil diametro dei pori dipende anche dallo spessoredel filtro.

fO


Vi è una netta distinzione tra pori e“constrictions”:

un poro è caratterizzato dal suo volume, che èquello compreso tra particelle adiacenti,quello compreso tra particelle adiacenti,

mentre

“constriction size” è il diametro della sferapiù grande che è in grado di passarenell’intercapedine creata da sfere adiacenti.

fO

FILTRATION OPENING SIZE (4)FILTRATION OPENING SIZE (4)


Se lo spessore del filtro aumenta, aumentando le lunghezze dei percorsi, allora si ha una maggiore probabilità che esistano, per ogni percorso, delle intercapedini molto piccole.


Il diametro di filtrazione di un filtro granulare

è “comandato” dal diametro della sua più

piccola particella ed è legato alla lunghezza di

filtrazione, che è proporzionale al numero di

intercapedini che una particella deve

attraversare durante la filtrazione.

PERMEABILITA’ DI UN FILTRO (1)PERMEABILITA’ DI UN FILTRO (1)

Relazione empirica, funzione del prodottoD5*D10, :5 10,

dove k è espressa in cm/sec e D5*D10 in mm2.

93.0

105 )(02.1 DDk ⋅⋅=


EQUAZIONE DI KOZENY – VON KARMANValida quando il moto è laminare tanto per un mezzo granulare che perun geotessile non tessuto:

36)1(

2

2

3avgw

d

n

ngk ⋅

−⋅

⋅⋅=

η

ρβ

Nel caso di materiale granulare:

ββββ = fattore di forma che tiene conto della tortuosità = 0.1ρρρρw = 1000 kg/m3

g = 9.81 m/s2

ηηηηw = 10-3 kg/(m*s)n =1/3

36)1( 2

w n−η

22270 avgdk ⋅=


La permeabilità di un filtro, compatibilmente con il rispetto degli altri criteri dei filtri, dovrà essere la più alta possibile, rispetto a quella del terreno base. Dalle relazioni appena esposte si terreno base. Dalle relazioni appena esposte si può dedurre che uno strato che rispetti il criterio di Terzaghi sarà approssimativamente 16 volte più permeabile del terreno base, essendo la proporzionalità di tipo quadratico. Altre fonti sostengono che kfiltro>100kterreno.

CRITERI DI PROGETTAZIONE DEI FILTRI GRANULARI (1)

CRITERI DI PROGETTAZIONE DEI FILTRI GRANULARI (1)

Per assolvere la sua funzione nel tempo il filtro dev’essere progettato secondo i seguenti criteri:

1. Criterio di ritenzione1. Criterio di ritenzione2. Criterio di permeabilità3. Criterio di autostabilità

CRITERIO DI RITENZIONECRITERIO DI RITENZIONE

Il materiale costituente il filtro deve avere pori sufficientemente piccoli da avere pori sufficientemente piccoli da bloccare la migrazione delle particelle

fini dal terreno di base al filtro, evitando di conseguenza l’erosione del terreno di

base e l’intasamento del filtro

CRITERIO DI PERMEABILITA’CRITERIO DI PERMEABILITA’

Il filtro deve avere una porometria tale da consentire il libero passaggio del liquido fluente attraverso il terreno, senza provocare innalzamenti della senza provocare innalzamenti della

pressione neutra nella zona di contatto. Quindi il filtro deve essere molto più permeabile del terreno più fine col

quale è a contatto

CRITERIO DI AUTOSTABILITA’CRITERIO DI AUTOSTABILITA’

Il materiale costituente il filtro deve essere stabile, in modo da non subire nel essere stabile, in modo da non subire nel tempo, sotto l’azione di trascinamento

esercitata dal fluido, apprezzabili variazioni locali della composizione granulometrica e della permeabilità

CRITERI DI TERZAGHI (1)CRITERI DI TERZAGHI (1)

Terzaghi (1922) ha proposto queste dueregole:

(criterio di ritenzione)

(criterio di permeabilità)

485

15 <d

D

415

15 >d

D

CRITERI DI TERZAGHI (2)CRITERI DI TERZAGHI (2)

US C.o.ENG. E PRIMA CONCLUSIONE

US C.o.ENG. E PRIMA CONCLUSIONE

L’ US Corps of Engineers (1941) prescrive che ilcoefficiente di uniformità del filtro soddisfi larelazione:

In ogni caso, con le regole sopraindicate sono

2010

60 ≤=D

DC

In ogni caso, con le regole sopraindicate sonosoddisfatti il criterio di ritenzione e quello dipermeabilità, ma non è soddisfatto il criterio diautostabilità. Questi metodi empirici, infatti,trascurano i parametri relativi alla porosità, alladistribuzione dei vuoti, allo spessore del filtro-dreno, dai quali il processo di intasamento-erosionedipende.

COEFFICIENTE DI UNIFORMITA’COEFFICIENTE DI UNIFORMITA’

La pendenza della curva granulometrica èindicativa dell’uniformità del terreno: quanto più lacurva è verticale tanto più omogeneo, dal punto divista granulometrico, risulta il terreno.L’uniformità è espressa dal relativo coefficiente,L’uniformità è espressa dal relativo coefficiente,dove D60 è il diametro corrispondente al 60% dipassante, e D10 il diametro corrispondente al 10% dipassante. L’uniformità è massima per C=1; si parladi materiale praticamente monogranulare, fino aC=2, di materiale poco graduato fino a C=6; pervalori superiori di materiale ben graduato e perC>15 di materiale decisamente ben graduato.

CAUSE DEL PIPING (1)CAUSE DEL PIPING (1)

Ritornando al concetto di scheletro solido definitoall’inizio, le “costrizioni” sono variabili in dimensione enumero, in funzione della distribuzione in numerodelle particelle del terreno. Se esiste una deficienza innumero di particelle di un certo intervallonumero di particelle di un certo intervallogranulometrico, allora esisterà una corrispondentedeficienza in numero di costrizioni di dimensioni talida non poter bloccare, sotto l'azione di trascinamentodel flusso d'acqua, le particelle più piccole alle qualisarà permesso un continuo passaggio, innescando unfenomeno di erosione che si sviluppa in diverse fasi

CAUSE DEL PIPING (2)CAUSE DEL PIPING (2)

Inizialmente si ha una migrazione di poche particelleall'interno del terreno, la cosiddetta “soffusione”, con laquale non si hanno variazioni di volume nel terreno e loscheletro solido continua ad essere sostanzialmentestabile. All'aumentare del gradiente idraulico e manstabile. All'aumentare del gradiente idraulico e manmano che queste particelle migrano, aumentano ledimensioni dei canalicoli, sin quando si creano canali didimensioni maggiori in cui la permeabilità è moltoelevata, rispetto al restante terreno, e in cui l'acquafluisce senza incontrare ostacoli portando sensibilivariazioni dello scheletro solido ed una erosione delterreno (piping)

SELF HEALING (1)SELF HEALING (1)

Nei terreni internamente instabili (self healing),l’insorgere della soffusione, ovvero dellamigrazione delle particelle fini attraverso lecostrizioni e i pori dello scheletro solido, ècostrizioni e i pori dello scheletro solido, èsubordinato al verificarsi di due condizioni: unacondizione geometrica ed una idraulica


Affinché si instauri il movimento delleparticelle fini è necessario che esistano delle“costrizioni” di dimensioni maggiori delleparticelle (condizione geometrica) e …particelle (condizione geometrica) e …


… che la forza di trascinamento,esercitata dal flusso, sia tale da vinceretutte le forze (spinta di galleggiamento,forza d’attrito tra grani e forze di Wanforza d’attrito tra grani e forze di Wandel Walls) che possano opporsi al moto(condizione idraulica)

SELF-HEALING: METODO DI MUSSO – FEDERICO (1)


E’ un metodo di analisi geometrico-probabilistica basata sul processo di probabilistica basata sul processo di

diffusione particellare all’interno di un mezzo poroso sotto l’azione di un fluido

filtrante (1983).



Nei mezzi granulari, siano essi filtri o drenaggi, lafunzione filtrante deve essere garantita nel tempoattraverso una granulometria assortita cheimpedisca il verificarsi di fenomeni di erosione ointasamento. Questo spiega il motivo per cui iintasamento. Questo spiega il motivo per cui icriteri per la verifica dell’autostabilità dei filtrigranulari sono sfruttati anche negli strati drenantigranulari. La differenza sta nel fatto che inquest’ultimo caso si verifica la stabilità di unmateriale unico, mentre nel caso dei filtri si ha unacurva granulometrica per il materiale di base eun’altra per il filtro.



Considerano la curva granulometricacaratteristica del materiale granulare inesame e per ogni generico diametropraticano un taglio, ottenendo due

dpraticano un taglio, ottenendo duecurve granulometriche distinte, una del“fino” per e una del “grosso” perdd <

dd ≥



Applicando il criterio di Terzaghi perogni “taglio”:

485

15 <d

D

non c’è depauperamento del materialegranulare, cioè la frazione fine nonviene dispersa, dal momento che “ilgrosso del fino” d85 è trattenuto dal“fino del grosso” D15.

85

TERRENI TESTATI (1)TERRENI TESTATI (1)

*I Materiale diga Zoccolo

*II Materiale diga Maria al Lago

*III Materiale diga Monte Cotugno

IV Campione di materiali a grana grossa

V Il medesimo campione selezionato

VI Materiale teorico con K stimato pari a 10-3÷÷÷÷10-2 cm/s

*curva granulometrica media

MATERIALI TESTATI (2)MATERIALI TESTATI (2)



Gli Autori evidenziano come i materiali granulari di origine alluvionale non verificano il

criterio di Terzaghi per certi diametri, corrispondenti alla “coda di fino”, e quindi non

dovrebbero risultare internamente stabili.dovrebbero risultare internamente stabili.Ciò, però, non vuol dire che il materiale

granulare non sia stabile, e che tutta la frazione fine venga dispersa, causando il

depauperamento del mezzo poroso, ma che si verifichi semplicemente una certa migrazione

del “fino”.



Intuitivamente, una particella di “fino” che simuove tra i vuoti intergranulari, spintadall’azione di un flusso liquido verticale, ha duepossibilità:

a) che scorra attraverso i vuoti senza alcunaa) che scorra attraverso i vuoti senza alcunadifficoltà e che fuoriesca dallo strato poroso;

b) oppure che la particella ad un certo punto sifermi, in corrispondenza di un vuoto didimensioni inferiori alla propria e che quindirimanga intrappolata all’interno dello stratogranulare.



La valutazione della probabile lunghezza del percorso diuna particella di “fino” all’interno di un mezzo granularedipende dalle dimensioni dei pori e dal numero dei vuoti chela particella di diametro d potrà attraversare, fino adincontrare un poro con diametro Dv<d. Il problema vienerisolto determinando la probabilità che quest’ultima

v

risolto determinando la probabilità che quest’ultimacondizione venga realizzata dopo m confronti fra d e unaserie di Dv, assumendo un determinato valore P0 del livellodi confidenza. Infatti se si ammette che per ciascunconfronto la particella avanzi di una quantità s, la lunghezzatotale S del percorso probabile della particella può esserefacilmente calcolata come .smS ⋅=

METODO DI MUSSO – FEDERICO:PASSI DEL PROCEDIMENTO

METODO DI MUSSO – FEDERICO:PASSI DEL PROCEDIMENTO

a) distribuzione dei vuoti del mezzo poroso, che simodifica continuamente nel corso del processo didiffusione particellare;b) numero dei confronti necessari per individuarealmeno un poro con dimensioni inferiori a quellealmeno un poro con dimensioni inferiori a quelledella particella;c) percorso unitario s compiuto dalla particella di“fino”, per ogni confronto fra le dimensioni diquesta e le dimensioni dei pori;d) percorso totale S, compiuto dalla particella altermine di tutti i possibili confronti

DISTRIBUZIONE DEI VUOTI (1) (SILVEIRA – 1965)

DISTRIBUZIONE DEI VUOTI (1) (SILVEIRA – 1965)

DISTRIBUZIONE DEI VUOTI (2)DISTRIBUZIONE DEI VUOTI (2)

METODO DI MUSSO – FEDERICO:COEFFICIENTE DI SICUREZZA

METODO DI MUSSO – FEDERICO:COEFFICIENTE DI SICUREZZA

Se lo spessore dello strato è convenientemente maggiore del

percorso probabile S si può concludere percorso probabile S si può concludere che il materiale è “autoprotetto”.

DIAMETRO CRITICO (1)DIAMETRO CRITICO (1)

Il “diametro critico” (Dc) è la misura caratteristicadelle particelle che attraversano il filtro ed è pari alloro D95.Tale parametro, evidentemente, dipende dallospessore del filtro, ma non sarebbe corretto ritenerespessore del filtro, ma non sarebbe corretto ritenereche filtri granulari molto spessi impediscanototalmente il passaggio delle particelle fini. Si puòsolamente affermare che la probabilità che questeattraversino il filtro è “molto bassa”, in accordo conla filosofia del metodo stocastico

Il valore del diametro critico di un terrenointernamente instabile è importante,soprattutto se si desidera impiegare unfiltro di geotessile, perché consente di

DIAMETRO CRITICO (2)DIAMETRO CRITICO (2)

filtro di geotessile, perché consente discegliere opportunamente l’aperturacaratteristica del filtro Of, evitando chesi raggiungano gli stati limite diintasamento e di accecamento

GEOTESSILI(1)GEOTESSILI(1)

I geotessili (termine coniato da Giraud e Perfetti nel1977, tessuti e/o non tessuti), sono impiegatidiffusamente già a partire dagli anni ‘60-’70 e hannonotevolmente modificato i criteri di progettazione deidreni, introducendo riduzioni di costi talvoltadreni, introducendo riduzioni di costi talvoltasensibili. I geotessili possono assolvere diversefunzioni: il controllo dei processi di filtrazione edrenaggio; la separazione delle fasi terrose a diversagranulometria; il rinforzo delle terre


Tra i principali vantaggi dell’impiego dei geotessili, siricordano i seguenti:

�evitano l'impiego di materiali a granulometria differenziata,quali si richiedono per la realizzazione dei filtri nelle zone diraccordo tra materiali a granulometrie diverse, non semprereperibili a basso costo. Evitano problemi di vagliatura;�evitano o riducono le operazioni di drenaggio e bonifica delterreno di fondazione;�riducono i costi di manodopera per posa, manutenzione eripristino


La complessità progettuale e realizzativa deifiltri granulari e i costi ridotti dei geotessilifarebbero propendere per questi ultimi.Tuttavia è necessaria un’attenta progettazioneTuttavia è necessaria un’attenta progettazionedi tali componenti, che spesso di trascura o sidemanda ad altre figure professionali

FILTRI IN GEOTESSILE(1)FILTRI IN GEOTESSILE(1)

Un filtro in geotessile può essere realizzato con geosintetici

tessuti o non-tessuti, ed è caratterizzato dal diametro difiltrazione Of, parametro che va scelto dal progettista tenendoconto dei seguenti stati limite:

a) Erosione del terreno di base: avviene se le dimensioni deia) Erosione del terreno di base: avviene se le dimensioni deipori del filtro sono troppo grandi e quindi non in grado ditrattenere il movimento delle particelle dal terreno di base.b) Accecamento (blinding): avviene quando il flusso idraulicosposta particelle del terreno di base con dimensioni più grandidi quelle dei pori del geotessile e queste si accumulanoall'interfaccia terreno di base-filtro; si viene a creare così unazona a bassa permeabilità, con l'insorgere di elevate pressionidell'acqua e i conseguenti effetti sulla stabilità della struttura


c) Intasamento (clogging): avviene quando il movimento delleparticelle del terreno di base porta all'occlusione dei pori delfiltro e alla diminuzione della permeabilità dello stesso, ilfenomeno produce un decremento della capacità di drenaggiodel sistema filtrante.d) Sollevamento del filtro: avviene quando i carichi idraulicid) Sollevamento del filtro: avviene quando i carichi idrauliciproducono il distacco ciclico dovuto alla discontinuità delcontatto fra filtro in geotessile e strato di protezione esterna(rip-rap).

Si osserva immediatamente che gli stati limite a) e c) sonotipici anche dei filtri in materiale granulare, mentre gli statilimite b) e d) interessano principalmente i geotessili.

STATO LIMITE DI EROSIONESTATO LIMITE DI EROSIONE

STATO LIMITE DI BLINDINGSTATO LIMITE DI BLINDING

STATO LIMITE DI INTASAMENTOSTATO LIMITE DI INTASAMENTO

STATO LIMITE DI SOLLEVAMENTOSTATO LIMITE DI SOLLEVAMENTO


L’erosione e l’intasamento possono essereevitati verificando il filtro in geotessilecon i consueti metodi utilizzati per i filtricon i consueti metodi utilizzati per i filtrigranulari.Molti autori hanno proposto specificimetodi concepiti per i geotessili


L'accecamento del geotessile è un fenomenodirettamente correlato alla stabilità interna delmezzo granulare posto a contatto; valgonoquindi i criteri di auto stabilità già trattati; ilquindi i criteri di auto stabilità già trattati; ildiametro di filtrazione del geotessile andràpreso pari al diametro critico del materiale(Dc)


Se, da un lato, i geotessili semplificano la realizzazione deifiltri, in termini di tempi e costi, dall’altro bisogna sempregarantire una corretta progettazione e posa in opera; infattierrori in queste fasi possono rapidamente portare al collassodel sistema.

Un foro nel geotessile permette il rapido passaggio diparticelle, non più ritenute, mentre un filtro in materialegranulare non ha evidentemente questo problema e gli elevatispessori possono garantire un certo margine di sicurezza alleprestazioni dello strato.


Da non sottovalutare è il tema della durabilità delmateriale: è infatti noto che alcuni polimeri hannoproblemi a contatto con fluidi inquinati o a pH moltobasso o molto alto e degradano rapidamente se colpiti daraggi ultravioletti; in generale, questi problemi nonraggi ultravioletti; in generale, questi problemi nonsussistono, o sono meno gravosi nei materiali granulari.

La scelta del filtro in materiale naturale oppure ingeotessile va studiata di caso in caso, considerando gliaspetti economici, di posa in opera, di manutenzione eripristino, assicurando adeguati margini di sicurezza

GEOCOMPOSITI DRENANTI(1)GEOCOMPOSITI DRENANTI(1)

I geocompositi drenanti sono componenti artificialicomunemente realizzati tramite accoppiamento di uno o piùfiltri in geotessile con un’anima interna ad elevato indice deivuoti (spesso una georete o una geomembrana cuspidata. Inquesto caso il geocomposito è anche impermeabilizzante).

I geotessili usati come filtri hanno il compito di impedire alleparticelle di terreno di intasare l’anima, adibita a convogliaree smaltire l’acqua captata.

Questi componenti hanno spessori molto inferiori rispetto aquelli necessari agli strati drenanti granulari, pur garantendo,se ben progettati, efficienze paragonabili

GEOCOMPOSITI DRENANTI (2)GEOCOMPOSITI DRENANTI (2)

GEOCOMPOSITI DRENANTI (3)GEOCOMPOSITI DRENANTI (3)

GEOCOMPOSITI DRENANTI(4)GEOCOMPOSITI DRENANTI(4)

La capacità di flusso di un drenaggio geocompositopuò essere ridotta dalle stesse cause che intervengonoanche negli strati granulari: intasamento dovuto allamigrazione delle particelle fini, intasamento dovuto afattori chimici e biologici.fattori chimici e biologici.In più il geocomposito è molto sensibile ai carichisovrastanti, a breve termine (per cause meccaniche) ea medio-lungo temine (per fenomeni viscosi), chepossono ridurne lo spessore.In uno strato granulare lo spessore non èsensibilmente influenzato dal carico sovrastante

ANALISI DEL MOTO DIFILTRAZIONE

ALL’INTERNO DEGLI STRATI DRENANTI DELLE

DISCARICHE

ANALISI DEL MOTO DIFILTRAZIONE

ALL’INTERNO DEGLI STRATI DRENANTI DELLE

DISCARICHE

VALIDA PER I DRENAGGI DELL’ACQUA

METEORICA E DEL PERCOLATO

Tratta da J.P. Giroud, J.G. Zornberg e A. Zhao

(Hydraulic design of geosynthetic and granular liquid

collection layers, Geosynthetics International, vol.7,

2000)

SCHEMA DEL SISTEMA BARRIERA DI CONFINAMENTO ARTIFICIALE PREVISTO

DAL D.LGS. 36/2003

SCHEMA DEL SISTEMA BARRIERA DI CONFINAMENTO ARTIFICIALE PREVISTO

DAL D.LGS. 36/2003

2. Geomembrana

1. Strato drenante s ≥ 50 cm

Barriera geologica

3. Strato minerale compattato

s ≥ 100 cm k ≤ 1x10-9 m/s

SCHEMA DEL PACCHETTO DI COPERTURA PREVISTO DAL D.LGS. 36/2003

SCHEMA DEL PACCHETTO DI COPERTURA PREVISTO DAL D.LGS. 36/2003

2. Strato drenante deflusso

ipodermico s ≥ 50 cm

1. Strato vegetale s ≥ 100 cm

Rifiuti

5. Strato di regolarizzazione

4. Strato drenaggio biogas

s ≥ 50 cm

3. Strato minerale compattato

s ≥ 50 cm k ≤ 1x10-8 m/s

SEZIONE VASCHESEZIONE VASCHE

PARTICOLARE PACCHETTO DI FONDOPARTICOLARE PACCHETTO DI FONDO

SEZIONE DISCARICA A FINE COLTIVAZIONESEZIONE DISCARICA A FINE COLTIVAZIONE

PARTICOLARE DEL PACCHETTO DI COPERTURA

PARTICOLARE DEL PACCHETTO DI COPERTURA

VALUTAZIONE DELLA

PORTATA DEL DRENAGGIO

BILANCIO IDROLOGICOBILANCIO IDROLOGICO

BILANCIO IDROLOGICO DI UNA DISCARICA (1)BILANCIO IDROLOGICO DI UNA DISCARICA (1)

P = precipitazioni meteoricheR = ruscellamento superficiale dalla discaricaE,T = evaporazione e traspirazioneS = infiltrazioni di acque superficialiG = infiltrazioni di acque sotterraneeR* = ruscellamento dalle aree circostanti∆∆∆∆US = variazione del contenuto d’acqua del materiale di copertura∆∆∆∆UW = variazione del contenuto di acqua dei rifiuti depositatib = produzione o consumo di acqua associabile alle reazioni biochimiche di degradazione aerobica e anaerobica della S.O. dei rifiuti.Li = percolato che si infiltra nel terreno sottostanteLr = quantità di percolato raccoltaL = quantità di percolato globalmente prodottaPi = pioggia che si infiltra nello strato di coperturaPe = pioggia percolante negli strati di rifiuto


L = Pi + S + G + (∆∆∆∆US + ∆∆∆∆UW) + b

In cui:

Pi = P + R* - R - E – T

rappresenta la quantità di pioggia che penetra per infiltrazione attraverso lo strato

del materiale di copertura, edel materiale di copertura, e

Pe = Pi + f(S + G) - ∆∆∆∆US

è l’acqua percolante negli strati di rifiuto, e quindi interessata ai fenomeni di

trasporto solido-liquido in seguito ai quali essa viene contaminata dalle sostanze

organiche e inorganiche rilasciate dai rifiuti. f(S + G) rappresenta la frazione di

acqua di infiltrazione che by-passa la massa dei rifiuti non entrando in contatto

con essi, costituendo quindi un’acqua di diluizione che influirà sulle

caratteristiche qualitative del percolato.

Infine:

Lr = L - Li


In fase di gestione post-operativa:

P eff. = P – ETR = I + R

P = volume di acqua di pioggia affluita al bacinoP = volume di acqua di pioggia affluita al bacino

ETR = volume di acqua sottratta al bacino per

evapotraspirazione “effettiva”

R = volume di deflusso superficiale (ruscellamento o

runoff)

I = volume di acqua che si infiltra nel sottosuolo

EVAPOTRASPIRAZIONE POTENZIALE ETPEVAPOTRASPIRAZIONE POTENZIALE ETP

Formula di Thornthwaite

Evapotraspirazione potenziale (ETP) mensile EEvapotraspirazione potenziale (ETP) mensile Epj

tj = temperatura media del mese j-esimo espressa in °C;

bj = coefficiente correttivo, che tiene conto della lunghezza media del giorno nei

vari mesi dell'anno e che quindi dipende dal mese che si considera e dalla

latitudine alla quale si trova il sito cui si riferisce il calcolo;

I =

somma degli indici termici mensili, ciascuno

espresso dalla

ETP E ETR PIANURA VENETAETP E ETR PIANURA VENETA

gennaio febbraio marzo aprile maggio giugno luglio agosto settembre ottobre novembre dicembre totali/medie %

P (mm) 39,56 34,68 42,65 71,64 76,62 71,67 42,61 66,88 73,56 74,38 74,11 63,33 731,68 100,00%

t media (°C) 4,11 6,54 10,95 14,36 19,69 23,10 24,36 24,56 18,94 14,00 8,59 4,36 14,46

b a 45° lat. 0,76 0,80 1,02 1,14 1,31 1,33 1,34 1,23 1,05 0,93 0,77 0,72 1,03

i 0,74 1,50 3,28 4,94 7,97 10,15 10,99 11,13 7,51 4,75 2,27 0,81 66,03

ETP (mm) 5,80 12,61 35,86 61,09 114,80 149,45 163,50 152,00 86,59 47,91 18,56 6,03 854,19 ETP (mm) 5,80 12,61 35,86 61,09 114,80 149,45 163,50 152,00 86,59 47,91 18,56 6,03 854,19

ETR (mm) 5,80 12,61 35,86 61,09 76,62 71,67 42,61 66,88 73,56 47,91 18,56 6,03 519,19 70,96%

Delta (mm) 33,75 22,07 6,79 10,55 - - - - - 26,48 55,56 57,30 212,49 29,04%

RISCONTRI DI S. MELCHIORRISCONTRI DI S. MELCHIOR

A/D 20% A/D 4% A/D/G 20% A/D/G 4%Runoff 0,37% 0,25% 0,37% 0,25%

ET + dW 57,96% 62,83% 62,21% 65,94%

Deflusso ipodermico 34,21% 27,56% 37,27% 33,65%

Infiltrazione barriera 7,47% 9,36% 0,15% 0,15%

100,00% 100,00% 100,00% 100,00%100,00% 100,00% 100,00% 100,00%

Melchior

P (mm) 731,68 100,00% 100,00% 731,68

ETR (mm) 519,19 70,96% 65,94% 482,47

P eff. = P - ETR = I+R = 212,49 29,04% 34,06% 249,20

RUSCELLAMENTO E INFILTRAZIONERUSCELLAMENTO E INFILTRAZIONE

R = C x Peff.

C = coefficiente di ruscellamento, funzione del tipo e della pendenza della copertura

C (Berardi: % di P eff.) Pendenza

Tipo di copertura <2% 2-10% >10%

Inerbito 25,00% 30,00% 30,00%Inerbito 25,00% 30,00% 30,00%

Terra liscia 60,00% 65,00% 70,00%

Runoff secondo Berardi con pendenza 4% (mm) 74,76 10,22%

Runoff secondo Melchior con pendenza 4% (mm) 1,69 0,34%

Infiltrazione I (mm) 174,44 23,84%

PORTATA DI PROGETTO DEL DRENAGGIOPORTATA DI PROGETTO DEL DRENAGGIO

Curve segnalatrici di possibilità pluviometrica: h = a τ n (stazione di Cerea Vangadizza)

Tr (anni) 50

a 57,27

n 0,262

Per τ (ore), 12Per τ (ore), 12

h (mm/h) 9,151482

% Infiltrazione 23,84%

Infiltrata (mm/h) 2,18

Infiltrata (m3/h/m

2) 2,18E-03

Infiltrata (m3/s/m

2) 6,06E-07

� FLUSSO NON CONFINATO (non in pressione), onde evitare

l’infiltrazione del liquido nella barriera impermeabile

sottostante, nonché la potenziale instabilità, causata dalla

sovrappressione, nello strato superiore

� MOTO LAMINARE , rappresenta la condizione di

applicabilità della nota legge di Darcy: v=k.i (in realtà questa

CARATTERISTICHE DEL MOTO DI FILTRAZIONE NEGLI STRATI DRENANTI

CARATTERISTICHE DEL MOTO DI FILTRAZIONE NEGLI STRATI DRENANTI

applicabilità della nota legge di Darcy: v=k.i (in realtà questa

approssimazione potrebbe non essere valida nei GCD, in cui

il moto potrebbe risultare di transizione o addirittura

turbolento)

� MOTO PERMANENTE, GRADUALMENTE VARIO, ovvero

la portata all’interno dello strato aumenta uniformemente

lungo il percorso

� PORTATA SPECIFICA ENTRANTE COSTANTE, qh,

corrispondente all’acqua meteorica infiltrata attraverso lo

strato vegetale sovrastante

SCHEMA DI CALCOLO SCHEMA DI CALCOLO

ANDAMENTO DELLA SUPERFICIE LIQUIDA ANDAMENTO DELLA SUPERFICIE LIQUIDA

Dipende da:� portata specifica entrante qh [m

3/s/m2]� permeabilità del materiale costituente k [m/s]� pendenza dello strato tanb

E’ caratterizzato dal parametro adimensionale:

βκλ

2tan⋅= hq

CONDIZIONE LIMITE DI FLUSSO PER λλλλ ≈≈≈≈ 0CONDIZIONE LIMITE DI FLUSSO PER λλλλ ≈≈≈≈ 0

� lo spessore liquido risulta molto sottile

� la superficie liquida si dispone quasi parallelamente alla

base dello strato, quindi è possibile considerare il

gradiente idraulico costante e, per pendenze modeste,

pari alla pendenza dello strato

� lo spessore liquido massimo viene raggiunto quasi in

corrispondenza del piede del drenaggio

� CRITERIO DI VERIFICA se lo strato drenante da utilizzare è predeterminato

• calcolo del massimo spessore liquido (tenendo conto dei fattori di riduzione delle caratteristiche idrauliche dei drenaggi) in funzione della lunghezza dello strato e del parametro caratteristico λλλλ

VERIFICA DI UNO STRATO DRENANTEVERIFICA DI UNO STRATO DRENANTE

lunghezza dello strato e del parametro caratteristico λλλλ

• Spessore liquido ammissibile

tallow=min[(tgran,tGCD),(tprescribed)] tgran=tstrato, mentre

tGCD= tcomponente trasmissivo

tprescribed= eventuale spessore liquido prescritto

dalla normativa (valore non fornito dal D.Lgs

36/2003)

• si verifica che tmax<tallow

�kprogetto = permeabilità idraulica di progetto del drenaggiokmeasured = permeabilità idraulica di un campione di materiale rappresentativo del drenaggio, misurata attraverso un test di permeabilità idraulica (a breve termine)kLTIS = permeabilità idraulica a lungo termine del drenaggio

= prodotto di tutti i fattori riduttivi corrispondenti ai vari

RIDUZIONE NEL TEMPO DELLA CAPACITA’ DI FLUSSO DI UNO STRATO DRENANTE

RIDUZIONE NEL TEMPO DELLA CAPACITA’ DI FLUSSO DI UNO STRATO DRENANTE

)(RF∏

LTISmeasuredprogetto kRFFSkFSk ⋅∏⋅=⋅= )(

= prodotto di tutti i fattori riduttivi corrispondenti ai vari meccanismi di riduzione della capacità di flusso nel tempoFS = fattore di sicurezza globale (almeno 2÷3)

� Fattori riduttivi per un drenaggio granulare

• RFPC = fattore di riduzione per intasamento dovuto alla migrazione delle particelle fini

• RFCC = fattore di riduzione dovuto all’intasamento “chimico”• RFBC = fattore di riduzione dovuto all’intasamento “biologico”

� Fattori riduttivi per un drenaggio geocomposito

• Ai succitati fattori riduttivi, si aggiunge:RFCR = fattore di riduzione per il creep indotto sul

componente trasmissivo dai carichi sovrastanti

)(RF∏

� Se si verifica la condizione limite di flusso λλλλ ≈≈≈≈ 0:

si approssima tmax≈tlimequazione per il caso limite (Giroud, Zorneberg,

Zhao)

� altrimenti:

CALCOLO DEL MASSIMO SPESSORE LIQUIDO tmaxCALCOLO DEL MASSIMO SPESSORE LIQUIDO tmax

β

βλ

β cos

tan

sinlim

⋅⋅=

⋅

⋅=

L

k

Lqt h

� altrimenti:

equazione modificata di Giroud

j è un fattore correttivo [0,88÷1,00] dell’equazione di

Giroud che permette di ottenere un

valore accurato di tmax:

Ljt ⋅−+

⋅=ββ

λ

tan/cos2

141max

−−=

2

8

5

5

8logexp12.01

λj

� CRITERIO DI VERIFICA se lo strato drenante da utilizzare è predeterminato

• calcolo del massimo spessore liquido (tenendo conto dei fattori di riduzione delle caratteristiche idrauliche dei drenaggi) in funzione della lunghezza dello strato e del parametro caratteristico λλλλ

VERIFICA DI UNO STRATO DRENANTEVERIFICA DI UNO STRATO DRENANTE

lunghezza dello strato e del parametro caratteristico λλλλ

• Spessore liquido ammissibile

tallow=min[(tgran,tGCD),(tprescribed)] tgran=tstrato, mentre

tGCD= tcomponente trasmissivo

tprescribed= eventuale spessore liquido prescritto

dalla normativa (valore non fornito dal D.Lgs

36/2003)

• si verifica che tmax<tallow

CRITERIO DI EQUIVALENZA PRESTAZIONALE TRA DUE

STRATI DRENANTI

CRITERIO DI EQUIVALENZA PRESTAZIONALE TRA DUE

STRATI DRENANTI

Tratto da J.P. Giroud, A. Zhao e R. Bonaparte

(The myth of hydraulic transmissivity

equivalency between geosiynthetic and

granular liquid collection layers,

Geosynthetics International, vol.7, 2000)

Due strati drenanti sono equivalenti se hanno la stessa capacità di flusso (uguaglianza delle

massime portate smaltibili).

Tale criterio ribalta l’idea, diffusa tra i progettisti, che

CRITERIO DI EQUIVALENZATRA DUE STRATI DRENANTI CRITERIO DI EQUIVALENZATRA DUE STRATI DRENANTI


l’equivalenza idraulica tra due strati drenanti sia

conseguibile con l’equivalenza della trasmissività idraulica, definita come il prodotto della permeabilità

idraulica e dello spessore del componente trasmissivo

dello strato.

EQUIVALENZA TRA UN GCD E UNO STRATO GRANULARE DI RIFERIMENTO

EQUIVALENZA TRA UN GCD E UNO STRATO GRANULARE DI RIFERIMENTO

granGCD E θθ ⋅=

dove E ≥ 1 è il fattore di equivalenza:

⋅+⋅≈

β

β

tan

cos

88,01

88,0

1

L

tE

gran

Due strati drenanti sono equivalenti se hanno la stessa capacità di flusso (uguaglianza delle

massime portate smaltibili).


CRITERIO DI EQUIVALENZATRA DUE STRATI DRENANTI CRITERIO DI EQUIVALENZATRA DUE STRATI DRENANTI


l’equivalenza idraulica tra due strati drenanti sia

conseguibile con l’equivalenza della trasmissività idraulica, definita come il prodotto della permeabilità

idraulica e dello spessore del componente trasmissivo

dello strato.

CONFRONTO TRA UN DRENAGGIO GRANULARE E UN GCD EQUIVALENTE (1)


FATTORI TECNICIDRENAGGIO GRANULARE

DRENAGGIO GEOCOMPOSITO

CONTROLLO DEGLI INTASAMENTI

BUONO

s ≥ 50 cm offre inoltre

maggiori garanzie di

DIFFICOLTOSO

Modesti spessori dei

GCDmaggiori garanzie di

flusso non confinato

self-healing

2 GT di confinamento

GCD

sMAX ≅ 30 mm

INFLUENZA DEI CARICHI NORMALI

TRASCURABILE

ottima resistenza ai

carichi normali

NON TRASCURABILE

sensibilità ai carichi

normali

proprietà idrauliche

inversamente

proporzionali ai carichi

normali



FATTORI TECNICIDRENAGGIO GRANULARE


CONTROLLABILITA’ DELLE CARATTERISTICHE DEL DRENAGGIO

MINIMA

difficoltà realizzative di

un drenaggio granulare

con caratteristiche ben

OTTIMA

proprietà fisiche,

meccaniche e

idrauliche certificate con caratteristiche ben

precise (self-healing)

idrauliche certificate

attraverso prove di

laboratorio normate

MESSA IN OPERA DIFFICOLTOSA PER PENDENZE ELEVATE

in corrispondenza delle

quali si potrebbero

verificare problemi di

instabilità della

copertura

SEMPLICE

stesa dei rotoli di GCD

a mezzo di macchine

operatrici



DRENAGGIO GRANULARE


IMPATTO AMBIENTALE

NON TRASCURABILE

in relazione al

reperimento e al

trasporto del materiale

TRASCURABILE

trasporto del materiale

COSTI I costi di approvvigionamento e trasporto degli

inerti sono strettamente correlati alla disponibilità

di cave a breve distanza dall’opera da realizzare.

Si può assumere che un drenaggio geocomposito

abbia costi sostanzialmente simili, se non inferiori

in applicazioni particolari, a un drenaggio

granulare, stante anche la necessità di

provvedere alla posa in opera dei geotessuti di

protezione preposti al confinamento dello strato

granulare.

UNA DIGA … FILTRANTEANTISISMICA

UNA DIGA … FILTRANTEANTISISMICA

ANALISI DINAMICA (MODELLO DICALCOLO A ELEMENTI FINITI)

ANALISI DINAMICA (MODELLO DICALCOLO A ELEMENTI FINITI)

Manto bituminoso

Diaframma plastico

ACCELEROGRAMMA DI PROGETTO AL BEDROCK (COMP. ORIZZONTALE)

ACCELEROGRAMMA DI PROGETTO AL BEDROCK (COMP. ORIZZONTALE)

SPETTRO DI RISPOSTA AL BEDROCK (COMP. ORIZZONTALE)


SPETTRO DI RISPOSTA IN VARI PUNTI (COMP. ORIZZONTALE)

SPETTRO DI RISPOSTA IN VARI PUNTI (COMP. ORIZZONTALE)

FILTRI E DRENAGGI - marcofavaretti.net · Il diametro di filtrazione di un filtro granulare è...

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