Indagine modellistica sulla tenuta idraulica delle difese arginali deputate alla protezione idraulica del territorio

Abstract

La prima parte di questo lavoro di tesi tratta dell’interazione tra un bacino di laminazione e il sottostante acquifero: è in fase di progetto, infatti, la costruzione di una cassa di espansione sul torrente Baganza, a monte della città di Parma. L’obiettivo di tale intervento è di ridurre il rischio di esondazione immagazzinando temporaneamente, in un serbatoio artificiale, la parte più pericolosa del volume di piena che verrebbe rilasciata successivamente con portate che possono essere agevolmente contenute nel tratto cittadino del torrente. L’acquifero è stato preliminarmente indagato e monitorato permettendone la caratterizzazione litostratigrafica. La stratigrafia si può riassumere in una sequenza di strati ghiaioso-sabbiosi con successione di lenti d’argilla più o meno spesse e continue, distinguendo due acquiferi differenti (uno freatico ed uno confinato). Nel presente studio si fa riferimento al solo acquifero superficiale che è stato modellato numericamente, alle differenze finite, per mezzo del software MODFLOW_2005. L'obiettivo del presente lavoro è di rappresentare il sistema acquifero nelle condizioni attuali (in assenza di alcuna opera) e di progetto. La calibrazione è stata condotta in condizioni stazionarie utilizzando i livelli piezometrici raccolti nei punti d’osservazione durante la primavera del 2013. I valori di conducibilità idraulica sono stati stimati per mezzo di un approccio geostatistico Bayesiano. Il codice utilizzato per la stima è il bgaPEST, un software gratuito per la soluzione di problemi inversi fortemente parametrizzati, sviluppato sulla base dei protocolli del software PEST. La metodologia inversa stima il campo di conducibilità idraulica combinando osservazioni sullo stato del sistema (livelli piezometrici nel caso in esame) e informazioni a-priori sulla struttura dei parametri incogniti. La procedura inversa richiede il calcolo della sensitività di ciascuna osservazione a ciascuno dei parametri stimati; questa è stata valutata in maniera efficiente facendo ricorso ad una formulazione agli stati aggiunti del codice in avanti MODFLOW_2005_Adjoint. I risultati della metodologia sono coerenti con la natura alluvionale dell'acquifero indagato e con le informazioni raccolte nei punti di osservazione. Il modello calibrato può quindi essere utilizzato come supporto alla progettazione e gestione dell’opera di laminazione. La seconda parte di questa tesi tratta l'analisi delle sollecitazioni indotte dai percorsi di flusso preferenziali causati da fenomeni di piping all’interno dei rilevati arginali. Tali percorsi preferenziali possono essere dovuti alla presenza di gallerie scavate da animali selvatici. Questo studio è stato ispirato dal crollo del rilevato arginale del Fiume Secchia (Modena), che si è verificato in gennaio 2014 a seguito di un evento alluvionale, durante il quale il livello dell'acqua non ha mai raggiunto la sommità arginale. La commissione scientifica, la cui relazione finale fornisce i dati utilizzati per questo studio, ha attribuito, con molta probabilità, il crollo del rilevato alla presenza di tane di animali. Con lo scopo di analizzare il comportamento del rilevato in condizioni integre e in condizioni modificate dall'esistenza di un tunnel che attraversa il manufatto arginale, è stato realizzato un modello numerico 3D dell’argine mediante i noti software Femwater e Feflow. I modelli descrivono le infiltrazioni all'interno del rilevato considerando il terreno in entrambe le porzioni sature ed insature, adottando la tecnica agli elementi finiti. La tana è stata rappresentata da elementi con elevata permeabilità e porosità, i cui valori sono stati modificati al fine di valutare le diverse influenze sui flussi e sui contenuti idrici. Per valutare se le situazioni analizzate presentino o meno il verificarsi del fenomeno di erosione, sono stati calcolati i valori del fattore di sicurezza. Questo è stato valutato in differenti modi, tra cui quello recentemente proposto da Richards e Reddy (2014), che si riferisce al criterio di energia cinetica critica. In ultima analisi è stato utilizzato il modello di Bonelli (2007) per calcolare il tempo di erosione ed il tempo rimanente al collasso del rilevato.

_________________________________________________________The first part of this thesis deals with the interaction between a flood control reservoir with the groundwater system. A flood control structure has been planned to dampen the floods of the Baganza River, upstream the city of Parma (Northern Italy). The reservoir will stow the most dangerous portion of the flood volume that later on will be released at a controlled rate. The aquifer system beneath the structure has been investigated and monitored. A large numbers of boreholes have identified a sequence of gravel-sand and clayey layers that give rise to two distinct aquifers (one phreatic and one confined). With the aim of simulating the aquifer system at the current conditions (no reservoir) and of forecasting the groundwater levels at the design conditions (presence of reservoir and in case of river flood event) a numerical model has been developed by means of the MODFLOW_2005 code. The numerical model has been calibrated in steady-state conditions by means of the observations of water levels (collected during a campaign in spring 2013). The hydraulic conductivity values (parameters) have been defined and estimated by means of a deterministic procedure (PEST software) and a Bayesian Geostatistical Approach. In this last method the hydraulic conductivity field is estimated using both field observations (head data) and prior information on the structure of the unknown parameters. The inverse procedure requires the calculation of the sensitivities of each observation to each of the estimated parameters; that have been efficiently evaluated making use of an adjoint state formulation of the forward model (code MODFLOW_2005-Adjoint). The results of the inversion are consistent with the alluvial nature of the investigated aquifer and the information content of the data. The calibrated model has then been used as a support tool for the design and the management of the new flood control structure. The second part of this work deals with the analysis of the stresses induced by preferential flow paths in the river embankments caused by piping phenomena. In the studied case the preferential pathways are caused by the tunnels dug by wild animals. This study was inspired by the collapse of the Secchia River embankment (Modena, Northern Italy), that occurred on January 2014 following a flood event, during which the river water level never reached the top of the levee. A scientific commission, whose final report provides the data used for this study, has ascribed, with high probability, the collapse of the embankment to the presence of animal burrows. With the aim of comparing the behavior of the embankment in undamaged condition and in presence of a tunnel that crosses the entire dyke, a 3D numerical model of the Secchia River levee has been realized by means of the wide known softwares Femwater and Feflow. The models describe the seepage inside the embankment considering the terrain in both saturated and unsaturated portions, adopting the finite element technique. The burrow was represented by elements with high permeability and porosity, whose values have been changed in order to explore the different influence on the water filtration and the safety of the levee. To assess whether the analyzed situations present or not the occurrence of erosion, the computation of the safety factors was carried out. They have been evaluated in different ways including the one recently proposed by Richards and Reddy (2014), which refers to the critic kinetic energy criteria. In addition the Bonelli approach (2007), developed to compute the time erosion and the time to collapse of the embankment, was applied.