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Idrogeologia

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Idrogeologia
Idrogeologia
Oltre alle proprietà indici del terreno che servono a classificarlo e che costituiscono le basi per
utilizzare con facilità l’esperienza raccolta nei vari problemi geotecnici, è necessario studiare le
proprietà idrauliche e meccaniche. Sono infatti queste che regolano principalmente il
comportamento del terreno variamente sollecitato.
L’acqua contribuisce con varie modalità a influenzare il comportamento del terreno e quindi
interessa le proprietà che regolano il suo movimento.
1 Fondamenti di idraulica
Portata Q (m3/s): Volume d’acqua che attraversa la sezione nell’unità di tempo. Definita anche dal
prodotto della superficie della sezione per la velocità media dell’acqua che la attraversa.
Q = A [m2] · v [m/s]
Velocità media v (m/s): nel moto permanente è inversamente proporzionale alla superficie della
sezione.
V = Q [m3/s] / A [m2]
Teorema di Torricelli: velocità di efflusso di un liquido da un’apertura, dove h è il livello del
liquido al di sopra dell’apertura, assunta come costante
V = √ 2gh (m/s)
Principio della continuità: nel moto (la velocità varia nello spazio ma non nel tempo) permanente
la portata è costante in ogni sezione, di conseguenza per sezioni più piccole avremo velocità più alte
e viceversa.
A1· v1 = A2· v2
Altezza geometrica Z o Hg (m): altezza del baricentro della sezione della corrente liquida rispetto
ad un piano orizzontale di riferimento, rappresenta l’energia potenziale che possiede una particella
d’acqua che si trova ad un’altezza Z sul piano orizzontale di riferimento. È detta anche “carico o
energia potenziale”.
Hg = Z [m]
Piezometro: è un dispositivo che consente di individuare la quota piezometrica di una massa
liquida (Figura 1). Lo strumento consiste in un tubo verticale di piccolo diametro collegato alla
condotta nella quale si vuole effettuare la misura della quota piezometrica (che equivale alla
determinazione della pressione alla quale è sottoposto il liquido nella condotta medesima).
Figura 1: piezometro
Altezza piezometrica Hp (m): rappresenta l’energia che possiede l’acqua sottoposta ad una certa
pressione. È detta anche “carico piezometrico”. Dimensionalmente è espressa da una lunghezza e
viene rappresentata come un’altezza. Ponendo un piezometro in un punto l’altezza piezometrica è la
distanza tra quel punto e la quota di risalita dell’acqua nel piezometro (naturalmente se c’è
pressione, altrimenti non sale).
Hp = p [kg/m2] /γw [kg/m3]
Altezza cinetica Hc (m): esprime l’energia cinetica che l’acqua possiede quando ha una velocità, è
detta anche “carico cinetico” e ha le dimensioni di una lunghezza, quindi viene rappresentata come
altezza.
Hc = v2 [m2/s2] / 2g [m/s2]
Carico idraulico H (m): è l’energia che possiede l’unità di peso di acqua a causa della somma delle
tre forze dovute all’altezza, alla pressione e alla velocità, detto anche “altezza totale”.
H = Z + p/γ + v2/2g
Teorema di Bernoulli: in un liquido perfetto (corrente continua, moto permanente) la somma
dell’energia di pressione, di quella cinetica e potenziale in ogni punto della corrente è uguale alla
somma delle energie in ogni altro punto lungo la stessa corrente (Figura 2).
Figura 2: Teorema di Bernoulli
2 L’acqua nel terreno: generalità
I terreni sono costituiti da una parte solida e da uno o più fluidi (acqua e/o aria). L’acqua contenuta
nei vuoti del terreno può trovarsi in stato di quiete (condizioni idrostatiche) oppure può muoversi
attraverso i vuoti tra loro comunicanti (moto di filtrazione). In genere i terreni naturali sono saturi
d’acqua (in quiete o in moto) a profondità maggiori di pochi metri al piano campagna. Il
comportamento dell’acqua nel terreno (considerata un mezzo incomprimibile) è regolato dalle leggi
dell’idraulica.
In Figura 3a è rappresentata la distribuzione della pressione con la profondità in una massa liquida
in condizioni idrostatiche ed in Figura 3b la distribuzione della pressione dell’acqua con la
profondità in un terreno saturo in condizioni di acqua in quiete.
Figura 3: Distribuzione con la profondità della pressione dell’acqua in una massa liquida in condizioni
idrostatiche (a) ed in un terreno saturo con acqua in quiete (b).
In una massa liquida la pressione dell’acqua (p) cresce linearmente con la profondità ed è uguale in
ogni punto al prodotto del peso specifico dell’acqua (γw) per la profondità zw del punto considerato
dalla superficie libera orizzontale, sulla quale insiste la pressione atmosferica (pa), assunta
convenzionalmente uguale a zero.
La distribuzione della pressione dell’acqua contenuta nei vuoti di un terreno saturo è la stessa di
quella esistente in una massa liquida, essendo i vuoti comunicanti tra loro. La pressione dell’acqua
nei vuoti di un terreno si indica con la lettera u.
La somma dell’altezza geometrica di un punto (rispetto a qualsiasi terna di riferimento) di un punto
della massa liquida in quiete (Z) e dell’altezza di pressione (Hp)si definisce altezza o quota
piezometrica (h) del punto considerato.
In condizioni idrostatiche la quota piezometrica di tutti i punti della massa liquida coincide con la
quota della superficie di separazione acqua-atmosfera (superficie libera).
La pressione dell’acqua contenuta in un recipiente può essere misurata per mezzo di un piezometro
collegato con il recipiente stesso (Figura 4a). il livello della superficie libera dell’acqua nella
tubazione definisce la quota piezometrica idrostatica, indipendentemente dalla forma della
tubazione; il dislivello zw tra un punto qualsiasi all’interno del recipiente e la detta superficie
rappresenta l’altezza di pressione che moltiplicata per γw misura la pressione dell’acqua nel punto.
Analogamente in u terreno saturo la pressione dell’acqua può essere misurata per mezzo di un
piezometro (Figura 4b).
Figura 4: Schemi di piezometri
3 Permeabilità
Un materiale è permeabile se contiene vuoti continui e ogni terra e roccia soddisfa questa
condizione. Si ha così che l’acqua passa sia attraverso l’argilla che attraverso la ghiaia, ma tale
fenomeno avviene nei due materiali con intensità completamente diverse.
In un mezzo poroso saturo con acqua in quiete (condizioni idrostatiche), l’altezza piezometrica è in
ogni punto la stessa; ne deriva che in due punti posti a quote diverse (ad esempio A e B di Figura 5),
la pressione dell’acqua è diversa.
Figura 5: condizioni idrostatiche (acqua in quiete)
Affinché tra i due punti A e B si abbia moto dell’acqua (condizioni idrodinamiche), tra di loro deve
esserci una differenza di carico idraulico, deve cioè essere hA ≠ hB. La differenza di altezza
piezometrica può essere dovuta sia alla differenza di quota tra i due punti aventi uguale pressione
(come in Figura 6b), sia ad una differenza di altezza di pressione (Figura 6c). La differenza di
altezza di pressione può comprendere anche una differenza di quota, per cui nel caso di Figura 6c
l’acqua di muove dal punto a quota minore a quello a quota maggiore.
Figura 6: condizioni idrodinamiche (acqua in moto), dovute a differenza di quota (6b) o a differenza di altezza di
pressione (6c)
Si definisce pendenza piezometrica (o gradiente idraulico) il limite:
i = lim ∆h/∆l
∆l→0
Dove ∆h è la differenza di quota piezometrica (perdita di carico) tra due punti posti a distanza ∆l.
Il movimento dell’acqua nel terreno, considerato un mezzo poroso omogeneo ed isotropo, può
essere studiato nell’ipotesi di moto permanente (in ogni punto la velocità dell’acqua è costante nel
tempo). Alla velocità dell’acqua nel mezzo poroso viene attribuito un valore medio fittizio (v), pari
al rapporto tra la portata dell’acqua attraverso una sezione (q) e la superficie complessiva della
sezione stessa.
Con riferimento alla figura 7 per una corrente in pressione la velocità v segue la legge di Darcy:
v = k·i
nella quale v è la velocità di scarico, k il coefficiente di permeabilità o coefficiente di conducibilità
idraulica (m/s) ed i= ∆h/∆l, cioè il gradiente idraulico o pendenza della linea piezometrica.
Figura 7: Schema di filtrazione in regime permanente
Sul coefficiente di permeabilità influiscono vari fattori: k varia con le dimensioni dei granuli ed è
molto sensibile alla quantità, al tipo ed alla distribuzione delle frazioni fini; varia per uno stesso
materiale (a granulometria costante) in funzione della densità (al diminuire della densità aumenta k).
Nella tabella 1 si riportano i coefficienti di permeabilità per diversi terreni.
Tabella 1: grado di permeabilità di diversi terreni
TERRENO
ghiaia pulita
sabbia pulita e miscele di sabbia e ghiaia
sabbia fina, limi, terreni a granulometria mista da sabbia
argilla
argilla
k (m/s)
1÷10-2
10-2÷10-5
10-5÷10-8
grado di permeabilità
alto
medio
basso o molto basso
10-8÷10-11
praticamente impermeabile
I depositi naturali di terreno sono sempre più o meno stratificati e disuniformi nella struttura; ad
esempio, le terre che si sono depositate in presenza d’acqua sono spesso formate da una serie di
strati orizzontali che variano per granulometria e permeabilità, cosicché generalmente questi
depositi sono più permeabili in orizzontale che in verticale. Depositi eolici di sabbie e limi, invece
sono spesso più permeabili in senso verticale che orizzontale a causa di vuoti verticali tubolari
lasciati da piante ed erbe. In depositi ghiaioso-sabbiosi si possono avere straterelli di ghiaia pulita
che modificano radicalmente la permeabilità rappresentativa del deposito.
4 Falde idriche
Si definisce falda idrica una parte di sottosuolo n cui il terreno è saturo e la pressione dell’acqua nei
pori è maggiore della pressione atmosferica, cioè u > pa = 0. In relazione alla loro permeabilità i
diversi tipi di terreno possono consentire più o meno agevolmente il flusso dell’acqua, perciò la
presenza di strati a differente permeabilità può determinare nel sottosuolo la presenza di diversi tipi
di falda. In particolare si possono individuare:
− Falda freatica: falda delimitata inferiormente da uno strato che non permette il flusso
dell’acqua e superiormente da una superficie (superficie libera) in corrispondenza della
quale l’acqua si trova a contatto con l’ambiente atmosferico attraverso i vuoti del terreno
(sulla superficie u = pa = 0), come se si trovasse in un serbatoio aperto.
− Falda sospesa: analoga alla falda freatica, ma delimitata inferiormente da uno strato di
estensione molto limitata.
− Falda artesiana: falda racchiusa tra due strati praticamente impermeabili (sulla superficie u >
pa).
Immaginando di inserire un tubo verticale aperto alle estremità (piezometro) all’interno di una falda
freatica, si osserva che il livello raggiunto dall’acqua nel tubo (ossia il livello piezometrico) è
uguale a quello della superficie freatica. In una falda artesiana invece il livello piezometrico
risulterà maggiore di quello della superficie che delimita superiormente la falda (Figura 8).
Figura 8: esempi di falde
In generale l’acqua presente nel terreno può trovarsi in condizioni di quiete o di moto, sia allo stato
naturale sia in seguito a perturbazioni del suo stato di equilibrio.
In caso si trovi in condizioni di moto il flusso può essere di tipo:
1. stazionario (o permanente): la quantità di acqua che entra in un elemento di terreno è pari
alla quantità che esce dallo stesso
2. non stazionario (o vario): la quantità di acqua che entra in un elemento di terreno è diversa
da quella uscente
4.1 Stima della permeabilità in sito
È possibile determinare la permeabilità in sito per mezzo di una prova di infiltrazione in foro di
sondaggio. La procedura è la seguente
1. scavare un foro fino alla profondità di prova
2. inserire un tubo (D = 15 cm, H = 50 cm) e sigillare lateralmente con argilla
3. riempire completamente il tubo d’acqua
4. misurare il tempo relativo a un abbassamento di n cm (perdita di carico)
5. calcolare la portata media Q = area del tubo · abbassamento/tempo
6. calcolare la permeabilità K = Q/(F·H) [m/s]; dove Q è la portata media, F = 2,75·D
(coefficiente di immissione), H = lunghezza del tubo (m)
7. se la perdita di carico avviene troppo rapidamente è necessario aggiungere acqua per
mantenere il livello stabile
8. ripetere per tre volte la prova e calcolare il valore medio
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