Tombini Scatolari Sotto Attacco: Come Ho Studiato l’Erosione e Trovato Soluzioni con i Deflettori!

Ciao a tutti! Oggi voglio raccontarvi di un’avventura scientifica che mi ha appassionato parecchio. Parliamo di tombini scatolari, quelle strutture in cemento che vediamo spesso sotto strade e ferrovie, fondamentali per far defluire l’acqua. Sembrano semplici, vero? Eppure, nascondono un nemico insidioso: lo scalzamento, o scour in inglese. Si tratta di quell’erosione che l’acqua provoca all’uscita del tombino, scavando il terreno e mettendo a rischio la stabilità della struttura stessa. Pensateci: un cedimento potrebbe significare danni enormi, interruzioni e costi di riparazione salatissimi!

Il Problema: L’Acqua che Scava

I tombini sono ovunque. Pensate che in alcune zone, come nel Nuovo Galles del Sud in Australia, rappresentano una fetta enorme delle infrastrutture idrauliche, superando persino i ponti in numero! Sono una soluzione economica rispetto ai ponti, ma questa vulnerabilità allo scalzamento è un bel grattacapo. L’erosione avviene sia a monte che a valle, ma è soprattutto a valle, all’uscita, che le cose si fanno serie. L’acqua che esce dal tombino, spesso con una certa energia, inizia a “mangiare” il letto del corso d’acqua o il terreno circostante. Piano piano, scava una buca che può diventare sempre più profonda, fino a compromettere le fondamenta del tombino stesso.

A complicare le cose ci si mettono spesso detriti galleggianti, rami, foglie, e a volte persino rifiuti, che possono ostruire parzialmente o totalmente l’ingresso del tombino. Questa ostruzione (blockage) non fa che peggiorare la situazione, alterando il flusso dell’acqua e spesso intensificando l’erosione a valle. Immaginate l’acqua che deve farsi strada attraverso un passaggio ristretto: accelera, diventa più turbolenta e il suo potere erosivo aumenta.

Diversi studi hanno già analizzato come vari fattori influenzino questo fenomeno: la forma del tombino (rettangolare, circolare, ecc.), la portata dell’acqua, le caratteristiche del terreno, e appunto, le ostruzioni. Ma mi sono reso conto che si parlava poco di come *mitigare* attivamente questo scalzamento, soprattutto considerando diverse configurazioni e condizioni di flusso, sia costante che variabile (come durante un’onda di piena simulata da un idrogramma).

La Mia Missione: Domare la Corrente con i Deflettori

Ecco dove entra in gioco la mia ricerca. Mi sono chiesto: e se mettessimo degli ostacoli controllati, dei deflettori (baffles), proprio all’uscita del tombino? Potrebbero dissipare l’energia dell’acqua e ridurre la sua capacità di scavare?

Per scoprirlo, abbiamo messo le mani in pasta nel Laboratorio di Idraulica dell’Università di Sulaimani, in Iraq. Abbiamo costruito un modello fisico: un canale trasparente lungo 8 metri (un flume), con un letto di sabbia dalle caratteristiche ben precise (granulometria media d50 di 1.77 mm, sabbia uniforme) e un sistema per far ricircolare l’acqua. Al centro, abbiamo posizionato il nostro protagonista: un modello di tombino scatolare (sezione 0.2m x 0.2m, lungo 1m).

Abbiamo testato diverse condizioni:

• Ostruzione all’ingresso: Nessuna (0%), parziale (25%) e significativa (50%).
• Flusso d’acqua:
  • Stazionario: Due portate costanti (13.8 l/s e 20 l/s).
  • Variabile: Due idrogrammi simmetrici, che simulano un’onda di piena con portate crescenti e poi decrescenti (uno con picco a 20 l/s, l’altro a 13.8 l/s), suddivisi in sette step temporali.
• Configurazioni a valle:
  • Caso base: Nessun deflettore.
  • Tre diverse configurazioni di deflettori: Piccoli blocchi di ferro (alti 15cm, larghi 5cm, lunghi 5cm) posizionati strategicamente all’uscita del tombino secondo schemi diversi (li abbiamo chiamati Configurazione 1, 2 e 3).

In totale, abbiamo eseguito 48 test (24 in flusso stazionario, 24 in flusso variabile), misurando meticolosamente la profondità e la forma della buca di scavo che si formava a valle dopo un certo tempo o alla fine di ogni step dell’idrogramma. L’obiettivo era mantenere sempre condizioni di “acqua chiara”, cioè con una velocità tale da non mettere in movimento la sabbia a monte, per isolare l’effetto dello scavo localizzato all’uscita.

Risultati Sorprendenti: I Deflettori Funzionano! (Ma Non Tutti Uguali)

Ebbene sì, i risultati sono stati affascinanti! La prima cosa evidente è che, in generale, l’introduzione dei deflettori riduce significativamente la profondità massima dello scavo rispetto al caso base, sia in condizioni di flusso stazionario che variabile. Ma l’efficacia dipende dalla configurazione specifica, dalla portata e dal livello di ostruzione.

Flusso Stazionario: Chi Vince?

Con un flusso costante di 20 l/s:

• Senza ostruzione (0%): La Configurazione 2 e 3 hanno ridotto lo scavo di circa il 27.6%.
• Con ostruzione del 25%: La Configurazione 1 è stata la migliore, con una riduzione del 29.9%.
• Con ostruzione del 50%: La Configurazione 3 ha dato buoni risultati, riducendo lo scavo del 26.8%.

Con un flusso costante più basso, 13.8 l/s:

• Senza ostruzione (0%): La Configurazione 3 è stata eccezionale, riducendo lo scavo del 37.7%!
• Con ostruzione del 25%: Ancora la Configurazione 3 sugli scudi, con una riduzione del 32.8%.
• Con ostruzione del 50%: Qui la Configurazione 2 ha fatto meglio, con una riduzione del 31.3%.

Una cosa interessante che è saltata fuori: aumentare l’ostruzione all’ingresso non sempre porta a uno scavo proporzionalmente maggiore. A volte, specialmente con portate elevate, l’acqua riesce a “scavalcare” l’ostruzione, creando turbolenze aggiuntive che possono addirittura aumentare lo scavo in modi inaspettati. Questo contraddice un po’ l’intuizione iniziale!

Flusso Variabile (Idrogrammi): Dinamiche Complesse

Anche con i flussi variabili degli idrogrammi, i deflettori hanno mostrato la loro utilità. Abbiamo analizzato lo scavo passo dopo passo, durante la fase crescente (rising limb), al picco (maximum flow) e nella fase decrescente (falling limb) dell’idrogramma.

Primo Idrogramma (picco 20 l/s):

• Senza ostruzione (0%): La Configurazione 2 ha mostrato la maggiore riduzione rispetto al caso base (circa 26.5%).
• Con ostruzione del 25%: La Configurazione 1 è stata la più efficace, riducendo la profondità massima di scavo di un impressionante 37.3% rispetto al caso base nello stesso step dell’idrogramma.
• Con ostruzione del 50%: La Configurazione 3 ha dato la migliore performance, con una riduzione del 23%.

Secondo Idrogramma (picco 13.8 l/s):

• Senza ostruzione (0%): La Configurazione 3 ha ridotto lo scavo massimo del 23.9% rispetto al caso base.
• Con ostruzione del 25%: La Configurazione 1 ha primeggiato con una riduzione del 32.8% (e in uno step specifico, la Configurazione 1 ha raggiunto il 34.5% di riduzione).
• Con ostruzione del 50%: Ancora la Configurazione 3, con una riduzione del 16.3%.

Un dato costante in tutti i test con idrogramma è che la maggior parte dello scavo avviene durante la fase crescente e al picco della portata. All’inizio, con portate basse, la velocità non è sufficiente a muovere i sedimenti, ma appena l’acqua prende forza, l’erosione accelera rapidamente.

Non Solo Profondità: Cambia Anche la Posizione dello Scavo!

Un’altra scoperta chiave riguarda la posizione della massima profondità di scavo (Xsm), misurata orizzontalmente dall’uscita del tombino. Nei casi base (senza deflettori), la buca più profonda tende a formarsi più lontano dall’uscita. Quando invece installiamo i deflettori, la massima profondità si sposta molto più vicino all’uscita del tombino. Questo è importante perché suggerisce che i deflettori non solo riducono l’entità dello scavo, ma ne modificano anche la geometria e la localizzazione, concentrando l’impatto iniziale più vicino alla struttura protetta.

Velocità Critiche e Confronti

Abbiamo anche analizzato le velocità critiche (la velocità minima necessaria per iniziare a muovere i sedimenti) a monte e a valle del tombino. Come previsto, la velocità critica a monte è risultata generalmente più alta di quella a valle, soprattutto in presenza di ostruzioni che restringono il passaggio e aumentano l’altezza dell’acqua a monte.

Confrontando i nostri risultati (anche solo considerando l’effetto medio dei deflettori, indipendentemente dalla configurazione) con studi precedenti sullo stesso tipo di tombino ma senza deflettori (Ahmed et al. 2024a,b), l’impatto è notevole. Per il picco di portata del primo idrogramma, i deflettori hanno ridotto la profondità massima di scavo di quasi il 50% (da 95mm a 48mm in media) e la distanza di questo punto massimo di quasi il 43%. Per il secondo idrogramma, la riduzione della profondità è stata simile (quasi 50%, da 67mm a 34mm) e quella della distanza ancora maggiore (oltre 58%). Questo dimostra che l’idea di usare i deflettori è intrinsecamente valida e molto promettente.

Cosa Abbiamo Imparato (e Cosa Resta da Fare)

Insomma, questa ricerca ci ha dato parecchie soddisfazioni e informazioni utili. Ecco i punti chiave:

• I deflettori posizionati a valle dei tombini scatolari sono efficaci nel ridurre lo scalzamento.
• L’efficacia varia a seconda della configurazione dei deflettori, della portata e del livello di ostruzione all’ingresso. Non esiste una configurazione “magica” che sia la migliore in assoluto per tutte le condizioni.
• Lo scavo maggiore si verifica durante le fasi di piena (portate crescenti e massime) negli idrogrammi.
• Un’ostruzione parziale all’ingresso non sempre causa uno scavo maggiore rispetto a un ingresso libero, a causa di complesse interazioni idrauliche (effetto “overflow”).
• I deflettori tendono a spostare la zona di massimo scavo più vicino all’uscita del tombino.
• Le velocità critiche a monte sono generalmente superiori a quelle a valle, influenzate dalle ostruzioni.

Certo, ogni studio ha i suoi limiti. Lavorare con un canale di laboratorio di dimensioni ridotte potrebbe rendere difficile distinguere perfettamente tra l’erosione dovuta alla contrazione generale del flusso e quella puramente locale all’uscita. Per studi futuri, sarebbe ideale usare un canale più grande per una maggiore accuratezza.

Ma la morale della favola è chiara: progettare e installare correttamente dei deflettori a valle dei tombini scatolari può essere una strategia vincente per combattere l’erosione e aumentare la sicurezza e la durata di queste infrastrutture vitali. Spero che questi risultati siano utili a ingegneri idraulici e ricercatori per progettare soluzioni sempre migliori!

Fonte: Springer