Risalto Idraulico: Altezze Coniugate, Definizione e Calcolo
Nelle correnti a superficie libera, si può individuare una condizione critica caratterizzata dal fatto che, in corrispondenza di questa, le grandezze del moto assumono valori e significato specifici. In particolare, si definisce l’altezza critica, ycr, come l’altezza d’acqua che si verifica quando il numero di Froude è uguale a 1. Analogamente, si definisce la pendenza critica, icr, come la pendenza dell’alveo in corrispondenza della quale, per una data portata, l’altezza critica e l’altezza di moto uniforme coincidono.
Viceversa, se if < icr allora, sempre per la data portata, il moto uniforme si realizza con un’altezza d’acqua maggiore di quella critica (corrente lenta). In tal caso l’alveo viene definito alveo fluviale. Se l’alveo è dotato di pendenza if > icr allora per la data portata l’altezza yu del moto uniforme sarà minore di quella critica (corrente veloce). Si noti che la pendenza critica risulta funzione della portata; risulta infatti che icr diminuisce all’aumentare della portata.
In una corrente lenta le perturbazioni possono propagarsi sia verso monte sia verso valle. Nelle correnti veloci la causa perturbatrice fa risentire i suoi effetti solo verso valle. Viceversa, nelle correnti lente la causa perturbatrice fa risentire i suoi effetti sia verso monte sia verso valle.
Quando il moto è gradualmente variato è lecito esprimere le perdite distribuite con le formule valide per il moto uniforme. La formula 4.10 non ci consente infatti di studiare tali fenomeni: via via che la profondità d’acqua tende al valore critico, le variazioni della stessa altezza d’acqua tendono a diventare grandissime in breve spazio.
Il tracciamento quantitativo del profilo della corrente dipende da come vengono specificate queste “condizioni di moto”. La procedura numerica di risoluzione della formula 4.7 procederà quindi in direzione monte - valle se la corrente è veloce (propagazione delle perturbazioni verso valle), in direzione valle - monte se la corrente è lenta (propagazione delle perturbazioni verso monte).
Profili di Corrente in Alvei Fluviali e Torrentizi
Negli alvei declivi fluviali, oltre al profilo di corrente uniforme, si distinguono 3 profili: F1, F2 e F3.
- Profilo F1: caratterizzato da una corrente con profondità maggiore di quella uniforme. Il livello imposto a valle costituisce la condizione al contorno relativa a questo profilo di corrente lenta che si raccorda al moto uniforme asintoticamente verso monte.
- Profilo F2: la profondità della corrente è compresa tra la profondità critica e quella di moto uniforme. Il profilo risulta pertanto di corrente lenta e si sviluppa a partire da una condizione al contorno posta a valle per poi raccordarsi con la profondità di moto uniforme a monte.
- Profilo F3: la profondità è inferiore a quella critica. Questo profilo risulta l’unico profilo di corrente veloce in un alveo fluviale. Il profilo si sviluppa a partire da una condizione al contorno posta a monte per poi tendere alla profondità critica con un asintoto verticale.
Negli alvei declivi torrentizi, oltre al profilo di corrente uniforme, si distinguono 3 profili: T1, T2 e T3.
- Profilo T1: la profondità della corrente è ovunque maggiore di quella critica. La corrente è pertanto lenta, si sviluppa a partire da una condizione al contorno posta a valle per poi tendere alla profondità critica a monte con un asintoto verticale. La corrente risulta ritardata essendo caratterizzata da profondità (velocità media) crescenti (decrescenti) verso valle.
- Profilo T2: la profondità della corrente è compresa tra la profondità di moto uniforme e la profondità critica. Il profilo è di corrente veloce, si sviluppa a partire da una condizione al contorno posta a monte e si raccorda verso valle con la profondità di moto uniforme.
- Profilo T3: la profondità è ovunque inferiore alla profondità di moto uniforme. Il profilo è di corrente veloce, nasce da un tirante inferiore alla profondità di moto uniforme imposto a monte e si raccorda alla profondità di moto uniforme verso valle.
Gli alvei orizzontali o acclivi non hanno una profondità di moto uniforme; quest’ultima tende ad assumere valori infinitamente grandi quando if tende a 0. I profili al di sopra della profondità critica (H1 e A1) sono di corrente lenta, si sviluppano a partire da un livello imposto a valle maggiore di quello relativo alla profondità critica e crescono verso monte in modo analogo a quanto visto nel profilo F2. I profili al di sotto della profondità critica (H2 e A2) sono di corrente veloce, si sviluppano a partire da un livello imposto a monte minore a quello relativo alla profondità critica, e crescono verso valle tendendo asintoticamente alla profondità critica in modo analogo a quanto osservato per il profilo F3.
Risalto Idraulico e Altezze Coniugate
Il salto di fondo costituisce un disturbo per la corrente in quanto modifica (o non consente) l’altezza di moto uniforme. Nel primo caso la corrente che si instaura a valle dello sbocco è una corrente lenta che risente delle caratteristiche dell’alveo a valle (sezione, pendenza, scabrezza) per trovare l’altezza di moto uniforme conseguenti. In queste condizioni l’equazione della formula 4.7 non è più valida.
Il risalto può presentarsi con forme diverse in relazione al valore del numero di Froude della corrente di monte. In particolare se la corrente di monte è caratterizzata da un Froude inferiore a circa 1.7, il risalto si manifesta attraverso una serie di ondulazioni della superficie libera. In caso contrario si realizza il salto diretto o salto di Bidone costituito dalla formazione di un vortice ad asse orizzontale (roller) che dissipa una quantità di energia non trascurabile.
Il risalto si localizza quando la spinta totale associata alla corrente veloce in arrivo da monte è uguale alla spinta totale della corrente lenta di valle. La spinta totale S della corrente in una sezione è definita come la somma della spinta idrostatica, pari al prodotto tra la pressione idrostatica nel baricentro della sezione e la superficie della sezione stessa, e del flusso della quantità di moto, quest’ultimo pari a ρQU. Si noti che la grandezza spinta totale ha le dimensioni di una forza.
Il risalto si localizza dove la spinta totale della corrente di monte Sm uguaglia la spinta totale di valle Sv; in queste condizioni ym e yv rappresentano la profondità della corrente nelle sezioni immediatamente a monte e a valle del risalto. Le profondità ym e yv sono dette altezze coniugate del risalto.
Nel caso di passaggio da un alveo torrentizio a un alveo fluviale si assiste all’incontro tra una corrente veloce a monte e una lenta a valle. Questo passaggio avviene a mezzo di un risalto idraulico che si localizza nella sezione dove avviene l’uguaglianza delle spinte totali.
Il restringimento provocato dalle pile di un ponte in un alveo cilindrico può considerarsi debole se la corrente è in grado di defluire attraverso le pile senza attraversare lo stato critico.
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