idrodinamica costiera in presenza di strutture dissipative - Università ...

UNIVERSITÀ POLITECNICA DELLE MARCHE
FACOLTÀ DI INGEGNERIA
Istituto di Idraulica e Infrastrutture Viarie
Dottorato di Ricerca in Ingegneria dei Materiali, delle Acque e dei Terreni
V ciclo, nuova serie
IDRODINAMICA COSTIERA IN PRESENZA DI
STRUTTURE DISSIPATIVE
Tutore: Chiar.mo Dottoranda:
Prof.Ing. Alessandro Mancinelli Ing. Antonella Strappa
Coordinatore: Chiar.mo
Prof. Giacomo Moriconi
A.A. 2003-2006

IDRODINAMICA COSTIERA IN PRESENZA DI STRUTTURE
DISSIPATIVE
SOMMARIO
La dissipazione dell’energia delle onde avviene nella zona costiera principalmente per frangimento. La
rappresentazione delle onde nella surf zone richiede un modello accurato di frangimento per poter
prevedere l’andamento delle altezze d’onda nel profilo trasversale quando il fondo è ondulato per la
presenza di barre. Anche la progettazione delle opere longitudinali di difesa della costa è finalizzata
all’abbattimento dell’energia delle onde per frangimento sulle strutture. Le scogliere sommerse,
ampiamente utlizzate negli ultimi anni come metodo di protezione della costa, influenzano fortemente
l’idrodinamica costiera; inducono infatti una circolazione caratterizzata da correnti verso costa al di
sopra delle strutture ed intense correnti verso mare (i.e. rip currents) in corrispondenza dei varchi tra le
scogliere sommerse stesse (vedi pannello di sinistra della fig.1). Tale andamento della circolazione è
determinato dal gradiente di setup indotto dal frangimento differenziale che si verifica sulle strutture
(i.e. circolazione primaria) e vicino alla riva (i.e. circolazione secondaria). Rip currents ed erosioni
localizzate sono i limiti più diffusamente osservati per le scogliere sommerse realizzate.
Fig. 1. Rappresentazioni schematiche dei possibili schemi di circolazione idrodinamica costiera. Pannello di sinistra: rip
current in presenza di scogliere sommerse; pannello di destra: inversione della circolazione costiera in presenza di aree
ad elevato coefficiente d’attrito.
Dunque sono auspicabili soluzioni alternative, che possano ridurre sia i costi di costruzione e
manutenzione sia l’impatto ambientale. Nel presente lavoro si sono considerate strutture dissipative, da
utilizzare nella difesa dei litorali, in grado di dissipare gradualmente l’energia delle onde riducendo il

setup lato terra delle strutture in modo che le correnti indotte non producano trasporto dei sedimenti
fuori dalla zona protetta. Queste opere potrebbero essere usate, ad esempio, a protezione dei
ripascimenti artificiali. Al fine di generare un sistema di circolazione opposto a quello che si instaura
in presenza di scogliere sommerse, Hisamichi et al. (1996) hanno proposto una serie di strutture
sommerse costituite da pannelli inclinati. Sulla base dei loro risultati sperimentali, in cui l’inversione
del sistema di circolazione dipende fortemente dall’attrito al fondo, si è pensato di testare
numericamente un’opera alternativa costituita da strutture ad elevata sommergenza, tali da non indurre
frangimento, caratterizzate da un coefficiente d’attrito superiore a quello relativo all’area circostante
(vedi pannello di destra della fig. 1). Tali strutture a scabrezza elevata possono essere costituite sia da
aree occupate da vegetazione, sia da manufatti artificiali da testare. Si è dunque scelto di approfondire
lo studio sugli effetti delle strutture dissipative, utilizzando un modello numerico di tipo shockcapturing
che risolve le equazioni delle acque basse, Nonlinear Shallow Water Equations NSWE
(Brocchini et al., 2001), medie sulla profondità, con l’inclusione di un termine per la simulazione dell’
attrito al fondo spazialmente variabile, i.e. cf (x, y). Sono stati analizzati i risultati numerici sia in
termini di trasformazione dell’altezza d’onda, che in termini di circolazione. Simulazioni preliminari
per la validazione del modello numerico NSWE, in termini di trasformazione dell’altezza d’onda H,
sono state effettuate utilizzando dati sperimentali, disponibili in letteratura, relativi a prove realizzate
in presenza di un tappeto di alghe artificiali (Lovas, 2000). Per simulare numericamente la presenza di
un tappeto di alghe si è utilizzato un coefficiente d’attrito al fondo pari a Cf=0.2. In figura 2, a titolo di
esempio, sono riportati i risultati dell’evoluzione dell’altezza d’onda relativi alle prove con H=0.125m
and T=3.5s. In tutte le simulazioni numeriche, il modello numerico ha riprodotto in maniera
soddisfacente l’abbattimento dell’altezza d’onda, sia per onde frangenti, che non frangenti.
H (m)
d (m)
0.1
0
−0.2 −0.1
−0.4 −0.2
−0.3 −0.6
no kelp−experimental data
kelp−experimental data
no kelp−numerical results
kelp−numerical results
submerged vegetation
−0.4 −0.8
0 5 10
crosshore distance (m)
15 20
Fig. 2. Confronto tra altezze d’onda misurate (Lovas, 2000) e calcolate, con e senza tappeto artificiale, per onde non
frangenti (pannello di sinistra) e per onde frangenti (pannello di destra).

Dal campo di velocità medie, in condizioni quasi stazionarie, mostrato in fig. 3, è infatti evidente la
presenza della rip current nel varco tra le scogliere sommerse, mentre velocità decisamente ridotte si
instaurano nel caso delle strutture dissipative e comunque prevalentemente dirette verso terra,
rispettivamente pannello di sinistra e di destra. Le caratteristiche ondose di input sono caratterizzate da
T=1.826s e H=0.045m, con una profondità dell’acqua di 0.182m. Da notare come per la
configurazione delle scogliere sommerse la massima velocità offshore è pari a 0.3m/s mentre per i
tappeti artificiali è più piccola di un ordine di grandezza, cioè circa uguale a 0.03m/s. E’ evidente che
in questo secondo caso non c’è formazione di rip current. .I differenti comportamenti idrodinamici
sono strettamente legati alle caratteristiche del setup generato dalle diverse configurazioni.
longshore direction (m)
8
7
6
5
4
3
0.3 m/s
2
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5
onshore direction (m)
longshore direction (m)
8
7
6
5
4
3
0.03 m/s
2
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5
onshore direction (m)
Fig. 3. Campi di velocità medie in presenza di scogliere sommerse disposte in batteria (pannello di sinistra) e di tappeti
artificiali a scabrezza elevata (pannello di destra).
In figura 4 è mostrato un esempio dell’andamento longitudinale del setup misurato per una sezione
longitudinale, lato terra delle strutture, con una profondità d’acqua pari a h=0.09m, per le due diverse
configurazioni. Per le scogliere in batteria, il gradiente longitudinale del setup è notevole e tale da
indurre formazione di rip (vedi fig. 3), mentre per i tappeti artificiali sia il setup che la sua variazione
longitudinale sono piccoli. In queste condizioni la spiaggia risulta protetta.
η (m)
x 10−3
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
deeply submerged
high−friction steps
longshore setup
gradient
gap
almost constant setup
submerged breakwaters
4 4.5 5 5.5 6
longshore distance (m)
Fig. 4. Gradiente longitudinale di setup generato da una condizione ondosa di H=5.00 cm e T=0.9s.

Ulteriori prove sono state effettuate per valutare l’influenza delle caratteristiche geometriche e delle
caratteristiche ondose. Risultati preliminari hanno evidenziato come per altezze dv della struttura e per
coefficienti di scabrezza Cf crescenti, aumenti non solo l’abbattimento di H, ma anche il valore del
setup e la sua variabilità longitudinale. Per quanto riguarda la dimensione trasversale, si è trovato che
per valori di b crescenti si ha un maggiore abbattimento dell’altezza d’onda, ma comunque non si
hanno incrementi apprezzabili oltre un certo limite di b/L=0.5÷1, con L=lunghezza d’onda, come
mostrato in fig. 5, per diverse caratteristiche ondose di input.
H (m)
0.05
0.04
0.03
0.02
0.01
0
X (m)
bathymetry
b=0.4m
b=0.8m
b=1.6m
H−e (no reef)
H−f (no reef)
H−e (b/L=0.5)
H−e (b/L=1)
H−f (b/L=0.5)
H−f (b/L=1)
−0.2
0 1 2 3 4
p=1/30
5 6
d (m) 0.06
Fig. 5. Abbattimento dell’altezza dell’onda per effetto della variabilità della dimensione traversale b
I risultati numerici preliminari sono incoraggianti, in quanto mostrano che le strutture dissipative come
difesa costiera determinano una circolazione opposta a quella generata dalle scogliere sommerse (i.e.
un sistema di rip currents). La principale caratteristica di queste strutture alternative è data dalla
componente di dissipazione per effetto dell’attrito, legato alla presenza di un tappeto di alghe o a
quella di materiali artificiali, e dunque non alla componente di dissipazione legata al frangimento. La
ricerca è ancora in fase di sviluppo; sono in corso simulazioni numeriche e sperimentali in canale che
hanno lo scopo di determinare il valore corretto del coefficiente di attrito al fondo Cf e la disposizione
planimetrica ottimale di tali strutture.

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