Il corpo della diga

di




Introduzione

La diga nasce con uno scopo semplice e ben preciso: fermare l’acqua da un lato di essa. Quindi il modo più semplice ed efficace di fare questo è quello di costruire grande un muro, solido ed impermeabile. Fino a qui sembra tutto molto semplice, ma a questo punto sorgono diverse domande:

- dove deve essere costruita la diga?
- quanto larga deve essere la diga?
- quanto alta?
- quanta acqua deve fermare alle sue spalle?
- perchè viene costruita la diga?

Iniziando a rispondere a questo domande si scopre che si possono costruire diverse tipologie di dighe, ciascuna di esse più adatta di altre in particolari condizioni. Dopo aver definito la struttura migliore rispetto alle nostre esigenze, si passa al problema pratico di come costruire la diga. Poniamo di aver risolto il problema della reperibilità del materiale da costruzione, un giorno, parlando con il nostro geologo di fiducia, scopriamo che le montagne non sono tutte uguali e che la roccia non sempre ha le caratteristiche ottimali per appoggiarci un muro e quindi bisogna rimediare a questo. Poi parlando con il nostro muratore di fiducia scopriamo che il calcestruzzo solidificandosi si comporta in modo strano e quindi dobbiamo pensare anche a questo e ad un altro milione di altri piccoli problemi che alla fine rendono ogni diga storia a sè. In questo documento cercheremo di analizzare quali sono le dighe e come sono fatte.

Tipologie di dighe

Dighe in terra

Le dighe in terra sono le dighe più semplici. In pratica sono costituite da un semplice cumulo di terra con al massimo un nocciolo stagno al centro oppure con un rivestimento impermeabile sul lato a monte. La loro dimensione è dovuta solamente ai limiti si coesione della terra o roccia con la quale sono costruite, quindi solitamente raggiungono altezze limitate e vengono sfruttate più come strutture di contenimento che di sbarramento, ma hanno il vantaggio che la loro costruzione non è particolarmente problematica. A scopo informativo le due dighe più alte del mondo sono entrambe in terra; si tratta delle dighe di Rogun(335 m di altezza) e di Nurek(300 m di altezza e 704 m sviluppo del coronamento) entrambe situate in Tajikistan. La prima è in costruzione dal 1976 e nel 1993 una piena ha distrutto parte del riempimento in roccia. Nel Veneto abbiamo il lago di Santa Croce che è formato con una diga in terra. Al fine del sito non rappresentano un caso di particolare interesse(in fondo si parla di costruire una montagna, procedimento lungo e difficile, ma tutt’altro che tecnico) e quindi per il momento non diremo di più.

Dighe a gravità massiccia

Sono le dighe in calcestruzzo dalla struttura più semplice. In pratica sono dei grandi blocchi di calcestruzzo di sezione triangolare che stanno al loro posto solo a causa del peso. Un’esempio italiano di queste dighe è rappresentato da quella di Ravedis. Possono anche raggiungere altezze elevate e sviluppi al coronamento notevoli, abbiamo trovato informazioni su di una diga Svizzera, chiamata Grande Dixence alta 285 metri (terza diga più alta del mondo) e con uno sviluppo di 695 m al coronamento, costruita con un volume di 6 milioni di metri cubi di cemento, per non parlare della diga delle Tre Gole in Cina che ha uno sviluppo in coronamento di 2.4 km a fronte di una altezza di 185 metri.

JPEG - 126.5 Kb
Sezione tipica di una diga a gravità massiccia

Questa semplicità di struttura non deve però ingannare. Le problematiche connesse ad una diga di questo tipo sono notevoli. Analizziamo ora alcuni schemi semplificati sulle forze in gioco per capire quali sono i problemi e come vengono risolti.

JPEG - 30.5 Kb
Schema forze di una diga a gravità massiccia

In questo schema vediamo la diga(corpo grigio) e le massa d’acqua(parti azzurre e blu). La diga ha un suo peso determinato dal volume di calcestruzzo con cui è costruita. Su di essa agiscono 3 forze: una forza orizzontale (So) dovuta alla pressione dell’acqua del bacino, una forza verticale verso il basso (Sv) dovuta al peso dell’acqua che agisce sul lato inclinato a monte. Chiaramente se il lato a monte è verticale come sul disegno sopra, questa forza non interviene. Oltre alle due forze citate sopra abbiamo una forza sottostante alla diga(Ss) che spinge verso l’alto.

A questo punto ci domandiamo: cosa causa la spinta sottostante Ss?

Le fondamenta della diga vengono costruite solitamente sull’alveo di un fiume o di un torrente. Gli alvei sono costituiti comunemente da ghiaia o roccia permeabile per profondità anche elevate. Questi materiali non sono impermeabili. Abbiamo quindi che l’acqua, bloccata in superfice dalla diga crea un bacino. Il bacino fa si che l’acqua venga spinta dalla sua stessa pressione verso il basso e tende a passare sotto alla diga, secondo quello che poi è il suo corso naturale. Quindi sotto la diga si forma un cuscinetto d’acqua incastrato tra la diga e la roccia impermeabile che costituisce il fondo del torrente e, dato che la roccia impermeabile è inamovibile, si genera una spinta idrostatica che spinge la diga verso l’alto. Se la pressione è più forte della pressione dovuta al peso della diga abbiamo che la diga "galleggia". Se la diga galleggia la tenuta del bacino è compromessa.
Una volta chiara la dinamica delle forze in gioco è chiaro che la pressione sottostante Ss è proporzionale alla pressione dell’acqua esercitata dal bacino e quindi all’altezza di quest’ultimo. Ne deduciamo quindi che più la diga è alta, più deve essere pesante.

Per ovviare a questi problemi si attua un’opera di impermeabilizzazione, mediante iniezioni di cemento, del fondo del torrente dove si troverà la diga. Questo però, è un lavoro problematico in quanto la roccia impermeabile si può trovare anche a centinaia di metri di profondità, e riuscire a scavare su di un letto ghiaioso è molto difficile (provate a scavare un buco profondo e stretto sulla sabbia asciutta e capirete il principio). Nel caso caso della diga di Ravedis l’impermeabilizzazione si è cercata di ottenere mediante ignezioni di cemento ad alta pressione fino ad una profondità di 60 metri.

Vediamo ora un ’trucco’ per risparmiare sul materiale e diminuire la pressione sottostante.

JPEG - 33.1 Kb
Schema forze di una diga a gravità massiccia con drenaggi

Se noi pratichiamo sul fondo del corpo della diga dei fori di drenaggio abbiamo che l’acqua che passa sotto alla diga, a causa della pressione, tende a risalire in superfice attraverso questi fori e quindi si ha una diminuzione della spinta sottostante consentendo una riduzione del peso complessivo.

Dighe a gravità alleggerita

La diga a gravità alleggerita è in sostanza un grande muro si spessore relativamente ridotto appoggiato a dei contrafforti. I contrafforti relativamente sottili conducono gli sforzi fino alle fondazioni. Questo tipo di costruzione consente chiaramente di raggiungere dimensioni notevoli, e al tempo stesso di risparmiare una grande quantità di calcestruzzo. Confrontandola con la diga a gravità massiccia si può facilmente immaginare che lo studio che deve stare dietro a questo tipo di diga sia nettamente maggiore in quanto la diga è nettamente più fragile.

Cerchiamo ora di capire le problematiche dello sbarramento confrontandola con diga a gravità massiccia.

- Lo sbarramento chiaramente pesa molto meno, quindi stando alla teoria delle forze già analizzate sulla diga a gravità massiccia (DGM da questo punto in poi) non possiamo permetterci di avere una pressione sottostante elevata, quindi la zona delle fondamenta deve essere molto più impermeabile rispetto alla DGM.
- La spinta orizzontale del bacino si scarica sui contrafforti che di conseguenza la scaricano sul terreno a differenza della DGM che contrastava tutte le spinte su di essa con il suo solo peso. Quindi se non abbiamo delle solide fondamenta sui contrafforti, questi non riescono a scaricare la spinta del bacino, causando tensioni in tutta la diga.

Dighe ad arco e a volta

Il sito del Comitato Svizzero delle Dighe si riferisce a questo tipo come: "È un lavoro particolarmente elegante". Sono le dighe più caratteristiche ed è frequente incontrarle sulle vallate alpine, raggiungono dimensioni notevoli, la quarta diga più alta del mondo è una diga ad arco sul fiume Inguri in Georgia con 272 m di altezza e con uno sviluppo al coronamento di 680 m, mentre con i suoi 262 m la diga del Vajont (Diga del Colomber) è la quinta al mondo.
La struttura è costituita da una parete in calcestruzzo arcuata in senso orizzontale, e nel caso di diga a volta, anche in senso verticale. Lo sbarramento è relativamente sottile se rapportato con la sua altezza e rispetto ai tipi di diga a gravità. I lati del corpo diga sono appoggiati direttamente ai monti ai due lati della valle e su di essi scaricano la pressione esercitata dall’acqua. Nel caso delle dighe a cupola parte della spinta viene dissipata anche verso il basso.

JPEG - 32.1 Kb
Schema semplificato delle forze in una diga ad arco

In questo schema semplificato, visto dall’alto si vede la diga(parte grigia), la spinta dovuta al bacino(frecce blu) e la dissipazione della spinta sui fianchi della montagna(frecce nere). Il problema totale è molto più complesso in quanto le dighe ad arco hanno sezioni verticali, ed orizzontali, anche molto differenti tra loro a seconda della zona della diga.

JPEG - 89.4 Kb
Sezoni della diga del Vajont

In questa immagine vediamo le sezioni della diga del Vajont. Si nota chiaramente come siano differenti tra loro.

Dato che la diga "spinge" sui lati della valle è particolarmente importante preoccuparsi della solidità di questi ultimi eventualmente attuando lavori di consolidamento che possono essere lunghi e complessi. Sarebbe interessante approfondire le problematiche di questo tipo di struttura, ma le variabili in gioco sono talmente numerose che sarebbe impossibile andare oltre a questa spiegazione minimale. Giusto per fare un’esempio della dimensione dei conti in gioco, lo studio della stabilità della diga del Vajont, nel 1955 era sviluppato con un sistema lineare di circa 400 equazioni.

(pubblicato il Gennaio 2009)