Esecuzione della sperimentazione su modello fisico 3D di alcune opere per la protezione del tratto di costa Porto di Carrara - Fiume Frigido - Fosso Poveromo - Fiume Versilia

Il progetto è stato frutto di una convenzione tra la Provincia di Massa Carrara e il CPR - Consorzio Pisa Ricerche.
Il problema dell'equilibrio del litorale compreso tra il Porto di Carrara ed il fiume Versilia è stato oggetto di diversi studi tra i quali, di recente, nel luglio 2001, del "Progetto preliminare per il riequilibrio del litorale del Comune di Massa" commissionato dal Comune al CPR ed elaborato dai proff. Aminti e Pranzini dell'Università di Firenze.

Nel progetto il litorale oggetto dell'intervento è stato diviso in quattro tratti:

• il primo, vicino al Porto di Marina di Carrara, protetto con opere parallele;

• il secondo, protetto con pennelli;

• il terzo, a sud del fosso Magliano, protetto con tre setti sommersi in sacchi;

• il quarto, a sud del fosso Poveruomo fino alla foce del Cinquale, dove non sono presenti opere di protezione.

Considerando la lunghezza del litorale in esame è stato impossibile effettuare una simulazione con Modello Fisico, con idonea scala, di tutto il tratto.

In accordo con i dirigenti della Provincia e con i consulenti, proff. Aminti e Pranzini, per la sistemazione del primo tratto si sono eseguite prove su un Modello Fisico Bidimensionale (2D), presso l'Università di Firenze, traendo indicazioni utili alla progettazione.

Per la sistemazione del secondo tratto, ossia quello protetto da pennelli, date le particolari caratteristiche dell'intervento progettuale, è stato realizzato, presso il Laboratorio di Ricerca e Sperimentazione per la Difesa delle Coste del Politecnico di Bari, un Modello Fisico Tridimensionale (3D).
Il secondo tratto era protetto da 14 pennelli emersi, con una lunghezza compresa fra 120 e 150 m e distanti tra loro mediamente 150 m. La gran parte dei pennelli è stata realizzata nel periodo 1980-1983. Le estremità lato mare erano unite da scogliere sommerse molto danneggiate.
In accordo con i dirigenti della Provincia e con i consulenti, al fine di ottimizzare il tempo e il numero delle prove, anche per questo tratto sono state eseguite prove preliminari su Modello Fisico Bidimensionale, presso l'Università di Firenze, con l'obbiettivo di verificare la stabilità del materiale da impiegare per realizzare la barriera sommersa prima di eseguire le prove sul Modello Fisico 3D.

Attraverso il Modello Fisico 3D sono state verificate due Ipotesi Progettuali:

1. Costruzione di setti sommersi all'esterno delle attuali scogliere;
2. Costruzione, sul lato mare, di una nuova barriera sommersa, realizzata con ghiaia o materiale grossolano, per riempire la fossa che attualmente esiste;
3. Realizzazione di un ripascimento artificiale della spiaggia emersa;
4. Abbassamento di alcuni dei pennelli emersi delle vasche.

Durante le simulazioni in vasca della 1^a Ipotesi Progettuale i dirigenti della Provincia con i consulenti, proff. Aminti e Pranzini, al fine di verificare una soluzione ambientalmente più compatibile, hanno ritenuto opportuno simulare una 2^a Ipotesi Progettuale nella quale al punto 3 invece di realizzare la nuova barriera sommersa, con ghiaia o materiale grossolano, si prevedeva:

3. Costruzione, sul lato mare, di una nuova barriera sommersa, da realizzare con geotubi, per riempire la fossa che attualmente esiste.

Il Modello 3D è stato realizzato in analogia di Froude, in scala indistorta 1:30.
Sono stati simulati circa 900 m dei 2700 m del tratto di costa con mareggiate provenienti da:

• 220° N (direzione ortogonale alla costa, 0° in vasca);
• 235° N ( 15° in vasca)

Per la simulazione del trasporto solido è stata adottata l'analogia di Dean, che comporta la conservazione del parametro H/(wT), con H e T altezza e periodo dell'onda significativa e w velocità di caduta della sabbia.
Per riprodurre il comportamento ripascitivo ed erosivo è stata adottata una sabbia silicea con D50 = 0.139 mm.

La realizzazione del modello 3D

Per lo studio della 1^a Ipotesi Progettuale è stata stipulata una Convenzione tra il Politecnico di Bari e la Provincia di Massa Carrara.

• Consegna dei Lavori e avvio della realizzazione del Modello Fisico 3D, settembre 2004.
• Nel febbraio 2005, sono state terminate tutte le prove previste in Convenzione e altre aggiuntive.

Sul modello sono state effettuate le seguenti prove:

• Prove dello stato attuale delle opere con ondazione da 0°;
• Prove dello stato attuale delle opere con ondazione da 15°;
• Prove con ondazioni da 15° con la rifioritura dell'attuale scogliera, la regolarizzazione della sommergenza a -0,5 m e la realizzazione di tre setti sommersi verso il largo;
• Prove con ondazioni da 15° con la realizzazione della nuova barriera a largo di quella esistente realizzata con sassi;
• Prove con ondazioni da 15° con la realizzazione di un ripascimento artificiale della spiaggia emersa e l'abbassamento nella zona on-shore di alcuni pennelli emersi;
• Prove con ondazioni da 0° della configurazione progettuale finale.

In totale nel modello sono stati inviati 194 attacchi ondosi, che corrispondono a circa 1.063 ore nel modello e a 45 giorni di mareggiate nel prototipo.

Per lo studio della 2^a Ipotesi Progettuale fu stipulata una Convenzione Aggiuntiva tra il Politecnico di Bari e la Provincia di Massa Carrara

• Firma della Convenzione Aggiuntiva aprile 2006;
• Consegna dei Lavori e avvio delle modifiche al Modello Fisico maggio 2006;
• Nell'agosto 2006, sono state terminate tutte le prove previste nella Convenzione Aggiuntiva.

Per la seconda configurazione progettuale è stata rimossa la scogliera sommersa realizzata con sassi sostituendola con una realizzata con geotubi, in queste condizioni sono state eseguite:

• Prove con ondazioni da 0°;
• Prove con ondazioni da 15°.

In generale, per ogni Gruppo di prova nel Modello Fisico 3D sono stati riprodotte mareggiate tipiche del paraggio o attacchi ondosi singoli. Gli "stati mare" sono stati riprodotti con spettro di tipo JONSWAP.

• E' stata evidente la risalita del moto ondoso verso il lungomare, in particolare nella zona del pontile e a Nord di detta struttura;
• L'analisi dei profili della spiaggia sommersa ha messo in risalto la formazione di una fossa di erosione al largo della scogliera sommersa
• Le analisi granulometriche hanno evidenziato, in generale, che dalle celle viene portato verso il largo il materiale più sottile
• Le prove con tracciante (gusci di mandorla triturati, posizionati al largo della scogliera sommersa su fondali di - 6 m) hanno evidenziato che gli attacchi ondosi con maggior energia riescono a portare solo una minima parte di esso nella zona interna, la gran parte è trasportato dalle correnti di ritorno verso il largo, fuori dalla zona della dinamica costiera.

• Si notava ancora la risalita del moto ondoso nella zona del pontile;
• Nelle celle il tracciante era minimo e, prevalentemente, si ritrovava nella zona vicino al lungomare

Le opere realizzate a tale scopo sono state:

• Sistemazione e rifioritura della scogliera sommersa in modo da avere una sommergenza uniforme di 0.5 m e riempimento con massi della parte terminale del pontile;
• Tre setti sommersi in prolungamento di alcuni pennelli;
• Scogliera di 30 m di larghezza a largo della scogliera sommersa. La nuova scogliera, seguendo i risultati ottenuti sul Modello 2D eseguiti presso l'Università di Firenze, possiede una sommergenza di 2m ed è realizzata non con ghiaia, ma con massi da 40 - 60 cm.

Le opere realizzate determinano i seguenti effetti positivi:

• La riduzione dell'agitazione ondosa nelle vasche;
• La riduzione della risalita del moto ondoso verso il lungomare;
• Il blocco della fuoriuscita di materiali dalle vasche verso il largo;

Nelle varie prove eseguite i massi impiegati per realizzare i setti sommersi e i sassi della scogliera sono risultati stabili.
La risalita del moto ondoso verso il lungomare è ridotta rispetto alle condizioni attuali.

Le opere realizzate determinano i seguenti effetti negativi:

• Maggiore azione erosiva nella zona a largo della scogliera dove si è configurata una fossa di erosione;
• La riduzione dello stato ondoso nelle vasche, contrappone all'effetto positivo della minore intensità delle correnti di ritorno con conseguente diminuzione della perdita di materiale dalle vasche verso il largo, l'effetto negativo di non consentire il passaggio di sedimenti dal largo verso riva.

L'immagine mette in risalto la presenza dell'acqua che individua la fossa di erosione al piede della scogliera e la successione di barre e fosse, di minore altezza, verso il largo

Le opere realizzate a tale scopo sono state:

• Realizzazione del ripascimento della spiaggia per una fascia di larghezza 20m a quota +1,5m

Le opere realizzate a tale scopo sono state:

• Modifica ai pennelli emersi delle vasche portando a sommersi quelli che si trovano al centro dei setti sommersi

Questo intervento ha dimostrato di migliorare notevolmente la qualità ambientale in quanto si crea la continuità fra due vasche attigue e quindi maggiori scambi di acqua

Le numerose prove eseguite con ondazioni da 15° hanno confermato che le opere realizzate determinano i seguenti effetti positivi:

• La riduzione dell'agitazione ondosa nelle vasche;
• La riduzione della risalita del moto ondoso verso il lungomare;
• Il blocco della fuoriuscita di materiali dalle vasche verso il largo (l'analisi dei profili batimetrici ha evidenziato che i volumi di sabbia nelle vasche non hanno subito variazioni apprezzabili);
• La stabilità dei massi e dei sassi impiegati per realizzare le opere.

L'immagine mostra che la risalita del moto ondoso dopo il ripascimento è ulteriormente ridotta

Le numerose prove eseguite con ondazioni da 15° hanno confermato che le opere realizzate determinano i seguenti effetti negativi:

• Azione erosiva nella zona a largo della scogliera dove si forma una fossa di erosione, la cui profondità si è stabilizzata con le prove (è da evidenziare però il notevole numero di attacchi ondosi obliqui - 15° - inviati sulla spiaggia che aumentano il trasporto longitudinale e, quindi, facilitano l'approfondimento della fossa. Infatti si è verificato che con ondazione da 0° la fossa tende lievemente a diminuire, rimanendo sempre di una profondità consistente.
• La riduzione dello stato ondoso verso le vasche, mentre è stata positiva in quanto le correnti di ritorno meno intense hanno eliminato le perdite di materiale dalle vasche verso il largo, è risultato negativo in quanto non consente il passaggio di sedimenti dal largo verso riva. Dalle analisi granulometriche del materiale depositato tra i sassi della scogliera si nota che il materiale più sottile portato in sospensione sedimenta sulla berma della scogliera diminuendo, quindi, la permeabilità.

Sono state successivamente eseguite delle prove specifiche per verificare l'efficacia dei setti sommersi, in particolare:

• sono stati eliminati i setti sommersi;
• è stato rimodellato il fondo della vasca in modo da riportarlo ad una precedente configurazione in cui erano presenti i setti;
• sono stati inviati sulla spiaggia gli stessi attacchi ondosi impiegati per verificare il funzionamento con i setti in modo da poter fare un confronto;
• è stato effettuato un confronto tra i profili finali con i setti e senza.

L'analisi dei profili ha evidenziato che i setti oltre a trattenere meglio il trasporto longitudinale conferiscono una conformazione più regolare ai fondali nella zona off-shore alla barriera sommersa.

Nelle prove con ondazioni da 0° i profili nella zona delle celle continuano ad essere stabili, mentre nella zona offshore si ha un tendenza erosiva in prossimità della barriera sommersa.
Le elaborazioni indicano che la profondità media della fossa di erosione con ondazioni da 0° è di 0,237 m rispetto al livello medio mare, ossia 7,11 m nel prototipo, mentre con attacchi ondosi da 15° era 0,257 m, ossia 7,71 m nel prototipo, perciò, la fossa di erosione con ondazioni da 0° diminuisce, ma non in modo sensibile.
Tale risultato indicherebbe che l'approfondimento della fossa, a seguito di una singola mareggiata proveniente da 0° o da 15°, sia legato maggiormente alle correnti di ritorno, piuttosto che al trasporto longitudinale.

Le numerose prove eseguite con ondazioni da 0° e 15° hanno confermato che le opere realizzate determinano i seguenti effetti positivi:

• La riduzione dell'agitazione ondosa nelle vasche;
• La riduzione della risalita del moto ondoso verso il lungomare;
• Il blocco della fuoriuscita di materiali dalle vasche verso il largo: l'analisi dei profili batimetrici ha evidenziato che i volumi di sabbia nelle vasche non ha subito variazioni apprezzabili;
• La stabilità dei massi e dei sassi impiegati per realizzare le opere.

Le numerose prove eseguite con ondazioni da 0° e 15° hanno confermato che le opere realizzate determinano i seguenti effetti negativi:

• Azione erosiva nella zona a largo della scogliera dove si forma una fossa di erosione, la cui profondità però si stabilizza con le prove;
• La riduzione dello stato ondoso nelle vasche, è positivo in quanto le correnti di ritorno meno intense eliminano le perdite di materiale che dalle vasche va verso il largo, è negativo in quanto non consente il passaggio di sedimenti dal largo verso riva.

Dalle analisi granulometriche del materiale depositato tra i sassi della scogliera risulta che il materiale più sottile portato in sospensione sedimenta sulla berma della scogliera diminuendo, quindi, la permeabilità.

Per la seconda configurazione progettuale è stata rimossa la scogliera sommersa realizzata con sassi sostituendola con una realizzata con geotubi

La struttura di protezione realizzata con i geotubi, pur presentando un meccanismo dissipativo diverso rispetto alla barriera sommersa con sassi, ha un effetto praticamente simile a quest'ultima in termini di trasmissione del moto ondoso e di set-up all'interno della zona protetta.
In particolare, si è verifica erosione nella zona tra i geotubi e l'esistente scogliera sommersa lasciata libera per la posa in opera in sicurezza dei geotubi; tale fenomeno, per il quale il materiale eroso è trasportato verso il largo e nei vuoti tra i geotubi, si è stabilizzato fin dai primi attacchi ondosi.

Nella zona off-shore vicino alle strutture è confermata la formazione della fossa di erosione, con profondità massima media paragonabile nelle due ipotesi progettuali.
L'elevata riflessione dei geotubi ha causato la formazione di ondulazioni pronunciate del fondale.

Al termine delle prove la profondità media delle fosse di erosione ha raggiunto il valore di 261 mm (ossia 7,83 m nel prototipo), valore molto prossimo a quello che misurato con le prove con la barriera sommersa con sassi (257 mm, ossia, 7,71 m nel prototipo); inoltre, quando sono state inviate ondazioni da 15° le profondità massime di escavazioni diminuiscono passando dalla zona della cella 1 a quella della cella 5 a causa dell'effetto del trasporto longitudinale diretto a sud.

Nella zona off-shore lontana dalle strutture la dinamica del trasporto solido non varia molto con le due ipotesi progettuali. Con ondazioni da 15° le intense correnti longitudinali determinano notevoli trasporti verso sud, come nelle prove precedenti.

Le prove hanno evidenziato che la risalita del moto ondoso sulla spiaggia libera sotto l'azione di un attacco con tempo di ritorno di cinquanta anni, è minore quando è impiegata la barriera sommersa realizzata con geotubi e che, comunque, ambedue le tipologie di opere creano un piccolo tratto con criticità nella zona della cella 2.

Per quel che concerne la stabilità dei geotubi, si formano delle escavazioni localizzate non trascurabili alle estremità, degli stessi nella prima fila verso off-shore e on-shore.
In particolare, si constata che se nelle tre file i geotubi vengono messi in opera con le estremità allineate queste escavazioni sono maggiori e possono far perdere l'orizzontalità ad elementi della prima fila sul lato off-shore. Le prove hanno, anche, evidenziato che le instabilità, sulla prima fila off-shore sono meno frequenti disponendo gli elementi sfalsati rispetto ai bordi.

Infine, le prove hanno evidenziato il riempimento con sabbia, proveniente dall'area tra la scogliera sommersa e la prima fila posta on-shore ai geotubi, dei vuoti tra gli elementi.

• Molfetta M.G., Petrillo, A.F., Pratola L., Rinaldi A. (2006) - Studio sperimentale sull'efficienza di un'opera di difesa sommersa. Giornata di studio in onore del Prof. Edoardo Benassai-Guardia Piemontese.
• Molfetta M.G., Petrillo, A.F., Pratola L., Rinaldi A. (2006) - L'impiego della modellistica fisica negli interventi di riqualificazione ambientale di tratti di litorale. V° Convegno CoNISMa - Viareggio.