Indagine sperimentale sul fenomeno di deposito in un canale a fondo mobile sovralimentato

River bed degradation or aggradation are the response of a watercourse to natural or artificial changes, which disturb the existing equilibrium leading to large variations in the river morphology. In particular, aggradation takes place when the sediment carrying capacity of the stream is reduced or the volume of sediment introduced into the channel exceeds the transport capacity of the flow. As the river-bed elevation rises, the flood risk increases, as a lower discharge is needed to overflow the banks. The purpose of this study is quantifying the effect of sediment overloading on the bed profile of a channel. Experiments are performed in a tilting flume located in the Mountain Hydraulics Laboratory of the Politecnico di Milano. A series of aggradation experiments are conducted with variable upstream sediment supplies and flow conditions while maintaining the same initial slope. Simultaneous measurements of the sediment feeding rate, the profile of the free surface and the flume bed elevation are performed by shooting movies with six action cameras and using suitable image processing methods. The sediment velocity along the used feeder is determined by applying a Particle Image Velocimetry algorithm to the movies of the vibrating channel and then converted into a sediment feeding rate. The profile of the free surface is measured by shooting an array of piezometers connected to the flume through piezometric probes, water elevation being then measured identifying buoyant spheres in the piezometer pipes. The profile along the flume is identified by an edge detection method applied to frames taken from the side of the flume. A first group of preliminary tests are carried out in order to determine the incipient motion condition and the sediment transport capacity of the flume. During each aggradation experiment, the sediment overloading leads to: the increase of the average bed elevation, the development of an aggradation front which moves downstream as the experiment proceeds, the formation of dunes; the morphologic processes then cause the variation of flow depth and velocity. By analyzing the measured profiles, two synthetic properties are investigated, namely the celerity of propagation of the sediment front and the front height. Results show that the celerity is an increasing function of the Froude number, while the front height decreases with the Froude number of the background flow. The celerity values are compared to a few predictors that are available in the literature, finding a good agreement with the equation of Alves and Cardoso (1999). Based on the obtained results, prospects for follow-up investigation are provided.

I fenomeni di erosione e deposito costituiscono la risposta di un corso d’acqua a sollecitazioni naturali o artificiali, che perturbano l’equilibrio esistente causando notevoli cambiamenti della morfologia. In particolare, il processo di interrimento ha luogo nel momento in cui la capacità di trasporto della corrente viene ridotta o il volume di sedimenti introdotto nel corso d’acqua eccede quest’ultima. A un incremento della quota del fondo alveo corrisponde un aumento del rischio alluvionale, in quanto la tracimazione delle sponde può verificarsi per portate minori. Il presente lavoro si pone l’obiettivo di quantificare l’effetto della sovralimentazione solida sul profilo del fondo alveo di un canale. La campagna sperimentale è condotta nel Laboratorio di Idraulica Montana del Politecnico di Milano. I test sono svolti in presenza di apporti solidi variabili e in condizioni di flusso diverse, mantenendo costante la pendenza del canale. Misure simultanee della portata solida immessa e dei profili longitudinali della superficie libera e del fondo alveo sono realizzate acquisendo filmati mediante sei videocamere e utilizzando degli appropriati algoritmi di image processing. Nello specifico, la velocità dei sedimenti in uscita dalla tramoggia viene rilevata applicando un programma di Particle Image Velocimetry ai fotogrammi del canale vibrante e, in seguito, convertita nella portata solida di alimentazione. I livelli idrici sono misurati riprendendo i nove piezometri del sistema e identificando alcune sfere nere presenti in essi. Un algoritmo di riconoscimento dei contorni, applicato alle immagini che ritraggono un lato del canale, consente di individuare il profilo del fondo alveo. Alcuni test preliminari sono svolti al fine di determinare le condizioni di incipiente movimento e la capacità di trasporto del canale. Nel corso degli esperimenti idro-morfologici, si osservano: un incremento della quota media del fondo alveo, lo sviluppo di un fronte di sedimenti che si propaga verso valle, la formazione di dune; si verificano, inoltre, variazioni dei livelli idrici e, conseguentemente, delle velocità. L’analisi dei profili ricavati consente di studiare due proprietà del fronte di deposito, ovvero la celerità di propagazione e l’altezza: i dati sperimentali mostrano che la prima è una funzione crescente del numero di Froude, mentre la seconda decresce all’aumentare di questo. I valori di celerità calcolati sono confrontati con quelli derivati da alcune formule di letteratura, riscontrando un buon accordo con l’equazione di Alves e Cardoso (1999). Infine, in base ai risultati ottenuti, si forniscono suggerimenti per ulteriori indagini.