CRITERI GEOTECNICI DI PROGETTAZIONE DELLE OPERE DI MARGINAMENTO

CRITERI GEOTECNICI DI PROGETTAZIONE DELLE OPERE DI MARGINAMENTO DELLE FALDE INQUINATE Battista Grosso 1, Marco Cigagna 1, Giuseppe Frongia 2, Aldo Muntoni 1, Paolo Tronci 1 Università degli studi di Cagliari Dipartimento di Geoingegneria e Tecnologie Ambientali

INDICE • PROBLEMATICHE CONNESSE ALLA MESSA IN SICUREZZA DEL POLO INDUSTRIALE DI PORTOVESME • BARRIERE FISICHE VERTICALI • BARRIERE IDRAULICHE • CRITERI DI SCELTA DELL’INTERVENTO DI CONTENIMENTO DEGLI INQUINANTI NEL POLO INDUSTRIALE DI PORTOVESME • CONCLUSIONI

PROBLEMATICHE CONNESSE ALLA MESSA IN SICUREZZA DEL POLO INDUSTRIALE DI PORTOVESME

Modello concettuale

Sintesi dei caratteri morfologici e geologici • orizzonte continuo • la copertura di sabbie alluvionale dunarièsciolte, sede dicon un sovrapposti accumulo idrico materiali sostenuto di origine dallaantropica; superficie di • lenti allungate contatto argilloso–sabbiose con le rocce vulcaniche; intercalate ad orizzonti ghiaiosi; • livelli di sabbie • il primo molto acquifero, addensate nelle e compatte, rocce vulcaniche, con intercalati è complicato livelli argillosi; dall’esistenza di faglie e livelli • livelli algalitufacei e torbosi, impermeabili più frequenti intercalati; verso il basso; • livelli siltosi • travaso più o meno sotterraneo continui. dal sopramonte vulcanico posto ad est, verso l’area industriale; le faglie hanno un ruolo idrogeologico importante. 80 – 90 m ignimbriti riolitiche massive, caratterizzate da estrema saldatura, colore dal grigio ceruleo al rosso cupo, in coltri potenti, in media superiori ai 20 m; arealmente più estese, caratterizzano morfologicamente il paesaggio; flussi cineritico pomicei di uguale composizione mineralogica, potenza 20 40 m; ignimbriti riolitiche la cui potenza si aggira sui 15 25 m,

Sintesi dell’idrogeologia • il settore nord è caratterizzato da una direzione prevalente di deflusso sotterraneo NNE-SSW ed un gradiente piezometrico medio variabile nell’intervallo 0. 7% 1%; • il settore Sud, caratterizzato da una direzione prevalente di deflusso sotterraneo NW-SE e gradienti piezometrici decisamente inferiori (i=0. 2% 0. 7%); • la soggiacenza media della falda è variabile da 10 m circa in corrispondenza del settore nord a 1 -2 m lungo la fascia costiera;

Problematiche relative alla scelta dell’intervento per il contenimento del flusso inquinato Tipici Interventi di Marginamento Barriere fisiche verticali Barriere Idrauliche Confronto: Øefficacia, reale o presunta, di intercettazione del flusso Øimpegno tecnologico ed economico Øtempi di realizzazione Øimpatti di tipo ambientale nel breve e nel lungo periodo Complessità del problema ed Incertezze: Øaspetti geologici, geotecnici ed idrogeologici delle formazioni coinvolte Øgaranzie su tecnologie costruttive e tolleranze di lavorazione Øaspetti gestionali degli impianti Øcompatibilità dei materiali utilizzati con le caratteristiche delle acque etc Aspetti critici del problema: - profondità e permeabilità del basamento - vicinanza dei bersagli alle fonti di inquinamento - basso valore del gradiente idraulico - richiamo di acqua salata dal mare

BARRIERE FISICHE VERTICALI Applicazioni in campo civile a partire dagli anni ’ 40: - opere di sostegno degli scavi: funzione strutturale - costruzioni di dighe: funzione idraulica di riduzione dei flussi Applicazioni in campo ambientale a partire dagli anni ’ 70: -Messa in sicurezza di emergenza -Messa in sicurezza definitiva Obiettivo: annullamento dei flussi Richiesta di Standard prestazionali molto più elevati Procedure costruttive e sistemi di controllo del processo costruttivo estremamente rigorosi

Configurazione geometrica delle barriere fisiche verticali Figura 4: Cinturazione a monte Figura 5: Cinturazione a valle

Configurazione geometrica delle barriere fisiche verticali Figura 6: Cinturazione perimetrale

Configurazione geometrica delle barriere fisiche verticali In relazione al rapporto con il substrato impermeabile di fondo, si distinguono: • barriere verticali immorsate (per 0. 5 – 1 metro) nello strato impermeabile di fondo e realizzate generalmente per il contenimento da sostanze inquinanti miscibili con l’acqua o pesanti; • barriere verticali sospese utilizzate nel caso in cui le sostanze inquinanti siano leggere o non miscibili (idrocarburi).

Tecnologie di realizzazione delle barriere verticali • scavo, asportazione del terreno e sua sostituzione con miscele impermeabilizzanti • spostamento laterale del terreno attraverso infissione di elementi strutturali quali palancole o manufatti prefabbricati • riduzione della permeabilità del terreno originario attraverso l’introduzione di miscele impermeabilizzanti

Caratteristiche prestazionali delle barriere verticali

Diaframmi plastici – Sistemi di costruzione Fasi della costruzione: 1. scavo della trincea (spessore 0. 4 - 1. 6 metri), fino alla profondità di progetto. Durante lo scavo le pareti della trincea sono stabilizzate da una miscela acquabentonite (diaframmi bifase) o acqua – cemento – bentonite (diaframmi monofase); 2. riempimento della trincea mediante la miscela che garantisce le caratteristiche prestazionali del diaframma ed in particolare la bassa permeabilità; per la realizzazione dei diaframmi monofase, il materiale di riempimento è immesso durante la fase di scavo della trincea e svolge anche il compito di stabilizzazione delle pareti. 3. introduzione dei teli in HDPE (diaframmi compositi) Figura 7: Scavo continuo di un diaframma terreno - bentonite Figura 8: Fasi della costruzione di un diaframma per pannelli alternati

Diaframmi plastici – Sistemi di costruzione 1. scavo della trincea Benne mordenti 1. Le benne mordenti (6 – 10 t) possono essere a funzionamento idraulico o meccanico. Stabilità pareti durante lo scavo 2. Le delle benne sono manovrate mediante fune 1. miscela proporzione compresa fra liberaacqua-bentonite o tramite aste diinguida tipo Kelly. 1 e. La 5%verticalità dello scavo è determinata dal 3. pesodi dell’utensile ed è controllata 2. Livello piano di campagna o falda attraverso inclinometri 3. Produzione del biassiali. fango 4. Correzioni sono possibili attraverso 4. Caratteristiche del fango – valori del peso specifico l’azionamento delle valve della benna sospesa dalla fune. La durata del ciclo aumenta con il crescere della profondità per cui anche il costo unitario del diaframma (riferito per esempio al m 2) è crescente con la profondità.

Diaframmi plastici – Sistemi di costruzione 1. scavo della trincea Scavo con Idrofresa 1. Teste rotanti in verso 1. La tecnologia scavo di opposto con vdivariabile trincee con idrofresa è 2. Possibilità di cambiare gli nata in Giappone negli utensili anni ‘ 80 Possibilitàprofondi di variazione 2. 3. diaframmi larghezza teste 3. della minimi valoridelle di scavo (spessore del tolleranze di lavorazione diaframma) 4. Scavo in rocce con sc fino a 250 MPa 5. Estrazione dei frammenti attraverso pompe per fango (200 e 700 m 3/ora ) 6. Regolazione della v di scavo attraverso il pistone

Diaframmi plastici – Sistemi di costruzione 1. scavo della trincea Scavo con Idrofresa Sistema di guida 1. Misura dell’inclinazione mediante pendolo 2. Pattini di guida 3. Tolleranze 0. 5 – 0. 1 % Nei lavori di realizzazione del passante ferroviario di Torino - terreni sedimentari a profondità 34 metri, con una larghezza di 1 m, 100 m 2/giorno. il solo costo di costruzione è stato stimato in 130 Euro/m 2.

Diaframmi plastici – Sistemi di costruzione 2. Riempimento della trincea Miscele impermeabilizzanti 1. Terreno – bentonite: 1. proporzione bentonite/terreno è del 4 – 6 % 2. peso specifico della miscela è intorno a 11 k. N/m 3 4. Diaframmi compositi : 3. permeabilità 10 -9 – 10 -8 m/s 1. autoindurente 4. gel costicemento-bentonite di realizzazione modesti (40 – 80 Euro/m 2) 2. di una telo o pannello in HDPE 5. l’inserimento poco profondi (fino 40 metri) 3. permeabilità fino a 10 -12 m/s 6. riduzione Costruzionedella bifase 4. profondità 2. Terreno – cemento - bentonite: massime 40 - 50 metri 5. monofase 1. Costruzione proporzione bentonite/terreno è del 4 – 6 % 2. proporzione cemento/terreno è del 10 % 3. Bentonite: bassa permeabilità 4. Cemento: 5. Cemento – bentonite – inerti – resistenza acqua (calcestruzzo plastico ) : 5. Costruzione bifase 1. sollecitazioni a cui è sottoposta la barriera 3. Gel cemento - bentonite: rilevanti 1. diaframmi monofase e bifase 2. Costruzionedibifase 2. fino a 100 3. Profondità permeabilità a metri 10 -9 m/s 3. 10 -9 – 10 -8 4. permeabilità profondità massime 40 m/s - 50 metri Acqua 55% - 75% Cemento 7% - 20% Bentonite sodica 4% - 6%

Diaframmi plastici cemento - bentonite Pareti verticali impermeabili costituite da una miscela cemento - bentonite Tipo di barriera verticale più diffusa in Europa Negli Stati Uniti dagli anni ’ 80, vengono utilizzate principalmente le barriere terreno – bentonite. Innovazioni tecnologiche e nuove applicazioni: 1. Introduzione di teli in HDPE 2. sviluppo di nuove tecnologie di scavo per barriere verticali profonde (fino a 120) e terreni di caratteristiche variabili. 3. materiali biodegradabili per il sostegno delle pareti degli scavi 4. sistemi funnel and gate

Sistemi funnel and gate

Criteri di dimensionamento dei diaframmi Obiettivo: contenimento del flusso inquinante 1. I parametri dimensionali che determinano la capacità di contenimento sono: • • • Conducibilità idraulica del materiale Spessore del diaframma Profondità di immorsamento 2. Criteri di dimensionamento possono essere derivati dal D. Lgs. n. 36 del 13 gennaio 2003 “Attuazione della direttiva 1999/31/CE relativa alle discariche di rifiuti”: Permeabilità e spessore possono essere determinati sulla base del tempo minimo di attraversamento Tipologia rifiuto Spessore (m) K (m/s) Tmin (gradiente unitario) Pericoloso 5 10 -9 5. 109 s (158, 55 anni) Non pericoloso 1 10 -9 109 s (31. 71 anni)

Criteri di dimensionamento dei diaframmi Spessore b: - kd: conducibilità idraulica della barriera; - DH: differenza di carico idraulico - nd: porosità efficace della barriera; - ta: tempo di attraversamento. Profondità di immorsamento c: - ks: conducibilità idraulica del substrato; - ns: porosità efficace del substrato;

BARRIERE IDRAULICHE Obiettivo: protezione dei bersagli posti a valle cattura del flusso contaminato Intervento: depressione della superficie piezometrica e la deviazione delle linee di flusso verso i pozzi stessi Ubicazione: esterna alla zona di contaminazione Tempi ridotti di realizzazione: Interventi di messa in sicurezza sia di emergenza sia operativa

CRITERI DI DIMENSIONAMENTO DELLE BARRIERE IDRAULICHE 1. Ampiezza del fronte di cattura del pozzo maggiore del fronte del flusso inquinato 2. Profondità di richiamo maggiore di profondità di diffusione del contaminante 3. Portata estratta maggiore o uguale alla portata che attraversa la fonte o la sezione del plume

CRITERI DI DIMENSIONAMENTO DELLE BARRIERE IDRAULICHE 1. Ampiezza del fronte di cattura del pozzo Equazione di Bear x, y = coordinate cartesiane; l’origine è il pozzo K = conducibilità idraulica media [m/s] b = spessore dell’acquifero [m] i = gradiente idraulico in condizioni pre-pompaggio [adimensionale] Q = portata estratta dal pozzo (tasso di pompaggio) [m 3/s]

CRITERI DI DIMENSIONAMENTO DELLE BARRIERE IDRAULICHE Efficienza idraulica della barriera Ei = (ΣLr)/ Lcont

CRITERI DI SCELTA DELL’INTERVENTO DI CONTENIMENTO DEGLI INQUINANTI NEL POLO INDUSTRIALE DI PORTOVESME Aspetti caratterizzanti il caso del polo industriale di Portovesme: 1. ampiezza del fronte inquinante; 2. profondità del substrato roccioso; 3. stato di fratturazione e permeabilità del substrato roccioso; 4. vicinanza della linea di costa alle fonti di inquinamento; 5. qualità delle acque; 6. impatti ambientali nel breve e nel lungo periodo.

CRITERI DI SCELTA DELL’INTERVENTO DI CONTENIMENTO DEGLI INQUINANTI NEL POLO INDUSTRIALE DI PORTOVESME Ampiezza del fronte contaminato: circa 6. 5 km Tempo e costo di realizzazione dell’intervento di messa in sicurezza Intervento Barriera idraulica Diaframma Tempo di realizzazione Costo di realizzazione (milioni di Euro) 1 anno 10 3 – 5 anni 200 – 300

CRITERI DI SCELTA DELL’INTERVENTO DI CONTENIMENTO DEGLI INQUINANTI NEL POLO INDUSTRIALE DI PORTOVESME Profondità del substrato roccioso : da 40 a 90 m Tecnologie e tolleranze di lavorazione Intervento Barriera idraulica Diaframma Metodo di scavo Problematiche sonda - battipalo Idrofresa Tolleranze Garanzia di immorsamento Impermeabilità fondo Sicurezza di continuità Interferenza del chimismo acqua con bentonite 0. 5 – 0. 1% (50 – 10 cm a 100 m)

CRITERI DI SCELTA DELL’INTERVENTO DI CONTENIMENTO DEGLI INQUINANTI NEL POLO INDUSTRIALE DI PORTOVESME Distribuzione delle fonti di inquinamento su tutta l’area e vicino alla linea di costa Tracciato dell’opera lungo ed in vicinanza della linea di costa Richiamo di acqua dal mare

Obiettivi del dimensionamento della barriera idraulica 1. Cattura integrale del flusso inquinato da monte 2. Minimizzazione della portata richiamata da valle Parametri del dimensionamento 1. Portata totale 2. Mutua distanza e numero dei pozzi 3. Profondità dei pozzi

Effetto della barriera fisica: riduzione della portata richiamata da valle Soluzione intermedia: Diaframma sospeso

Confronto fra le due soluzioni (parametro portata richiamata da valle) Costi di gestione: proporzionali alla portata del trattamento Barriera fisica: alti costi di costruzione – bassi costi di gestione Barriera Idraulica: bassi costi di costruzione – alti costi di gestione Intervento Portata totale Portata da monte Portata da valle (m 3/anno) Barriera fisica 850. 000 0 Barriera fisica sospesa 1. 150. 000 875. 000 275. 000 Barriera idraulica 1. 150. 000 850. 000 300. 000

Impatti dell’intervento sull’ambiente 1. Volume del materiale proveniente dallo scavo Barriera fisica: 370. 000 m 3 Barriera idraulica: trascurabile 2. Effetti della barriera fisica nel lungo periodo Barriera idraulica: trascurabili Barriera fisica: innalzamento della superficie piezometrica al termine dell’eduzione

Barriera fisica: innalzamento della superficie piezometrica al termine dell’eduzione

Conclusioni Incertezza sulla base di dati di progetto Profondità elevate e rischi di non raggiungimento degli obiettivi di progetto (barriera fisica) Necessità di intervento in tempi brevi Approccio Osservazionale: 1. Intervento suddiviso in fasi 2. Sistema di verifica dell’efficacia 3. Aggiornamento del progetto e dell’intervento