Martedì 8 luglio 2014

Che cos’è la conduttività idraulica?

Questa edizione del blog affronta la domanda che cos’è la conduttività idraulica? Sul valore nominale questa è una domanda a cui si risponde nella maggior parte dei libri di testo di idrogeologia o acque sotterranee. Ma per l’ingegnere che pratica le acque sotterranee un problema più rilevante è che cosa significa conduttività idraulica nella nostra vita lavorativa su progetti di ingegneria? Questo è ciò che questo blog affronterà.

DEFINIZIONI DI CONDUTTIVITÀ IDRAULICA

Prima deve esserci un punto di terminologia. Nel linguaggio geotecnico la conduttività idraulica è spesso indicata come coefficiente di permeabilità, più comunemente abbreviato in permeabilità. Questo a volte può portare a confusione nella terminologia, come verrà menzionato più avanti.

In termini teorici, la conduttività idraulica è una misura di quanto facilmente l’acqua può passare attraverso il suolo o la roccia: valori elevati indicano materiale permeabile attraverso il quale l’acqua può passare facilmente; valori bassi indicano che il materiale è meno permeabile. La conduttività idraulica è tipicamente indicata con il simbolo k e ha unità di velocità, ad esempio metri/sec o metri/giorno.

Un aspetto chiave della conduttività idraulica è che esiste una gamma molto ampia di valori nei terreni e nelle rocce naturali, forse un intervallo da 10-2 m/s (per ghiaie e ciottoli molto aperti) a 10-11 m / s (argille non disseccate o massicce rocce non fratturate). Questa è una gamma enorme-un fattore di un miliardo! Questo è un intervallo molto più ampio di quanto ci si aspetterebbe per la maggior parte degli altri parametri geotecnici come la resistenza al taglio o la compressibilità.

È anche importante rendersi conto che il modo in cui un fluido (come l’acqua) passa attraverso un terreno o una massa rocciosa dipende non solo dalle proprietà del suolo/roccia, ma anche dalle proprietà del fluido permeante. Ciò significa che un determinato terreno o roccia si comporterà in modo diverso se è permeato da fluidi diversi, ad esempio acqua o idrocarburi (olio). Ecco perché usare il termine conduttività idraulica è utile, perché è chiaro che il termine si riferisce al flusso di acqua. Il problema con il termine ‘permeabilità’, ampiamente usato nell’ingegneria geotecnica, è che in altri settori (ad esempio l’industria petrolifera e del gas) si è portati a dire il ‘intrinseca permeabilità’ indipendente da quella che permea il fluido di permeabilità intrinseca è l’unità SI di m2, anche se è comunemente descritto in Darcys (dove 1 Darcy = 1 x 10-12 m2) – ed è significativamente diverso parametro di conducibilità idraulica.

Anche quando si tratta esclusivamente di acqua come fluido permeante, le proprietà dell’acqua possono avere un’influenza. La viscosità dell’acqua varia con la temperatura, quindi la conduttività idraulica varierà anche con la temperatura. Tuttavia, nella maggior parte dei casi, la gamma di variazioni di temperatura nei problemi geotecnici è abbastanza piccola da poter ragionevolmente trascurare eventuali cambiamenti nella conduttività idraulica risultanti.

COSA SIGNIFICA CONDUTTIVITÀ IDRAULICA?

Come molti parametri geotecnici, la conduttività idraulica è semplice nel concetto, ma ha alcuni aspetti molto complessi nella pratica, specialmente quando si cerca di ottenere misurazioni o stime realistiche delle proprietà.

Matematicamente, la conduttività idraulica è in realtà un coefficiente nella legge di Darcy, che mette in relazione la velocità del flusso d’acqua con il gradiente idraulico in condizioni di flusso laminare. Questo è facile da capire per il flusso attraverso un blocco isotropico di supporti porosi come si potrebbe vedere in un libro di testo, dove la conduttività idraulica è la stessa in tutti i punti (uniforme e omogenea) e in tutte le direzioni (isotropica).

Naturalmente il flusso d’acqua attraverso terreni o rocce è tutt’altro che omogeneo ed è raramente isotropico.

Nei terreni, la struttura è costituita da particelle minerali a contatto per formare lo scheletro del suolo, con una rete di pori interconnessi nello spazio tra.

Visione idealizzata delle particelle del suolo (in nero) e dello spazio dei pori circostante

L’acqua deve percorrere un percorso spesso tortuoso lungo pori irregolari tra le particelle. L’uso della legge di Darcy e del concetto di conduttività idraulica è giustificato dallo “zoom out” e dal trattamento di blocchi di terreno come mezzi porosi relativamente omogenei, ma è importante rendersi conto che il flusso delle acque sotterranee nei terreni può essere molto complesso su piccola scala. Il flusso può essere ulteriormente complicato dalla struttura del suolo o dal tessuto come stratificazione, laminazioni o agenti atmosferici.

Il modo in cui l’acqua scorre attraverso i pori di una massa del suolo è talvolta chiamato “permeabilità primaria” o flusso intergranulare. Al contrario, nella maggior parte delle rocce fratturate il principale modo in cui le acque sotterranee scorrono non è attraverso gli spazi tra le particelle minerali che formano la roccia (la massa rocciosa stessa tende ad avere una conduttività idraulica molto bassa). Invece l’acqua deve passare lungo fessure, fratture o discontinuità all’interno della massa rocciosa. Questo tipo di flusso è talvolta chiamato “permeabilità secondaria” o flusso di fessura.

visione Idealizzata di fessure o fratture nella roccia di massa

Proprio come i terreni, il flusso di acqua attraverso le rocce devono spesso prendere un percorso tortuoso lungo fessure irregolari, e di nuovo l’uso di Darcy legge e il concetto di conducibilità idraulica è giustificato da ‘zoom out’ e trattare i blocchi di suolo come equivalenti mezzi porosi. Tuttavia, va ricordato che il flusso delle acque sotterranee nella roccia fratturata può essere molto complesso a piccola, media e grande scala, specialmente dove la direzione della frattura, la frequenza e la larghezza dell’apertura sono controllate dalla struttura e dalle sollecitazioni della roccia o dove le rocce sono solubili in acqua (come gesso e calcari), dove le fessure possono essere ingrandite da millenni

PERCHÉ LA CONDUTTIVITÀ IDRAULICA È IMPORTANTE PER GLI INGEGNERI?

La conduttività idraulica può presentare un interessante problema teorico, ma perché dovrebbe interessare gli ingegneri geotecnici?

La risposta ovvia è che è un fattore chiave nel determinare la necessità di disidratazione e controllo delle acque sotterranee. Ad esempio, gli scavi al di sotto del livello delle acque sotterranee in un terreno ad alta conduttività idraulica richiederanno più pompaggio di disidratazione rispetto agli scavi in terreni a bassa conduttività idraulica. La maggior parte dei libri di testo e dei documenti di orientamento sul controllo delle acque sotterranee riguardano l’applicabilità di diverse tecniche di disidratazione alla conduttività idraulica in un modo o nell’altro.

Una risposta meno ovvia è che poiché la conduttività idraulica controlla la velocità di drenaggio del suolo o della roccia ha un impatto significativo sui problemi di stabilità geotecnica (muri di sostegno, pendii, argini, fondazioni).

Se un terreno ha un’elevata conduttività idraulica, quando un carico (stress totale) viene applicato a un terreno, le pressioni in eccesso di acqua dei pori generate dal carico si dissiperanno rapidamente. Nella terminologia della meccanica del suolo il terreno si comporterà in modo “drenato”, con sollecitazioni efficaci relativamente elevate, che a loro volta aumentano la resistenza al taglio del terreno o della roccia, rendendolo più forte. Al contrario, se un terreno ha una bassa conduttività idraulica, quando un carico (stress totale) viene applicato ad un terreno, le pressioni in eccesso di acqua dei pori generate dal carico non possono dissiparsi rapidamente. Nella terminologia della meccanica del suolo il suolo si comporterà in modo “non drenato”, con elevate pressioni di acqua in eccesso generate dal carico applicato, che poi si dissiperanno lentamente nel tempo (in alcuni casi impiegando diversi anni o addirittura decenni per dissiparsi). Le alte pressioni in eccesso dell’acqua del poro provocano gli sforzi efficaci bassi, riducenti la resistenza al taglio del suolo o della roccia, rendente lo più debole ed aumentante il rischio di instabilità di guasto.

L’importanza della conduttività idraulica nei problemi di ingegneria geotecnica è talvolta trascurata perché è spesso “avvolta” all’interno di un altro parametro, come il coefficiente di consolidamento cv, che può combinare la velocità di drenaggio (controllata dalla conduttività idraulica) con altri fattori.

STIMA DELLA CONDUTTIVITÀ IDRAULICA

È chiaramente importante avere stime realistiche della conduttività idraulica per molti problemi geotecnici. Tuttavia, ci sono diverse complicazioni con la stima della conduttività idraulica.

• Le proprietà idrauliche del terreno possono variare da luogo a luogo su brevi distanze e possono essere anisotropiche (diverse in direzioni diverse).
• Il tessuto del suolo (stratificazione, laminazioni, agenti atmosferici) e la struttura rocciosa (fessure, faglie, caratteristiche carsiche) possono influenzare la conduttività idraulica.
• L’atto di perforare un pozzo o di prelevare un campione può disturbare il terreno / roccia e influire sul valore osservato.
• La conduttività idraulica non viene misurata direttamente. In realtà i parametri fisici (come i livelli dell’acqua o le portate) vengono misurati direttamente e la conduttività idraulica viene quindi calcolata o interpretata. Ciò significa che esistono due tipi di errore potenziale: errori nella misurazione dei dati grezzi e errori nel calcolo della conduttività idraulica, specialmente se viene utilizzato un metodo di analisi non appropriato alle condizioni del test o del campione.

METODI DI STIMA DELLA CONDUTTIVITÀ IDRAULICA

Ottenere valori realistici di conduttività idraulica è difficile, ma vale comunque la pena farlo e dovrebbe essere una parte fondamentale delle indagini geotecniche.

Si possono adottare diversi approcci per stimare la conduttività idraulica:

• Valutazione visiva – valutazione del tipo di terreno o della classificazione e, in base all’esperienza o ai valori pubblicati, stima di un intervallo approssimativo di conduttività idraulica.
• Correlazioni granulometriche – utilizzo di correlazioni empiriche per correlare le distribuzioni granulometriche nei terreni granulari alla conduttività idraulica.
• Prove di laboratorio-prova del permeametro sui campioni del centro.
• Prove di trivellazione – Prove in situ (testa di salita, testa di caduta, test di testa costante) effettuate in pozzi durante la perforazione o successivamente in pozzi di monitoraggio.
• Prove di pompaggio-pompaggio controllato e attentamente monitorato da uno o più pozzetti, registrando il prelievo nei pozzetti di osservazione portata pompata.

I metodi di stima della conduttività idraulica saranno descritti nei blog successivi.