Influence of Valley Morphology on Earth Pressure in Composite Face Rockfill Dam

Sintesi Tecnica: Influenza della Morfologia della Valle sulla Spinta delle Terre in Dighe a Parete Composita con Riempimento in Massicciata

Definizione del Problema
Le dighe a parete composita con riempimento in massicciata, una forma strutturale innovativa progettata per superare i limiti delle convenzionali dighe a parete con riempimento che eccedono i 250 metri di altezza, integrano una sezione inferiore di diga a gravità in calcestruzzo con un corpo superiore in massicciata. Sebbene questo design faciliti la manutenzione e riduca la lunghezza delle lastre, introduce sfide di stabilità complesse, in particolare riguardanti l'interazione tra la rigida diga a gravità e la massicciata flessibile. Un parametro critico di progettazione per queste strutture è la spinta delle terre. Tuttavia, la pratica ingegneristica attuale si affida pesantemente alle classiche teorie di Rankine e Coulomb, che si basano su assunzioni di stato di deformazione piana 2D e ipotesi di suolo semi-infinito. Questi metodi tradizionali non riescono a tenere conto del forte confinamento laterale, della larghezza finita e degli effetti spaziali tridimensionali (3D) intrinseci nelle strette valli montane. Di conseguenza, le spinte delle terre calcolate spesso divergono significativamente dalle condizioni in situ, trascurando l'effetto di arco del terreno (soil arching) e la specifica ridistribuzione degli sforzi causata dalla topografia della valle. Questa discrepanza pone rischi per la stabilità della parte inferiore della diga a gravità, il controllo della compattazione e la compatibilità di deformazione tra la lastra superiore e la diga inferiore.

Metodologia
Per affrontare tali carenze, lo studio impiega un approccio multifasettico che combina derivazione teorica, monitoraggio sul campo e verifica numerica:

1. Derivazione Teorica: Gli autori hanno derivato una nuova formula analitica per la spinta attiva 3D utilizzando il metodo dell'equilibrio limite. La derivazione si basa su un modo di rottura a cuneo scivolante 3D che incorpora parametri morfologici chiave della valle: angolo di pendenza della valle, larghezza del fondo valle e rapporto larghezza-altezza della valle. Il modello tratta la massa di terreno scivolante come un corpo rigido soggetto al peso proprio, alle forze di reazione della diga a gravità e ai vincoli laterali delle pareti della valle, tenendo esplicitamente conto dell'effetto arco del terreno e della resistenza per attrito sia sulle superfici basali che su quelle laterali.
2. Verifica sul Campo: La formula teorica è stata validata rispetto ai dati di monitoraggio in situ della Stazione Idroelettrica di Yangqu, un progetto di diga a parete composita con riempimento in massicciata sul corso superiore del Fiume Giallo. Due sezioni di monitoraggio sono state strumentate con celle di pressione delle terre a varie elevazioni per tracciare l'evoluzione dinamica della pressione interfacciale durante il riempimento della diga.
3. Verifica Numerica: È stato stabilito un modello a elementi finiti (FEM) 3D utilizzando il modello costitutivo elastico non lineare E-B di Duncan-Chang per la massicciata e gli elementi di contatto di Goodman per le interfacce. Questo modello ha simulato la sezione tipica della diga di Yangqu per confrontare i risultati teorici con le simulazioni numeriche.
4. Analisi Parametrica: Utilizzando la formula derivata, è stato applicato un metodo a variabili di controllo per condurre analisi di sensibilità a fattore singolo e multi-fattore. Ciò ha quantificato l'influenza degli angoli di pendenza della valle (compresi tra 20° e 90°) e dei rapporti larghezza-altezza della valle sull'entità e la distribuzione della spinta delle terre.

Contributi Chiave e Risultati
Lo studio produce diverse scoperte critiche riguardanti la meccanica della spinta delle terre in dighe composte situate in valle:

• Validazione della Formula 3D: La formula della spinta 3D derivata dimostra un'alta coerenza sia con i dati di monitoraggio sul campo che con i risultati FEM. Le curve teoriche si allineano con l'andamento delle variazioni misurate, rientrando nell'inviluppo dei valori massimi e minimi rilevati. La formula riflette accuratamente la distribuzione unimodale della spinta delle terre, dove i valori di picco si verificano vicino al corpo superiore della diga (circa 2628 m) a causa dell'effetto arco del terreno, seguiti da una graduale diminuzione verso il basso.
• Sensibilità Dipendente dall'Elevazione: Lo studio rivela che la spinta delle terre è altamente sensibile alle variazioni di elevazione. Nella zona di bassa elevazione (2550–2600 m), la spinta delle terre diminuisce rapidamente all'aumentare dell'elevazione, indicando significativi effetti di compressione laterale. Sopra i 2600 m, la pressione si stabilizza. I valori teorici corrispondono generalmente ai dati misurati nelle sezioni superiori, ma mostrano deviazioni nelle sezioni inferiori dove le pressioni misurate rimangono più elevate delle previsioni teoriche, probabilmente a causa della complessa ridistribuzione degli sforzi 3D e delle tensioni residue di trazione.
• Impatto Quantitativo della Morfologia della Valle:
  • Angolo di Pendenza della Valle: Con un rapporto larghezza-altezza fisso, l'aumento dell'angolo di pendenza della valle da 20° a 90° aumenta la spinta delle terre del 20% - 57%. Questo effetto è più pronunciato alle quote inferiori.
  • Rapporto Larghezza-Altezza della Valle (Larghezza del Fondo Fissa): Riducendo il rapporto larghezza-altezza da 11,41 a 5,91 (restringendo la valle), la spinta delle terre diminuisce del 20% - 36%.
  • Rapporto Larghezza-Altezza della Valle (Angolo di Pendenza Fisso): Quando l'angolo di pendenza è costante, il rapporto larghezza-altezza agisce come il parametro di controllo dominante. Riducendo il rapporto da 15,7 a 2, si verifica una drastica riduzione della spinta delle terre dell'84% - 86%.
• Meccanismo di Riduzione: Le valli strette con pendenze ripide inducono un effetto di arco del terreno e un confinamento laterale più forti. Le pareti della valle agiscono come contrafforti naturali, trasferendo i carichi del terreno sovrastante a montagne laterali stabili, riducendo così significativamente la pressione che agisce sulle strutture di contenimento interne rispetto alle previsioni teoriche 2D.

Significatività
Il documento sostiene che la sua ricerca colma i difetti delle convenzionali teorie 2D della spinta delle terre fornendo una base teorica che incorpora gli effetti spaziali 3D del terreno vallivo e delle strutture di dighe composte. La formula analitica derivata offre uno strumento raffinato per la progettazione, la costruzione e il monitoraggio della sicurezza delle dighe a parete composita con riempimento in massicciata nelle regioni montuose. Quantificando come la morfologia della valle governi la spinta delle terre, lo studio consente calcoli degli sforzi e verifiche delle dimensioni strutturali più accurati, prevenendo potenzialmente il sovradimensionamento o il sottodimensionamento delle sezioni inferiori della diga a gravità. I risultati suggeriscono che ignorare il confinamento della valle porti a significative discrepanze nelle valutazioni di sicurezza, e l'approccio 3D proposto è essenziale per la realizzazione sicura di dighe super-alte in contesti topografici complessi.