Una diga è uno sbarramento artificiale permanente atto a regolare il deflusso di un corso d'acqua naturale, di creare un invaso, oppure di proteggere un tratto di costa o un porto. A seconda dei materiali impiegati per la costruzione la diga può essere di calcestruzzo (o muratura), in terra, di pietrame o di materiale misto. Gli sbarramenti in calcestruzzo possono essere del tipo a gravità (anche alleggerita), ad arco o di tipologie miste (arco-gravità, volte multiple, ecc.). Si tratta di un'opera importante in fase di progettazione e realizzazione nell'ambito dell'ingegneria civile.

Requisiti geologici

La scelta del tipo di diga dipende essenzialmente dalla forma e dalla geologia della stretta del fiume e dai materiali da costruzione disponibili nelle vicinanze. Quando si incontra una valle stretta ed alta con rocce sane affioranti si pensa in primo luogo ad una diga ad arco (che richiede ottime caratteristiche delle rocce dei versanti). Per una valle più larga e/o con rocce fratturate si pensa ad una diga a gravità in calcestruzzo (che richiede discrete caratteristiche delle rocce in fondazione).

Quando, invece, si incontrano strati di materiali sciolti (argille, sabbie, ghiaie) di grande spessore nel letto del fiume la scelta è obbligata per dighe deformabili come dighe in terra, dighe in rockfill (pietrame) con manto impermeabile in calcestruzzo o bituminoso o soluzioni intermedie tra le due.

Lo studio della geologia/geotecnica delle fondazioni è dunque il lavoro più importante e complesso nella progettazione di una diga. Per le dighe a gravità, ad esempio, si dice che una volta che si sono completati gli scavi raggiungendo la roccia di fondazione la diga è praticamente finita (cioè non ci sono più incertezze e il lavoro può andare avanti in modo "industriale").

Lo studio di fattibilità geologica di una diga è molto importante e deve tenere conto oltre che delle caratteristiche portanti dei terreni anche della loro permeabilità, fattore fondamentale in relazione alla capacità della diga di contenere l'acqua. Dal momento che non sempre è possibile costruire la diga in zone completamente circondate da terreni o rocce impermeabili, in superficie o in profondità, si rendono necessarie delle considerazioni riguardanti il rapporto tra la litologia del sito e la sua capacità di contenere l'acqua. Ad esempio la presenza di strati o fessurazioni paralleli alla diga (quindi perpendicolare all'asse dell'invaso) è sfavorevole dal momento che la presenza di uno strato permeabile induce l'acqua ad allontanarsi ed essere così persa.

Tipi di dighe

Dighe murarie a gravità

Sono strutture massicce in calcestruzzo generalmente di geometria semplice. L'asse è rettilineo, o leggermente arcuato, e la sezione tipo è di forma triangolare. La superficie esposta all'acqua, detta paramento di monte, è verticale o sub-verticale mentre il paramento di valle ha una pendenza generalmente compresa tra 0.7:1 e 0.8:1 circa.

Questo tipo di diga resiste alla spinta dell'acqua grazie al proprio peso ed all'attrito/coesione tra la diga e la roccia di fondazione. Le principali forze agenti sulla struttura sono indicate nella figura a lato.

In particolare, I rappresenta la forza peso, II la spinta dovuta alle sotto pressioni, III è la forza idrostatica orizzontale lato monte, IV è la componente idrostatica lato valle, V forza causata dal materiale sedimentato mentre VI è la forza orizzontale esercitata dal ghiaccio. A queste forze statiche vanno ad aggiungersi quelle dinamiche dovute per esempio a cause sismiche. La VII rappresenta un'ulteriore forza idrostatica, la VIII e la IX sono rispettivamente la componente verticale ed orizzontale. R infine è la risultante di tutte le forze.

Essendo una struttura massiccia e rigida, a differenza ad esempio delle dighe in materiali sciolti, richiede in fondazione rocce "discretamente" resistenti e poco deformabili.

Le dighe a gravità sono, generalmente, particolarmente sicure in caso di eventi naturali straordinari quali piene estreme o terremoti.

Un esempio di questo tipo di dighe è una diga svizzera, chiamata Grande Dixence alta 285 m (è la terza diga più alta del mondo) e con uno sviluppo di 695 m al coronamento, costruita con un volume di 6 milioni di metri cubi di cemento. La diga di maggior volume realizzata è la diga delle tre gole a Wuhan, Cina, che ha uno sviluppo in coronamento di 2,4 km a fronte di un'altezza di 185 m.

La diga a gravità della Maigrauge, in Svizzera, inaugurata nel 1872 è stata la prima diga europea ad essere costruita in calcestruzzo.^[1]

Negli ultimi 20 anni le dighe a gravità hanno subito un grande sviluppo grazie all'invenzione del Calcestruzzo Rullato Compattato (RCC) tecnologia che permette di abbattere i costi e i tempi di realizzazione di queste dighe. Questa tecnologia è stata peraltro ideata dagli italiani per la diga di Alpe Gera negli anni sessanta e ripresa 20 anni dopo negli Stati Uniti. Anche una delle dighe più grandi al mondo oggi in costruzione di questo tipo, Gibe III in Etiopia alta 240 m, è progettata e realizzata da italiani.

Dighe murarie a contrafforti

Le dighe a contrafforti, dette anche a gravità alleggerita, sono sostanzialmente una variante delle dighe a gravità. Inclinando il paramento di monte e lasciando delle cavità nel corpo della diga si sfrutta, in estrema sintesi, il peso dell'acqua per la stabilità allo scorrimento al posto del peso del calcestruzzo. Sono state realizzate diverse centinaia di dighe nel mondo di questa tipologia fino agli anni settanta-ottanta ma oggi sono poco frequenti per l'aumento del costo della mano d'opera che non è più compensato dalla riduzione dei volumi di calcestruzzo (rispetto alla diga a gravità). In generale si può dire che la maggiore complessità di realizzazione ed il leggero aumento di rischio dovuto alla concentrazione delle spinte in fondazione rende ad oggi questo tipo di diga spesso meno conveniente rispetto alle altre tipologie.

Dighe murarie a volta

La loro struttura è particolarmente leggera grazie alle caratteristiche di resistenza degli archi, che consentono di scaricare ai vincoli laterali (e quindi alla montagna) il carico dell'invaso. Le dighe a volta possono essere a curvatura semplice o doppia. Nel primo caso sono dette "ad arco", e lavorano come una serie di archi orizzontali sovrapposti (tipiche per le valli con "forma ad U"); nel secondo, sono dette "a cupola" e sono caratterizzate da una curvatura sia orizzontale che verticale (tipiche per le valli con "forma a V"). La struttura riceve la spinta dell'acqua dell'invaso (ed altre azioni secondarie) e la scarica sulle sponde della vallata, dette "spalle", come l'arco o la cupola scaricano il proprio peso e le azioni degli agenti atmosferici sulle fondazioni.

Le dighe a volta sono realizzate in calcestruzzo generalmente non armato con le opere accessorie (scarichi di superficie e di fondo, opera di presa, etc.) generalmente poste nel corpo della struttura. Il "fattore di snellezza" di alcune di queste dighe è molto superiore a quello di un guscio d'uovo.

Gli italiani hanno realizzato nel dopoguerra una serie di dighe a volta particolarmente ardite (cioè estremamente snelle), come ad esempio la diga di Osiglietta, inventando soluzioni innovative come il "pulvino" (un giunto speciale di collegamento tra struttura e fondazione).

Recentemente diverse grandi dighe a volta sono state realizzate in Cina (ad esempio Ertan con altezza pari a 240 m e larghezza alla base di soli 55 m contro i 220 m che avrebbe avuto una equivalente diga a gravità e la diga di Xiaowan che coi suoi 292 m è la seconda diga più alta del mondo).

La recente tecnologia di posa del calcestruzzo detta "RCC" ha restituito la competitività economica a questa soluzione penalizzata dai crescenti costi della mano d'opera.

Una tristemente famosa diga ad arco a doppia curvatura è quella del Vajont, alta circa 265 metri e larga alla base 27. Per rendersi conto della resistenza di questo tipo di dighe basta pensare che la diga di Vajont è rimasta praticamente intatta dopo la tragica frana del Monte Toc. La sollecitazione di punta si calcola sia stata circa 10 volte quella massima prevista a progetto e tuttora sostiene la pressione di circa 200 metri di terra e roccia facente parte della frana stessa.

Dighe murarie ad arco-gravità

Le dighe di questo tipo resistono alla spinta dell'acqua sia grazie alla curva longitudinale che al peso proprio della sezione trasversale.

Dighe in materiali sciolti

Sono dighe composte di terra, pietrame o altri materiali slegati tra loro a formare una barriera a gravità contro il bacino acqueo. Il Regolamento Italiano Dighe impone particolari condizioni di realizzazione delle dighe in terra, prima su tutte non ammette la tracimazione attraverso l'opera stessa. La diga deve prevedere uno scarico di fondo, che permette di smaltire la portata di massima piena calcolata considerando il franco di sicurezza. Quest'ultimo deve essere più alto di 1,5 metri rispetto all'altezza della semionda di massima piena presumibile. Le altezze che è possibile raggiungere al coronamento dalla base possono tranquillamente raggiungere i 150 metri purché vengano considerate tutte le particolari condizioni ambientali e soprattutto i possibili problemi legati alla realizzazione di uno sbarramento di elevate dimensioni.

Le dighe in materiali sciolti sono molto utilizzate anche quale separazione dei polder dal mare. I polder sono tratti di mare asciugato artificialmente attraverso sistemi di drenaggio dell'acqua e recintati da dighe atte ad impedire il ritorno delle acque.

Dighe mobili

La diga mobile, o a livello costante, ha un'altezza limitata; è generalmente costruita a valle del corso dei fiumi, preferibilmente in un luogo di debole pendenza. Si utilizza generalmente questo tipo di diga nella sistemazione degli estuari e dei delta dei fiumi.

Secondo il tipo di costruzione la diga mobile può essere:

• A cancellazione sul fondo del fiume per permettere lo smaltimento totale o in posizione intermedia per creare uno stramazzo.
• A battente ad asse verticale, come le moderne dighe olandesi di Maeslantkering, o la chiusa del porto-canale di Cesenatico per impedire alle maree di esondare.

• A battente ad asse orizzontale con possibilità di sfogo verso l'alto quando il flusso diventa critico, cosa che evita di costituire un ostacolo allo smaltimento delle acque in tempo di piena.
• La parte fissa corrisponde ad una piattaforma.
• Una grande paratoia a settore, che in posizione determina un battente che si sostiene sulla piattaforma, mentre in posizione di sollevamento completo, lascia lo smaltimento completamente libero.
• Una paratoia a ventole, che permette di regolare lo smaltimento a stramazzo e il livello d'acqua a monte della diga.

Lo smaltimento dell'acqua può prodursi sotto il battente quando la paratoia a settore inferiore è sollevata (e questo permette anche di pulire la superficie della piattaforma), o con la cima in stramazzo, quando la paratoia superiore a ventole è abbassata.

• Paratoia a gravità, di un funzionamento teoricamente molto semplice, la paratoia a gravità comporta soltanto pochi elementi meccanici. Si tratta di una paratoia, che è una "camera d'aria" articolata attorno ad una cerniera fissata su una base di calcestruzzo.
  • In posizione riposo la "camera" si riempie d'acqua e la paratoia si adagia sul fondo sotto il suo stesso peso.
  • In posizione attiva, dell'aria compressa espelle l'acqua e permette alla paratoia di risalire per galleggiamento. L'altezza dipende dalla quantità d'aria.
  • Tale metodo è in applicazione nel progetto MOSE che deve proteggere la Laguna di Venezia dall'acqua alta.

Scarichi

Un bacino artificiale formato da una diga necessita di una o più opere di scarico che permettano, a seconda dei casi, di:

• mantenere in caso di piena il livello della diga al di sotto della soglia ritenuta di sicurezza;
• convogliare parte dell'acqua contenuta nell'invaso verso la destinazione per la quale esso è stato costruito (ad es. verso un acquedotto o un canale irriguo);
• permettere lo svuotamento parziale o totale del bacino per poter effettuare la manutenzione dello stesso e/o del paramento a monte dalla diga.

Gli scarichi di una diga possono essere di superficie o di fondo a seconda che l'opera di scarico peschi sulla superficie del bacino oppure ad una profondità più o meno elevata. Quelli di superficie sono costituiti da sfioratori di varie tipologie, mentre quelli di fondo sono in genere gallerie in pressione il cui imbocco è regolato da una paratoia.^[2]

Espressione per il calcolo della forza

La seguente formula (di semplice derivazione a partire dalla legge di Stevino) esprime la spinta o forza esercitata da una massa di liquido nei confronti di una parete contenitrice verticale e quindi si presta dunque al calcolo della componente orizzontale della forza esercitata dall'acqua su una diga:

${\displaystyle F={\frac {1}{2}}{\rho }ghs\;}$

dove:

${\displaystyle {\rho }=\;}$ densità del liquido, tipicamente 1 ${\displaystyle g/cm^{3}}$

${\displaystyle g=\;}$ accelerazione di gravità, tipicamente ${\displaystyle 9,81N/Kg}$

${\displaystyle h=\;}$ profondità del bacino

${\displaystyle s=\;}$ superficie verticale contro la quale il liquido "spinge"

Per l'equilibrio del sistema diga + lago e il dimensionamento della diga stessa, quest'ultima dovrà esercitare una spinta opposta almeno pari a quella della massa d'acqua per resistere alla sollecitazione, più un certo margine di sicurezza.

Le dighe più alte al mondo

• Jinping-I Dam, 305 m
• Nurek Dam, 300 m
• Diga di Xiaowan, 292 m
• Xiluodu Dam, 285.5 m
• Grande Dixence, 285 m
• Diga di Inguri, 272 m
• Diga del Vajont, 261,6 m
• Diga Chicoasén, 261 m

Note

• DM LL. PP. 24 marzo 1982, in materia di "Norme tecniche per la progettazione e la costruzione delle dighe di sbarramento"

Voci correlate

• Argine
• Diga foranea
• Bacino idroelettrico
• Centrale idroelettrica
• Energia idroelettrica
• Energie rinnovabili
• Produzione di energia elettrica
• Produzione di energia elettrica in Italia
• Tempo di ritorno
• Lago artificiale
• Calcestruzzo ciclopico