Sviluppo dello scour e sistemi di protezzione innovativi intorno a un palo eolico in ambiente marino: prove sperimentali

Laboratory experiments were devoted to investigate the emergence and development of scour at the base of a slender pile immersed within an erodible bed and exposed to waves. The efficiency of geotextile sand containers (GSCs) placed around the base of the pile to prevent local erosion was also analyzed. The experiments were performed in the wave flume of the Hydraulics Laboratory of the UNIVPM. Regular and irregular waves were tested, with heights H=7÷27cm and periods T=1.8÷2.7s. The Keulegan Carpenter Number KC ranged from 2 to 20. The results confirm some far-field nearbed transport for dimensionless shear stresses exceeding the threshold Shields parameter ϑ_cr (live bed scour). The scour occurs with KC>6, corresponding to the onset of vortex shedding. The heaviest wave exposures (with KC=13.78 and KC=19.57) resulted in the deepest lowering recorded. Comparisons of the experimental data concerning the scour depths with the formula proposed by Sumer & Fredsoe (2002) have shown a good agreement. It should be noted that many tests have been influenced by the formation of ripples. The trend of the experimental scour depth is qualitatively similar to that of the theoretical curve of Sumer et al. (1992). However, during the early stages of evolution the experimental scour hole deepens faster that the predictions. The protection with GSCs turns out to be very effective in terms of reduction of scour. Moreover, they were found stable for waves having T=2.7s and H<20cm, while increasing H displacements occurred. The experimental results disagree with the hypotheses proposed by Recio & Oumeraci (2009), estimated by the authors considering the condition of seawall and not properly suitable for the configuration examined. At the base of the pile the negative pressure gradients were recorded in the area 0°-45°, where transport occurs of the horseshoe vortices and the gradients switches back to positive values at 90° and 135°, with likely separation of the flow within the boundary layer. Calculations with the formulae of Sumer & Fredsoe (1997) made it possible to locally compute the flow speeds and estimate KC, which confirmed that in the areas where KC is greater a larger scour is found.

Lo scopo della ricerca è quello di verificare sperimentalmente l’intensità dello scour del fondale sabbioso alla base di un palo a seguito di vari attacchi ondosi e l’efficienza dei sacchi di geotessile riempiti di sabbia (GSCs), metodo innovativo di protezione. I modelli fisici in scala 1:30 sono stati realizzati nel canale per onde del Laboratorio di Idraulica dell’UNIVPM. Sono state testate onde regolari e irregolari, con altezze H=7÷27cm e periodi T=1.8÷2.7s. Il Numero di Keulegan Carpenter KC varia da 2 a 20. I risultati confermano l’esistenza dei regimi proposti da Sumer & Fredsøe (2002), clear-water e live-bed scour. Lo scour si realizza con attacchi ondosi aventi KC>6, coincidente con l’inizio del vortex shedding. Le situazioni ondose più gravose (aventi KC=13.78 e KC=19.57) hanno originato l’abbassamento maggiore. Comparazioni dei dati sperimentali sulla profondità di scour con la formula di Sumer & Fredsøe (2002) mostrano un buon adattamento, anche se lo scour osservato evolve più rapidamente di quello predetto. Va tenuto conto che molte prove risultano influenzate dalla formazione di ripples. La protezione con GSCs è molto efficace in termini di riduzione dello scour (riduzioni dell’ordine del 80-90%). La stabilità dei GSCs è apprezzabile: essi sono stabili per onde con T=2.7s e H<20cm, mentre all’aumentare di H si sono verificati dislocamenti. I risultati sperimentali sono in disaccordo con la teoria di Recio & Oumeraci (2009), che però fa riferimento a strutture radenti. Le misure del gradiente di pressione alla base del palo hanno registrato gradienti negativi nella zona 0°-45°, dove si ha il trasporto degli horseshoe vortices, mentre a 90° e 135° essi tornano ad essere positivi, con probabilità di separazione del flusso all’interno dello strato limite. Dalle formule di Sumer & Fredsøe (1997), sono state ricavate localmente le velocità e stimati i valori di KC, che confermano come nelle zone in cui KC è maggiore si ha uno scavo più significativo.