Filtrazione: guida operativa¶

La teoria del flusso stazionario è in Analisi di flusso stazionario, le condizioni al contorno in Condizioni idrauliche al contorno e la procedura iterativa in Metodo di analisi in GFAS.

Questa pagina risponde invece alle domande pratiche: quale analisi lanciare, come capire se il risultato è attendibile e come far arrivare le pressioni neutre all'analisi tensionale.

1. Tre analisi diverse, non una¶

GFAS mette a disposizione tre calcoli distinti che riguardano l'acqua. Sceglierne uno per un altro è l'errore che porta più spesso a risultati inattesi.

Analisi	Cosa fa	Quando si usa
Sola falda (GWT)	Non risolve nessun problema di filtrazione. Data la polilinea della falda, assegna a ogni nodo la pressione neutra idrostatica in funzione della distanza verticale dal pelo libero.	Falda ferma, nessun moto di filtrazione. È il caso più comune nelle verifiche geotecniche ordinarie.
Filtrazione confinata	Risolve il campo del carico totale φ su tutto il dominio, con permeabilità costante. Nessuna superficie libera.	Acquifero confinato fra strati impermeabili; flusso sotto una palancolata o una diga con contorno saturo noto.
Filtrazione a superficie libera	Come sopra, ma la posizione della linea freatica è incognita e viene trovata iterativamente, disattivando gli elementi che risultano sopra di essa.	Argini, dighe in terra, pendii con moto di filtrazione: ogni volta che la superficie di saturazione va determinata.

La domanda da farsi

L'acqua si muove? Se no, è sola falda. Se sì, conosco già dove finisce la zona satura? Se sì, confinata; se no, superficie libera.

2. Prima di lanciare: tre requisiti¶

Coordinate nel quadrante positivo XY. Il modello geometrico va costruito con coordinate positive. L'algoritmo della superficie libera confronta il carico totale φ di ogni nodo con la sua quota y assoluta: con coordinate negative il confronto perde significato e gli elementi vengono marcati come "aria" in modo errato.

Permeabilità assegnate a tutti i materiali. In Caratteristiche materiale → Proprietà idrauliche, kx e ky per ciascun materiale. Possono essere diverse fra loro per modellare terreni anisotropi: è una possibilità, non una svista.

Potential type mai a 0. Ogni nodo con carico idraulico assegnato deve avere Potential type 1 (carico fisso) o 2 (carico variabile). Lo 0 non è valido e l'analisi si ferma. Vedi Condizioni idrauliche al contorno.

3. Elementi "aria": quale procedura scegliere¶

Nell'analisi a superficie libera gli elementi che finiscono interamente sopra la linea freatica vanno esclusi dal flusso. GFAS offre due strade.

Opzione	Come funziona	Comportamento
Nonlinear air element (procedura 1)	All'elemento viene assegnata una permeabilità molto bassa invece di zero.	Più stabile numericamente: la matrice resta ben definita. È la scelta da preferire in caso di dubbio.
True air element (procedura 2)	L'elemento viene escluso dai calcoli, permeabilità nulla.	Fisicamente più netto, ma produce pivot nulli nella fattorizzazione: richiede il solutore dedicato. Se l'analisi si comporta in modo instabile, provare la procedura 1.

4. La convergenza va verificata a mano¶

Non esiste un criterio di tolleranza sulla superficie libera

L'iterazione della superficie libera si ferma quando il numero di nodi aerei si stabilizza, oppure quando si raggiunge il numero massimo di iterazioni impostato. Non c'è una tolleranza numerica come nell'analisi non lineare.

Conseguenza: se il massimo di iterazioni viene raggiunto, il calcolo termina comunque e mostra dei risultati, ma la superficie libera potrebbe non essersi assestata. Aumentare il numero di iterazioni e verificare che la linea freatica non si sposti più.

5. Leggere i risultati, e verificarli¶

Per ogni nodo e per ogni fase l'analisi restituisce sette grandezze:

Grandezza	Unità	Nota
Carico totale φ	m	l'incognita del problema
Portata Q	m³/s	positiva in ingresso, negativa in uscita
Pressione neutra u	kPa	ricavata da φ e dalla quota
Prevalenza di pressione h_p = φ − y	m	nulla sulla superficie libera
Velocità x, y, totale	m/s	velocità di Darcy

La verifica che vale sempre¶

Inflow e Outflow devono bilanciarsi

In fondo alla tabella dei risultati GFAS riporta la somma delle portate entranti (Inflow) e uscenti (Outflow). In regime stazionario, senza pozzi né ricariche, le due somme devono essere uguali in modulo.

Se non lo sono, il modello ha un problema: condizioni al contorno incomplete, un contorno che doveva essere impermeabile e non lo è, o una superficie libera non convergente. È il controllo più rapido ed è quello che quasi nessuno fa.

Visualizzare la superficie libera¶

La linea freatica è il luogo dei punti dove la prevalenza di pressione è nulla. Si ottiene rappresentando le isolinee della prevalenza di pressione e impostando Zero level value: la curva a valore zero è la superficie libera.

I vettori velocità sono tangenti alle linee di flusso; linee di flusso e linee equipotenziali si intersecano perpendicolarmente. È un buon controllo visivo di coerenza del risultato.

6. Portare le pressioni neutre nell'analisi tensionale¶

Filtrazione e analisi tensionale sono due calcoli separati

Lanciare l'analisi di filtrazione non aggiorna da solo tensioni e spostamenti. Sono due esecuzioni distinte, nell'ordine: prima la filtrazione, poi l'analisi tensionale impostata per leggerne il risultato.

L'effetto dell'acqua sull'analisi tensionale si sceglie fra tre possibilità:

Impostazione	Effetto
Nessuna influenza dell'acqua	l'analisi tensionale ignora le pressioni neutre
Pressioni idrostatiche da falda	usa la polilinea della falda (risultato dell'analisi sola falda)
Pressioni dalla filtrazione	usa il campo di pressione neutra calcolato dall'analisi di filtrazione

Con l'ultima opzione le pressioni neutre nodali diventano carichi nodali equivalenti che si sottraggono ai carichi dell'analisi tensionale, fase per fase.

Sintomo dell'errore più comune: l'analisi di filtrazione dà una linea freatica sensata, ma gli spostamenti e le tensioni sono identici al caso senza acqua. Vuol dire che l'analisi tensionale è stata lanciata senza selezionare l'influenza dell'acqua, oppure senza aver prima eseguito la filtrazione.

7. In sintesi¶

Passo	Cosa fare
1	Verificare che il modello sia nel quadrante XY positivo
2	Assegnare kx e ky a tutti i materiali
3	Assegnare i carichi idraulici: fissi (tipo 1) dove il battente è noto, variabili (tipo 2) dove la superficie libera può formarsi
4	Scegliere l'analisi giusta fra sola falda, confinata e superficie libera
5	Per la superficie libera: partire da Nonlinear air element
6	Controllare che Inflow = Outflow e che la linea freatica sia stabile
7	Rilanciare l'analisi tensionale selezionando l'influenza dell'acqua

Guida operativa redatta a partire dalla verifica diretta del solutore di GFAS.