La storia delle dighe e l'evoluzione delle tipologie

6ª parte - L'evoluzione della tipologia a gravità

Può essere di qualche interesse, prima di raccontare l'evoluzione della tipologia a gravità dalle antiche forme ciclopiche alle moderne e molto più snelle sezioni triangolari, spendere qualche parola su come erano costruite le antiche dighe murarie, e di che materiali erano costituite.

I materiali costituenti erano sostanzialmente la pietra, grezza e/o squadrata e la malta, ottenuta miscelando acqua, sabbia e un legante idraulico. Solo a beneficio di lettori che non fossero dei tecnici, si richiama qui brevemente come nel campo delle costruzioni, fin dalla più remota antichità (COLLEPARDI 2008), si conoscano e si utilizzino due tipi di leganti:

  • leganti aerei, così chiamati perché capaci di indurire e/o di permanere durevolmente in servizio solo se esposti all'aria, in assenza di acqua (di pioggia, di mare, di fiume, di invaso);
  • leganti idraulici, che invece possono indurire in assenza di aria e sono capaci di resistere all'azione dilavante delle acque naturali.

Va da sé che mentre i leganti aerei (come la calce e il gesso) sono adatti per intonaci e murature destinate a restare all'asciutto, i leganti idraulici (come la calce additivata con un materiale pozzolanico e, al giorno d'oggi, i cementi) sono richiesti per tutte le opere destinate a venire a contatto con l'acqua, e tra queste, elettivamente, le dighe e le opere idrauliche in generale.

La tecnica di produzione della calce mediante cottura della pietra calcarea si ritiene fosse nota fin dall'antico Egitto, ma furono i Greci e soprattutto i Romani a farne larghissimo uso. Per quanto poi riguarda i leganti idraulici, prodotti mescolando la calce con ceneri vulcaniche o con argilla cotta macinata, il loro utilizzo da parte dei Greci sembra sia stato solo episodico, mentre furono i Romani a farne un uso sistematico. La capacità di produrre leganti idraulici, che consentì ai Romani di realizzare opere in grado di sfidare i millenni, derivò loro dalla scoperta della pozzolana, una sabbia vulcanica del tipo di quella esistente presso Pozzuoli (pulvis puteolana). Essi si resero conto che, combinando la calce con la pozzolana, la malta non solo diventava idraulica, e quindi capace di indurire e non dilavarsi sott'acqua, ma raggiungeva anche una maggiore resistenza meccanica.

Non solamente a Pozzuoli, ma nel resto dell'Impero, i Romani erano in grado di individuare una cava di pozzolana guidati dalla presenza di lava in prossimità dei vulcani spenti. Intuirono peraltro che anche l'argilla cotta macinata, nota come cocciopesto, aveva proprietà analoghe a quelle della pozzolana e dunque, laddove non esistevano giacimenti naturali di lava vulcanica in prossimità del cantiere, lo stesso effetto si poteva ottenere sostituendo la pozzolana di origine vulcanica con il cocciopesto (mattoni o tegole finemente macinate).

Il procedimento di preparazione della malta idraulica codificato nell'antica Roma, consistente nel miscelare calce, acqua e pozzolana vulcanica (o cocciopesto) in sostituzione parziale o totale della comune sabbia di fiume, non si modificò sostanzialmente fino all'età moderna. Si dovette attendere il 1750 perché fosse scoperta e prodotta dall'inglese John Smeaton, la calce idraulica, cioè una calce che, senza l'aggiunta di pozzolana, fosse in grado di per sé di indurire anche in assenza di aria e di mantenersi stabile al contatto con l'acqua. Il procedimento di produzione contemplava l'impiego, in cottura, di un calcare "marnoso", contenente cioè una discreta quantità di impurità argillose che rendevano idraulica la calce, come se già vi fosse stata aggiunta la pozzolana o il cocciopesto.

Il progresso della chimica fra la fine del '700 e i primi decenni dell'800 portò ad una migliore comprensione del ruolo giocato, nelle proprietà della calce idraulica, dalla presenza dell'argilla nel calcare di partenza. E fu attraverso un deciso aumento (da circa il 10% al 40%) del contenuto d'argilla nella miscela (calcare + argilla) da inviare al forno di cottura, che si giunse infine ai moderni cementi, e in particolare al cemento Portland, brevettato dall'inglese Joseph Aspdin nel 1824, conseguendo un significativo incremento della resistenza meccanica e della capacità della malta indurita di resistere al dilavamento.

Iglesias - confezionamento malte
Fig. 61: Articoli di capitolato riguardanti la malta, idraulica e ordinaria, per le murature di pietrame destinate alla diga di Iglesias e ai manufatti accessori, 1884 (TALU 1886).

Iglesias - prescrizioni muratura
Fig. 62: Articolo di capitolato riguardante la posa in opera della muratura per la diga di Iglesias e i manufatti accessori, 1884 (TALU 1886).
Nonostante questi fondamentali progressi nel campo dei leganti, la tecnica di produrre la malta idraulica secondo l'antico procedimento di mescolare la calce e la pozzolana non cadde in disuso, come dimostrano gli articoli di capitolato riportati nella fig. 61, relativi al confezionamento della malta, idraulica e comune, per le murature di una diga e delle relative pertinenze a Iglesias, nel 1884. Anche la scoperta del cemento Portland, nonostante le sue migliori caratteristiche idrauliche e meccaniche rispetto ai leganti più antichi, non portò ad una rapida scomparsa della calce idraulica o della calce additivata con pozzolana, soprattutto nel campo delle dighe di ritenuta e, in generale, delle grandi opere massive. Anzi, per alcune sue caratteristiche (essenzialmente la maggiore tendenza a fessurarsi), il cemento Portland fu a lungo ritenuto meno adatto della calce idraulica all'uso per questo genere di opere. Ancora nel 1914, il già citato Ing. Luigi Luiggi riferiva in una sua memoria come nelle dighe italiane fin allora costruite si fossero usualmente impiegate "malte idrauliche a presa relativamente lenta, (…) costituite da calce e pozzolana, o da calce idraulica e arena; solo recentissimamente si è cominciato a far uso di cemento Portland. Poiché queste malte sviluppano poco calore all'atto della presa e si mantengono in certo modo «pastose» per lungo tempo, le murature non vanno soggette alle spaccature dovute alle contrazioni caratteristiche di quelle fatte con malta di cemento Portland" (LUIGGI 1914).

La tecnica esecutiva della muratura prevedeva che dopo lo scavo e una attenta preparazione della fondazione, affinché questa risultasse rocciosa, sana e compatta, lo sbarramento fosse elevato in modo da garantirne il più possibile l'impermeabilità e il perfetto ingranaggio tra le parti. Questo si otteneva curando che ogni spazio lasciato vuoto dal pietrame fosse riempito dalla malta, ed inoltre la muratura fosse realizzata "a giunti incerti" e cioè non vi fossero strati o superfici di ripresa orizzontali, ma il pietrame di ogni strato fosse adeguatamente ingranato con quello dello strato sottostante: "I muri [di sostegno dell'acqua, ndr] si eseguiranno impermeabili, vale a dire che le commessure della muratura devono essere completamente riempite di calce idraulica (…). Per la muratura tanto in pietrame ordinario, quanto scalpellato, sarà preferibile di non farla progredire a strati orizzontali, ma a giunti incerti (a mosaico) col miglior possibile collegamento in tutti i sensi. Il nucleo della muratura deve naturalmente essere sempre costrutto contemporaneamente e collegato perfettamente coi rivestimenti esteriori, a malgrado della diversità di volume e di forma dell'uno e degli altri, e ciascuna pietra dovrà trovarsi avviluppata con sufficiente quantità di malta" (CRUGNOLA 1883).

Operativamente, ciascuna pietra, posata su un letto di malta, era assestata con pietre di minori dimensioni e scaglie battuti col martello, sempre curando che non restassero vuoti nella muratura o pietre non avvolte dalla malta (fig. 62). Il pietrame, lavato già prima di arrivare in cantiere affinché fosse pulito da ogni traccia di argilla, doveva essere ancora ispezionato prima dell'uso e, all'occorrenza, nuovamente pulito.

Riguardo alla malta, è degna di nota l'osservazione del Prof. Ugo Ravaglioli, che a seguito delle indagini condotte su 61 dighe italiane in pietrame e malta, afferma che gli inerti della "malta" hanno sempre un diametro massimo di qualche centimetro, tant'è vero che egli ritiene più corretto parlare di dighe in "pietrame e conglomerato" piuttosto che di dighe in "pietrame e malta" (RAVAGLIOLI 2014).

Vyrnwy (foto cantiere)

Vyrnwy (stampa cantiere)
Fig. 63: Sopra, la foto del cantiere della diga del lago Vyrnwy, destinata all'alimentazione (...)
Vyrnwy oggi
Fig. 64: La diga del lago Vyrnwy, terminata nel 1888, nel suo aspetto attuale (per cortesia del Sig. Robert Eede su flickr.com).
H = 44 m, L = 357 m, C = 60 Mm³
Quanto ai paramenti esterni, questi erano spesso realizzati in "pietra da taglio", cioè pietra lavorata, solitamente costituita da bolognini di forma squadrata. Le regole dell'arte prevedevano che la forma e disposizione in opera dei bolognini di rivestimento fosse tale che nemmeno tra il rivestimento e la muratura interna esistesse un giunto piano; bensì, il rivestimento doveva essere ben collegato e incastrato con la muratura interna. Non era infrequente che anche i paramenti fossero realizzati con muratura a giunti incerti, con l'uso di pietrame grezzo invece che di pietra da taglio, disponendo sulle superfici esterne elementi lapidei selezionati per avere adeguate dimensioni e una superficie pressoché piana da affacciare sul paramento. In ogni caso, i giunti tra le pietre (squadrate o grezze) dei paramenti erano accuratamente stilati con malta, volendosi raggiungere la massima possibile impermeabilità del muraglione.

Oltre alla tecnica costruttiva sopra delineata, ne esisteva un'altra più speditiva, ma anche più scadente ai fini della qualità complessiva dell'opera: quella della "muratura a sacco", o "alla rinfusa". Si tratta di una tecnica antichissima, sistematicamente utilizzata dagli ingegneri dell'antica Roma nella costruzione di dighe, acquedotti, edifici. Consiste nella realizzazione di due paramenti esterni, che fungono da casseforme a perdere, e di un nucleo centrale costituito da un calcestruzzo ottenuto mescolando il pietrame con scarti di tegole e mattoni e con malta di calce, o di calce e pozzolana, nelle opere idrauliche (opus caementicium per i Romani, emplecton per i Greci).

Nel campo delle dighe in muratura, la tipologia "a sacco" è tutt'altro che rara, soprattutto nell'antichità o nelle dighe più recenti, magari già realizzate con tecniche di posa in opera, e soprattutto di compattazione, del conglomerato tali da ridurre il gap qualitativo che la muratura a sacco soffre rispetto a quella a giunti incerti. La memoria del Prof. Ravaglioli sopra citata riferisce che nelle 61 dighe italiane esaminate (delle quali, tuttavia, solo 4 erano antecedenti al XX secolo), la tecnica della muratura a sacco è stata impiegata "senza eccezioni per quanto noto sinora, per la realizzazione del corpo della diga (…). I leganti dei conglomerati sono costituiti da calce idraulica (nelle strutture più vecchie), da cemento Portland oppure da una miscela dei due; a volte a questi sono aggiunte sostanze a comportamento pozzolanico (pozzolane naturali, materiali laterizi macinati); la dimensione massima dell'inerte è sempre dell'ordine di qualche centimetro".

Il motivo per cui la muratura a sacco è di qualità inferiore rispetto a quella a giunti incerti è già chiaro dalle rispettive definizioni e caratteristiche poc'anzi descritte: nella muratura a giunti incerti, gli incastri tra i massi e tra gli strati sono attentamente realizzati pietra per pietra, così come è controllata puntualmente la sigillatura di ogni spazio con la malta. Nelle dighe meglio eseguite, la posa del pietrame avveniva sotto l'attenta supervisione dei sorveglianti (per la diga del Furens, 1866, uno ogni dieci muratori). Viceversa, in una muratura a sacco il pietrame e la malta sono gettati alla rinfusa e assestati alla meglio, o quantomeno assestati secondo le tecnologie disponibili, che in passato non erano certo i vibratori o le macchine di cantiere di oggi. Per dare un'idea della differenza di impegno tra una muratura a sacco ed una muratura a giunti incerti, possiamo richiamare che secondo una stima del Genio Civile di Cagliari del 1886, una buona muratura, realizzata secondo le norme di capitolato di cui alle precedenti figg. 61 e 62 avrebbe richiesto una giornata di lavoro di un operaio per ogni metro cubo realizzato, mentre la muratura a sacco realizzata da un impresario in violazione di quelle norme progrediva in ragione di 6÷9 metri cubi al giorno per operaio.

Iglesias
Fig. 65: I ruderi della diga di Iglesias, crollata nel 1886, visti da valle.
H = 10 m, L = 60 m, C = 150˙000 m³
Dopo il disastro, lo sbarramento (...)


Iglesias - sezione maestra
Fig. 66: La sezione maestra della diga di Iglesias, ricostruita sulla base delle misure sui ruderi e dei documenti dell'epoca.
Le voci di capitolato predette sono tratte dal progetto della già citata diga di Iglesias, distrutta da una piena il 2 maggio 1886 appena dopo essere stata ultimata. La vicenda di questa diga, istruttiva come tutti i disastri, consente non solo di porre in luce le buone norme costruttive dell'epoca, ma anche di ripercorrere il tracciato evolutivo delle dighe a gravità nella seconda metà del XIX secolo.

La diga fu realizzata, su progetto dell'Ingegnere municipale Francesco Pisano, per alimentare l'acquedotto della città di Iglesias, in Sardegna, che nella seconda metà dell'800 conosceva un forte sviluppo come centro di una fiorente industria mineraria. I lavori, andati in appalto nell'aprile del 1885, furono aggiudicati all'impresario Efisio Nonnoi, di Monserrato, e avviati il mese successivo sotto la direzione dell'altro Ingegnere municipale, Giuseppe Dessì Magnetti. La costruzione della diga era appena terminata quando, il 2 maggio 1886, domenica, questa crollò a seguito di un forte evento piovoso che aveva determinato il repentino riempimento del bacino.

Il crollo della diga diede luogo ad un lunghissimo contenzioso giudiziario tra il Comune di Iglesias e l'Impresa Nonnoi. Sulla base dell'istruttoria compiuta dal Genio Civile di Cagliari subito dopo il crollo, l'impresario fu accusato di aver approfittato della buona fede (e presumibilmente delle assenze) del Direttore dei lavori confezionando della calce idraulica povera di pozzolana, e perciò la malta con la quale la muratura della diga era stata realizzata sarebbe risultata solubile a contatto con l'acqua. In effetti, dei testimoni raccontarono che in occasione di un precedente parziale riempimento del bacino si era vista filtrare dal paramento di valle dell'acqua mista a calce, segno evidente che il legante della muratura si stava sciogliendo.

Ancora, emerse dalle testimonianze che il Nonnoi richiedeva a ciascuno dei suoi operai una quantità di muratura variabile da 6 a 9 metri cubi al giorno, premiando quelli che più ne producevano. Invece, come sopra riferito, una muratura costruita secondo il capitolato avrebbe richiesto una giornata di lavoro di un operaio per ogni metro cubo prodotto. In sostanza, Nonnoi fu accusato di non aver realizzato una buona muratura a giunti incerti, ma una muratura a sacco, "poiché si fecero i paramenti esterni con pietre di qualche volume, mentre all'interno la muratura venne fatta quasi alla rinfusa" [dalla memoria del Corpo Reale del Genio Civile in data 22 maggio 1886].

Infine, il Genio Civile osservò che in sinistra idraulica la roccia di fondazione, ormai nuovamente scoperta dopo il crollo dello sbarramento, si presentava molto inclinata a valle. "Orbene, il Signor Nonnoi basò una parte del muro sopra quella roccia senza prima intagliarla a gradini orizzontali. E' evidente che con tale base un muro non poteva resistere alla pressione dell'acqua e non si capisce come mai un costruttore di opere pubbliche abbia fondato un'opera in quel modo ed abbia trovato muratori che lo secondassero".

Il Nonnoi, per parte sua, replicava che la rovina del muro non era stata causata da una difettosa esecuzione, ma da un insufficiente dimensionamento. I tecnici, invece, rivisti tutti i calcoli dell'Ing. Pisano, escludevano questa circostanza: secondo lo stato dell'arte dell'epoca, la diga era correttamente progettata.

Eppure, senza voler assolvere l'Impresa esecutrice dalle responsabilità che le furono contestate, in base ai successivi sviluppi della statica delle dighe di ritenuta possiamo oggi dire che Nonnoi non aveva del tutto torto: la diga era effettivamente sottodimensionata; non per colpa o imperizia del progettista, ma a causa di una tecnica costruttiva che, all'epoca, ancora necessitava di ulteriori sviluppi. E quegli sviluppi sarebbero venuti negli anni successivi, a seguito di disastri gravissimi quanto inattesi che evidenziarono un deficit progettuale di molte dighe realizzate nella seconda metà dell'800.

Abbiamo visto (fig. 53) come fino alla prima metà del XIX secolo le dimensioni delle dighe a gravità fossero indubbiamente sovrabbondanti, rispetto agli attuali standard, anche perché dimensionate secondo criteri empirici o sulla base di calcoli rudimentali, nella migliore delle ipotesi assimilando la diga ad un solido monolitico di cui si imponeva la stabilità, con riferimento al piano di fondazione e/o a piani orizzontali intermedi: "Il calcolo deve essere eseguito secondo l'una o l'altra delle due seguenti ipotesi:

  1. Possiamo considerare la diga come un corpo assolutamente continuo che la pressione dell'acqua tende a ribaltare, facendolo ruotare sull'angolo posteriore della sua base, considerata fissa.
    Questo modo di considerare la forza dell'acqua contro una diga è applicabile principalmente alle dighe che sono costruite in muratura, soprattutto quando la muratura abbia preso corpo.
  2. La diga può essere considerata come un solido, saldo nelle sue fondamenta, ma che non resiste ugualmente su tutta la sua altezza, e tende a dividersi in sezioni orizzontali; sicché si tratta di determinare la forma e le dimensioni che deve avere la diga relativamente ai diversi carichi d'acqua che essa sostiene alle diverse profondità
    Questa seconda ipotesi è particolarmente adatta per dighe che devono essere costruite interamente in terra"
    (BOSSUT et al. 1764).

Profili De Sazilly etc
Fig. 67: I profili da assegnare alla sezione di una diga secondo De Sazilly, Delocre, Krantz e Crugnola (WEGMANN 1918).
Ma nel 1853 uscì sugli Annali del Genio Civile francese una memoria postuma dell'ingegnere Joseph Augustin Torterue De Sazilly (1812-1852), destinata a rivoluzionare completamente i criteri di dimensionamento delle dighe murarie (DE SAZILLY 1853). De Sazilly per la prima volta proponeva un profilo della diga determinato sulla base di precise relazioni fra le forze in gioco e le caratteristiche fisiche e meccaniche dei materiali (peso e resistenza). In particolare, le ipotesi da cui egli partiva erano le seguenti:

  • nessun punto del muro deve essere sottoposto a pressioni eccedenti rispetto alla natura dei materiali di cui è costituito ed al modo di costruzione, ed il suolo su cui è elevato deve essere così solido che non avvengano sensibili cedimenti dove il muro è più caricato;
  • si deve prevenire ogni movimento di traslazione del muro tanto sulla sua base che sopra ogni suo strato di pietre.

All'atto pratico, De Sazilly prendeva in considerazione le due situazioni estreme di carico, diga a serbatoio vuoto e diga a serbatoio pieno, e imponeva che in entrambe le situazioni, in ogni possibile sezione orizzontale della diga, oltre che alla sua base, il valore massimo dello sforzo verticale di compressione fosse contenuto entro un valore cautelativo, che egli assumeva pari a 6 kg/cm². Mediante calcoli ripetuti facendo variare da 8 metri in su l'altezza della diga, con passi di 2 metri, De Sazilly ricavava un profilo scalettato che per ogni altezza della diga rappresentava la minima sezione che questa doveva presentare per soddisfare alle condizioni assunte. Il fatto che il valore limite dello sforzo verticale fosse assunto identico tanto nell'ipotesi di serbatoio vuoto quanto in quella di serbatoio pieno, portava De Sazilly a definire il profilo proposto "profilo di uguale resistenza".

Furens (Torricelli)
Fig. 68: La diga del Furens, Francia, 1866 (TORRICELLI et al. 1886).
H = 52 m, L = 102 m, C = 1˙105˙000 m³
Il lavoro di De Sazilly fu in seguito ripreso e integrato da altri due illustri ingegneri francesi, Michel Graeff ed Émile Delocre, i quali superarono, proponendo dei profili continui, quello che sembrava essere il principale inconveniente del profilo scalettato di De Sazilly: il fatto di richiedere una quantità considerevole di pietra da taglio, che costava tre o quattro volte di più del pietrame ordinario. A seguito di questi studi, oltre che della loro riuscita applicazione nel caso della costruzione della citata diga del Furens, progettata proprio da Graeff e Delocre, era diffusa la convinzione, in Francia e non solo, che lo studio teorico delle dighe murarie fosse un fatto definitivamente acquisito, e che i costruttori ormai non avessero molto più da fare che seguire la via che era stata così chiaramente tracciata da questi grandi pionieri.

Krantz - ritratto
Fig. 69: Jean-Baptiste Sébastien Krantz, 1817-1895 (LE JOURNAL ILLUSTRÉ 1877).
Seguendo questa impostazione, un altro celebre ingegnere del Genio Civile francese, Jean-Baptiste Krantz, che fu poi anche organizzatore dell'Esposizione Universale di Parigi del 1878, nonché deputato e senatore della sinistra francese, pubblicò nel 1870 una sorta di formulario pratico nel quale erano riportati i profili debitamente quotati da assegnarsi ai "muri dei serbatoi" a seconda della loro altezza (figg. 67 e 70).

Profili Krantz 50-10 m
Fig. 70: Profili Krantz per diga da 50 e da 10 metri (KRANTZ 1870).
N.B.: la scala del disegno è diversa nei due casi.
Il tipo Krantz da 10 metri fu quello che l'Ing. Francesco Pisano, progettista della diga di Iglesias, adottò per quella diga, senza tuttavia seguire un prezioso consiglio che l'Ing. Krantz riportava nel suo libro: quello di adottare, ogni volta che fosse possibile, un asse planimetrico arcuato, il quale avrebbe assicurato alla diga un'ulteriore riserva di stabilità e resistenza.

E, come si è detto, le dighe di quel periodo avevano realmente bisogno di una riserva di resistenza. Infatti, è pur vero che i nuovi profili apparivano incomparabilmente più razionali ed eleganti di quelli dei secoli precedenti, ma l'arte della progettazione delle dighe murarie era tutt'altro che acquisita, come l'esperienza di nuovi disastri avrebbe ruvidamente insegnato.

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