Guida pratica ai sensori piezometrici per il monitoraggio geotecnico

Nel mondo dell’ingegneria geotecnica e ambientale, conoscere cosa succede “sotto ai nostri piedi” è fondamentale, con dinamiche spesso “invisibili” dalla superficie e conseguenze potenzialmente molto pericolose. 

Uno dei parametri più importanti da investigare è l’eventuale presenza d’acqua e la sua quota. In particolare, la presenza (o l’assenza) di acqua nei terreni condiziona direttamente la stabilità geotecnica. L’acqua, infatti, esercita una spinta che può ridurre le caratteristiche meccaniche del suolo, far cedere un muro di contenimento o (ri)attivare una frana (nuova o quiescente) così come, nel caso degli scavi in sotterraneo, la presenza di una falda in pressione o sovrastante lo scavo può comportare venute d’acqua importanti. Misurare in modo continuo la pressione interstiziale permette quindi di anticipare scenari critici, validare modelli idrogeologici e geotecnici e supportare decisioni operative in cantiere.

Tra gli strumenti più utilizzati per lo scopo ci sono i sensori piezometrici, dispositivi che misurano la pressione interstiziale dell’acqua nei terreni e nelle rocce. Apparentemente semplici, questi sensori sono fondamentali per la sicurezza di opere come dighe, versanti, tunnel, paratie e discariche.

Ma come funzionano? Quando si usano? Quanto costano? E cosa li rende così diversi tra loro?

Le principali tipologie di piezometri

I piezometri si possono suddividere in macro-categorie come, ad esempio, sensori digitali vs sensori analogici, sensori assoluti (non compensati) o sensori relativi, sensori a lettura manuale o sensori automatici. 

Di seguito vedremo nel dettaglio le caratteristiche e i vantaggi di ogni singola tipologia. 

Piezometro a tubo aperto

Il piezometro a tubo aperto è una soluzione semplice per la misura del livello piezometrico. È costituito da un tubo in PVC inserito in un foro di sondaggio e fessurato in corrispondenza della zona in cui si intende rilevare il livello idrico. I piezometri a tubo aperto sono solitamente installati in terreni caratterizzati da elevata permeabilità. 

Di norma si isolano i primi metri superficiali mediante bentonite, evitando in questo modo che l’acqua di ruscellamento possa raggiungere la falda.

Le misure possono essere manuali o automatiche. I piezometri a tubo aperto sono caratterizzati dal basso costo e dalla facilità di installazione e utilizzo.

Piezometro a tubo aperto (fonte: Geostru)

Piezometro Casagrande

Il piezometro di Casagrande è uno strumento impiegato per la misura della pressione interstiziale o del livello della falda, in particolare nei terreni a bassa o media permeabilità.

Può essere letto manualmente o in modo automatico mediante un trasduttore. Lo strumento è costituito da una testa filtrante in ceramica (o altro materiale poroso) e da uno o due tubi in PVC.

La misura viene generalmente eseguita tramite una sonda elettrica (freatimetro), o tramite un piezometro elettrico installato in uno dei due tubi.

Il sensore è di tipo relativo e si auto-compensa, grazie alla presenza di due tubicini e di un filtro poroso: il filtro permette all’acqua del terreno di fluire al suo interno, raggiungendo un livello di equilibrio che corrisponde alla pressione neutra del terreno in quel punto.

Piezometro di tipo Casagrande (fonte: Gestecno)

Il piezometro Casagrande prende il nome dall’ingegnere Arthur Casagrande, pioniere della meccanica dei terreni nel XX secolo, che sviluppò questo tipo di strumento per rendere accessibile il monitoraggio piezometrico anche in contesti semplici. Come si può evincere dal grafico sottostante, in funzione della tipologia di piezometro utilizzato e del coefficiente di conducibilità idraulica del terreno variano i tempi di risposta.

Tempi di risposta piezometri (Terzaghi e Peck, 1967)

Piezometri automatici analogici

I piezometri automatici sono in grado di misurare il livello della falda o il valore della pressione interstiziale senza alcun intervento in sito da parte di un operatore. In particolare, le grandezze di interesse sono rilevate in modo indiretto mediante la stimolazione di un parametro che è proporzionale alla pressione dell’acqua rilevata.

I sensori di tipo analogico forniscono un segnale elettrico (tipicamente 4–20 mA o 0–10 V) o una frequenza (in questo caso si definiscono piezometri a corda vibrante… ricordate la puntata dove parlavamo delle corde della chitarra?). In entrambi i casi il segnale è proporzionale alla pressione dell’acqua rilevata mediante un trasduttore di pressione. Tali sensori richiedono la  procedura di calibrazione.

I piezometri automatici sono costituiti da una sonda in acciaio inox (o comunque un materiale resistente alla corrosione) contenente il sensore vero e proprio, collegato mediante un cavo elettrico in superficie ad un sistema di acquisizione.

Sensori di questo tipo permettono un monitoraggio continuo e da remoto (applicando un sistema di trasmissione dati alla centralina di acquisizione), tale da garantire il controllo della falda freatica o delle pressioni interstiziali con intervalli molto stretti, tali da consentire correlazioni causa-effetto con altri parametri quali le precipitazioni e i movimenti di versante.

Esempio di correlazioni causa effetto con la precipitazione puntuale (Serie 1) e cumulata (serie 2), lo spostamento cumulato in superficie di un inclinometro (Serie 3) e il livello della falda idrica (Serie 4) (Fonte: ASE S.r.l.)

Sebbene i sensori automatici abbiano un costo maggiore rispetto ai sistemi manuali, permettono di ottenere un dato in tempo reale e una precisione più elevata. Inoltre, possono essere installati sia all’interno di piezometri tipo Casagrande, che a tubo aperto, in pozzi, a diretto contatto con il terreno o all’interno di strutture. D’altro canto, richiedono un sistema di alimentazione (e ricarica), una centralina di acquisizione, un convertitore analogico-digitale ed eventualmente un sistema di trasmissione dati e una piattaforma di gestione (tutti fattori che ne aumentano notevolmente il costo rispetto alle tipologie manuali).

Un ultimo punto da segnalare, riguardante i sensori analogici, sono i cavi. In primo luogo, occorre sottolineare che ogni sensore analogico deve avere il proprio cavo, per cui non sono adatti per essere posizionati in catene di vari sensori. Inoltre, cavi lunghi, specialmente se non schermati, tendono a comportarsi come antenne captando disturbi elettromagnetici tali da introdurre fluttuazioni e distorsioni nel segnale analogico e condizionare il risultato finale. In particolare, i sensori a 0-5 V o 0-10 V permettono cavi di poche decine di metri, mentre altre tipologie, come i sensori a 4-20 mA, possono arrivare anche a centinaia di metri. Qualora la centralina principale fosse collocata distante dal sensore, si consiglia di utilizzare convertitori analogico-digitali da posizionarsi vicino al sensore e trasmettere poi il dato in digitale, mediante cablaggi più lunghi o dispositivi radio e/o Wi-Fi.

Piezometro automatico analogico (fonte Earth System S.r.l.)

Piezometri automatici digitali

I piezometri digitali rappresentano l’evoluzione naturale dei sensori manuali: offrono misure precise, rapide e integrate in un ecosistema digitale avanzato, ideale per il monitoraggio continuo, l’allerta tempestiva e la gestione remota. 

In particolare, i più recenti piezometri digitali trasmettono direttamente il valore già elaborato (in alcuni casi anche già mediato), tramite protocolli come RS-485, Modbus, SDI-12 o CAN-bus. Il dato, dunque, è già pronto per essere visualizzato o inviato al cloud, senza necessità di conversione analogico-digitale. La precisione è molto elevata e spesso sono auto-compensati in temperatura (che viene comunque sempre fornita). Inoltre, possono essere integrati in sonde multi-parametriche in cui sono presenti altre tipologie di sensore, come ad esempio i sensori di tipo inclinometrico, con l’innegabile vantaggio di avere un monitoraggio di diverse grandezze all’interno della medesima perforazione. A differenza dei precedenti, infatti, i sensori digitali possono impiegare un unico cavo per tutti i sensori disponibili, permettendo il monitoraggio multi-puntuale, mentre la distanza sensore-centralina può arrivare fino a circa 1 km. 

Piezometri a fibra ottica

I piezometri a fibra ottica registrano anch’essi la deformazione di una membrana interna, ma il segnale che viene trasmesso non è di tipo elettrico, bensì un segnale luminoso (esistono varie tipologie di sensori in fibra ottica, dipendenti dal dato trasmesso). Per questo motivo, necessitano di un interrogatore ottico che analizza la lunghezza d’onda o l’interferenza luminosa, traduce l’informazione in un dato fisico e lo invia in formato digitale. 

Fra i vantaggi principali vi è l’immunità ai disturbi elettromagnetici, la possibilità di trasmettere segnali per lunghezze molto elevate (chilometri), un’alta precisione e stabilità anche in ambienti critici e la possibilità di leggere i sensori ad alta frequenza. Di contro, un limite importante di questa tecnologia è rappresentato dal costo elevato dell’interrogatore ottico, la centralina necessaria per leggere e interpretare il segnale.

Piezometri assoluti vs relativi

Un’ultima differenza riguarda la tipologia di misura. 

I piezometri assoluti (sealed) leggono la pressione assoluta, ovvero la somma fra pressione interstiziale e pressione atmosferica, per cui, per valutare il livello idrico, necessitano della presenza di un barometro in sito. Il sensore è completamente sigillato per cui non si rischiano condense o infiltrazioni. 

I piezometri relativi (vented) rilevano la pressione relativa rispetto alla pressione atmosferica, ovvero misurano direttamente la pressione dell’acqua nei pori. Il dato non richiede alcuna correzione barometrica, è una misura diretta (quindi tendenzialmente più precisa) mentre il sensore necessita di un tubo di ventilazione all’interno del cavo, che nel tempo può intasarsi e/o creare condensa per cui richiede manutenzione.

Come regola generale, si consiglia di applicare i piezometri assoluti in contesti difficili, isolati e con difficoltà logistiche e nelle installazioni più profonde.  

Conclusioni

I piezometri non sono solo strumenti tecnici: sono occhi invisibili nel sottosuolo, capaci di fornire indicazioni vitali sulla sicurezza delle infrastrutture. Scegliere il tipo giusto di sensore, valutarne il tempo di risposta e integrarlo in un sistema digitale ben progettato significa passare da un approccio reattivo a uno predittivo, riducendo i rischi e ottimizzando le decisioni.

Che si tratti di una frana, una diga o una grande opera, un buon sensore piezometrico, collegato a un sistema di monitoraggio intelligente, può fare la differenza.