Interazione fluido-struttura nella demolizione per brillamento in immersione di strutture di cofferdam: uno studio di caso sul cofferdam RCC della Fase III delle Tre Gole

Demolire un diga temporanea, in sicurezza

Quando si costruisce una diga gigantesca come le Tre Gole sul fiume Yangtze in Cina, dighe temporanee «ausiliarie» chiamate cofferdam mantengono asciutte le aree di lavoro. Alla fine questi cofferdam devono essere rimossi, spesso con esplosivi, senza danneggiare la diga principale o disturbare la produzione di energia. Questo studio spiega come gli ingegneri abbiano usato sofisticate simulazioni al computer per comprendere, nei dettagli, come un massiccio cofferdam in calcestruzzo si frantuma e si ribalta sott’acqua durante il brillamento—e come l’acqua circostante influenzi quel movimento.

Perché l’acqua rende la demolizione così complessa

Far esplodere roccia e calcestruzzo all’aria aperta è già un’operazione complessa. Sott’acqua, diventa notevolmente più complicato. L’acqua modifica il comportamento delle esplosioni: preme sull’ordigno, trasmette potenti onde d’urto e incanala gas ad alta pressione nelle fessure. Di conseguenza, il modo in cui il calcestruzzo si frantuma e il modo in cui i blocchi rotti si muovono sul fondale non possono essere previsti affidabilmente usando regole per brillamenti effettuati in aria. Eppure il brillamento subacqueo è ormai comune in porti, canali di navigazione, opere idroelettriche e grandi banchine, dove cofferdam devono essere demoliti in prossimità di strutture preziose. Gli ingegneri hanno bisogno di strumenti migliori per prevedere dove i frammenti voleranno, scivoleranno e si depositeranno, così da proteggere dighe e impianti vicini.

Un’enorme barriera temporanea in acque profonde

Il fulcro di questo lavoro è il cofferdam in calcestruzzo compattato a rulli (RCC) della Fase III del progetto delle Tre Gole, una lunga parete a gravità parallela alla diga principale posta a circa 114 metri a monte. Diversamente da molte opere temporanee, questo cofferdam è stato costruito con in mente la sua futura demolizione. Durante la costruzione sono state gettate tre camere interne per le cariche e speciali fori di «frattura» nella struttura in modo che esplosioni successive potessero sezionare la porzione superiore e farla ribaltare in una direzione controllata. La sfida era enorme: oltre 180.000 metri cubi di calcestruzzo dovevano essere rimossi in un’unica sezione lunga 480 metri, a profondità d’acqua fino a circa 40 metri—quasi il doppio di quelle impiegate in precedenti brillamenti di cofferdam nel mondo—restando entro limiti di sicurezza molto stringenti vicino alla diga principale e alla centrale.

Simulare ogni blocco e ogni vortice

Per studiare questa operazione rischiosa, gli autori hanno costruito un modello computazionale dettagliato che tratta il cofferdam come migliaia di «particelle» di calcestruzzo individuali legate tra loro, circondate da acqua che fluisce e spinge su di esse. Hanno combinato due potenti strumenti: uno che segue il moto del fluido (dinamica dei fluidi computazionale) e un altro che segue il moto e la rottura di molti pezzi solidi (modellazione a elementi discreti). Accoppiando questi codici, il gruppo ha potuto tracciare come l’acqua ad alta pressione generata dall’esplosione prima incide una tacca nella parete, poi come la sezione superiore si incrina, ruota, scivola e infine cade sul fondale, il tutto mentre l’acqua si muove, ricircola e rallenta o devia i detriti.

Come il cofferdam si disfa

Le simulazioni mostrano che la demolizione si svolge in tre fasi principali. Prima, le cariche temporizzate nelle camere interne e nei fori di frattura recidono una profonda breccia inclinata, spostando il punto di appoggio della sezione superiore. Sotto il proprio peso e per la spinta di livelli d’acqua diseguali dentro e fuori il cofferdam, questo blocco superiore inizia a ruotare come una porta che cade lentamente. Secondo, mentre si inclina, il blocco scivola lungo la nuova pendenza formata dal calcestruzzo residuo, con l’acqua che spinge sulla sua faccia e scorre sotto di esso. I pezzi rotti che scivolano sul fondale accelerano l’acqua circostante e generano controcorrenti che rallentano i frammenti vicino ai bordi mentre i pezzi al centro si muovono più velocemente. Infine, la sezione superiore perde il contatto con la pendenza e cade liberamente sott’acqua fino al fondale, dove eddy e vortici turbinano attorno ai detriti in assestamento. Il modello cattura anche come la parte inferiore residua del cofferdam mantenga approssimativamente la forma e l’elevazione previste.

Mettere il modello alla prova

I modelli al computer sono utili solo se corrispondono alla realtà. Durante il brillamento reale alle Tre Gole, i sensori sulla diga principale registrarono vibrazioni quando il cofferdam ribaltato colpì il fondale. Il primo segnale d’impatto significativo apparve circa 16,1 secondi dopo la detonazione—lo stesso tempo previsto dalla simulazione. Le indagini sul profilo subacqueo mostrarono che la cavità lasciata dal cofferdam demolito e l’altezza della porzione residua corrispondevano strettamente al progetto e ai risultati calcolati. Questo accordo dà fiducia agli ingegneri che il modello accoppiato possa catturare sia come il calcestruzzo fallisce sia come l’acqua risponde.

Cosa significa per le dighe future

Per i non specialisti, il punto chiave è che lo studio trasforma un brillamento subacqueo altamente energetico e difficile da osservare in un processo prevedibile e visualizzabile. Trattando il cofferdam come molti blocchi vincolati e il fiume come un fluido in movimento, i ricercatori mostrano come l’acqua non solo trasferisca l’energia esplosiva ma anche ammortizzi, reindirizzi e talvolta rallenti i detriti in caduta. Il loro approccio può aiutare i progettisti a pianificare strategie di demolizione più sicure per grandi cofferdam e altre strutture subacquee, riducendo il rischio per dighe principali, centrali elettriche e lavoratori, e sfruttando meglio esplosivi e condizioni del sito.

Citazione: Wu, L., Liang, Z., Cai, Y. et al. Fluid–structure interaction in underwater blasting demolition of cofferdam structures: a case study of three gorges phase III RCC cofferdam. Sci Rep 16, 5175 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35562-x

Parole chiave: brillamento subacqueo, demolizione cofferdam, Diga delle Tre Gole, interazione fluido-struttura, simulazione numerica