Acquedotti e Fognature

Acquedotti e fognature

Prof. Muraca Alessandro

Università degli Studi di Brescia

Ingegneria Civile

Indice

• I. Acquedotti ........................................................................................................................................ 6
• II. Rete acquedottistica ................................................................................................................... 8
• III. Analisi del fabbisogno .............................................................................................................. 11
• 1. Portate medie ....................................................................................................................................... 11
• 2. Normative ............................................................................................................................................ 16
• BURL 2002 regione Lombardia .............................................................................................................. 17
• BURL 2006 regione Lombardia .............................................................................................................. 18
• Decreto ministeriale 1996 ........................................................................................................................ 19
• 3. Fluttuazione della popolazione ............................................................................................................ 24
• IV. Analisi idraulica del fluido in condotta ...................................................................... 27
• 1. Perdite continue e localizzate .............................................................................................................. 27
• 2. Condotte in parallelo ........................................................................................................................... 29
• 3. Perdite nei tronchi della rete ................................................................................................................ 33
• V. Serbatoio ........................................................................................................................................... 36
• 1. Funzione di compenso ......................................................................................................................... 38
• 2. Funzione di torrino piezometrico ........................................................................................................ 42
• 3. Funzione di riserva .............................................................................................................................. 44
• 4. Funzione di antincendio ...................................................................................................................... 45
• 5. Funzione di sconnettore idraulico ........................................................................................................ 46
• VI. Adduttrice ........................................................................................................................................ 47
• 1. Progetto dell’adduttrice ....................................................................................................................... 48
• 2. Turbine ................................................................................................................................................ 51
• 3. Impianto di pompaggio per caricare il serbatoio ................................................................................. 53
• VII. Opere di presa .................................................................................................................................. 54
• 1. Opere di presa sotterranee ................................................................................................................... 55
• 2. Pozzo in falda freatica ......................................................................................................................... 57
• 3. Pozzo in falda artesiana ....................................................................................................................... 59
• 4. Prove .................................................................................................................................................... 60
• 5. Progettazione di un pozzo .................................................................................................................... 62
• 6. Opere di presa superficiali ................................................................................................................... 64
• VIII. Pompe ................................................................................................................................................... 65
• 1. Pompe in parallelo e in serie ................................................................................................................ 71
• 2. Progettare un impianto di sollevamento .............................................................................................. 72
• 3. Pompe emerse ...................................................................................................................................... 74
• IX. Rete di distribuzione................................................................................................................... 75
• 1. Progettazione rete di distribuzione ...................................................................................................... 76
• 2. Verifica rete a maglie aperte ................................................................................................................ 79
• 33. Verifica rete a maglie chiuse: metodo di Hardy Cross ........................................................................ 80
• 4. Sfiato ................................................................................................................................................... 84
• 5. Valvole ................................................................................................................................................ 85
• X. Rete di distribuzione interna ................................................................................................ 86
• 1. Progettazione della rete interna ........................................................................................................... 87
• XI. Drenaggio e fognature ............................................................................................................. 96
• XII. Effetti dell’urbanizzazione .................................................................................................. 97
• XIII. Rete fognaria ................................................................................................................................ 99
• 2. Scarico finale ..................................................................................................................................... 102
• 3. Problematiche in fognatura ................................................................................................................ 103
• 4. Progettazione fognatura nera ............................................................................................................. 106
• XIV. Drenaggio urbano .................................................................................................................. 107
• 1. Volume di deflusso ............................................................................................................................ 109
• 2. Volume di infiltrazione ...................................................................................................................... 110
• 3. Coefficienti di afflusso/deflusso ........................................................................................................ 112
• 4. Modello cinematico o della corrivazione .......................................................................................... 113
• 5. Metodo delle due curve ..................................................................................................................... 115
• XV. Teoria della probabilità applicata al problema pluviometrico .................. 118
• XVI. Dispositivi di stoccaggio e infiltrazione .................................................................... 130
• 1. Dispositivi di infiltrazione ................................................................................................................. 130
• 2. Portata di infiltrazione ....................................................................................................................... 133
• 3. Progettazione strutture di stoccaggio e/o infiltrazione ...................................................................... 135
• 4. Calcolo del volume delle strutture di stoccaggio e/o infiltrazione .................................................... 135
• Esempio di calcolo sul termoutilizzatore di Brescia .............................................................................. 141
• 6. Moduli alveolari, tubolari e scatolari ................................................................................................. 146
• 7. Vasca di calcestruzzo ........................................................................................................................ 148
• 8. Impianto di trattamento ..................................................................................................................... 150
• XVII. Progettazione rete fogna bianca .................................................................................. 153
• 1. Pluviali ............................................................................................................................................... 154

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I. Acquedotti

Un acquedotto può essere distinto in varie parti. Le opere di presa riguardano l’approvvigionamento dalla fonte, l’adduttrice il trasporto dell’acqua, il serbatoio ha varie funzioni, fra cui lo stoccaggio e il compenso, e infine la rete di distribuzione che fornisce le utenze. Ogni struttura ha una propria vita utile: le opere di presa e le adduttrici 50÷100 anni, i serbatoi 50 anni e la rete di distribuzione 20÷30 anni.

Non si analizza in questo corso l’impianto di trattamento; si dice solo che per trattare acqua consumo acqua: è importante quando faccio il bilancio idrico.

Volumi di consumo

Devo quantificare i volumi di consumo. Se ne identificano tre e sono parametri ciclici, legati all’anno: questo perché si prende come ricorrente il comportamento dell’utente. I parametri sono:

• Volume di captazione: volume mediamente prelevato in un anno da tutte le opere di captazione. Deve essere tale da soddisfare i consumi. L’unità di misura è 3� m/anno.
• Volume immesso in rete: volume mediamente immesso in un anno in tutte le adduttrici della rete (3� m/anno). Sono diversi se ho un impianto di trattamento, in quanto consumo volume di captazione;
• Volume erogato: volume mediamente consumato in un anno da tutta la rete (3� m/anno).

Sono parametri diversi fra loro perché ho perdite di produzione, per via del trattamento, e perdite di distribuzione. Essendo il fluido in pressione, le perdite di distribuzione sono percentualmente elevate.

Ho che: 3� � − = �

Si quantificano solitamente in percentuale, quindi ho:

6 − [%]=

Valgono circa il 3÷5% del volume captato, cioè immetto in rete circa il 95% del volume captato. Ho invece:

3� � �− =

Si quantificano solitamente in percentuale, quindi ho:

− [%]=

È un valore molto variabile; generalmente varia tra il 20 e il 50% del volume erogato. È difficile ridurlo perché la maggior parte è dovuta agli allacci alle utenze finali; sono quindi perdite diffuse e difficilmente ispezionabili. Costa meno la perdita che ridurle, questo perché l’acqua alla fonte costa poco (circa 1€).

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II. Rete acquedottistica

Come funziona una rete acquedottistica? La rete di distribuzione consente di portare l’acqua alle utenze finali. Deve farlo in maniera istantanea, quindi deve funzionare in pressione.

Come funziona una rete? Ho un serbatoio con a valle varie condotte con una serie di utenze. Ognuna di queste utenze è un rubinetto, che non è altro che una saracinesca dentro la quale c’è acqua in pressione; nel momento in cui lo apro ho un’erogazione istantanea.

Nel momento in cui ho domanda nulla, nessuno chiede acqua, la piezometrica della rete è pari alla quota del serbatoio. La linea dell’energia LE coincide con la linea piezometrica LP, il termine cinetico è nullo. Nel momento che A, a una quota fissata, richiede acqua, apre il rubinetto: prima P� pari alla differenza fra z e z; dell’apertura, in funzione della quota avevo una certa pressione γ s A quando apro, l’acqua esce istantaneamente: alla sezione del rubinetto la pressione è quella atmosferica.

Quindi ho avuto una caduta di pressione, ho una perdita localizzata di pressione. L’acqua è un fluido reale; per trasportarla fino ad A il fluido deve subire delle perdite di energia. Nel momento in cui richiedo acqua dal rubinetto, ho un incavo della LP e LE: l’inclinazione della LP è quella che mi permette di bilanciare le perdite di carico per trasportare il fluido in quel punto.

Se analizzassi in solo punto, noto che l’acqua arriverebbe dai due nodi connessi. Rispetto ai nodi di estremità ho un abbassamento della LE. La rete, quindi, nel momento di una richiesta, fa variare la LE per trasportare l’acqua al punto di erogazione finale. Quindi quando apro il ru----- ---binetto non faccio altro che passare da una LP a una LP-. La situazione è ovviamente più complicata perché ho più rubinetti che si aprono allo stesso tempo.

Ogni volta che se ne apre una, istantaneamente fa fluttuare le piezometriche di rete per garantire il trasporto in una certa posizione. Quindi la rete deve essere in pressione in qualunque condizione di funzionamento, non deve mai andare sotto al valore della piezometrica relativa. Il valore minimo in qualunque condizione di funzionamento della rete, in termini di pressione relativa, è 0, in termini di pressione assoluta circa 10 m di colonna d’acqua. In realtà il valore minimo è 5 m, per garantire una certa sicurezza.

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Fluttuazione della piezometrica

Se un’utenza raddoppia il consumo cosa succede alla piezometrica? Come si inclina? Non si inclina proporzionalmente all’aumento di richiesta. All’interno della rete considereremo solo moto turbolento completamente sviluppato. Le velocità all’interno della rete sono tipicamente 1. La viscosità dinamica dell’acqua vale 10^-6, il diametro lo suppongo di 0,5 m. Il numero di Reynolds vale:

1 ∙ 0,5 ∙ 5 = = = 5 ∙ 10−6 10

Se entrassi nel diagramma di Moody, noto che sono già in campo di moto turbolento completamente sviluppato. Le perdite di carico, quindi l’inclinazione della LE, è proporzionale al quadrato della velocità (in moto laminare è proporzionale alla velocità). Se raddoppio la velocità, raddoppio la portata; le perdite di carico aumentano di 4 volte. Se triplicassi la velocità aumentano di 9 volte.

Se devo trasportare l’acqua per km, non riesco più a mantenere la rete in pressione. La difficoltà della progettazione è quindi dovuta alla fluttuazione della domanda. La fluttuazione della piezometrica varia nella giornata, avrò una richiesta minore di notte (----) e una maggiore di giorno (----). Quindi lo scopo della progettazione è garantire sempre un funzionamento in pressione.

Bisogna garantire con fluttuazioni molto forti un minimo di pressione, in modo tale che quando un utente richiede acqua ci sia un’erogazione istantanea. In realtà non solo è da garantire un minimo di pressione (5 m di colonna d’acqua) ma bisogna garantire anche un massimo di pressione, pari a 70 m di colonna d’acqua rispetto al piano del terreno.

Perché devo garantire un massimo di pressione? La rete è fatta di tubi e di giunti che garantiscono una pressione 9 di tenuta pari a 50 m di colonna d’acqua con una tolleranza del 50%. Quindi la tenuta massima del rubinetto immesso sul mercato è 75 m di colonna d’acqua.

Quindi dobbiamo garantire il consumo in tutte le condizioni, cioè garantire che la pressione sia sempre compresa tra 5 e 70 m di colonna d’acqua. Non è facile, perché le perdite di carico sono proporzionali al quadrato dei consumi. Queste caratteristiche devono essere assicurate durante tutta la vita utile dell’opera.

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III. Analisi del fabbisogno

1. Portate medie

La progettazione deve partire dall’analisi del fabbisogno. Devo determinare i consumi della rete. I parametri devono essere definiti a fine costruzione e fine vita utile, in funzione degli sviluppi futuri; anno per anno poi bisogna considerare la fluttuazione della domanda da parte degli utenti. Finita la progettazione bisogna inoltre fare la verifica di funzionamento della rete in pressione. Si definiscono,