Costruzioni idrauliche - Raccolta di esercitazioni

Università degli Studi della Basilicata

Scuola di Ingegneria

Costruzioni idrauliche II

Anno Accademico 2020/2021

Appunti di Costruzioni idrauliche II

Indice

INDICE........................................................................................................................ 3

ACQUEDOTTI ESTERNI

ESERCITAZIONE 1A. Acquedotti esterni condotte con servizio di estremità................................................................................................................ 12

(funzionamento a gravità) ...................................................................................................... 21

Possibili situazioni particolari

ESERCITAZIONE 1B. Acquedotti esterni condotte con servizio di estremità (con impianto................................................................................................................................. 26

di sollevamento) 36

ESERCITAZIONE 2. Acquedotti esterni con sistema ramificato di condotte in pressione.......... 45

ESERCITAZIONE 3. Dimensionamento degli organi di attenuazione del moto vario.............................................................................................. 74

IMPIANTI IDROELETTRICI - Cenni

ESERCITAZIONE 4. Condotta forzata di un impianto idroelettrico con funzionamento a.................................................................................................................................................... 76

gravità .......................................... 91

RETI IDRICHE URBANE (INTERNE) – Acquedotti Interni 96

ESERCITAZIONE 5. Applicazione del metodo di hardy cross................................................................ 109

ESERCITAZIONE 6. Calcolo della capacità dei serbatoi per le reti idriche urbane......................................................................................................................... 120

TRAVERSE FLUVIALI

ESERCITAZIONE 7. Simulazione dei profili di corrente in un alveo prismatico con tronchi.......................................................................................................................... 120

a diversa pendenza

ESERCITAZIONE 8. Traverse fluviali. Dimensionamento idraulico di un bacino di.......................................................................................... 145

dissipazione del tipo in depressione .............. 163

ESERCITAZIONE 9. Traverse autoderivanti – verifiche sull’opera di derivazione . 178

ESERCITAZIONE 10. Traverse fluviali – alvei a fondo mobile (evoluzione morfologica)............................................................................................................................................. 196

FOGNATURE .......................................................................................... 201

ESERCITAZIONE 11. Reti di drenaggio ................................ 222

ESERCITAZIONE 12. Scolmatori di piena per reti di drenaggio urbano

ESERCITAZIONE 13. Modellazione del processo di trasformazione afflussi-deflussi con........................................................................................................................... 234

modelli concettuali 2

Appunti di Costruzioni idrauliche II

Acquedotti esterni

L’uomo ha da sempre cercato un modo per approvvigionarsi l’acqua presente sulla terra, motivo per il quale sono stati realizzati diversi acquedotti. In particolar modo le prime costruzioni vennero realizzate dagli antichi Romani, la maggior parte dei quali si sono dimostrati affidabili e duraturi, alcuni si sono mantenuti fino alla prima età moderna e alcuni sono ancora parzialmente in uso.

Un acquedotto è un sistema di opere idrauliche destinato all’approvvigionamento di acqua ai centri cittadini, nelle industrie, nelle borgate rurali e, talvolta, nelle case sparse.

Chiaramente le acque per il servizio domestico, per i servizi pubblici e le borgate devono avere caratteristiche che le rendono potabili per soddisfare i fabbisogni e sufficientemente pure da non essere veicolo di malattie, mentre quelle destinate alle industrie possono anche non richiedere queste caratteristiche.

Detto ciò si danno le seguenti definizioni:

• Per acquedotto si intende il complesso degli impianti di attingimento, di trattamento, di trasporto e di distribuzione dell'acqua;
• Per impianto di attingimento si intende il complesso delle opere occorrenti per la raccolta, la regolazione, la derivazione e la protezione di acque sotterranee o superficiali;
• Per impianto di trattamento si intende il complesso delle opere occorrenti per conferire alle acque attinte le particolari caratteristiche fisiche, chimiche e biologiche richieste dalla loro destinazione (tale impianto può essere costituito dalle sole apparecchiature destinate alla disinfezione delle acque);
• Per impianto di trasporto si intende il complesso delle opere occorrenti per convogliare le acque degli impianti di attingimento agli impianti di distribuzione;
• Per impianto di distribuzione si intende il complesso dei serbatoi, della rete di distribuzione e delle relative diramazioni fino al punto di consegna agli utenti.

Più semplicemente un acquedotto cittadino consta, essenzialmente, di 4 parti:

• Le opere di presa, destinate a raccogliere la quantità di acqua necessaria;
• Le opere di convogliamento (o di trasporto o condotte adduttrici) delle acque, dalla presa fino in prossimità dell'abitato;
• Le opere di immagazzinamento o serbatoi (opere di accumulazione), situate per lo più al termine dell'opera di trasporto, in vicinanza dell’abitato, e che provvedono ad una funzione di riserva e di compenso. A valle del quale vengono realizzate condotte di avvicinamento che collegano le opere di accumulo alla rete di distribuzione;
• La rete di distribuzione, che assicura la distribuzione dell'acqua a tutti gli utenti, costituita dall'insieme delle condotte, delle apparecchiature e dei manufatti messi in opera in un centro abitato per alimentare le utenze private ed i servizi pubblici.

Le prime due parti costituiscono quello che viene definito acquedotto esterno; le altre due costituiscono l'acquedotto interno.

Alla rete di distribuzione interna sono collegati gli allacciamenti privati, cioè le tubazioni che entrano nell'interno dei fabbricati e distribuiscono l'acqua a tutti i rubinetti di erogazione.

Se l'acquedotto esterno è a servizio di più abitati esso consterà non più di un'unica condotta, ma si dividerà in parecchie derivazioni o diramazioni destinate a condurre l'acqua ai diversi abitati; e se l'acquedotto è in tutto o in parte un acquedotto rurale vi saranno molte 3

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diramazioni di minore importanza che vanno a distribuire l'acqua alle borgate ed alle masserie isolate. Nei punti di derivazione più importanti, prendono posto degli appositi partitori che dividono l'acqua in determinate proporzioni fra i vari rami, e talora anche, negli acquedotti più importanti, dei serbatoi (serbatoi di linea), che hanno lo scopo di assicurare delle riserve idriche in punti opportuni.

L'acquedotto esterno può essere costituito da un canale o condotta a pelo libero, oppure da condotte forzate o in pressione, o anche in parte da condotte a pelo libero e in parte da condotte in pressione: le acque possono fluire per gravità oppure, in certi tratti, esser sopraelevate da opportuni impianti elevatori.

L'acquedotto interno è sempre costituito da condotte in pressione per permettere all'acqua di risalire ai piani più alti delle case. La rete di distribuzione è poi caratterizzata dal fatto che le condotte sono a maglie chiuse, vale a dire sono tutte collegate fra di loro.

Tutte le opere devono essere costruite con particolare riguardo a quelli che sono i requisiti igienici di un acquedotto; esse debbono cioè assicurare che le acque, già potabili all'origine, o rese potabili mediante appositi impianti di potabilizzazione, giungano fino ai rubinetti di erogazione mantenendo intatte le loro caratteristiche di potabilità. Le condotte, i serbatoi e tutte le altre opere d'arte attraversate dalle acque debbono essere protette contro ogni possibilità di inquinamento e debbono essere studiate in modo da garantire la freschezza delle acque. A tal fine le condotte, anche se a pelo libero, sono sempre chiuse e interrate profondamente nel terreno al fine principale della protezione termica; così pure le opere di presa da sorgenti, i serbatoi e gli eventuali pozzetti di interruzione di carico, di partizione ecc., devono essere chiusi e protetti in modo particolare. Nei grandi acquedotti i tronchi principali a pelo libero sono spesso costruiti in galleria.

Opera di presa e soluzioni progettuali

L’opera di presa è l’opera in corrispondenza della quale avviene la captazione dell'acqua dal ciclo naturale. Fanno parte di quest’opera anche gli impianti di trattamento, i quali possono essere posti o alla sorgente naturale/artificiale o alla fine dell’opera di captazione. L'opera di presa va collocata in un punto più alto possibile in modo tale da avere una maggiore energia potenziale o utilizzare un impianto di sollevamento per portare l'acqua in un serbatoio di carico, però poi per far affrontare questi enormi dislivelli vanno adottate procedure progettuali in modo da contenere i costi, quindi si avranno due diverse soluzioni:

• 1) La prima soluzione progettuale consente di avere una condotta non in pressione che però va inclinata con pendenze molto molto ridotte e questo si può fare mediante delle opere d’arti (ponti). Questa è la soluzione più antica adottata sin dai Romani; Figura 1 Condotta a pelo libero
• 2) La seconda soluzione è quella più utilizzata negli acquedotti moderni. Qui abbiamo una condotta in pressione in modo tale da tenere sempre alta la piezometrica e ridurre la perdita di carico. 4

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Figura 2 Condotta in pressione

Lo schema mostrato in Fig. 3 è quello di un acquedotto con le varie opere idrauliche che lo compongono.

Figura 3 Acquedotto con le varie opere idrauliche

Allo stesso tempo uno schema più semplificato di un acquedotto è quello riportato in Fig. 4.

Figura 4 Schema semplificato di un acquedotto

In passato si era posto il problema del prelievo o captazione e quello dell'adduzione, quindi dell'avvicinamento, facendo riferimento a un'unica fontana o più fontane, mentre il problema della distribuzione alle varie utenze è sorto in seguito.

Lo schema più semplificativo riportato qui sopra va a rappresentare un acquedotto esterno, in particolare quest'ultimo veniva definito acquedotto rurale, ancora in funzione presso piccoli comuni o piccole realtà. 5

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Però con la crescita dei centri urbani si è passati dagli acquedotti rurali agli acquedotti consortili, dove si ha un unico serbatoio di presa che fornisce più realtà. Naturalmente con la crescita dei centri e della stessa popolazione si è andato incontro a delle esigenze maggiori e quindi la richiesta della risorsa idrica è aumentata, la quale viene utilizzata per vari scopi, ma soprattutto per il fabbisogno idrico dell’uomo e quindi per uso potabile, detto anche uso civile, per poi trovare un quantitativo destinato a uso irriguo, industriale ecc.

Con l'evoluzione si è passati quindi dall'utilizzo delle sorgenti all'utilizzo anche di altre acque che devono però essere purificate e rese potabili, provenienti da zone sotterranee, come i pozzi freatici (pozzi non in pressione) o artesiani (pozzi in pressione), dove si andranno a utilizzare opere di presa, come i pozzi piezometrici, fino all’utilizzo di corsi superficiali come laghi, fiumi e mari.

Pertanto si passa così dagli acquedotti rurali o acquedotti consortili a dei veri e propri sistemi idraulici.

Nel realizzare queste opere si ha bisogno di stabilire un determinato percorso, il che rientra in una scelta progettuale seria e materia interdisciplinare, poiché si può aver bisogno di indagini da parte di un tecnico idrogeologo, geologo o geotecnico.

La grandezza fondamentale per il dimensionamento di un acquedotto è la dotazione idrica, la quale accoppiata alla popolazione da servire permette il calcolo del fabbisogno idrico.

Inoltre si dovrà tenere in considerazione il fatto che le condotte siano interrate di almeno 1 metro, e che quindi non vengano a contatto con l'ambiente esterno, questo perché le condizioni di temperatura e soleggiamento possano far modificare le caratteristiche dell’acqua. Quindi laddove è possibile si cercherà di interrarle per garantire temperature standard che non vadano a modificare le proprietà dell’acqua, ma ciò non è sempre possibile per cause di forza maggiore.

Ad esempio nel caso di un alveo molto ampio non si potrà utilizzare delle condotte interrate, come quelle previste per gli alvei stretti, ma utilizzare dei ponti-tubo, così come nel caso di un attraversamento ferroviario o di altre strutture che rendano difficile l’interramento delle condotte.

Nelle zone in frana la condotta si può mettere fuori terra utilizzando queste opere descritte, facendo seguire le linee di massima pendenza e non le linee isoipse, le quali saranno attraversate in modo ortogonale e quindi mai parallele ad esse, in quanto così facendo in caso di frana la condotta non subirebbe danni con lo spostamento del terreno.

Parlando di terreni franosi la situazione che potrebbe presentarsi è quella dell’interposizione, tra il serbatoio A e il serbatoio B, di una montagna in cui si dovrà effettuare la scelta migliore tra la soluzione di realizzare un impianto a gravità che vada a seguire le isoipse, o quella di realizzare un impianto di sollevamento che possa riempire un serbatoio C posto alla cima della montagna, per poi proseguire con il funzionamento a gravità. Però logicamente la seconda soluzione è quella più costosa poiché oltre al costo dell’impianto bisogna aggiungere quello della fornitura di energia, e quindi bisognerà trovare il giusto compromesso tra l’affidabilità e l’economicità. 6

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Figura 5 Soluzioni progettuali per acquedotti

Le sorgenti, e quindi le opere di presa (serbatoio A), si identificano e realizzano in punti più alti rispetto al centro da servire, proprio per sfruttare la gravità, in modo che tutta l’energia potenziale si trasformi in energia cinetica. Inizialmente le condotte venivano realizzate a superficie libera, quindi a contatto con l’aria, così il moto dell’acqua subiva gli effetti della pressione atmosferica. Ciò significa che avendo comunque una differenza di quota abbastanza elevata con gli avvallamenti non si riusciva a superare questi dislivelli comportando in passato la costruzione di grandi opere (problema relativo alla sicurezza), mentre con l’evoluzione si è passato al moto in una condotta chiusa a bocca piena, in maniera tale che la pressione atmosferica non incida sulla superficie libera, superando anche gli avvallamenti con la presenza però del dislivello fisico poiché non si può andare contro la gravità.

Oltre al forte dislivello che si cerca di realizzare, nel tratto iniziale si cerca sempre di dare una pendenza massima, non a caso la condotta viene schematizzata come segue nella Fig. 6 dove la stessa, disegnata a sifone, può indicare la non linearità della condotta (zig-zag), mentre il percorso si sceglie in base a:

• Facilità di accesso per manutenzione, se possibile collocarli vicino a infrastrutture preesistenti altrimenti bisognerebbe realizzare delle stradine;
• Percorso più breve possibile.

Figura 6 Classica rappresentazione a sifone per una condotta che collega i serbatoi A e B

Sfiati, scarichi e forze nelle condotte

Nelle condotte si possono avere problemi dovuti alle forti vibrazioni e ai fenomeni di risonanza che portano alla creazione di bolle d'aria all'interno della stessa durante il suo esercizio, le quali trascinate dall'acqua, si vanno raccogliendo nei punti alti del tracciato, oppure si formano durante lo svuotamento per manutenzione, andando a restringere la sezione della condotta. A tale scopo si utilizzano gli sfiati, che hanno la funzione di eliminare 7

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l'aria che viene a formarsi. Gli sfiati sono costituiti da un sistema di sfere e vengono realizzati con il seguente metodo di funzionamento:

• 1) Se tutta la sezione è piena d’acqua, la sfera viene mantenuta in alto e lo sfiato è chiuso; Figura 7 Sfiato chiuso
• 2) Se si viene a creare una bolla d’aria la sfera scende con la depressione e galleggia sull’acqua aprendo lo sfiato, in questo modo l’aria esce e appena la condotta si riempie la sfera richiude lo sfiato. Figura 8 Sfiato aperto

Altro problema comune nelle condotte è che si possono avere carichi troppo elevati e dunque pressioni troppo elevate, a tal proposito vengono realizzati degli scarichi che consentono di abbattere il carico, consentendo anche di svuotare la condotta in caso Figura 9 Posizionamento scarichi e sfiati nelle condotte di manutenzione.

Gli scarichi possono essere azionati sia manualmente che a distanza.

In una condotta si ha a che fare con le forze di trascinamento, esercitate dall'acqua, e con forze di galleggiamento, esercitate dall'aria che tende a risalire.

Si dovrà cercare di fare in modo che queste due forze abbiano lo stesso verso, in fase iniziale hanno segno discorde però il problema si risolve Figura 10 Andamento delle forze di trascinamento e di con la forte pendenza, con la quale la galleggiamento forza di trascinamento riesce a superare quella di galleggiamento in modo tale che l’acqua trasporti anche l’aria, mentre