Appunti Teoria Costruzioni idrauliche

Acquedotti

Con il termine acquedotto si indica l’insieme di opere necessarie per rendere disponibile in una certa zona acqua in quantità e di qualità adatte a soddisfare le esigenze per un determinato uso. Si suddividono in base al tipo di uso in civili potabili e non, industriali e irrigui, con quest'ultimo che ha un peso maggiore rispetto agli altri.

Pianificazione e gestione degli acquedotti

Una delle attività più importanti nella pianificazione, nella progettazione e nella gestione dei sistemi di approvvigionamento idrico è l'analisi dei fabbisogni e dei consumi, per la valutazione di una dotazione media pro capite da garantire all'utenza. Secondo studi delle NU, il fabbisogno d'acqua minimo perché una persona possa sopravvivere in un clima temperato con un livello medio di attività è di cinque litri al giorno, che crescono a 10 litri al giorno in un clima caldo. Se si considerano anche i fabbisogni per cucinare, lavarsi e per gli usi sanitari, il fabbisogno cresce a 50 litri. Influenza i fabbisogni anche il rapporto tra disponibilità e costo.

Si definisce quindi dotazione D la quantità d’acqua media giornaliera assegnata a ciascun abitante di un centro abitato. Dipende dalla dimensione e dalle caratteristiche socio-economiche del centro abitato, motivo per cui è tabellato per le diverse aree.

Nell'analisi dei consumi si possono introdurre le seguenti grandezze, per poter tenere conto delle variazioni su scala temporale. In base alla parte di acquedotto che si sta considerando bisogna tenere conto di una portata differente. Da tenere in considerazione sono infine le perdite, infatti i volumi effettivamente erogati all'utenza sono sempre inferiori a quelli immessi delle rete. Queste perdite sono dovute sia a difetti delle tubazioni che a inefficienze di gestione e controllo come allacci abusivi.

Fonti di approvvigionamento

Le opere di approvvigionamento sono differenti in relazione al tipo di fonte. In generale queste fonti sono:

• Sorgenti: tipologia più pregiata, classificate in base al tipo di fenomeno che porta alla fuoriuscita della vena idrica.
• Falde freatiche e artesiane: costituite da gallerie filtranti, per profondità poco elevate, o pozzi.
• Fiumi e torrenti: realizzate tramite uno sbarramento del corso d’acqua con una traversa, o, per piccole portate, con un tubo di presa.
• Laghi, naturali e artificiali: sono realizzate generalmente mediante delle torri di presa collegate alla terra ferma da una galleria sotterranea o da un ponte o passerella esterna.
• Mare

La scelta delle fonti dipende dalla quantità e qualità della acqua che si può prelevare in relazione al tipo di uso al quale l’acquedotto è destinato. È auspicabile che, nei limiti del possibile, si cerchi di utilizzare fonti diverse per aumentare l’affidabilità dell’approvvigionamento.

Introduzione alle condotte in pressione

I sistemi in pressione hanno il vantaggio di non dovere seguire un tracciato regolare decrescente, quindi riducono la necessità di opere speciali quali gallerie e ponti-canali. Questo comporta una piezometrica svincolata dal profilo superiore della corrente e pressioni di esercizio diverse da quella atmosferica.

Verifica condotte in pressione

Noti il tracciato plano-altimetrico, i diametri delle condotte e il materiale di cui sono composte le tubazioni si determinano portate velocità e pressioni. Si fa riferimento a condizioni di moto permanente: è necessario verificare che:

• Le portate effettivamente circolanti non siano inferiori a quelle ipotizzate in fase di progetto;
• Le velocità medie non risultino inferiori a 0.5 m/s e superiori a 1.5 ÷ 2 m/s;
• Le pressioni massime non siano superiori alla pressione nominale delle tubazioni o alla pressione massima per il funzionamento regolare degli erogatori e/o apparecchiature collegate (è buona norma che non si superino gli 80 ÷ 100 m di altezza piezometrica);
• Le pressioni minime relative siano sempre positive e che l’altezza piezometrica minima sia maggiore o uguale ad almeno 5 m.

Esempi di condotte

Vediamo alcuni esempi:

1) Condotta semplice congiungente due serbatoi

La prima operazione da fare, essendo note tutte le grandezze, è ricavarsi Qmax. La prima considerazione da fare è quella sulla quota si sbocco B. Infatti la piezometrica per Qmax cambia, lasciando nell’ultimo tratto un moto a pressione atmosferica, non adatto al dimensionamento. Motivo per cui si utilizza non la quota di B ma di B’.

Un’altra considerazione da fare è quella sulla scelta di più diametri per la stessa condotta. A parità di dislivello geodetico, condotte nuove e usate restituiscono lo stesso J, quindi all’aumentare della scabrezza diminuisce la portata in esame. Per dato Ks, quindi, se la portata iniziale Qo è minore della Qmax, si instaura inizialmente un moto a cavalletta che poi tende spontaneamente a regime, ma non è una situazione accettabile.

Le ultime condizioni di cui tenere conto sono quelle relative alle pressioni. I moti in depressione non sono accettabili per ragioni igieniche, per quanto siano, in fase di verifica, accettabili depressioni inferiori a 10 m. Per questo motivo in fase di progetto si studia l’utilizzo di valvole di sfiato o di percorsi plano altimetrici diversi.

La presenza di una valvola di sfiato in un punto della condotta implica il passaggio a Patm, e un successivo moto a cavalletta in un tratto della condotta.

2) Rete di condotte ad albero

In primis si opera la risoluzione del sistema sotto l’ipotesi di picchi ininfluenti. Condizione da reintrodurre attraverso la condizione limite Hp=Zp+5m in caso non fosse verificata successivamente.

Progetto condotte in pressione

Assegnate le portate, il tracciato e il materiale delle tubazioni vanno determinati i diametri da utilizzare. Come grandezze si utilizzano la massima portata consigliabile e il Ks,u, da cui, grazie all’equazione di Bernoulli, si ricavano i diametri teorici e successivamente quelli commerciali.

1) Condotta Semplice

Il passaggio da diametri teorici a commerciali implica un cambiamento di cadente. Serve quindi una valvola di dissipazione che tenga conto di questo passaggio e compensi le minori perdite distribuite. La valvola dissipatrice, che normalmente è necessario introdurre per il passaggio ai Dcomm, serve anche a compensare le minori perdite distribuite a tubi nuovi e quindi va sempre prevista nel progetto (perfino se per i Dcomm si sono scelti tronchi a D diverso).

Il vincolo di 5 m di carico almeno su ogni punto della condotta si traduce, solitamente, nella richiesta di 5 metri di carico nel picco della condotta. Le soluzioni progettuali più comuni sono i diametri variabili. Se sono presenti dislivelli significativi è opportuno inserire lungo il percorso delle vasche di rottura piezometrica per vincolare in quei punti la piezometrica a Patm e ridurre le pressioni a valle.

2) Rete di condotte ad albero

È un problema idraulicamente indeterminato in cui vanno aggiunte nelle equazioni minima passività. L’equazione di passività si costruisce, dato un nodo N, come: in cui non vanno inseriti i nodi già dimensionati.

Pezzi speciali

Valvole di sfiato

La solubilità dell’aria disciolta nell’acqua diminuisce al diminuire della pressione e all’aumento della temperatura. Durante la stagione estiva, quindi, l’acqua lungo il percorso si scalda e tende a liberare una maggiore quantità di aria, creando accumuli di aria nei punti più elevati con conseguente riduzione della sezione, aggressione delle superfici metalliche interne e colpo d’ariete.

Le valvole di sfiato hanno quindi 3 funzioni:

• Evacuazione aria a grande portata durante il riempimento delle tubature
• Decapaggio durante il funzionamento normale
• Immissione aria in caso di scarico/guasti

Reti di distribuzione

Le reti di distribuzione sono la parte terminale degli acquedotti e hanno lo scopo di far giungere l’acqua all’utente finale. Per ogni nodo di una maglia chiusa vi sono dei vincoli da verificare:

• pmin ≥ 20 m in condizioni di normale esercizio (verifica particolare per i nodi posti a quota più alta e lontani dai nodi di alimentazione)
• pmin ≥ 10 m in condizioni di emergenza (verifica particolare per i nodi posti a quota più alta e lontani dai nodi di alimentazione)
• pmax ≤ 50 m (in qualche caso si può arrivare a 80 m) in condizioni di normale esercizio (verifica particolare per i nodi posti a quota più bassa e vicini ai nodi di alimentazione)
• Δp ≤ 15-25 m in condizioni di normale esercizio (per tutti i nodi)
• 0.5 ≤ V ≤ 2.0 m/s in condizioni di normale esercizio (V ≥ 0.3 m/s in condizioni di minimo consumo)

In base al tipo di funzionamento della rete esistono diversi schemi.

1) Rete con serbatoio di testata

Un serbatoio è posto tra l’area da servire e la rete di adduzione, in modo da minimizzare la lunghezza della condotta di alimentazione. La rete è quindi alimentata solamente dal serbatoio, che assolve alle funzioni piezometriche, di compenso, e di riserva. A causa di vincoli piezometrici il serbatoio singolo può essere disposto anche all’estremità della rete. Nei momenti di maggiore consumo, in questo caso, la rete di distribuzione viene alimentata sia dal serbatoio che dalla rete di adduzione stessa.

2) Rete con serbatoio di testata e di estremità

Il serbatoio di estremità avrà la funzione di affiancare ed integrare quello di testata nelle sue funzioni, limitando le oscillazioni piezometriche e garantendo pressioni più omogenee. Il secondo serbatoio di giorno alimenterà la rete insieme al serbatoio di testata, di notte è alimentato dal serbatoio di testata stesso. Riempiendosi di notte, il dislivello tra i due serbatoi deve essere tale da consentire il convogliamento delle Q di progetto in B. In alcuni casi il serbatoio di testata può essere sostituito da un torrino piezometrico, che ha funzione di disconnessione idraulica tra la rete di adduzione e quella di distribuzione.

3) Alimentazione diretta in rete da impianto di sollevamento

Il serbatoio di estremità ha le classiche funzioni già viste per gli altri schemi, con le pressioni, pur si vincolate dalla quota del serbatoio stesso, determinate dalla curva caratteristica della pompa utilizzata.

4) Rete senza serbatoi alimentata da pompe

L’alimentazione avviene in pressione da una serie di impianti di sollevamento e i serbatoi non hanno funzione piezometrica, ma solo di trattamento e equalizzazione (compensazione delle piccole fluttuazioni di portata) per i sistemi di sollevamento. In questo caso le pressioni sono più uniformi nello spazio e più costanti nel tempo, grazie alla capacità di regolazione degli impianti. È il caso particolare della città di Milano.

Canali a pelo libero

Canali e condotte a pelo libero

Sono le più antiche opere di trasporto dell’acqua e si usano solitamente quando la portata da convogliare è rilevante e il dislivello disponibile è limitato, visto che le perdite di carico sono inferiori a quelle dei sistemi in pressione. Alcune applicazioni tipiche sono gli acquedotti, i canali di irrigazione o i sistemi di drenaggio.

Tipologie costruttive

Possono essere a sezione aperta (canali) o chiusa (condotte) con una configurazione sempre regolare. Possono essere sia scavati nel terreno che costruiti con elementi prefabbricati, con superficie interna che può essere stabile (canali rivestiti o scavati in roccia) erodibile.

Progetto e verifica

Richiami idraulica

• Moto uniforme: caratteristiche della corrente non variano nel tempo e nello spazio.
• Moto permanente: caratteristiche della corrente variano nello spazio ma non nel tempo.
• Moto vario: caratteristiche variano nel tempo e nello spazio.

Nella progettazione delle opere idrauliche si fa generalmente riferimento al moto permanente. Nel caso di un fluido perfetto il carico totale si mantiene costante lungo ogni traiettoria, nel caso di fluidi reali, per effetto delle dissipazioni dovute agli sforzi tangenziali, si introduce la cadente piezometrica J, che racchiude in sé le perdite di carico.

In prima ipotesi per il progetto e la verifica dei canali e delle condotte a pelo libero il moto dell'acqua si considera uniforme. Ciò implica:

• Traiettorie fluide rettilinee e parallele
• Valori costanti nel tempo e nello spazio di tutte le grandezze caratterizzanti la corrente

In particolare risulta i=J, ovvero che la pendenza media motrice i è pari alla cadenza piezometrica J, valutabile attraverso la formula di Colebrook o, per un Re>10⁶, assumendo il moto assolutamente turbolento, si può usare Chezy.

Problemi di verifica

Problema di VERIFICA 2): determinare l’altezza h dell’acqua corrispondente a una portata Q. L’equazione di Chezy risulta implicita in h (tranne che per le sezioni triangolari) e quindi deve essere risolta per tentativi. Per una stima approssimata si possono usare grafici (scala delle portate), tabelle o formule approssimate.

Problemi di progetto (Dimensionamento)

Il dimensionamento consiste essenzialmente, data Q, dislivello geodetico e distanza la determinazione del tracciato, della forma, delle dimensioni e del tipo di rivestimento del tracciato dell’alveo. Il problema è idraulicamente indeterminato quindi si effettuano alcune considerazioni per limitare le combinazioni possibili. Usualmente si sceglie una delle seguenti condizioni:

• Si fissa una delle due dimensioni, per soddisfare vincoli di natura tecnica o economica (profondità di scavo, ingombro massimo, vincoli urbanistici, ecc.) e si ricava l’altra dall’equazione di Chezy in maniera implicita
• Si fissa il rapporto tra le due dimensioni, riferendosi alle sezioni di massima efficienza idraulica, cioè quelle con un’area bagnata minima a parità di portata, o massima portata a parità di area bagnata (B/h=2 per rettangoli e trapezi).
• Si fissa la velocità media

Inoltre nel progetto va calcolata un franco idraulico aggiuntivo tra pelo libero e generatrice superiore della sezione, che serve a limitare il rischio di esondazione dovuto a moto ondoso o incertezze di calcolo nelle sezioni aperte e anche a mantenere uno strato di aria soprastante la corrente per un mantenimento delle condizioni stabili di moto a pressione atmosferica nelle sezioni chiuse. È almeno parti al 25% di h.

Canali con sezione composta

In caso di portate da convogliare nel tempo molto variabili, come nei corsi d’acqua regolarizzati o di canali di drenaggio di acque meteoriche, per evitare eccessive variazioni di velocità ci si può ricondurre a sezioni composte. In questi casi l’equazione di Chezy applicata all’intera sezione può restituire dei risultati non realistici, perché per esempio nel passaggio tra alveo di magra e galene si ha un sensibile aumento del contorno bagnato anche per piccolissimi aumenti di h, che comporta una discontinuità nella scala delle portate. Per evitare tale discontinuità è preferibile applicare Chezy alle sezioni trovate attraverso rette verticali, che bisogna ricordare che NON fanno parte del perimetro bagnato. Stesso ragionamento si applica in caso le sottosezioni non siano identificate per un raggio idraulico differente bensì per coefficienti di scabrezza differenti.

Canali a pelo libero con alveo erodibile

Il movimento dell’acqua in alvei erodibili induce fenomeni di erosione e trasporto del materiale solido. Spesso nello stesso canale o corso d’acqua si osservano zone di erosione e di deposito, che generalmente evolvono nel tempo modificando non solo le sezioni trasversali, ma anche l’andamento planimetrico.

La casistica degli alvei erodibili è variegata e complessa, vengono studiati solo quelli stabili, cioè quelli dove la corrente non provoca erosione e asportazione dei sedimenti dell’alveo stesso. La stabilità viene valutata con le teorie dell’equilibrio limite, che si basa sulla considerazione che ogni particella giacente sul contorno di una sezione dell’alveo generata dal moto sia in equilibrio, e del regime, teoria probabilistica che si usa quando la portata solida, per via dei sedimenti fini, è formata da materiali in sospensione, e quindi la stabilità dell’alveo è garantita dal trasporto del solido pari a zero per via dell’equilibrio dinamico tra il materiale solido che si deposita e quello che dallo stesso viene asportato.

Tramite il concetto della bilancia di Lane si esprime il concetto di equilibrio dinamico di un fiume: Un fiume ha raggiunto il suo equilibrio dinamico quando non ci sono significativi cambiamenti del suo tracciato planimetrico o del livello del fondo.

Colpo d’ariete

Cenni di colpo d’ariete

Le variazioni della portata nelle condotte in pressione, per effetto di organi di regolazione o di rotture, portano al verificarsi di processi di moto vario caratterizzati da variazioni di pressione che possono compromettere l’integrità e la funzionalità dell’impianto. I fenomeni che si sviluppano durante questi transitori di funzionamento sono di natura periodica, con alternarsi di fasi di aumento e diminuzione delle pressioni rispetto ai valori di regime. Le brusche fasi di aumento della pressione si manifestano sotto forma di colpi violenti contro la parete della condotta che sono all’origine del nome di colpo d’ariete che tradizionalmente si dà al fenomeno.

Immaginiamo una condotta alimentata da un