Appunti Teoria Costruzioni idrauliche

CENNI DI COLPO D'ARIETE

Le variazioni della portata nelle condotte in pressione, per effetto di organi di regolazione o di rotture, porta 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 da al fenomeno.

Immaginiamo una condotta alimentata da un serbatoio a gravità con perdite di carico trascurabili a cui viene chiusa instantamente la valvola a valle. Al momento della chiusura della condotta con un otturatore si ferma solo l'acqua immediatamente a monte dello stesso, con

una variazione graduale di pressione. Questo crea un'onda di sovrapressione che si propaga dall'otturatore al serbatoio, annullando la velocità del fluido. Una volta raggiunto il serbatoio, per la natura dello stesso, la perturbazione cessa, ma vi è una situazione di instabilità dove Pcond>Pserb. Questa differenza di pressione provoca una seconda perturbazione, che si propaga dal serbatoio all'otturatore aumentando la pressione nella condotta sino ai valori precedenti alla chiusura dell'otturatore. Questo causa un movimento della colonna d'acqua verso il serbatoio, con velocità uguale ma di verso opposto a quella di regime. Si ripete dunque la perturbazione iniziale per una seconda colonna d'acqua che raggiunge in un secondo momento l'otturatore, causando una nuova depressione, la cui differenza di pressione spinge nuovamente l'acqua verso l'otturatore, causando il contraccolpo.

Tipi di manovre:

• Manovre

Per manovre di tipo rapido, ovvero con Tm < 2L/c, può essere raggiunto il massimo sovraccarico prima che sia ritornata la prima perturbazione.

Come si vede dal grafico il fenomeno nasce progressivamente a partire dall'otturatore, dove nasce un fronte di perturbazione che occupa, una volta sviluppato, un tronco di condotta lungo c*Tm.

Noto quindi il tempo di manovra è agevole il calcolo delle piezometriche e la loro rappresentazione. In particolare la piezometrica massima indica la pressione interna a cui deve resistere la condotta e la piezometrica minima indica se sono possibili fenomeni di depressione o cavitazione.

Manovre Lente

Nelle manovre lente la massima variazione di carico in condotta risulta attenuata dall'arrivo delle onde riflesse.

Attenuazioni di colpo d'ariete

Casse D'aria

Sono dei serbatoi chiusi, parzialmente riempiti d'acqua e tenuti in pressione da un compressore, collegati alla condotta di mandata subito dopo la pompa.

ne consente il rilascio;

Utilizzati prevalentemente per tubazioni di non grandi dimensioni.

• Casse d'acqua

Rimedio unidirezionale (serve ad attenuare solo le sottopressioni);

Consiste in un serbatoio di liquido in cima a un pozzo piezometrico che si innesta subito a valle della pompa (come per la cassa d'aria) per proteggere la condotta di mandata. All'arresto della pompa la pressione nella tubazione diminuisce e il liquido contenuto nella cassa viene richiamato nella tubazione; l'arresto del flusso del liquido nella tubazione avviene lentamente attraverso un graduale rallentamento mediante il quale le depressioni possono essere contenute entro i limiti ammissibili. Nella successiva fase di contraccolpo il rientro d'acqua nel serbatoio deve essere impedito da una valvola di non ritorno o consentito, ma solo fino al completo riempimento del serbatoio, per mezzo di una valvola galleggiante o asservita alla quota di pelo libero.

• Dighe

Generalità

Sbarramenti fluviali

Gli sbarramenti fluviali permanenti si distinguono in dighe e traverse:

• Diga è uno sbarramento volto alla creazione di un invaso artificiale amonte destinato all'accumulo temporaneo delle acque defluenti nel corso d'acqua
• Traversa è uno sbarramento volto principalmente a regolare il livello dell'acqua a monte, solitamente di volume modesto. Generalmente sono regolazioni necessarie per il funzionamento ottimale di un'opera di presa.

Dighe

Le varie tipologie di dighe sono definite dalle normative tecniche. Sono sostanzialmente di due tipologie:

• In muratura (a gravità o a volta)
• In materiali sciolti

La progettazione, la costruzione, l'esercizio e la vigilanza degli sbarramenti sono regolate da norme emanate non solo a livello nazionale, ma anche a livello regionale in relazione alle dimensioni dell'opera. Il nuovo regolamento definisce le dighe in base alla loro altezza (<15m "Grandi")

Le dighe possono essere classificate in base al tipo di struttura e al volume d'invaso. Esistono dighe a gravità e dighe a contrafforti. Le dighe a gravità sono caratterizzate dalla spinta idrostatica dell'acqua che viene contrastata principalmente dal peso della struttura stessa. Questo peso spinge la risultante delle forze verso il basso, garantendo l'equilibrio.

Il volume d'invaso è un'altra caratteristica importante delle dighe. Esistono dighe di piccole dimensioni, con un volume d'invaso inferiore a 1.000.000 m^3, e dighe di grandi dimensioni, con un volume d'invaso superiore a questa soglia.

Alcune grandezze caratteristiche delle dighe sono:

• H: l'altezza della diga, definita come il dislivello tra la quota del piano di coronamento (esclusi parapetti ed eventuali muri frangionde) e quella del punto più depresso dei paramenti.
• V: il volume d'invaso, definito come il volume del serbatoio compreso tra la quota di massima regolazione e la quota del punto più depresso del paramento di monte.
• VC: il volume complessivo d'invaso, definito come il volume del serbatoio compreso tra la quota di massimo invaso e la quota del punto più depresso del paramento di monte.

Sono costituite da elementi monolitici, generalmente di cls non armato o armato debolmente, collegati con giunti a tenuta idraulica. Questi conci sono solitamente a sezione triangolare che si restringe verso l'alto, con una larghezza in genere di circa 10m. Esiste un'altra tipologia di diga, quella a gravità alleggerita, in cui le parti meno sollecitate della struttura vengono eliminate, concentrando l'azione resistente in alcuni elementi sagomati chiamati speroni, spesso distanziati tra loro e collegati in corrispondenza del paramento di monte da piastre piane o voltine armate.

Usualmente le forze agenti sulla struttura si suddividono in due categorie: forze intrinseche, quali peso proprio, spinta idrostatica, sottospinta, spinta del ghiaccio e spinte di origine sismica, e forze esterne, quali quelle derivanti dai fenomeni chimico-fisici a cui è sottoposta la struttura nelle sue parti quali il cemento. Le forze esterne però non necessariamente conducono a

deformazioni nella struttura.

Dighe a volta o in materiali sciolti

Nelle dighe a volta la struttura presenta una curvatura sul piano orizzontale (ad arco) e qualche volta anche sul piano verticale (a volta). La struttura ha spessori molto sottili e il suo peso ha un effetto generalmente trascurabile rispetto alla stabilità dell'arco. Nelle dighe a volte o a piastre la struttura è costituita da una serie di contrafforti affiancati ai quali è affidata la stabilità dello sbarramento, collegati a monte da volte o da piastre. Trattandosi di strutture molto leggere, la componente verticale della spinta idrostatica è esaltata diminuendo molto la pendenza del paramento di monte. Nei casi più estremi tale pendenza risulta uguale o anche minore di quelle del paramento di valle.

Le dighe in materiali sciolti sono costituite da un rilevato ottenuto sovrapponendo strati di terra e/o di pietrame, con un nucleo di tenuta interno, a formare una struttura

Approssimativamente, triangola molto larga e poco alta. Sono strutture non tracimabili, in quanto facilmente erodibili e soggette a rischio crollo, motivo per cui il RID prevede franchi netti più elevati delle dighe in muratura.

Opere di scarico e di presa

Ogni invaso artificiale, in particolare quelli creati con sbarramento fluviale, deve essere provvisto di opere di scarico che ne garantiscano la sicurezza di funzionamento. Quelli sempre presenti in ogni invaso sono gli scarichi di superficie e gli scarichi di fondo, mentre scarichi di altri tipi come quelli di alleggerimento o esaurimento sono presenti in altri invasi, di solito di dimensioni maggiori.

• Scarichi di superficie

Gli scarichi di superficie hanno la funzione di evitare che il livello idrico all'interno dell'invaso superi i massimi valori previsti, ovvero, nelle dighe, lo scarico a valle delle portate di piena.

1. Sfioratori a stramazzo

Sono essenzialmente degli stramazzi rettangolari, solitamente a più

luci, ricavati nel corpo della diga. L'efflusso può essere libero come in uno stramazzo classico o può avvenire su una superficie di scorrimento (Creager-Scimeni). L'equazione d'efflusso che regola tali sfioratori è:

La lunghezza Le è la lunghezza efficace dello sfioratore, ovvero quella relativa ad una luce libera. Spesso però essa è intervallata da pile e spalle, motivo per cui bisogna tener conto sia della larghezza degli elementi stessi oltre che dell'effetto di contrazione indotto dalle pile sulla corrente. La reale Le sarà quindi data da:

con Ks e Kp coefficienti dipendenti dalla forma delle spalle e delle pile.

Negli sbarramenti di una certa importanza si preferisce utilizzare il profilo Creager-Scimeni, che evita il verificarsi di pressioni relative negative al di