Appunti ed Esercitazioni di Costruzioni Idrauliche

OSSERVAZIONE:

Si mette in evidenza come si passa dall’ equazione globale dell’ equilibrio dinamico

generale cioè ζ δ ζ δ

+(Q V )/g = +(Q V )/g

0 0 0 0 1 1 1 1

alla formula riferita ad una sezione rettangolare cioè

2 12 2

1 (y +Δz) 3b =(y /6) 3b +Q /[gb y ]

0 0 0 0 1

6 12

ζ δ ζ

Infatti, analizzando la sezione 1, si vede che =(y /6) 3b poiché =b ·y e

1 1 0 1 0 1

2

δ =Q/ζ con ζ=b

=y /2 e (Q V )/g=Q /[gb y ] poiché si sa che V ·y .

1 1 1 1 0 1 1 0 1

1 2

ζ δ +Δz) ζ +Δz)

Al contrario, nella sezione 0, si vede che = (y poiché =b ·(y e

0 0 0 0 0 0

6

δ +Δz)/2 (contiene anche la spinta relativa all’ inclinazione dell’ alveo) invece il

=(y

0 0

termine relativo alla quantità di moto è nullo perché Q =0.

0

OSSERVAZIONE: Considerazioni generali

Si osservi che la rete a maglie rettangolari della griglia è realizzata lievemente

inclinata nel verso della portata per una serie di motivi: in primis è meno probabile

che corpi estranei trasportati dall’azione di trascinamento della corrente terminino nel

l’incastrarsi nella griglia stessa con ovvie

canale collettore o finiscano con

conseguenze pertanto le operazioni di pulizia risultano agevolate; in secondo luogo,

tale inclinazione non agevola l’ingresso di portata nel canale collettore e ciò è

particolarmente vantaggioso nel momento in cui sopraggiunge una portata di piena

pertanto la crisi dell’impianto è meno probabile. Tanto più la corrente è veloce

quanto meno risentirà della griglia così costruita.

91

Esercizio 10

( 27/04/2015 )

Dimensionamento di uno scolmatore di piena.

Lo scolmatore di piena è una particolare opera idraulica che si trova sulle reti di

drenaggio urbano (reti fognarie), il suo compito è quello di derivare una certa portata

d’ acqua qualora dovesse arrivare una piena. Nelle fognature miste, infatti, oltre alla

e all’ allontanamento delle portate nere, è prevista anche la raccolta ed

raccolta

allontanamento delle portate pluviali. Normalmente, queste portate vengono

indirizzate verso un impianto di trattamento appositamente progettato dove vengono

di componenti nocivi per l’ ambiente e l’ acqua trattata può

abbattute le quantità

essere rimessa nel ciclo. Essendo gli impianti di trattamento progettati in funzione di

una certa portata di regime ( indicata in seguito con q ), qualora le piogge dovessero

0

essere abbondanti, e nella fogna dovesse circolare una portata superiore a quella di

regime, risulta necessario allontanare la portata in eccesso, e per fare ciò si utilizzano

gli scolmatori di piena che captando questa portata la indirizzano verso vasche di

raccolta (anche dette vasche volano ) che permettono un accumulo di acque che

saranno trattate in seguito, oppure indirizzano tali portate direttamente verso corpi

idrici ricettori ( questa soluzione benché più pratica è chiaramente più rischiosa dal

punto di vista ambientale ). Nel disegno seguente è mostrato un esempio della parte

terminale di una rete fognaria dove viene rappresentato seppur in maniera schematica

il comportamento di uno scolmatore di piena.

92

La schematizzazione dello scolmatore di piena che verrà trattato nel seguente

esercizio è invece riportata in sezione e in pianta nel disegni successivi. In entrambi i

disegni si mostra indicativamente il comportamento della corrente fluida mentre

attraversa il tratto interessato dallo scolmatore.

Nel momento in cui si decide di mettere uno scolmatore di piena si devono prendere

alcune decisioni che sono dovute al tipo di comportamento che si vuole che lo

sfioratore abbia ed alla velocità della corrente presente nella rete fognaria. Infatti, gli

scolmatori possono essere a soglia alta o a soglia bassa e possono avere il canale

derivatore laterale o sottostante il canale emissario, questi due sono denominati con i

termini inglesi Lateral Weir ( scolmatore laterale ) e Leaping Weir (scolmatore con

canale derivatore sottostante), i primi sono consigliabili per correnti lente facendo in

modo che il canale derivatore capti sempre e solo portata q mentre i secondi sono

0

93

utili qualora ci si trovi in regime di corrente veloce, e l’ emissario deve essere posto

che capti l’ eccesso di portata.

in maniera Di seguito è riportata una schematizzazione

di questa classificazione.

Gli sfioratori a soglia alta hanno la particolarità di preservare la “lentezza” della

corrente, infatti si nota facilmente che la corrente che inizialmente arriva lenta e

quando esce dallo scolmatore è ancora lenta. Mentre per quanto riguarda gli

scolmatori a soglia bassa il comportamento è opposto, la corrente lenta è costretta ad

accelerare, anche perché molto spesso alla fine del tratto di derivazione si è costretti a

mettere un setto di controllo, dunque la portata per passare sotto tale setto deve

accelerare, e a valle del setto è costretta a formare il risalto idraulico per ritornare al

suo stato di regime lento. Operativamente gli scolmatori a soglia alta entrano in

funzione quando arriva una portata considerevole, perciò un errore nel loro

dimensionamento potrebbe limitare il loro utilizzo e far si che una portata

eccessivamente grande sia inviata all’ impianto di trattamento. Invece lo scolmatore a

soglia bassa ha un effetto di chiamata all’ imbocco decisamente più marcato, pertanto

abbassare la soglia più del necessario porterebbe a sfiorare una portata di poco

superiore a quella di progetto, e qualora la fogna fosse mista ciò potrebbe causare

94

danni all’ ambiente. Essendo comune l’ immissione per questo tipo di scolmatori di

un setto di controllo, sarebbe possibile mettere una sorta di paratia mobile che regoli i

tiranti all’ occorrenza. presente all’ interno dello

Per avere un idea di quale profilo di corrente sarà

scolmatore è utile guardare il grafico h-Q riportato sotto.

È facile fare le seguenti costatazioni, se la corrente è lenta nel momento in cui la

portata diminuisce ( viene scolmata ) il tirante tende ad aumentare diversamente da

quanto ci si potesse aspettare. Mentre in caso la corrente sia veloce ad una

diminuzione di portata corrisponde una diminuzione di tirante.

Terminate queste considerazioni iniziali che servivano per fissare bene le componenti

del problema si assegnano i dati relativi alla rete fognaria presa in esame:

3

- Q = 1,02 m /s ;

max o

- i = Pendenza del canale = 6,4 / = 0.0064 m/m;

oo

3

- q = 0.06 m /s (Portata di sufficiente diluizione).

0

La portata di sufficiente diluizione ( inizialmente chiamata portata di progetto ) è la

portata con cui è stato progettato l’ impianto di trattamento, ed è quella che deve

arrivare affinché il suo funzionamento sia corretto. Risulta comunque comune che

all’ impianto di trattamento arrivi una portata q leggermente maggiore di q il cui

0

rapporto di derivazione q/q tenda ad 1.

0 95

Avendo fornito una descrizione delle varie tipologie di scolmatore , per l’ esercizio in

esame si è deciso di utilizzate uno scolmatore laterale ( Lateral Weir ) a soglia alta

con setto di controllo. Il setto che consiste in una paratia mobile è inserito in un

tronco venturimetrico che ci permetterà anche di calcolare la portata.

viene disegnato il tronco effettivamente usato per l’

Nelle figure che seguono,

esercitazione che verrà successivamente dimensionato e viene mostrata una

schematizzazione di un tronco venturimetrico e sarà fornita in seguito una breve

spiegazione del suo funzionamento.

Il tronco venturimetrico non è altro che una restrizione orizzontale della sezione del

canale fognario, ha una certa lunghezza indicata con L e la paratoia mobile utilizzata

v

come setto di controllo che invece introduce un restringimento verticale, è posta ad

L /3 dal suo inizio.

v

q è la portata di massima diluizione, in condizioni di esercizio deve lambire il setto e

0

proseguire formando il risalto idraulico. Qualunque portata Q < q non deve essere in

i 0

nessun modo disturbata dal setto, mentre le portate Q > q devono incappare nel setto

0

ed essere sfiorate nel canale emissario. Si nota inoltre che anche quando dovesse

96

verificarsi la Q affinché siano rispettate le condizioni di igiene nella fogna, la

MAX

portata circolante non deve mai toccare il cielo-fogna, anzi, la corrente deve

proseguire sempre a pelo libero garantendo così l’ areazione della condotta.

Il primo dato che è necessario determinare è la portata nera la quale non deve essere

mai scolmata e deve essere portata all’ impianto dei depurazione:

·ε /86400

q = d.i. · N

N Ab

Dove - d.i. = Dotazione idrica 300 l/(Ab·giorno);

- N = Numero di abitanti = 3500 Ab;

AB

ε =Coefficiente dall’ acquedotto alla

- rappresentativo delle perdite

fogna=0.8. 3

ε

q = d.i.· N · /86400 = 300 ·3500· 0.8 / 86400 = 9.72 l/s = 0.00972 m /s

N Ab

Dalla portata nera si determina il valore di q tramite la formula:

0

q = K · q

0 N

dove

K è un coefficiente basato sulla quantità di inquinamento che si intende produrre, il

suo valore è compreso tra 6 e 10 ed è tanto più basso quanto la dotazione idrica è più

alta. che è un indice dell’

Per il calcolo del coefficiente K, si deve calcolare il BOD 5

inquinamento biologico consentito giornalmente ad ogni abitante, e secondo la

normativa italiana ammonta a 60g/(Ab·giorno), dunque si può calcolare il

coefficiente c: /(ε

c = BOD · d.i.) = 60 / (0.8·300) =250 mg/l

5

Secondo la normativa la concentrazione “c” ammissibile è di 40 mg/l pertanto si deve

calcolare il rapporto di diluizione “r” che corrisponde al K

r = c / c = 250/40 = 6.25

AMM 97

Da cui: 3

q = K ·q = 6.25 · 0.00972 = 0.06 m /s

0 N

Si noti che la portata q era già stata assegnata come dato del problema, ma in un caso

0

reale di progettazione il suo valore è incognito, pertanto si è mostrata la strada utile

per la sua determinazione conoscendo la dotazione idrica ed il numero di abitanti

della comunità servita dalla rete fognaria.

Per quanto riguarda il canale fognario è comune trovarne di forma circolare o

ovoidale, nel caso del presente esercizio