Elementi di infrastrutture idrauliche - reti di distribuzione, apparecchiature e manufatti

ALVOLE

Lungo gli acquedotti e nelle reti di distribuzione sono collocate delle apparecchiature

necessarie per la gestione delle opere. 6

Valvole d’intercettazione

Gli organi di intercettazione, servono per mettere fuori uso dei tronchi, riducendo al minimo

le utenze colpite da disservizio. A questo scopo si impiegano saracinesche (figura 6.1), che a

seconda della pressione a cui devono resistere si distinguono in saracinesche a corpo piatto,

per basse pressioni, a corpo ovale per pressioni medie e a corpo cilindrico per alte pressioni.

Per grandi diametri è preferibile usare valvole a farfalla (figura 6.2), che sono meno

ingombranti. c)

a) b)

Figura 6.1 – Saracinesche a corpo: a) piatto, b) ovale, c) cilindrico

Figura 6.2 – Valvola a farfalla

Le saracinesche sono inserite anche in derivazione sugli scarichi, usualmente posti nei punti

di minimo dell’acquedotto ed anche in punti opportuni della rete di distribuzione. Gli scarichi

sono installati in pozzetti, con una tubazione che li collega al più vicino colatore naturale o

alla fognatura.

Valvole regolatrici di carico

Sia le saracinesche, sia le valvole a farfalla funzionano bene soltanto se completamente chiuse

o completamente aperte. Per regolare le portate e i carichi si usano le valvole a stella (figura

6.3), costituite da due dischi parzialmente forati. Quando i fori dei due dischi sono messi in

corrispondenza, la perdita di carico è minima; ruotando un disco rispetto all’altro in modo da

ridurre le aperture libere, si parzializza la sezione e si introduce una perdita di carico più o

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meno grande. Quando i tubi sono invecchiati, se la scabrezza è molto aumentata, si possono

rimuovere completamente i dischi lasciando il passaggio indisturbato.

In alternativa possono essere usate valvole a fuso (figura 6.4), costituite da uno spinotto che

può essere spinto in avanti, in modo da ostruire il passaggio, o tirato indietro, in modo da

lasciare un’area libera maggiore per il deflusso. Queste valvole hanno un flusso estremamente

regolare con tutti i gradi di apertura.

Figura 6.3 – Valvola a stella

Figura 6.4 – Valvola a fuso

Una valvola regolatrice di carico funziona come una strozzatura (figura 2.10), producendo

una forte accelerazione della corrente, con la trasformazione di energia di pressione in energia

cinetica, e quindi una dissipazione di gran parte di questa nel successivo rallentamento della

corrente. In corrispondenza della sezione contratta si crea, quindi, un forte abbassamento di

pressione e, se il carico di valle non è sufficientemente elevato, anche l’innesco della

cavitazione.

6.2 S FIATI

Gli sfiati, ubicati sui punti di colmo del profilo dell’acquedotto assolvono diverse funzioni:

a) evacuazione dell’aria durante il normale esercizio,

b) evacuazione dell’aria durante il riempimento dell’acquedotto,

c) rientrata dell’aria durante la vuotatura dell’acquedotto,

d) sfioratori di sicurezza. 8

La funzione d) è svolta soltanto da uno sfiato libero, costituito da un semplice tubo aperto

verso l’alto, che raggiunge la quota piezometrica d’esercizio, come si è visto nel punto 4.2. Le

prime tre funzioni, invece, sono svolte anche dagli sfiati in pressione. La prima funzione

richiede il passaggio di una modestissima portata d’aria, dato che durante l’esercizio l’aria si

sviluppa e si accumula lentamente. Sarebbe quindi sufficiente un orifizio di luce molto

modesta (dell’ordine del mm). Le altre due funzioni, invece, richiedono il passaggio di forti

portate d’aria, per consentire il riempimento rapido dell’acquedotto. sono quindi necessarie

luci piuttosto ampie.

Sfiati in pressione

Uno sfiato in pressione è costituito come indicato nella figura 6.5. In un contenitore, dotato

verso l’alto di un’apertura, è alloggiato un galleggiante, che quando il livello dell’acqua è alto

chiude l’apertura. In esercizio, mana mano che l’aria si accumula il livello dell’acqua scende,

finché la spinta idrostatica sul galleggiante non è più in grado di vincerne il peso, e il

galleggiante si abbassa, l’aria esce, il livello dell’acqua risale e l’apertura viene richiusa.

Figura 6.5 – Sfiato in pressione

Perché questo funzionamento sia possibile è necessario che:

a) il galleggiante galleggi, vale a dire che il suo peso sia

γ

>

G W

γ

dove è il peso specifico dell’acqua e W il volume delle galleggiante;

b) che la pressione interna p sia sufficientemente bassa da non premere il galleggiante

sull’apertura anche quando il livello idrico è completamente calato, vale a dire:

Ω

>

G p

Ω è l’area dell’apertura.

dove

Se la pressione è forte, occorre allora che l’area della bocca sia piccola, altrimenti il

galleggiante non scende e l’aria che si accumula durante l’esercizio no esce. D’altra parte, si è

Ω sia grande. Si

visto, per il riempimento e la vuotatura della condotta è necessario che

utilizzano allora gli sfiati a doppio corpo, come illustrato nella figura 6.6, in cui le luci sono

due: una con una piccola apertura, che funziona in esercizio (figura 6.6a), ed una con

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un’apertura grande, che si apre solo durante la vuotatura della condotta (figura 6.6b) e si

richiude al termine del successivo riempimento (figura 6.6c).

Gli sfiati son istallati in appositi pozzetti (figura 6.7).

b)

a) c)

Figura 6.6 – Funzionamento di uno sfiato in pressione a doppio corpo

Figura 6.7 - Pozzetto di sfiato (ACEA)

6.3 B ’

LOCCHI D ANCORAGGIO

Nei cambiamenti di sezione e soprattutto nelle curve le spinte che l’acqua esercita su un tratto

di tubazione non sono più equilibrate ed è necessario ancorare il tubo a degli appositi blocchi

d’ancoraggio.

Per valutare la direzione e l’entità della spinta si applica l’equazione globale che si esprime:

+ + − =

G Π M M 0

1 2

dove:

G è la risultante delle forze di massa,

Π è la risultante delle forze di superficie,

10

M è il flusso della quantità di moto entrante nel volume,

1

M è il flusso della quantità di moto uscente dal volume.

2

Le forze di massa si riducono al peso del liquido:

ρ

=

G gW

ρ

dove è la densità dell’acqua e W è il volume del liquido.

Le forze di superficie sono costituite dalla spinta della parete del tubo S e dalle pressioni sulle

due sezioni della corrente che limitano il volume W, pari a

Π Ω Π Ω

= =

p p

e

1 1 2 2

Ω Ω

dove e sono le aree delle due sezioni.

1 2

Il flusso della quantità di moto attraverso le due sezioni vale:

2 2

Q Q

ρ ρ

= =

M M

e

Ω Ω

1 2

1 1

Q

dove è la portata.

Se interessa la componente orizzontale della spinta, il peso non entra in gioco e si ha:

+ + − + =

Π Π M M S 0

1 2 1 2 R

dove i vettori indicano le sole componenti orizzontali. La risultante delle forze che agiscono

sulla condotta è dunque:

= − = + + −

R S Π Π M M

1 2 1 2 φ

2 rappresentato nella figura 6.8, la risultante

Nel caso di una curva planimetrica di angolo

della spinta è: ⎛ ⎞

2

Q

⎜ ⎟

Ω ρ φ

= +

R 2 p sin

⎜ ⎟

Ω

⎝ ⎠ Π 2

M 1 M 2

φ φ

Π 1

R Π 2

- M φ

2 M φ

1

Π 1

Figura 6.8 – Spinta su una curva planimetrica

11

Nella figura 6.9 è rappresentato il blocco d’ancoraggio per la deviazione altimetrica di una

condotta forzata di un impianto idroelettrico. La figura 6.10 mostra un particolare di una

ancoraggio al blocco.

Figura 6.9 – Blocco d’ancoraggio per una deviazione altimetrica (Milano, 1996)

Figura 6.10 – Ancoraggio di una condotta a un blocco

6.4 P

ARTITORI

I partitori servono per dividere la portata addotta da una condotta in due o più condotte

distinte secondo proporzioni prestabilite. I partitori possono essere in pressione o a superficie

libera, a seconda del carico esistente sul punto di partizione.

partitore in pressione Q

Nella figura (6.11) è illustrato lo schema di un . La portata deve

1

Q Q c

essere suddivisa nelle portate e . In sono disposte delle valvole regolatrici di carico

2 3

che possono essere regolate in modo di dividere opportunamente la portata. Le valvole

devono essere in grado di eseguire anche una completa intercettazione nel caso si voglia

interrompere una delle linee derivate senza intercettare anche l’altra. Se le valvole prescelte

non sono idonee allo scopo, si dispongono in serie anche delle valvole d’intercettazione.

12 e

A valle di ciascuna valvola è disposto un venturimetro per misurare la portata derivata e uno

f

sfiato di rientrata d’aria , nel caso che si debba vuotare la linea. Al termine della condotta in

b

arrivo è disposto un altro sfiato libero con funzione di sfioratore di sicurezza , per impedire

c

che un’errata manovra delle valvole produca un indesiderato aumento di pressione. Al piede

a

dello sfioro si dispone anche uno scarico per la vuotatura della condotta di monte. Nello

schema in figura si è ipotizzato che la pressione sia modesta e che quindi si possano utilizzare

f

degli sfiati liberi. Se, invece, la pressione è elevata gli sfiati liberi sono sostituiti da sfiati in

b

pressione e lo sfiato da una valvola che apre lo scarico quando la pressione supera un valore

by-pass d

assegnato. La breve tubazione di , indicata con serve, intercettata da una valvola,

serve per riempire gradualmente la condotta dopo una vuotatura, nel caso che questa sia di

grande diametro. Q 1 Q 2

Q 3

Figura 6.10 – Schema di un grande partitore a bassa pressione (Arredi, 1962)

Nella figura (6.11) è rappresentato un partitore impiegato in una rete di distribuzione, dove

non vi è pericolo di pressioni eccessive, dato che il cielo piezometrico è dominato dal

serbatoio. In questo caso l’opera è dotata soltanto di valvole e di scarichi per l’eventuale

vuotatura di un tronco in manutenzione. Su una delle condotte è ubicato uno sfiato per il

rientro dell’aria in caso di vuotatura. Spesso lo sfiato non è indispensabile, quando si vuota la

condotta l’aria può comunque rientrare dalle colonne delle utenze.

partitori a superficie libera

I sono costituiti da vasche da cui si dipartono le tubazioni. La

partenza per le diverse li