Rete di drenaggio urbano Relazione Tecnica

Università degli Studi di Napoli Federico II

Corso di laurea in ingegneria per l'ambiente ed il territorio

Corso di infrastrutture idrauliche

Dimensionamento di un sistema di drenaggio urbano

Sommario

• Determinazione dei dati di progetto e delle portate.................................3
• Caratteristiche del materiale......................................................................8
• I modelli afflussi – deflussi..........................................................................9
• Metodo della corrivazione.........................................................................10
• Metodo dell'invaso lineare.........................................................................33
• Metodo dell'invaso semplificato................................................................65
• Scelta del metodo........................................................................................77
• Verifica delle velocità massime e minime..................................................80
• Dimensionamento dei pozzetti di lavaggio................................................75
• Verifica allo stato critico..........................................................................772

Determinazione dei dati di progetto e delle portate

Si proceda al dimensionamento del sistema di drenaggio urbano di tipo misto considerando:

• R: parte intera della media del numero di lettere dei nomi dei costituenti il gruppo
• S: parte intera della media del numero di lettere dei cognomi dei costituenti il gruppo

xxxxxxxx → 8 lettere
xxxxxxxx → 8 lettere S = 7
xxxxxxx → 7 lettere
xxxxxxx → 7 lettere
xxxxxxxxx → 9 lettere R = 8
xxxxxxxxxx → 10 lettere

Si riporta di seguito una schematizzazione del sistema di drenaggio urbano composto da un collettore principale (1-3-5) e due tratti confluenti (2-4).

La dotazione idrica giornaliera pro-capite sarà pari a:

d = 200 + (5*S) l/(ab·g) → d = 235 l/(ab·g)

Si considerino adesso la densità abitativa (δ) ed il coefficiente d’afflusso (ϕ)

• Liv. β = 165 + (2*S) ab/haβ Urbanizzazione A = 179
• Densità Liv. β = 125 + (3*S) ab/haβ Urbanizzazione B = 146
• Abitativa (δ) Liv. β = 140 (3*S) ab/ha–β Urbanizzazione C = 119
• Liv. β = 0.80 R/100 =–β Urbanizzazione 0.72A
• Coefficiente di Liv. β = 0.65 R/100 =–β Urbanizzazione Afflusso (ϕ) 0.57B
• Liv. β = 0.45 + R/100 =β Urbanizzazione 0.53C

Si considerino adesso le cinque aree scolanti ed i relativi livelli di urbanizzazione:

La popolazione sarà determinata per ogni area e per ogni livello di urbanizzazione considerando la relazione: popolazione = · haδ

La popolazione complessiva sarà, dunque: P = 578 + 330 + 339 = 1247 ab

Sarà ottenuta considerando i collettori 1-3 ed il tratto confluente 2: P = 230 + 214 + 236 = 680 ab

La popolazione complessiva nell’area 5 sarà ottenuta considerando i collettori 1-3-5 ed i tratti confluenti 2-4: P = 230 + 214 + 236 + 286 + 282 = 1247 ab

Note la popolazione totale e la popolazione relativa per ogni area scolante, è necessario determinare il coefficiente di afflusso per ogni area scolante, per cui:

• Area scolante 1: ϕ · A_1A + ϕ · A_1B + ϕ · A_1C
• Area scolante 2: ϕ · A_2A + ϕ · A_2B + ϕ · A_2C
• Area scolante 3: ϕ · A_3A + ϕ · A_3B + ϕ · A_3C
• Area scolante 4: ϕ · A_4A + ϕ · A_4B + ϕ · A_4C
• Area scolante 5: ϕ · A_5A + ϕ · A_5B + ϕ · A_5C

Si considerino inoltre, anche i coefficienti di afflusso medi nei tratti 3 e 5:

ϕ_3m = 0.613

ϕ_5m = 0.611

Si proceda adesso alla determinazione della portata fecale media ottenuta dalla seguente relazione:

d = 0.8 · ε · Q_fm · P = 2.71 l/s

In cui: ε è il coefficiente di dispersione, d è la dotazione idrica [l/(ab·g)], P è la popolazione [ab]

Si consideri inoltre la portata media di punta, ottenuta considerando un Cp pari a 3.5:

Q_fp = Q_fm · Cp = 2.71 · 3.5 = 9.5 l/s

Si riportano adesso in tabella, per ogni tratto, i valori delle portate fecali, medie e di punta:

Infine, si considerino le lunghezze e le pendenze dei tronchi del sistema di drenaggio:

Si definiscono anche le caratteristiche della curva di probabilità pluviometrica:

• a = 40 + S mm/h = 40 + 7 = 47 mm/h
• n = (55 - 2*S) / 100 = (55 - 2*7) / 100 = 0.41

Caratteristiche del materiale

Per il caso in esame, sono stati adottati spechi circolari in PEad (PoliEtilene ad Alta Densità).

Tale materiale è ideale per la realizzazione di tubazioni destinate a svariate applicazioni a pressione e gravitá; i tubi in PEad, oltre ad offrire un’ottima resistenza chimica ed elettrolitica e ad avere una superficie liscia e non incrostabile, assicurano un’assoluta impermeabilità evitando ogni possibile diffusione di sostanze nocive dal terreno circostante.

Presentano altre caratteristiche, quali:

• Buona flessibilità che consente una adattabilità alle irregolarità ed agli eventuali assestamenti del terreno senza comportare sollecitazioni dannose ai giunti;
• Una leggerezza che consente notevoli economie nelle spese di trasporto e di posa.

I modelli afflussi – deflussi

I modelli lineari afflussi-deflussi assumono che esista una relazione tra le precipitazioni e la portata. Tale assunzione non è vera in quanto esistono numerosi processi idrologici che entrano in gioco nella trasformazione da afflussi in deflussi che non sono lineari, come ad esempio l’infiltrazione.

Tali modelli si considerano lineari nell’ipotesi che l’infiltrazione sia trascurabile e quindi si è in presenza di terreni impermeabili. In altri casi, si possono utilizzare questi modelli affinché si consideri solo il volume delle precipitazioni e dei deflussi che è in relazione di linearità. Si distinguono tre tipologie di modelli:

• Metodo della corrivazione
• Metodo dell’invaso lineare
• Metodo dell’invaso semplificato

Metodo della corrivazione

Tale metodo rappresenta uno dei modelli afflussi-deflussi e si basa sulle seguenti ipotesi:

• La formazione della piena è dovuta al trasferimento della massa liquida;
• Ogni goccia di pioggia si muove sulla superficie del bacino seguendo un percorso che dipende dal punto in cui è caduta;
• La velocità di una goccia non è influenzata dalla presenza di altre gocce.

Si definisce la legge di probabilità pluviometrica:

n−1i = a ⋅ d^c

in cui:

• a = altezza di pioggia per tempo unitario [a = 47 mm/h]
• d_c = durata critica dell’evento di pioggia
• n = parametro [n = 0.41]

Si consideri il sottobacino 1 e si proceda attraverso un metodo iterativo:

A = 1.54 ha
Confluenze: no
L = 200 m
Q_fm1 = 0.50 l/s
i₁ = 1.25% = 0.0125
Q_fp1 = 1.75 l/s
Tempo di ruscellamento (T_r1) = 600 s

Iterazione 1

v₁ = 2.00 m/s
Tempo di percorrenza: T_p1 = 200 m / 2.00 m/s = 100 s
Tempo di corrivazione: T_r1 + T_p1 = 600 s + 100 s = 700 s

Si impone d_c = T_c e si calcola l’intensità di pioggia:

n−1i = a ⋅ d_cⁿ⁻¹ = a ⋅ (T_c / 3600) = 47 mm/h ⋅ (700 s / 3600 s/h)^0.41−1 = 123.51 mm/h

Si calcola la portata pluviale:

ϕ₁ ∙ i_c1 ∙ A₁ ∙ 0.36 = 0.62 ∙ 123.51 mm/h ∙ 1.54 ha = 327.58 l/s

Si calcola la portata totale:

Q_tot1 = Q_p1 + Q_fp1 = 327.58 l/s + 1.75 l/s = 329.33 l/s

Si è scelto di utilizzare uno speco circolare e si fissa un grado di riempimento ammissibile: h = 0.50r

Per tubi in PEad si considera un coefficiente di scabrezza (K) pari a 70 m^1/3/s.
Q_r Dalla scala di deflusso specifica si desume il valore del rapporto fisso corrispondente ad h

Si procede con il calcolo del diametro teorico:

Q_tot1 · √i_r1 / K · D_r1 = 0.32933 m³/s

Adesso si individua il corrispondente diametro commerciale:
D = 533 mm DN = 630 mm interno

Si calcola il rapporto effettivo in funzione del diametro interno:

√i_r1 (Q_tot1 / 8/3K · D_i· ) = 15.77 m³/s

In funzione di tale rapporto effettivo si desumono dalla tabella della scala del deflusso:

• h = 0.630 m
• V_r = 27.80 m/s

Con i calcoli appena ottenuti si può calcolare l’effettiva velocità:

v₂ = V_r K · D₁^2/3 · √i_r1 = 2.04 m/s

Si calcola lo scarto relativo tra velocità di primo tentativo v₁ e velocità dedotta v₂, ritenendo accettabile uno scarto percentuale < 3-5%:

Δ = | v₂ - v₁ | / v₁ = | 2.04 - 2.00 | / 2.00 = 2.00 % ACCETTABILE

Per concludere si definisce il coefficiente udometrico:

Q_tot1 / A₁ = 329.33 l/s / 1.54 ha = 213.85 l/s·ha

Si consideri adesso il sottobacino 2 e si proceda in modo analogo:

A = 1.46 ha
Confluenze: no
L = 135 m
Q_fm2 = 0.47 l/s
i₂ = 2.30% = 0.0230
Q_fp2 = 1.65 l/s
Tempo di ruscellamento (T_r2) = 600 s

Iterazione 1

v₂ = 2.00 m/s
Tempo di percorrenza: T_p2 = 135 m / 2.00 m/s = 67.5 s
Tempo di corrivazione: T_r2 + T_p2 = 600 s + 67.5 s = 667.5 s

Si impone d_c = T_c e si calcola l’intensità di pioggia:

n−1i = a ⋅ d_cⁿ⁻¹ = a ⋅ (T_c / 3600) = 47 mm/h ⋅ (667.5 s / 3600 s/h)^0.41−1 = 127.03 mm/h

Si calcola la portata pluviale:

ϕ₂ ∙ i_c2 ∙ A₂ ∙ 0.36 = 0.59 ∙ 127.03 mm/h ∙ 1.46 ha = 303.95 l/s

Si calcola la portata totale:

Q_tot2 = Q_p2 + Q_fp2 = 303.95 l/s + 1.65 l/s = 305.6 l/s

Si procede con il calcolo del diametro teorico:

Q_tot2 · √i_r2 / K · D_r2 = 0.3056 m³/s

Adesso si individua il corrispondente diametro commerciale:
D = 500 mm DN = 580 mm interno

Si calcola il rapporto effettivo in funzione del diametro interno:

√i_r2 (Q_tot2 / 8/3K · D_i·) = 12.77 m³/s

In funzione di tale rapporto effettivo si desumono dalla tabella della scala del deflusso:

• h = 0.550 m
• V_r = 28.87 m/s

Con i calcoli appena ottenuti si può calcolare l’effettiva velocità:

v₂ = V_r K · D₂^2/3 · √i_r2 = 2.76 m/s

Si calcola lo scarto relativo tra velocità di primo tentativo v₁ e velocità dedotta v₂, ritenendo accettabile uno scarto percentuale < 3-5%:

Δ = | v₂ - v₁ | / v₁ = | 2.76 - 2.00 | / 2.00 = 38.00 % NON ACCETTABILE

Iterazione 2

v₂ = 2.76 m/s
T_p2 = 248.91 s
T_c2 = 648.91 s
i_c2 = 129.16 mm/h
Q_p2 = 309.05 l/s
Q_tot2 = 310.70 l/s
D₂ = 0.500 m
Q_r2 = 13.00 m³/s
h = 0.56 m
V_r = 28.97 m/s
v₂ = 2.77 m/s
Δ = 0.36 % ACCETTABILE

Per concludere si definisce il coefficiente udometrico:

Q_tot2 / A₂ = 310.7 l/s / 1.46 ha = 212.81 l/s·ha

Si consideri adesso il sottobacino 3 e si proceda in modo analogo:

A = 1.53 ha
Confluenze: si
L = 220 m
Q_fm3 = 1.48 l/s
i₃ = 1.15% = 0.0115
Q_fp3 = 5.18 l/s
A₁ + A₂ + A₃ = 4.53 ha

Iterazione 1

v₃ = 2.00 m/s
Tempo di percorrenza: T_p3 = 220 m / 2.00 m/s = 110 s
Tempo di corrivazione: T_c3 = max (T_r; T_c1; T_c2) + T_p3 = max (600; 700; 648.91) + 110 = 810 s

Si impone d_c = T_c e si calcola l’intensità di pioggia:

n−1i = a ⋅ d_cⁿ⁻¹ = a ⋅ (T_c / 3600) = 47 mm/h ⋅ (810 s / 3600 s/h)^0.41−1 = 113.32 mm/h

Si calcola la portata pluviale:

ϕ₃ ∙ i_c3 ∙ A_1,2,3 ∙ 0.36 = 0.61 ∙ 113.32 mm/h ∙ 4.53 ha = 869.83 l/s

Si calcola la portata totale:

Q_tot3 = Q_p3 + Q_fp3 = 869.83 l/s + 5.18 l/s = 875.01 l/s

Si procede con il calcolo del diametro teorico:

Q_tot3 · √i_r3 / K · D_r3 = 0.87501 m³/s