Relazione Sistemi idraulici urbani

Progetto di una rete fognaria

Introduzione

Oggetto di studio è il progetto delle reti fognarie per la raccolta delle acque meteoriche e delle acque reflue per un’area destinata ad uso residenziale con un’estensione complessiva di circa 3,6 ettari, ad una quota altimetrica costante di 40 m s.l.m. In fig.1 si riporta la planimetria generale dell’area, in cui è già stato tracciato il sistema di smaltimento delle acque meteoriche e quello relativo alle acque reflue.

Viene richiesto di:

• Dimensionare i collettori per la raccolta delle acque meteoriche nei 9 tratti principali riportati in figura. Si consideri che le acque meteoriche saranno inviate ad un corso d’acqua, previa laminazione. L’immissione nel corso d’acqua dovrà avvenire ad una quota superiore a 35 m s.l.m. che rappresenta la quota di massima piena. Calcolare e riportare in planimetria, nei punti di inizio e fine dei tratti di tubazione considerati, le quote di scorrimento (punto basso interno alla tubazione) dei condotti progettati.
• Dimensionare la rete fognaria per la raccolta delle acque reflue nei rami principali. Il recapito, nel punto 10n, è una fognatura mista in cui ci si può immettere ad una quota superiore a 36 m s.l.m. Indicare, nei punti ritenuti significativi e in corrispondenza degli incroci con la fognatura bianca, le quote di scorrimento delle tubazioni, garantendo una distanza minima di 10 cm tra le tubazioni esterne.
• Progettare la vasca di laminazione in calcestruzzo e interrata, che si dovrà svuotare a gravità, considerando che il limite allo scarico è di [8+NP/10] litri/s per ogni ettaro di superficie. Evidenziare tutti i manufatti e gli accorgimenti necessari al corretto funzionamento del sistema di laminazione e disegnare schematicamente planimetria e sezioni della vasca con quote e dimensioni.
• Progettare la vasca di prima pioggia da posizionare a monte della vasca di laminazione. Evidenziare tutti i manufatti e gli accorgimenti necessari al corretto funzionamento della stessa e disegnarne schematicamente la planimetria e le sezioni con quote e dimensioni.

Dimensionamento dei collettori

Per il dimensionamento delle tubazioni è da tenere in considerazione che per il recapito delle acque meteoriche si è assunto un corso d’acqua nel quale quota di massima piena è fissata a 35 m s.l.m., mentre, quello relativo acque reflue è posto in prossimità del punto 10n ad una quota di 36 m s.l.m.

Sistema di smaltimento delle acque reflue

Progetto della rete di smaltimento

Per il progetto della rete di smaltimento delle acque reflue è necessario, per prima cosa, fissare i punti di scarico dei singoli edifici così da poter stimare il numero di abitanti equivalenti N afferenti a ciascun ramo. Per l’area in esame si possono considerare 20 abitanti equivalenti per ogni edificio. In funzione dei punti di scarico fissati, il numero di abitanti equivalenti afferenti a ciascun ramo risulta:

Assegnata una dotazione idrica pari a 250 l/giorno per abitante è possibile procedere al calcolo delle portate reflue medie annue tramite la seguente relazione:

Q_refluo (litri/s) = α * dotazione idrica * abitanti equivalenti / 86400

Dove α è il coefficiente di dispersione che tiene conto che una parte della dotazione idrica non raggiunge la rete fognaria ed è stato preso pari a 0,8. A partire dalle portate reflue è poi possibile procedere al calcolo della portata di progetto, Q_prog, da assumersi come portata di progetto.

La portata di progetto è ottenuta massimizzando la portata media annua per mezzo di un coefficiente di punta da valutarsi attraverso formule empiriche. Si è ritenuto opportuno calcolare il coefficiente di punta mediante la formula di Koch:

k_p = 1,5 + 2,5/√N

Si può notare come sussista un rapporto di proporzionalità inversa tra il coefficiente di punta e la portata; ciò trova spiegazione nel fatto che una portata maggiore è dovuta ad un maggior numero di utenti e la sua variabilità risulta ridotta. Nella seguente tabella si riportano le portate reflue medie annue riferite a ciascun ramo della rete, le portate di progetto ed il relativo coefficiente di punta utilizzato nel calcolo.

Si può notare come la portata dei rami più a valle sia data dalla somma dei rami di monte. Ai fini di un corretto dimensionamento dei collettori, risulta necessario il calcolo della pendenza media dei vari rami; in questo caso, considerando un ricoprimento delle condotte di circa 1 m rispetto al terreno a quota 40 m s.l.m., a cui si somma un diametro ipotizzato di 0,2 m, ricavo una quota del punto di partenza pari a 38,8 m s.l.m. Il recapito 10n è una fognatura mista in cui si ci può immettere ad una quota superiore ai 36 m s.l.m. e quindi il dislivello sarà pari a 2,8 m.

Tramite l’ausilio del software Autocad, sono state valutate le lunghezze di ciascun condotto e successivamente le pendenze sono state scelte inferiori ad una pendenza critica. Quest’ultima è stata valutata come il rapporto tra il dislivello utile e il percorso più lungo che conduce alla sezione di chiusura. La distanza complessiva tra il nodo della rete più lontano (3n) e la sezione di chiusura (10n) è di 373 m; risulta quindi una pendenza critica pari a:

Pendenza critica = (2,8 / 373) * 100 ≅ 0,75%

La pendenza critica è riferita solo al ramo principale essendo il tratto più lungo ed è comunque un valore indicativo della pendenza da non superare. Per una corretta assegnazione del diametro necessario per far transitare le acque reflue nella tubazione è possibile utilizzare l’equazione di Gauckler-Stricker, in quanto normalmente si dimensiona una fognatura per funzionare in condizioni di moto uniforme:

Q = K * A * R^2/3 * S^1/2

Dove:

• Q = portata che può transitare in una tubazione
• K = coefficiente di scabrezza del materiale secondo Gauckler-Strickler
• A = area liquida
• R = raggio idraulico, rapporto tra l’area liquida ed il contorno bagnato
• S = pendenza del tubo

Ipotizzando l’impiego di tubazioni in PVC serie 303/2 e consultando le tabelle dei valori tipici del coefficiente di Gauckler-Strickler, si è scelto un K pari a 80; dopo aver assegnato un diametro pari a quello ipotizzato (200 mm di diametro esterno e 192,2 mm di diametro interno) e aver scelto una pendenza del 0,7%, si è ricavata una portata di piena pari a 25,67 l/s. Con tale valore si è abbondantemente sopra il valore della portata di progetto, ma è da considerare che il diametro di una fognatura pubblica nera solitamente non è mai minore di 200 mm in quanto la tubatura potrebbe ridurre la sezione idraulica per via di materiale solido depositato, potrebbe essere necessaria una manutenzione o un’ispezione e un diametro troppo piccolo renderebbe difficoltoso tali attività; inoltre bisogna considerare le portate parassite che si infiltrano nella rete fognaria nera da punti non previsti. Di conseguenza si è scelto di fissare per tutte le tubazioni diametri nominali di 200 mm con diametro interno di 192,2 mm. Dopodiché, è stata utilizzata la scala di deflusso confrontando la portata nera di progetto con la corrispondente portata di moto uniforme relativa alla sezione piena, calcolata come segue:

Q_full = (K * A * R^2/3 * S^1/2) / 4

Tramite questo procedimento è possibile valutare se il grado di riempimento e le velocità rientrano all’interno di determinati valori limite. Nella seguente tabella si riportano i risultati del dimensionamento:

Per tutti i rami della rete la pendenza pari allo 0,7% è accettabile in quanto le velocità ricavate sono in linea con quelle minime (v = 0,4–0,5 m/s). Se le velocità fossero state inferiori, allora sarebbe stato necessario incrementare la pendenza. I gradi di riempimento hanno valori bassi ma accettabili, in quanto sono stati imposti diametri molto più grandi di quelli che venivano fuori dai calcoli.

Un’altra verifica da effettuare è che una volta imposte le pendenze, queste permettono di rispettare la condizione di almeno un metro di ricoprimento della tubazione. Partendo dal ramo 9n-10n è possibile ricavare la quota del nodo di monte semplicemente sommando la quota della sezione di chiusura con la lunghezza del tratto moltiplicata per la pendenza:

Quota nodo di monte = 36 + (32,90 x 0,007) = 36,23

Alla stessa maniera si sono ricavate le quote di tutti i nodi:

Per tutti i rami della rete è garantita, per tutta la lunghezza del condotto, almeno un metro di ricoprimento utilizzando le pendenze ipotizzate. Siccome si ha ovunque lo stesso diametro, le tubazioni combaciano in ogni nodo (non c’è bisogno di dover allineare i cieli). C’è una differenza di circa 20 cm tra la quota di progetto e quella calcolata; tale spessore potrà essere utile per garantire un ricoprimento maggiore in base alle esigenze progettuali.

Sistema di smaltimento delle acque meteoriche

La stima delle portate meteoriche di progetto viene effettuata attraverso un modello di trasformazione A/D; in questo caso, si è preferito l’impiego del metodo cinematico con cui è possibile calcolare la portata Q a...