Svolgimento prima e seconda prova scritta - Temi di idraulica su sistemi di drenaggio urbani e scaricatori di piena

Col metodo della corrivazione si può, infine, costruire l’idrogramma di piena e, letto il valore

massimo di portata raggiunto, utilizzarlo per il dimensionamento.

Generalmente si assume che il tempo di ritorno della portata di piena coincida con quello della

precipitazione (T = 5-10 anni). Come tempo di pioggia si assume quello coincidente col tempo di

corrivazione, valutato come somma del tempo di ruscellamento (5-10 minuti) e del tempo di

percorrenza (rapporto tra lunghezza del percorso seguito dalla particella idraulicamente più lontana

dalla sezione considerata e la sua velocità).

Formula razionale Q = φiA

è coeff. d’afflusso, i intensità di pioggia, A

(φ aree colanti in cui ho suddiviso il bacino urbano)

Calcolo della sezione (speco). Le sezioni a cielo aperto sono consentite solo per canali di acque

bianche (fognature separate) o per le acque miste eccedenti un prefissato rapporto di diluizione. Le

sezioni più usate sono invece quelle chiuse, in particolare a sezione circolare, ovoidale (vecchio

inglese, nuovo inglese) o a sezione più allargata per gli spechi degli emissari di grosse fognature (in

questo caso è generalmente presente una cunetta sul fondo per consentire, anche in corrispondenza

delle portate minori, il deflusso a una certa velocità). Le sezioni vengono progettate in modo che a

portata massima siano riempite solo parzialmente, ad esempio al 50-70%. La sezione deve rimanere

parzialmente vuota per garantire sia che non vada in pressione sia per assicurare una buona

ventilazione.

Nota la portata Q della sezione da dimensionare, si ipotizza che il moto sia uniforme. Può utilizzarsi

 dove A l’area della sezione, R il raggio idraulico, i la cadente

la legge di Chezy: Q kA Ri

coincidente nell’ipotesi di moto uniforme con la pendenza

piezometrica, del canale, e k il

coefficiente di scabrezza (valutabile, ad esempio, con la formula di Bazin o Kutter).

87 R

 k = [87*radq(R)]/[γ+radq(R)] con γ=0.35

k

Bazin   R

100 R



k

Kutter con m=0.45(muratura); m=0.35 (calcestruzzo); m=0.2 (grès)



m R 4

Supponiamo di considerare una sezione circolare. Per il dimensionamento, conviene tabulare la



funzione ; in pratica si possono attribuire dei valori al raggio fondamentale,

Q / i kA R

attribuire dei valori al coefficiente di scabrezza in funzione dei diversi materiali e calcolare, quindi,

il secondo membro. Poi, nota la portata e la pendenza del canale, si calcola il primo membro Q / i

e si vede quale raggio fondamentale mi fa avere tale valore a secondo membro. Si ricava così la

dimensione geometrica del condotto.

Per la sezione scelta si valutano le condizioni di deflusso a sezione parzializzata in termini di

portata e velocità; ciò si fa attribuendo al rapporto di riempimento h/D valori crescenti da zero ad 1

(sezione piena) e valutando per ognuno sezione idrica, contorno bagnato e raggio idraulico (è

necessario determinare l’angolo al centro beta, funzione di h). Poi si valutano velocità specifica V*

e portata specifica Q*. 87 R 

   Q

* AV *

V * V / i k R   R 5

Quindi nota per ogni tratto la portata Q si ricava la Q* ed, entrando nei diagrammi per diverse

tipologie di sezioni, si sceglie la più adatta. In particolare si entra con la Q* nei diagrammi sopra

e la velocità V*. Da quest’ultima, nota la

citati e si legge il grado di riempimento della sezione h/H

pendenza i per ciascun tratto, si risale alla velocità e si verifica che rientri nei limiti prefissati.

Materiali per fognature nere. In linea generale possono impiegarsi materiali lapidei (gres,

cemento ordinario o armato, fibrocemento), metallici (ghisa, acciaio) o plastici (PVC, HDPE,

vetroresina). Tra i lapidei uno dei materiali più idonei ma anche più costosi è il gres ceramico; sono

realizzati con argilla sottoposta a cottura di vetrificazione e si distinguono per i bassi valori di

scabrezza, resistenza agli agenti chimici e all’abrasione. I diametri in commercio difficilmente

raggiungono il metro, per cui per tubazioni di diametro superiore la scelta ricade sul cemento

ordinario o armato, più economico, che va rivestito internamente per renderlo più resistente

all’abrasione (magari con mattonelle in gres che lo ricoprono parzialmente o interamente, oppure

con materiale bituminoso); le tubazioni in cemento possono essere gettate in opera ma sono più

diffuse quelle prefabbricate, salvo diametri molto grandi. Le tubazioni in fibrocemento, infine,

sono costituite da una miscela di cemento, fibre e acqua; in passato si usavano fibre di amianto,

mentre oggi si utilizzano fibre in polimeri o cellulosa. Tra i materiali metallici troviamo la ghisa

sferoidale che, ampiamente usata per gli acquedotti, si sta diffondendo anche per le fognature; i

diametri sono generalmente inferiori al metro ed internamente vengono rivestiti con malta

cementizia di tipo alluminoso, che presenta migliori caratteristiche di resistenza all'aggressione

L’acciaio,

chimica rispetto alla malta normale. poiché facilmente attaccabile dalle sostanze

6

aggressive dei liquami oltre che costoso rispetto ad altri materiali, generalmente non si utilizza per

le fognature, salvo magari nelle condotte di mandata delle stazioni di sollevamento, dove risulta

competitivo per le buone caratteristiche meccaniche; va comunque rivestito sia internamente che

esternamente. I materiali plastici in generale, quali PVC o HDPE, presentano alcuni vantaggi quali

la resistenza all’aggressione chimica, la leggerezza, il basso costo, la levigatezza della superficie

interna, mentre tra i principali svantaggi si ricordano le scarse proprietà meccaniche, la tendenza di

queste a degradare col tempo o con la temperatura, la tendenza all’ovalizzazione e schiacciamento

della sezione. La vetroresina è un materiale composito che è costituito da resina vetrificata, atta ad

assicurare la resistenza agli attacchi chimici, l’impermeabilità e la minima scabrezza, e fibre di

vetro, che assicurano una miglior resistenza meccanica. Per le fognature bianche, che trasportano

acque chimicamente poco aggressive ma ricche di sabbie che hanno potere abrasivo, la condotta più

usata è generalmente quella in calcestruzzo, salvo i diametri minori dove si usano condotte in PVC

o vetroresina. La fognatura mista ha sezione confrontabile con quella della fognatura bianca ma

problemi tipici della fognatura nera, quali l’aggressività del liquame; infatti anche se il contorno

bagnato interessato dalle acque nere è limitato alla parte bassa della sezione, di fatto si sviluppano

con l’umidità si trasforma in

gas, quali l'idrogeno solforato, che acido solforico che può corrodere

tutta la condotta; è necessario quindi prevedere idoneo rivestimento. Date le dimensioni, le condotte

più usate sono quelle in conglomerato cementizio. 7

Tema n. 2

IL CANDIDATO ILLUSTRI I DISPOSITIVI SCARICATORI DI PIENA COMUNEMENTE

IMPIEGATI NEI SISTEMI DI DRENAGGIO URBANO CON PARTICOLARE RIFERIMENTO

ALLE TECNICHE PROGETTUALI.

(SECONDA PROVA SCRITTA, II SESSIONE 2010)

Generalità. Gli scaricatori di piena sono manufatti di separazione delle portate che hanno la

funzione di lasciar procedere verso il depuratore le acque da trattare e scaricare verso un recapito

esterno quelle in eccesso rispetto ad un fissato limite del rapporto di diluizione (rapporto tra la

portata presente nel collettore e la portata media nera). Durante eventi di pioggia di modesta

intensità la rete fognaria è in grado di trasportare le acque meteoriche (ed eventualmente gli scarichi

domestici e industriali in caso di fognatura mista) sino all'impianto di depurazione, ma in caso di

eventi particolarmente intensi può accadere che i collettori fognari non siano in grado di smaltire la

portata che defluisce sulla superficie urbana e in tal caso si hanno inondazioni che danneggiano

interrati e scantinati e riflussi sulle strade attraverso i tombini. Per evitare che la rete di fognatura

risulti sovraccaricata durante eventi di pioggia particolarmente intensi, è necessario smaltire parte

delle portate in transito direttamente al corpo idrico ricettore tramite opere dette scaricatori di piena;

la portata scaricata deve ovviamente presentare una concentrazione di sostanze inquinanti ridotta e

compatibile con le caratteristiche del corpo idrico recettore.

Gli scaricatori di piena, in pratica, intercettano la portata (q) da convogliare al depuratore, con lo

scopo di garantire, da un lato, che lo smaltimento delle portate abbia inizio solo quando si sia

raggiunta un'opportuna diluizione delle portate nere, e, dall'altro, che le portate da inviare

all'impianto non si discostino molto da quelle che garantiscono un corretto ed efficiente

funzionamento dell'impianto di depurazione. In tempo di pioggia, infatti, le portate nere risultano

essere fortemente diluite per la presenza delle portate meteoriche, notevolmente più intense. Il

coefficiente di diluizione, inteso come rapporto tra la portata nera diluita e la portata nera media di

tempo asciutto, viene quindi utilizzato come parametro fondamentale nel dimensionamento di tali

manufatti (generalmente 3-5). 8

Il dimensionamento degli scaricatori di piena è legato alla determinazione della portata di soglia

Q (portata nera diluita) in rete unitaria, o Q (portata bianca diluita) in caso di rete esclusivamente

nd bd

pluviale, oltre la quale inizia lo sfioro verso il ricettore. Tale portata è definita in funzione di quella

massima accettabile dalla rete di valle per gli scaricatori di alleggerimento, mentre, nel caso di

scaricatori predisposti all’ingresso di un impianto di trattamento, in funzione delle dimensioni

dell’impianto e conseguentemente della portata che può essere trattata nei periodi di pioggia. Tale

portata, però, deve prendere in considerazione anche aspetti di tipo ambientale: lo sfioro potrà

essere ammesso solo quando la diluizione determinata dalla portata Q è tale da ridurre la

b

concentrazione di inquinanti a valori compatibili con le caratteristiche del ricettore.

Tipologie. Gli scolmatori si possono dividere in tre categorie: sfioratori laterali; scaricatori o

derivatori a salto; sfioratori o derivatori frontali.

Gli sfioratori laterali (o scolmatori a stramazzo laterale) sono delle condotte che presentano, a

partire da una certa sezione e per una certa lunghezza, uno stramazzo laterale la cui soglia è posta

ad un’altezza tale che possa transitare senza sfiorare una portata pari a r*Q , dove r è il rapporto di

n

diluizione. Quando la portata in arrivo supera il valore r*Q , la parte eccedente o poco meno sfiora

n

in un collettore parallelo per essere avviata al recapito finale.

Gli sfioratori laterali si classificano in sfioratori