4 - Relazione Idraulica da completare · 4 CalcoloCalcolo quote mediequote mediequote medie di...
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Marzo 2016
Relazione idraulica IIIIIIIImmmmmmmmppppppppiiiiiiiiaaaaaaaannnnnnnnttttttttoooooooo IIIIIIIIddddddddrrrrrrrrooooooooeeeeeeeelllllllleeeeeeeettttttttttttttttrrrrrrrriiiiiiiiccccccccoooooooo ““““““““VVVVVVVVeeeeeeeerrrrrrrrttttttttoooooooovvvvvvvvaaaaaaaa IIIIIIII IIIIIIII””””””””
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IndiceIndiceIndiceIndice
Indice .................................................................................................................................. 2
Premessa ............................................................................................................................ 3
Calcolo quote medie di progetto...................................................................................... 4
Opere di presa: dimensionamento trappola sublaveo ............................................................... 4
Centrale di produzione: scelta della turbina ................................................................................ 8
Centrale di produzione: descrizione della quota di scarico ........................................................ 9
Dimensionamento vasca di sedimentazione .................................................................. 11
Rilascio del D.M.V. ............................................................................................................ 13
Calcolo producibilità impianto ........................................................................................ 15
Condotta forzata........................................................................................................................ 15
Centrale di produzione .............................................................................................................. 16
Analisi idraulica dell’intervento .......................................................................................... 18
Piogge di forte intensità .............................................................................................................. 18
Tempo di corrivazione ................................................................................................................ 19
Portata di massima piena .......................................................................................................... 21
Dati di concessione .......................................................................................................... 22
Misuratore di portata ........................................................................................................ 24
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PremessaPremessaPremessaPremessa
La presente relazione idraulica ha lo scopo di giustificare le scelte effettuate in fase di
predimensionamento delle opere di presa e di restituzione, così da poter fornire dati
precisi riguardanti le quote medie per la valutazione della potenza di concessione.
Nei paragrafi successivi si illustrano inoltre i calcoli effettuati per il dimensionamento
dell’opera di presa, nonché una stima delle perdite di carico della condotta forzata, in
modo tale da ricavare una produzione annua teorica dell’impianto in fase di progetto.
In ultimo, si determina la portata di massima piena duecentenaria prevedibile per il
torrente Vertova in corrispondenza dell’opera di presa: in una fase più avanzata, tale
dato sarà utile per condurre le necessarie verifiche idrauliche sul tratto sotteso.
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CalcoloCalcoloCalcoloCalcolo quote mediequote mediequote mediequote medie di progettodi progettodi progettodi progetto
In questa sezione si analizzano le quote medie, riferite al livello del mare, dell’opera di
presa e della centrale di produzione; per quanto riguarda la restituzione nell’alveo del
torrente Vertova, avendo scelto di installare una macchina ad azione, si assumerà
come dato di concessione la quota di recapito delle acque nel fiume.
Il rilievo dell’area in cui sorgeranno presa e centrale è stato effettuato con
strumentazione GPS GeoMax Zenith 10: le quote assolute sono determinate con la
trasposizione dai dati forniti dall’ellissoide WGS84 al Modello di Geoide Italia2008; sugli
elaborati grafici sono individuati i punti fissi e materializzati utilizzati come riferimento per
l’intero progetto.
Opere di presaOpere di presaOpere di presaOpere di presa: : : : dimensionamento trappola sublaveodimensionamento trappola sublaveodimensionamento trappola sublaveodimensionamento trappola sublaveo
L’opera di presa (per la cui descrizione dettagliata si rimanda alla Tav. n°3 del progetto
di concessione) ha il compito di derivare le acque del torrente Vertova, garantendo
comunque il rilascio del D.M.V.
In fase di stesura del progetto di concessione, si è deciso di mantenere la maggior
parte delle opere esistenti, sistemando e riabilitando ciò che lo necessita. Questo
significa che la briglia in pietrame verrà recuperata e verrà integrata con paratoia di
scarico per la pulizia dell’alveo / rilascio D.M.V. e griglia di presa laterale.
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Una presa laterale, munita di griglia metallica per un primo filtraggio del trasportato,
consente di canalizzare l’acqua presente nel torrente all’interno della vasca di
sedimentazione (anch’essa esistente, ma con dimensioni inadeguate per una corretta
sedimentazione del trasportato, quindi da sostituire); tale vasca è munita di uno
sfioratore di troppo pieno e di un apposito scarico di fondo per la sua pulizia.
L’opera di presa svolge quindi due funzioni:
1. Derivare l’acqua del torrente cercando di depurarla delle particelle fini e del
materiale galleggiante (nei limiti massimi previsti dalla concessione richiesta);
2. Permettere lo scarico dell’acqua deputata al D.M.V. attraverso la paratoia inserita
nella briglia; in questa posizione, inoltre, un’asta idrometrica opportunamente
posizionata permetterà in ogni momento la verifica della quota del pelo libero
dell’acqua per il calcolo del rilascio;
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Presa laterale
L’acqua, fermata dalla traversa posta perpendicolarmente al suo corso nell’alveo del
torrente Vertova, è costretta a procedere lateralmente incontrando, sulla sua sponda
destra, una griglia metallica inclinata e una soglia in calcestruzzo.
Vasca di sedimentazione
L’acqua incanalata entra in una vasca di sedimentazione; il livello in tale vasca viene
mantenuto costante grazie alla regolazione operata dalla soglia a stramazzo descritta
precedentemente oltre che dalle quote di realizzazione della briglia sul torrente (497,15
m s.l.m.).
La soglia di sfioro, unitamente alla regolazione delle portate operata dalla paratoia di
guardia condotta nella vasca di carico, permette di mantenere costante il livello
dell’acqua alla quota di 497,15 m s.l.m.
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Vengono installati un misuratore di portata nella condotta forzata (posto in un tratto
sufficientemente rettilineo, almeno 20 diametri dopo l’innesto della condotta stessa),
munito di trasduttori, e funzionante a tempo di transito (la tipologia precisa, così come il
produttore, verranno approfonditi solo in fase di realizzazione) e un misuratore di livello
nella vasca di carico per la regolazione dell’efflusso da parte della macchina.
La scheda tecnica indicativa del misuratore di portata è allegata alla presente
relazione (il produttore della strumentazione di cui alla scheda tecnica può variare in
sede di realizzazione).
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Centrale di produzione: scelta della turbinaCentrale di produzione: scelta della turbinaCentrale di produzione: scelta della turbinaCentrale di produzione: scelta della turbina
Considerando le caratteristiche dell’impianto in fase di concessione, si ritiene che il
miglior utilizzo per la risorsa idrica comporti l’installazione di un solo gruppo turbina di
tipo Francis.
La macchina viene infatti scelta in funzione della portata di progetto (massima
turbinabile) e del salto netto in condizioni di portata massima (in questa fase stimato in
24,07 m); si riporta il dimensionamento della macchina:
Macchina: Turbina tipo Francis
Portata di progetto: 900 l/sec.
Salto netto: 24,07 m
Frequenza di rete nazionale: 50 Hz
Coppie polari dell’alternatore: 4
Moltiplicatore di giri: No
Partendo da tali dati di progetto, si ottiene:
N° di giri dell’alternatore (n): 750
N° di giri caratteristico della macchina (nC): 205
Dalla letteratura, noto nC, è possibile scegliere la macchina da installare.
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Centrale di proCentrale di proCentrale di proCentrale di produzione: descrizione della quota di scaricoduzione: descrizione della quota di scaricoduzione: descrizione della quota di scaricoduzione: descrizione della quota di scarico
A valle delle centrale idroelettrica di produzione, un canale di scarico permette
all’acqua di tornare a scorrere nell’alveo del torrente Vetrova; la quota del pelo libero
dell’acqua in tale canale (appena prima dell’ingresso dell’acqua in alveo) costituisce la
quota da dichiarare ai fini della concessione.
Il canale di scarico presenta una larghezza di 2,00 metri ed una pendenza pari a circa
il 2% che assicura il deflusso delle acque; trattandosi di turbina a reazione, è necessario
prevedere l’annegamento del rilascio della stessa al di sotto della girante nel canale. Si
vuole nel seguito determinare l'altezza del pelo libero nel caso in cui vi siano la portata
media e massima di progetto (rispettivamente pari a Q = 348 l/sec e Q = 900 l/sec).
Per quanto riguarda il calcolo della quota del pelo libero dell’acqua, è stata utilizzata la
formula di Gauckler – Strickler, valida per moto uniforme ma che si applica con buona
precisione anche a condizioni di moto permanente.
2/13/2
iRAKQ hs ⋅⋅⋅=
Q portata fluente attraverso la sezione fluviale considerata (m3/s)
Ks coefficiente di Strickler, parametro che valuta la scabrezza dell’alveo (m1/3/s)
A superficie della sezione fluviale considerata;
Rh raggio idraulico della sezione;
i pendenza media del fondo nel tratto di alveo considerato
Avendo come unica incognita l’altezza del pelo libero, ipotizzando un coefficiente di
Strickler pari a 50 con la portata media, sostituendo i termini nell’uguaglianza si ottiene:
( )
( )
( )
( )2/1
3/2
3/22/1
3/2
3/2
02,022,1
2,12,150
sec286,0
2⋅
⋅+
⋅⋅⋅⋅=⇒⋅
+
⋅⋅⋅⋅=
h
hhmci
hb
hbhbKQ s
Iterando, con portata media, si ottiene h = 25 cm, con portata massima si ottiene
invece un'altezza del pelo libero pari a h = 45 cm.
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Rispetto all’estradosso della vasca di scarico al di sotto delle giranti, posto a quota
471,90 m s.l.m., il pelo libero dell’acqua è più alto di “h”: tutto ciò risulta dunque
compatibile con la quota acqua al termine di tale canale di scarico, che coincide
con il livello del torrente Vertova, pari a circa 472,15 m s.l.m.
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Dimensionamento vasca di sedimentazioneDimensionamento vasca di sedimentazioneDimensionamento vasca di sedimentazioneDimensionamento vasca di sedimentazione
La lunghezza necessaria di una vasca di sedimentazione o dissabbiatore è definita
sulla base della portata dell’opera di presa e dell’efficienza scelta per il dissabbiatore
(diametro delle particelle che si depositano all’interno del dissabbiatore). La lunghezza
deve essere tale da consentire a tutti i granelli sospesi di depositarsi sul fondo prima di
uscire dal dissabbiatore. Questo accade se il tempo di decantazione tD è equivalente
al tempo di trasporto tt. Il primo è definito come h/vD e il secondo come L/vT:
Perciò la lunghezza minima teorica necessaria per far depositare un granello di
diametro dD è data da:
D
sedvB
QL
⋅≥ max
La larghezza B deve risultare minore del doppio della profondità h. La velocità di
decantazione vD è definita dalla formula di Newton o di Prandtl per le particelle sferiche
in condizioni ideali, come ad esempio in presenza di acqua pura e in assenza di
turbolenza. Essa dipende dalla resistenza di forma della particella che a sua volta
dipende dal numero di Reynolds. Per le situazioni reali non esistono formule e bisogna
procedere in modo sperimentale. Nella pratica viene spesso usata la formula empirica
di Zanke come primo approccio in condizioni di moto laminare:
−⋅⋅+⋅
⋅= 110057.119
100 3dd
vD
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dove vD è espressa in mm/s e il diametro del granello in mm.
In condizioni reali, però, alla velocità teorica vD, bisogna sottrarre la componente di
agitazione “w” dell’acqua in movimento, che impedisce la sedimentazione regolare
delle particelle più fini; con la formulazione di Egiazarov, tale componente si esprime:
w = vT / (5,7 + 2,3 h)
Conseguentemente, la lunghezza richiesta in condizioni reali per la sedimentazione di
particelle aventi un dato diametro è:
( )wvB
QL
d
sed−⋅
≥ max
La vasca di sedimentazione è stata qui dimensionata cercando di massimizzare la
pulizia dell’acqua da turbinare: si fissano dunque larghezza (B = 1,80 m) e profondità (H
= 2,10 m) e si ricava la lunghezza necessaria per depurare l’acqua di tutte le particelle
con diametro superiore a 0.40 mm in condizioni di portata massima.
Applicando le formule anzidette, si ottiene:
vT = 0,238 m/sec.
vD = 0,064 m/sec.
w = 0,022 m/sec.
Lsed, agitata > 11,92 m
Pertanto, la lunghezza minima di sedimentazione, considerata la portata massima (900
l/sec), l’altezza d’acqua a meno della zona occupata dalla sedimentazione (Hsed =
2,10 m) e la larghezza del canale (Bsed = 1,80 m) deve essere di Lsed, agitata > 11,92 m.
La vasca in progetto ha una lunghezza complessiva di 12,00 m lineari ed è munita di
piano inclinato e scarico di fondo per il suo svuotamento.
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Rilascio del D.M.V.Rilascio del D.M.V.Rilascio del D.M.V.Rilascio del D.M.V.
Il rilascio del D.M.V. viene assicurato attraverso la paratoia di scarico inserita nella
traversa; conoscendo la quota del livello presente per lo sfioro dell’acqua al di sopra
dello stramazzo in parete sottile, pari a 497,15 m s.l.m., si utilizzano le formule da
letteratura per il calcolo della portata fuoriuscente da una luce sottobattente con
sezione circolare:
Considerando la portata richiesta come D.M.V. pari a 63 l/sec. e un foro scelto con
diametro di 24 cm, si ottiene un annegamento di 25 cm sottobattente:
Essendo tale foro sempre annegato rispetto al punto di derivazione dell’acqua, rimane
assicurato il rilascio dei 63 l/sec. richiesti da normativa.
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Calcolo producibilità impiantoCalcolo producibilità impiantoCalcolo producibilità impiantoCalcolo producibilità impianto
L’acqua raccolta con le opere di presa e convogliata dalla condotta forzata viene
portata alla centrale di produzione e, da qui, procede all’interno della turbina.
Condotta forzataCondotta forzataCondotta forzataCondotta forzata
La scelta progettuale, visto e considerata la portata media e massima di progetto, in
funzione delle perdite di carico e del costo della tubazione, ricade su una condotta
con diametro 1.000 mm.
La lunghezza della condotta forzata è pari a 586 m lineari circa e, in prima battuta, si
stimano un insieme di perdite concentrate date dallo sgrigliatore, dall’imbocco
dell’acqua nella condotta e da 18 curve a 45° lungo il percorso (k = Ski).
Le perdite di carico distribuite vengono stimate con la formula di Colebrook – White,
utilizzando come coefficiente di scabrezza relativa “E” il valore di 0,02 mm (tubi con
usura media per l’utilizzo nel tempo):
Le perdite di carico concentrate vengono invece valutate con la formula tradizionale:
in cui viene assunto un valore del coefficiente “k” pari a 0,33 per l’imbocco e 0,159 per
ognuna delle curve e 0,80 per la perdita dovuta allo sgrigliatore (ktot = 4,00)
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Come ribadito precedentemente, in questa fase, le perdite di carico concentrate
vengono stimate e si lascia alla fase di progettazione esecutiva una maggior
precisione del calcolo.
Centrale di produzioneCentrale di produzioneCentrale di produzioneCentrale di produzione
Si rimanda alla fase esecutiva un maggior dettaglio sul calcolo e sulla tipologia della
macchina da installare (valutazioni più accurate permetteranno eventualmente di
capire se macchine tipologicamente o meccanicamente diverse possano essere più
appropriate all’impianto in autorizzazione); la curva di rendimento standard della
singola macchina è:
Ricavando i rendimenti di funzionamento dal grafico sopra riportato in funzione delle
portate stimate con la curva di probabilità allegata alla relazione idrologica, si ottiene
la stima sulla producibilità dell’impianto con un tempo di funzionamento di 5.724 ore
(pari a circa il 65% delle ore annuali, considerando un tempo di fermo impianto).
L’energia prodotta dall’impianto è ridotta inoltre di un ulteriore 5% per considerare le
perdite dovute ai rendimenti elettrici di alternatore e trasformatore (hel = 95%).
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05
12
73
8
0.2
75
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.97
70
.00
%9
5%
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47
.10
%5
.26
%5
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%8
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24
38
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61
9
0.3
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24
.89
81
.00
%9
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65
.77
41
.84
%4
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%8
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31
2
0.4
25
24
.81
88
.00
%9
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86
.46
37
.21
%3
.94
%5
.00
%8
32
23
28
28
37
4
0.5
00
24
.71
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.00
%9
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4.7
93
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7%
3.6
0%
5.0
0%
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22
30
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%9
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%9
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13
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2.8
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04
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%9
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2.4
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0%
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22
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23
06
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00
24
.26
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.00
%9
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16
6.3
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1.4
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0%
83
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27
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0.9
00
24
.07
88
.00
%9
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17
7.6
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18
.17
%5
.00
%8
32
21
51
22
68
63
0
53
05
78
kW
h/a
nn
o
Relazione idraulica IIIIIIIImmmmmmmmppppppppiiiiiiiiaaaaaaaannnnnnnnttttttttoooooooo IIIIIIIIddddddddrrrrrrrrooooooooeeeeeeeelllllllleeeeeeeettttttttttttttttrrrrrrrriiiiiiiiccccccccoooooooo ““““““““VVVVVVVVeeeeeeeerrrrrrrrttttttttoooooooovvvvvvvvaaaaaaaa IIIIIIII IIIIIIII””””””””
18
Analisi idraulica dell’interventoAnalisi idraulica dell’interventoAnalisi idraulica dell’interventoAnalisi idraulica dell’intervento
In questo paragrafo si espongono le considerazioni relative al calcolo della portata di
massima piena, dato necessario per le verifiche idrauliche che verranno condotte per
l’ottenimento dei pareri in una fase più avanzata del procedimento.
Per valutare il comportamento dell’acqua in condizioni di portata di massima piena
duecentenaria bisogna utilizzare le formulazioni teoriche presenti in letteratura per il
calcolo della pioggia di forte intensità, del tempo di corrivazione e della portata di
piena stessa.
Piogge di forte intensitàPiogge di forte intensitàPiogge di forte intensitàPiogge di forte intensità
Per il calcolo delle piogge di forte intensità si è fatto riferimento a “Studi e analisi per il
Piano Territoriale di Coordinamento Provinciale”, nel quale sono riportati i valori
dell’altezza di precipitazione per alcune stazioni pluviografiche delle provincie di Brescia
e Bergamo: in particolare, la più vicina al tratto d’interesse è la stazione di Clusone (Bg).
Valori determinati con analisi statistiche sia dallo studio citato, che dal progetto Vapi:
Si conduce ora un’analisi statistica con il metodo di Gumbel per determinare i
coefficienti “a” e “n” che definiscono la pioggia di massima intensità per i diversi tempi
di ritorno in funzione del tempo di corrivazione (tc).
Relazione idraulica IIIIIIIImmmmmmmmppppppppiiiiiiiiaaaaaaaannnnnnnnttttttttoooooooo IIIIIIIIddddddddrrrrrrrrooooooooeeeeeeeelllllllleeeeeeeettttttttttttttttrrrrrrrriiiiiiiiccccccccoooooooo ““““““““VVVVVVVVeeeeeeeerrrrrrrrttttttttoooooooovvvvvvvvaaaaaaaa IIIIIIII IIIIIIII””””””””
19
La legge di pioggia utilizzata è quella relativa al tempo di ritorno di 200 anni.
Tempo di corrivazioneTempo di corrivazioneTempo di corrivazioneTempo di corrivazione
Il tempo di corrivazione può essere calcolato con l’utilizzo di svariate formulazioni
matematiche:
- formula di Giandotti: fra le più accreditate è, però, valida per bacini imbriferi di
grandi dimensioni (170 < A < 70.000 km2);
- formula di Giandotti modificata (Aronica – Paltrinieri): valida per bacini imbriferi di
piccole dimensioni (A < 10 km2);
- formula di Tournon: valida per bacini imbriferi di medie dimensioni (30 < A < 170
km2);
Relazione idraulica IIIIIIIImmmmmmmmppppppppiiiiiiiiaaaaaaaannnnnnnnttttttttoooooooo IIIIIIIIddddddddrrrrrrrrooooooooeeeeeeeelllllllleeeeeeeettttttttttttttttrrrrrrrriiiiiiiiccccccccoooooooo ““““““““VVVVVVVVeeeeeeeerrrrrrrrttttttttoooooooovvvvvvvvaaaaaaaa IIIIIIII IIIIIIII””””””””
20
- formula di Fattorelli - Marchi: valida per bacini imbriferi di medie dimensioni (7 < A
< 200 km2);
Si valuta dunque il tempo di corrivazione con l’ultima formulazione, adatta all’analisi
del bacino imbrifero oggetto d’interesse, avente dimensioni pari a 11,95 km2.
Con la formula di Fattorelli – Marchi si ottiene tc = 2,70 h
Relazione idraulica IIIIIIIImmmmmmmmppppppppiiiiiiiiaaaaaaaannnnnnnnttttttttoooooooo IIIIIIIIddddddddrrrrrrrrooooooooeeeeeeeelllllllleeeeeeeettttttttttttttttrrrrrrrriiiiiiiiccccccccoooooooo ““““““““VVVVVVVVeeeeeeeerrrrrrrrttttttttoooooooovvvvvvvvaaaaaaaa IIIIIIII IIIIIIII””””””””
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Portata di massima pienaPortata di massima pienaPortata di massima pienaPortata di massima piena
Per il calcolo della portata di massima piena si utilizza la formula razionale:
dove h(t,T) è l’altezza di precipitazione determinata dalla legge di pioggia, S è la
superficie del bacino imbrifero e tc è il tempo di corrivazione come determinato al
paragrafo precedente; “c”, infine, è un coefficiente di deflusso che tiene conto della
superficie boscata e del grado di permeabilità del terreno: si utilizza c = 0,20
(corrispondente ad un terreno boscato mediamente permeabile.
Per ciascun tempo di ritorno, si ottiene dunque:
10 anni: h(t,T) = 72,84 mm Qmax = 32,95 m3/sec
30 anni: h(t,T) = 73,12 mm Qmax = 33,07 m3/sec
50 anni: h(t,T) = 73,24 mm Qmax = 33,13 m3/sec
100 anni: h(t,T) = 73,41 mm Qmax = 33,20 m3/sec
200 anni: h(t,T) = 73,57 mm Qmax = 33,28 m3/sec
Salvo maggiori approfondimenti che determinino portate di massima piena diverse, le
verifiche condotte utilizzeranno dunque 33,28 m3/sec. come portata di calcolo per
l’evento di massima piena duecentenaria.
Relazione idraulica IIIIIIIImmmmmmmmppppppppiiiiiiiiaaaaaaaannnnnnnnttttttttoooooooo IIIIIIIIddddddddrrrrrrrrooooooooeeeeeeeelllllllleeeeeeeettttttttttttttttrrrrrrrriiiiiiiiccccccccoooooooo ““““““““VVVVVVVVeeeeeeeerrrrrrrrttttttttoooooooovvvvvvvvaaaaaaaa IIIIIIII IIIIIIII””””””””
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Dati di concessioneDati di concessioneDati di concessioneDati di concessione
In questa sezione viene riportato uno schema semplificato delle quote dell’acqua con
le quali l’impianto lavora in condizioni di portata media e vengono poi riassunti, in
funzione di quanto illustrato nei paragrafi precedenti e nella relazione idrologica
allegata al presente progetto, i dati salienti riguardanti la richiesta di concessione:
Portata media di concessione 348 l/sec. (pari a 2,86 moduli)
Portata massima di concessione 900 l/sec. (pari a 6,70 moduli)
Quota pelo libero opera di presa 497,15 m s.l.m.
Quota pelo libero rilascio (Qm torrente Vertova) 472,15 m s.l.m.
Salto lordo (al pelo libero dell’acqua nell’alveo
del torrente Vertova)
25,00 m
Potenza media di concessione 85,29 kW
Relazione idraulica IIIIIIIImmmmmmmmppppppppiiiiiiiiaaaaaaaannnnnnnnttttttttoooooooo IIIIIIIIddddddddrrrrrrrrooooooooeeeeeeeelllllllleeeeeeeettttttttttttttttrrrrrrrriiiiiiiiccccccccoooooooo ““““““““VVVVVVVVeeeeeeeerrrrrrrrttttttttoooooooovvvvvvvvaaaaaaaa IIIIIIII IIIIIIII””””””””
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Potenza massima di concessione 220,59 kW
Gruppo turbina installato 1 x Francis
Produzione attesa (con Tf = 88% Ttot) 530’000 kWh / anno
Il progettista
Dott. Ing. Pietro Spatti
Rogno, 29/03/2016
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