Capitolo 9 - Manufatti speciali - M. Leopardi - Costruzioni Idrauliche - Università de L'Aquila

Costruzioni Idrauliche Manufatti speciali 223

Capitolo 9

MANUFATTI SPECIALI DI SCARICO E DI INVASO 9.1. SCARICATORI DI PIENA

In concomitanza di eventi di pioggia, nelle reti di fognatura mista, raggiunto un prestabilito gra-

do di diluizione delle acque fecali (rapporto acque nere/acque bianche pari a 1/3-1/5), si provvede

all'evacuazione immediata delle acque di supero tramite scaricatori di piena ed al recapito delle

stesse direttamente nel mezzo ricettore naturale.

Le acque nere, opportunamente diluite, vengono recapitate all'impianto di trattamento a servizio

del sistema di fognatura. I vantaggi della soluzione sono evidenti, riducendosi sensibilmente la lun-

ghezza delle canalizzazioni di grande dimensione costituite dai collettori principali e dai collettori

emissari. Nelle Figure 1 e 2 sono riportati esempi di scaricatori di piena sia del tipo a funzionamen-

to controllato da sfioratore laterale e sia del tipo a luce di fondo.

Figura 1 – Scaricatore di piena con sfioratore laterale

Costruzioni Idrauliche 224

Figura 2 . Scaricatore di piena con luce di fondo


9.2. SEPARATORI DI PRIMA PIOGGIA

Nelle reti separate nasce la necessità di convogliare nella fogna nera le portate fluenti nella fogna

bianca nella fase iniziale di un evento meteorico in quanto la prima pioggia, eseguendo un lavaggio

delle strade , accumula un notevole carico inquinante derivante da tutto ciò che può depositarsi

sulla sede stradale ( rifiuti , polveri di gas di scarico e di ferodi , residui derivanti dall’usura dei

pneumatici, oli e grassi ecc.). Tale inconveniente cresce in rapporto all’intervallo tra due eventi me-

teorici consecutivi. Pertanto è possibile trasferire alla fogna nere queste acque realizzando una pic-

cola luce, sul fondo del canale bianco, opportunamente dimensionata. Trascorso un po’ di tempo

dall’inizio della pioggia, se questa persiste ed aumenta di intensità, la portata meteorica aumenta

tanto da superare la luce di fondo e raggiungere, priva dei contenuti inquinanti, il collettore e da

questo al mezzo recettore. (Figura 3)

Figura 3 – Separatore di acque di prima pioggia


9.3. IMPIANTI DI SOLLEVAMENTO DI ACQUE NERE

Le reti di fognatura sono progettate per funzionare a gravità con flusso a superficie libera. Situazio-

ni topografiche locali impongono, a volte, la realizzazione di impianti di sollevamento.

La natura delle acque trasportate e la forte variabilità delle portate pongono particolari problemi

alla progettazione di un impianto di sollevamento sia nei riguardi del macchinario (tipo e numero

di pompe), sia relativamente al volume ed alla geometria ottimale della vasca di aspirazione.

L' impianto va dimensionato in funzione della portata massima da sollevare, ma, data la forte va-

riabilità delle portate, la portata totale va ripartita su più pompe funzionanti in parallelo. (Figura

4). Le pompe debbono essere istallate con la girante sommersa, sempre sotto battente, condizione

che garantisce l'immediato avvio del sollevamento.

La condotta di mandata, in corrispondenza del funzionamento di una sola pompa deve essere

percorsa dal flusso con velocità non inferiore ad 1 m/s per evitare la sedimentazione e l'accu-

mulo delle sostanze solide presenti nei liquami.

Figura 4. Impianto di sollevamento realizzato con pompe centrifughe di tipo sommerso.


Le pompe centrifughe per acque nere sono speciali, caratterizzate dalla particolare geometria del-

la girante che è di tipo aperto e che consente il passaggio di corpi di notevoli dimensioni. Inoltre

possono essere provviste di valvola a forte getto per la pulizia del pozzo. All’avvio della pompa la

valvola è aperta ; la contropressione nella tubazione provoca un getto che genera un moto rotato-

rio che porta in sospensione fanghi e materiali sedimentati . Dopo qualche secondo la valvola si

chiude (Figura 5).

Figura 5 – Sistema di autolavaggio del pozzo

L’installazione della macchina è generalmente fissa all’interno del pozzo (Figura 6 a); possono an-

che realizzarsi installazioni portatili (b) o fisse, ma in camera a secco (c).

Figura 6 – Metodi di installazione

La dimensione del pozzo dovrebbe essere la minore possibile sia per ridurre i costi e sia per mante-

nere meno possibile il liquame stagnate; è ovvio che il volume minimo è funzione del numero di

avviamenti/ora consentiti dalla macchina. Il livello nel pozzo è regolato da un interruttore a bulbo

di mercurio rinchiuso in un involucro impermeabile galleggiante , sospeso all’altezza voluta tramite

il cavo elettrico che lo collega al quadro di avviamento dell’elettropompa. La variazione di livello

del liquido varia la posizione del regolatore e di conseguenza l’interruttore a mercurio apre o chiu-

de il circuito di controllo (Figura 7).

a b c


Figura 7 – Regolatori di livello

I principi da adottare nella progettazione di un pozzo sono illustrati in manualiI contenenti regole

pratiche frutto di una estesa serie di dati acquisiti con test su modelli in scala. Nel seguito si farà

riferimento al pozzo standard Flygt riprodotto nella Figura 8.

Figura 8

I American Hydraulic Institute e British Hydromechanics Research Association


Le dimensioni del pozzo dipendono dalla portata della pompa e sono illustrate nella Figura 9

Quando vengono realizzati progetti fuori dello standard è necessario eseguire prove di funzionalità

su modello idraulico in scala ridotta, al fine di ottimizzare il flusso verso le pompe , l’eliminazione di

vortici e di aria in prossimità dell’aspirazione.

Figura 10 - Pozzo toroidale con 14 elettropompe


Il volume utile delle vasca, compreso tra il livello massimo di avviamento ed il livello minimo di ar-

resto, è funzione del massimo numero di avviamenti orari delle elettropompe. Il volume utile richiesto per un’elettropompa, dipende dalla sua portata nominale Qp1 e dal numero

massimo z di avviamenti orari.

Nel caso di una sola macchina per Qi (portata in ingresso) si avrà:

un tempo di riempimento i

r Q

VT = e

i1p QQtV

−=∆∆

per t∆ = Tv, tempo di vuota-

tura i1p

v QQV

T−

∆=

i1pv QQ

VT

−=

La durata di un ciclo è Tk= Tr+ Tv

Posto Qi = α Qp1 ( con 0<α≤1 ) Tk è mini-

mo quando α =0,5 ed il volume richiesto e

pari a

z4

3600*QV 1p

⋅=

Nel caso di impianto dotato di due elettropompe , essendo Qp1 ≤ Qi ≤ Qp1+Qp2 ,

per Qp1=Qp2

Tk è minimo quando Qi = Qp1+ 0,5 Qp1

da cui Qp1=Qp2=2/3 Qi

Nel caso di stazione equipaggiata con n

elettropompe uguali che si avviano in

sequenza all’aumentare del livello e,

sempre in sequenza, si staccano al dimi-

nuire del livello, il volume totale richiesto

è dato dall’espressione:

( ) Sh1nVV 1tot ⋅∆⋅−+=

essendo :

1V = volume utile richiesto da una elettropompa

S = superficie della vasca

∆h = differenza tra i livelli di avvio ed arresto

1Pi

2QQ

VTr

−=

i2p1P

2Q)QQ(

VTv

−+=


ESEMPIO 13

Dimensionare una stazione di pompaggio per una portata in ingresso Qi=58 l/s e prevalenza 5 me-

tri.

Volendo utilizzare due elettropompe identiche , la portata nominale di ciascuna macchina sarà:

Qp1=Qp2=2/3 Qi ⇒ Qp1=Qp2=2/3* 58 = 38,6 l/s

Elettropompa CP 3127


Scelto il tipo di elettropompa, dai dati di targa, si rileva che il numero di avviamenti /ora è z=15

mentre, con il diagramma di figura 9 è possibile dimensionare il pozzo

Le dimensioni minime vengono lette in corrispondenza di pompe con portata di 100 l/s


La superficie in pianta risulta : S=2,60*1,35=3,50 m2 ; il volume totale è espresso dalla relazione

( ) Sh1nVV 1tot ⋅∆⋅−+=

in cui

34,21543600*039,0

z4

3600*QV 1p1 =

⋅=

⋅= m3 e pertanto

4,350,3*30,0)12(34,2Vtot =⋅−+= m3

97,0S

Vh tot == m

Essendo il livello minimo di aspirazione pari a 0,43 m l’avviamento della prima elettropompa sarà

posto a quota + 1,40 m dal fondo del pozzo ; la quota di avvio della seconda pompa sarà 1,40 +∆h

=1,40+0,30 =1,70 m.

Infine la quota di arresto della prima macchina sarà pari all’altezza minima di aspirazione 0,43 m e

la seconda sarà 0,43+ ∆h=0,73 m.

9.4. IMPIANTI DI SOLLEVAMENTO DI ACQUE BIANCHE

Nei casi in cui il collettore emissario sia posto a quota inferiore del mezzo recettore è indispensabile

il ricorso ad impianti di sollevamento caratterizzati da elevata portata e bassa prevalenza. Questi

tipi di impianti vengono comunemente chiamati idrovori dal nome delle elettropompe, idrovore,

utilizzate per lo smaltimento di grandi volumi di acqua e basse prevalenze, generalmente H < 10

m).

Nella Figura 11 è raffigurato un impianto idrovoro caratterizzato da una idrovora ad asse verticale

con tubazione di scarico realizzata con un sifone “ a cavaliere dell’argine “ . A monte delle macchine

sono presenti una griglia di protezione ed una paratoia di sezionamento mentre, a valle, la condot-

ta sfocia in una vasca di dissipazione che, nei periodi di magra del recettore, ha il compito di dissi-

pare il contenuto energetico della portata in uscita dalla condotta ed evitare il disinnesco del sifone.

Figura 11 – Schema di impianto idrovoro


A seconda dell’ubicazione del recettore e del tipo di macchine sono possibili tre schemi più semplici

sia dal punto di vista costruttivo che gestionale (Figura 12)

Figura 12 – Schemi di installazioni munite di elettropompe sommergibili Flygt serie P

Nota la portata da esitare la scelta delle macchine è legata ai criteri già esposti per gli impianti di

sollevamento al Capitolo 4.


Figura 13 – Diagrammi a mosaico per elettropompe sommergibili Flygt serie P


Per quanto attiene il dimensionamento della stazione di sollevamento, nel caso di utilizzo di elettro-

pompe sommergibili ad elica seri P della Flygt, possono essere utilizzate soluzioni standard legate

al numero delle macchine. Il dimensionamento è molto simile a quanto già visto precedentemente

per le stazioni di sollevamento delle acque nere. La particolarità costruttiva di queste idrovore fa sì

che possano essere calettate all’interno di un tubo contenitore in acciaio (Figura 14) a stazione di

sollevamento ultimata. L’elettropompa poggia semplicemente su un anello alla base del tubo con-

tenitore senza fissaggi pertanto la macchina può essere rimossa agevolmente per la manutenzione.

Figura 14 – Tipo di idrovora e correlato diametro del tubo contenitore

L’afflusso dell’acqua verso la pompa deve essere uniforme in modo da evitare trascinamento di a-

ria con conseguente innesco di vortici. Tra i criteri da adottare per la progettazione di un impianto

è importante la verifica del rapporto tra la sommergenza S ed il diametro D della condotta di aspi-

razione D. (Figura 15)


a= 1,5 b= 2,5

FrbaDS

⋅+= con : a =1,5 e b=2,5

Figura 15. Verifica del rapporto di sommergenza

9.5. LA REGOLAZIONE DELLE PORTATE DI PIENA Gli apporti di piena di una zona scolante restano definiti dal processo di trasformazione degli afflus-

si meteorici, rappresentati dal diagramma cronologico delle precipitazioni (Ietogramma) , in de-

flussi superficiali, rappresentati dal diagramma cronologico delle portate fluenti nella sezione di

progetto (Idrogramma). L’andamento delle portate durante una piena è caratterizzato da un trat-

to rapidamente ascendente, fase crescente o curva di concentrazione, le portate aumentano

per effetto degli apporti dei flussi superficiali conseguenti alla pioggia.

Segue l’istante di colmo nel quale la portata raggiunge il massimo valore istantaneo, nella sezio-

ne del corso d’acqua sottesa dal bacino a cui si riferisce l’idrogramma.

Nel caso in cui la portata massima resta costante per un periodo di tempo l’idrogramma ha un trat-

to circa orizzontale detto fase di stanca (Figura 16) .

Figura 16. Modello di trasformazione afflussi-deflussi

2DD

Q4V

⋅π

⋅=

S

D

Dg

VFr D

⋅=


Infine la fase decrescente o curva di esaurimento, descrive il periodo in cui, terminate le pre-

cipitazioni, cessando progressivamente il ruscellamento dalle zone più lontane, il bacino tende a

vuotarsi e la portata tende a zero. L'onda di piena si manifesta con durata complessiva detta

tempo di base.

Dell’idrogramma tipico , rappresentato precedente, se ne può dedurre uno schematico nell’ipotesi

che l’effettiva modalità dell’evoluzione della pioggia nel tempo, rappresentata dal legame ntah ⋅= , sia ad intensità costante, si considerano cioè variazioni lineari della pioggia con il tem-

po. Nella sezione della rete, che costituisce l’uscita, resta altresì definito il bacino sotteso; ad ogni

sollecitazione in ingresso (ietogramma) il sistema risponde in uscita con un idrogramma di portata .

Dell’idrogramma tipico, rappresentato nella Figura 16, se ne può dedurre uno schematico

nell’ipotesi che l’effettiva modalità dell’evoluzione della pioggia nel tempo sia ad intensità costante,

considerando variazioni lineari della pioggia e delle portate esitate con il tempo (Figura 17).

Figura 17 – idrogramma semplificato

L’espansione dei centri abitati comporta una trasformazione di parte del territorio che con costru-

zioni ed opere di urbanizzazione si trasforma da terreno permeabile in terreno scarsamente perme-

abile alterando, dunque, il coefficiente di afflusso che è un elemento determinante per la stima del-

la portata di piena. La conseguenza di ciò si risente nei tronchi terminali della rete dove le dimen-

sioni degli spechi non sono più sufficienti per lo smaltimento delle variate portate di piena.

Un criterio utilizzabile per risolvere il problema è quello di inserire, a monte dei tronchi critici, delle

vasche di laminazione

dell’onda di piena.

Il principio di funzionamento si

basa sul concetto della conti-

nuità, pertanto limitando la

portata in uscita occorrerà un

volume V da invasare per tut-

to il tempo che la portata in

ingresso supera il valore della

portata ammissibile a valle.

Figura 18


Dopo il tempo t1 il volume precedentemente invasato sarà restituito a valle.

Quando non sia possibile realizzare tutto il volume di laminazione, per mancanza di aree da assog-

gettare a tale servizio, la parte eccedente può essere sfiorata verso un “elemento” di accumulo

provvisorio (Depressione naturale, campagna, ecc,)

Figura 19

Una soluzione ottimale è rappresentato dalla Figura 20, dove è possibile utilizzare un laghetto per il

contenimento dei volumi di supero delle vasche di laminazione .

Figura 20. Sistema di alleggerimento delle portate di piena

Per quanto attiene la tipologia delle vasche di laminazione queste possono essere in serie ed in pa-

rallelo secondo gli schemi di Figura 21.


In ambedue i casi gli ingressi e le uscite dalle vasche sono regolati in automatico dai livelli nella

camera di alimentazione a valle dell’emissario .

20a. vasche in serie 20b . vasche in parallelo


9.6. MANUFATTI DI RESTITUZIONE NEL RECETTORE

Nelle seguenti figureII sono riportati esempi di manufatti di restituzione nel mezzo recettore.

A seconda dei valori delle velocità in uscita sono da prevedere elementi di dissipazione del contenu-

to energetico della corrente.

II Tratte da FOGNATURE di L.Da Deppo e C. Datei – Edizioni Libreria Cortine Padova

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