S-R12 Relazione di calcolo San Leo-rev1 - porto.salerno.it · solido, le acque provenienti ... La...

aldo

domenico barletta

__________________________________________________________________________ Opere idrauliche San Leo – Relazione di calcolo

INDICE

1 INTRODUZIONE ................................................................................. 1

2 VERIFICHE IDRAULICHE .................................................................. 3 2.1 DIMENSIONAMENTO DELLE OPERE DI PROGETTO................................ 5

2.1.1 Vasca di trattenuta .................................................................................. 5 2.1.2 Canali/collettori principali ........................................................................ 8 2.1.3 Pozzo a vortice ..................................................................................... 10

3 ELENCO TAVOLE ............................................................................ 14


1 INTRODUZIONE Nella presente relazione sono riportati i calcoli idraulici delle opere di

progetto previste per il nodo di San Leo (Figura 1) effettuati utilizzando le

portate idrologiche indicate nella Relazione Idrologica e Idraulica GT-R1.

Figura 1 – Planimetria delle opere stradali in corrispondenza del nodo di San Leo

Dalla Figura 1 si evince che lo svincolo stradale in progetto interagisce

con il reticolo idrografico definito dal PAI ed in particolare con un impluvio

naturale affluente del Fusandola. In base ai sopralluoghi effettuati, tuttavia, la

confluenza di tale impluvio nel torrente Fusandola non risulta ben definita

poiché l’impluvio naturale, a valle delle pile dell’Autostrada, si disperde nel

sistema di drenaggio fatiscente del campo sportivo esistente. Per tale motivo,

attesa anche la ridotta estensione del bacino, il progetto prevede di ripristinare

la continuità idraulica di tale impluvio mediante la realizzazione di un manufatto

1


di attraversamento stradale, ubicato al di sotto dell’asse viario di progetto e

riportato nello schema di Figura 2.

Il progetto prevede che, a valle di una vasca di trattenuta del materiale

solido, le acque provenienti dall’impluvio siano convogliate in un pozzo a vortice

verticale mediante il quale superare il dislivello altimetrico esistente per poi

confluire, attraverso un tratto di raccordo sub-orizzontale, all’interno del canale

esistente che si immette nel torrente Fusandola.

Figura 2 – Schema funzionale dell’attraversamento di progetto nel nodo San Leo

2


Nella Tabella 1 sono riportate le portate idrologiche (Rel. GT-R1), valutate

nella sezione di chiusura 2 (Figura 1), corrispondenti ad un periodo di ritorno di

100 e 200 anni.

Il valore della portata di piena da assumere per le verifiche idrauliche delle

opere interferenti con la rete idrografica è stata stimata con riferimento ad un

tempo di ritorno T=100 anni secondo quanto indicato nella Disciplina Normativa

dell’Autorità di Bacino Regionale Destra Sele (delibera del Comitato

Istituzionale n. 80 del 17.10.2002 a seguito delle modifiche interpretative

adottate dal Comitato Istituzionale con delibera n. 18 del 14.03.2003).

A φ m(Q) u = m(Q)/A Q100 Q200

Sez

ione

di c

alco

lo n

°

Nome

(ha) (m3/s) [m3/(s*Kmq)] (m3/s) (m3/s)

2 Nodo San Leo 12.00 0.30 0.73 6.10 2.36 2.69

Tabella 1 – Portate idrologiche del nodo di San Leo

2 VERIFICHE IDRAULICHE Le verifiche idrauliche sono state effettuate con la classica formula del

moto uniforme utilizzando il coefficiente di scabrezza di Gauckler-Strickler.

21ohs SRKAQ

23 //⋅⋅⋅=

dove:

− Q = portata di progetto [m3/s];

− A = sezione idraulica bagnata [m2];

− Ks = coefficiente di scabrezza di Gauckler-Strickler [m1/3/s];

− Rh = raggio idraulico [m];

− So = pendenza di fondo [m/m].

A titolo esemplificativo si riportano i valori del coefficiente di scabrezza Ks

disponibili nella letteratura tecnica.

3


Tali valori sono influenzati da diversi fattori quali:

− tipologie di canali;

− materiali costituenti le pareti dei canali stessi;

− presenza di vegetazione;

− accumuli di sedimenti sul fondo e sulle sponde del canale;

− singolarità nella sezione e raggio di curvatura dell’asse del canale.

Per quanto concerne i valori del coefficiente di scabrezza Ks (m1/3/s)

verranno assunti a riferimento i valori riportati nella seguente tabella riassuntiva.

Tipologia Natura delle pareti Ks

muri in mattoni o sponde rivestite calcestruzzo 60÷70

sponde rivestite in pietrame ad opera incerta 30÷50

in terra con sezioni abbastanza regolari 30÷40

in terra con sezioni irregolari e impaludamenti 20÷25

torrenti con letto ghiaioso 25÷35

Corsi d’acqua minori: Raggio idraulico < 2 m

Larghezza in piena <30 m

torrenti con grossi massi 20÷25

con sezioni regolari senza massi 30÷40Corsi d’acqua maggiori

irregolari con sezioni accidentate 20÷30

a pascolo 30÷40

con vegetazione spontanea 20÷30Aree golenali

Coltivate 20÷40

Per quanto concerne gli attraversamenti realizzati in corrispondenza delle

incisioni e dei bacini di minore estensione, è possibile talvolta rilevare la

presenza di tratti caratterizzati da notevoli pendenze longitudinali; in tali casi si

ritiene opportuno procedere al calcolo delle caratteristiche idrauliche della

corrente idrica sia in condizioni di moto uniforme, sia in condizioni di stato critico

in corrispondenza delle sezioni di calcolo.

A tale proposito si ricorda che si definisce condizione di stato critico la

condizione di deflusso di una corrente a portata costante cui corrisponde il

minimo valore dell’energia specifica.

Nell’ipotesi di distribuzione idrostatica delle pressioni nelle sezioni idriche,

la condizione di stato critico implica la validità della relazione:

4


gQ

Bc

c23

=σ

essendo σc e Bc, rispettivamente, la sezione idrica e la larghezza del pelo

libero corrispondenti alla condizione di stato critico.

Il carico specifico rispetto al fondo in condizioni di stato critico Hc sarà,

quindi, fornito dalla relazione:

c

ccc B2

1hHσ

+=

In generale, com’è ben noto, l’equazione va risolta per tentativi per sezioni

complesse, mentre per alcune sezioni geometriche notevoli (ad esempio, quella

rettangolare) esistono relazioni analitiche che esprimono in modo esplicito il

tirante idrico in condizioni di stato critico.

2.1 DIMENSIONAMENTO DELLE OPERE DI PROGETTO Nel prosieguo si definiscono le dimensioni di progetto dei seguenti

manufatti principali:

− vasca di raccolta e trattenuta del materiale solido;

− canale di raccordo al pozzo a vortice e collettore di raccordo sub-orizzontale

al canale esistente;

− pozzo a vortice verticale;

2.1.1 Vasca di trattenuta La vasca di raccolta e trattenuta del materiale solido prodotto dall’erosione

del bacino idrografico che sottende la sezione di chiusura del nodo di San Leo è

dimensionata sulla base delle stime effettuate nell’ambito dello “Studio

Preliminare del tratto di costa compreso tra le località Punte Campanella e Lido

Lago - Misure di salvaguardia” a supporto della Redazione del Piano di Bacino

dell’Autorità di Bacino Destra Sele.

Nell’ambito del suddetto studio è stata effettuata la stima quantitativa della

portata solida (m3/anno) in quattro bacini campione (foce Tusciano, foce Irno,

5


foce Bonea, foce Regina Maior) tramite la relazione di Gavrilovic (1959) che

rappresenta un modello empirico per la stima del volume di sedimenti prodotto

dall’erosione idrica in un bacino e trasportato alla sezione di chiusura.

Quest’ultimo è stato messo a punto nel 1959 considerando i bacini a carattere

torrentizio del Sud e del Sud-Est della regione balcanica.

La formula di calcolo proposta per il calcolo del volume medio annuo netto

dei sedimenti prodotto per erosione (G), può espressa come:

BWG ⋅=

essendo

AZhTW 23 ⋅⋅⋅⋅= /π

B il coefficiente di riduzione che tiene conto del processo di

risedimentazione del materiale eroso all'interno del bacino esprimibile mediante

la seguente relazione:

)()()( .

10LALLHP

B i50

m+

+⋅=

in cui P è il perimetro del bacino (Km), Hm è il dislivello del bacino (Km), L

è la lunghezza dell'asta principale (Km), Li è la lunghezza totale degli affluenti

(Km);

− W il volume medio annuo lordo dei sedimenti prodotto per erosione

(m3/anno);

− T il fattore di temperatura calcolato sulla base dell’isoterma annuale media

valutabile in base alla relazione:

5.01.0

10⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +=

tT

con t = temperatura media annua del bacino (°C)

− h la precipitazione media annua (mm);

− A la superficie del bacino (Km2);

6


− Z il coefficiente di erosione relativa, calcolato sulla base dell’erodibilità del

suolo, del tipo principale di processo erosivo, della pendenza media e della

destinazione d’uso della superficie (ad ognuno di questi fattori viene

assegnato un valore sulla base di una stima qualitativa e rifacendosi ad

opportune tabelle). In particolare Z è calcolabile mediante la seguente

relazione:

)( 5.0IYXZ +⋅= ϕ

in cui X è il coefficiente che esprime l’azione protettrice della copertura

vegetale e dell'intervento antropico (0,05 - 1,0), Y è il coefficiente dell'erodibilità

del suolo, ϕ esprime il tipo e il grado del processo di erosione ed infine I è la

pendenza media in percentuale del bacino.

L’applicazione della metodologia esposta precedentemente, ha condotto

alla stima del trasporto solido, per i quattro bacini campioni considerati,

secondo quanto riportato nella Tabella 2:

Foce bacino Superficie Volumi

mobilizzabili complessivi

Erosione netta media annua

Km2 m3/anno mm/anno

Tusciano 260.77 77336.41 0.3

Irno 45.27 29504.26 0.7

Bonea 20.09 4203.72 0.2

Regina Maior 33.23 27202.8 0.8

Tabella 2 – Erosione media annua per i bacini campione studiati nell’ambito della redazione del Piano di Bacino del Destra Sele.

Il bacino sotteso dalla sezione di chiusura 2, corrispondente al nodo di

San Leo, è solcato da un corso d’acqua affluente del torrente Fusandola.

Quest’ultimo, che sfocia direttamente a mare, è caratterizzato da un bacino

idrografico compreso tra quello del fiume Irno e quello del torrente Bonea.

Attesa la contiguità territoriale, ed ipotizzando da quest’ultima una omogeneità

geomorfologica, il tasso medio annuo di erosione del bacino di progetto è stato

7


posto pari al valore medio relativo al fiume Irno ed al Torrente Bonea e cioè pari

a 0.5 mm/anno.

Nella tabella che segue è riportata, per il bacino di progetto, la superficie, il

tasso medio annuo di erosione, il volume complessivo medio di materiale

mobilizzabile in un anno e il volume della vasca di trattenuta di progetto.

Superficie Erosione netta media annua

Volumi mobilizzabili complessivi

Volume di progetto della

vasca ha mm/anno m3/anno m3 12 0.5 60 55

Tabella 2 – Volumi mobilizzabili del bacino relativo alla sezione di chiusura di San Leo

La vasca, sagomata con fondo con tramoggia, ha una dimensione

complessiva in pianta di 8.40 m per 5.50 m ed ha un’altezza netta di 2.60 m.

L’immissione della portata liquida/solida avviene attraverso delle griglie poste in

testa al manufatto aventi la funzione di trattenuta del materiale grossolano. La

sedimentazione è favorita da un setto verticale superato il quale le acque

sfiorano nel canale che alimenta il pozzo a vortice. Il setto verticale presenta

delle luci riempite da materiale granulare per favorire la fuoriuscita dell’acqua

accumulata nella vasca in seguito agli eventi meteorici. A tal fine è stata

prevista anche una tubazione di scarico posta sul fondo della vasca. Le griglie

modulari possono essere sollevate per operare lo svuotamento della vasca con

mezzi meccanici.

In base al dimensionamento effettuato la manutenzione della vasca dovrà

essere prevista in media almeno uno/due volte all’anno.

2.1.2 Canali/collettori principali

La portata proveniente dall’impluvio naturale, unitamente a quella drenata

dalla piattaforma stradale (Autostrada Napoli-Salerno), è convogliata nella

vasca di trattenuta. Quest’ultima è ubicata a valle di una gradonata realizzata in

gabbioni e posizionata a tergo del muro di sostegno esistente che si sviluppa

lungo il perimetro del campo sportivo (lato nord). Le acque in uscita dalla vasca

di trattenuta si immettono, insieme a quelle provenienti dai fossi di guardia

8


(Rami 4 e 5), nel canale di alimentazione del pozzo a vortice. Da quest’ultimo,

infine, mediante una tubazione circolare sub-orizzontale (Ramo A), confluiscono

nel canale di raccolta esistente che si immette nel Torrente Fusandola. Il

suddetto collettore sub-orizzontale raccoglie anche i contributi di portata

provenienti dai fossi di guardia di progetto (Ramo 1, 2, 3 e 6) e convogliati

mediante il collettore Ramo B ed il collettore Ramo C. Per questi ultimi, atteso il

modesto contributo di portata da essi drenato, è stata prevista una tubazione di

progetto circolare di diametro φ 500 mm.

Nella Tabella 3 successiva sono riportate le verifiche idrauliche finalizzate

al dimensionamento dei collettori/canali principali e cioè il canale di

alimentazione del pozzo a vortice (CPV) e il collettore Ramo A.

Collettore/Speco Ks B H D So V Fo ho Ho hc GR

m1/3/s m m m m/m m3/s m m m %

Cpv (R) 70 1.5 1.8 0.001 1.32 0.39 1.19 1.28 0.63 66

Ramo A (C) 70 1.5 0.01 3.41 1.59 0.62 1.21 0.79 41 R = sezione rettangolare – C = sezione circolare

Tabella 2 – Verifiche idrauliche del nodo di San Leo

dove:

− Ks = coefficiente di scabrezza di Gauckler-Strickler [m1/3/s];

− B = larghezza del canale rettangolare [m];

− H = altezza del canale rettangolare [m];

− D = diametro del collettore [m];

− So = pendenza del collettore [m/m];

− V = velocità media della corrente in moto uniforme [m/s];

− Fo = numero di Froude della corrente V/(g ho)0.5;

− ho = altezza idrica della corrente in moto uniforme [m];

− Ho = ho+V2/(2g) energia specifica della corrente [m];

− hc = altezza di stato critico della corrente [m];

− GR = h/H grado di riempimento h = max(ho, hc) [m].

9


2.1.3 Pozzo a vortice

I pozzi a vortice sono in genere utilizzati nelle reti di drenaggio urbano per

collegare, mediante un raccordo verticale, due collettori aventi elevati dislivelli e

comunque tali da non consentire l’utilizzo di un semplice manufatto di salto. Un

sistema di pozzi a vortice è caratterizzato da tre elementi: il canale di

alimentazione che raggiunge il pozzo, il pozzo vero e proprio, incluso il

manufatto di imbocco, e la galleria di valle. L’utilizzo di tale manufatto è dovuto

alla sua capacità di trasformare la caduta in un deflusso regolare della corrente

che scende nel pozzo verticale mantenendosi, per la forza centrifuga, aderente

alle pareti di questo. Si verifica, inoltre, una notevole dissipazione di energia

che avviene per effetto dell’attrito che si realizza lungo la parete del pozzo.

L’acqua si muove essenzialmente lungo le pareti del pozzo mentre l’aria si

muove nella zona centrale che è definita anima del vortice. La presenza di una

zona aerata centrale, all’interno della canna verticale, garantisce un

funzionamento stabile del pozzo a vortice e quindi rappresenta un ulteriore

fattore positivo che lo rende preferibile rispetto ad altre tipologie di manufatti. La

particolare forma elicoidale dell’imbocco è stata inizialmente concepita da Drioli

(1947) per i manufatti di scarico degli sbarramenti artificiali. Pica (1970), nel

caso di alimentazione del pozzo in corrente lenta, fornisce delle relazioni per

definire la scala di deflusso del vortice per una assegnata geometria della

camera di imbocco (Figura 3). I principali parametri da cui dipende la scala di

deflusso, per una assegnata geometria della camera (voluta), sono: la

larghezza del canale di alimentazione (B), il diametro del pozzo (D=2R) e la loro

eccentricità relativa (Δ).

10


Figura 3 – Schema funzionale dell’attraversamento di progetto nel nodo San Leo

La geometria del pozzo può essere descritta dalle seguenti relazioni:

scBR +++=2

Δ (1)

)(71 sBe += (2)

I raggi della struttura di imbocco sono:

ecRR ++=4 ; eRR += 43 ; eRR 342 += ; eRR 541 += (3)

La scala di deflusso del pozzo h=f(Q), ovvero il legame esistente tra

l’altezza idrica nel canale di imbocco h e la portata Q, può essere dedotta

utilizzando le seguenti relazioni (Pica, 1970):

22

23

2

)1(1

11

23

o

o

o

x

xx

Kh

−−

−

−=

μ

μ ; ox−= 95.0μ Rr

x oo = (4)

In cui ro è il raggio dell’anima del vortice.

11


22

2

1

1hKhK

Q−

=

μ

(5)

essendo:

BRK Δπ ⋅= ; gRK 22

1 ⋅= π ; 22

2 ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ ⋅=

BRK π (6)

Il dimensionamento del pozzo è stato effettuato considerando i seguenti

parametri geometrici, definiti in precedenza, ed in parte ottenuti mediante le

relazioni (1) e (2):

B H s D R e c Δ

m m m m m m m m

1.5 1.8 0.2 1.5 0.75 0.24 0.15 1.85

Tabella 3 – Grandezze geometriche utilizzate per il dimensionamento del pozzo

Mediante le relazioni (4), (5) e (6) è stata costruita la scala di deflusso del

pozzo riportata nella Tabella 4 e nel grafico di Figura 4. Considerando che il

valore di xo, in base alle osservazioni sperimentali, non deve risultare inferiore a

40% ÷ 50%, per evitare la chiusura del vortice, dalla Tabella 4 risulta che il

pozzo è in grado di convogliare portate non superiori a 3.5 m3/s considerando

anche un opportuno grado di riempimento (GR) nel canale di alimentazione.

12


xo h GR Q

% [m] % [m3/s]

40 2.85 - 7.5

45 2.45 - 6.3

50 2.10 - 5.3

55 1.78 99 4.3

60 1.49 83 3.5

65 1.22 68 2.7

70 0.97 54 2.0

75 0.74 41 1.4

80 0.53 29 0.9

85 0.34 19 0.5

90 0.16 9 0.2

Tabella 4 – Scala di deflusso del pozzo a vortice

0%

20%

40%

60%

80%

100%

0 2 4 6 8

Q [m3/s]

GRxo

Figura 4 – Scala di deflusso del pozzo a vortice

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3 ELENCO TAVOLE Tavola S12a Opere idrauliche San Leo - Planimetria e profili

Tavola S12b Opere idrauliche San Leo - Sezioni

Tavola S12c Opere idrauliche San Leo – Pozzo a vortice e pozzetti tipo

Tavola S12d Opere idrauliche San Leo – Vasca di trattenimento

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