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Maurizio Giugni » 5.L'acquedotto esterno: tracciato e calcolo idraulico


Acquedotti

Tracciato e calcolo idraulico dell’acquedotto esterno

Generalità

Schema dell’opera:
opera di presa → acquedotto → esterno serbatoio.

Acquedotto esterno – tipologie:

a pelo libero: solo per opere di grandi dimensioni;

a pressione: da preferirsi, in quanto consente di svincolarsi in modo notevole dalle limitazioni imposte dalle caratteristiche del terreno.

Acquedotti

Tracciato: criteri e considerazioni da seguire per una corretta definizione

Da un lato conviene, da un punto di vista economico, realizzare il tracciato più breve tra due punti (presa, serbatoio). Dall’altro, occorre tener presenti le esigenze imposte dal profilo del terreno: un profilo accidentato, con molti punti depressi ed elevati, è costoso per le opere d’arte che richiede (pozzetti di scarico, pozzetti di sfiato, opere di attraversamento).

Se l’acquedotto è molto lungo può essere consigliabile “spezzarlo” in più sifoni.

Analisi delle pressioni di esercizio delle tubazioni.

Analisi delle caratteristiche geologiche, geotecniche, chimiche ed elettrochimiche dei terreni da attraversare: se possibile evitare zone in cui affiori la roccia (il cui scavo è ovviamente molto costoso), boschi, zone acquitrinose, costoni franosi, anche a costo di allungare il tracciato.

Analisi dei problemi di esproprio, evitando le zone a colture più ricche.

Mantenersi se possibile in vicinanza delle infrastrutture stradali, sia per facilitare la posa e l’accessibilità alla condotta che per ridurre le spese di esproprio.

Analisi delle difficoltà degli attraversamenti fluviali, ferroviari, stradali; valutare la possibilità di utilizzare opere di attraversamento eventualmente esistenti.

In definitiva, lo studio del tracciato di un acquedotto risulta piuttosto complesso, richiedendo un compromesso tra requisiti economici, tecnici e di sicurezza dell’opera, igienici.

Tracciato

Fonte: G. Ippolito: Appunti di costruzioni idrauliche, Edizione aggiornata a cura di Giuseppe De Martino, Liguori Editore, Napoli

Fonte: G. Ippolito: Appunti di costruzioni idrauliche, Edizione aggiornata a cura di Giuseppe De Martino, Liguori Editore, Napoli


Acquedotti

Ovviamente, la definizione del tracciato richiede:

  • ispezione delle zone
  • rilievi topografici orientativi
  • rilievi geologici, morfologici, agricoli dei terreni interessati

Si procederà, quindi, al tracciamento:

  • della planimetria dell’acquedotto
  • della planimetria delle espropriazioni
  • del profilo longitudinale, che contiene tutti gli elementi per il calcolo idraulico, per l’approvvigionamento dei tubi, per la determinazione degli scavi, ecc.

Molto importante, ovviamente, è il posizionamento del serbatoio (punto d’arrivo della condotta esterna).
Esso se possibile deve essere ubicato il più possibile vicino all’abitato da servire; deve garantire un carico superiore di almeno 5-6 m ( funzionamento degli elettrodomestici) al rubinetto più alto del fabbricato più elevato; deve imporre un carico statico non superiore a 70 m nel punto più basso della rete idrica (DM. 04/03/1996).

Profilo longitudinale

Fonte: G. Ippolito: Appunti di costruzioni idrauliche, Edizione aggiornata a cura di Giuseppe De Martino, Liguori Editore, Napoli

Fonte: G. Ippolito: Appunti di costruzioni idrauliche, Edizione aggiornata a cura di Giuseppe De Martino, Liguori Editore, Napoli


Calcolo idraulico – Formule di resistenza idraulica: formula di Chézy e di Gauckler e Strickler


Formule di resistenza

Tab. 1. Parametri di scabrezza per le formule di Chézy e di Gauckler e Strickler

Tab. 1. Parametri di scabrezza per le formule di Chézy e di Gauckler e Strickler


Formule di resistenza: formula di Darcy-Weisbach


Formule di resistenza: formule monomie


Formule di resistenza: tubi lisci


Formule di resistenza

Il dimensionamento idraulico della condotta va effettuato a tubi usati, se necessario ricorrendo anche ad un doppio diametro.

Dissipazione del carico a tubi nuovi
Si può intervenire mediante una valvola di regolazione posta all’estremità a valle della condotta o in altra sezione (al fine di ridurre le pressioni d’ esercizio lungo la linea). Se il carico da dissipare è maggiore di 20 m si può intervenire con valvole in serie. Se non si interviene, c’è il rischio d’ingresso d’aria della condotta, con relativi problemi (fenomeni di colpo d’ariete, aumento delle proprietà incrostanti dell’acqua, formazione di sacche d’aria con riduzione della capacità idrovettrice a regime).


Presenza dell’aria in condotta

Cause d’ingresso d’aria in condotta:

  • insufficiente battente all’imbocco di presa
  • turbolenza in condotta in fase di riempimento
  • arrivo di correnti idriche in una vasca o serbatoio, con fenomeni d’areazione

Azioni sulle bolle d’aria:

  • forze di trascinamento dell’acqua
  • componente della spinta di Archimede, secondo l’asse della condotta

Nei tronchi ascendenti, le suddette azioni si sommano trascinando la bolla; nei tratti discendenti è opportuno imporre alla condotta pendenze notevoli (> 2-3%, se possibile), in modo da far prevalere la componente della spinta di galleggiamento sulla forza di trascinamento e portare la bolla alla cuspide, laddove lo sfiato provvederà alla sua eliminazione.


Velocità

Velocità limite

Velocità massime 2-3 m/s, onde evitare vibrazioni e pericoli in caso di colpo d’ariete.

Velocità minime 0.4-0.6 m/s, onde evitare il riscaldamento dell’acqua e tempi di consegna troppo lunghi.

Schema con sollevamento

In figura:

Hg: prevalenza geodetica;
Hm: prevalenza manometrica = Hg + perdite di carico in aspirazione e mandata.


Schema con sollevamento (segue)

Minimizzazione costo condotta
In figura:

C1: spesa d’impianto (aumenta con D);
C2: spesa per l’energia annua (si riduce all’incrementarsi di D, dal momento che diminuiscono le perdite di carico e di conseguenza Hm).


Schema con sollevamento (segue)

Deve essere presa in esame la possibilità di funzionamento dell’impianto elevatorio in modo continuo o per parte della giornata (24, 16, 8 ore al giorno).

Un funzionamento discontinuo comporta:

Aggravi economici: pompe di maggior potenza, tubazioni di mandata di diametro maggiore, vasche di compenso in cui si accumula l’acqua durante il periodo di stop dell’impianto elevatorio;
Risparmio del personale addetto all’esercizio dell’impianto, in quanto esso può essere ridotto a due (16 ore) o ad un turno (8 ore) anziché prevedere i tre turni continuativi (24 ore).

Per impianti di modesta potenza (< 50 kW) il macchinario elettromeccanico può essere automatizzato, asservendo eventualmente le elettropompe ai livelli idrici nella vasca di aspirazione e nel serbatoio.

Schemi misti

Schemi gravità-sollevamento e sollevamento-gravità
Occorre minimizzare i costi tenendo conto anche della quota della vasca di sconnessione, la cui funzione è quella da un lato di sottrarre al colpo d’ariete il tronco a gravità, dall’altro di rendere meno gravoso il colpo d’ariete per il tronco elevatorio.

Schemi misti (segue)

Occorre minimizzare la spesa: r C1 + r C2 + C3
r : tasso d’interesse;
C1: costo acquisto e posa in opera condotta a gravità;
C2: costo acquisto e posa in opera condotta di mandata;
C3: costo dell’energia annua utilizzata.
C1 = π D s L γcond costo/kg
C3 = (1/η) 9.81 Q Hm n ckWh
dove:
D: diametro della condotta;
s: spessore della condotta;
L: lunghezza della condotta;
γcond: peso specifico della condotta;
n: numero di ore annue di funzionamento;
ckWh: costo del kilowattora;
Q: portata idrica;
Hm: prevalenza manometrica;
η: rendimento del gruppo motore pompa.


I materiali di supporto della lezione

Ippolito, G., Appunti di Costruzioni Idrauliche, Liguori Editore, Napoli.

Milano, V., Acquedotti, Hoepli.

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