Maurizio Giugni » 10.Acquedotto esterno: Opere di captazione

Captazione delle sorgenti (segue)

L’opera di presa sarà costituita da:

• Bottino di presa (ben incassato nella roccia)
• Vasca di calma e sedimentazione (20-30 cm/s)
• Vasca di misura (stramazzo Thompson sino a circa 50 l/s)
• Vasca di presa o di carico, con battente adeguato (2-3 m)

È, inoltre, necessario prevedere intorno all’opera di presa un’adeguata zona di protezione della sorgente, da individuare sulla base dello studio idrogeologico.

Captazione delle sorgenti (segue)

Nel caso in cui l’affioramento della sorgente non sia concentrato in un punto e rappresenti un affioramento continuo su una linea di contatto tra terreno acquifero e terreno impermeabile, la captazione dell’acqua potrà essere effettuata mediante una galleria filtrante, non dissimile dai manufatti costruiti per captare le falde freatiche.

Captazione di acque superficiali

Prese da laghi naturali o artificiali
Le opere di presa da un lago sono costituite da una torre di presa munita di diverse luci disposte a diversa profondità, onde tener conto:

• delle variazioni di quota dell’invaso
• delle diverse temperature, anche in dipendenza dalle stagioni. In ogni caso, essendo l’acqua più calda in superficie e più fredda in profondità, il gradiente termico dà luogo a lenti fenomeni di mescolamento (streaming)
• delle eventuali variazioni dei caratteri organolettici dell’acqua con la profondità

Captazione di acque superficiali (segue)

Prese da fiume
Se la portata da derivare è modesta, sarà sufficiente un impianto di pompaggio in fregio al fiume, avendo cura di disporre la condotta di aspirazione al di sotto del livello di magra. Ovviamente, la pompa sarà sommersa o meno a seconda dell’altezza intercorrente tra il livello di magra e quello, superiore al livello di massima piena, a cui si installerà il motore.

Captazione di acque superficiali (segue)

Impianti a deflusso

Per utilizzare in maniera consistente le risorse disponibili, occorre invece realizzare un impianto a deflusso, costituito da:

• traversa (con relative opere di dissipazione)
• opere di presa e chiarificazione
• opere di adduzione

Si può altresì provvedere a formare una falda freatica artificiale, captando acqua dal fiume e distribuendola su un’area costituita da sabbie permeabili poggianti su uno strato impermeabile. Si viene così a creare una falda sotterranea o, più spesso, un ravvenamento (con conseguente incremento della portata) di una falda esistente, che verrà poi utilizzata con opere all’uopo realizzate.

Captazione di falde (segue)

Il coefficiente di immagazzinamento S è il rapporto tra il volume d’acqua che può liberarsi per un moto gravitazionale ed il volume totale del terreno. Ovviamente risulta S<n a causa dei fenomeni descritti. La differenza è dell’ordine del 5% per le ghiaie, raggiunge il 10% per le sabbie medie ed il 30% per le sabbie limose. Le argille, invece, in virtù della loro struttura colloidale, risultano praticamente impermeabili.
Saturato il terreno al di sopra dello strato impermeabile, l’acqua inizia il suo moto di filtrazione.
Per lo studio di tale moto, si assume valida l’ipotesi di Darcy, ossia che la velocità dell’acqua V sia legata alla cadente piezometrica J tramite un coefficiente f, definito coefficiente di permeabilità.

• per le argille f = 10^-9 ÷ 10^-6 cm/s
• per le sabbie medie f = 10^-6 ÷ 10^-3
• per le ghiaie medie f = 10^-3 ÷ 10^-1
• per le ghiaie grosse f = 1 ÷ 10

Pozzo in falda freatica

ρ: raggio del pozzo
h₀: profondità dell’acqua nel pozzo
f: coefficiente di permeabilità
H: profondità della falda indisturbata
R: raggio d’influenza del pozzo, ossia distanza alla quale la superficie della falda si raccorda a quella indisturbata durante il funzionamento del pozzo a regime

Pozzo in falda artesiana

ρ: raggio del pozzo
e: potenza della falda
f: coefficiente di permeabilità
H₀: profondità dell’acqua nel pozzo
H: profondità della falda indisturbata
R: raggio d’influenza del pozzo, ossia distanza alla quale la superficie della falda si raccorda a quella indisturbata durante il funzionamento del pozzo a regime

Pozzo in falda artesiana (segue)

In tal caso, la relazione tra Q e δ risulta lineare. E’ utile aggiungere che, pur mantenendo basse le velocità dell’acqua nello strato filtrante, la portata totale emunta genera delle perdite di carico nel pozzo, per cui il valore di δ aumenta progressivamente. Di conseguenza la curva Q = f(δ) assume gli andamenti tratteggiati in figura, per cui nella realtà la differenza di comportamento tra pozzo artesiano (andamento lineare) e pozzo freatico (andamento curvilineo) è spesso mascherata dalla presenza delle perdite di carico nella canna del pozzo.

Galleria filtrante

Nell’emungimento di una falda, in quiete e molto estesa, a mezzo di un pozzo il fenomeno presenta caratteri di simmetria rispetto all’asse del pozzo.
Nel caso di una galleria filtrante, invece, l’opera è immersa nella falda e caratterizzata da una certa lunghezza. In genere, la funzione Q(δ) viene dedotta per via sperimentale.

Caso semplice: galleria filtrante ad asse rettilineo, poggiante sul piano impermeabile orizzontale di una falda indefinita di piccolo spessore ed inizialmente in quiete.

Prescindendo dai tratti estremi, si potrà assumere l’ipotesi di moto piano per i piani verticali perpendicolari all’asse della galleria. Supporremo, inoltre, che la depressione δ non sia notevole e che con buona approssimazione si possano considerare le superfici isopieziche piane e verticali e, di conseguenza, i vettori velocità di filtrazione orizzontali e normali al piano verticale che contiene l’asse della galleria.

Galleria filtrante (segue)

Per una generica isopiezica, AB, di altezza h e larghezza unitaria, si ha: vedi figura 2.

Ammettendo che, a distanza finita L, le depressioni della falda siano tanto piccole da potersi trascurare, si avrà: vedi figura 3.

Well Points

Indichiamo con:
d: massima distanza dall’asse del well point del perimetro della zona da prosciugare
Δ: depressione minima che si vuole provocare

Ipotesi: la falda, inizialmente stagnante, è alimentata tutt’intorno a distanza R da un serbatoio di capacità infinita a livello costante H.

Costruzione dei pozzi (segue)

La più antica tecnica costruttiva è quella dei pozzi in falda freatica, realizzati mediante un anello, del diametro di qualche metro, in pietra o mattoni, di cui si provoca il progressivo affondamento scavando all’interno della muratura e sotto il perimetro della muratura stessa (pozzo auto affondante). Man mano che la muratura affonda, si procede a costruire gli strati superiori.

Con tale tecnica si raggiungono ordinariamente profondità di 10÷15 m (ma sono stati costruiti anche pozzi profondi fino a 50÷60 m) e si emungono portate da pochi m³/h fino a 10÷15 m³/h.

L’acqua da tali pozzi veniva attinta mediante secchi mentre oggi l’attingimento viene effettuato tramite gruppi di sollevamento.

Costruzione dei pozzi (segue)

Pozzi più profondi vengono realizzati tramite perforazione. Il tipo di perforazione più semplice, con la quale si raggiungono anche profondità di alcune centinaia di metri, è quello attuato mediante sonde a percussione.

La sonda è costituita da un cilindro in acciaio munito inferiormente di bordo tagliente e di una valvola.

La sonda viene sollevata per alcuni metri e poi lasciata cadere; il bordo tagliente, quindi, penetra nel terreno che rimane all’interno della sonda stessa grazie alla presenza della valvola sul fondo.

Quando si incontrano materiali più duri è necessario utilizzare mezzi più pesanti. La sonda non è più cava, presenta un tagliente inferiore a forma di scalpello e raggiunge un peso anche di due tonnellate. Per allontanare i detriti si sostituisce periodicamente lo scalpello ad una cucchiaia.

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

Costruzione dei pozzi (segue)

Con la perforazione a percussione si ottengono fori di diametro sino ad 800 mm. Se, però, si attraversano strati di terreni incoerenti, occorre evitare i franamenti interni, calando nel foro una camicia o colonna di protezione, costituita da tratti tubolari giuntati a manicotto. Questa tubazione, per effetto del peso proprio, scivola verso il basso arrestandosi, dopo alcune decine di metri, a causa dell’attrito laterale. A questo punto la perforazione deve procedere con un diametro più piccolo in modo da poter inserire la colonna di protezione co-assialmente alla prima.

Costruzione dei pozzi (segue)

Terminata la perforazione, nel pozzo viene calata la colonna d’esercizio, che è costituita da elementi tubolari in acciaio, saldati di testa, e di diametro inferiore al più piccolo diametro della colonna di lavoro.

In corrispondenza degli strati acquiferi, la tubazione presenta delle feritoie, larghe alcuni millimetri ed alte alcuni centimetri. In tal modo, le velocità previste per la portata di esercizio non superano i 20÷30 cm/s.

L’intercapedine tra colonna di lavoro e colonna di esercizio avrà uno spessore tra i 10 ed i 15 cm e sarà riempita con brecciolino o ghiaia di pezzatura compresa tra 5 e 10 cm. Questo brecciolino costituisce il filtro, cioè lo strato che trattiene le particelle solide trascinate dalla corrente liquida.

Al di sopra ed al di sotto dello strato filtrante, l’intercapedine è riempita da conglomerato cementizio o da un tampone di argilla, in modo da evitare che le diverse falde vengano messe in comunicazione tra loro. Questo è particolarmente importante quando si deve emungere acqua potabile da una falda artesiana, perché di solito la falda freatica è inquinata.

Costruzione dei pozzi (segue)

Posta in opera la colonna di esercizio, il brecciolino e l’eventuale tampone, la colonna di lavoro può essere rimossa, sollevandola per tratti.

Costruzione dei pozzi (segue)

Se si deve trivellare un pozzo in terreni completamente rocciosi non è possibile adottare il metodo a percussione. Si usa in tal caso una sonda a rotazione munita in testa di una corona di scalpelli in acciaio speciale che tagliano la roccia con moto rotatorio.
In alternativa agli scalpelli, possono usarsi dei rulli dentati che disgregano la roccia.
Occorre garantire, inoltre, l’affondamento verticale, ottenuto imprimendo un moto rotatorio ad una piattaforma rotante. Naturalmente, trattandosi di rocce, non esiste il problema del franamento e, quindi, della colonna di lavoro, il diametro della perforazione può perciò rimanere costante. Sorge, invece, il problema dell’eliminazione dei detriti, risolto mediante circolazione d’acqua messa in pressione al livello della testa ruotante mediante apposita tubazione.
In questi ultimi anni si è diffusa la tecnica della circolazione inversa, che consiste nell’aspirare l’acqua, invece, di immetterla in pressione. Lo scalpello mobile ha forma anulare e scorre verticalmente attorno alla tubazione di aspirazione; l’acqua viene immessa dall’alto nella zona anulare. Con questa tecnica non è necessaria la colonna di lavoro perché il diametro della perforazione è maggiore, consentendo una costruzione più rapida, a discapito,però, di maggiori costi per i filtri ed i tamponamenti. I detriti vengono, quindi, trascinati nella corrente in salita a forte velocità. Si possono così realizzare pozzi fino a 200 m di profondità ed emungere portate dell’ordine di 300÷500 m³/h.

Costruzione dei pozzi (segue)

In terreni ghiaiosi si usano oggi anche pozzi a raggiera, costituiti da una camera cilindrica in cemento del diametro di alcuni metri dalla quale vengono infissi a raggiera nel terreno circostante tubi forati orizzontali del diametro di 150÷200 mm. Si possono così emungere portate anche di 1000 m³/h.

A livello del terreno viene poi costruita una cameretta in muratura detta avampozzo. La tendenza attuale è di costruire l’avampozzo interrato. Dal fondo di esso parte verso il basso la colonna di esercizio.