Maurizio Giugni » 2.Impianti regolati e non regolati per l'utilizzazione delle acque superficiali

Impianti a deflusso

Le traverse sono opere di derivazione da corsi d’acqua che fissano l’alveo e le sponde, con lo scopo prevalente di rialzare il livello idrico a monte per un’altezza limitata e senza proporsi la creazione di un invaso utile alla regolazione dei deflussi.
Le traverse hanno in generale asse rettilineo, disposto normalmente a quello del corso d’acqua, in una zona nella quale questo presenti moderata o nulla curvatura planimetrica.
L’obiettivo prevalente, come già precisato, è di rialzare i livelli idrici a monte per alimentare in modo efficiente le luci di presa, con esercizio continuo o periodico, a copertura di fabbisogni corrispondenti a diverse utilizzazioni (irrigazioni, acquedotti, produzione di energia), e rilasciare in alveo la risorsa non utilizzata, tenendo comunque ben presente l’esigenza del Deflusso Minimo Vitale.

Impianti a deflusso (segue)

La presa P, costituita da una o più luci, è realizzata in fregio alla sponda fluviale, protetta da griglie e controllata da paratoie. Le luci di presa sono seguite dalle opere di sghiaiamento S e dissabbiamento D, di sfioro delle portate eccedenti, accidentalmente o casualmente immesse nel sistema, ed infine dal complesso delle opere concernenti l’utilizzazione U.
L’innalzamento della superficie libera può essere conseguito con strutture fisse o mobili. Queste ultime sono realizzata da una o più luci munite di organi di chiusura, le paratoie, che vengono sollevate o abbattute in concomitanza della piena.

Impianti a deflusso: opere di presa

Compito delle opere di presa è la regolazione della portata derivata e l’eliminazione (o almeno la riduzione) del trasporto solido grossolano.
Le luci di presa sono munite di:

• griglie, per l’intercettazione del materiale galleggiante
• paratoie, per il controllo e la regolazione della portata derivata
• callone, per la rimozione del materiale sedimentato a monte della traversa
• sghiaiatore esterno, per l’intercettazione e l’allontanamento del materiale trasportato sul fondo

Impianti a deflusso: opere di chiarificazione

A valle delle opere di presa sono presenti dispositivi di chiarificazione, in genere distinti in:

• sghiaiatori, relativi ai materiali più grossolani
• dissabbiatori, relativi ai amateriali più sottili trasportati in sospensione

Quasi sempre tali bacini sono preceduti da una seconda serie di griglie più fini; spesso, oltre agli scarichi di fondo per lo spurgo del materiale depositato, sono muniti di scarichi superficiali per smaltire a valle della traversa le portata derivate in eccesso.
Il bacino di sedimentazione termina all’incile del canale di adduzione, attraverso un secondo ordine di paratoie (di regolazione) e spesso anche di griglie.

Impianti a deflusso: traverse fisse

Sono strutture semplici e meno costose delle traverse mobili ma, di contro, non consentono una regolazione del livello idrico a monte. Inoltre tendono ad accumulare sedimenti a monte della soglia di sfioro, per cui si realizzano nei pressi dell’opera di presa uno o più sghiaiatori, o calloni,
muniti di paratoie al fine di rimuovere i depositi dall’area antistante le luci di presa. Planimetricamente le traverse fisse vengono ubicate con asse rettilineo e perpendicolare al corso d’acqua in punti dove questo consente uno sviluppo dell’opera più corto ed economico.
Nota la portata di piena Q e la lunghezza L della traversa, è immediato determinare l’altezza di sfioro sulla soglia h₀ mediante la classica formula della foronomia (luci a stramazzo), assumendo per il coefficiente di efflusso μ, per soglie sagomate come appresso specificato, un valore dell’ordine di 0.45÷0.48:

Impianti a deflusso: traverse fisse (segue)

La cresta ed il paramento di valle della traversa sono sagomati secondo il profilo inferiore di una lama d’acqua fluente da uno stramazzo Bazin in parete sottile (figura a).
A seguito di questa considerazione Creager e Scimemi proposero di sagomare il profilo della cresta e del paramento di valle mediante una curva di equazione pressappoco coincidente, in modo da assicurare l’aderenza della vena effluente alla superficie senza problemi di distacco, causa di depressioni locali (figura b).
Assunto come unità il carico fondamentale h0, le coordinate X ed Y sono fornite dalla equazione seguente:

Impianti a deflusso: traverse fisse (segue)

La realizzazione di una traversa altera la condizione di moto ed il profilo della superficie libera causando, verso monte, un profilo di rigurgito tipico della condizione primitiva della corrente (lenta o veloce). A valle della traversa la condizione idraulica di passaggio della corrente da veloce a lenta darà luogo alla formazione di un risalto idraulico con conseguenti fenomeni erosivi in alveo. Sarà, quindi, necessario prevedere un’opera di dissipazione, determinando la lunghezza L della platea del dissipatore (con eventuali dispositivi accessori di dissipazione) per prevenire lo scalzamento dell’opera e ripristinare le condizioni energetiche della corrente a valle.

Impianti a deflusso: traverse fisse (segue)

L’alveo fluviale presenta quasi sempre caratteri di notevole permeabilità, ed è, quindi, sede di moti di filtrazione innescati dalla differenza Δh tra i livelli idrici a monte e valle della traversa. In relazione al tipo ed alla granulometria del materiale interessato, può avvenire che il moto di filtrazione sia caratterizzato da velocità eccessive, con trasporto di materiale e sifonamento dell’opera.
Occorre, quindi, anzitutto procedere al tracciamento del reticolo idrodinamico della porzione di subalveo interessata, valutando i valori delle velocità di filtrazione ed individuando le zone in cui potrà iniziare l’asportazione dei granuli più minuti di materiale.
Qualora dovessero temersi fenomeni di sifonamento, si dovrà ricorrere ad opportune opere di presidio (palancole, diaframmi, taglioni), in modo da allungare il percorso delle particelle idriche nel subalveo (e quindi, a parità di dislivello Δh, da diminuire la velocità) o da intercettare totalmente il deflusso.

Impianti a deflusso: traverse fisse (segue)

Per dimensionare speditivamente le opere di presidio in modo che il percorso di filtrazione più pericoloso risulti sufficientemente lungo si può fare uso di formule pratiche, la più nota delle quali è la regola di Bligh e Lane:

in cui:
L: lunghezza della parte del contorno delle fondazioni immerse nell’ammasso filtrante;
Δh: dislivello idrico tra gli estremi del suddetto percorso;
R_s: coefficiente empirico, detto rapporto di scorrimento, i cui valori variano in funzione delle caratteristiche del terreno (cfr. tabella).

Impianti a deflusso: traverse fisse (segue)

Lane (1935), ritenendo che il percorso più critico sia quello di contatto tra la struttura e il terreno, ha proposto di assumere per i tratti con pendenza inferiore a 45° una resistenza al moto pari a un terzo di quella dei tratti con pendenza superiore a 45°, che si muovono in direzione ortogonale agli strati, incontrando quindi una permeabilità efficace minore. Il rapporto di scorrimento di sicurezza risulta:

in cui L_o e L_v rappresentano rispettivamente la lunghezza dei tratti con pendenza inferiore e superiore a 45°.

Impianti a deflusso: traverse mobili (segue)

Paratoie piane
Di larghissimo impiego e con campi di dimensioni molto variabili, le paratoie piane presentano uno scudo piano irrigidito da una struttura longitudinale che trasmette le spinte sugli appoggi alloggiati entro scanalature delle pile detti gargami. L’apertura della paratoia avviene per sollevamento e conseguente strisciamento di questa lungo i gargami. Quando lo scudo assume dimensioni medio-grandi per vincere l’attrito sui gargami si adottano dispositivi di appoggio a rulli ed a ruota. Le massime luci raggiungibili con paratoie piane sono dell’ordine di 40 m; le ritenute più alte (non concomitanti con le massime luci) superano i 15 m.

Impianti a deflusso: traverse mobili (segue)

Paratoie cilindriche
Le paratoie cilindriche sono costituite da cilindri metallici liberi di rotolare su guide metalliche, o binari, poste sulle pile. Data l’elevata rigidità della struttura sia flessionale che torsionale queste paratoie sono utilizzate per la regolazione di grandi luci con tiro solo da un’estremità. In alcuni tipi, dispositivi mobili (detti scudi) consentono sia la tracimazione che il deflusso al di sotto. Per resistere alle sollecitazioni ed alle vibrazioni gli scudi sono opportunamente armati con strutture di rinforzo.
Date le notevoli luci raggiungibili, per queste paratoie assumono particolare importanza le azioni termiche, che potrebbero dar luogo a fenomeni d’ingobbimento delle superfici cilindriche con conseguenti difetti di tenuta e manovrabilità.

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Paratoie a settore
Sono realizzate con manto conformato a tegolo cilindrico rinforzato e sostenuto da travature o bracci di estremità generalmente reticolari.
I bracci ruotano su perni bloccati sulle pile ed hanno asse coincidente con il centro di curvatura del manto; in questo modo la risultante delle pressioni passa per l’asse di rotazione e, pertanto, lo sforzo di sollevamento sarà somma di parte del peso proprio, dell’attrito nei perni e dei dispositivi di tenuta. Il sollevamento è demandato a funi o catene, trainate da motori elettrici posti sulla sommità delle pile; per diminuire gli sforzi di trazione e favorire il sollevamento, sul prolungamento dei bracci vengono collocati dei contrappesi. Tale paratoia, che trova applicazione per luci massime dell’ordine di 40 m ed altezze di ritenuta di 6 |8 m, presenta l’interessante possibilità di rendere il funzionamento automatico, ossia di consentire l’apertura della paratoia stessa non appena il livello idrico in alveo superi una quota prefissata.

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Paratoie a ventola
Le paratoie a ventola sono realizzate con strutture metalliche piane, dette appunto ventole, incernierate lungo il bordo inferiore. L’appoggio a cerniera, da realizzarsi lungo tutto il piede della paratoia, costituisce un punto particolarmente delicato, essendo realizzato a diretto contatto con l’acqua. Le ventole sono mantenute nella posizione di ritenuta, con paramento inclinato verso valle, o dall’azione di bilancieri muniti da un lato di contrappesi e dall’altro di aste solidali alla paratoie o da pistoni idraulici che, in posizione di riposo, sono alloggiati in una camera sottostante la ventola. Le prime consentono un automatismo di funzionamento legato al superamento di un prestabilito livello idrico a monte. Le luci massime sono dell’ordine di 15 m e le massime ritenute di 5 |6 m.

Impianti a deflusso: traverse mobili (segue)

Paratoie composte
Le paratoie piane, a segmento e cilindriche hanno generalmente lo svantaggio che possono permettere il
passaggio dell’acqua solo alzandosi. Ciò comporta alcuni inconvenienti:
a) le piccole piene possono essere evacuate solo sotto battente (per le grandi piene, le paratoie vengono completamente alzate); in queste condizioni l’efflusso avviene con forte pressione e velocità elevate, con conseguenti vibrazioni, scuotimenti ed eventualmente danni alla paratoia ed alla platea
b) occorre alzare completamente la paratoia per smaltire le sostanze galleggianti accumulate dalla corrente a monte di essa e, nei fiumi in climi rigidi, per eliminare il ghiaccio che si forma a ridosso dello sbarramento

Impianti a deflusso: traverse mobili (segue)

Paratoie composte

A questi inconvenienti si può ovviare con l’impiego di paratoie composte, costituite da un elemento inferiore, formato da una paratoia piana, a settore o cilindrica, e da un elemento superiore, che può venire abbassato per smaltire le piccole piene e per eliminare le sostanze galleggianti e i ghiacci. Questo elemento può essere piano nelle paratoie piane, a settore in quelle a settore e a ventola in tutti e tre i tipi. Le paratoie composte più comunemente usate sono perciò: piana su piana, ventola su piana, settore su settore, ventola su settore, ventola su cilindrica.
Le paratoie composte piana su piana sono tra le più diffuse.

Impianti a deflusso

La curva delle durate delle portate e la curva delle portate medie utilizzabili
La progettazione di un impianto a deflusso si basa sulla conoscenza di una serie di portate, osservate per un periodo abbastanza lungo (per 20 o 30 anni, per esempio) da permettere di fare affidamento sui risultati delle elaborazioni. Le portate osservate naturalmente variano da un giorno all’altro, tra un massimo e un minimo. Si pone dunque il problema di scegliere la portata per cui dimensionare l’impianto. Se si sceglie la portata minima, si può essere sicuri (nei limiti in cui il passato si può ritenere un’affidabile descrizione del futuro) che l’impianto funzionerà sempre a piena potenza; ma anche che una considerevole quantità d’acqua resterà inutilizzata. Se si sceglie la portata massima, si può essere sicuri che non ci sarà acqua inutilizzata; ma anche che l’impianto funzionerà quasi sempre a una portata molto più bassa di quella di
progetto. Per affrontare il problema si può fare riferimento alla curva delle durate delle portate. Ogni punto della curva
ha ordinata uguale a una certa portata q, compresa tra la portata minima q_min e la portata massima q_max osservate, e ascissa uguale al tempo t per cui la portata q è stata superata (al quale si dà appunto il nome di durata della portata q). La durata di una certa portata q è dunque compresa tra zero (durata di q_max) e T (durata di q_min, coincidente con la lunghezza dell’intero periodo considerato).

Impianti a deflusso (segue)

L’area sottesa dalla curva delle durate per un assegnato valore di portata q rappresenta l’aliquota del deflusso utilizzabile dall’impianto. Se consideriamo il valor medio della portata utilizzabile (rappresentato dalla portata qm che, moltiplicata per T, fornisce il deflusso utilizzabile), chiaramente la portata media utilizzabile è sempre minore della portata di dimensionamento q (le due portate in effetti sono uguali solo quando q coincide con la minima portata osservata). Riportando in corrispondenza di ogni tempo t la portata media utilizzabile da un impianto con portata q uguale a quella fornita, per lo stesso tempo t, dalla curva delle durate si ricava la curva delle portate medie utilizzabili. Le informazioni ottenute si possono raccogliere insieme in una sola curva, che fornisce le informazioni idrologiche essenziali per valutare le possibilità di utilizzazione e prende appunto il nome di caratteristica idrologica dell’utilizzazione. La curva si costruisce riportando in un diagramma, con le portate di dimensionamento dell’impianto q in ascisse e le portate medie utilizzabili q_m in ordinate, i valori di q e di q_m letti, rispettivamente, sulla curva delle durate e su quella delle portate medie utilizzabili.

Impianti a serbatoio (segue)

Determinazione del volume da assegnare all’invaso artificiale
Si fa riferimento all’andamento dei deflussi relativi ad un certo periodo d’osservazione T (portate medie mensili). Dato un istante generico t, cui corrisponde una portata Q, e l’istante successivo t+dt, l’area infinitesima (tratteggiata in figura) vale Qdt, e misura il volume idrico dW affluito all’invaso durante dt.
Il volume affluito all’invaso in un intervallo finito t₁-t₂ vale, quindi,

Integrando la curva della portate, si ottiene la curva integrale dei deflussi, la cui ordinata corrispondente all’ascissa t misura il volume idrico affluito dall’inizio del periodo di osservazione sino all’istante t.
Noto il volume complessivo W affluito all’invaso durante T, può calcolarsi il rapporto:
Q_m=W/T che rappresenta la portata media annua (modulo) del corso d’acqua, deducibile anche per via grafica (compenso) dalla curva delle portate.
Ovviamente nei periodi t₁-t₂ e t₃-t₄ la portata affluita è maggiore di Qm (invaso dei volumi V₂ e V₄), mentre è minore nei periodi 0-t₁, t₂-t₃ e t₄-t₅ (svaso dei volumi V₁, V₃ e V₅).

Impianti a serbatoio (segue)

Alla curva integrale dei deflussi (curva OPQR in figura) va ovviamente affiancata quella dei volumi derivati, rappresentata dalla retta OR, di coefficiente angolare pari al modulo (ovviamente la curva d’erogazione può essere diversa).
Se, parallelamente alla suddetta retta, tracciamo la più alta e la più bassa delle possibili tangenti alla curva dei volumi affluiti, il segmento verticale intercetto
W=V’ + V”
rappresenta il volume di serbatoio necessario per la regolazione.
Il punto Q individua l’istante di massimo invaso (lago pieno), il punto P quello di massimo svaso (lago vuoto).
Non è, però, detto che la capacità W così determinata possa essere conseguita, a causa di problemi di carattere topografico, o geologico-geotecnico o tecnico-economico.

Impianti a serbatoio (segue)

Detto allora V₁ il volume utile conseguibile per il quale vuole ricercarsi l’effetto regolatore, data la curva integrale dei deflussi (OPQR in figura), si tracci la curva O’P'Q’R', ottenuta da una traslazione della precedente pari appunto a V₁.
Una qualunque regolazione “contenuta” nella striscia di piano compresa tra le curve suddette è compatibile con la capacità dell’invaso. Esistono, quindi, infiniti regimi di derivazione possibili, che devono, però, soddisfare due condizioni:

• il diagramma delle erogazioni deve toccare tanto la OPQR quanto la O’P'Q’R', in quanto altrimenti il medesimo regime di erogazione potrebbe essere ottenuto con un volume minore di V₁;
• dovrà essere OA=RD (vedi figura), in modo da rispettare, nel periodo di funzionamento considerato, l’uguaglianza tra volumi affluiti all’invaso e volumi erogati.

La regola “del filo teso” consente di individuare la legge di erogazione meno discosta da una regolazione completa a portata costante.

Impianti a serbatoio (segue)

Dal diagramma è immediato non soltanto evincere il volume da assegnare all’invaso (pari a W_m) ma anche l’andamento dei volumi invasati.
b) S_N < O , ossia d_m < E

La regolazione è in tal caso fisicamente inaccettabile.

c) S_N > O , ossia d_m > E
Ciò significa che durante il periodo N non si utilizzerà acqua per un volume totale pari a S_N.
In quest’ultimo caso il periodo di osservazione andrà diviso in periodi di autosufficienza, nei quali la somma degli scarti positivi uguaglia quella degli scarti negativi: ad esempio, il volume W₃ consentirà di assicurare il periodo t₃.
La massima capacità tra queste, W_m, rappresenta il volume minimo per garantire l’erogazione E.
I periodi di autosufficienza sono intervallati da periodi in cui è sempre d_i > E, la cui differenza s_i si deve considerare perduta ai fini dell’erogazione e la cui somma è pari ad S_N.

Impianti a serbatoio (segue)

Assunti una serie di valori di E ed individuati i corrispondenti valori di W, la curva corrispondente (curva di possibilità di regolazione) fornisce la legge di dipendenza tra la richiesta E e la capacità d’invaso corrispondente.
Le curve di possibilità di regolazione assumono un andamento caratteristico, con pendenze rispetto all’asse delle ascisse che tendono a diminuire al crescere di E.
In figura è rappresentata la curva di possibilità di regolazione per un invaso pluriuso (uso potabile ed industriale), calcolata facendo riferimento ai deflussi annui disponibili, in media, almeno una volta ogni cinque anni (considerando, quindi, un rischio di deficit pari al 20%, corrispondente ad un periodo di ritorno
di 5 anni).

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Interrimento
Un limite importante all’utilizzazione di un serbatoio può essere costituito dall’interrimento, cioè dal deposito
di sedimenti. Il volume di sedimento annualmente trasportato dall’acqua nel serbatoio può essere
dell’ordine di 200|400 m³/(anno*km² di bacino imbrifero).
Metodologie di difesa dall’interrimento
Difesa attiva
a) Riduzione della produzione e del trasporto di sedimenti nel bacino idrografico (sistemazioni agro- forestali ed idraulico-forestali)
b) Intercettazione del trasporto solido a monte dell’invaso (bacini di trattenuta)
c) Controllo della sedimentazione mediante manovre degli scarichi di fondo (rilascio a valle della diga di acqua carica di particelle sospese, prima che inizi il processo di sedimentazione)
Difesa passiva
a) Flushing (apertura periodica degli scarichi di fondo in assenza di eventi di piena in atto)
b) Rimozione dal serbatoio, mediante scavo con mezzi meccanici, dragaggio o idrosuzione