Fognatura – Progetto di una piccola rete di fognatura

Fognatura

Progettare la rete di fognatura, del tipo unitario, per la località riportata nello schema di Figura 1. Sono date le espressioni della curva di possibilità pluviometrica, per precipitazioni rilevate in un pe-riodo di osservazione di 50 anni, con tempo di ritorno T=15 anni :
h = 34 t ^0,45 per durate t < 1 ora e h = 34 t ^0,28 per 1 < t < 24 ore .
La dotazione idropotabile del giorno dei massimi consumi è di 250 l/ab*giorno

Figura. 1 – Planimetria

Dimensioni commerciali degli spechi utilizzabili :

Escludendo il funzionamento in pressione, i condotti di fognatura si calcolano come canali a superficie
libera in regime di moto uniforme. La determinazione dei parametri idraulici viene effettuata utilizzando
la formula di Chézy, assumendo per ჯ la formula di Manning-Strickler, introducendo valori del
coefficiente di scabrezza tipici per il materiale usato :

Di seguito sono riportati, in modo tabellare, i dati elaborati per la verifica idraulica degli spechi, con
l’ausilio delle tabelle dei parametri geometrici delle sezioni circolare e ovoidale inglese, tratte dal
manuale Colombo. Il grado di riempimento massimo è stato fissato in : GR ≤ 60 % per spechi
circolari e GR ≤ 70 % per spechi ovoidali. In considerazione dei materiali utilizzati per le tubazioni
possono essere accettati valori massimi di velocità ≤ 5 m/s per tubazioni in Gres e PVC e ≤ 4 m/s
per tubi ovoidali.
Nelle seguenti Figure 2 e 3 sono raffigurate le scale di deflusso di spechi circolari e semiovoidali con
evidenziata in rosso la condizione di grado riempimento massimo .

Le portate nere o fecali

Nota la dotazione idrica del giorno dei maggiori consumi d [l/ab * giorno] e determinato il numero
N di abitanti da servire con la rete di fognatura, il valore massimo della portata fecale risulta

Utilizzando i dati di Tabella I vengono definiti gli abitanti afferenti ad ogni zona e le relative portate
nere

portate bianche o di pioggia

La valutazione della portata massima, o di picco, viene effettuata con riferimento alla formula

con h/t_c, intensità della pioggia (mm/ora) di durata pari al tempo di corrivazione t_c(ore) del bacino
e ⴔ coefficiente di afflusso ( Tabella III) , A superficie del bacino in ha

I valori della precedente tabella vengono applicati alle singole superfici scolanti omogenee ; nel caso
in cui nell’ambito di uno stesso bacino siano presenti due o più sottozone omogenee, si determina il
valore medio ⴔ ‘ , ragguagliato all’area A_t dell’intero bacino, come media ponderata dei singoli valori
di ⴔ i delle rispettive superfici A_i

Nella Figura 2 è riprodotto lo schema della rete di fognatura ; nella Tabella IV sono riportati i dati
relativi dei singoli collettori e dei sottobacini afferenti.

Ricordato che Il tempo di corrivazione t_c
per i tronchi iniziali t_c = t_o + L/V
° t_o, tempo di ruscellamento, assunto 5 minuti
° tempo di vettoriamento entro il tratto di canalizzazione lungo L percorso in condizioni di moto
uniforme dalla portata Q con velocità media V.
per i tronchi seguenti t_c = ꚍ_m + L/V
° ꚍ_m valore massimo dei tempi di corrivazione dei tronchi a monte.
Dimensionamento degli spechi
Nella seguente Tabella V sono riportati i dati relativi alla determinazione della portata di pioggia Q_p,
di primo tentativo, afferente ad ogni collettore nella sezione di chiusura del sottobacino tributario.

Nota :

per i collettori 3.4.5. e 5.6.7. i tempi di corrivazione, essendo tronchi seguenti, sono t_c = ꚍ_m+ L/V.

Nella Tabella VI sono riassunti i dati caratteristici di ogni collettore e le dimensioni geometriche
degli spechi utilizzati e da verificare idraulicamente :

Il collettore in esame smaltisce una portata massima di 0,683 m³/s (< 0,7149) con un grado di
riempimento prossimo al 60% ed una velocità reale di 3,85 m/s, valore molto diverso dalla velocità
fittizia di scorrimento V_f = 1,4 m/s di primo tentativo. Posto pertanto V_f = 3,6 m/s, valore accettabile
per il tipo di materiale adottato, varieranno i valori di t_c , h_max, i_max, Q_p ed infine Q_t . Con questo
ultimo valore si verifica uno speco ovoidale 60*90 con raggio r=0,30 m

Il Collettore 1, così come modificato, risulta verificato

Collettore 2

Lo speco è sottodimensionato

Il Collettore 2 risulta verificato da uno speco ovoidale delle dimensioni 70*105 cm, con grado di
riempimento GR = 73% e velocità V = 2,7 m/s

Collettore 3

La sezione ipotizzata è insufficiente ed il valore della velocità risulta troppo elevato, pertanto si prevede
un abbassamento della pendenza di fondo dallo 0,035 allo 0,01 , da recuperare con l’introduzione
di salti di fondo, mentre il valore della V_f di secondo tentativo è elevato a 3,4 m/s .

Collettore 4

Occorre aumentare la dimensione dello speco e correggere il valore della V_f

Collettore 5

Il Collettore 5, pur risultando verificato il GR < 70%, ha un valore della velocità troppo elevato,
pertanto si prevede un abbassamento della pendenza di fondo dallo 0,035 allo 0,012 , da recuperare
con l’introduzione di salti di fondo. Il valore delle V_f di secondo tentativo è fissato a 3,6 m/s .

dopo il cambiamento di pendenza lo speco è insufficiente e pertanto va ampliato

Collettore 6

Il valore della velocità risulta troppo elevato, pertanto si prevede un abbassamento della pendenza di fondo dallo 0,045 allo 0,02 , da recuperare con l’introduzione di salti di fondo. Il valore delle V_f di secondo tentativo è fissato a 4,0 m/s .

Collettore 3.4.5

Occorre aumentare la dimensione dello speco e correggere il valore della V_f

Collettore 5.6.7

Non risulta verificato il GR > 70% ed il valore della velocità risulta troppo elevato, pertanto si prevede un abbassamento delle pendenza di fondo dallo 0,01 allo 0,006 , da recuperare con l’introduzione di salti di fondo.
Il valore delle V_f di secondo tentativo è fissato a 3,5 m/s ed
infine, non disponendo di sezioni ovoidali maggiori occorre assumere come sezione uno speco rettangolare b=120 cm ed h=160 cm e verificarne la sufficienza attraverso la costruzione della scala di deflusso

Terminato il dimensionamento, si riassumono nella seguente Tabella VII le tipologie e le dimensioni degli spechi

Verifica in regime di stagione secca

Nelle fognature a sistema misto, come in questo caso di studio, una volta dimensionati gli spechi per
il massimo evento pluviometrico, correlato al tempo di ritorno di progetto, si devono verificare le
velocità minime allorché nella fognatura sia presente la sola portata nera o parte di essa, che,
essendo in quantità centinaia di volte minore a quella pluviale, occupa una minima parte della sezione
e per tiranti idrici limitati potrebbero presentarsi valori di velocità molto bassi tanto da consentire
la sedimentazione dei liquami, con conseguenti fenomeni di putrefazione che originano la produzione
di idrogeno solforato.
Questa circostanza, noti gli effetti estremamente dannosi per la stabilità della canalizzazione, deve
essere evitata e, lì dove le velocità dovessero risultare basse, occorrerà inserire opportuni pozzetti
di lavaggio.
A titolo di esempio si prendono in esame due collettori, il Collettore 2 con speco ovoidale W 70105 e portata nera Q_max= 0,0005 m³/s ed il Collettore 3 con speco ovoidale W 90135 e portata nera
Q_max= 0,0036 m³/s.
Per quanto disposto dalla Circolare del Ministero dei Lavori Pubblici n. 11633, la velocità minima
v_min= 0,50 m/s viene riferita alla portata nera media giornaliera rispettivamente : Q= 0,00025
m³/s e Q= 0,0018 m³/s.

Collettore C2 : si utilizza la parte alta della Tabella di Figura 3 e si rileva alla portata di verifica un
valore di velocità V = 0,3 m/s al disotto del limite minimo consentito e, pertanto, è necessario
introdurre un pozzetto di lavaggio di testata

Collettore C3 : si rileva alla portata di verifica un valore di velocità V = 0,6 m/s valore accettabile
per l’autolavaggio.

Il metodo del volume d’invaso o del coefficiente udometrico

Il metodo tiene presente, nella trasformazione afflussi-deflussi, del principio della conservazione
della massa. Correntemente viene utilizzato il Metodo diretto o del Coefficiente Udometrico basato
sulla ricerca di una portata massima Q tra tutte quelle per le quali è possibile un’eguaglianza tra
durate ammissibili e durate possibili, in relazione alla curva di possibilità pluviometrica adottata.

La formulazione classica è espressa dalla relazione:

° u = Q/A, coefficiente udometrico
° a espresso in [m/ora]^IV
° w = V/A → W = invaso specifico [m]
V , in questa formula, rappresenta il volume idrico totale invasato dal bacino scolante di area A.
E’ costituito, pertanto, dalla somma:
° del volume v₁ invasato dalle canalizzazioni della rete di fognatura;

Per i tronchi estremi si ha: v₁ = ꭥ₁ x L₁
con L₁, lunghezza del tronco ed ꭥ₁ , massimo valore dell’area bagnata in funzione della forma e
del correlato grado di riempimento Gr.

Per gli altri tronchi della rete v_i si calcola, nel rispetto dell’ipotesi del funzionamento sincrono ,
con la relazione:

° del volume v₂invasato nelle grondaie, nelle caditoie, nelle cunette stradali, nei pozzetti, nei
fognoli di allacciamento privati, ecc.; necessita conoscere nel dettaglio il sistema elementare di
raccolta e convogliamento delle acque di pioggia, unitamente alla tipologia e numero delle grondaie,
dei pozzetti, delle caditoie, e di tutti gli altri elementi costituenti la rete non tenuti in conto
nel calcolo di v₁. Per v₂ può darsi un valore approssimativo^V di 5÷10 m³/ha
° del volume v₃costituente il velo idrico superficiale: per aree urbanizzate pianeggianti, a veli
idrici di spessore compreso tra 5 mm e 6 mm, equivalenti a 50 m³/ha e 60 m³/ha, e per aree
urbanizzate caratterizzate da clivometria accentuata, a veli idrici di spessore compreso tra 3 mm
e 4 mm, equivalenti a 30 m³/ha e 40 m³/ha.

Procedimento analitico

Applicando l’equazione si determina un primo valore del coefficiente udometrico
u’ con il quale è possibile stimare la correlata portata Q’= u’A ; nota questa, si procede alla

^IV h=a tⁿ h [mm] a [mm ora^-1] h=a/1000* tⁿ h [m] a [m ora^-1]
^V funzione della densità di pozzetti di ispezione nella rete

verifica della sezione dello speco ꭥ_inei confronti sia della forma e sia del grado di riempimento
assunto nel predimensionamento iniziale.
Nell’ipotesi che la sezione ꭥ_i non sia verificata, occorrerà definire una nuova sezione ꭥ_i
che, variando solo il valore di v₁, ridefinirà un w’ ed infine un nuovo valore del coefficiente udometrico u”.
Il problema è risolto quando i valori dei coefficienti udometrici di due successive iterazioni risultano
pressoché coincidenti (scarto <2%) .

Metodo del Volume d’invaso

Si prende in esame un bacino planimetricamente identico al caso di studio precedente ma con pendenze
dei vari tronchi di fognatura caratterizzati da pendenze meno acclivi e, pertanto, da giustificare
l’utilizzo del metodo del volume di invaso.

Ricordato che il metodo è di verifica, occorre preliminarmente pre-dimensionare la rete in modo da
poter definire un primo valore del volume v₁invasato gli spechi :

Riscritta la relazione: riuniti i termini costanti con
, dove a è espresso in [m/ora],

Nella seguente tabella sono riportati tutti gli elementi necessari per la determinazione del coefficiente
udometrico di primo tentativo u’ , secondo l’espressione [a]

assumendo : v2 = 5 m³/ha
v3 = 30 m³/ha per le aree pavimentate v₃ = 80 m³/ha per le aree a verde.
Noti i valori di u’, dei singoli sottobacini tributari, si determinano i valori delle portate Q con le quali
verificare le dimensioni degli spechi, che in via del tutto preliminare e per mera comodità didattica
assumeremo uguali a quelle dimensionate con il precedente metodo, mentre le pendenze dei collettori
saranno quelle iniziali

Tabella 1

Dal primo confronto tra le portate stimate Qpiena e quelle massime Qmax esitabili dalle sezioni di
pre dimensionamento si evince la sufficienza dei soli collettori 4 e 6 . Nelle successive Tabelle verrà
comunque verificato ogni singolo collettore partendo dalla condizione iniziale di pre dimensionamento