RELAZIONE IDRAULICA. 1. Generalità Livelli di navigazione... 4

Transcript

1

2 RELAZIONE IDRAULICA Indice: 1. Generalità Livelli di navigazione Sistema di alimentazione della conca Fase transitoria (riempimento/svuotamento) Risultati dei calcoli idraulici e conclusioni

3 1. Generalità La presente relazione tratta gli aspetti idrometrici e idraulici connessi alla ristrutturazione della conca del Panperduto, necessaria al superamento dello sbarramento di regolazione della presa del Canale Villoresi e del Canale Industriale. La ristrutturazione della conca rientra nell ambito della realizzazione di una via navigabile lungo il primo tratto del Ticino, posto a valle del Lago Maggiore, in modo da assicurare il collegamento del lago all imbocco del Canale Industriale, posto in corrispondenza della Diga della Maddalena. Nel percorso da monte verso valle, per l accesso al Canale Industriale, è necessario transitare attraverso la diga di Panperduto, posta a valle dello sbarramento della Miorina e dell'impianto idroelettrico di Porto della Torre. La diga di Panperduto risulta già fornita di conca di navigazione; essa tuttavia, necessita di un intervento di ristrutturazione, essendo in cattivo stato di conservazione ed attualmente inadeguata ad assicurare il collegamento tra le zone di monte e di valle del Ticino. La conca della Diga del Panperduto è basata su un sistema di porte vinciane, movimentate attraverso un sistema a cremagliera (attualmente a mano, in progetto ne è prevista la motorizzazione) che consentono la risalita o, in alternativa, la discesa del corso 2

4 d acqua. Per la conca, essendo un manufatto esistente, ci si è limitati a rifunzionalizzare l opera esistente; di conseguenza, nelle valutazioni sul funzionamento idraulico della conca, ci si è attenuti alle condizioni geometriche al contorno. La conca presenta le seguenti caratteristiche principali: - lunghezza massima della conca: 33.5 m - larghezza massima della conca: 8.6 m (in corrispondenza delle porte) - larghezza sezione corrente della conca: 8.0 m - quota fondo soglia di monte : m s.l.m. - quota fondo soglia di valle : m s.l.m. - quota superiore pareti conca : m s.l.m. - quota intradosso ponticello : m s.l.m.. Come si può osservare, le dimensioni della conca consentono la navigazione solo per imbarcazioni di modeste dimensioni: è da escludersi la possibilità di transito della classica peniche o anche solo di imbarcazioni di I a classe secondo la classificazione C.E.M.T. (1992). Nel seguito, vengono riportate alcune valutazioni sulla idrometria dell opera di sbarramento, in relazione alle quote limite di navigazione ed alla morfologia della vasca. 3

5 2. Livelli di navigazione. L esercizio della conca è strettamente correlato con i livelli idrici del Ticino a monte ed a valle dello sbarramento in alveo: pertanto, ai fini della valutazione dei livelli di navigabilità della conca, è necessario far riferimento alle quote minime e massime che possono essere raggiunte dai livelli idrici del fiume. Per l individuazione dei livelli di navigabilità è necessario esaminare la possibilità di superamento di tali valori, cui è legata la possibilità di concreta fruizione della conca. A tal proposito occorre fare riferimento ai dati storici disponibili. I principali dati disponibili riportati su diagramma sono i seguenti: andamento temporale dei livelli idrici a monte ed a valle della conca della Diga del Panperduto, nel triennio ; curva di durata dei livelli idrici nel medesimo periodo. La massima portata derivabile attraverso l opera di presa del Villoresi, in base alla concessione assentita, è pari a 180 m 3 /s, di cui 60 m 3 /s alimentano il Canale Villoresi e 120 m 3 /s sono disponibili per il Canale Industriale. Il surplus di questa portata scavalca l incile dello sbarramento, o, se derivata attraverso l opera di presa, viene restituito nell alveo del Ticino attraverso l opera di sfioro posta a monte della Diga della Maddalena, da cui hanno inizio i due canali sopra citati. 4

6 L incile dello sbarramento del Panperduto è posto ad una quota di m s.l.m.; avendo installato un sistema idropneumatico di regolazione, la sommità può essere elevata sino alla quota m s.l.m., che rappresenta quindi la massima altezza di ritenuta della diga. Sulla scorta dei dati disponibili, si può osservare che - in condizioni di regime - la quota del corso d acqua a monte dello sbarramento, si mantiene circa pochi centimetri al di sotto di tale quota: in tali condizioni, la quota di m s.l.m. può essere considerato il livello idrico di riferimento a monte della conca. Nel bacino di distribuzione posto a valle dello sbarramento, il livello si mantiene cm al di sotto di tale valore ( q.ta m s.l.m.): in tale condizione, le paratoie dell opera di presa sono semichiuse, e la portata nel Ticino, che si aggira intorno ai 180 m 3 /s, transita interamente attraverso il bacino di alimentazione del Canale Villoresi e del Canale Industriale. Il livello idrico a monte della traversa, misurato in condizioni di magra, è pari a circa m s.l.m.: in tali condizioni, le paratoie restano completamente aperte e l opera di presa assorbe tutta la portata in arrivo (circa 90 m 3 /s): il dislivello tra i tiranti idrici di monte e valle si annulla. Il dato è confermato dalla magra eccezionale, verificatasi il 06/06/96, durante la quale il livello di monte raggiunse la quota di 185,49 m s.l.m.. In condizioni di piena eccezionale, il livello idrico riscontrato a monte della traversa (17/10/00), ha raggiunto la quota di m s.l.m., con una portata di 2480 m 3 /s. 5

7 Ciò premesso, la quota massima di navigazione prevista per la conca in esame è pari a m s.l.m.: tale quota comporta un franco di 50 cm rispetto alla sommità delle pareti della conca ed un passo di 3.0 mt rispetto al ponticello che sovrappassa il canale, il cui intradosso è posto circa a quota m s.l.m. (valore assunto considerando la particolare conformazione del ponticello). Dalla curva delle durate, si osserva che valori superiori alla quota di 187,00 m s.l.m., sono stati riscontrati per circa 60 giorni in un triennio, con una frequenza di apparizione pari al 5%. Alla massima quota di navigazione corrispondono portate nel Ticino dell ordine degli 850 m 3 /s. Pertanto, livelli idrici superiori a m slm, determinano portate intorno a 1000 m 3 /s : le elevate velocità della corrente associate a queste portate, nonché la vicinanza dello sbarramento, possono creare problemi di navigazione a conducenti poco esperti. Di conseguenza, il valore assunto come massima quota di navigazione, in realtà corrisponde a condizioni di ridotta utilizzazione della via navigabile e quindi della conca. La minima quota di navigazione viene fissata a pari m s.l.m., che determina un tirante idrico minimo pari a 1.85 m, ritenuto sufficiente per le imbarcazioni di ridotte dimensioni in transito attraverso il bacino di valle della conca. Dall esame della curva delle durate (a valle della conca), si osserva che la quota di 185,60 m s.l.m. è quasi coincidente con il minimo valore ( m s.l.m.) del livello idrico nel triennio , e viene superata nel corso di 45 eventi nel triennio, corrispondenti ad una frequenza di apparizione del 4%. 6

8 Peraltro, si evidenzia che tale livello minimo di navigazione, corrisponde ad una condizione di paratoie completamente aperte e quindi assenza di dislivello tra monte e valle della conca. Pertanto, le quote di navigazione assunte sono le seguenti: - quota di massima navigazione a monte = m s.l.m. - quota di minima navigazione a valle = m s.l.m. Con tali valori, il salto massimo teorico, calcolato come differenza fra le quote di massima e minima navigazione, è pari ad un valore di 1.40 m. Per quanto concerne le soglie dei canali di monte e di valle, saranno ripristinate le quote di fondo esistenti ( m s.l.m.), attraverso la pulizia del fondo, in modo da assicurare un tirante idrico minimo pari a 1.85 m. 7

9 FI UM E T I CI NO - M ONT E D I GA E BA CI NO P RE SA , , , 5 M o n t e d i g a B a c i n o P r e s a , , , 5 gi or ni 8

10 MONTE BACINO PRESA , , altezze m slm 1 8 6, , , , 5 giorni 9

11 3. Sistema di alimentazione della conca Per il riempimento/vuotamento della conca è necessario ripristinare il sistema di alimentazione idraulica della conca attraverso l acquedotto esistente. Questo acquedotto si fonda su un doppio sistema laterale (l uno per il riempimento, l altro per lo svuotamento), che si estende lungo la conca, e consente un alimentazione distribuita su entrambi i lati. In effetti va segnalato che, durante le fasi di riempimento e svuotamento, il flusso idrico può generare dislivelli del pelo libero all interno della conca, con spinte e turbolenze in grado di creare problemi alle imbarcazioni più leggere. I condotti di alimentazione, due per ogni lato della conca, sono dotati di paratoie motorizzate alle estremità, che sboccano nei mandracchi di monte e di valle; analogamente, lo svuotamento avviene attraverso due condotti di alimentazione laterali che sboccano oltre la porta vinciana di valle. La luce di presa a monte è presidiata da una griglia per impedire che corpi estranei, galleggianti o in sospensione, possano essere aspirati nei condotti. Le paratoie di intercettazione sono piane su ruote, con luce netta pari a 0.50 x 0.50 m. I condotti hanno sezione corrente pari alla luce delle paratoie ed uno sviluppo lunghezza da imbocco a sbocco pari a circa 12 m. 10

12 3.1 Fase transitoria (riempimento/svuotamento) Il riempimento della conca è ottenuto con acquedotti che prelevano la portata da monte e la immettono nella vasca tramite 2 bocche ciascuno. La sezione netta degli acquedotti è pari a: 2 (0,50 0,50) = 0,50 m 2. Per la descrizione del processo di riempimento è stato seguito lo schema riportato nella Normativa per la redazione dei progetti di vie navigabili, con le seguenti ipotesi : a) che la sottrazione di portate per il riempimento non produca significative onde negative a monte per il limitato volume della concata rispetto al volume del mandracchio; b) che la superficie dell acqua all interno della conca si mantenga in ogni istante orizzontale. Nel seguito, per le condizioni di progetto, si assumono i seguenti simboli: - t, Ta, Tr = tempo, tempo d apertura della paratoia d alimentazione, tempo di riempimento; - H, h h(t) = quote riferite al fondo della conca, rispettivamente di monte (costante), in conca per t = 0, in conca (variabile) al tempo t; - h = H - h (t) = dislivello idrico massimo; - A= superficie della conca; - L, n= lunghezza e numero degli acquedotti; 11

13 - S(t), S, Si, Ss= area delle luci di alimentazione per t < Ta,t Ta aree di imbocco e di sbocco acquedotti; - V, Vc,cc = velocità media nella sezione corrente dei condotti e nelle curve, velocità nella sezione contratta a valle paratoia, coefficiente di contrazione; - Vm, Vi,Vs = velocità nelle sezioni a monte, di imbocco e di sbocco; - ki, kc, ks = frazione dell energia cinetica dissipata all imbocco, in curva e allo sbocco (nell allargamento); - l=coefficiente di resistenza; - C=coefficiente per caratterizzare l insieme delle perdite di carico. Assunto come riferimento la platea della conca e considerate due sezioni, a monte ed a valle degli acquedotti di alimentazione, si ha: H + Vm 2 /2g= h + ki Vi 2 /2g + kr (V-Vi ) 2 /2g+ L l/(4r) V 2 /2g + S kc Vc 2 /2g + + (Vc -V ) 2 /2g+ks (V 2 -Vi 2 ) /2g + Vs 2 /2g (1) Se S(t) è l apertura all istante generico ed S la sezione dei condotti a totale apertura, per una manovra lineare nel tempo, si ha: S(t) = S t/ta Inoltre, indicando con l indice j una sezione generica dei condotti, si ha: Vj Sj = S V Vc cc S(t)= V S Vc =V S/ cc S(t) 12

14 Trascurando l altezza cinetica relative a Vm, le perdite di carico per restringimenti e raccogliendo il termine V 2 /2g, dalla (1) si ottiene: H = h+ V 2 /2g [ki (S/Si )+ L l/(4r) + S kc + (S/ ccs(t) -1) 2 /2g+ks (1-(S/S(t) 2 )+(S/Ss ) 2 ] e posto: kt=[ki (S/Si )+ L l/(4r) + S kc + (S/ ccs(t) -1) 2 /2g+ks (1-(S/S(t) 2 )+(S/Ss ) 2 ] si ha: H h = kt V 2 /2g ; V = C 2g(H-h) con C =1/ kt. Il valore C viene determinato dall analisi delle perdite di carico ed è variabile normalmente tra 0.50 e 0.80; nel caso di specie, è stato ottenuto un valore poco inferiore a L andamento dei livelli e delle portate in funzione del tempo si ottiene integrando l equazione di continuità: V S(t) = A dh/dt L espressione esprime la condizione che, in un determinato intervallo, la portata defluente attraverso i condotti di alimentazione della conca, deve coincidere con l incremento del volume idrico nella vasca, misurato nello stesso intervallo. 13

15 L equazione differenziale è stata risolta con il metodo delle differenze finite, ipotizzando una manovra di chiusura/apertura delle paratoie che si esaurisce in 90 secondi. Per le paratoie è stato considerato un coefficiente α che descrive il grado di apertura della paratoia: la manovra è stata ipotizzata tale da far variare il coefficiente in maniera lineare nel tempo e da 0 a 1 a paratoia completamente aperta. Dal punto di vista operativo, le equazioni utilizzate per l integrazione con il metodo alle differenze finite, sono le seguenti: 1) hi = hi-1 Dhi (ove iln termine hi rappresenta il valore del dislivello idrico misurato all istante i-mo); 2) Qi = C S (2gDh); 3) Vi = ncond Dt Qm, (con Qm portata media nell intervallo Dt); 4) Dhi = Vi /A. I dati geometrici inerenti la conca di navigazione sono i seguenti: Superficie conca A= (33.5 x 8) m 2 ; Dislivello iniziale monte-valle h = 1.5 m; Sezione condotti alimentazione S = 2 x (0.5 x 0.5) m 2 Nei calcoli idraulici, il valore del dislivello iniziale tra il pelo libero di monte e quello di valle, pari a 1,40 m (definito dalla differenza tra le quote s.l.m. = ), è stato posto pari a 1,50 m a vantaggio di sicurezza. 14

16 Per lo svuotamento si utilizzano le stesse luci interne alla conca e lo scarico avviene immediatamente a valle della porta vinciana: il processo idraulico è del tutto analogo a quello del riempimento, considerato che le dimensioni e le caratteristiche dei condotti sono le stesse. 3.2 Risultati dei calcoli idraulici e conclusioni L integrazione dell equazione differenziale che regge il processo di riempimento/svuotamento della conca, è stata svolta con riferimento al massimo dislivello h monte-valle. A vantaggio di sicurezza, è stato assunto un valore del dislivello pari a 1.50 m, leggermente superiore rispetto a quello di 1.40 m effettivamente valutato in base ai livelli di navigazione minimi e massimi all interno della conca. I risultati dei calcoli dell integrazione alle differenze finite, sono illustrati nelle tabelle allegate nella pagine seguenti. I parametri vanno composti in modo da ottenere tempi di concata accettabili, per non creare eccessivi rallentamenti nel traffico, e nel contempo velocità di riempimento della conca limitate. Velocità elevate possono infatti essere pregiudizievoli durante la concata, in particolare per le manovre di ormeggio dei natanti, ed è bene che si mantengano valori massimi inferiori a 1 m/min. Il dimensionamento delle opere è tale da dar luogo a valori del tempo di riempimento (e di vuotamento) compresi fra 5 6 minuti per tempi di apertura variabili fra 1 e 2 minuti, 15

17 con una velocità media di crescita dello specchio liquido sempre inferiore a 1 m ogni minuto. Dai risultati ottenuti sulla scorta delle simulazioni numeriche, si ritiene che la riattivazione dei dispositivi esistenti sia idonea a conciliare le esigenze di contenere i tempi di riempimento e vuotamento, di avere perturbazioni all interno della conca compatibili con le esigenze d ormeggio del natante in attesa. Riassumendo si ha: dislivello di riferimento monte valle : h = 1.5 m; tempo di apertura paratoie : Ta = 90 s; tempo di riempimento (o vuotamento) : Tr = 410 sec 6 min; portata media massima durante la concata : Qm = 0,81 m 3 /s; velocità massima di riempimento : Dh/Dt = 0,606 cm/s. Nella tabella che segue sono esposti i risultati delle verifiche effettuate, nelle condizioni di dislivello massimo monte/valle. 16

18 t α C Q Qm DV Dh h Dh/Dt s 0 1 m 3 /sec m 3 /sec m 3 m m cm/s ,500 0, ,222 0,143 0,194 0,0972 3,89 0,015 1,485 0, ,442 0,287 0,387 0, ,63 0,043 1,442 0, ,662 0,430 0,572 0, ,17 0,072 1,371 0, ,000 0,645 0,836 0, ,24 0,158 1,213 0, ,000 0,645 0,787 0, ,68 0,182 1,031 0, ,000 0,645 0,725 0, ,36 0,169 0,862 0, ,000 0,645 0,663 0, ,65 0,155 0,707 0, ,000 0,645 0,600 0, ,91 0,141 0,565 0, ,000 0,645 0,537 0, ,12 0,127 0,438 0, ,000 0,645 0,473 0, ,29 0,113 0,325 0, ,000 0,645 0,407 0, ,39 0,098 0,226 0, ,000 0,645 0,340 0, ,41 0,084 0,143 0, ,000 0,645 0,270 0, ,29 0,068 0,075 0, ,000 0,645 0,195 0, ,95 0,052 0,022 0, ,000 0,645 0,107 0,1510 9,06 0,034-0,011 0,113 Come si desume dalla tabella, la durata della manovra riempimento o svuotamento della vasca non supera i 6 minuti primi; la velocità di variazione di livello all interno della conca si mantiene inferiore ad 1 cm/s, il che assicura la stabilità del natante nel corso del transitorio connesso alla manovra e dil rispetto delle ipotesi al contorno (superficie dell acqua sempre orizzontale e assenza di onde significative a monte/valle). I calcoli sono stati ripetuti per la condizione di regime, corrispondente a 20 cm di dislivello idrico tra monte e valle, con manovra di apertura avente pari durata. In tali condizioni, si ha: dislivello di riferimento monte valle : h = 0.2 m; 17

19 tempo di apertura paratoie : Ta = 90 s; tempo di riempimento (o vuotamento) : Tr = 180 sec 3 min; portata massima durante la concata : Qm = 0,25 m 3 /s; velocità massima di riempimento : Dh/Dt = 0,189 cm/s. Nella tabella che segue sono riportati i risultati delle verifiche effettuate, nelle condizioni di dislivello medio monte/valle. t α C Q Qm DV Dh h Dh/Dt s 0 1 m 3 /sec m 3 /sec m 3 m m cm/s ,200 0, ,222 0,143 0,071 0,0355 1,42 0,005 0,195 0, ,442 0,287 0,140 0,1055 4,22 0,016 0,179 0, ,662 0,430 0,201 0,1708 6,83 0,025 0,153 0, ,000 0,645 0,280 0, ,44 0,054 0,100 0, ,000 0,645 0,225 0, ,16 0,057 0,043 0, ,000 0,645 0,148 0, ,21 0,042 0,001 0, ,000 0,645 0,025 0,0866 5,19 0,019-0,018 0,065 Anche in questo caso, che rappresenta una condizione d uso frequente, la durata della manovra riempimento/svuotamento della vasca ha una durata modesta, del tutto compatibile con l esercizio della conca. Inoltre, la velocità di variazione di livello 18

20 all interno della conca si mantiene inferiore ad 0.2 cm/s, il che assicura la stabilità del natante nel corso della manovra. 19