Sedimenti fognari, Reti di drenaggio, Criteri progettuali

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1 S. PAPIRI, S. TODESCHINI Il controllo dei sedimenti nei sistemi fognari e sue implicazioni progettuali IL CONTROLLO DEI SEDIMENTI NEI SISTEMI FOGNARI E SUE IMPLICAZIONI PROGETTUALI Sergio PAPIRI, Sara TODESCHINI Parole Chiave: Sedimenti fognari, Reti di drenaggio, Criteri progettuali SOMMARIO La memoria esamina le principali caratteristiche dei sedimenti fognari (la natura, la granulometria, la coesione, il grado di consolidamento e la reologia). Successivamente, sulla base degli sforzi tangenziali necessari per evitare la sedimentazione o per riprendere in sospensione i sedimenti, valuta, sia per le fognature nere che per quelle unitarie, le condizioni necessarie per l autopulizia delle condotte e le confronta con quelle indicate dalle normative tecniche di alcuni Paesi europei. Dal momento che nei tronchi di testa dei sistemi fognari unitari e delle reti nere, a causa delle portate di deflusso molto contenute, non è normalmente possibile garantire l autopulizia dei canali ed è quindi necessario adottare tecniche di flushing, sono valutate le portate e i tempi di cacciata necessari a produrre sforzi di taglio al fondo tali da innescare il processo erosivo e da garantire la completa rimozione dei sedimenti. Infine, tenendo anche conto dei consumi idrici connessi con le tecniche di flushing, quando attuate mediante pozzetti di cacciata, sono commentate alcune importanti implicazioni che il controllo dei sedimenti determina sull impostazione progettuale della rete, sia per quanto attiene la sua configurazione plano-altimetrica, sia per quanto riguarda la scelta fra il sistema unitario e quello separato. Dipartimento di Ingegneria Idraulica e Ambientale, Università degli Studi di Pavia, Via Ferrata 1, Pavia. 1

2 ACQUA E CITTÀ - II CONVEGNO NAZIONALE DI IDRAULICA URBANA Chia (CA), settembre INTRODUZIONE La scelta della tipologia, la progettazione e la gestione di un sistema di drenaggio urbano devono tenere conto di una molteplicità di esigenze. Tra queste, la necessità di limitare la formazione e l accumulo dei sedimenti risulta di particolare importanza ai fini della funzionalità idraulica delle reti, della salvaguardia ambientale dei corpi idrici che ricevono gli scarichi in tempo di pioggia e dell attenuazione dei fenomeni di corrosione dei canali e dei manufatti. L accumulo di sedimenti in fognatura, infatti, riduce la capacità di portata dei canali e, di conseguenza, aumenta la frequenza delle insufficienze idrauliche e degli allagamenti nelle aree urbane; l accumulo dei sedimenti può portare, addirittura, soprattutto nelle fognature nere, alla completa ostruzione degli spechi e, quindi, a fuoriuscite incontrollate di liquame, anche in tempo asciutto. Nelle fognature unitarie, la ripresa in sospensione dei sedimenti e degli inquinanti ad essi associati, durante gli eventi meteorici di non debolissima intensità, può generare lo sversamento, attraverso i dispositivi di sfioro, di masse ingenti di inquinanti nei corpi idrici ricettori. Le condizioni anaerobiche che facilmente si instaurano nei sedimenti possono generare sviluppo di idrogeno solforato, la cui ossidazione ad acido solforico causa la corrosione dei calcestruzzi e delle malte, con possibili effetti devastanti sui canali e sui manufatti (Fan et al., 2003). E quindi di fondamentale importanza che, soprattutto per i sistemi fognari unitari e per la rete delle acque nere nei sistemi separati, il progetto contempli l adozione degli accorgimenti necessari per evitare l accumulo dei sedimenti. Ciò può essere ottenuto garantendo nelle condotte condizioni di autolavaggio, ovvero assicurando, con le portate che si verificano con sufficiente frequenza, valori di velocità (o ancor meglio di sforzo tangenziale al fondo) sufficienti alla rimozione e al trasporto del materiale che sedimenta quando le portate assumono valori inferiori. Qualora l altimetria del centro abitato da servire non consenta di assegnare alla fognatura pendenze atte a garantire l autolavaggio delle condotte, occorre dotare la rete di dispositivi automatici che provvedano al lavaggio con frequenza assegnata. I criteri di progetto proposti nella letteratura tecnico-scientifica e nelle normative emanate in diversi Paesi sono i più vari, alcuni basati sul rispetto di velocità minime, altri sul mantenimento di sforzi tangenziali minimi al fondo della condotta. Il ventaglio dei valori indicati è però piuttosto ampio, anche perché questi valori sono riferiti a diverse condizioni di deflusso: le velocità minime variano da 0,3 a 1,0 m/s e gli sforzi tangenziali minimi da 1 a oltre 6 N/m 2. Ne consegue la necessità che la problematica sia ulteriormente approfondita, soprattutto con lo scopo di pervenire alla definizione di criteri progettuali più certi. 2

3 S. PAPIRI, S. TODESCHINI Il controllo dei sedimenti nei sistemi fognari e sue implicazioni progettuali 2. CARATTERISTICHE DEI SEDIMENTI FOGNARI 2.1 ORIGINE E NATURA I sedimenti fognari sono formati principalmente dal materiale accumulato sulle superfici in tempo secco e poi dilavato e veicolato in fognatura in tempo di pioggia, nonché dai solidi sedimentabili contenuti nelle acque nere. Questi sedimenti sono costituiti da un miscuglio di particelle di natura organica e inorganica con percentuali differenti a seconda che il sistema sia di tipo unitario o separato: i solidi sono di natura principalmente minerale nelle reti pluviali; sono in prevalenza di natura organica nei sistemi che convogliano acque nere; presentano una distribuzione intermedia tra le due nelle reti unitarie (Verbanck et al., 1994). Williams e altri (1989) e Crabtree (1989), a partire dall analisi di campioni provenienti da tutto il Regno Unito, hanno proposto la seguente classificazione dei sedimenti in funzione della loro localizzazione all interno del sistema fognario: Tipo A: materiale grossolano, separato, granulare, in prevalenza di natura minerale, depositato sul fondo delle condotte. Tipo B: materiale come il tipo A, ma cementato per via della presenza di grassi, bitume, cemento, ecc. Tipo C: materiale molto mobile a grana fine, con alto contenuto organico, che in genere si muove con la corrente al di sopra del letto di depositi di tipo A e si deposita nelle zone di rallentamento della corrente. Tipo D particelle fini di natura organica e biofilm adesi alle pareti delle condotte. Tipo E materiale a grana fine di natura prevalentemente minerale che si deposita nei manufatti dove la corrente ha modo di invasarsi. La tabella 1 riporta, per queste diverse tipologie di sedimento, le caratteristiche fisiche medie; fra queste, particolarmente importante è il contenuto di sostanza organica che influenza il consolidamento e l erodibilità dei sedimenti, nonché i processi biochimici che avvengono al loro interno (Wotherspoon, 1994; Hvitved-Jacobsen et al., 1995). Tabella 1 - Caratteristiche fisiche dei diversi tipi di sedimenti fognari (Williams et al., 1989) Tipo di sedimento % ghiaia 2,0-50 mm % sabbia 0,063-2,0 mm % mat. fine < 0,063 mm Densità 1 kg/m 3 % contenuto organico Tipo A e B Tipo C Tipo D Tipo E La densità in geologia è indicata con i termini di peso di volume e peso specifico apparente, ovvero il peso (in grammi) dell unità di volume (cm 3 ) della roccia completamente essiccata. 3

4 ACQUA E CITTÀ - II CONVEGNO NAZIONALE DI IDRAULICA URBANA Chia (CA), settembre 2007 Nella maggior parte delle fognature di tipo unitario, il letto dei sedimenti consiste in uno strato di tipo C, sottile e con alto contenuto organico, posto sopra uno strato di tipo A più pesante e con minore contenuto organico. Lo strato superficiale è costituito da una sospensione fortemente mobile. Questo strato, denominato strato fluido pesante (heavy-fluid layer) da Verbanck (1992), ovvero strato di sedimenti fluidi (fluid sediment layer) da Ashley e altri (1992), viene eroso a partire da valori molto bassi di sforzo di taglio al fondo. L erosione di questo letto contribuisce, in tempo di pioggia, al cosiddetto first flush; esso, quindi, rappresenta una fonte di inquinamento molto significativa. Le proprietà (grado di coesione, grado di consolidamento, ecc.) dei sedimenti di tipo A, che costituiscono il grosso dei depositi nelle condotte e sono responsabili della riduzione di capacità di trasporto, dipendono dalla storia della deposizione del materiale; in generale, essi si presentano in una successione di strati circa uguali depositati in tempi successivi. 2.2 COESIONE E GRADO DI CONSOLIDAMENTO La conoscenza della coesione dei sedimenti fognari è di fondamentale importanza ai fini della definizione delle opportune strategie progettuali e/o gestionali, dato che i meccanismi di erosione dei sedimenti non coesivi, dominati dalla dimensione e dal peso specifico delle particelle, sono completamente differenti da quelli che governano l erosione del materiale coesivo. È difficile stabilire un confine netto per classificare un tipo di sedimento nelle categoria dei materiali coesivi o non coesivi. Per sedimenti uniformi, secondo Metha e Lee (1994) il limite è dato dalle dimensioni delle particelle intorno a 20 µm. I sedimenti fognari non sono, però, mai uniformi e, quindi, la loro classificazione, per quanto riguarda la coesione, a partire dalla distribuzione granulometrica è molto problematica. I principali responsabili di un comportamento coesivo nei sedimenti fognari sono le particelle più fini (come i minerali dell argilla) e il contenuto organico. I minerali dell argilla presentano forze interparticellari (forze elettrochimiche e di Van der Waals) molto forti e molto più consistenti della forza di gravità. L effetto esercitato dalla sostanza organica sulla proprietà di coesione dei sedimenti non è del tutto chiaro. Tuttavia, è noto che la popolazione biologica altera le caratteristiche dei depositi rendendo la superficie più liscia e aumentando l adesione tra le particelle (Williamson, 1991; Paterson, 1994). L erodibilità di un letto coesivo dipende anche dal processo di consolidamento a cui il sedimento è stato sottoposto. Una volta che uno strato di sedimenti si è depositato, infatti, l acqua presente nei pori viene progressivamente espulsa e il materiale si riarrangia in una struttura di più difficile erodibilità, essendo più densa e caratterizzata da una maggiore resistenza di snervamento. 4

5 S. PAPIRI, S. TODESCHINI Il controllo dei sedimenti nei sistemi fognari e sue implicazioni progettuali 2.3 COMPORTAMENTO REOLOGICO Il comportamento reologico dei sedimenti fognari dipende dalla loro natura più o meno coesiva e, quindi, essenzialmente dalla concentrazione delle particelle più fini come i minerali dell argilla (MAST, 1993, Williams et al., 1989) e dal contenuto organico. Numerose indagini hanno cercato di legare le tensioni critiche a una o più proprietà fisiche dei sedimenti. Metha (1988) ha fornito un espressione di natura empirica per valutare lo sforzo di taglio critico τ cr [N/m 2 ] per l erosione in funzione della densità del sedimento ρ b [g/cm 3 ]: τ cr = η b ( ρ 1) dove η varia da 9 a 37 per miscugli di fango e sabbia, al passare del contenuto di sabbia da 18 a 53% (Ockenden e Delo, 1988). Alcune prove di laboratorio (Alvarez, 1990; Nalluri e Alvarez, 1992; Torfs, 1995) hanno fornito i seguenti valori di sforzo di taglio al fondo per l erosione di sedimenti coesivi: 2,5 N/m 2 per il materiale più in superficie, 6-7 N/m 2 per depositi granulari consolidati. Alcuni studi condotti sul collettore finale della rete di Dundee (Regno Unito) hanno mostrato che gli sforzi di taglio che provocano l erosione dei depositi variano da valori inferiori a 1 N/m 2 a valori di 20 N/m 2 (Ashley et al., 1992; Wotherspoon e Ashley, 1992; Wotherspoon, 1994; Ashley e Verbanck, 1996). Altri studi sul campo, in condotte fognarie molto ampie, hanno fornito valori più bassi di sforzo di taglio per l erosione: nella rete di Hildesheim (Germania), durante il tempo secco, l erosione ha inizio usualmente quando si raggiungono sforzi di taglio di 0,7 N/m 2 ; al crescere del tempo secco lo sforzo di taglio medio richiesto per l erosione aumenta fino a 3,3 N/m 2. Questo incremento è presumibilmente dovuto al consolidamento del letto (Ristenpart e Uhl, 1993). 3. IL CONTROLLO DEI SEDIMENTI NELLE RETI DI DRENAGGIO Nei sistemi unitari, le dimensioni delle condotte sono essenzialmente condizionate dalle portate meteoriche di progetto, nettamente più grandi delle portate nere. In queste fognature, però, in tempo asciutto (che rappresenta la condizione di esercizio prevalente) transitano le sole acque nere che, soprattutto nelle zone pianeggianti, sono caratterizzate da velocità troppo esigue per garantire il trasporto dei solidi sedimentabili; ciò determina la formazione di depositi che, se non rimossi con una frequenza adeguata, subiscono nel tempo processi di consolidamento e non sono eliminabili nemmeno con le portate più elevate. Fan e altri (2003) stimano che, nelle aree servite 5

6 ACQUA E CITTÀ - II CONVEGNO NAZIONALE DI IDRAULICA URBANA Chia (CA), settembre 2007 da sistemi unitari, una percentuale compresa tra il 5 e il 30% del carico inquinante giornaliero (in termini di solidi sospesi totali) si depositi in tempo asciutto in fognatura. Nei sistemi separati, di norma, i problemi legati ai sedimenti si verificano essenzialmente nella rete destinata al convogliamento delle acque nere, le cui condotte, di dimensioni trasversali normalmente piuttosto contenute, presentano, soprattutto nei centri urbani pianeggianti e nei tronchi secondari, difficoltà di autopulizia, legati sia all esiguità delle portate convogliate, sia alle pendenze insufficienti. Il problema assume aspetti di particolare criticità a causa della natura coesiva, dovuta al contenuto organico elevato, del letto di sedimenti e dell assenza di un lavaggio periodico in tempo di pioggia che impedisca il consolidamento del deposito. Nei canali destinati al convogliamento delle sole acque meteoriche, il problema del controllo dei sedimenti assume, di norma, aspetti di non grande criticità, sia per l entità rilevante delle portate, sia per la natura dei materiali trasportati, per lo più incoerenti (sabbie e limi), che possono essere rimossi anche con sforzi tangenziali modesti. Inoltre, per limitare la deposizione dei solidi nella rete delle acque meteoriche sono possibili diverse strategie di controllo a monte dell ingresso in fognatura, quali il controllo dell erosione superficiale, la frequente pulizia delle strade, l utilizzo di caditoie particolari e la loro pulizia con elevata frequenza (Ashley et al., 2004). Con riferimento soprattutto ai sistemi fognari unitari e alle reti delle acque nere, è necessario che il progetto contempli l adozione degli accorgimenti necessari per evitare l accumulo dei sedimenti assicurando, in corrispondenza di determinate condizioni di deflusso, opportuni valori di velocità e di sforzo tangenziale al fondo. In realtà, le norme progettuali più diffuse danno indicazioni esclusivamente sulle velocità minime da garantire; esse, peraltro, sono indicate con riferimento a condizioni di deflusso che differiscono a seconda della norma. Per le fognature nere, in Francia, il CEREVE (1977) indica una velocità minima di 0,7 m/s associata a un grado di riempimento del canale pari al 50% e una velocità minima di 0,3 m/s associata a un grado di riempimento del 20% che deve essere garantito con la portata media giornaliera annuale. In Italia, la Circolare del Ministero dei Lavori Pubblici n del 1974 prescrive una velocità minima di 0,5 m/s associata alla portata media giornaliera. Negli USA, l ASCE (1970) indica una velocità minima di 0,6 m/s associata ad un grado di riempimento del canale pari al 50%. La normativa europea EN (1977) prescrive una velocità minima di 0,7 m/s associata alla portata massima giornaliera. Per le fognature unitarie, in Francia, il CEREVE (1977) indica una velocità minima di 0,3 m/s associata a una portata pari a 1/100 della portata a completo riempimento e di 0,6 m/s associata a una portata pari a 1/10 della portata a completo riempimento (condizioni praticamente coincidenti). Nel Regno Unito (British Standard BS 8001, 1987) è richiesta una velocità minima di 1,0 m/s associata ad un grado di riempimento del canale pari al 50% (condizione praticamente coincidente con la normativa francese). In Italia è richiesta una velocità minima di 0,5 m/s associata alla portata nera media giornaliera. La normativa europea EN (1977) prescrive una velocità minima di 0,7 m/s associata alla portata nera massima giornaliera. 6

7 S. PAPIRI, S. TODESCHINI Il controllo dei sedimenti nei sistemi fognari e sue implicazioni progettuali 3.1 SFORZI TANGENZIALI MINIMI E VELOCITÀ MINIME La tensione tangenziale media τ o che si esercita sulla superficie di contatto dell acqua con il canale, indicati con R il raggio idraulico, con γ il peso specifico dell acqua e con i la pendenza del canale, è fornita dalla relazione: τ o = γ R i (1) La distribuzione delle tensioni tangenziali è strettamente legata alla forma della sezione che, quando è molto larga rispetto all altezza dell acqua e approssimativamente rettangolare presenta valori di τ o prossimi al valore medio dato dalla (1). Accoppiando alla (1) l equazione del moto uniforme nella formulazione di Gauckler-Strickler 2 / 3 1/ 2 Ks R i V = (2) nella quale, V è la velocità media della corrente, K s 2 la conduttanza e R il raggio idraulico, si ottiene il legame fra la velocità media della corrente e la tensione tangenziale media: 6 V = K R 1/ τ / γ (3) s o In base agli studi di Shields (1936) sul trasporto solido, il valore critico τ cr della tensione tangenziale che mobilita un granulo di diametro d e di peso specifico γ s, in regime turbolento è dato dalla relazione: τcr = 0,06 ( γ s γ ) d (4) Ad esempio, se si considerano diametri di 60 μm - 0,2 mm - 0,6 mm e 2 mm, che costituiscono rispettivamente i limiti superiori per limo, sabbia fine, sabbia media e sabbia grossa, e si assume che il peso specifico dei granuli γ s sia uguale per tutti i materiali e pari a 26 kn/m 3, in base alla (4), le tensioni tangenziali critiche risultano rispettivamente pari a: 0,058 0,194 0,583 e 1,943 N/m 2. Questi sforzi tangenziali rappresentano i valori soglia al di sotto dei quali le particelle di limo, sabbia fine, sabbia media e sabbia grossa non riescono ad essere mobilitate dalla corrente, creando problemi di sedimentazione in condotta. Quindi, considerate le caratteristiche granulometriche del materiale trasportato nelle reti fognarie, è possibile asserire che uno sforzo tangenziale di 1 N/m 2 è sicuramente sufficiente a impedire la deposizione del materiale sedimentabile veicolato dalle 2 Einstein e Bancks (1950) hanno proposto una formula che consente di tenere conto in maniera esplicita delle differenti conduttanze del perimetro bagnato (il fondo e le pareti laterali del canale). 7

8 ACQUA E CITTÀ - II CONVEGNO NAZIONALE DI IDRAULICA URBANA Chia (CA), settembre 2007 acque reflue in tempo asciutto, mentre per evitare la sedimentazione del materiale più grossolano trasportato dalle acque meteoriche di dilavamento è necessario uno sforzo tangenziale di almeno 2 N/m 2. In taluni casi, soprattutto se le superfici dilavate hanno pendenze elevate, le acque di pioggia possono veicolare in rete fognaria anche ghiaia e pietrisco; tuttavia, poiché di norma le pendenze dei canali riflettono l andamento altimetrico delle superfici, in tali casi le velocità in condotta e i corrispondenti sforzi tangenziali sono tali da impedire in genere la sedimentazione. Se uno sforzo tangenziale di 1 N/m 2 si può ritenere sufficiente ad impedire la deposizione del materiale sedimentabile in tempo asciutto, occorre tuttavia tenere presente che sovente questo valore di sforzo tangenziale non è garantito durante le ventiquattro ore e ciò a causa del fatto che le portate di deflusso sono soggette alle fluttuazioni giornaliere dei consumi. Per erodere e trasportare il materiale (sicuramente di natura coesiva) depositato nelle ore di minor consumo e, quindi, evitare che il letto di sedimenti subisca un processo di consolidamento, bisognerebbe garantire che almeno una volta al giorno si instaurino sforzi tangenziali più consistenti, dell ordine di almeno 2 N/m 2 (Da Deppo e Datei, 1997; Ackers et al., 1996). Nei sistemi fognari unitari, se con la portata di punta giornaliera di tempo secco non si raggiunge uno sforzo tangenziale di 2 N/m 2, bisogna garantire che con piogge abbastanza frequenti (assunte tali da generare una portata di deflusso corrispondente ad almeno 1/10 della portata a completo riempimento) si instaurino sforzi di taglio alquanto maggiori di 2 N/m 2, a causa del progressivo consolidamento nel tempo dei sedimenti di tempo asciutto. Il grado di consolidamento e di adesione del sedimento di tempo asciutto al fondo e alle pareti delle condotte è funzione della durata del tempo secco e del materiale costituente le pareti del canale, per cui è complicato stabilire quale valore di sforzo tangenziale debba essere raggiunto, ma ragionevolmente si può ritenere che esso debba essere almeno pari a 3 N/m 2. L obiettivo è sempre quello di limitare il più possibile il processo di consolidamento del letto poiché in tal caso sarebbe difficoltoso rimuovere i sedimenti anche con le portate meteoriche più consistenti con il rischio di compromettere la funzionalità idraulica del canale. Al fine di tradurre in grandezze idrauliche di uso più immediato, i criteri sopra riportati in termini di sforzi tangenziali, sono stati eseguiti i calcoli nel seguito illustrati. Con riferimento alle fognature nere con speco circolare, i calcoli, eseguiti con la (2) e con la (3) (con K s = 70 m 1/3 s -1 ), sono finalizzati alla definizione delle pendenze che è necessario assegnare alle condotte (e delle corrispondenti velocità) per garantire, con la portata nera di punta media annua, un assegnato sforzo di taglio al fondo. I calcoli sono eseguiti nell ipotesi che le condotte siano dimensionate per fare transitare la portata di punta del giorno di massimo consumo (valutata pari a 3/2 della portata di punta media annua) con un grado di riempimento pari al 50% per D 500 mm e al 70% per D > 500 mm. La tabella 1 rappresenta, per diversi diametri, i valori di pendenza necessari per garantire uno sforzo di taglio al fondo di 2 N/m 2 e le velocità corrispondenti. 8

9 S. PAPIRI, S. TODESCHINI Il controllo dei sedimenti nei sistemi fognari e sue implicazioni progettuali Tabella 1 - Pendenza i da assegnare ai canali di differente diametro per garantire uno sforzo di taglio al fondo di 2 N/m 2 con la portata nera di punta media annua e velocità V associata (K s = 70 m 1/3 s -1 ) Diametro [mm] i V [m/s] 200 0,0048 0, ,0032 0, ,0024 0, ,0019 0, ,0013 0, ,0011 0, ,0010 0, ,0008 0,81 L esame dei risultati porta a riconoscere che il criterio progettuale basato sulla rispondenza dello sforzo tangenziale ad un valore minimo è senz altro più corretto di quello usuale basato sul rispetto di una velocità minima in quanto le velocità necessarie per garantire l autolavaggio aumentano all aumentare della dimensione della fognatura. Si riconosce anche che i valori indicati in tabella 1 sono sostanzialmente conformi alla norma europea EN (1977) che, ai fini dell autopulizia delle condotte fognarie, indica una velocità minima di 0,7 m/s con la portata nera di punta giornaliera e, per quanto riguarda le pendenze, suggerisce di assegnare ai canali pendenze almeno pari a 1/DN (DN: diametro nominale della condotta in mm). Questi valori sono inoltre in accordo con quanto suggerito da Ackers e altri (1996) nella Table B.4 Design table for foul sewers with medium sediment loading. In realtà, in questa tabella se il carico di sedimenti è elevato, si suggeriscono pendenze un po maggiori rispetto a quelle della tabella 1 per diametri maggiori di DN 800. Se si considera una fognatura di tipo unitario progettata in modo che la portata massima di progetto transiti con un grado di riempimento pari al 70% per tutti i diametri e si ipotizza che la portata nera di punta media annua sia pari a 1/50 di quella di progetto (tale valore potrebbe, in realtà, essere anche alquanto minore se il bacino sotteso è molto piccolo e la densità abitativa medio-bassa), dalle formule (2) e (3) si possono valutare le pendenze minime (i 1 ) che è necessario assegnare ai canali per garantire uno sforzo di taglio al fondo di 2 N/m 2 con la portata nera di punta media annua e le pendenze minime (i 2 ) necessarie per raggiungere una tensione tangenziale di 3 N/m 2 con una portata mista pari al 10% di quella a completo riempimento del canale. La tabella 2 mostra le pendenze corrispondenti ai predetti sforzi di taglio al fondo e le velocità (rispettivamente v 1 e v 2 ) che si instaurano per differenti diametri (K s = 70 m 1/3 s -1 ). Questi risultati mostrano che il valore minimo di velocità prescritto dalla normativa francese (0,6 m/s per una portata pari al 10% di quella a completo riempimento) è da ritenere insufficiente, o quantomeno poco cautelativo. Lo stesso discorso vale per quanto prescritto dalla normativa inglese (1,0 m/s per una portata pari al 50% di quella a completo riempimento). Per contro, il 9

10 ACQUA E CITTÀ - II CONVEGNO NAZIONALE DI IDRAULICA URBANA Chia (CA), settembre 2007 valore prescritto dalla norma europea EN (1977) (0,7 m/s almeno una volta al giorno) appare eccessivamente cautelativo, almeno per i diametri medio-piccoli. Tabella 2 - Pendenza i 1 da assegnare ai canali di differente diametro per garantire uno sforzo di taglio al fondo di 2 N/m 2 con la portata nera di punta media annua e velocità V 1 associata; pendenza i 2 da assegnare ai canali di differente diametro per garantire uno sforzo di taglio al fondo di 3 N/m 2 con una portata mista pari al 10% di quella a completo riempimento del canale e velocità V 2 associata (K s = 70 m 1/3 s -1 ) Diametro [mm] i 1 V 1 [m/s] i 2 V 2 [m/s] ,51 0,0080 0, ,009 0,54 0,0060 0, ,007 0,55 0,0048 0, ,006 0,57 0,0040 0, ,005 0,58 0,0034 0, ,004 0,59 0,0030 0, ,0035 0,62 0,0024 0, ,0030 0,64 0,0020 0, ,0024 0,67 0,0016 0,93 I valori di pendenza minimi necessari a garantire gli sforzi di taglio imposti sono elevati (almeno pari a 2,4/DN) e molto difficilmente rispettabili nei centri urbani pianeggianti. L impossibilità sistematica del rispetto delle velocità minime di autolavaggio in tempo secco e delle velocità di lavaggio con le portate meteoriche ordinarie comporta, oltre a problemi di funzionalità idraulica: il letto di sedimenti, di natura coesiva, subisce un processo di consolidamento e aumenta progressivamente nel tempo, anche problemi di carattere ambientale: in presenza di fenomeni consistenti di deposito in rete, l efficacia degli scaricatori di piena sul controllo delle masse di inquinante è estremamente modesta anche per valori molto elevati della portata di soglia specifica (Papiri, 2002). 3.2 DISPOSITIVI DI CACCIATA AUTOMATICI Nei tronchi di testa dei sistemi fognari unitari e, soprattutto, delle reti nere, a causa delle modestissime portate nere di deflusso non è normalmente possibile garantire la pulizia dei canali se non adottando la tecnica del flushing, realizzata principalmente per mezzo di pozzetti di cacciata. Tali pozzetti vengono riempiti mediante rubinetti calibrati alimentati dalla rete acquedottistica. L onda di cacciata, automaticamente prodotta da un sifone quando l altezza d acqua nel pozzetto raggiunge un livello prefissato, deve essere in grado di erodere e trascinare a valle i depositi che si formano in prossimità del dispositivo nell intervallo di tempo che intercorre fra due cacciate. 10

11 S. PAPIRI, S. TODESCHINI Il controllo dei sedimenti nei sistemi fognari e sue implicazioni progettuali L efficienza delle cacciate diventa sempre minore andando verso valle a causa della riduzione, con l aumentare della distanza dal pozzetto, del tempo di permanenza dello sforzo tangenziale associato alla portata di cacciata. A causa della durata molto contenuta della cacciata (in genere inferiore a 2 minuti), della natura coesiva dei sedimenti di tempo asciutto e del fatto che il tempo di permanenza dello sforzo tangenziale associato alla portata di cacciata è tanto più breve quanto più aumenta la distanza dal pozzetto di cacciata è auspicabile che la portata di cacciata sia almeno quella corrispondente a una tensione tangenziale di 3 N/m 2. La tabella 3 fornisce, per differenti diametri e differenti pendenze, le portate minime di cacciata in grado di generare uno sforzo tangenziale di 3 N/m 2 e le velocità di moto uniforme associate. Le velocità minime richieste aumentano al diminuire della pendenza dei canali e sono comprese nell intervallo 0,7-0,8 m/s. La tabella 3 mostra che affinché i dispositivi di cacciata risultino efficaci sono necessarie pendenze minime dei canali di testa piuttosto elevate, rispettivamente 6, 5 e 4 per diametri di 200, 250 e 300 mm. Anche per diametri maggiori di 300 mm è opportuno adottare una pendenza minima del 4 per limitare le portate e i volumi di cacciata a valori ragionevoli. Tabella 3 - Portate minime di cacciata Q (L/s) connesse a differenti pendenze e diametri in grado di generare uno sforzo tangenziale di 3 N/m 2 e velocità di moto uniforme V (m/s) associate Pendenza Diametro [mm] % Q 4,6 4,9 5,3 5,6 5,9 6,5 V 0,68 0,68 0,68 0,68 0,68 0,68 0,9 Q 5,5 5,9 6,2 6,7 7,2 7,8 V 0,69 0,69 0,69 0,69 0,69 0,69 0,8 Q 6,7 7,4 7,9 8,3 8,6 9,5 V 0,70 0,70 0,70 0,70 0,70 0,70 0,7 Q 8,8 9,4 9,9 10,5 11,1 12,1 V 0,72 0,72 0,72 0,72 0,72 0,72 0,6 Q 12,2 12,6 13,3 13,9 14,2 16,0 V 0,75 0,75 0,75 0,75 0,75 0,75 0,5 Q - 18,1 18,7 19,5 20,4 21,9 V - 0,77 0,77 0,77 0,77 0,77 0,4 Q ,0 29,5 30,3 33,0 V - - 0,80 0,80 0,80 0,80 0,3 Q ,0 55,5 56,4 V ,84 0,84 0,84 11

12 ACQUA E CITTÀ - II CONVEGNO NAZIONALE DI IDRAULICA URBANA Chia (CA), settembre 2007 Iannelli (1964) ha proposto la formula seguente per la stima del volume di cacciata: L ghm W = Q (5) v( v + gh ) m nella quale i simboli hanno il seguente significato: W volume di cacciata [L]; Q portata di cacciata [L/s]; L lunghezza del tronco da lavare [m]; v velocità di moto uniforme [m/s] corrispondente alla portata Q; h m altezza media della corrente [m] associata alla portata Q. Considerando una lunghezza del tronco da lavare pari a 150 m e portate Q pari a quelle della tabella 4, in base alla (5) si ottengono i volumi minimi da assegnare ai pozzetti e la durata della cacciata T (pari al rapporto tra il volume e la portata di cacciata). La tabella 4 mostra che i volumi di cacciata necessari crescono all aumentare del diametro e al diminuire della pendenza; in particolare, l incremento dei volumi è molto più significativo al diminuire della pendenza rispetto all aumentare del diametro. La durata della cacciata, dell ordine di 100 secondi per una lunghezza del tronco da lavare pari a 150 m, è quasi indipendente sia dal diametro sia dalla pendenza. Tabella 4 - Volumi W (L) e tempi T [s] di cacciata per una lunghezza del tronco da lavare di 150 m e portate di cacciata di tabella 3 Pendenza Diametro [mm] % W T ,9 W T ,8 W T ,7 W T ,6 W T ,5 W T ,4 W T ,3 W T

13 S. PAPIRI, S. TODESCHINI Il controllo dei sedimenti nei sistemi fognari e sue implicazioni progettuali Qualora non risulti possibile assegnare la pendenza minima richiesta ai canali ci si può accontentare di una portata di cacciata connessa a uno sforzo di taglio inferiore (dell ordine di 2 N/m 2 ), ma in tal caso occorre aumentare adeguatamente la durata di cacciata. Assumendo che lo sforzo di taglio critico sia pari a 1 N/m 2 e che il legame fra massa erosa e eccesso di sforzo di taglio sia lineare, risulterebbe che la durata di cacciata deve essere raddoppiata. L adozione di pozzetti di cacciata di testa richiede l utilizzo di significativi quantitativi d acqua pulita dell acquedotto. Se si considera che indicativamente potrebbe essere necessaria una decina di pozzetti di cacciata ogni 1000 abitanti e che il volume medio di lavaggio sia di 1,5 m 3, il consumo d acqua minimo connesso a questi dispositivi è pari a 15 m 3 al giorno (dato che si deve effettuare almeno una cacciata al giorno), corrispondente a circa il 6-8% del consumo idropotabile giornaliero. Un quantitativo d acqua così significativo deve spingere a una progettazione della rete di drenaggio tale che la tecnica del flushing sia necessaria per i soli tronchi di testa. Considerando, in maniera cautelativa, un costo dell acqua, comprensivo dei costi di depurazione, pari a 1 Euro/m 3, mantenere pulito un tronco di testa, tramite flushing, comporta una spesa annua quantificabile in circa 500 Euro (1,5 m 3 /giorno x 1 Euro/m 3 x 365 giorni). Invece, nel caso in cui un tronco di testa soggetto a deposizione non sia dotato di un dispositivo di lavaggio, è necessario intervenire periodicamente con operazioni di autospurgo (una frequenza sensata potrebbe essere di 2 volte l anno). Il costo associato a due interventi di autospurgo, tenendo conto anche dei costi di smaltimento dei sedimenti asportati presso un impianto di trattamento, è quantificabile in circa 2000 Euro. Queste considerazioni mostrano che, oltre agli ovvi vantaggi tecnici, funzionali e ambientali, è più vantaggioso, anche dal punto di vista economico, dotare il sistema fognario di pozzetti di cacciata di testa piuttosto che affidare la soluzione del problema del controllo dei sedimenti al Gestore della rete, tramite periodici interventi di autospurgo. 4. CRITERI PROGETTUALI DELLE RETI FOGNARIE NERE E UNITARIE Dall analisi della letteratura scientifica, e dai calcoli precedenti appare ragionevole adottare i seguenti criteri di progettazione: fognature nere: sforzo tangenziale minimo 2 N/m 2, associato con la portata massima giornaliera, calcolata moltiplicando la portata nera media annua per un coefficiente di punta funzione della portata media e con valore massimo pari a 4; pendenza minima dei canali pari a 1/DN, preferibilmente 1,2/DN (con valore minimo 4% 0 ) nei tronchi di testa per consentire l installazione di adeguati dispositivi di cacciata automatici. fognature unitarie: sforzo tangenziale minimo 2 N/m 2, associato con la portata massima giornaliera di tempo asciutto, calcolata moltiplicando la portata nera media annua per un coefficiente di punta funzione della portata media e con valore massimo pari a 4; in alternativa, 13

14 ACQUA E CITTÀ - II CONVEGNO NAZIONALE DI IDRAULICA URBANA Chia (CA), settembre 2007 sforzo tangenziale minimo 3 N/m 2, associato con una portata pari a 1/10 della portata a completo riempimento del canale e pendenza minima dei canali pari a 2,4/DN. nel caso di centri urbani con topografia piatta, un sistema fognario separato appare più idoneo rispetto a un sistema unitario per quanto attiene al controllo dei sedimenti, dato che ai canali della rete nera è possibile assegnare pendenze più consistenti e dimensioni degli spechi molto inferiori rispetto ai canali di una rete unitaria. Tuttavia, nelle reti nere le velocità e gli sforzi di taglio necessari all autolavaggio dei canali devono essere assolutamente garantiti a causa della natura coesiva del letto di sedimenti e dell assenza di un lavaggio periodico in tempo di pioggia. nei tronchi di testa delle fognature nere o unitarie devono necessariamente essere posizionati dispositivi di cacciata automatici. Il lavaggio deve essere effettuato almeno una volta al giorno, possibilmente con una portata di cacciata tale da generare uno sforzo tangenziale minimo di 3 N/m 2 e una durata di cacciata non inferiore a 100 secondi. In accordo con le indicazioni del CEREVE (1977), si ritiene che i pozzetti di lavaggio di testa non sono necessari se la pendenza del canale è 2% nelle reti nere e 1% nelle reti unitarie. 5. RIFERIMENTI BIBLIOGRAFICI Alvarez E.M., The influence of cohesion on sediment movement in channels of circular crosssection, PhD. University of Newcastle upon Tyne, UK, Amos C.L., Daborn G. R., Christian H.A., Atkinson A., Robertson A., In situ erosion measurements on fine-grained sediments from the Bay of Fundy, Marine Geology, 108, pp , Ashley R.M., Wotherspoon D.J.J., Goodison M.J., McGregor I, Coghlan B.P., The deposition and erosion of sediment in sewers, Water Science and Technology, Vol. 26, N. 5-6, pp , Ashley R.M., Bertrand-Krajewski J.-L., Hvitved-Jacobsen T., Verbanck M., Solids in Sewers, Scientific and Technical Report No. 14, IWA Publishing, London, UK, Ashley R.M., Verbanck M.A., Mechanics of sewer sediment erosion and transport, Journal of Hydraulic Research, Vol. 34, No. 6, pp , CEREVE (Centre de l Enseignement e de Recherche Eau Ville Environnement) Instruction technique relative aux reseaux d assainissement des agglomerations, (UMR ) des Ministères de la Recherche et de l'agriculture, Circolare del Ministero dei Lavori Pubblici n del 7/1/1974, Istruzioni per la progettazione delle fognature e degli impianti di trattamento delle acque di rifiuto,

15 S. PAPIRI, S. TODESCHINI Il controllo dei sedimenti nei sistemi fognari e sue implicazioni progettuali Da Deppo L., Datei C., Fognature, Libreria Cortina Padova, p. 49, Einstein H.A, Bancks R.B., Fluid resistance of composite roughness, Transactions, American Geophysical Union 31(4), Fan C., Field R., Lai F., Sewer-Sediment Control: Overview of and Environmental Protection Agency Wet-Weather Flow Research Program, Journal of Hydraulic Engineering, 129(4), , Fan C., Sewer sediment and control: a management practices reference guide, EPA/600/R- 04/059, January Hvitved-Jacobsen T., Nielsen P.H., Larsen T., Jensen N.A., The sewer as a physical, chemical and biological reactor, Water Science and Technology, Vol. 31, N. 7, Iannelli G., l efficienza dei dispositivi di cacciata nel lavaggio delle fogne. Criteri di progettazione, MAST G6M COASTAL MORPHODYNAMIC, On the methodology and accuracy of measuring physic-chemical properties to characterise cohesive sediments, EC MAST-I research programme, Metha A.J., Laboratory studies on cohesive sediment deposition and erosion, N.C. Krauss et al. Editors, Coastal Sediments, Vol. 1, pp , Metha A.J., Hayter E., Parker R., Krone R.B., Teeter A., Cohesive sediment transport, I: Process description, II Application, ASCE, Journal of Hydraulic Engineering, pp , Metha A.J., Lee S.C., Problems in linking the threshold condition for the transport of cohesionless and cohesive sediment grains. Journal of Coastal Research, Vol. 10(1), pp , Mitchener H., Torfs H., Erosion of mud/sand mixture, Journal of Coastal Engineering, N. 29 pp. 1-25, 1996 Nalluri C., Alvarez E.M., The influence of cohesion on sediment behaviour, Water Science and Technology, Vol. 25, No. 8, pp , Ockenden M.C., Delo E.A., Consolidation and erosion of estuarine mud and sand mixtures, HR Wallingford Report No. SR 149, Papiri S., Gli scaricatori di piena nelle fognature miste alla luce dei risultati di una simulazione continua quali-quantitativa delle acque meteoriche nel bacino urbano sperimentale di Cascina Scala (Pavia), Atti della II Conferenza Nazionale sul Drenaggio Urbano. Palermo, maggio 2000, CSDU, Milano, pp , Ristenpart E., Uhl M., Dynamic behaviour of sewer sediments. Proc. 6 th Int. Conf. Urban Storm Drainage, Niagara falls, Canada, ISBN , pp ,

16 ACQUA E CITTÀ - II CONVEGNO NAZIONALE DI IDRAULICA URBANA Chia (CA), settembre 2007 Paterson D.M., Biological mediation of sediment erodibility: ecology and physical dynamics, 4 th Nearshore and Estuarine Cohesive Sediment Transport Conference INTERCOH 94, Wallingford, UK, Torfs H., Erosion of mud/sand mixtures, Ph. D. Thesis Katholieke Universiteit Leuven, Verbanck M.A., Field investigation on sediment occurrence and behaviour in Brussels combined sewers, Water Science and Technology, Vol. 25, N. 8, pp , Verbanck M.A., Ashley R.M, Bachoc A., International Workshop on origin, occurrence and behaviour of sediments in sewer systems: summary and conclusions, Water Research Vol. 28, N. 1 pp , Williams D.J.A., Williams P.R., Crabtree R.W., Preliminary investigations into the rheological properties of sewer sediment deposits and the development of a synthetic sewer sediment material for laboratory studies, FWR Report No. FR 0016, Williamson H.J., Tidal transport of mud/sand mixtures. Sediment distributions: a literature review. H.R. Wallingford, Report SR 286, Wotherspoon D.J.J.W., Ashley R.M., Rheological measurement of the yield strength of combined sewer sediment deposits, Water Science and Technology, Vol. 25, No 8, pp , Wotherspoon D.J.J.W., The movement of cohesive sediment in a large combined sewer. PhD. Thesis. University of Abertay Dundee, UK, RINGRAZIAMENTI Questa ricerca è stata cofinanziata dal MIUR nell ambito del progetto di ricerca PRIN 2005 dal titolo Caratterizzazione teorica e sperimentale dell impatto sui corsi d acqua ricettori degli inquinanti conservativi e non conservativi veicolati dalle acque meteoriche urbane. 16