3.1. Pelo morto a monte ed a valle del meccanismo motore Portata massima turbinabile Portata media annua...

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2 Sommario 1. PREMESSA SINTESI DEI DATI DI CONCESSIONE DEFINIZIONE DELLE GRANDEZZE CARATTERISTICHE DELL IMPIANTO Pelo morto a monte ed a valle del meccanismo motore Portata massima turbinabile Portata media annua Potenza nominale di concessione Potenza massima installata Portata minima turbinabile Deflusso Minimo Vitale ANALISI IDROLOGICA Premessa Dati disponibili Ricostruzione dei deflussi giornalieri Coefficiente di adeguamento areale Coefficiente di adeguamento pluviometrico Coefficiente correttivo dei volumi defluiti Curva di durata a Castellarano Curve della portate derivate

3 5. COMPATIBILITÀ IDRAULICA DELL INTERVENTO Incidenza delle opere in progetto sulla dinamica fluviale Incidenza delle opere rispetto all invaso ad uso irriguo DIMENSIONAMENTI IDRAULICI Perdite di carico all imbocco Dimensionamento vasca sghiaiatrice - dissabbiatrice - carico Perdite di carico nella condotta forzata Livello atteso a valle dei diffusori Potenza massima installata Produzione attesa

4 RELAZIONE IDROLOGICA-IDRAULICA 1. Premessa La presente relazione idrologica-idraulica integrativa è stata redatta in seguito ad approfondimenti progettuali svolti a supporto della rivisitazione del lay out dell impianto idroelettrico sulla traversa di Castellerano San Michele sul Fiume Secchia, rivisitazione che risponde a precise richieste da parte della conferenza dei servizi convocata in sede di procedura di valutazione di impatto ambientale dalla Regione Emilia Romagna. 2. Sintesi dei dati di concessione In particolare, oggetto di approfondimento con la presente relazione, risultano i seguenti aspetti: 1. Aggiornamento dei dati idrologici e quindi delle portate disponibili per la derivazione sulla base di nuove elaborazioni e di misure di portata realizzate sul lungo periodo: in particolare, avendo recuperato i dati giornalieri misurati alla sezione di Ponte Bacchello posta più a valle lungo l asta del Fiume Secchia, è stato possibile procedere alla ricostruzione di un idrogramma giornaliero delle portate disponibili, valutando dunque effettivamente l entità di quelle prelevate a scopi irrigui ed industriali. 2. Modifiche al layout progettuale sulla base delle richieste avanzate da parte degli enti preposti in sede di conferenza dei servizi Ciò ha conseguentemente portato ad un aggiornamento delle portate derivate, delle perdite di carico attese, e delle produzioni stimate, andando a modificare in riduzione i dati oggetto di richiesta di concessione inizialmente pubblicati. Come meglio evidenziato nella Tabella 2 di confronto successivamente riportata, i dati rivisitati risultano tutti in riduzione e non costituiscono, ai sensi dell articolo 31 del Regolamento Regionale 41/2001, variante sostanziale, ritenendo pertanto non necessario procedere ad una ripubblicazione dell istanza iniziale. I nuovi dati sono riportati in Tabella 1. 4

5 Impianto Castellarano Quota pelo morto a monte dell impianto Quota pelo morto a valle dell impianto Salto legale Integrazioni m s.l.m m s.l.m m Portata massima turbinabile m 3 /s Portata media annua turbinabile m 3 /s Portata minima turbinabile 1.73 m 3 /s DMV m 3 /s Potenza nominale di concessione Potenza massima installata Produzione stimata media annua kw 1821 KW 6' kwh/anno Tabella 1: Dati di concessione Tabella 2: raffronto fra i dati oggetto di pubblicazione sul BUR e i dati rivisitati Impianto Castellarano Integrazioni Progetto pubblicato Portata massima turbinabile m 3 /s m 3 /s Portata media annua turbinabile m 3 /s m 3 /s Portata minima turbinabile 1.73 m 3 /s 3.00 m 3 /s Potenza nominale di concessione kw 1161 kw Si rileva come le modifiche ai dati di concessione non si configurino come varianti sostanziali ai sensi del Regolamento Regionale 41/2001 in quanto la portata massima derivabile rimane la medesima oggetto di precedente richiesta mentre si ha una riduzione della portata media derivabile e di conseguenza della potenza nominale di concessione. La definizione delle grandezze di cui sopra è trattata in dettaglio nei paragrafi seguenti. 5

6 3. Definizione delle grandezze caratteristiche dell impianto 3.1. Pelo morto a monte ed a valle del meccanismo motore Il pelo morto a monte dell impianto è stato definito sulla base del livello idrico atteso all interno della vasca di carico. Tale quota è stata desunta assumendo un livello idrico in alveo pari alla gaveta della traversa di presa ( m s.l.m.), decurtato delle perdite di carico derivanti dal transito della portata all interno del manufatto di captazione. Il pelo morto a valle del meccanismo motore sarà mantenuto grazie alle caratteristiche geometriche dello stramazzo alla sezione di scarico. Il livello è stato computato nell ipotesi di stramazzo in parete sottile in corrispondenza della soglia a valle della fossa di scarico delle turbine, in presenza della portata media annua. Per i dettagli relativi alle metodologie di calcolo si rimanda al capitolo Portata massima turbinabile La portata massima turbinabile è stata assunta pari a m 3 /s, confermando il valore del progetto definitivo Portata media annua La portata media annua è stata calcolata sulla base dei volumi annui derivati alla luce dell aggiornamento della curva di durata. Si ricava una portata media annua pari a m 3 /s. Per i dettagli di carattere idrologico si rimanda al paragrafo Potenza nominale di concessione La potenza nominale di concessione è stata desunta secondo l espressione formale: Dove: Qm H 1000 Pn 102 Pn: potenza nominale di concessione, pari a kw Qm: portata media annua, pari a m 3 /s H : salto legale, pari a 9.66 m 6

7 3.5. Potenza massima installata La potenza massima installata è pari a 1821 kw. Per ulteriori dettagli si veda il paragrafo Portata minima turbinabile Rispetto alla soluzione impiantistica inizialmente prospettata, si è rivisitato il layout ipotizzando di installare due gruppi idroelettrici tipo kaplan, tali da ripartire la massima portata nelle proporzioni di 1/3 e 2/3, ovvero 8.66 m 3 /s e m 3 /s. La rivisitazione della configurazione impiantistica, come meglio dettagliato all interno della relazione tecnica, è legata alla necessità di ottimizzare il rapporto costi benefici. Le nuove macchine idrauliche individuate permettono infatti di lavorare, mantenendo buoni rendimenti, a portate notevolmente variabili; ciò permette dunque di poter seguire gli andamenti della curva di durata delle portate turbina bili con un minor numero di macchine rispetto a quelle inizialmente prospettate, che risultando macchine monoregolanti, al fine di poter accompagnare le variazioni di portata, devono essere in maggior numero. La portata minima turbina bile, per le Kaplan in progetto, è stata dunque stimata pari al 20% del valore di dimensionamento nominale del gruppo più piccolo, ovvero 1.73 m 3 /s. Tale riferimento è indicativo e dovrà essere oggetto di specifica valutazione in sede di progettazione esecutiva sulla base delle indicazioni del fornitore individuato per le opere elettromeccaniche e dell effettiva percentuale di ripartizione della portata tra i gruppi idroelettrici Deflusso Minimo Vitale Il deflusso minimo vitale è stato definito in sede di progetto in m 3 /s. Oltre a tale valore, sono stati studiati alcuni scenari produttivi connessi all adozione di un rilascio ulteriormente incrementato, pari a 2.72 m 3 /s Rilevato che il presente progetto sottende il solo tratto artificiale di uno sbarramento esistente, il quantitativo di risorsa idrica da lasciar defluire a valle dell opera di derivazione risulterebbe essere la sola quota parte necessaria per la corretta funzionalità della scala di risalita, valore certamente inferiore a quello previsto per il rilascio. Si ritiene comunque utile, ai fini della mitigazione ambientale e paesaggistica, di confermare il rilascio complessivo di m 3 /s, parte dei quali potranno alternativamente sfiorare al di sopra del coronamento della traversa o essere rilasciati dallo scarico di fondo esistente. 7

8 4. Analisi idrologica 4.1. Premessa Dal momento che l impianto idroelettrico in oggetto rientra in un progetto di più ampio respiro, che prevede un utilizzo plurimo della risorsa idrica, risulta indispensabile quantificare con precisione l effettiva disponibilità di portata turbinabile. In sede di presentazione e deposito del progetto complessivo sono stati richiesti i seguenti quantitativi di acqua: Uso idroelettrico Portata massima derivata mc/s Portata media derivata mc /s Portata minima derivata 3.00 mc/s Uso irriguo Destra idraulica portata massima derivata mc/s Destra idraulica portata media derivata 1.70 mc /s Sinistra idraulica portata massima derivata mc/s Sinistra idraulica portata media derivata 1.80 mc/s Uso plurimo (portabile ed industriale) Portata massima derivata mc/s Portata media derivata mc /s Risulta evidente che la quota parte di risorsa destinata ad uso irriguo e plurimo (utilizzi prioritari rispetto all impiego per forza motrice idroelettrica) presenta una variabilità non trascurabile nel corso dell anno. Una conoscenza esaustiva della distribuzione della risorsa utilizzabile nell arco dell anno risulta essere un presupposto di notevole importanza al fine di ottimizzare le opere dell impianto e definire il layout impiantistico più rispondente all effettiva disponibilità idrica. Si è pertanto provveduto a rivedere criticamente quanto prodotto in sede di presentazione del progetto in merito ai dati idrologici adottati per la stima delle portata attese in corrispondenza della sezione di captazione. Nello specifico i dati inizialmente considerati risultavano essere: - La curva di durata alla sezione di Castellarano (punto di captazione) ricostruita nell ambito del quadro conoscitivo del Piano di Tutela delle Acque della Regione Emilia Romagna, ricavata grazie all impiego di un modello afflussi deflussi 8

9 - La curva di durata del fiume Secchia alla sezione di misura di Castellarano, attiva nel periodo , pubblicata dal Servizio Idrografico Italiano all interno degli Annali Idrologici. - I dati prodotti da IDROSER per la Regione Emilia-Romagna nell ambito del progetto di piano per la salvaguardia e l utilizzo ottimale delle risorse idriche in Emilia-Romagna, Bologna, Maggio I dati prodotti da IDROSER per il Magistrato per il Po di Parma nell ambito del Piano di Bacino Idrografico del fiume Secchia, Bologna, Luglio 1992 Fatto salvo per le misure eseguite a Castellarano e pubblicate negli Annali Idrologici, i dati di cui sopra ripropongono dei valori di deflusso medi mensili e la curva di durata media annua. Questo, tuttavia, non consente di analizzare il modo in cui le derivazioni per uso irriguo e plurimo incidono sulla risorsa, dal momento che risultano essere concentrate in periodi temporali specifici dell anno, in particolare nei mesi compresi tra Maggio e Settembre. È stato pertanto cura degli scriventi procedere ad un approfondimento idrologico che ha portato alla definizione di una nuova curva di durata per il bacino sul fiume Secchia a partire da una analisi dei dati giornalieri, con conseguente rivisitazione dei dati di concessione della derivazione a scopo idroelettrico Dati disponibili Lo studio idrologico è stato condotto con la finalità di ricostruire i deflussi medi giornalieri alla sezione di captazione. A tal scopo sono stati considerati i dati raccolti e pubblicati negli Annali Idrologici. I dati disponibili sono riassunti in Tabella 3. Stazione Estensione bacino Altitudine media Anni di funzionamento Secchia Ponte Cavola 348 kmq 971 m s.l.m , Secchia a Ponte Lugo 693 kmq 919 m s.l.m Secchia a Castellarano 941 kmq 831 m s.l.m Secchia a Rubiera SS kmq 694 m s.l.m Secchia a Ponte Alto 1368 kmq 685 m s.l.m Secchia a Ponte Bacchello 1371 kmq 606 m s.l.m Tabella 3: Stazioni di misura attive in prossimità di Castellarano lungo l asta del fiume Secchia 9

10 In considerazione delle serie di dati storici disponibili nonché delle peculiarità del bacino captato, si è ritenuto opportuno impiegare i dati registrati presso la sezione di Ponte Bacchello. Tale stazione infatti: - Risulta attiva per un campione sufficientemente ampio di anni, garantendo una maggior aderenza delle misure con il regime idrologico atteso - È posta a valle della sezione di captazione. Questo implica che le portate naturali misurate risultano essere al netto dei prelievi attualmente in essere sia in corrispondenza della traversa di Castellarano che a valle di essa Ricostruzione dei deflussi giornalieri Al fine di ricostruire un andamento giornaliero dei deflussi naturali del fiume Secchia alla sezione di Castellarano, sono stati impiegati i dati registrati presso la stazione di Ponte Bacchello. Si è scelto di utilizzare le informazioni pubblicate negli Annali Idrologici a partire dal 1970 sino ad oggi, per un totale di 24 anni. Ciò è motivato dal fatto che negli ultimi anni è stata osservata una progressiva riduzione delle precipitazioni sul bacino del Secchia 1. Dal momento che la stazione di Ponte Bacchello sottende un bacino di maggior estensione, si è proceduto attraverso l introduzione di opportuni coefficienti correttivi alla ricostruzione dell idrogramma giornaliero in corrispondenza della sezione di presa. Tali coefficienti tengono conto della diversa estensione areale, della variazione del regime pluviometrico, e dei dissimili coefficienti di deflusso: c Area sez. captata A coefficiente di adeguamento areale Areabacino _ riferiment o c P Piovosità sez. captata coefficiente di adeguamento pluviometrico Piovosità bacino_ riferiment o c D Deflusso sez. captata coefficiente di adeguamento dei volumi defluiti Deflusso bacino_ riferiment o K c c c coefficiente di adeguamento complessivo A P D 1 Atlante idroclimatico dell Emilia-Romagna ARPA Emilia-Romagna,

11 Coefficiente di adeguamento areale Il coefficiente di adeguamento areale risulta di semplice definizione, in quanto per la sua stima è sufficiente conoscere l estensione del bacino alla sezione captata, e quella del bacino sotteso alla sezione di misura. Si evidenzia unicamente che i dati pubblicati negli Annali Idrologici riportano un differente valore del bacino sotteso a Ponte Bacchello a partire dal Pertanto: - Secchia a Castellarano (bacino captato) kmq - Secchia a Ponte Bacchello (bacino di riferimento, ) kmq - Secchia a Ponte Bacchello (bacino di riferimento, ) kmq Da cui c A = (fino al 1985) oppure c A = (dal 2005) Coefficiente di adeguamento pluviometrico Il coefficiente di deflusso pluviometrico è stato desunto studiando l andamento delle precipitazioni sul bacino del fiume Secchia, in modo da poter confrontare la differenza di afflussi meteorici tra la porzione sottesa alla traversa di Castellarano e quella intercettata a Ponte Bacchello. Al tale scopo sono stati impiegati i valori medi annui di precipitazione sui bacini sottesi alle sezioni di chiusura monitorate. Per omogeneità, sono state selezionate le stazioni più prossime a quella captata, e per il solo periodo in cui sono risultate attive in modo congiunto ( ). Nello specifico sono state considerate le stazioni riportate in Tabella 4. Stazione Altitudine media Piovosità media Secchia Ponte Cavola 971 m s.l.m mm Secchia a Ponte Lugo 919 m s.l.m mm Secchia a Ponte Bacchello 606 m s.l.m mm Tabella 4: Andamento della pluviometria in funzione dell altitudine L interpolazione della curva precipitazione media annua-altitudine ben si addice ad una rappresentazione tramite retta di regressione. Il risultato è mostrato in Figura 1. 11

12 Figura 1: Precipitazioni attese L analisi ha evidenziato una piovosità media sul bacino captato di poco inferiore al 18% rispetto a quello di riferimento. In particolare, quindi, c P = Coefficiente correttivo dei volumi defluiti Il coefficiente di adeguamento dei volumi defluiti risulta di difficile quantificazione dipendendo dal coefficiente di deflusso dei bacini in esame (ossia il rapporto tra i volumi in ingresso e quelli complessivamente defluiti), uno dei parametri più affetti da aleatorietà. È infatti molto complesso da determinare, poiché dipende dal grado e dalla tipologia di copertura vegetale, dalla durata della singola precipitazione, dalle condizioni del terreno, ecc. È pratica diffusa ipotizzare che il coefficiente di deflusso vari proporzionalmente con l estensione del bacino. In particolare al diminuire dalla superficie captata, si apprezza un incremento di suddetto coefficiente. Bisogna tuttavia considerare che le misure di portate effettuate presso la stazione di riferimento di Ponte Bacchello risultano essere al netto dei prelievi effettuati per scopo irriguo, come già sopra precisato. Il coefficiente di deflusso, pertanto, sarà affetto anche da tali prelievi oltre che dai processi naturali. Considerando che lo scopo della presente analisi è ottenere una curva di durata al netto delle derivazioni, ricavare un coefficiente di deflusso sulla sezione di captazione mediante una interpolazione lineare ne comporterebbe una sovrastima. Si è pertanto scelto di assumere c D = 1, ipotizzando così che la percentuale di deflussi attesa a Castellarano sia omogenea a quella registrata presso la stazione di Ponte Bacchello. 12

13 4.4. Curva di durata a Castellarano Attraverso i dati sopra descritti è stato possibile stimare i deflussi presso la sezione di Castellarano sotto forma di idrogramma giornaliero sui 24 anni di dati disponibili. A partire da questi si è poi ricostruita la curva di deflusso del periodo Tale curva è riportata sinteticamente in Tabella 5 e Figura 2, ove è raffrontata alla curva derivante dal PTA (impiegata nel progetto depositato). Durata Integrazioni (Q giornaliere) Progetto depositato (PTA) Q media Tabella 5: Curva di durata derivante da portate medie giornaliere e curve calcolare in sede progettuale Figura 2: Andamento dei deflussi attesi in funzione dei dati di origine 13

14 Dal confronto emerge che: - I dati derivanti dalle registrazioni di Ponte Bacchello presentano valori pressoché coincidenti in corrispondenza di durate inferiori ai 100 giorni. - Oltre i 100 giorni la curva qui ricostruita si riduce in modo netto, verosimilmente per effetto delle derivazioni a scopo irriguo e plurimo, fenomeno di cui i dati di Ponte Bacchello tengono conto. I dati di portata media giornaliera così ricostruiti sono stati quindi impiegati come nuovo riferimento per il calcolo delle portate turbinabili e conseguentemente per i nuovi dati di concessione e la produzioni attese dell impianto in progetto Curve della portate derivate Note le portate naturali attese presso la sezione di Castellarano al netto della derivazione ad uso irriguo ed industriale, è possibile definire la distribuzione della portata derivata nell arco dell anno. Sono state stimate le seguenti condizioni di gestione: - Assenza di derivazione in presenza di portata a fiume superiore a 150 m 3 /s - Portata minima di armamento turbine pari a 1.73 m 3 /s. Tale valore è stato assunto nell ipotesi di installare due gruppi idroelettrici caratterizzati rispettivamente da una portata nominale pari ad 1/3 e 2/3 della portata massima derivabile. Nell ipotesi che entrambi siano delle turbine tipo Kaplan a doppia regolazione, sarebbe possibile derivare una portata pari al 20% del valore nominale senza una significativa caduta dei rendimenti, ovvero 1.73 m 3 /s. - DMV pari a m 3 /s L analisi è stata condotta sulla base della ricostruzione dei deflussi a partire dal 1970, utilizzando il campione sull intero arco temporale. Deriva pertanto la curva delle portate derivata mostrata in Tabella 6. 14

15 Durata delle portate derivate Portata derivata Tabella 6: Andamento delle portate derivate Da cui si evince che: - La derivazione è attesa per circa 247 giorno all anno - La portata media annua derivata è pari a m 3 /s I valori di cui sopra, in particolare la portata minima di armamento, saranno confermati in sede di progettazione esecutiva sulla base delle specifiche dei gruppi adottati. 15

16 5. Compatibilità idraulica dell intervento 5.1. Incidenza delle opere in progetto sulla dinamica fluviale L intervento non apporterà alcuna modifica rispetto alle condizioni di deflusso preesistenti. In sede di progettazione definitiva è stata condotta, dall Ing.Bizzarri, una modellazione idraulica che ha evidenziato i livelli idrici attesi lungo l asta del fiume Secchia in presenza di un evento di piena bicentenario. Tale lavoro ha messo in evidenza che: - l invaso ad uso irriguo realizzato a monte andrà a produrre un importante effetto di laminazione dei volumi di piena - nelle sezioni immediatamente a valle della traversa di Castellarano i livelli di piena risultano contenuti all interno dell alveo inciso, e non vi è esondazione al di sopra del terrazzo alluvionale ove è prevista la realizzazione della centrale di produzione. Nel presente progetto, tutte le opere saranno realizzate interrate al di fuori di aree ascrivibili all alveo fluviale attivo o alveo inciso e potenzialmente interessate dai deflussi di piena. La captazione avverrà infatti attraverso un manufatto esistente, già integrato nell argine di nuova costruzione a servizio dell invaso ad uso irriguo. La vasca di dissabbiazione, la condotta forzata, la centrale di produzione ed il canale di scarico saranno localizzati all esterno dell alveo inciso, e saranno completamente interrati al di sotto del piano campagna. Le acque saranno restituite immediatamente a valle della traversa esistente. Nell insieme le opere in progetto non interesseranno l alveo inciso e non produrranno alcun tipo di effetto turbativo sulla corrente, lasciando inalterato l attuale regime dei deflussi naturali Incidenza delle opere rispetto all invaso ad uso irriguo Il sedime del manufatto dissabbiatore interesserà parzialmente l area attualmente destinata ad invaso ad uso irriguo, inducendo una lieve diminuzione dei volumi disponibili. In particolare il manufatto, che 16

17 reinterrato, occuperà complessivamente un volume pari a circa 16'000 m 3. Dal momento che l invaso è caratterizzato da un volume complessivo pari a circa 800'000 m 3, la riduzione incide complessivamente per circa il 2%. Si ritiene che tale lieve decremento della capacità di invaso non induca alcun effetto apprezzabile nelle diverse condizioni di funzionamento del bacino, in particolare quando viene utilizzato come volume di laminazione delle portate di piena. 6. Dimensionamenti idraulici Il funzionamento dell impianto è stato studiato al variare delle portate derivate. Nello specifico sono stati determinati i battenti attesi all interno della vasca dissabbiatrice (pelo morto a monte del meccanismo motore) e immediatamente a valle dei diffusori (pelo morto a valle del meccanismo motore). Oltre a ciò sono inoltre state computate le perdite di carico lungo la condotta forzata Perdite di carico all imbocco La derivazione da fiume avviene attraverso un manufatto esistente a doppia sezione rettangolare di dimensioni interne pari a 2.50x2.75 m, per una lunghezza complessiva pari a m. Al fine di pervenire alla definizione delle perdite di carico distribuite si è utilizzata la formulazione proposta da Chezy: Dove: : perdite di carico distribuite : lunghezza del tracciato : cadente idraulica : portata transitante : area del condotto 17

18 : coefficiente di scabrezza nella formulazione di Gauckler-Strickler : raggio idraulico A queste sono poi state sommate le perdite di carico concentrate attese in corrispondenza dell imbocco e dello sbocco dell opera: Dove: H conc : perdita di carico concentrata v: velocità della corrente g: accelerazione gravitazionale : coefficiente di perdita di carico 2 v H conc 2g Il coefficiente di perdita di carico è stato assunto, cautelativamente, pari a 0.5 per l imbocco, ed 1 per lo sbocco. Applicando la metodologia sopra descritta è attesa una perdita di carico pari a 36 cm in presenza della portata massima turbinabile, e pari a 6 cm al transito della portata media annua. Il pelo morto a monte del meccanismo motore si ricava pertanto sottraendo alla quota della gaveta della traversa ( m s.l.m.) le perdite di carico, stimato così in m s.l.m. 18

19 6.2 Dimensionamento vasca sghiaiatrice - dissabbiatrice - carico Al fine di garantire il corretto funzionamento dell impianto idroelettrico ed in particolare di preservare le turbine idrauliche dall ingresso di materiale trasportato dalla corrente, è stato previsto a monte della condotta forzata un apposito manufatto di chiarificazione. Al fine di dimensionare la vasca dissabbiatrice risulta di fondamentale importanza definire le dimensioni minime delle particelle da sedimentare; in particolare, visto il tipo di turbine adottate (turbina tipo Kaplan), si deve provvedere alla sedimentazione di particelle piuttosto fini, di dimensioni pari a 2mm circa. La larghezza del dissabbiatore è stata determinata tenendo in debita considerazione da un lato la necessità di contenere gli ingombri per la realizzazione dell opera in progetto e dall altro di ridurre le velocità della corrente onde favorire il processo di sedimentazione. Pertanto la vasca dissabbiatrice presenterà uno sviluppo lineare di circa 50 metri ed una larghezza variabile tra 7.37 m e m (valore medio circa 12 metri). In condizioni di portata massima derivata all interno della vasca è atteso un livello pari a m s.l.m. così come definito e calcolato al paragrafo precedente. Al fine del dimensionamento dell opera si consideri la condizione di portata massima derivata pari a Q = mc/s e una altezza d acqua nel dissabbiatore mediamente pari a circa 3.25 m. La vasca è stata dimensionata con tre metodi diversi che forniscono sostanzialmente risultati analoghi ed in particolare: Dimensionamento tramite il concetto di carico idraulico Formula sperimentale di Egiazaroff Metodo proposto sul manuale di ingegneria civile volume I della Zanichelli 19

20 Si immagini il dissabbiatore come un parallelepipedo largo b, con tirante hmedio pari a 3.25 m, di lunghezza utile L, da permettere al transito di una portata Q (=26.00 m3/s) la sedimentazione delle particelle di 2 mm di diametro. Si ipotizzi che: - la concentrazione delle particelle in sospensione sia la stessa in tutti i punti della sezione di imbocco; - le particelle non interagiscano tra loro; - una particella si intenda rimossa quando tocca il fondo; - le traiettorie delle particelle siano rettilinee. Siano inoltre u = velocità media orizzontale (=Q/b/hmedia) kg/mc kgs^2m^-4 x 10^-4 kgs/mq rispettivamente peso specifico, massa di volume e viscosità dell acqua a 0 C (condizione più gravosa per la sedimentazione). Fissata la dimensione limite inferiore d 0 delle particelle da sedimentare (di peso specifico s ), la velocità di caduta in acqua ferma è data da: Metodo del carico idraulico 4 0 s d 3C d Con C d coefficiente di resistenza calcolato sulla base del numero di Reynolds iterativamente attraverso la seguente C d 24 Re 3 Re

21 Tutte le particelle caratterizzate da carico idraulico Ci < alla velocità di sedimentazione verranno trattenute all interno del dissabbiatore. In particolare assumendo quali valori dei parametri fisici i precedenti si ottiene: Dimensionamento dissabbiatore metodo carico idraulico d(0) = = s = 2.00 mm kgs^2/m^ kg/mc kg/mc 0.00 kgs/mq 0.16 m/s Re = Cdn = 2.00 Q = h media = larghezza b = vel media u = Lunghezza L = mc/s 3.25 m m 0.67 m/s m Metodo di Egiazaroff La vasca è dimensionata con una formula sperimentale che tiene conto della turbolenza del moto. In particolare la componente verticale della velocità di agitazione in seno ad una corrente con velocità di traslazione u secondo Egiazaroff è data da: 21

22 u v H Affinché avvenga la sedimentazione si deve avere lunghezza minima pari a Hu L v dove si calcola con la formula di cui al precedente metodo. Pertanto si ottiene che Dimensionamento dissabbiatore formula di Egiazaroff d(0) = = s = 2.00 mm kgs^2/m^ kg/mc kg/mc 0.00 kgs/mq 0.13 m/s Re = Cdn = 0.76 Q = h media = larghezza b = vel media u = Lunghezza L = mc/s 3.25 m m 0.67 m/s m 22

23 Metodo del Manuale di Ingegneria Civile Il metodo è sostanzialmente analogo al precedente con la differenza che la velocità di sedimentazione indicata dal manuale con il simbolo al posto di si ricava dal grafico seguente Dimensionamento dissabbiatore formula manuale d(0) = = s = 2.00 mm kgs^2/m^ kg/mc kg/mc 0.00 kgs/mq 0.15 m/s Re teorico = Q = h media = larghezza b = vel media u = Lunghezza L = mc/s 3.25 m m 0.67 m/s m Non definendo il grafico precedentemente riportato il valore della velocità di sedimentazione per particelle delle dimensioni pari a 2 mm si è assunto cautelativamente il valore in corrispondenza della dimensione inferiore di 1.6 mm. 23

24 A seconda del metodo adottato le lunghezze minime del dissabbiatore risultano variabili da m a m. La lunghezza prevista (50 m) risulta quindi adeguata sia per consentire la regolarizzazione della vena liquida prima dell elemento dissabbiante che per il deposito del materiale trasportato dalla corrente. Il dissabbiatore sarà dotato di organi automatici di pulizia (paratoie di spurgo) permettendo cacciate periodiche dalla vasca. La portata scaricata attraverso tali paratoie di spurgo viene collettata verso l alveo fluviale a valle della traversa attraverso un apposito di canale di pulizia Tale organo di scarico è anche preposto all allontanamento della portata scolmata attraverso lo sfioratore di troppo pieno del dissabbiatore. Al fine del dimensionamento della vasca di carico, si è ipotizzato di voler impostare il livello del pelo libero all interno della vasca in modo da avere: a. la garanzia del ricoprimento minimo dell estradosso della condotta forzata in ogni condizione di funzionamento per far fronte in particolare al fenomeno del richiamo all imbocco della vena; b. la garanzia, al di sopra del ricoprimento minimo, di un volume d acqua che funzioni come volano durante i tempi di chiusura e apertura delle macchine. In dettaglio: a. calcolo del franco minimo sopra l estradosso della condotta: deve essere pari a un minimo di 1.5 volte l energia cinetica che viene dissipata all imbocco della condotta stessa. Supponendo di trovarci nelle condizioni critiche di portata massima derivata (26.0 m3/s), diametro nominale della condotta pari a 3000 mm si ottiene un valore della velocità all imbocco della condotta forzata pari a: v Q m s c A / 24

25 v H m 2g 2 Considerando la contrazione della vena all imbocco si ottengono valori della velocità ancora maggiori, in quanto l area contratta risulta ridotta di un 60 %: v Q m s c A / vc H m 2g 2 Si adotterà in definitiva un ricoprimento di esercizio a favore di sicurezza sempre maggiore di 2.88 m. Sarà inoltre opportuno dotare la condotta forzata alla partenza di imbocco tronco conico onde ridurre le perdite di carico e valutare l opportunità di dotarla di tubo aeroforo per il rientro d aria. b. volume necessario per i tempi di apertura chiusura: considerando un tempo di manovra e di reazione della macchina = 60 s è necessario un volume di controllo che permetta alla portata di passare dal valore massimo al valore zero, durante manovre di chiusura rapida, senza che il livello dell acqua in vasca di carico si abbassi sotto la quota di franco minimo calcolata al punto a. Il valore del volume di controllo è calcolabile come: V c Qmax m 3 Tale volume risulta disponibile al di sopra del livello minimo di sicurezza rilevata la importante dimensione della vasca dissabbiatrice. 25

26 In fase di appalto sarà necessario verificare le condizioni relative ai tempi di chiusura e apertura delle macchine, individuando la curva di apertura e di chiusura; inoltre dovranno essere studiate, in funzione delle condizioni precedenti, anche le eventuali oscillazioni di massa che si potrebbero verificare all interno della vasca a seguito delle manovre di macchina e i fenomeni di colpo d ariete. 6.3 Perdite di carico nella condotta forzata Al fine della valutazione delle perdite di carico all interno della condotta forzata è stato mantenuto il medesimo approccio sopra descritto, presupponendo per le perdite di carico concentrate, di assumere un coefficiente pari a 0.3 alla luce dell imbocco raccordato. Dal momento che la condotta forzata presenta un diametro interno pari a 3000 mm ed una lunghezza pari a circa m, le perdite di carico sono pari a 34 cm in presenza di m 3 /s (portata massima) mentre per la portata media sono stimate in 2 cm. 6.4 Livello atteso a valle dei diffusori A valle dei diffusori di scarico delle turbine, prima del raccordo con il canale di scarico, è prevista la realizzazione di una apposita soglia con funzionamento a stramazzo, la cui sommità sarà posta a m s.l.m. Tale elemento assolverà la funzione di regolazione e di mantenimento di un opportuno livello di valle all interno della vasca di scarico, in modo da prevenire effetti di cavitazione delle macchine. Potrà inoltre essere utilizzato come sezione di controllo e misura delle portate turbinate, previa taratura sperimentale della sezione e installazione di un misuratore di livello. In presenza di portate di piena a fiume, fermo impianto, ed avaria delle paratoie di guardia del canale di scarico, lo stramazzo fungerà da barriera di intercettazione di eventuale materiale in ingresso da valle preservando così le turbine idrauliche da eventuali problemi di intasamento. I livelli attesi a valle sono quindi stati computati supponendo un efflusso a stramazzo, secondo la formula: 1.5 Q L h 2g Dove: Q : Portata transitante 26

27 : coefficiente di contrazione, assunto pari a 0.38 L : lunghezza della soglia stramazzante, pari a m h : altezza d acqua a monte della soglia g : accelerazione di gravità Si evince che: - In presenza di m 3 /s il battente atteso è pari a 1.15 m, corrispondente ad una quota pari a m s.l.m. - In presenza della portata media annua derivata (10.54 m 3 /s) è atteso un battente pari a 0.63 m, pari a m s.l.m., quota che per definizione coincide con il pelo morto a valle del meccanismo motore Ai fini cautelativi, è stato computato anche il battente stimato in presenza di totale interrimento del canale sino alla quota stramazzante. La geometria del canale garantisce, per larghezza della sezione e pendenze, una altezza di moto uniforme pressoché coincidente con le altezze stimate in presenza di stramazzo. 6.5 Potenza massima installata La potenza massima installata è stata calcolata considerando le perdite di carico, precedentemente esplicitate, lungo il sistema di adduzione, che definiscono così un salto utile pari a 8.50 m. Dal momento che il sistema elettromeccanico proposto è caratterizzato da dissipazioni energetiche non trascurabili (per via dei rendimenti del gruppo turbina-alternatore, del generatore, della cinghia di trasmissione, ecc.) è stato adottato un coefficiente di rendimento, cumulativo dei suddetti elementi, pari al 84%, in modo da tener conto delle perdite presenti sino al momento della consegna dell energia alla rete. Da ciò si desume la potenza massima installata sia pari a 1821 kw, calcolata come: Dove: P: potenza massima installata : rendimento del sistema gruppo turbina-alternatore-trasformatore (84%) 27

28 : peso specifico dell acqua (9.806 kn/m 3 ) H reale : salto netto (8.50 m) Q: portata massima (26.00 m 3 /s) 6.6 Produzione attesa Ai fini del calcolo della produzione attesa si è proceduto a valutare le perdite di carico, secondo le modalità sopra espresse, al variare della portata derivata nel corso dell anno. Sono quindi stati stimati i livelli a monte ed a valle, le potenze raggiunte, e le produzioni attese. Una sintesi delle elaborazioni è mostrato in Tabella 7. 28

29 Durata Portata derivata Quota a fiume Perdite di imbocco Perdite in condotta Quota a valle Salto netto Potenza Produzione media di periodo giorni m 3 /s m s.l.m. m m m s.l.m. m kw kwh Tabella 7: Andamento delle portate derivate, dei salti netti e delle produzioni attese Da cui si desume una produzione media annua pari a 6,769,651 kwh 29