RELAZIONE IDROLOGICA - IDRAULICA

COMUNE DI EMPOLI PROVINCIA DI FIRENZE REALIZZAZIONE STRADA DI COLLEGAMENTO TRA VIA PIOVOLA E LO SVINCOLO "EMPOLI EST" DELLA S.G.C. FI-PI-LI PROGETTO DEFINITIVO COMMITTENTE COMUNE DI EMPOLI RELAZIONE IDROLOGICA - IDRAULICA Ing. Matteo Caroti FEBBRAIO 2016

Sommario 1 Premessa... 3 2 Inquadramento territoriale... 3 3 Regimazione delle acque di piattaforma stradale... 4 3.1 Calcolo dello spessore di pioggia... 4 3.2 Calcolo della portata di progetto per la zanella... 5 3.3 Dimensionamento della zanella di progetto... 5 3.4 Dimensionamento delle canalette di progetto... 6 4 Verifica degli scatolari di attraversamento in progetto... 9 5 Conclusioni... 11

1 Premessa Nel comune di Empoli, tra le località di Ponterotto e Villanuova, è stata progettata una viabilità di collegamento tra la Strada di Grande Comunicazione Firenze Pisa Livorno, in corrispondenza dello svincolo Empoli Est, e via della Piovola, lunga circa 1 Km. La strada in progetto, a unica carreggiata e in rilevato, percorrerà un area rurale, intersecando alcuni corsi d acqua campestri. Il presente studio è volto alla regimazione delle acque meteoriche relative alla strada in progetto e alla progettazione degli scatolari di attraversamento dei corsi d acqua intersecati. 2 Inquadramento territoriale L area di studio, mostrata in Figura 1, si trova nel Foglio 274080 della Carta Tecnica Regionale della Toscana in scala 1:10.000, e nei Fogli 18I39 e 18I40 in scala 1:2.000. Figura 1: Inquadramento dell area di progetto della nuova viabilità. Come mostra la Figura 2, la strada in progetto interseca due corsi d acqua campestri, evidenziati nel reticolo di cui alla L.R. 79/2012, aggiornato con D.C.R.T. 9/2015; poiché essi fanno parte del reticolo idraulico minore, non possiedono riferimenti toponomastici, e sono stati chiamati per chiarezza coi nomi di Fosso Est e Fosso Ovest. Entrambi i corsi d acqua proseguono poi in direzione Nord, con recapito finale in Arno.

Figura 2: Strada in progetto e attraversamento dei fossi campestri. 3 Regimazione delle acque di piattaforma stradale Come mostra la Tavola 3 allegata, la strada in progetto, a doppia corsia di marcia e unica carreggiata, avrà una larghezza di 9 m, e sarà sagomata a schiena d asino, così da inviare le acque meteoriche verso le due zanelle laterali poste in banchina; le acque saranno quindi raccolte da degli embrici posti lungo le scarpate del rilevato stradale che le convoglieranno all interno di canalette al piede del rilevato; da qui saranno allontanate in direzione del reticolo idraulico superficiale. Per la regimazione delle acque di piattaforma si adotta la seguente procedura: 1) Si calcola lo spessore di pioggia sulla strada con tempo di ritorno TR di 20 anni e durata di 10 minuti; 2) Ipotizzando la posa in opera di un embrice ogni 30 m di lunghezza della strada, per ciascuno dei due lati, si calcola il volume d acqua prodotto da tale pioggia sull area di competenza di ciascun embrice, e la portata cui dà luogo tale volume in 10 minuti; 3) Si sceglie, tra quelle disponibili in commercio, una zanella tale da poter smaltire la portata prevista; 4) Si progettano poi le canalette laterali al piede del rilevato stradale, scegliendo una pendenza che tenga conto dell attuale morfologia del terreno, e verificando che la sezione utile sia tale da poter convogliare la portata cumulata in arrivo da tutti gli embrici afferenti alla canaletta stessa. 3.1 Calcolo dello spessore di pioggia Per quantificare lo spessore di pioggia che interessa la sede stradale, sono stati presi a riferimento i dati del Settore Idrologico Regionale (S.I.R.) della Regione Toscana, disponibili sul sito:

http://www.sir.toscana.it/index.php?ids=4&idss=19. In particolare, sono stati analizzati i dati delle stazioni pluviografiche più vicine all area di studio, quella di Empoli e quella di Turbone. Per ciascuna delle due stazioni, fissato il tempo di ritorno dell evento pari a 20 anni, il sistema fornisce i relativi parametri a ed n della curva di possibilità pluviometrica. È stata calcolata una media dei due parametri ponderata sulla distanza tra le stazioni e il sito oggetto di studio, che ha restituito i valori di a = 46.37 e n = 0.238, come mostrato in Tabella 1. La curva di possibilità pluviometrica per il TR di 20 anni per il sito della strada risulta quindi: h= =46.37. Tr 20 anni STAZIONE COMUNE ID Latitudine Longitudine distanza Km a n Empoli Empoli TOS01004941 4842883,16 1656706,48 4,1068 46,36 0,25065 Turbone Montelupo F.no TOS01004921 4842453,89 1663945,46 3,2956 46,39 0,22273 Prunecchio Empoli 4841955,81 1659868,94 46,37 0,238 media t 10 min Tabella 1: Calcolo dei parametri a ed n della C.P.P. per Tr di 20 anni. Per il presente scopo si sceglie una durata di pioggia di 10 minuti, ottenendo uno spessore di 30,26 mm. 3.2 Calcolo della portata di progetto per la zanella Si ipotizza la posa in opera di un embrice trasversale di drenaggio, lungo ciascuna delle due scarpate laterali, ogni 30 m di lunghezza della strada. Ogni embrice raccoglierà perciò un volume d acqua pari allo spessore di pioggia di 30,26 mm caduto su una superficie rettangolare con un lato di 30 m e un altro di 4,50 m, pari a metà carreggiata, dando luogo in 10 minuti a una portata di: = 0.03026 30 4,50 600 3.3 Dimensionamento della zanella di progetto =0.0068 =6,81 / E necessaria la scelta di una zanella prefabbricata in calcestruzzo capace di smaltire questa portata; prendendo in considerazione un manufatto del tipo di quello mostrato in Figura 3, se ne effettua la verifica idraulica in moto uniforme, secondo la relazione di Chezy: Dove: =! "=# $! / " - Q: portata massima transitante nella zanella (m 3 /s) - A: sezione di deflusso della zanella (m 2 ) - c: parametro di resistenza al moto

- R: raggio idraulico della sezione, R=A/C, con C contorno bagnato della sezione; - i: pendenza della zanella. La condizione di moto considerata è quella usuale di moto assolutamente turbolento, ossia per numero di Reynolds superiore a 2500: in questa situazione il parametro di resistenza al moto, c, dipende solo dalla scabrezza relativa della condotta, e non più dal numero di Reynolds. Il parametro di resistenza al moto c viene quindi calcolato tramite l'espressione di Gauckler e Strickler: =# $! dove k s (m 1/3 s -1 ) è il coefficiente di scabrezza secondo Gauckler e Strickler, il cui valore, funzione del tipo di materiale e dello stato di conservazione, è stato stimato per il calcestruzzo pari a 70 m 1/3 s -1. Lato misura (cm) A 75 B 50 C 10 D 19 E 6 Figura 3: Zanella prefabbricata tipo Considerando una zanella in cls prefabbricata tipo Gruppo MCM con le dimensioni mostrate in Figura 3, ne è stato calcolato il raggio idraulico (Tabella 2); per una pendenza pari a quella della strada in progetto, del 5 per mille, si ottiene per la zanella piena una portata di 8,47 l/s, maggiore di quella di progetto per TR di 20 anni, pari a 6,81 l/s. Area Contorno bagnato ZANELLA PREFABBRICATA IN CLS Raggio pendenza Scabrezza idraulico A C R i ks Tabella 2: Calcolo della portata smaltita dalla zanella in progetto. 3.4 Dimensionamento delle canalette di progetto PORTATA m 2 m m m 1/2 /s m 3 /s l/s 0,0186 0,666 0,0279 0,005 70 0,008 8,47 La Tavola 2 mostra il profilo longitudinale del rilevato stradale in progetto e del terreno nello stato attuale. Le canalette longitudinali di raccolta delle acque meteoriche provenienti dagli embrici sono state disegnate con la finalità di raggiungere il corso d acqua recettore con pendenza adeguata, tenendo conto dell attuale morfologia del terreno e della necessità di raccogliere anche un aliquota Q

di acque drenate dai campi prospicienti la strada, mantenendo perciò una quota di fondo sempre inferiore a quella del piano campagna. Prendendo in considerazione il lato di Est della strada in progetto, da Sud-Ovest verso Nord-Est, sono state previste cinque canalette: le canalette n. 1 e 2 convergono in direzione del Fosso Ovest; le canalette 3 e 4 convergono in uno scatolare in corrispondenza della sezione n. 26; la canaletta n. 5, infine, scorre verso Nord fino ad immettersi nel Fosso Est in prossimità della rotatoria. Si ipotizza per le canalette una sezione trapezia con base e altezza di 50 cm, pendenza della sponda esterna di 45, e pendenza della sponda adiacente alla scarpata stradale di 3 su 2, come la scarpata stessa. La sezione della canaletta è mostrata nella Tavola 3. E stata assunta l ipotesi che ciascuna canaletta, oltre a convogliare la portata in ingresso dagli embrici afferenti, raccolga anche un aliquota di portata di provenienza dei campi adiacenti, per una fascia parallela alla strada di 150 m. Per una stima di tale portata si utilizza il metodo razionale: Dove: %& ',(= h%& ',( - Q: portata al colmo per il tempo di ritorno T r ; - A: area del bacino; - h(t r, t): spessore di pioggia di tempo di ritorno T R e durata t; - t: tempo di corrivazione; - Ø: coefficiente di deflusso. E stato ipotizzato cautelativamente un tempo di corrivazione pari a 10 minuti, e un coefficiente di deflusso in terreno di campagna pari a 0,1. Per ogni canaletta è stata calcolata la superficie del bacino adiacente, per la fascia di larghezza 150 m. BACINI - TR 20 CUNETTA AREA TC PIOGGIA COEFF. DEFLUSSO PORTATA Q m 2 min mm m 3 /s l/s 1 50 995,4 10 30,26 0,1 0,26 257,20 2 4 039,4 10 30,26 0,1 0,02 20,37 3 31 671,4 10 30,26 0,1 0,16 159,74 4 43 303,6 10 30,26 0,1 0,22 218,40 5 28 247,5 10 30,26 0,1 0,14 142,47 Tabella 3: Calcolo del contributo di portata dei campi adiacenti La Tabella 3 mostra il calcolo della portata per i bacini di terreno campestre afferenti alle cinque canalette in progetto. A ciascun valore sarà poi sommata la portata di provenienza degli embrici in ingresso.

In Tabella 4 è riassunto il calcolo della portata totale che ciascuna canaletta deve convogliare, come somma di quella dovuta alle acque di piattaforma e quella in arrivo dal terreno campestre. CUNETTA N. LUNGHEZZA PENDENZA N. EMBRICI RACCOLTI PORTATA DAGLI EMBRICI PORTATA DAL CAMPO Tabella 4: Calcolo della portata relativa a ciascuna canaletta PORTATA TOT. m % l/s l/s l/s 1 333 0,3 12 81,71 257,20 338,90 2 26 0,5 1 6,81 20,37 27,18 3 245 0,2 8 54,47 159,74 214,21 4 239 0,2 8 54,47 218,40 272,87 5 110 0,2 4 27,24 142,47 169,70 Per la verifica della sezione della canaletta, effettuata in moto uniforme con la relazione di Chezy, analogamente a quanto descritto in precedenza per la zanella, si ipotizza, per semplicità di calcolo e in via cautelativa, una sezione trapezia isoscele, con entrambe le sponde inclinate di 45. Si assegna un scabrezza k s di 33 m 1/2 /s per canalette in terra non rivestite. Si procede alla verifica di due canalette: La n. 1, essendo la più sollecitata da ingressi di portata in quanto più lunga, con pendenza del 3 per mille, la cui verifica è sintetizzata in Tabella 5; La n. 4, essendo quella con maggior portata tra le canalette a pendenza minore (2 per mille), verificata in Tabella 6. Dalle verifiche si ottiene che le canalette trasversali sono idonee a convogliare le portate previste con tempo di ritorno di 20 anni e un franco di almeno il 25% sull altezza utile. Tirante Riempimento Area Contorno bagnato CANALETTA 1 Raggio idraulico pendenza Scabrezza H Ω A C R i ks m % m 2 m m m 1/2 /s m 3 /s l/s 0,5 100% 0,500 1,914 0,2612 0,003 33 0,3693 369,29 0,4 80% 0,450 1,631 0,2758 0,003 33 0,3447 344,66 0,376 75% 0,438 1,563 0,2801 0,003 33 0,3389 338,95 0,3 60% 0,400 1,349 0,2966 0,003 33 0,3216 321,56 0,2 40% 0,350 1,066 0,3284 0,003 33 0,3011 301,14 0,1 20% 0,300 0,783 0,3832 0,003 33 0,2861 286,08 Tabella 5: Verifica idraulica in moto uniforme della canaletta n. 1 PORTATA Q

Tirante Riempimento Tabella 6: Verifica idraulica in moto uniforme della canaletta n. 4 E stato preso in considerazione il lato di Est della strada, ma le verifiche si ritengono valide anche per le canalette del lato di Ovest, perfettamente speculari, ad esclusione della parte di Nord in prossimità della rotatoria. Area Contorno bagnato CANALETTA 4 Raggio idraulico pendenza Scabrezza H Ω A C R i ks PORTATA m % m 2 m m m 1/2 /s m 3 /s l/s 0,5 100% 0,500 1,914 0,2612 0,002 33 0,3015 301,52 0,4 80% 0,450 1,631 0,2758 0,002 33 0,2814 281,42 0,356 71% 0,428 1,507 0,2840 0,002 33 0,2729 272,92 0,3 60% 0,400 1,349 0,2966 0,002 33 0,2626 262,56 0,2 40% 0,350 1,066 0,3284 0,002 33 0,2459 245,88 0,1 20% 0,300 0,783 0,3832 0,002 33 0,2336 233,59 Q 4 Verifica degli scatolari di attraversamento in progetto La strada in progetto sarà attraversata da tre scatolari prefabbricati in cemento armato: Quello di attraversamento del Fosso Ovest, di dimensioni interne di 2,00x1,50(H) m, considerando come dimensioni utili per il calcolo idraulico 2,00x1,25(H) m; Quello di attraversamento del Fosso Est, di dimensioni interne di 3,00x1,25(H) m, considerando come dimensioni utili 3,00x1,00(H) m; Quello di raccolta delle canalette 3 e 4 in corrispondenza della sezione n. 26, di dimensioni interne di 1,00x0,60(H) m. Per la stima delle portate di progetto dei primi due attraversamenti è stato utilizzato il metodo seguente: sono stati individuati i bacini imbriferi, sottesi da ciascun attraversamento in progetto, ricavando l estensione e l altezza ipsografica di ogni bacino; Le perdite idrologiche sono state quantificate con il metodo SCS CN; Lo studio delle piogge è stato eseguito utilizzando le linee segnalatrici di possibilità pluviometrica fornite dal S.I.R. della Regione Toscana per le vicine stazioni pluviografiche di Empoli e di Turbone, come citato in precedenza, ricavando la seguente C.P.P.: h= =70.29.+ sono stati considerati eventi con tempo di ritorno pari a 200 anni, definendo vari ietogrammi per tempi di pioggia pari a 30, 60, 90, 120 e 150 minuti; Mediante il modello di trasformazione afflussi-deflussi S.C.S. è stato possibile stimare i valori delle portate di progetto attese a ciascun attraversamento per il tempo di ritorno di 200 anni per ciascuna delle durate di pioggia sopra riportate. Per ognuno dei due attraversamenti è stato scelto come portata di progetto il valore massimo tra quelli ottenuti per i vari tempi di pioggia. I risultati sono stati i seguenti:

Fosso Ovest: Q max Ovest = 4.171 m 3 /s (per tempo di pioggia 120 minuti) Fosso Est: Q max Est = 6.756 m 3 /s (per tempo di pioggia 90 minuti) Lo scatolare da porre in opera in corrispondenza della sezione n. 26 non è invece interessato dall ingresso di corsi d acqua, come gli altri due, ma ha unicamente lo scopo di allontanare le acque di drenaggio delle canalette n. 3 e 4, la cui portata totale è di: Q sez. 26 = 272,87 l/s +221,02 /s = 493.89 l/s = 0.494 m 3 /s (per tempo di pioggia 10 minuti) In Tabella 7, Tabella 8 e Tabella 9 sono sintetizzate le verifiche in moto uniforme dei tre scatolari in progetto. Si può notare che tutti e tre riescono a smaltire la portata di progetto con adeguato franco. SCATOLARE FOSSO OVEST Contorno Raggio Tirante Riempimento Area pendenza Scabrezza PORTATA bagnato idraulico H Ω A C R i ks Q m % m 2 m m m 1/2 /s m 3 /s 0,25 20% 0,500 2,500 0,2000 0,0057 70 0,9037 0,5 40% 1,000 3,000 0,3333 0,0057 70 2,5407 0,71 57% 1,420 3,420 0,4152 0,0057 70 4,1767 1 80% 2,000 4,000 0,5000 0,0057 70 6,6585 1,25 100% 2,500 4,500 0,5556 0,0057 70 8,9288 Tabella 7: Verifica idraulica in moto uniforme dello scatolare del Fosso Ovest SCATOLARE FOSSO EST Contorno Raggio Tirante Riempimento Area pendenza Scabrezza PORTATA bagnato idraulico H Ω A C R i ks Q m % m 2 m m m 1/2 /s m 3 /s 0,25 25% 0,750 3,500 0,2143 0,0025 70 0,9400 0,5 50% 1,500 4,000 0,3750 0,0025 70 2,7301 0,75 75% 2,250 4,500 0,5000 0,0025 70 4,9609 0,93 93% 2,790 4,860 0,5741 0,0025 70 6,7450 1 100% 3,000 5,000 0,6000 0,0025 70 7,4695 Tabella 8: Verifica idraulica in moto uniforme dello scatolare del Fosso Est

Tabella 9: Verifica idraulica in moto uniforme dello scatolare sulla sez. 26 Per gli scatolari del Fosso Ovest e del Fosso Est sono stati scelti elementi prefabbricati aventi un altezza maggiore di 25 cm rispetto a quella utile usata nel calcolo di verifica, così da tamponare le eventuali ostruzioni che inevitabilmente si verranno a creare al loro interno a causa dei sedimenti portati dai corsi d acqua. 5 Conclusioni Nel comune di Empoli, tra le località di Ponterotto e Villanuova, è stata prevista la realizzazione di una viabilità di collegamento tra la S.G.C. FI PI LI, in corrispondenza dello svincolo Empoli Est, e via della Piovola, della lunghezza di circa 1 Km; la strada percorrerà un area rurale, intersecando alcuni corsi d acqua. Il presente studio ha previsto, per quanto riguarda la regimazione delle acque di piattaforma stradale: Il calcolo dello spessore di pioggia sulla strada con tempo di ritorno di 20 anni e durata di 10 minuti; Sotto l ipotesi di posa in opera di un embrice ogni 30 m di lunghezza della strada, per ciascuno dei due lati, il calcolo del volume d acqua relativo a ciascun embrice, e la portata cui dà luogo tale volume in 10 minuti; La scelta di una zanella tale da poter smaltire la portata prevista; Il progetto delle canalette laterali al piede del rilevato, a sezione trapezia con larghezza al fondo di 50 cm, scarpata esterna della pendenza di 45 e scarpa interna di 3/2, recettrici delle portate allontanate dagli embrici. SCATOLARE SEZ. 26 Contorno Raggio Tirante Riempimento Area pendenza Scabrezza PORTATA bagnato idraulico H Ω A C R i ks Q m % m 2 m m m 1/2 /s m 3 /s 0,2 33% 0,200 1,400 0,1429 0,0025 70 0,1913 0,3 50% 0,300 1,600 0,1875 0,0025 70 0,3440 0,39 65% 0,390 1,780 0,2191 0,0025 70 0,4961 0,5 83% 0,500 2,000 0,2500 0,0025 70 0,6945 0,6 100% 0,600 2,200 0,2727 0,0025 70 0,8832 Poiché la strada attraversa due fossi campestri, il progetto ha previsto la posa in opera di due scatolari prefabbricati in cemento armato di attraversamento: Delle dimensioni interne utili di 2,00x1,25(H) m per il Fosso Ovest; Delle dimensioni interne utili di 3,00x1,00(H) m per il Fosso Est. Dopo aver calcolato le portate al colmo dei due corsi d acqua per il tempo di ritorno di 200 anni, è stata verificata l idoneità dei due scatolari; è stato però stabilito l utilizzo di elementi prefabbricati di

altezza maggiore di 25 cm rispetto a quella utile utilizzata nel calcolo, per far fronte al pericolo dell intasamento del fondo. I due scatolari di progetto hanno perciò le dimensioni di: 2,00x1,50(H) m per il Fosso Ovest; 3,00x1,25(H) m per il Fosso Est. Si è inoltre reso necessario prevedere la posa di un ulteriore scatolare in posizione intermedia tra i Fossi Est e Ovest, nel punto di convergenza tra due canalette di scolo, di dimensioni interne di 1,00x0,60(H) m, con l unico fine di allontanare la portata raccolta dalle canalette stesse in direzione del reticolo superficiale. Tale scatolare è stato progettato per il tempo di ritorno di 20 anni. Si fa riferimento agli elaborati grafici allegati per maggiori dettagli. Firenze, Febbraio 2016 Ing. Matteo Caroti