Studio teorico e sperimentale di un partitore semi-frontale in corrente veloce

Quando tu metti insieme la Scienzia de' moti dell'acqua,
ricordati di mettere, di sotto a ciascuna proposizione, li
sua giovamenti, a ciò che tale scienzia non sia inutile.
Leonardo da Vinci
Quando c'è di mezzo l'acqua,
prima i fatti, poi la ragion delle cose.
Gaetano Pagano di Melito
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CAPITOLO 1
INTRODUZIONE
Capitolo 1 Introduzione 5
1. Premessa
In tutti i sistemi di drenaggio urbano di concezione moderna, tanto misti quanto separati, si 
pone la necessità di operare delle partizioni delle portate defluenti. Nel primo caso ciò avviene 
poiché  sarebbe  impossibile  trattare  in  un  impianto  di  depurazione  (dimensionato  per  i 
liquami) la portata pluviale, nel secondo caso poiché le prime acque di pioggia risultano con-
taminate per il ruscellamento lungo le strade urbane, al punto di richiedere un trattamento 
depurativo prima di essere restituite al corpo idrico ricettore.
Può inoltre capitare, per i motivi più svariati, di dover “alleggerire” la portata defluente in un 
alveo, deviandone una certa aliquota su percorsi alternativi mediante scaricatori di alleggeri-
mento. Ciò avviene, ad esempio, quando un manufatto a valle di un ramo fognario non è in 
grado di sopportare la massima portata che può defluire nel ramo stesso. 
La tecnica ingegneristica ha individuato un variegata gamma di manufatti di partizione, adatti 
alle  diverse condizioni  idrodinamiche  e  alle  diverse  configurazioni  plano-altimetriche  che 
possono presentarsi, ognuno caratterizzato da una determinata efficienza e da specifici vincoli 
progettuali.
La presente tesi riferisce dello studio sperimentale e teorico di un partitore semi-frontale ope-
rante in condizioni di corrente veloce. Il manufatto è costituito da un setto orizzontale e uno 
verticale che individuano, all'interno di uno speco rettangolare, una sezione, anch'essa rettan-
golare, avente una delle pareti verticali in comune con lo speco principale e la base ad una 
determinata altezza dal fondo. La portata defluente all'interno del manufatto è successiva-
mente deviata verso il derivatore, mentre l'acqua che rimane all'esterno dello stesso, prosegue 
il suo percorso nello speco originario. Tale configurazione consente l'uso di un derivatore il 
cui fondo si trovi ad una quota superiore a quella del collettore principale.
Il  lavoro è  stato  sviluppato nell'ambito di  una convenzione stipulata  tra  il  Commissariato 
Straordinario Emergenza Sottosuolo ed il Dipartimento di Ingegneria Idraulica, Geotecnica ed 
Ambientale (DIGA) dell’Università degli Studi di Napoli Federico II, avente come oggetto la 
realizzazione  di  modelli  fisici  di  scaricatori  di  piena  semi-frontali  da  realizzarsi  lungo la 
Nuova Collettrice di Via Tasso. Dalla ricerca bibliografica effettuata, tali manufatti non risul-
tano adeguatamente indagati dal punto di vista sperimentale e quindi non risulta possibile per-
venire a indicazioni di tipo progettuale. Ciò comporta che, per poter dimensionare gli stessi, 
occorre effettuare delle prove sperimentali su modello fisico. 
La sperimentazione è stata condotta su un modello fisico in scala geometrica ed idraulica rea-
lizzato nel canale a pendenza variabile del laboratorio di idraulica del DIGA e si è concentrata 
sulla determinazione della scala di  deflusso del manufatto in funzione delle caratteristiche 
della corrente in arrivo e dei parametri progettuali (distanza del setto verticale dalla parete del 
collettore e altezza del setto orizzontale dal fondo dello stesso), analizzando inoltre le condi-
zioni idrauliche della corrente nei pressi dell'imbocco del partitore.
Ai risultati sperimentali è stata affiancata un'analisi teorica basata sulle equazioni classiche 
dell'idraulica, espressioni dei principi di conservazione dell'energia e della continuità, partico-
larizzate per la geometria in esame ed opportunamente adimensionalizzate. I risultati di tale 
modello sono stati confrontati con le osservazioni sperimentali.
Capitolo 1 Introduzione 6
2. La Nuova Collettrice di Via Tasso
In seguito alla costruzione della Nuova Collettrice di Via Tasso, realizzata dall’ex CASMEZ 
per sostituire la vecchia collettrice attualmente in funzione lungo via Tasso, sono stati presen-
tati diversi progetti riguardanti la risistemazione ed adeguamento dell’attuale sistema di dre-
naggio. Tali progetti, in gran parte mai realizzati, prevedevano di recapitare nel nuovo manu-
fatto l’intera portata proveniente dalle collettrici di Montella, Aniello Falcone (a monte e a 
valle dell’incrocio di via Aniello Falcone - Calata San Francesco), Calata San Francesco non-
ché le portate complessive attualmente recapitate nella vecchia collettrice di Via Tasso. 
Tuttavia, le verifiche effettuate su alcuni manufatti della Nuova Collettrice di Via Tasso, in 
particolare il pozzo a vortice ubicato a valle dell’impianto di grigliatura e il sistema di scarico 
a mare (scarichi di emergenza e condotte sottomarine), hanno evidenziato che il Collettore 
non è in grado di convogliare interamente le portate provenienti dal sistema di monte e che, 
quindi, parte di queste acque debbano necessariamente essere scaricate, mediante opportuni 
manufatti di alleggerimento, nell’attuale sistema di drenaggio. I nodi individuati per l’ubica-
zione di tali manufatti sono collocati nei punti di intersezione tra la Nuova Collettrice di Via 
Tasso e, rispettivamente, da monte verso valle, il Collettore Pastore Laganà ed il Collettore 
Calata S. Francesco. 
Attesa la configurazione altimetrica delle intersezioni, caratterizzate dal fatto che i collettori 
hanno quote del fondo di poco superiori a quella della Nuova Collettrice di Via Tasso, occorre 
realizzare dei manufatti di partizione quali gli sfioratori laterali. Questi ultimi, che presentano 
buone efficienze nel caso di correnti in arrivo idraulicamente lente, nel caso di correnti in 
arrivo veloci, quali quelle che si hanno nel caso in esame, richiedono lunghezze elevate. Inol-
tre, poiché la Nuova Collettrice di Via Tasso è stata realizzata mediante una doppia palificata, 
l’adozione di detti sfioratori laterali, in destra idraulica, comporterebbe il taglio di un numero 
considerevole di pali con tutte le complicazioni ed implicazioni di tipo strutturale. Per evitare 
ciò, o quanto meno per ridurre il numero dei pali interessati dal manufatto, occorre realizzare 
tipologie di scaricatori di piena frontali o semi-frontali.
2.1. L'intervento previsto
Come anticipato,  l'intervento deve prevedere l’alleggerimento delle portate provenienti  dal 
bacino collinare mediante la realizzazione di due partitori disposti in serie ed ubicati, rispetti-
vamente, in corrispondenza dell’intersezione con il Collettore Pastore Laganà (Figura 1.1) e 
con il Collettore Calata S. Francesco (Figura 1.2).
Capitolo 1 Introduzione 7
Figura 1.1: Rilievo planimetrico in corrispondenza dell’intersezione del Nuovo Collettore di  
Via Tasso con il Collettore Pastore Laganà
Le portate che occorre scaricare nel sistema attuale attraverso i due partitori possono essere 
valutate come differenza tra la portata al colmo di piena, con periodo di ritorno di 30 anni, 
defluente nella Nuova Collettrice di Via Tasso, pari a 18,3 m
3
/s, e quella effettivamente scari-
cabile attraverso il pozzo a vortice ubicato a valle dell’impianto di grigliatura, pari a 13,5 
m
3
/s. Di conseguenza, con riferimento ad un periodo di ritorno di 30 anni, occorre scaricare 
una portata complessiva pari a circa 5 m
3
/s e quindi:
- per portate in arrivo nella Nuova Collettrice di Via Tasso minori o uguali a 13,3 m
3
/s, 
l’intera portata deve permanere nel collettore stesso transitando quindi al di sotto dei 
setti semi-frontali dei due partitori;
- per portate in arrivo nella Nuova Collettrice di Via Tasso fino a 18,3 m
3
/s (corrispon-
dente alla massima portata trentennale che può giungere da monte nel collettore) i due 
partitori  devono derivare complessivamente una  portata  pari  a  5  m
3
/s.  Questa  può 
essere anche non equamente ripartita tra i due manufatti di partizione. 
Capitolo 1 Introduzione 8
Figura 1.2: Rilievo planimetrico in corrispondenza dell’intersezione del Nuovo Collettore di  
Via Tasso con il Collettore di Calata S. Francesco
3. Modelli fisici e teoria della similitudine
Un modello è una rappresentazione di un sistema fisico (prototipo) che può essere utilizzato
per predire il comportamento del sistema in relazione ad alcune sue caratteristiche. Nel campo 
della fisica e dell’ingegneria è comune fare uso di modelli fisici o matematici per studiare un 
dato fenomeno. In generale un modello fisico ha dimensioni geometriche differenti da quelle 
del  prototipo (tipicamente minori,  ma non sempre),  utilizza fluidi  diversi,  più  in generale 
opera in condizioni cinematiche e dinamiche differenti,  ma in qualche modo quantitativa-
mente riconducibili a quelle del prototipo, così che le osservazioni fatte sul modello possano 
essere utilizzate per predire il comportamento del sistema reale d’interesse. Affinché sia possi-
bile confrontare il comportamento del modello con quello del prototipo (anche se solo parzial-
mente),  occorre  che  sia  verificata  la  condizione  di  similitudine  (almeno limitatamente  ad 
alcune grandezze) in riferimento al fenomeno allo studio.
3.1. Modelli idraulici
Si consideri la relazione fra una generica grandezza q e i tipici gruppi di variabili indipendenti
in un problema fluidodinamico:
q=f

ρ, μ , ε , σ , g , L , θ, r , V ,
dV
dt
, p, x , y , z , t

(1.1)
In  base  al  teorema di  Riabucinski-Buckingham (noto  anche  come teorema Π),  quando si 
voglia costruire un modello, data per scontata la similitudine geometrica (comprese le sca-
brezze), e scelta una scala delle lunghezze:
Λ
L
=
L ''
L '
≡Λ
(1.2)
restano due gradi di libertà per le variabili dimensionali non geometriche:

ρ , μ , ε , σ , g , V ,
dV
dt
, p , t

(1.3)
In generale non è possibile modificare il valore dell’accelerazione gravitazionale, che quindi 
satura un ulteriore grado di libertà. Risulta a questo punto chiaro che non si è possibile utiliz-
zare il medesimo fluido nel prototipo e nel modello (sarebbero fissate altre 4 grandezze). In 
altre parole, qualora si volesse utilizzare lo stesso fluido (e lo stesso valore per g), nascono 
condizioni fra loro incompatibili per garantire la costanza dei numeri adimensionali associati. 
A titolo d’esempio si mostra tale incompatibilità per le scale della velocità:
Λ
Re
=1
   
ρV 'L '
μ
=
ρV ' 'L ' '
μ
  
Λ
V
=
1
Λ
(1.4)
Λ
Fr
=1
   
V '

gL '
=
V ' '

gL ''
  Λ
V
=

Λ
(1.5)
Λ
We
=1
   
ρV '
2
L '
σ
=
ρV ''
2
L ' '
σ
  
Λ
V
=
1

Λ
(1.6)
Λ
Ca
=1
   
ρV '
2
ε
=
ρV ' '
2
ε
  
Λ
V
=1
(1.7)
È chiaro che solo una delle condizioni (1.4, 1.5, 1.6, 1.7) può essere verificata. La perfetta 
similitudine è perciò impossibile (a parità di fluido). Si noti che il vincolo di mantenere inva-
riato il fluido nasce da esigenze pratiche, non concettuali: è infatti preferibile per ovvi motivi 
Capitolo 1 Introduzione 9