Gli scarichi della diga

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La costruzione di una diga si basa su una semplice idea: costruire un muro di cemento, che riesca a tappare, fermare, il flusso d’acqua di un torrente. Supponiamo di aver risolto il problema di erigere tale sbarramento, divengono evidenti altre necessità:

  • deve esistere la possibilità di svuotare il serbatoio d’acqua creato dalla diga
  • deve esistere la possibilità di mantenere nel serbatoio il livello d’acqua voluto, diverso in generale da quello massimo/minimo.
  • è necessario prevedere la possibilità di incanalare parte dell’acqua per destinarla all’uso idroelettrico, o per irrigazione.

Gli scarichi sono le strutture che realizzano questi obbiettivi, la loro realizzazione è sede di particolare attenzione, da parte dei progettisti, poichè assicurano il corretto funzionamento dell’impianto. La normativa prevede che gli scarichi siano dimensionati per far fronte alla massima portata di piena sul bacino, inoltre che le eventuali paratoie di apertura/chiusura delle condotte siano azionabili sia a mano, che tramite due forme di energia diverse (per questo motivo su certe dighe si prevede una piccola turbina che genera l’energia necessaria ad azionare i motori elettrici per aprire le paratoie,paratoie, oppure, più spesso, un gruppo elettrogeno di potenza adeguata in grado di supplire alla eventuale mancanza di energia sulla rete elettrica).

Scarichi di Superfice

Come dice la parola, tali scarichi sono posizionati sulla superfice del bacino creato dalla diga, arrivando in una diga, sono le prime opere che anche il neofita riesce a individuare, per dirla tutta sono le uniche cose che uno vede a parte la diga e la casupola del custode.

Sfioratori a stramazzo

In molte dighe è previsto che, qualora il livello dell’invaso raggiunga la massima altezza della diga, essa venga semplicemente ’scavalcata’ dall’acqua, secondo il principio del "pi de pien no stà!"
Bisogna precisare che la normativa impone che, per tali tipi di scarico, vengano realizzate delle opere atte a diminuire il potere erosivo, dell’impatto col terreno, posseduto dall’acqua che tracima dalla diga.

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Corpo diga e sfioratori di Ca’ Zul
In alto sul coronamente si notano chiaramente gli sfiori degli scarichi di superficie
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Schema dall’alto degli scarichi di superficie di una diga a gravità massiccia

Nella figura in pianta (e quindi con la diga vista dall’alto) si vede chiaramente l’enorme scivolo su cui l’acqua scorre qualora scavalchi la diga, in particolare nell’impianto in questione tale acqua di sfioro viene convogliata nel pozzo d’immissione, per poi andare a finire nel condotto dello scarico di fondo (tale scarico è discusso in seguito)

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Schema laterale degli scarichi di superficie di una diga a gravità massiccia

Nella figura in pianta (con la diga vista da lato) si vede il profilo dello scivolo, e il pozzo d’immissione. E’ bello notare la vasca smorzatrice, usata appunto per smorzare l’energia dell’acqua in caduta, e il cunicolo d’ispezione con i fori di drenaggio, infatti c’è sempre un pò di acqua che ’passa sotto’ la diga, tramite questi fori essa viene convogliata, servendosi del tubo di scarico delle infiltrazioni, oltre la diga. Questo è estremamente importante poichè altrimenti le spinte idrostatiche di queste infiltrazioni farebbero ’galleggiare’ la diga, con effetti pericolosi per l’invaso. La diga di Ravedis è molto simile a tale schema. Ho potuto parlare con gente che ha visitato il cunicolo d’ispezione, e che mi ha assicurato che ci sono variegati fori da 10cm di diametro che erogano acqua con una discreta portata, anche con l’invaso quasi vuoto.

Scarichi di superfice soggetti a saturazione

Esempio supremo di questi scarichi è rappresentato dallo scarico di superficie a calice dell’impianto di Pontesei, dalle figure sottostanti si vede come l’acqua venga inghiottita dal calice e convogliata verso il cunicolo di scarico, del diametro di 4 metri. Perchè la forma a calice? La risposta è semplice: la quantità d’acqua che entra nel calice è proporzionale alla circonferenza di quest’ultimo, intuitivamente si comprende come con una circonferenza maggiore si possa ’maneggiare’ una quantità d’acqua maggiore, quindi per riempire tutta la sezione del calice è necessario costruire un profilo che si allarga in superficie.
Altra cosa da notare sono i condotti di areazione, essi servono per consentire un adeguato apporto d’aria alla condotta, mantenendo un regime di ’pelo libero’ cioè una condotta non in pressione. Le ’alettine’ che si vedono all’imbocco del calice servono a fare in modo che l’acqua scenda verticalmente, senza creare moti turbolenti che penalizzerebbero la funzione di scarico.
Infatti l’obbiettivo è quello di avere un flusso pulito e lineare per tutta la condotta.
Per farsi una ragione della necessità di apportare, tramite degli areofori, un adeguato apporto d’aria alla condotta forzata, si pensi semplicemente alla classica cannuccia riempita di un qualche tipo di fluido, e tappata alla sommità dal pollice; è noto che questo semplice accorgimento fa in modo che il fluido rimanga immobile dentro la cannuccia. A tal proposito esistono trattazioni matematiche (più o meno derivate da misure sperimentali), che dimostrano come la portata in uscita da queste tipologie di scarico sia dipendente anche dalla quantità d’aria nella condotta; la portata in uscita può addirittura essere penalizzata, qualora si formino sacche d’aria o depressioni dentro la condotta. Infine è meglio dare un breve cenno riguardo il fenomeno della saturazione: cerchiamo di immaginare lo sfioratore a calice in cui il livello dell’acqua è appena superiore al bordo, in questo caso il flusso nel condotto d’uscita formerà una portata Q in generale inferiore alla massima portata Qmax del condotto d’uscita, che teoricamente è proporzionale alla semplice area della condotta. Aumentando man mano il livello d’acqua sopra lo sfioratore vedremo creare nel condotto d’uscita una portata sempre maggiore, che tende alla Qmax, ovvero la portata di saturazione. E’ bene precisare che tale portata Qmax sarà maggiore tanto maggiore sarà il carico idraulico che insiste nello sfioratore, o in altri termini è intuitivo capire che uno sfioratore che ha alla sua sommità 2m d’acqua genererà nella condotta una portata Q inferiore a uno che ne ha 10m, differenza generata appunto dal carico idraulico maggiore (nel secondo caso).
Si vede peraltro nella sezione longitudinale come la quota di massimo invaso sia a 802 mentre il calice a 800, quindi 2 metri più in basso.

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Scarico della diga di Pomtesei
Si nota chiaramente il grande calice dello scarico di superficie
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Pianta scarico di superficie della diga di Pontesei

Pianta dello scarico di superfice della diga di Pontesei. Si vede lo sfioratore a calice, la condotta di scarico condivisa anche dallo scarico intermedio.

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Sezione del calice dello scarico di superficie della diga di Pontesei

In questo schema si nota la struttura dello sfioratore con le ’alette’ e il dettaglio della condotta di scarico con i condotti di areazione (sez. E-E).

Sfioratori a sifone

Sono degli scarichi di natura semplice, utilizzati ad esempio nella diga di Santa Caterina di Auronzo. Anche questi scarichi sono soggetti, man mano che aumenta il livello d’acqua e il carico idraulico, a un funzionamento prima a pelo libero, fino ad arrivare al funzionamento in pressione con portata tendente alla portata di saturazione.

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Schema funzionamento sifone

Scaricatori con paratoie

Nella foto sottostante si vede il dettaglio della paratoia che aziona lo scarico di superficie, è bene precisare che l’impianto è dotato di sfiori di tracimazione solo qualora la portata d’acqua scaricabile con queste paratoie, sommate agli scarichi di fondo ed ad eventuali scarichi ausiliari, è tale
da non consentire di far fronte a una piena.
Per la nostra esperienza si possono vedere dighe con sfiori e non, in generale dipende da come il progettista ha affrontato il problema del
dimensionamento dell’impianto, e, visto che siamo in italia, come sono state ’interpretate’ le normative esistenti.

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Paratoie dello scarico di superfice della diga di Ponte Racli
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Paratoie della diga di Ca’ Selva
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Scivoli dello scarico di superficie della diga di Ca’ Selva
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Schema funzionamento paratoia

Lo scarico intermedio della diga Ponte Antoi (Barcis) è atipico, nel senso che è unico nel suo genere. Questo scarico è al contempo uno scarico a paratoia e uno scarico del tipo a calice. Notando l’immagine col lago vuoto si può vedere come esso sia di fatto un ’tappo’ formato da un enorme cilindro metallico vuoto (diametro 8 m) che appoggia su uno scarico a pozzo, quindi qualora il cilindro è calato nel pozzo (come nella foto con lago vuoto), esso tappa il canale d’uscita poichè le sue estremità appoggiano su una superfice metallica di riscontro; ovviamente in questa configurazione può comunque lavorare come scarico del tipo a calice, beninteso se il livello del lago è tale da superare la sommità del cilindro metallico.

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Scarico della diga di Barcis Ponte Antoi

La particolarità che sta alla base di questo scarico è però la possibilità di alzare il cilindro metallico (mediante gli argani visibili in figura), quindi di ’liberare’ il pozzo sottostante; ciò da i seguenti vantaggi:

- è possibile comandare la portata d’acqua in uscita, alzando o abbassando il livello del cilindro metallico
- si può quindi arrivare alla Qmax, o portata di saturazione, anche quando il livello del lago non ha altezza sufficente a generare Qmax col cilindro completamente abbassato
- garantisce la capacità di poter operare svasi rapidi e di grossa portata, necessari nell’impianto in questione poichè il torrente che viene sbarrato (il Cellina), è capace di repentine piene, che potrebbero far innalzare il livello del lago fino a mettere in pericolo l’abitato di Barcis.

Scarichi di fondo

Se vi capita di andare a vedere una diga, difficilmente riuscirete a vedere questi scarichi, a meno che il bacino non sia stato svuotato; infatti come dice il nome essi sono posizionati sul fondo del bacino, e quindi di solito sono coperti dall’acqua. Generalmente sono costituiti da una galleria in pressione chiusa da una o più paratoie, seguita da una galleria a pelo libero, provvista quindi di aerofori.

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Schema dello scarico di fondo di Barcis Ponte Antoi

Il diametro degli scarichi di fondo è solitamente elevato (4-8m), infatti essi devono consentire il rapido svaso dell’impianto.

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Sezioni della condotta dello scarico di fondo di Barcis Ponte Antoi

Di seguito si vede lo schema dello scarico di fondo della diga di Barcis(Ponte Antoi); si vede come questa condotta di 4 m sia gestita da due paratoie piane, gestite da un opportuna camera di manovra ricavata nel fianco della montagna.

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Schema paratoie dello scarico di fondo della diga di Barcis Ponte Antoi

Il problema di questi scarichi sta appunto nelle paratoie, in generale la pressione dell’acqua che spinge sulla prima paratoia fa si che questa sia impossibile da aprire.
Il trucco è usare due paratoie, la prima, a contatto con bacino, generalmente stagna e di tipo piano, mentre la seconda progettata in modo da poter essere sempre aperta, anche se su essa sono esercitate pressioni elevate, questo però è fattibile tecnicamente solo a scapito della tenuta stagna, rendendo, di fatto, necessario allo stesso momento l’uso della prima paratoia. Per esempio nella diga di Ponte Antoi, la prima paratoia appoggia su pattini mentre la seconda scorre su delle ruote, quindi diviene sempre azionabile.
Quindi inizialmente ci troveremo con la paratoia stagna chiusa, e bloccata dalla pressione dell’acqua, allora si chiude anche l’altra paratoia, e tramite un piccolo condotto sempre manovrabile si riempie il volume tra le due paratoie con acqua alla stessa altezza dell’acqua che spinge sulla paratoia stagna, e quindi alla stessa pressione. A questo punto è possibile aprire la paratoia stagna, e in seguito si apre l’altra.
Nel dettaglio dell’impianto di Barcis si può vedere la piccola turbina necessaria a produrre l’energia, in caso di bisogno, per la manovra delle paratie.

Scarichi di esaurimento

Sono posizionati in fondo alla diga, sono di dimensione ridotta(0.8 1 metro diametro) essi servono per svuotare del tutto la diga, quindi svuotare anche gli ultimi rimasugli di acqua lasciati dallo scarico di fondo, poichè questo generalmente è posizionato qualche metro sopra il minimo invaso possibile.

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Scarico di esaurimento della diga di Ca’ Selza

Opere di presa

Tali opere servono a portare, tramite una condotta, l’acqua alle centrali idroelettriche poste a valle. Per la loro natura sono molto simili agli scarichi di fondo.
Nella figura si vede l’opera di presa della diga di Barcis (Ponte Antoi)

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Opera di presa della diga di Barcis Ponte Antoi
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Condotta forzata in calcestruzzo tra la presa della diga di Ponte Antoi alla centrale di Barcis

(pubblicato il Aprile 2010)