Sfioratori a calice nelle dighe: cosa sono e a che servono

Anzitutto vorrei dire che senza l'ing. Maurizio Tanzini non sarei riuscita a definire questa ricerca così bene. È stata più che una supervisione, una vera e propria consulenza. Professionista incredibile, a cui sono molto affezionata, perché è il primo autore di cui ho curato l'editing. Appena arrivata alla Dario Flaccovio, Enrico mi ha assegnato la correzione del mitico Manuale del Geotecnico! Ma sto divagando! Andiamo a noi. Oggi parliamo di dighe.

L'idea che sta alla base di una diga è assai semplice: in parole povere, si tratta di un muro di cemento che ha il compito di bloccare, arginandolo, il flusso d’acqua di un torrente o di un fiume. Una diga però non funziona tirando su una barriera, per funzionare correttamente deve essere provvista di alcuni componenti strutturali, cioè degli scarichi che permettono:

• di svuotare il serbatoio d’acqua creato dalla diga
• di mantenere nel serbatoio il livello d’acqua desiderato, in generale diverso da quello massimo/minimo
• di incanalare parte dell’acqua per destinarla  per altri usi (es. impianti idroelettrici o irrigazione)
  
  

È chiaro quindi che gli scarichi rivestono una grande importanza nella costruzione di una diga, perché garantiscono il corretto funzionamento dell’impianto.


Gli scarichi della diga
Gli scarichi di una diga, a seconda che l'opera di scarico peschi sulla superficie del bacino o a una profondità più o meno elevata, sono detti o di superficie o di fondo. In questa sede noi parleremo un po' più approfonditamente degli sfioratori di superficie, quelli detti a calice.


Cosa sono gli sfioratori a calice
Gli sfioratori a calice sono dei manufatti particolari (oltre che molto belli, a mio parere) che - a seconda dei carichi al di sopra della soglia - possono funzionare a stramazzo o a battente. Infatti, come il battente d’acqua aumenta ulteriormente, il pozzo risulterà completamente pieno d’acqua e le capacità di scarico del serbatoio, tramite lo sfioratore a calice, saranno quelle tipiche del flusso attraverso una tubazione.
Il passaggio da un tipo di funzionamento all'altro, detto fenomeno di saturazione, è gestito dai fenomeni pneumatici dovuti all'aria trasportata dalla corrente: questo passaggio è particolarmente delicato perché comporta una diminuzione della portata scaricata a parità di carico idraulico sullo sfioratore.

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Quando si usano gli sfioratori a calice
Gli sfioratori a calice generalmente si impiegano utilizzati nei serbatoi artificiali dove gli sfioratori, per diversi motivi, non possono essere realizzati sulla diga stessa o in prossimità di questa. Nel caso di una lunghezza della cresta della diga anche notevole, l’adozione di uno sfioratore a calice limita la capacità delle acque che possono essere convogliate, in caso di piene, a valle della diga.

Con basse portate al di sopra della soglia circolare di uno scarico di superficie a calice, la portata massima che lo sfioratore è in grado di scaricare a valle della diga varia con il battente d’acqua fino ad un valore di “soglia” superato il quale il flusso d’acqua incanalato dalla soglia circolare dello scarico progressivamente raggiunge un valore massimo (coefficiente di scarico inferiore).

Il funzionamento degli sfioratori a calice si articola in due fasi:

• fino a quando il vertice del cono d'aria che si forma all'interno del calice è più basso del livello d'acqua sulla soglia sfiorante, si può assumere l'efflusso di uno stramazzo in parete sottile.
• quando il calice si intasa si ha un efflusso di acqua sotto battente e il rendimento dello sfioratore diminuisce
  
  

Poiché si tratta di un'opera molto particolare e generalmente abbastanza costosa, la maggior parte delle volte si ricorre a test su modello fisico. Per esempio, il laboratorio di Idraulica LIAM dell'Università dell'Aquila ha realizzato una trentina di modelli fisici di sfioratori a calice. Sebbene si ricorra spesso a prove idrauliche su modello, tuttavia bisogna tenere presente che i modelli fisici non riproducono correttamente gli effetti relativi all’aerazione. Per tale motivo, appositi canalio vani di invito sono spesso necessari per minimizzare l’azione dei vortici nel serbatoio: infatti, se l’aria è immessa nel pozzo o nel tratto a gomito di raccordo fra il pozzo verticale e la galleria orizzontale, per evitare la cavitazione, essa può causare problemi di esplosiva violenza nella galleria di scarico, qualora l’opera non sia stata ampiamente progettata per un libero flusso.

La possibilità, di un blocco in tale tipologia di sfioratori superficiali, è considerata come uno svantaggio; tuttavia l’elevata velocità dell’acqua al fondo del pozzo dovrebbe, con una ragionevole elevata probabilità, permettere la rimozione di ogni detrito che dovesse superare la soglia del pozzo.

Prove su modello fisico hanno mostrato che persino grandi tronchi d’albero, che dovessero superare la soglia dello scarico, vengono allineati dalla velocità della corrente presente nel pozzo e sono trascinati attraverso la galleria all’esterno e nel caso di tronchi eccessivamente lunghi essi vengono spezzati nel gomito di raccordo fra il pozzo e la galleria di scarico, non costituendo, pertanto, un ostacolo alla fuoriuscita dell’acqua.

L’acqua quindi viene inghiottita dal grande calice e convogliata verso il cunicolo di scarico. Poiché la quantità d’acqua che entra nel calice è proporzionale alla circonferenza di quest’ultimo, si capisce bene che con una circonferenza maggiore si possa gestire una quantità d’acqua maggiore e per riempire tutta la sezione del calice è necessario costruire un profilo che si allarga in superficie.


Svantaggi
Il principale svantaggio di uno sfioratore a calice è che oltre un certo valore del battente d’acqua la portata che lo sfioratore è in grado di smaltire aumenta lentamente al crescere del battente idraulico. Conseguentemente non è in grado di sopperire alle necessità di scarico superficiale, con importanti margini di sicurezza, nel caso di una sottostima delle portate d’acqua relative alle massime piene.


Sfioratori a Calice in Italia
Uno degli esempi più imponenti degli scarichi a calice in Italia è lo sfioratore di superficie a calice dell’impianto di Pontesei, in provincia di Belluno.

La diga di Pontesei purtroppo si associa al famoso disastro del Vajont: il 22 marzo del 1959 nel bacino si riversò una frana immane. Il lago di Pontesei si trovava 13 metri sotto la quota di massimo invaso, causando un'ondata di circa 20 metri che travolse Arcangelo Tiziani, operaio dell’ impresa di costruzione.

Ringrazio nuovamente l'ing. Tanzini per l'aiuto e te per la tua come sempre amichevole lettura e condivisione.
A presto!