POZZI DI INFILTRAZIONE CON SEDIMENTATORE INCORPORATO.

Nei territori con strati superficiali di suolo a permeabilità elevata è possibile conferire nel sottosuolo le acque di pioggia previo trattamento delle stesse per l’eliminazione del materiale trasportato in sospensione.

Figura 1 – Parti prefabbricate per pozzi di dispersione

I pozzi di infiltrazione (vedi Figura 1) sono realizzati assemblando semplici manufatti prefabbricati in calcestruzzo (piastre circolari, anelli di dispersione perdenti, anelli a tenuta). Tale manufatto oltre ad avviare nel sottosuolo l’acqua di pioggia deve permettere la decantazione del materiale solido normalmente presente nei reflui di fognatura bianca originati da superfici residenziali e/o produttive/commerciali (in questo ultimo caso con attività necessariamente non inquinanti). Si espone ora una possibile soluzione ad abbinare volumi di dispersione con volumi di decantazione.

Figura 2

L’acqua di drenaggio viene fatta confluire ad un vano interrato V1 composto da anelli a tenuta C e da due piastre di copertura B (vedi Figura 2 e Figura 3); ambedue le piastre sono dotate di aperture per la manutenzione (a piano campagna un passo d’uomo D presidiato da un chiusino A e sul fondo della vasca V1 un chiusino in calcestruzzo I).

Figura 3 – Particolare vano interrato V1 del pozzo tipo di dispersione

Il numero minimo di anelli a tenuta tipo C è normalmente 2, ma potranno prevedersi altri anelli in funzione del valore della quota di scorrimento del tubo F in arrivo rispetto al piano campagna (Ht). Sulla piastra inferiore B viene ricavato un ulteriore foro su cui si inserisce uno spezzone di tubo avente diametro pari a 1,5 volte quello del tubo in arrivo (tubo H); il tubo H permette il collegamento fra vano superiore V1 e vano inferiore V2. Il vano inferiore V2 (vedi Figura 4) è formato da anelli di dispersione L appoggiati su un cordolo N in calcestruzzo armato.

Figura 4 – Particolare vano interrato V2 del pozzo tipo di dispersione

Il funzionamento del manufatto così assemblato è semplice: quando l’acqua di pioggia in arrivo dal tubo F entro il vano V1 supera l’altezza del tubo H (indicata con Hs) inizia a sfiorare entro il tubo H e passa alla camera inferiore V2; il tempo di permanenza dell’acqua di pioggia nella camera superiore V1 permette la separazione della parte solida presente sul refluo in arrivo (deposito sedimento indicato con G). Procederemo ora a determinare le modalità di dimensionamento del pozzo perdente. Le ipotesi su cui si basa la procedura sono:

1) si ipotizza che eventuali livelli di falda freatica non creano disturbo ne arrivano a minare l’operatività del pozzo perdente. L’ipotesi è plausibile soprattutto in territori ove le vie d’acqua risultano fortemente “incassate” rispetto al contesto morfologico circostante;

2) il terreno circostante il pozzo di dispersione risulta permeabile. Ai fini della presente nota ipotizziamo che il terreno circostante sia caratterizzato da un coefficiente medio di infiltrazione Ks pari a 5*10-5 m/sec = 5*10-3 cm/sec (valore caratteristico per sabbia fine). Ricordiamo che la conduttività idraulica Ks dipende fortemente dalla temperatura (una diminuzione della temperatura da 25 a 5°C comporta un decremento del 40% della stessa conduttività);

3) la determinazione dei parametri di dimensionamento deve essere eseguita sulla base di curve di possibilità pluviometrica valevoli per il territorio di posa del disperdente relativamente a tempi di ritorno degli eventi massimi annuali di precipitazione almeno non inferiori a 50 anni.

DIMENSIONAMENTO DEL VANO DI DISPERSIONE

Per il dimensionamento degli anelli di dispersione nel vano inferiore V2 si esegue una comparazione fra il flusso di acqua di pioggia in arrivo, il coefficiente medio di conduttività idraulica Ks relativo al suolo nell’intorno del pozzo ed il volume immagazzinabile. Facciamo riferimento allo schema rappresentato nella Figura 5 seguente.

Figura 5 – Schema per il modello di calcolo

Assegnato il tempo di ritorno TR della precipitazione, e quindi le curve di possibilità pluviometrica che regolano la quantità di precipitazione da trattare, uno dei metodi di calcolo più utilizzati comporta l’utilizzo ricorsivo della relazione:

V=J*Ai*tKs*Sc*t                     (1)

essendo V il volume massimo immagazzinabile all’interno del pozzo di infiltrazione (m3); J l’intensità di precipitazione (m/s); Ai l’area “efficace” del bacino drenato (ovvero l’area “ridotta” del bacino drenato a coefficiente di deflusso fittizio pari a 1);  t la durata della precipitazione critica (sec);  Ks la conduttività idraulica (m/s); Sc l’effettiva superficie di infiltrazione (base della campana di infiltrazione) in m2.

Qualora il volume V sia riempito con materiale in grado di garantire un porosità N avremo Ve = volume effettivo = volume dei vuoti = N*V. Tale relazione fra volume effettivo e volume totale risulta utile per tener conto della presenza di eventuali ammassi granulari sotto il volume di dispersione V2 (vedi Figura 2).

Per stimare l’effettiva area di infiltrazione si utilizzare la relazione

Sc=A1*SiN1

essendo Si l’area di base dell’anello di dispersione,

A1=2740,5*Ks0,5086

ed

N1=0,0168*Ks-0,2893 .

… vedi l’articolo di Freni G., Oliveri E., Viviani G., “Infiltration facilities design: comparison between simplified approaches and detailed physically based modelling”, Novatech 2004 …

Ai fini della presente nota consideriamo ora i dati di precipitazione  relativi alla stazione pluviometrografica di Bassano del Grappa (VI); dati opportunamente rielaborati in modo da determinare per il tempo di ritorno di 50 anni le curve di precipitazione espresse nella formula monomia

h=atn .

Le curve vengono ricavate per precisi intervalli temporali e di conseguenza vengono determinate varie coppie di valori a ed n eseguendo i calcoli statistico-probabilistici adottando la funzione di probabilità EV1 con adattamento al campione secondo i momenti pesati in probabilità.

Riassumiamo di seguito i risultati delle elaborazioni (R=coefficiente di correlazione):

per durate fra 15 e 45 min: h=66,27t0,560 con R=1

per durate fra 30 e 60 min: h=64,22t0,498 con R=0,999

per durate fra 45 e 180 min: h=61,72t0,232 con R=0,983

per durate fra 60 e 360 min: h=63,80t0,199 con R=1

per durate fra 180 e 720 min: h=59,89t0,245 con R=0,996

per durate fra 360 e 1440 min: h=53,44t0,297 con R=1 .

E’ stato infine predisposto infine un piccolo modello di calcolo basato sull’uso ricorsivo della formula (1); fissati i valori Ai, Ks e Sc la relazione (1) è stata applicata iterativamente fino a coprire tutti i tipi di pioggia compresi fra 10 min e 1440 min arrivando parallelamente a determinare il valore massimo raggiunto dal parametro V. I risultati delle elaborazioni sono riassunti nel grafico evidenziato nella seguente Figura 6.

Figura 6 – Grafico per il dimensionamento dei pozzi disperdenti con la pioggia tipica di Bassano del Grappa (VI)

L’uso del diagramma in Figura 6 è immediato. Una volta definita l’area impermeabile di monte è possibile determinare facilmente la combinazione fra diametro interno D degli anelli disperdenti e l’altezza H (parte effettivamente disperdente) del pozzo. Si rimanda il lettore all’esempio applicativo presentato alla fine della nota.

DIMENSIONAMENTO DEL VANO DI SEDIMENTAZIONE

Dimostreremo ora che il dimensionamento idraulico permette indirettamente il corretto dimensionamento del volume V1 (vedi Figura 3) dove avviene la sedimentazione del materiale trasportato in sospensione. Si dimostrerà in particolare che, tenendo conto della geometria dei manufatti prefabbricati presenti in commercio, una volta dimensionato il comparto di infiltrazione V2 risulta allo stesso modo dimensionato anche il comparto di sedimentazione V1.

Il dimensionamento del comparto di sedimentazione  viene eseguito utilizzando la legge di Stokes; la legge di Stokes permette di stimare la velocità di sedimentazione Vs:

Vs=((ROSROL)xgxDP2)/(18xMU)

essendo ROS la densità media della particella, ROL la densità dell’acqua, DP il diametro della particella, g l’accelerazione di gravità e MU la viscosità cinematica dell’acqua. Ponendo come obiettivo la separazione delle particelle con diametro DP>0,2 mm si ottiene una velocità teorica di sedimentazione pari a Vs=1,1 cm/sec; nel nostro caso all’interno del comparto di sedimentazione (definito dall’anello più basso che compone il volume V1, vedi Figura 3) l’altezza massima dell’acqua al momento dello sfioro verso il comparto di infiltrazione è pari a circa 45 cm

… in genere Ha (vedi Figura 2 o Figura 3) è pari a 50 cm (misura commerciale); Hs può essere dell’ordine dei 45 cm, Ht dell’ordine dei 55 cm e Hp dell’ordine dei 60 cm

e quindi il tempo di sedimentazione è stimabile in 41 sec. La superficie del comparto di sedimentazione minima, tale da garantire un carico superficiale minore della velocità di sedimentazione, vale 0,502 m2 per l’anello di dispersione da 80 cm di diametro, 0,785 m2 per l’anello con diametro 1 m, 1,767 m2 per il diametro 1,5 m; 3.142 m2 per il diametro 2 m ed infine 4,909 m2 per il diametro 250 cm. Per tali superficie la portata media massima accettabile in entrata è pari a 0,011*(3.141592*Da2/4).

In definitiva abbiamo 5,5 l/s per il diametro 0,8 m; 8,6 l/s per il diametro 1 m; 19,4 l/s per 1,5 m di diametro; 34,5 l/s per il diametro 2 m ed infine 54 l/s per l’anello da 250 cm. Considerando una intensità di pioggia di 0,10 m/ora = 0,027 mm/sec ed un coefficiente di deflusso unitario, alle portate sopraesposte corrispondono secondo il metodo della corrivazione le superfici drenanti rispettivamente di 198 m2, 310 m2, 698 m2, 1242 m2 e 1944 m2.

Come di può facilmente osservare detti valori sono sempre maggiori dei corrispondenti valori di area drenante gestita dagli anelli di dispersione fino alla profondità di 6 m (vedi  grafico in Figura 6) e quindi il comparto di sedimentazione nei termini proposti in Figura 3 risulta sempre adeguato allo scopo.

CARATTERISTICHE DEI MANUFATTI CHE FORMANO IL DISPERSORE

Tubo di immissione F. Il tubo F dovrà essere sufficientemente grande da facilitare la manutenzione periodica (almeno 150-250 mm di diametro) e dovrà avere un pendenza sufficiente a impedire il deposito di sedimenti (almeno 1 cm per m). Nella vasca di decantazione V1 il tubo F dovrà sporgere di qualche decina di centimetri in modo che lo scarico sia più vicino possibile al centro della vasca.

Vano di decantazione. E’ rappresentato dal volume V1 formato dagli anelli a tenuta C visualizzati in Figura 2 e in Figura 3; gli anelli a tenuta C si appoggiano sulla piastra B che copre il vano di infiltrazione e a loro volta sono coperti da una piastra B di copertura a piano campagna. L’accesso al vano di decantazione V1 dovrà essere facilitato in modo da poter celermente provvedere all’asporto del materiale sedimentato (deposito G); per tale motivo si può prevedere un accesso D avente diametro minimo 600 mm (se circolare) o lato minimo 600 mm (se quadrato). Il volume di decantazione entro il vano V1 è limitato dall’altezza Hs oltre il cui valore l’acqua comincia a tracimare attraverso il tubo H al vano inferiore di infiltrazione V2. Il volume offerto da Hs nella gran parte dei casi é sufficiente a garantire il deposito del materiale grossolano. La frequenza degli interventi per la rimozione del materiale sedimentato G dipenderà dalle caratteristiche dell’area di drenaggio, dipenderà cioè dalla capacità dell’area di monte di rilasciare materiale sedimentabile durante gli eventi di pioggia.

Vano di filtrazione. E’ rappresentato dal volume V2 racchiuso dagli anelli di dispersione L visualizzati in Figura 4; al vano di infiltrazione si potrà accedere attraverso il passo d’uomo D a mezzo del sigillo I.

E’ consigliabile che il pozzo di infiltrazione sia sempre posizionato con molta attenzione rispetto ad edifici, corsi d’acqua o altri pozzi vicini; in via del tutto cautelativa sarà bene che il manufatto sia posizionato almeno a 4-6 m da edifici, almeno a 20-30 m da corsi d’acqua ed almeno 15-20 m da pozzi.

Vediamo altri elementi caratteristici:

Geotessuto. Una stuoia di geotessuto P deve separare il limite di scavo O dal manufatto di infiltrazione; il geotessuto deve inoltre rivestire gli anelli di dispersione  e separare gli ammassi granulari realizzati con ghiaietto 20/30 dal terreno arido di riporto e sottofondo S.

Sottofondo in materiale granulare. La realizzazione dell’ammasso granulare di altezza Hg non è un particolare obbligatorio e quindi se ne può fare a meno. Va considerato però che se il riempimento viene eseguito con ghiaietto 20/30 mm per l’ammasso si può stimare una porosità pari a 0,4 (rapporto fra il volume dei vuoti entro l’ammasso e il volume totale). Quindi il volume identificato da Hg e dal diametro Da corrisponde ad un ulteriore anello di dispersione avente altezza pari a Hg*0,4.

Tubo di troppo pieno T. Il tubo T dovrà essere sufficientemente grande da facilitare la manutenzione periodica (come per il tubo F almeno 150-250 mm di diametro) e dovrà avere un pendenza sufficiente a impedire il deposito di sedimenti (almeno 1 cm per m). La soglia di presa (definita dall’altezza Hp) dovrà collocarsi sopra Hs ma sotto la quota di scorrimento del tubo F.

La seguente Figura 7 visualizza le fasi realizzative di un manufatto di immissione in falda delle acque di pioggia in arrivo da aree residenziali o altro tipo ma tassativamente sempre a ridotto o nullo rischio inquinamento.

Figura 7

Fase 1. Si prepara lo scavo avente caratteristiche di profondità e larghezza dipendenti dai valori di dimensionamento determinati (valori Ht, Hg e numero di anelli di dispersione tipo L).

Fase 2. Si riveste pareti e fondo scavo con geotessuto di adeguata resistenza, durata e capacità filtrante.

Fase 3. Fino a raggiungere l’altezza Hg si posa e si costipa il ghiaietto 20/30 mm sul fondo dello scavo. Il ghiaietto deve essere tassativamente lavato, scevro da particelle fini e di fiume (arrotondato).

Fase 4. Si esegue un cordolo di fondazione in corrispondenza dell’appoggio degli anelli di infiltrazione (in cemento armato); la parte interna del cordolo andrà riempita con ghiaietto similare a quello utilizzato nella Fase 3.

Fase 5. Posa degli anelli di dispersione per realizzare il vano V2, aventi diametro Da ed altezza Ha. Sopra gli anelli viene posata una piastra con passo d’uomo per consentire la manutenzione straordinaria dello stesso vano V2; viene infine rivestita con geotessuto la parete esterna degli anelli di dispersione. Gli elementi in calcestruzzo prefabbricato devono essere reciprocamente ammorsati con malta di cemento espansiva.

Fase 6. Riempimento dello spazio fra gli anelli del vano V2 e le pareti dello scavo con ghiaietto delle medesime caratteristiche presenti alla Fase 3. Formazione di un foro sulla piastra B di copertura del vano V2 ed ammorsamento di un tubo H di diametro pari ad almeno 1,5 volte il diametro F del tubo di scarico dell’acqua di pioggia. Lo spezzone del tubo deve sporgere sopra la piastra B di copertura del vano V2 per almeno l’80% dell’altezza Ha degli anelli di dispersione. Prima di passare alla fase successiva viene collocato sulla verticale del tubo H una piastra M in calcestruzzo armato prefabbricato a presidio antierosione del fondo del volume V2.

Fase 7. Posa di due anelli a tenuta per realizzare la prima parte del vano V1, anelli aventi diametro Da ed altezza Ha; gli anelli devono essere reciprocamente collegati con malta di cemento espansiva. Posa di stuoia di geotessuto sopra lo strato di ghiaietto 20/30 mm posato alla Fase 4 e stesa di terreno arido, costipato per strati non superiori a 25 cm fino ad arrivare alla quota di scorrimento del tubo F e  del tubo T (se previsto).

Fase 8. Posa dell’ultimo anello del vano V1, formazione dei fori sulle pareti e posizionamento dei tronconi di tubo F e T (quest’ultimo se previsto); i tubi vanno ammorsati utilizzando malta espansiva. I giunti che collegano gli spezzoni di tubo posati ed i rimanenti collettori di scarico o di troppo pieno devono essere collocati più vicino possibile alle pareti esterne degli anelli tipo C.

Fase 9. Posa della piastra B di copertura del vano V1 e del chiusino di accesso/manutenzione A. Il chiusino A deve avere caratteristiche tali da non permettere il passaggio dei raggi di luce solare entro il volume V1.

Fase 10. Rinterro con materiale arido sopra i tubi di scarico e/o di troppo pieno e lavorazioni finali.

ESEMPIO APPLICATIVO

Il sistema avrà un’area di drenaggio ATOT composta da tipi diversi di uso del suolo e di trattamento della superficie. Per determinare AI, cioè la quantità di superficie impermeabile ovvero la superficie teorica di raccolta acqua, al netto di infiltrazione ed evaporazione, occorrerà di volta in volta fare una media pesata per tipologie di superficie attraverso opportuni coefficienti di afflusso ΨM. In presenza di m superfici AJ ognuna dotata di coefficiente di afflusso ΨMi il valore AI può quindi determinarsi con la seguente sommatoria estesa fra 1 ed m:

AIAJ·ΨMi .                

Valori tipici di ΨM sono di seguito riassunti:

  • strade e piazze in asfalto o cls senza fughe: 0,90
  • strade e piazze in massello con fughe strette: 0,75
  • piazze e strade in ghiaia pressata: 0,60
  • piazze e strade in massello con fughe larghe: 0,50
  • piazze e strade in ghiaia non pressata: 0,30
  • piazze e strade in masselli autobloccanti e masselli drenanti: 0,25
  • piazze e strade in acciotolato erboso: 0,15
  • coperture pendenti in acciaio, cls impermeabile o vetro: 0,95
  • coperture pendenti in ardesia o materiale isolante: 0,90
  • coperture pendenti meno di 3° in acciaio, cls o vetro: 0,93
  • coperture pendenti meno di 3° in ardesia o materiale isolante: 0,90
  • coperture pendenti meno di 3° in ghiaia: 0,70
  • tetti verdi fino a 15° con spessore humus minore di 10 cm: 0,50
  • tetti verdi fino a 15° con spessore humus maggiore di 10 cm: 0,30 .

Ovviamente vale la relazione (con la sommatoria estesa fra 1 ed m) ATOTAJ .          

Il diametro interno degli anelli di dispersione di tipo commerciale (valore Da evidenziato nella Figura 2) sono usualmente di 50, 80, 100, 150, 200 e 250 cm; ogni anello è normalmente alto 50 cm, indipendentemente dal diametro, e presenta un certo spessore minimo legato al sistema produttivo. Ogni anello perdente presenta un certo numero di fori di drenaggio (indicativamente di diametro variabile fra 8 e 15 cm); se questi fori sono ben distribuiti ed in numero sufficiente l’esatta determinazione o previsione degli stessi non influenza in modo significativo il calcolo idraulico.

Illustriamo ora un esempio di dimensionamento di un sistema di dispersione nel sottosuolo delle acque di pioggia a mezzo pozzi perdenti realizzati con anelli di filtrazione. Ipotizziamo di essere in presenza di un sottosuolo dotato di permeabilità non trascurabile, assimilabile a sabbia fina. In un lotto di terreno di complessivi 1.445 m2 l’uso futuro del suolo prevede 4 tipi idrologici di uso della superficie e, quindi, 4 valori dei coefficienti ΨMi:

  •             A1 = strada in asfalto senza fughe per 250 m2,   ΨM1=0,90
  •             A2 = slargo stradale in ghiaia non pressata per 650 m2ΨM2=0,30
  •             A3 = park e pedonale in masselli drenanti per 255 m2ΨM3=0,25
  •             A4 = edifici con copertura pendente in cotto per 290 m2, ΨM4=0,90 .

Applicando la relazione  AIAJ·ΨMi otteniamo quindi

AI=0,9×250+0,3×650+0,25×255+0,90×290=745 m2.

Utilizzando il grafico di Figura 6 deriva che la superficie di 745 m2 può essere coperta con 3 perdenti realizzati con anelli di dispersione da 2 m di diametro e 3 metri di altezza netta interna, in grado di coprire quindi 216,7*3=650,1 m2;

… si osservi che nel grafico di Figura 6 in corrispondenza a D=2 m ed H=3 m si ottiene Ai=216,7 m2

i rimanenti 745-650,1=94,5 m2 verranno serviti da ammassi granulari sotto le fondazioni dei tre perdenti per i quali si ipotizza una valore di porosità pari a 0.4, quindi ognuno di spessore (9/650.1)*94,5/0,4/3=1,09 m.

Se lo scorrimento dei tubi di scarico si posiziona, per ogni perdente, a 100 cm di profondità dal piano campagna, lo scavo di ognuno dei tre pozzi sarà profondo 100+55+25+300+25+109=614 cm. Nel calcolo si è ipotizzato che le piastre di copertura siano spesse 25 cm e che l’area afferente di ogni perdente corrisponda ad 1/3 dell’intero lotto in termini di capacità di formare il flusso di pioggia (suddivisione dei dispersori per aree di drenaggio uguali).

Giuliano Zen, marzo 2005.

Ordine Ingegneri Treviso, posizione A1070.

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