Paratoie

e opere di scarico e di derivazione

degli sbarramenti di ritenuta (dighe e traverse)

Premessa

Vengono analizzate la funzione e l’impiego delle varie tipologie di paratoie e delle relative opere usualmente impiegate nello scarico o nella derivazione dell’acqua negli sbarramenti di ritenuta, siano essi dighe o traverse.

Delle varie tipologie di paratoie sono anche proposti dei disegni schematici con evidenziate le principali caratteristiche costruttive che ne determinano l’impiego e il loro funzionamento.

In Appendice, una nota relativa alle paratoie della diga del Vajont.

Per definizione, gli sbarramenti sono strutture di ritenuta dell’acqua, costituite da una diga o da una traversa, e dalle relative opere per lo scarico e per la derivazione dell’acqua.

Per il “Regolamento dighe e traverse”, sono dighe quegli sbarramenti la cui altezza supera i 10 m oppure, se di altezza inferiore, con un volume di invaso superiore a 100.000 m³. Gli altri sono traverse.

Per la classificazione e la descrizione funzionale delle paratoie si è adottata la suddivisione di come queste sono utilizzate negli sbarramenti: e cioè se nelle opere per lo scarico dell’acqua oppure nelle opere per la derivazione dell’acqua stessa verso l’utenza.

1. Opere per lo scarico dell’acqua

Sono l’insieme delle opere civili e impiantistiche che attuano lo scarico, libero o volontario, dell’acqua invasata negli sbarramenti. Si possono dividere in:

1.1. Scarichi di superficie a soglia fissa.

1.2. Scarichi di superficie a soglia variabile.

1.3. Scarichi profondi o in pressione.

2. Opere per la derivazione dell’acqua

Sono l’insieme delle opere civili e impiantistiche che regolano l’afflusso dell’acqua dallo sbarramento verso l’utilizzatore e sono diverse in funzione di dove e di come è previsto il loro impiego. Si possono dividere in:

2.1. Derivazioni da traverse, dove l’acqua viene convogliata in canali o gallerie a pelo libero.

2.2. Derivazioni da dighe, dove l’acqua viene convogliata in gallerie in pressione.

1. Opere per lo scarico dell’acqua

1.1. Scarichi di superficie a soglia fissa

La quota della soglia fissa (o di sommità) è la quota del livello d’acqua alla quale ha inizio, automaticamente, lo sfioro da appositi dispositivi e viene definita quota massima di regolazione.

Viene invece definita quota di massimo invaso, la quota massima cui può giungere il livello dell’acqua nello sbarramento ove si manifesti il più gravoso evento di piena previsto.

Queste modalità di scarico, ovviamente senza paratoie, sono molto semplici nelle traverse essendo costituite da una semplice soglia fissa (fig.1). Più complesso nelle dighe dove le opere possono essere:

1.1.1. A stramazzo incorporato nel corpo della diga. La soglia fissa ha uno o più luci sfioranti e le modalità di uscita dell’acqua dipende dal tipo di diga:

Nelle dighe a gravità e ad arco e nelle traverse, l’acqua sfiorata viene accompagnata nell’alveo a valle con appositi scivoli lungo il paramento di valle, alla base dei quali ci sono adeguate opere per la salvaguardia del piede della diga (fig.1).
Nelle dighe ad arco-cupola le luci sfioranti sono generalmente al centro del coronamento e l’acqua cade naturalmente lontano dal piede della diga (fig. 2).

1.1.2. A stramazzo fuori dal corpo diga. Vale per tutti i tipi di diga, e possono essere:

Del tipo a calice, per allungare il perimetro della soglia sfiorante (fig. 3).
Di altre conformazioni della soglia, come in fig. 4, dove lo sfioro è laterale e la soglia curvilinea. Nella stessa figura, relativa ad una diga ad arco-cupola, sono presenti anche sei luci di sfioranti e si vede pure in funzione uno scarico profondo.
l’acqua viene accompagnata a valle con scivoli o con gallerie laterali alla diga per allontanarla dalla sua fondazione.

* Per tutti, compreso il punto 1.1.1.:

la portata scaricata non può essere controllata, ma dipende esclusivamente dall’altezza dell’acqua sopra la soglia;
poiché possono scaricare anche del materiale galleggiante, la conformazione degli scarichi deve essere tale da assicurare il transito di corpi galleggianti tra la vena liquida e le eventuali sovrastrutture (passerelle, ecc);
alla base degli scivoli o delle gallerie ci possono essere anche dei manufatti di varia esecuzione atti a dissipare l’energia dell’acqua scaricata (fig. 5).

1.2. Scarichi di superficie a soglia variabile

La variabilità della soglia si attua ovviamente solo al di sotto della quota massima di regolazione e può essere realizzata con paratoie che permettono anche di regolare la portata da scaricare. Queste soglie variabili possono essere realizzate con vari tipi di paratoie: a ventola, piane, piane con ventola sovrapposta, a settore, a settore con ventola sovrapposta, piane a due elementi sovrapposti, cilindriche. A seconda del modo di funzionamento, operano scaricando l’acqua in tre modi:

1.2.1. Solo dal bordo superiore, con paratoie.

A ventola. Sono incernierate nella parte inferiore e scaricano l’acqua abbassando la parte superiore, che funziona da soglia regolabile. L’abbassamento può essere effettuato:
- con pistoni posti nella parte sottostante (fig. 6);
- con aste azionate da bilancieri contrappesati che ne riducono lo sforzo di azionamento (fig. 7). A volte la ventola può essere tarata per abbassarsi automaticamente sotto la spinta dell’acqua, quando questa raggiunge un determinato livello: in questo modo può anche essere fissata e mantenuta una soglia di sfioro inferiore alla quota massima di regolazione, variando i pesi del contrappeso;

* Per tutte: per lo scarico del materiale galleggiante, vale quanto detto per la soglia fissa.

1.2.2. Solo dal bordo inferiore, con paratoie.

A settore. Sono incernierate sui due bracci laterali e hanno movimento rotatorio. Possono essere:
- senza contrappesi (fig. 8);
- con appositi contrappesi sul lato opposto allo scudo di tenuta (fig. 9). Queste possono essere aperte anche automaticamente da appositi galleggianti, situati in vasche nelle pile laterali, quando l’acqua raggiunge un determinato livello; in questo modo può anche essere fissata e mantenuta una quota inferiore alla quota massima di regolazione, variando il livello dell’acqua nelle vasche dei galleggianti. Queste paratoie hanno anche un dispositivo per il sollevamento manuale, non riportato in figura ma che è simile a quello di fig. 8.
Piane. Generalmente scorrono su ruote; a volte, per modeste luci e/o battenti, sono a strisciamento (fig. 10).
Cilindriche. La paratoia è appoggiata su uno stramazzo a calice (fig. 11). Sono impiegate solo nelle dighe.

* Per tutte:

possono regolare e scaricare forti portate avendo battente a monte;
se usate negli sbarramenti possono scaricare anche materiale solido.

1.2.3. Sia dal bordo superiore che inferiore. Sono l’abbinamento di paratoie a ventola, a settore e piane con lo scopo di integrare le loro specifiche caratteristiche di funzionamento in un’unica opera. Possono essere:

A settore, con o senza contrappeso, con ventola sovrapposta (fig. 12).
Piane con ventola sovrapposta (fig. 13).
Piane a due elementi sovrapposti (fig. 14).

1.3. Scarichi profondi o in pressione

1.3.1. Generalità.

Le dighe, oltre agli scarichi di superficie, devono avere altri scarichi posizionati al di sotto della quota massima di regolazione, detti appunto scarichi profondi o in pressione.
Le paratoie di questi scarichi sono del tipo piano, normalmente posizionate in apposite camere fuori dal corpo diga, in gallerie che sorpassano la diga stessa (fig. 15). Nelle dighe a gravità a volte le paratoie sono poste in gallerie ricavate nel corpo della diga stessa.
Questi scarichi devono avere due paratoie in serie, che sono azionate da servomotori oleodinamici a pistoni. Le paratoie sono a strisciamento (fig. 16), anche se talvolta la paratoia di valle è a rulli.
Avendo forma rettangolare, le paratoie vengono raccordate alla sezione circolare o policentrica delle gallerie di monte e di valle da strutture metalliche.
Gli imbocchi possono essere liberi o con griglie a maglie molto larghe.

1.3.2. Tenute delle paratoie.

Sono metalliche a strisciamento, sia per le tenute laterali che per la superiore.
Sui gargami (parte fissa) sono in acciaio inox.
Sul diaframma (parte mobile) sono in ottone, cioè di durezza diversa per evitare grippature.
Il metallo più tenero (che ovviamente si usura maggiormente) è posto sul diaframma perché, nell’eventuale manutenzione, il diaframma si può estrarre.
La tenuta inferiore, a soglia piana, è in acciaio inox per le due parti.

1.3.3. Funzionamento.

Sono paratoie che durante il funzionamento subiscono dell’usura, specialmente sulla soglia, perché:
- lavorano sotto forti pressioni e quasi sempre con aperture parzializzate;
- se vengono aperte quando è in atto una piena, nell’acqua ci può essere del materiale abrasivo in sospensione. L’usura sarà certamente maggiore per lo scarico più basso, perché l’acqua potrebbe trascinare fango, sabbia e talvolta anche ciottoli.
Delle due paratoie in serie, quella di monte è considerata “di tenuta” e quella di valle “di lavoro”;
Per la loro collocazione, è quasi sempre impossibile fare manutenzione alle paratoie di monte: queste devono quindi essere usate con particolare attenzione per mantenere efficienti le loro tenute, adottando una corretta sequenza di apertura e di chiusura delle due paratoie, che è la seguente:
- in base alla portata da scaricare si determina l’entità dell’apertura da dare alla paratoia di valle;
- si apre il by-pass a cavallo della paratoia di monte per riempire la camera tra le due paratoie con la pressione del lago;
- è ora possibile aprire la paratoia di monte: essendo le pressioni equilibrate il diaframma si solleva senza sollecitare le tenute. L’apertura può essere totale o parziale, comunque di valore almeno 2-3 volte maggiore di quella prevista per la paratoia di valle;
- si apre, sotto carico e con forte attrito, la paratoia di valle per iniziare lo scarico;
- per la chiusura si inverte la sequenza.
A parità di portata scaricata, la velocità dell’acqua (e del materiale trasportato) nella luce della paratoia di monte è minore e quindi l’usura sarà ridotta, o quasi assente.
Comunque anche la paratoia di monte può funzionare sotto carico, se il suo servomotore ha le stesse dimensioni di quello di valle.

NB. Se le paratoie sono posizionate all’interno della galleria di scarico (figg. 15 e 16), sono presenti anche dei condotti per rifornire d’aria la corrente d’acqua quando è in atto uno scarico.
L’aria, che si immette nella calotta della galleria subito a valle della paratoia di valle, viene richiamata dalla depressione creata dal passaggio dell’acqua che passa dalla piena pressione ad una prossima a quella atmosferica. Il richiamo è massimo alle piccole aperture delle paratoie e tende ad annullasi alla loro completa apertura.

1.3.4. Scarichi di esaurimento.

Sono utilizzati durante la costruzione della diga per deviare l’acqua e poi vengono generalmente abbandonati perché nel tempo è previsto il loro intasamento.

2. Opere per la derivazione dell’acqua

2.1. Derivazioni da traverse

Si impiegano quasi esclusivamente le paratoie piane già viste per gli scarichi di superficie (fig. 10);
Quando fosse necessario mantenere costante uno dei livelli, a monte o a valle della derivazione, le paratoie sono generalmente del tipo a settore (fig. 9); in questo caso l’apertura sarà controllata da galleggianti che saranno sensibili rispettivamente al livello dell’acqua nella traversa (cioè a monte) oppure a quello nel canale derivatore (a valle).

2.2. Derivazioni da dighe

Anche nella derivazione da dighe le paratoie sono piane e possono essere posizionate:

in pozzo (fig. 17);
in camera chiusa (fig. 18).

* Per tutte:

le tenute sono generalmente simili a quelle già viste per gli scarichi profondi;
all’imbocco della galleria c’è sempre una griglia fissa con maglie adeguatamente distanziate;
quando l’intercettazione è fatta in pozzo, generalmente a monte della paratoia c’è anche una griglia a sacco estraibile, con maglie più strette della griglia fissa (fig. 17);
avendo forma rettangolare, le paratoie vengono raccordate alla sezione circolare o policentrica delle gallerie di monte e di valle da strutture metalliche o in calcestruzzo;
per eseguire un graduale e controllato riempimento della galleria a valle, le paratoie hanno una saracinesca by-pass;
ci deve essere la possibilità di scaricare l’aria presente in galleria durante il suo riempimento e di immetterla nello svuotamento. Per questo, subito a valle della paratoia si ha:
- per quelle in pozzo, un aeroforo che comunica con l’esterno (fig. 17);
- per quelle in camera chiusa, una valvola di sfiato a comando manuale o automatico (fig. 18).

Bibliografia.
F. Marzolo – Costruzioni Idrauliche – CEDAM 1963
Olivieri / Ravelli – Impianti Elettrici – CEDAM 1980
F. Arredi – Costruzioni Idrauliche – UTET 1988

Appendice

Le paratoie della diga del Vajont

La struttura delle paratoie

Ne erano installate 14, tutte del tipo piano a strisciamento, costruite dalla Calzoni di Bologna. Di queste, sei erano nei tre scarichi profondi (di alleggerimento, di ½ fondo e di fondo) dove ogni scarico aveva due paratoie uguali in serie.

Avevano le zone delle tenute laterali e superiori in inox sul gargame e in ottone sulla lente (o diaframma), cioè materiali di durezza diversa per evitare grippamenti, mentre le tenute inferiori erano a soglia piana in inox/inox. La Calzoni usava rispettivamente AISI 316 e OT 58.

La luce della paratoie era varia: andava da 2,5 x 4,0 m di altezza per la maggiore (pos. 24, a valle del sorpasso ponte tubo) a 1,0 x 1,5 m per le quattro degli scarichi di ½ fondo e di fondo. Da notare che le lenti delle paratoie di fondo, sotto un battente di circa 210 m, dovevano sostenere una spinta dell’ordine delle 300 tonnellate.

La manovra delle paratoie

Le paratoie erano azionate da pistoni oleodinamici collocati nelle sovrastanti “camere di manovra”, alimentati da un’unica centrale di pompaggio posta al piano terra della cabina comandi, dove c’erano pure le apparecchiature oleodinamiche ed elettriche per il loro telecomando.

Questa sistemazione centralizzata ha richiesto notevoli percorsi delle tubazioni oleodinamiche che dalla cabina comandi passavano per i vani degli ascensori e poi, per i vari cunicoli, per raggiungere le camere delle paratoie.

Il comando a distanza di tutte le paratoie era fatto dal banco a leggio in sala controllo al primo piano della cabina comandi. Come estrema manovra di emergenza, in casi di mancanza d’olio in pressione, nella camera di manovra degli scarichi c’era anche una “pompa a braccia” azionabile a mano.
Essendo la pressione dell’olio la stessa, per adeguare la forza di azionamento alle necessità delle singole paratoie, i pistoni avevano diametri differenti.

La centrale di pompaggio

L’olio in pressione era fornito da due elettropompe che alimentavano un accumulatore d’olio costituito da un insieme pistone-cilindro, con il pistone contrappesato da blocchi di cemento.

L’insieme occupava in altezza i due piani della cabina comandi.

La pressione di mandata delle pompe era di 40 atmosfere, ma le tubazioni e le apparecchiature collegate dovevano sopportare pressioni maggiori man mano che si scendeva (aumentava di circa 20 atm in corrispondenza delle due paratoie dello scarico di fondo).

Era di fornitura Calzoni anche tutto il sistema oleodinamico.

La telesegnalazione delle paratoie

La posizione di tutte le paratoie era riportata sul banco a leggio in sala controllo e la segnalazione era diversa a seconda del loro funzionamento:

per quelle che potevano funzionare anche parzializzate (la pos. 23 di presa dal lago verso Val Gallina, la 27 che era il by-pass della centrale Colombèr e le 6 degli scarichi della diga), l’indicazione era continua e riportata su strumenti circolari;
per tutte le altre paratoie, che potevano funzionare solo aperte o chiuse, la posizione era segnalata con due luci.

Nota. Il sistema di comando della paratoie del Vajont ha rappresentato l’esempio della centralizzazione tipica della tecnologia di allora (almeno in ambito SADE). Infatti per evitare l’installazione di motori e altre parti elettriche in ambienti notevolmente umidi, come sono le camere di manovra delle paratoie, questi venivano posti in locali “sani”, come le cabine comandi o altri locali all’esterno.