1. Informe Diseño de Alcantarillas

UNIVERSIDAD PRIVADA ANTENOR ORREGO FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL

INFORME DE IRRIGACIONE Y DERENAJE “DISEÑO HIDRAULICO DE SISTEMA DE ALCANTARILLADO”

DOCENTE:

ING. NARVAEZ ARANDA, RICARDO

INTEGRANTES:      

BARTOLO LEON, DIEGO EDUARDO CIUDAD RUIZ, KEY DEL CARPIO REYES, JORGE HERRERA ARANDA, LUIS LUCIANO SANCHEZ, ALEXANDER SALVADOR ZEGARRA, LEISTER

Trujillo-Perú 2017

IRRIGACIONES Y DRENAJE INTRODUCCION En el desarrollo de las localidades urbanas, sus servicios en general se inician con un precario abastecimiento de agua potable y van satisfaciendo sus necesidades con base en obras escalonadas en bien de su economía. Como consecuencia se presenta el problema del desalojo de las aguas servidas o aguas residuales. Se requiere así la construcción de un sistema de alcantarillado sanitario para conducir las aguas residuales que produce una población, incluyendo el comercio, los servicios y a la industria a su destino final. Un sistema de alcantarillado sanitario está integrado por todos o algunos de los siguientes elementos: atarjeas, colectores, interceptores, emisores, plantas de tratamiento, estaciones de bombeo, descarga final y obras accesorias. El destino final de las aguas servidas podrá ser, previo tratamiento, desde un cuerpo receptor hasta el reúso o la recarga de acuíferos, dependiendo del tratamiento que se realice y de las condiciones particulares de la zona de estudio. Reconociendo la importancia del tratamiento de las aguas residuales para su reutilización es indispensable contar con sistemas de alcantarillado pluvial y sanitario independientes que garanticen la operación adecuada de ambas redes y de las plantas de tratamiento.

ÍNDICE GENERAL 2

IRRIGACIONES Y DRENAJE

INTRODUCCION………………………………………………….……………...…...……02 I. II. III. IV.

V. VI.

VII. VIII. IX. X.

XI.

GENERALIDADES………………………………….……………..……...……… 04 SISTEMA DE ALCANTARILLADO..………………….…………..….………… 04 PERIÓDO DE DISEÑO………………………………….………….……….…… 05 HIDRAULICA DE ALCANTARILLAS 4.1. ALCANTARILLAS………..…………………………..……………….08 4.2. CARACTERISTICAS HIDRAULICAS……………………….……...09 4.3. FORMULAS PARA EL DISEÑO HIDRAULICO…………….……..10 4.4. PROCEDIMIENTO SIMPLIFICADO…………….……….………….11 DISEÑO DE ALCANTARILLAS PARCIALMENTE LLENAS 5.1. SECCION OCUPADA……………………….……………………..…13 5.2. ELEMENTOS HIDRAULICOS..……………………..……..…….….13 REDES DE ALCANTARILLADO……………………………………..…... …….16 6.1. COMPONENTES DEL SISTEMA…………………………………..16 6.2. EMISORES……………………………………………………..……..16 6.3. COLECTORES………………………………………………………..17 6.4. CAMARA DE INSPECCION…………………………………......….18 6.5. PLANTA DE TRATAMIENTO………………………………………..18 6.6. CONEXIONES DOMICILIARIAS……………………………………18 TIPOS DE AGUAS RESIDUALES………….………………………….…..…… 19 DETERMINACION DEL CAUDAL DE AGUAS RESIDUALES………..…..19 CRITERIOS HIDRAULICOS DE DISEÑO……………………………………. …..19 EJERCICIOS…………………………….……………………………………. …..20 REFERENCIAS ……..27

BIBLIOGRAFICAS…………………………….………..

3

IRRIGACIONES Y DRENAJE

I.

GENERALIDADES: I.1. DEFINICIONES: Las obras de alcantarillado son el complemento necesario de las obras de abastecimiento de agua de cualquier centro poblado o zona urbana, debido a que a través de ellas se recoge, conducen y eliminas las aguas residuales domiciliarias, comerciales, industriales y pluviales. El desagüe está constituido por cerca del 99.9% de aguas y el 0.1% de sustancias minerales e inorgánicas disueltas o en suspensión. La cantidad de estas sustancias hace que el desagüe tenga un peso específico ligeramente superior a la del agua, 1001kg/m3; esta pequeña diferencia permite la aplicación al escurrimiento del desagüe de los mismos principios y leyes hidráulicas que rigen al movimiento del agua en las tuberías o conductos libres y forzados.

II.

SISTEMA DE ALCANTERILLADO II.1. DEFINICIO: Este sistema de alcantarillado está formado por un conjunto de tuberías y obras complementarias, necesarios para recibir y evacuar las aguas residuales de las viviendas e industrias. De no existir estas redes de recolección de agua, se pondría en grave peligro la salud de las personas debido al riesgo de enfermedades, y además, se causarían importantes pérdidas materiales. II.2. CLASIFICACION: Los sistemas de alcantarillado pueden ser de dos tipos: convencionales o no convencionales. Los sistemas de alcantarillado sanitario han sido ampliamente utilizados, estudiados y estandarizados. Son sistemas con tuberías de grandes diámetros que permiten una gran flexibilidad en la operación del sistema, debida en muchos casos a la incertidumbre en los parámetros que definen el caudal: densidad poblacional y su estimación futura, mantenimiento inadecuado o nulo. Los sistemas de alcantarillado no convencionales surgen como una respuesta de saneamiento básico de poblaciones de bajos recursos económicos, son sistemas poco flexibles, que requieren de mayor definición y control de en los parámetros de diseño, en especial del caudal, mantenimiento intensivo y, en gran medida, de la cultura en la comunidad que acepte y controle el sistema dentro de las limitaciones que éstos pueden tener. II.2.1. Los sistemas convencionales de alcantarillado se clasifican en: Alcantarillado separado: es aquel en el cual se independiza la evacuación de aguas residuales y lluvia. a. Alcantarillado sanitario: sistema diseñado para recolectar exclusivamente las aguas residuales domésticas e industriales. 4

IRRIGACIONES Y DRENAJE b. Alcantarillado pluvial: sistema de evacuación de la escorrentía superficial producida por la precipitación. Alcantarillado combinado: conduce simultáneamente las aguas residuales, domesticas e industriales, y las aguas de lluvia. II.2.2. Los sistemas de alcantarillado no convencionales se clasifican según el tipo de tecnología aplicada y en general se limita a la evacuación de las aguas residuales. a. Alcantarillado simplificado: un sistema de alcantarillado sanitario simplificado se diseña con los mismos lineamientos de un alcantarillado convencional, pero teniendo en cuenta la posibilidad de reducir diámetros y disminuir distancias entre pozos al disponer de mejores equipos de mantenimiento. b. Alcantarillado condominiales: Son los alcantarillados que recogen las aguas residuales de un pequeño grupo de viviendas, menor a una hectárea, y las conduce a un sistema de alcantarillado convencional. c. Alcantarillado sin arrastre de sólidos. Conocidos también como alcantarillados a presión, son sistemas en los cuales se eliminan los sólidos de los efluentes de la vivienda por medio de un tanque interceptor. El agua es transportada luego a una planta de tratamiento o sistema de alcantarillado convencional a través de tuberías de diámetro de energía uniforme y que, por tanto, pueden trabajar a presión en algunas secciones. II.3. PERIODO DE DISEÑO Un sistema de alcantarillado se proyecta para servir a una localidad para una población futura, es decir a una población mayor a la existente en el momento de realizar la construcción e instalación de las estructuras y tuberías.

CUADRO 1 VIDA UTIL DE LAS ESTRUCTURAS DE UN SISTEMA DE ALCANTARILLADO 5

IRRIGACIONES Y DRENAJE TIPO DE ESTRUCTURA

CARACTERISTICAS

VIDA UTIL EN AÑOS

Alcantarillas laterales y secundarias De 25 cm. de diámetro (10”)

Fáciles de cambiar

20-25

Alcantarillas principales de 76 cm de diámetro (30”)

Difíciles de cambiar y costos considerables

25-30

Colectores circulares de 76cm (30”) Estaciones de bombeo

Difíciles de cambiar

30-35

Estructuras Equipos

Difíciles de ampliar Fáciles de cambiar Difíciles de cambiar

25-30

No mecanizadas

Fáciles de ampliar Difíciles de ampliar

10-15 15-20

Mecanizadas

Fáciles de ampliar Difíciles de ampliar

15-20 20-30

8-10 10-15

Plantas de tratamiento

II.4.

HIDRULICAS DE ALCANTARILLADO:

El diseño de un sistema de alcantarillado requiere del conocimiento de la hidráulica de conductos cerrados o abiertos que trabajan sin presión, debido a que se busca que el escurrimiento de las aguas servidas proveniente de las viviendas, industrias, centros comerciales, etc., circule libremente de acuerdo a una pendiente y una velocidad mínima, evacuando fácilmente las aguas residuales. En caso contrario de considerar tuberías que trabajen a presión, puede ocurrir lo siguiente: 



Salida de aguas de las aguas residuales por los diferentes aparatos sanitarios de las edificaciones debido a una contrapresión por una falla en el sistema de alcantarillado. Acumulación de aguas residuales en áreas no consideradas para su tratamiento, debido a la salida de las aguas por la tapa de los buzones que no soportarían la presión; ocasionando un malestar en la población por la formación de áreas de contaminación. II.4.1. ALCANTARILLAS: Son conductos que están diseñados para trabajar sin presión, es decir están sujetos a la presión atmosférica, presentando por tanto una superficie libre en contacto con el aire como se muestra la figura 10.2, el caso extremo se produce cuando el conducto está lleno, actuando en la parte superior del mismo una presión igual a la atmosférica como su muestra en la Figura 10.2 y 10.3.

6

IRRIGACIONES Y DRENAJE

Figura 10.1: Alcantarillas parcialmente llenas con superficie libre Pa

Figura llenas

10.2

Alcantarillas

II.4.2. CARACTERISTICAS HIDRAULICAS: Para las alcantarillas que trabajan parcialmente llenas o llenas pero sin presión se considera las siguientes características hidráulicas que se indican en la figura 10.4:

Figura 10.3 Características hidráulicas de las alcantarillas De la figura se tiene:

P= perímetro mojado A= área hidráulica R = radio hidráulico

Para el caso de tuberías llenas o a mitad de sección el radio hidráulico es un cuarto del diámetro (R= D/4). II.4.3. FORMULAS PARA EL DISEÑO HIDRAULICO: Las diferentes expresiones para el diseño de alcantarillas que se tiene son las de Manning, Kutter y Bazin, y de 7

IRRIGACIONES Y DRENAJE estas la más recomendable por sus resultados satisfactorios y sus aplicaciones prácticas es la Manning.

Donde: Q = caudal (m3/s) A = area hidráulica (m2) R = radio hidráulico (m) S = pendiente V = velocidad (m/s) n = coeficiente de rugosidad De estas expresiones se deduce cuatro variables importantes para el diseño de alcantarillas: el caudal (Q), el diámetro, la velocidad y la pendiente. Conociendo dos de ellas se puede calcular las otras dos. Por lo tanto, para los problemas que se presentan en la práctica se deben considerar cuatro alternativas: Datos: D y S calcular: Q y V Datos: D y V calcular: S y Q Datos: Q y S calcular: V y D Datos: Q y V calcular: D y S Para la solución de los cuatro casos se aplicara las siguientes ecuaciones:

II.4.4. PROCEDIMIENTOS SIMPLIFICADOS: En la práctica para el cálculo de los elementos hidráulicos de una alcantarilla a sección llena, se utilizan procedimientos simplificados con el uso de tablas, monogramas y programas de cómputo que facilitan el diseño de una red de alcantarillado. Se recomienda que el alumno o profesional, inicialmente realice los cálculos aplicando las expresiones matemáticas para entender la secuencia del diseño, para luego aplicar las formas simplificadas.

8

IRRIGACIONES Y DRENAJE III.

DISEÑO DE ALCANTARILLAS PARCIALMENTE LLENAS III.1.

Sección ocupada

Inicialmente para el diseño de tuberías de alcantarillado sanitario se calculaban para que funcione a media sección, considerado que la otra mitad de la sección libre serviría como margen de seguridad para los aportes futuros que no habrían sido proyectados adecuadamente y, para asegurar la ventilación de las alcantarillas. Luego se determinó que las alcantarillas circulares, podrían ser proyectadas para funcionar a 2/3 o 3/4 de su sección, por existir un excedente de sección suficiente para asegurar una adecuada ventilación, y por qué en la actualidad existen mejores procedimientos para estimar los aportes de una población futura, lo que permite aumentar la capacidad de flujo de las alcantarillas y disminuir sus costos en el proyecto. III.2.

ELEMENTOS HIDRÁULICOS

Luego de haber indicado el diseño de alcantarillas para que trabajen a tubo lleno, en esta parte se considera para el diseño un tirante igual a una fracción del diámetro, para lo cual se debe determinar relaciones entre los elementos hidráulicos para escurrimientos a diferentes tirantes.

En la figura 10.4 se muestra las relaciones geométricas de una sección circular, de donde se pueden obtener expresiones matemáticas que relacionan los caudales, las áreas hidráulicas y los diámetros de los escurrimientos parcialmente llenos a los escurrimientos llenos para conductos circulares. Con dichas expresiones se ha formado la tabla 10.1 y 10.2 de elementos hidráulicos.

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IRRIGACIONES Y DRENAJE

Cuadro 2: Elementos hidráulicos de una alcantarilla parcialmente llena Y/D

θ rad

sexa

P/PLL

R/RLL A/ALL V/VLL

10

Q/QLL

R/D

IRRIGACIONES Y DRENAJE 0.0000 0.0100 0.0200 0.0300 0.0400 0.0500 0.0600 0.0700 0.0800 0.0900 0.1000 0.1100 0.1200 0.1300 0.1400 0.1500 0.1600 0.1700 0.1800 0.1900

0.0000 0.0000 0.4007 22.9567 0.5676 32.5204 0.6963 39.8969 0.8054 46.1478 0.9021 51.6839 0.9899 56.7153 1.0711 61.3668 1.1470 65.7198 1.2188 69.8304 1.2870 73.7398 1.3523 77.4788 1.4150 81.0716 1.4755 84.5372 1.5340 87.8910 1.5908 91.1460 1.6461 94.3127 1.7000 97.4003 1.7526 100.4164 1.8041 103.3677

0.0638 0.0903 0.1108 0.1282 0.1436 0.1575 0.1705 0.1826 0.1940 0.2048 0.2152 0.2252 0.2348 0.2441 0.2532 0.2620 0.2706 0.2789 0.2871

0.0265 0.0528 0.0789 0.1047 0.1302 0.1555 0.1805 0.2053 0.2298 0.2541 0.2781 0.3018 0.3253 0.3485 0.3715 0.3942 0.4166 0.4388 0.4607

0.0017 0.0048 0.0087 0.0134 0.0187 0.0245 0.0308 0.0375 0.0446 0.0520 0.0598 0.0680 0.0764 0.0851 0.0941 0.1033 0.1127 0.1224 0.1323

0.0890 0.1408 0.1839 0.2221 0.2569 0.2892 0.3194 0.3480 0.3752 0.4012 0.4260 0.4500 0.4730 0.4953 0.5168 0.5376 0.5578 0.5775 0.5965

0.0002 0.0007 0.0016 0.0030 0.0048 0.0071 0.0098 0.0130 0.0167 0.0209 0.0255 0.0306 0.0361 0.0421 0.0486 0.0555 0.0629 0.0707 0.0789

0.0066 0.0132 0.0197 0.0262 0.0326 0.0389 0.0451 0.0513 0.0575 0.0635 0.0695 0.0755 0.0813 0.0871 0.0929 0.0986 0.1042 0.1097 0.1152

0.2000 0.2100 0.2200 0.2300 0.2400 0.2500 0.2600 0.2700 0.2800 0.2900 0.3000 0.3100 0.3200 0.3300 0.3400 0.3500 0.3600

1.8546 1.9041 1.9528 2.0007 2.0479 2.0944 2.1403 2.1856 2.2304 2.2747 2.3186 2.3620 2.4051 2.4478 2.4901 2.5322 2.5740

0.2952 0.3031 0.3108 0.3184 0.3259 0.3333 0.3406 0.3478 0.3550 0.3620 0.3690 0.3759 0.3828 0.3896 0.3963 0.4030 0.4097

0.4824 0.5037 0.5248 0.5457 0.5662 0.5865 0.6065 0.6262 0.6457 0.6649 0.6838 0.7024 0.7207 0.7387 0.7565 0.7740 0.7911

0.1424 0.1527 0.1631 0.1738 0.1845 0.1955 0.2066 0.2178 0.2292 0.2407 0.2523 0.2640 0.2759 0.2878 0.2998 0.3119 0.3241

0.6151 0.6331 0.6507 0.6678 0.6844 0.7007 0.7165 0.7320 0.7471 0.7618 0.7761 0.7902 0.8038 0.8172 0.8302 0.8430 0.8554

0.0876 0.0966 0.1061 0.1160 0.1263 0.1370 0.1480 0.1595 0.1712 0.1834 0.1958 0.2086 0.2218 0.2352 0.2489 0.2629 0.2772

0.1206 0.1259 0.1312 0.1364 0.1416 0.1466 0.1516 0.1566 0.1614 0.1662 0.1709 0.1756 0.1802 0.1847 0.1891 0.1935 0.1978

106.2602 109.0989 111.8884 114.6327 117.3355 120.0000 122.6292 125.2258 127.7922 130.3308 132.8436 135.3326 137.7996 140.2463 142.6742 145.0848 147.4796

0.3700 2.6155 149.8599

0.4163 0.8080

0.3364 0.8675 0.2918 0.2020

0.3800 0.3900 0.4000 0.4100 0.4200 0.4300 0.4400 0.4500

0.4229 0.4294 0.4359 0.4424 0.4489 0.4553 0.4617 0.4681

0.3487 0.3611 0.3735 0.3860 0.3986 0.4112 0.4238 0.4364

2.6569 2.6980 2.7389 2.7796 2.8202 2.8607 2.9010 2.9413

152.2269 154.5819 156.9261 159.2605 161.5862 163.9043 166.2158 168.5217

0.8246 0.8409 0.8569 0.8726 0.8880 0.9031 0.9179 0.9323

11

0.8794 0.8909 0.9022 0.9132 0.9239 0.9343 0.9445 0.9544

0.3066 0.3217 0.3370 0.3525 0.3682 0.3842 0.4003 0.4165

0.2062 0.2102 0.2142 0.2182 0.2220 0.2258 0.2295 0.2331

IRRIGACIONES Y DRENAJE

Y/D

θ sexa 170.8229 173.1204 175.4151 177.7080 180.0000 182.2920 184.5849 186.8796 189.1771 191.4783 193.7842 196.0957 198.4138 200.7395 203.0739 205.4181

P/PLL R/RLL A/ALL V/VLL

Q/QLL

R/D

0.4600 0.4700 0.4800 0.4900 0.5000 0.5100 0.5200 0.5300 0.5400 0.5500 0.5600 0.5700 0.5800 0.5900 0.6000 0.6100

rad 2.9814 3.0215 3.0616 3.1016 3.1416 3.1816 3.2216 3.2617 3.3018 3.3419 3.3822 3.4225 3.4630 3.5036 3.5443 3.5852

0.4745 0.4809 0.4873 0.4936 0.5000 0.5064 0.5127 0.5191 0.5255 0.5319 0.5383 0.5447 0.5511 0.5576 0.5641 0.5706

0.9465 0.9604 0.9739 0.9871 1.0000 1.0126 1.0248 1.0367 1.0483 1.0595 1.0704 1.0810 1.0912 1.1011 1.1106 1.1197

0.4491 0.4618 0.4745 0.4873 0.5000 0.5127 0.5255 0.5382 0.5509 0.5636 0.5762 0.5888 0.6014 0.6140 0.6265 0.6389

0.9640 0.9734 0.9825 0.9914 1.0000 1.0084 1.0165 1.0243 1.0319 1.0393 1.0464 1.0533 1.0599 1.0663 1.0724 1.0783

0.4330 0.4495 0.4662 0.4831 0.5000 0.5170 0.5341 0.5513 0.5685 0.5857 0.6030 0.6202 0.6375 0.6547 0.6718 0.6889

0.2366 0.2401 0.2435 0.2468 0.2500 0.2531 0.2562 0.2592 0.2621 0.2649 0.2676 0.2703 0.2728 0.2753 0.2776 0.2799

0.6200 0.6300 0.6400 0.6500 0.6600 0.6700 0.6800 0.6900 0.7000 0.7100 0.7200 0.7300 0.7400 0.7500 0.7600 0.7700 0.7800 0.7900 0.8000 0.8100 0.8200 0.8300 0.8400 0.8500 0.8600 0.8700 0.8800 0.8900 0.9000

3.6263 3.6676 3.7092 3.7510 3.7931 3.8354 3.8781 3.9212 3.9646 4.0085 4.0528 4.0976 4.1429 4.1888 4.2353 4.2825 4.3304 4.3791 4.4286 4.4791 4.5306 4.5832 4.6371 4.6924 4.7492 4.8077 4.8682 4.9309 4.9962

207.7731 210.1401 212.5204 214.9152 217.3258 219.7537 222.2004 224.6674 227.1564 229.6692 232.2078 234.7742 237.3708 240.0000 242.6645 245.3673 248.1116 250.9011 253.7398 256.6323 259.5836 262.5997 265.6873 268.8540 272.1090 275.4628 278.9284 282.5212 286.2602

0.5771 0.5837 0.5903 0.5970 0.6037 0.6104 0.6172 0.6241 0.6310 0.6380 0.6450 0.6522 0.6594 0.6667 0.6741 0.6816 0.6892 0.6969 0.7048 0.7129 0.7211 0.7294 0.7380 0.7468 0.7559 0.7652 0.7748 0.7848 0.7952

1.1285 1.1369 1.1449 1.1526 1.1599 1.1667 1.1732 1.1793 1.1849 1.1902 1.1950 1.1994 1.2033 1.2067 1.2097 1.2123 1.2143 1.2158 1.2168 1.2172 1.2171 1.2164 1.2150 1.2131 1.2104 1.2071 1.2029 1.1980 1.1921

0.6513 0.6636 0.6759 0.6881 0.7002 0.7122 0.7241 0.7360 0.7477 0.7593 0.7708 0.7822 0.7934 0.8045 0.8155 0.8262 0.8369 0.8473 0.8576 0.8677 0.8776 0.8873 0.8967 0.9059 0.9149 0.9236 0.9320 0.9402 0.9480

1.0839 1.0893 1.0944 1.0993 1.1039 1.1083 1.1124 1.1162 1.1198 1.1231 1.1261 1.1288 1.1313 1.1335 1.1353 1.1369 1.1382 1.1391 1.1397 1.1400 1.1399 1.1395 1.1387 1.1374 1.1358 1.1337 1.1311 1.1280 1.1243

0.7060 0.7229 0.7397 0.7564 0.7729 0.7893 0.8055 0.8215 0.8372 0.8527 0.8680 0.8829 0.8976 0.9119 0.9258 0.9394 0.9525 0.9652 0.9775 0.9892 1.0004 1.0110 1.0211 1.0304 1.0391 1.0471 1.0542 1.0605 1.0658

0.2821 0.2842 0.2862 0.2881 0.2900 0.2917 0.2933 0.2948 0.2962 0.2975 0.2987 0.2998 0.3008 0.3017 0.3024 0.3031 0.3036 0.3039 0.3042 0.3043 0.3043 0.3041 0.3038 0.3033 0.3026 0.3018 0.3007 0.2995 0.2980

12

IRRIGACIONES Y DRENAJE

Y/D

10.5

IV.

0.9100 0.9200 0.9300 0.9400 0.9500 0.9600 0.9700 0.9800 0.9900 1.0000

θ rad 5.0644 5.1362 5.2121 5.2933 5.3811 5.4778 5.5869 5.7156 5.8825 6.2832

sexa 290.1696 294.2802 298.6332 303.2847 308.3161 313.8522 320.1031 327.4796 337.0433 360.0000

P/PLL

R/RLL

A/ALL

V/VLL

Q/QLL

R/D

0.8060 0.8174 0.8295 0.8425 0.8564 0.8718 0.8892 0.9097 0.9362 1.0000

1.1853 1.1775 1.1684 1.1579 1.1458 1.1316 1.1148 1.0941 1.0663 1.0000

0.9554 0.9625 0.9692 0.9755 0.9813 0.9866 0.9913 0.9952 0.9983 1.0000

1.1200 1.1151 1.1093 1.1027 1.0950 1.0859 1.0751 1.0618 1.0437 1.0000

1.0701 1.0733 1.0752 1.0757 1.0745 1.0714 1.0657 1.0567 1.0420 1.0000

0.2963 0.2944 0.2921 0.2895 0.2865 0.2829 0.2787 0.2735 0.2666 0.2500

REDES DE ALCANTARILLADO: IV.1.

COMPONENTES DEL SISTEMA:

El sistema de alcantarillado comprende un conjunto de tuberías y obras generalmente enterradas que tiene por finalidad evacuar las aguas residuales de la población. Sus principales componentes son: Redes: (Emisores). Secundarios (Colectores).

Estructuras especiales: Principales Buzones. Planta de Tratamiento.

La red de alcantarillado, además de las tuberías, está constituida por otras estructuras hidráulicas diseñadas para permitir el correcto funcionamiento del sistema; entre otras, se pueden mencionar las siguientes: - Cámaras de caída. - Conexiones domiciliarias.

- Interceptores.

IV.1.1. EMISORES: Es la línea conductora de las aguas servidas hasta la disposición final, sin recibir ninguna contribución en su recorrido. Esta tubería recibe desagüe de redes extensas, las cuales están sujetas a menores variaciones del gasto; por lo cual, pueden ser diseñadas para funcionar con 2/3D a 3/4D.

13

IRRIGACIONES Y DRENAJE

El emisor se ha diseñado teniendo en cuenta la aportación total de la ciudad y la topografía por el que drenará al agua residual hacia la planta de tratamiento. IV.1.2. COLECTORES: Son las tuberías que reciben las aguas residuales por el alcantarillado de servicio local. Son conductos libres que deben trabajar al gasto máximo a media sección, destinando la mitad superior de los conductos para ventilación del sistema y fluctuaciones excepcionales del nivel.

Las tuberías se proyectan en tramos rectos y serán instaladas siguiendo en lo posible el eje de las calles, si existen desniveles se colocará de preferencia en el lado más bajo, considerando en lo posible mantener una distancia mínima horizontal de 2 m con respecto a la tubería de agua. En avenidas que cuentan con un ancho mayor de 20 m se instalarán 2 colectores. IV.1.3. CAMARA DE INSPECCION: Son estructuras de forma cilíndricas llamados también buzones, son los puntos de reunión en los cuales descargan los colectores y deben tener las dimensiones tales que permitan el ingreso de una persona para que pueda inspeccionar y realizar la limpieza de las tuberías en caso de obstrucción o cuando tengan que llevar a 14

IRRIGACIONES Y DRENAJE cabo el mantenimiento de los mismos. Todos los colectores estarán unidos a los buzones de inspección según los siguientes casos: - En todos los empalmes de colectores. - Al inicio de todo colector. - Cambio de dirección. - Cambio de pendiente. - Cambio de diámetro. - Cambio de material (tubería). - Lugares de inspección. - Lugares de limpieza y eventuales atoros. Entramos rectos extensos de los colectores, el espaciamiento máximo es:

Las dimensiones de los buzones varían en función del diámetro de los colectores que llegan al buzón de acuerdo a los siguientes requisitos: - Profundidad mínima de 1.20 m. - Diámetro interior para: Tuberías hasta diámetro de 800 mm: 1.20 m. Tuberías hasta diámetro de 1200 mm: 1.50 m. IV.1.4. PLANTA DE TRATAMIENTO: Es el punto final del sistema en donde los efluentes se depositan para su respectivo tratamiento. Las plantas de tratamiento son estructuras donde se depuran las aguas residuales, con la finalidad de cumplir con las normas de calidad del cuerpo receptor o de reutilización. IV.1.5. CONEXIONES DOMICILIARIAS: Las conexiones domiciliarias son las que son las que permiten la evacuación de las aguas servidas de los lotes hacia la red de alcantarillado y estarán ubicadas a una distancia entre 1.20m. Y 2.00m. De la línea de propiedad, izquierda o derecha. El diámetro mínimo para esta conexión será de 6” (150 mm.), con una pendiente mínima de 15 por mil. V.

TIPOS DE AGUAS RESIDUALES Las aguas residuales que se tienen que evacuar por el sistema de 15

IRRIGACIONES Y DRENAJE alcantarillado, pueden clasificarse industriales y pluviales. VI.

en aguas residuales domésticas,

DETERMINACION DEL CAUDAL DE AGUAS RESIDUALES VI.1.

APORTE AGUAS DOMESTICAS

Depende exclusivamente del agua suministrada. El Reglamento Nacional de Edificaciones recomienda que se considere el 80% del caudal del agua consumida como aporte de contribución al alcantarillado, es decir que este porcentaje se aplicara al caudal máximo correspondiente a la demanda horaria. Q doméstico = 80%Qmm (l/s) VI.2.

APORTE DE AGUAS POR INFILTRACION:

Es el agua que ingresa al sistema de alcantarillado, proveniente del terreno inmediato y que tiende a reducir la capacidad de conducción. Está en relación a la permeabilidad del suelo, grado de saturación de agua freática y clase de tubería a emplearse. En general se considera: Para colectores: Caudal unitario por kilómetro de colector: qt = 20000 l/día/Km. El caudal de infiltración por colectores es: Q inf – col = (20000l/día/Km.) L / 86400 Dónde:

Qinf-cll = caudal de infiltración (l/s) L = longitud de tubería del colector por tramo (Km.)

Para buzones: Caudal unitario por buzón: qb = 380 l/día/ buzón Caudal de infiltración en buzones es: Q inf – buz = (380lt/día/buzón) B / 86400 Dónde:

VI.3.

Qinf-buz= caudal de infiltración en buzón (l/s) B = número de buzones

APORTE DE PRECIPITACION FLUVIAL

De acuerdo a los datos estadísticos de precipitación obtenidos para la zona en estudio se ha determinado una precipitación media de 10mm/mes. Usando la expresión de Berkli - Ziegler obtenemos el valor del caudal de contribución.

Dónde:

E = coeficiente medio de flujo 16

IRRIGACIONES Y DRENAJE A = área drenada (He) S = pendiente media del terreno (m/km) P = precipitación media, durante la lluvia más fuerte en el fenómeno del niño (cm/hora)

VII.

CRITERIOS HIDRAULICOS DE DISEÑO Para el diseño del sistema de alcantarillado se considera las normas del Reglamento Nacional de Edificaciones, a continuación mencionaremos los criterios tomados en el diseño de la red de alcantarillado. VII.1. CAUDALES (Q) Los caudales del sistema se calcularán de acuerdo a los siguientes criterios:  Se considerará el 80% del caudal de agua potable consumida que ingresa al sistema de alcantarillado (80% Qmh). 



El agua de infiltración a los sistemas de alcantarillado está en relación con los terrenos saturados de agua freática, permeabilidad del suelo y al tipo de tubería a emplearse. Las tolerancias promedios comunes establecidos para drenajes tendidos bajo el nivel freática son:

De 19,000 l/día por hectárea De 67,400 l/día por Km. de alcantarilla De 2,000 l/día/Km. de colector más 380 l/día/buzón (según las normas de salud) VII.2. DIAMETRO MINIMO (D) En las conexiones domiciliarias el diámetro mínimo aceptado es de 6’’ (150 mm) y en los colectores del alcantarillado es de 8’’ (200 mm) en general se usan colectores circulares hasta 24’’ (600 mm) debido a que los tubos pequeños se obstruyen rápidamente y son difíciles de limpiar. 17

IRRIGACIONES Y DRENAJE VII.3. VELOCIDAD (V) Los colectores se obstruyen por el depósito de materiales residuales por lo que es necesario que tengan velocidades autolimpiántes. Hay que tener presente que la velocidad depende de la pendiente de la tubería. Velocidad mínima = 0.6 m/s Velocidad máxima = 3.0 m/s VII.4. PENDIENTE (S) La pendiente debe generar velocidades aceptables en las redes de alcantarillado, por lo que éstos deben variar de acuerdo al diámetro de las tuberías. Debe tratarse que la pendiente asegure velocidades uniformes en todo el proyecto para conseguir mejores condiciones hidráulicas. En los 300 m. iniciales de cada colector se deberá mantener una pendiente mínima de 1%. Para la elección de la pendiente del colector se debe tener presente lo siguiente: 

Si la pendiente (S) del terreno es mayor que la pendiente mínima se adopta la pendiente del terreno. St >Smín usar St



Si la pendiente del terreno es menor o igual a la pendiente mínima se adopta la pendiente mínima. St ≤ Smín usar Smín

CUADRO 10.5 PENDIENTE MÍNIMAS DE COLECTORES

m m 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 VIII.

D I

p u6 8 1 0 1 2 1 4 1 8

Pendiente mínima (m/m) 0.010 0.004 0.003 0.0022 0.0015 0.0012 0.0010 0.0009 0.0008

PROCEDIMIENTO PARA EL DISEÑO El diseño hidráulico de la red de alcantarillado se debe considerar el siguiente procedimiento:

18

IRRIGACIONES Y DRENAJE 



  





Se trazó la red de flujo del sistema de alcantarillado sobre un plano topográfico de toda el área comprendida en el diseño, con una equidistancia entre curvas de nivel de 1.00 m. Se ubican los buzones de acuerdo a los criterios indicados, para luego asignarles una numeración correlativa, por tramos y de acuerdo a los tramos considerados, también se indica el sentido del flujo en cada tramo de tuberías. Se determina la cota rasante del buzón o cota del terreno por interpolación, considerando el nivel del pavimento. Se mide las distancias de buzón a buzón Se determina las áreas de influencia de cada tramo que conforman la red de distribución a la derecha e izquierda del eje del tramo. Con los datos anteriores se forma un cuadro de datos iniciales de campo indicando los tramos que corresponden a cada calle, las cuales van numerados o indicando el nombre propio de la respectiva calle. Se elabora un cuadro de cálculo de caudales de diseño teniendo como datos las áreas de influencia, longitud del tramo y la densidad futura.

Caudal domestico: Qd = FG. P Dónde:

Qd= caudal domésticos P = Nº de personas en tramo

P= (Densidad futura)( Area influencia por tramo) Densidad futura = Pf / Ai Pf = población futura (hab) Ai = Area de influencia total (he) FG = factor de gasto por habitante FG = 80% Qd/ Pa Qd= Caudal de máxima demanda (l/s) Pa= población actual Caudal de infiltración: Qinf - col = (20000lt/dia/km) L / 86400 Qinf - buz = (380lt/dia/buzón) B / 86400 Caudal por lluvia:

19

IRRIGACIONES Y DRENAJE Luego tenemos: QTramo = Qd + Qinf – Col + Qinf – buzón + Qlluvia 





IX.

Luego se elabora un cuadro de cálculos para el diseño de la red de alcantarillado considerando las cotas de terreno de cada buzón, las mismas que se consideran como cotas de tapa de buzón que será el nivel del pavimento según sea el caso de la zona en estudio; con lo cual se calcula las pendientes topográficas. Haciendo uso de las longitudes de cada tramo (entre buzón y buzón), se calcula las pendientes permisibles que son aquellas que van a permitir que las velocidades del flujo estén comprendidas en el rango que recomienda el R.N.E. En lo posible se tratará de evitar tener buzones con profundidades mayores a 3.00m, debido a que esto elevaría el costo del proyecto por tener que construirlo de concreto armado.

CALCULO HIDRAULICO Para el cálculo hidráulico de la red de alcantarillado se hará uso de la expresión de Manning:

Luego para tubos que funcionan a sección llena, la velocidad y el caudal tienen la siguiente expresión: A = área = π * D²/4

P = perímetro mojado =π*D

R = radio hidráulico = A / P = D / 4 n = coeficiente de rugosidad

= 0.013 (tubería de concreto) QLL =

1/2 * S 2/3 1/2 VLL = 30.52694331 * D *S 23.97580521 * D

Dónde:

8/3

D = diámetro, m

S = pendiente, m/m

Las tuberías, según recomendaciones del RNE deben ser diseñadas para la conducción del caudal máximo con una altura de flujo de 75% del diámetro de la tubería. Para realizar el cálculo hidráulico haremos uso de la tabla de los elementos proporcionales y el procedimiento a seguir es el siguiente: 1. Se determina la pendiente más conveniente a utilizar en cada tramo, así como también el diámetro de la tubería. 20

IRRIGACIONES Y DRENAJE 2. Conociendo la pendiente y el diámetro, se calcula el caudal y la velocidad a tubo lleno QLL y VLL; usando las expresiones (I) y (II) respectivamente. 3. Conociendo el caudal parcial del tramo ( caudal aguas arriba + contribución del tramo) Qp , calculamos la relación Qp / QLL). 4. Con la relación de gastos hallada en el paso anterior se ingresa a la tabla de elementos proporcionales y se verifica la relación Y/D, si esta relación es mayor de 0.75 se adopta un diámetro comercial inmediato superior y se repite el proceso anterior; pero si la relación es menor o igual a 0.75, en la misma tabla se obtiene la relación entre las velocidades a tubo parcialmente lleno y a tubo lleno (VP / VLL). 5. Con la relación de velocidad VP / VLL. hallada en el paso anterior procedemos a calcular la velocidad real, multiplicándolo por VLL calculado el paso 2. Esta velocidad real debe tener comprendida dentro de los límites de la velocidad máxima y mínima establecida por el RNE que son de 3.0m/s y 0.6m/s respectivamente para el caso de tubería de concreto. Solamente se aceptara velocidades menores a las mínimas en los 300 metros iniciales de cada colector, siempre y cuando estén diseñados con pendientes mayores o iguales al 10 mil.

X.

EJEMPLOS DE DISEÑO

Ejercicio 1. Diseñar la alcantarilla de la figura adjunta, que cruza un camino parcelario con ancho de m.

Características del canal aguas arriba y aguas abajo Q = 0.7 m3 /s (Máximo) Z = 1.5 S = 1 o/oo n = 0.025 b = 1.0 m Y1 = Y2= 0.59 m V = 0.63 m/s V²/g=0.02m 21

5.5

IRRIGACIONES Y DRENAJE

Solución: El diseño se hará siguiendo los criterios recomendados. 1) Selección del Diámetro Q max = Di² Di = Di = 0.836 Escogemos: 36” Di = 36” = 0.9144 m 2) Cota del tubo en 2 Área = 2 πr = 0.6567 m² Va = 1.066 m/s 1.5(Va²/2g) = 0.087 El nivel de carga aguas arriba = 100 + 0.59 = 100.59 Cota del tubo en 2 = 100.59 – (D + 1.5(Va²/2g) ) 3) Longitud de las transiciones entrada y salida Lt = 4 Di Lt = 3.66 ≈ 3.70 Longitud de la tubería: Cota del camino: 101.60 msnm Cota del punto 2: 99.59 msnm Long. = 2 (1-5 (101.60 – 99.59) ) + 5.50 Long. 11.53 ≈ 11.60 m Cota en 4: Esta cota al igual que la del punto 1, se obtiene del perfil del canal, cota 4: 99.90 msnm. 4) Carga hidráulica disponible Sería la diferencia de niveles entre el punto 1 y 4 ∆H = (100.00 + 0.59) – (99.90 +0.59) ∆H = 0.10 (Debe ser ≥ a las pérdidas de carga) 5) Inclinación de la transición de entrada 22

IRRIGACIONES Y DRENAJE

La inclinación máxima recomendada es 4:1

La inclinación sería 9:1 < 4:1; se acepta. 6) Balance de energía entre 1 y 4 ∑1 = E4 + ∑ Pérdidas ∑Perdidas = Pe + Pf + Ps Pe = Perdidas por entrada=

Ps = Perdidas por salida =

Pf = Perdidas por fricción =

Donde: f = 0.025 (comúnmente asumido para casos prácticos) L = 11.60 (se puede redondear a 12) D = 0.9144 m Los coeficientes de Pe y Ps: según Fig. 2.15 ∑Pérdidas = 0.086 m E1 = 100.0 + 0.59 + 0.02 = 100.61 m E4 = ∑pérdidas = 99.90 + 0.59 + 0.02 + 0.086 = 100.596 m En la ecuación (x) debe cumplirse la igualdad, o ser E1 ligeramente mayor, en nuestro caso se tiene: 23

IRRIGACIONES Y DRENAJE E1 – (E4 11.2 99.90 99.57 3.70 = − + ∑ pérdidas) = 100.61 – 100.596 = 0.014 m Lo que significa que no habrá problema hidráulico, según nuestro cálculo la alcantarilla funcionará perfectamente. Cota en 3 La pendiente del tubo es 2 o/oo Luego: 12 x 0.002 = 0.024 Cota 3 = Cota 2 – 0.024 = 99.57 msnm 7) Inclinación de la transición de salida

La inclinación sería: 11.2 : 1 < 4:1 Se acepta Altura de la cobertura Cota 2 + Cota 3 = 99.58 101.60 – (99.58 + 0.9144) = 101.60 – 100.49) = 1.10 m 1.10 > 0.60 (mínimo requerido) No existe problema 8) Longitud de protección Es la longitud del enrocado en seco colocado a mano, entre la transición y el canal de tierra y según el Ítems 4.3.1.4 será: Lp = 3 Di Lp = 3 x 0.9144 = 2.74 Lp = 2.80 m El enrocad se colocará solo en la salida y en un espesor de 0.2 m.

Ejercicio 2. Cuál será el caudal máximo que evacua la alcantarilla de 36” de diámetro de la Fig. Adjunta, para desaguar una quebrada que cruza un camino, si el nivel máximo de agua en la quebrada es de 3.02 m y a la salida la descarga es libre.

24

IRRIGACIONES Y DRENAJE

Solución Establecimiento balance de energía entre 1 y 2 E1 = E2 + ∑ Perdidas (A) ∑ Perd. = Pe + P f Pe = Perdidas por entrada = Ke x (Va²/2g) Ke = 0.5 (comúnmente adoptado para este caso)

Reemplazando valores en la igualdad (A) se tiene:

VA = 4.55 m/seg

Q = 2.99 m3 /seg.

25

IRRIGACIONES Y DRENAJE

Ejercicio 3. (PROPUESTO) Calcular hidráulicamente la alcantarilla en el cruce del canal Batangrande con un camino parcelario, la pendiente del canal es de 4 o/oo y no es posible modificarlo, ni antes ni después del cruce, puesto que el canal ya está construido, además el lecho y los taludes son de material pedregoso (canto rodado medio). Características del canal en Tierra Q = 5 m2 /seg b = 2.5 m n = 0.035 Z = 1.5 Y = 0.95 m V = 1.34 m/seg v²/2g= 0.092 H = 1.30 (altura de caja del canal)

26

IRRIGACIONES Y DRENAJE

XI.

BIBLIOGRAFIA

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El peruano. 2006. Reglamento Nacional de Edificaciones. Editora Perú. Lima, Perú.

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McGhee T. 1999. Ingeniería ambiental. Abastecimiento de agua alcantarillado. Sexta edición. McGraw-HILL Interamericana, S.A. Colombia.

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28