ALCANTARILLADO SANITARIO

El alcantarillado sanitario se diseña para evacuar las aguas residuales de una población CAUDAL DE DISEÑO El caudal de aguas residuales de una población está compuesto por los siguientes aportes:    

Aguas residuales domésticas. Aguas residuales industriales, comerciales e institucionales. Aguas de infiltración. Conexiones erradas.

CAUDALDE AGUASRESIDUALES DOMÉSTICAS El punto de partida para la cuantificación de este aporte es el caudal medio diario, el cual se define como la contribución durante un período de 24 horas, obtenida como el promedio durante un año. Cuando no se dispone de datos de aportes de aguas residuales, lo cual es usual en la mayor parte de los casos, se debe cuantificar este aporte con base en el consumo de agua potable obtenido del diseño del acueducto. El resultado final es uncaudal en l/hb/d para la población en general o para cada zona del estudio de planeación de la población. El aporte medio diario para cada una de las zonas se puede expresar en función del área servida y sus características como: Q = CRx CxDx A 86.400 Ó en function del número de habitantes servidos por el alcantarillado:

CRxCxP

Q = _____________________________________________

86.400

en donde:

Q = caudal medio de aguas residuales domésticas, l/s CR = coeficiente de retorno C= consumo neto de agua potable, l/hb/d D = densidad de población de la zona, hb/ha A = área de drenaje de la zona, ha P = número de habitantes de la zona

Debido al hecho de que el comportamiento hidráulico del alcantarillado sanitario puede ser bastante diferente en el período de diseño inicial y final del proyecto, se debe evaluar el caudal para ambos extremos del horizonte de diseño. COEFICIENTE DE RETORNO Este coeficiente tiene en cuenta el hecho de que no toda el agua consumida dentro del domicilio es devuelta al alcantarillado, en razón de sus múltiples usos como riego, lavado de pisos, cocina y otros. Se puede establecer, entonces, que sólo un porcentaje del total de agua consumida se devuelve al alcantarillado. Este porcentaje es el llamado "coeficiente de retorno", el que estadísticamente fluctúa entre 65 y 85% (para la ciudad de Quito, de acuerdo a las normas, se adopta un valor del 85%). CONSUMO DE AGUA POTABLE El consumo de agua potable que debe tenerse en cuenta para la determinación del aporte de aguas residuales domésticas corresponde al consumo neto dentro del domicilio y se determina según se estableció en el capítulo 4 de este libro. POBLACIÓN La población actual y futura servida por el proyecto puede estimarse a partir de los censos de población y complementarse con información del número de suscriptores de diferentes servicios públicos, como por ejemplo de acueducto o energía.

Los métodos de proyección de población se definen en el capítulo 3 de este libro. La población servida puede estimarse como el producto de la densidad de población y del área bruta servida por dicho colector. Igualmente, puede estimarse a partir del número de viviendas y del número de habitantes por vivienda. DENSIDAD DE POBLACIÓN La densidad de población se define como el número de personas que habitan en una extensión de una unidad de superficie (hectárea). Un estudiodedensidad de población,debe reflejarsudistribuciónde manera zonificada, la densidad actual y la máximadensidad esperada (densidadde saturación); hay que valorar este último, con el cual se debe diseñar el sistema de alcantarillado, y con la densidad actual verificar el comportamiento hidráulico del sistema. La densidad varía según el estrato socioeconómico y el tamaño de la población. Para poblaciones pequeñas, la densidad puede fluctuar entre 100 y 200 hb/ha, mientras que para poblaciones mayores o ciudades, la densidad suele determinarse por el estrato y los usos de la zona (residencial, industrial o comercial) y puede llegar a valores del orden de 400 hb/ha o más. AREA DE DRENAJE La determinación de las áreas de drenaje a cada colector debe hacerse de acuerdo con el plano topográfico de la población y el trazado de las tuberías. El área bruta de drenaje aferente a cada colector se obtiene trazando las diagonales o bisectrices sobre las manzanas de la población. Las zonas de uso recreacional deben incluirse en dicha área.

CAUDAL DE AGUAS RESIDUALES INDUSTRIALES Este aporte de aguas residuales debe evaluarse para cada caso en particular, ya que varía de acuerdo con el tipo y el tamaño de la industria, así como de los procesos de tratamiento de aguas, reutilización de la misma y, en general, de la tecnología empleada para reducir el impacto ambiental de la misma. Por lo anterior, es necesario recurrir a la evaluación individual de consumos de agua en la industria por medio de censos, encuestas y aforos. En poblaciones pequeñas, donde posiblemente no existan zonas industriales netamente definidas y se trate de industria pequeña localizada en zonas residenciales o comerciales, puede tomarse un aporte medio de 0.4 l/s/ha hasta 1.5 l/s/ha (según el tamaño de la población), correspondiendo las hectáreas a área de uso industrial. El caudal de aguas residuales industriales debe ser definido, tanto para las condiciones iniciales del proyecto, como para el período final de diseño. CAUDAL DE AGUAS RESIDUALES COMERCIALES Es posible que para zonas comerciales claramente definidas, se cuente con información de consumos netos, densidades de población y coeficientes de retorno (mayores que en zonas residenciales). En este caso, el aporte de aguas residuales comerciales se determina de manera similar al formulado para las aguas residuales domésticas. Cuando no se presenten las condiciones anteriores, sepuede emplearun aportecomercial mediode0.4l/s/haa0.5 l/s/ha, correspondiendo lashectáreasaáreadeusoComercial. El caudaldeaguas residuales comerciales debe definirse, tanto para las condiciones iniciales del proyecto, como para el período final de diseño.

CAUDAL DE AGUAS RESIDUALES INSTITUCIONALES En esta categoría se encuentran los aportes de instituciones tales como escuelas, colegios, universidades, centros de salud, hospitales, hoteles u otros establecimientos que requieran un tratamiento especial. Como en el caso del aporte industrial, el aporte institucional varía de acuerdo con el tipo y tamaño de la institución, por lo que se debe considerar cada caso en particular. Sin embargo, para instituciones pequeñas localizadas en zonas residenciales, puede tomarse unaportemediodiarioentre 0.4l/s/ha y 0.5 l/s/ha, correspondiendolashectáreasaáreade uso institucional. El caudal de aguas residuales institucionales debe definirse, tanto para las condiciones iniciales del proyecto, como para el período final de diseño. Caudal medio diario de aguas residuales El aporte medio diario al alcantarillado sanitario resulta de sumar los aportes domésticos con los industriales, comerciales e institucionales a que haya lugar. Se obtienen tanto para el período final del proyecto como para el inicial. CAUDAL MÁXIMO HORARI O DE AGUAS RESIDUALES

Elcaudal de diseño delared de colectores debe contemplarel caudal máximohorario. Este caudal se determina a partir de factores de mayoración del caudal medio diario obtenido anteriormente, los cuales se seleccionan de acuerdo con las características propias de cada población. Debe tenerseencuentaque el factordemayoración es inversamenteproporcionalal número de habitantesservidos. Es decir, que los tramos iniciales tendrán factores de mayoración mayores, mientras que el emisario final tendrá un factor de

mayoración menor debido al amortiguamiento de los picos a través de la red de tuberías. En ausencia de valores históricos de mediciones de campo que determinen la variación de caudales, se pueden emplear ecuaciones empíricas que determinan el factor de mayoración. En las ecuaciones 1 y 2 se plantea el caudal máximo horario en función de la población expresada en miles de habitantes, mientras que en las ecuaciones 3 y 4 se plantea el caudal máximo horario en función del caudal medio diario expresado en m3/s. Ecuación de Babbit: Para poblaciones menores de mil habitantes.

Qmax horario = Qm x

5 p0.2

Ecuación de Harmon: Para poblaciones entre mil y un millón de habitantes.

Qmax horario = Qm x

18 + √P 4 + √P

Ecuación de Los Ángeles: Para caudales entre 2.8l/s y 28.3 m3/s.

Qmax horario = Qm x

3.53 Qm-0.0914

Ecuación de Tchobanoglous: Para caudales entre 4 l/s y 5 m3/s, en poblaciones con aportes de aguas residuales domésticas superiores al 75% del total de aportes.

Qmax horario = Qm x

3.7 Qm-0.0733

CAUDAL DE INFILTRACIÓN El caudal de infiltración es producido por la entrada del agua que se encuentra por debajo del nivel freático del suelo a través de las uniones entre tramos de tuberías, de fisuras en el tubo y en la unión con las estructuras de conexión como los pozos de inspección.

Este aporte adicional se estima con base en las características de permeabilidad del suelo en el que se ha de construir el alcantarillado sanitario. Puede expresarse por metro lineal de tubería o por su equivalente en hectáreas de área drenada. A continuación se presentan algunos valores de infiltración que pueden usarse, siempre y cuando no se disponga de información de campo. Tabla 1 Aporte de infiltración por longitud de tubería Condiciones

Infiltración (l/s/km) Alta

Tuberías existentes

Media

Baja

4.0

3.0

2.0

— Cemento

3.0

2.0

1.0

— Caucho

1.5

1.0

0.5

Tuberías nuevas con unión de:

Tabla 2 Aporte de infiltración por área drenada Infiltración (l/s/ha) Alta 0,15 - 0,4

Media

Baja

0,1 - 0,3

0,05 - 0.2

Se recomienda utilizar los valores superiores del rango establecido en las tablas 1 y 2 cuando las condiciones de construcción no sean las mejores y la precipitación y riesgo de amenaza sísmica sean elevadas. CAUDAL DE CONEXIONES ERRADAS El aporte de caudal por conexiones erradas en un alcantarillado sanitario proviene en especial de las conexiones que equivocadamente se hacen de las aguas lluvias domiciliarias y de conexiones clandestinas. 7-4 (24-10-2013)

Existen diversos criterios para estimar el aporte por conexiones erradas. La subestimación de este parámetro puede traer consecuencias sanitarias a la población, debido a que en el momento de presentarse precipitaciones extremas es posible que se sobrepase la capacidad de transporte del colector y las aguas residuales diluidas salgan a la superficie a través de los pozos o de las mismas conexiones domiciliarias. El criterio técnico planteado como uso típico, establece que para poblaciones que disponen de un sistema de alcantarillado pluvial, el valor de conexiones erradas puede variar entre 0.1 l/s/ha hasta 0.2 l/s/ha, tomando el valor máximo en poblaciones pequeñas donde las medidas de control pueden no ser eficientes. En caso de no existir un alcantarillado pluvial, el aporte de conexiones erradas es mayor y puede ser superior a 2 l/s /ha. Las conexiones erradas pueden definirse en función de otros parámetros, tales como la densidad de población, y adoptar coeficientes de aportes unitarios que en poblaciones pequeñas pueden ser del orden de 5 l/hb/d. CAUDAL DE DISEÑO Corresponde a la suma del caudal máximo horario (aporte doméstico, industrial, comercial e institucional), caudal de infiltración y caudal de conexiones erradas. Debe calcularse para las condiciones finales del proyecto (período de diseño), situación para la cual se ha de dimensionar el sistema, y para las condiciones iniciales en las que se verifican los parámetros dé funcionamiento hidráulico del sistema previamente dimensionado. El caudal de diseñomínimo para cualquier colector, debeser de 1.5 l/s.

OTRAS ESPECIFICACIONES DE DISEÑO Además de cumplir las normas generales expuestas en el capítulo anterior, se deben cumplir las normas específicas para alcantarillados sanitarios descritas a continuación. VELOCIDAD VELOCIDAD MÍNIMA Es usual que cuando la tubería trabaja con caudales menores que el caudal de diseño, se presente sedimentación de los sólidos transportados en las aguas residuales. Con el objeto de lograr la resuspensión del material sedimentado, se debe diseñar una tubería con características de "autolimpieza", definida según criterios de velocidad mínimay esfuerzo cortante mínimo (siguiente numeral). La velocidad real mínima recomendada para alcantarillados convencionales que transportan aguas residuales con predominio de aportes domésticos (DBO efectiva < 200 mg L) es de 0.45 m/s. Los alcantarillados simplificados deben diseñarse con velocidades reales superiores a 0.4 m/s. Cuando las aguas residuales sean típicamente industriales, hay que aumentarla velocidad mínima debido a la mayor cantidad de sólidossedimentables y para evitar la formación de sulfuros, conla consiguientecorrosiónde la tubería. En la tabla 4 se especifica la velocidad mínima que depende de la Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO) efectiva, la cual se determina a partir del análisis de la DBO medida a los cinco días (DBO5) y cuya relación se establece en la siguiente ecuación: DBO efectiva = 1.25 (DB05 ) (1.07)T -20

(3)

En donde T es la temperatura del agua en grados centígrados.

Tabla 4 Velocidades mínimas reales para residuos industriales DBO efectiva (mg/l)

Velocidad mínima (m/s)

< 225

0,50

225 - 350

0,65

351 - 500

0,75

501 - 690

0,90

691 - 900

1,00

VELOCIDAD MÁXIMACualquiera que sea el material de la tubería, la velocidad máxima no debe sobrepasar el límite de5.0 m/s para evitar la abrasión de la tubería. j ESFUERZO CORTANTE Se.debe calcular el esfuerzo cortante medio con el objeto de verificar la condición de autolimpieza de la tubería con las condiciones iniciales de operación del sistema. La relación entre el esfuerzo cortante con la velocidad, se define como: τ=γRS

(4)

en donde: τ= esfuerzo cortante medio, N/m 2 γ = peso específico del agua residual, 9.81 KN/m3 R = radio hidráulico de la sección de flujo, m S = pendiente de la tubería El esfuerzo cortante mínimo recomendado para las condiciones de operación inicial de un alcantarillado sanitario convencional es de 1.5 N/m2 (0.15 kg/m2). Cuando se trate de sistemas de alcantarillados sanitarios simplificados, es posible reducir la especificación a un mínimo de 1.0 N/m2. En poblaciones donde la pendiente de los colectores deba ser muy baja, es posible que no se pueda cumplir con la especificación de velocidad mínima real de 0.45 m/s para el caudal de diseño. Se

puedeadmitir talcondición,siempre y cuando se garantice un esfuerzo cortante medio superior a 1.2 N/m2. Para elcálculodel radio hidráulico, se debetenerencuentaquee1 caudal mínimo de diseñodecualquier colectoresde1.51/s. Los sistemas de alcantarillados que transportan aguas residuales industriales deben diseñarse para cumplir con un esfuerzo cortante mínimo del orden de 1.5 N/m2 a 2.0 N/m2. DIÁMETRO MÍNIMO El diámetro nominal mínimo para la red de colectores de un alcantarillado sanitarioconvencional debeserde8"(200 mm). En alcantarillados simplificados o poblaciones pequeñas, puede justificarse la reducción a 6" (150 mm) como diámetro mínimo. BORDE LIBRE En la hipótesis de flujo uniforme y permanente, para la selección del diámetro se acostumbra utilizar la ecuación de Manning. El diámetroobtenidodeestaecuación se debeaproximar al diámetronominal superior y,con ellose obtiene un borde libre porencimadelaláminade agua hastala clave delatubería. Al seleccionareldiámetro nominal superior,sedebeasegurar un bordelibre que permitalaadecuada ventilación delatubería; en razón delaaltapeligrosidadde los gasesque en ella se forman. El criterio para definir el borde libre puede estar en función del máximo porcentaje de utilización de la capacidad de transporte de agua en la tubería (Q/Qo) dado en la tabla 5 o de la relación entre la profundidad hidráulica al diámetro interno del colector (H/D), la cual debe ser como máximo de 85%. En este sentido, la definición de un borde libre se convierte en una restricción para la adopción final del diámetro del colector, que

enocasiones obliga a tomar un diámetro superior al hidráulicamente necesario. Tabla 5 Borde libre en función de la relación Q/Qo máxima permitida Diámetro de la tubería

Q/Qo máxima

200 mm - 600 mm 600 mm - 1200 mm

0,6 0,7

> 1.200 mm

0,9

CORROSIÓN El problema de la corrosión de tuberías, relevante para materiales tales como concreto, asbesto-cemento, hierro o acero, solubles en ácido, puede llevar ala falla de la tubería por destrucción de la corona de la misma.

El proceso de degradación de la materia orgánica, ilustrado en la siguiente figura, comienza por la reducción bacterial de sulfatos en condiciones anaeróbicas y de pH bajo, produciendo ácido sulfhídrico (H2S). El ácido sulfhídrico es liberado a la atmósfera de la alcantarilla, donde entra en solución con el agua condensada acumulada en la corona de la tubería. Posteriormente, bajo la acción de la bacteria aeróbica Thiobacillus, se presenta la oxidación del ácido sulfhídrico, produciendo ácido sulfúrico (H2SO4). El fenómeno de corrosión se agrava en situaciones de pendientes bajas, produciendo velocidades bajas, tiempos de retención largos, poca ventilación del sistema con borde libre pequeño y temperaturas relativamente altas. Es posible contrarrestar la corrosión mediante el revestimiento interno de la tubería en un material inerte, la ventilación forzada del conducto o con cloración (solución temporal).

En el diseño hidráulico de la tubería se puede prever la posible generación de ácido sulfhídrico mediante la aplicación del índice deP o m e r o y .

Z= 3 (DBO5)(1.07)T-20

S½

P Q⅓ H

en donde todos los términos se han definido previamente.

Tabla 5 Estimación de la posibilidad de generación de H 2S, según el índice de Pomeroy

Índice de Pomeroy, Z < 5.000 5.000 - 10.000 10.000

Generación de H2S Poco probable Posible Muy probable

Figura 15.2 Esquema de corrosión en tuberías de alcantarillados sanitarios.

EJEMPLO DE :DISEÑO; Sobre el plano de loteo de la población, se hace el trazado de la red de colectores, se seleccionan los colectores iniciales y se numeran los pozos teniendo en cuenta la topografía del terreno, el funcionamiento por gravedad del sistema y los criterios de localización de tuberías

El punto marcado como "E" corresponde realmente al primer nudo.

A continuación, se debedeterminarel área dedrenaje aferentea cada colector,trazandolasdiagonales o bisectrices sobre cada manzana, conforme la siguiente figura. Una vez determinados el trazado de la red y las áreas de drenaje, se procede a establecer el caudal de aguas residuales. Para efectos del presente ejemplo, se supone una densidad de población uniforme.

Parámetros generales de diseño Período.de diseño. Teniendo en cuenta el tamaño de la población y la capacidad económica de sus habitantes, se diseña para un horizonte de quince años. Población de diseño. A continuación se presentan los datos obtenidos de la proyección de población obtenida en el capítulo correspondiente a proyección de la población.

Proyección final Tomando los resultados finales de los métodos aplicados, se presenta la siguiente tabla con el promedio aritmético de las proyecciones para cada año:

Año

Lineal

2003 2008 2013 2018 2023 2028 2033

4.595 4.847 5.100 5.352 5.605 5.857 6.110

Año 2003 2018

Geométrico Logarítmico 4.837 5.264 5.732 6.245 6.808 7.425 8.102

6.151 6.954 7.860 8.886 10.044 11.354 12.835

Wappus

Gráfico Promedio

4.971 5.539 6.237 7.128 8.333 10.129 13.380

4.921 5.265 5.591 6.187 6.998 .8.045 9.093

5.095 5.574 6.104 6.760 7.557 8.562 9.904

Población (habitantes) 5.095 6.760

Área- total- del Municipio. El área para el año 2003 de la totalidad del municipio dentro del perímetro de servicios es de 13.5 hectáreas y se estima que el área futura para el año 2018 será de 17.9 hectáreas, en la hipótesis de que la densidad de población se mantiene constante.

Densidad de población. La densidad de población se adopta como uniforme para todo el sector de diseño, entendiéndose que de acuerdo con el uso del suelo se tendrán densidades diferentes. Para efectos del presente ejemplo se calcula una densidad de población de 377 hb/ha.

Consumo neto. El consumo neto de agua potable se establece según el procedimiento definido en el capítulo 4. De acuerdo con el ejercicio allí planteado, el consumo neto para los años 2003 y 2018 se puedeadoptar como de 200 l/hb/d (pag 63).

Año 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2000

Incre- Increm. Pobla- mento ConsuAdop- Caudal ción pobl. mo Neto % P Total tado diseño 5095 196 30% 280 280 16.51 9.4% 0.9% 5574 198 28% 274 280 18.06 9.5% 1.0% 6104 200 26% 269 270 19.08 10.7% 1.1% 6760 202 24% 264 260 20.34 11.8% 1.2% 7557 204 21% 260 260 22.74 13.3% 1.3% 8562 207 18% 253 250 24.77 15.7% 1.6% 9904 210 15% 247 250 28.66

Caudal de diseño Teniendo en cuenta la información previa se elabora la tabla de càlculodel caudal de diseño de cada colector con los criterios establecidos a continuación. 1.

AREA DE DRENAJE

Columna [1]: Numeración del colector En esta columna se indica el número de los pozos inicial y final del tramo. Puede existir otra columna adicional en la que se señale la localización del colector con la nomenclatura de la población (carrera segunda entre calles segunda y tercera). Columna [2]: Área parcial (hectáreas) Corresponde al área aferente a cada colector, de acuerdo con la figura de determinación de las áreas de drenaje aferente a cada colector. Columna [3]: Área total de drenaje (hectáreas) Se acumula el área de drenaje de los colectores aguas arriba del colector en cuestión. Por ejemplo, para el colector 8-9 se tiene:

Ai = Aaferente + ∑ Aaguas arriba [3] 8-9 = [2] 8-9 + [3] 7-8 + [3] 5-8 = 0,25 + 0,917 + 2,0 = 3,167 ha 2. APORTES MEDIO DIARIO DE AGUAS RESIDUALES 

Aporte de aguas residuales domésticas Se adopta un coeficiente de retorno (CR) del 80% para toda la zona de diseño. Columna [4]: Porcentaje de área Es el porcentaje del área aferente destinada para uso doméstico. Varía, dependiendo del estudio del plan de ordenamiento territorial. Columna [5]: Densidad de población (hb/ha) Es la densidad de población del área aferente al colector. Como se indicó anteriormente, la densidad para el presente ejercicio se supone uniforme para toda la población y se calcula como: D =

6,760 17.9

= 377

Columna [6]: Población servida (habitantes) Corresponde al estimativo del número de habitantes servidos por el colector, teniendo en cuenta la densidad de población en cada zona. Incluye el área aferente y aguas arriba del tramo considerado. Para el colector 8-9: Pi = Ai aferente x Di + ∑ Paguas arriba [6] = [3] x [5] [6]8-9 = [2]8-9 x [5]8-9 + [6]7-8 + [6]5-8 [6]8-9 = 0.250 x 377 + 346 + 756 = 1.196 hb

Columna [7]: Aporte unitario de aguas residuales domésticas (L/s/ha)

Calculado según la ecuación: Q = CR x C x D x A 86,400

Q = 0.8 x 200 x 377 = 0.699 l/s 86,400

sin ser afectada por el área. El aporte doméstico es el mismo para todos los colectores, siempre y cuando no cambie la densidad de población o el consumo de agua. 

Aporte de aguas residuales industriales, comerciales e institucionales Columnas [8], [10] y [12]: Porcentaje de área de cada tipo de uso del suelo Es el porcentaje del área aferente destinada para uso industrial, comercial e institucional, respectivamente. Varía, dependiendo del estudio del plan de ordenamiento territorial. Columnas [9], [11] y [13]: Aporte Industrial, Comercial e Institucional (L/s•hauso del suelo respectivo) Aportes unitarios definidos según las recomendaciones dadas en los correspondientes tratados.

3. CAUDAL MEDIO DIARIO DE AGUAS RESIDUALES Columna [15]: Aporte unitario ponderado (L/s•ha) Promedio ponderado de los aportes unitarios aferentes a cada colector, con el porcentaje de uso del suelo. Para el tramo 8-9 se tiene: q (L/s • ha) = ∑ (q ix %i [15]8-9 = [4] x [7] + [8] x [9] + [10] x [11] + [12] x [13] [15]8-9 = 0,699 x 0.7 +0.15 x 0.5 + 0.15x 0.5 = 0.640l/s.ha Columna [16]: Caudal medio diario de aguas residuales (l/s) Es el aporte correspondiente al área aferente más los caudales recibidos por el colector aguas arriba. Para el tramo 8-9 se tiene: Qi = qixAi + ∑ Qaguas arriba [16]8-9 =

[15]8-9 x

[16]8-9 =

0,639 0,25

[2]8-9 + [16] 7-8 + [16]5-8 x 0.25 + 0,601 + 1,378 = 2,139 l/s

4. Caudal máximo horario de aguas residuales Para la mayoración del caudal medio diario se utiliza en este ejemplo la ecuación de Harmon (ecuación 15.4), teniendo en cuenta la población servida por el colector (en miles de habitantes). Columna [17]: Coeficiente de rnayoración, F

Qmax horario = Qm x

18 + √P 4 + √P

Para el colector 8-9:

[17]8-9 =

18 +([6]8-9/1.000)0.5= 18 +(1195)0.5= 3.7 4 + ([6]8-9/1.000)0.5 4 + (1195)0.5

En la medida en que el número de habitantes servidos se incrementa, el coeficiente de mayoración disminuye. Columna [18]: Caudal máximo horario de aguas residuales (l/s) Corresponde al producto del caudal medio diario de aguas residuales por el coeficiente de mayoración anterior. Para el colector 8-9: [18] 8-9 = [17] 8-9x[16] 8-9 = 3,7 x 2,139 = 8,02 L/s 5. Caudal de infiltración Columna [19]: Coeficiente de infiltración (l/s•ha) Coeficiente que depende del tipo de suelo y unión empleados en las tuberías. Se adopta un coeficiente único para toda la zona, según la recomendación dada en el acápite correspondiente del presente capítulo. Columna [20]: Caudal de infiltración (l/s)

El aporte total de aguas se calcula en este caso como el producto del área total drenada por el coeficiente anterior. Si los coeficientes de infiltración son diferentes en determinadas zonas, debe evaluarse el aporte individual de cada sector y posteriormente sumarse para obtener así el caudal total de infiltración. Para el colector 8-9: [20] 8_9 = [19] 8_9 x [3] 8_9 = 0,3 x 3,167 = 0,95 L/s 6. Caudal de conexiones erradas Columna [21]: Coeficiente de conexiones erradas (L/s -ha) Coeficiente que depende del nivel de control en la administración del sistema y de la existencia o no de un sistema de alcantarillado pluvial. En este caso, se adopta un coeficiente máximo y único para toda lazona, equivalente a 2.0 l/ha. Columna [22]: Caudal de conexiones erradas (l/s) El aporte total de conexiones erradas se calcula como el producto del área total drenada por el coeficiente anterior. Al igual que en el caso anterior, si los coeficientes de conexiones erradas son diferentes en determinadas zonas, debe evaluarse el aporte individual de cada sector y posteriormente sumarse para obtener así el caudal total de conexiones erradas. Para el colector 8-9: [22] 8_9 = [21] 8_9 x [3] 8_9 = 2,0 x 3,167 = 6,33 L/s 7. Caudal de diseño Columna [23]: Caudal de diseño calculado (l/s) Corresponde a la suma de los caudales máximo horario de aguas residuales, infiltración y conexiones erradas. Para el colector 8-9:

[23]8-9= [18] 8_9 + [20] 8-9 + [22] 8_9 = 8,02 + 0,95 + 6,33 = 15,3 l/s Columna [24]: Caudal de diseño adoptado (l/s) En muchos tramos iniciales el caudal calculado es muy pequeño. Por seguridad, se recomienda diseñar la tubería para un caudal mínimo de1.5 l/s que lo determina la norma. Cálculo hidráulico de la red de colectores Una vez definido el caudal de diseño para cada colector, se prosigue con el cálculo hidráulico de la red de colectores teniendo en cuenta los siguientes parámetros de diseño:  Las normas y recomendaciones que se han señalado hasta aquí.  El empate de los colectores en los pozos se realiza por medio de la línea de energía.  La profundidad mínima en los colectores iniciales es de 0.75 m y de 1.20 m en todos los demás colectores.  El material de la tubería es concreto, con un coeficiente de rugosidad de Manning, n igual a 0.013. En la tabla 15.8 se presentan los resultados finales del diseño para cada colector, los cuales no se obtienen necesariamente de manera directa, sino que por el contrario hay que realizar varios diseños preliminares hasta lograr un resultado que satisfaga las normas y optimice el diseño. A continuación se presenta la descripción, columna por columna, del cuadro de cálculo indicado en la tabla 15.8. Para efectos del diseño de las tuberías y su unión en los pozos, las longitudes y cotas se consideran al eje del pozo. Posteriormente se deben calcular las cotas de construcción a la entrada y salida del pozo, teniendo en cuenta el diámetro del pozo y la pendiente aguas arriba y aguas abajo, respectivamente.

Columna [2]: Longitud de cada colector (m) Columna [3]: Caudal de diseño (L/s) = Col. [24] de la tabla 15.7 Columna [4]: Pendiente del colector El valor anotado en esta columna se calcula inicialmente con 1.2 m o 0.8 m de profundidad a la cota clave. Este valor puede corregirse posteriormente, de acuerdo con las condiciones obtenidas para el colector: borde libre, esfuerzo cortante y velocidad mínima (ver columnas [38] y [39] de profundidades definitivas a la cota clave). Columna [5]: Diámetro teorico de la tubería (m) Se calcula de acuerdo con la ecuación de Manning (ecuación 14.5): Q

=

v

x

v

=

1 n

Q

=

0.312

=

1.548

D

A 2/3

1/2

R

S

D

8/3

S

1/2

n

n

Q

3/8

S 1/2

Columna [6]: Diámetro teórico de la tubería (pulgadas). Columna [7]: Diámetro nominal de la tubería. (pulgadas) El diámetro nominal mínimo es de 8" (200 mm), pero para sistemas de alcantarillado en pequeñas comunidades con recursos económicos limitados o para sistemas condominiales, puede adoptarse 6" (150 mm) como diámetro mínimo.

Columna [8]: Diámetro interno real de la tubería (m) Debe ser mayor o igual que el diámetro teórico calculado en la columna [5]. Columna [9]: Caudal a tubo lleno (1/s) Es la capacidad máxima de la tubería, calculada para la sección de flujo máxima (con el diámetro interno real) según la ecuación:

Q = 0.312

D

8/3

n

S 1/2

= 0.312

[8]

8/3

x [4] 1/2 0.013

Columna [10]: Velocidad a tubo lleno (m/s) Calculada por la ecuación de continuidad:

Vo =

Qo A

[9] 1000

=

x4

π x [8]2

Columna [11]: Relación entre el caudal de diseño y el caudal a tubo lleno Puede utilizarse para definir el borde libre requerido, en cuyo caso el valor máximo se define en la siguiente tabla: Tabla 5 Borde libre en función de la relación Q/Qo máxima permitida

Diámetro de la tubería

Q Qo

=

Q/Qo máxima

200 mm - 600 mm 600 mm - 1200 mm

0,6 0,7

> 1.200 mm

0,9

[3] [9]

Columna [12]: Relación entre velocidad real y velocidad a tubo lleno, encontrada en la tabla 8.2. Columna [13]: Relación entre lámina de agua y diámetro interno de la tubería, encontrada en la tabla 8.2. Columna [14]: Relación entre radio hidráulico de la sección de flujo y radio hidráulico a tubo lleno (D/4), encontrada en la tabla 8.2. Columna [15]: Relación entre profundidad hidráulica de la sección de flujo y diámetro interno de la tubería, encontrada en la tabla 8.2. La relación máxima es de 85%. Columna [16]: Velocidad real en la sección de flujo (m/s) La velocidad real mínima recomendada es de 0.45 m/s.

V=

V Qo X = [12] X [10] Vo A

Columna [17]: Altura de velocidad (m)

V2 [16]2 = 2g 2g Columna [18]: Radio hidráulico para la sección de flujo (m)

R =

R D [8] X = [14] X Ro 4 4

Columna [19]: Esfuerzo cortante medio (N/m2). El esfuerzo cortante mínimo para las condiciones iniciales de operación es de 1.5 N/m2 (en el presente diseño no se calcula el caudal inicial). Es posible diseñar para velocidades reales

menores de 0.45 m/s, siempre y cuando el esfuerzo cortante sea superior a 1.2 N/m2 y así garantizar la condición de tubería auto limpiante. τ = γ R S = 9.810 x [18] x [4] Columna [20]: Altura de la lámina de agua (m)

d =

d D

x

D

=

[13] x [8]

Columna [21]: Energía específica (m) Suma de alturas de velocidad y lámina de agua.

E = d

V2 + = [20] x [17] 2g

Columna [22]: Profundidad hidráulica en la sección de flujo (m)

H =

H D

x

D

= [15] x [8]

Columna [23]: Número de Froude NF < = 0.9: régimen de flujo subcrítico NF > = 1.1: régimen de flujo supercrítico

NF =

v = √gH

[ 16 ] √g x [ 22 ]

Columna [24]: Pérdida de energía por transición (m) Se calcula la pérdida de energía por la transición, de acuerdo con la ecuación 14.33:

ΔHt = K

|

V22 - V12 2g 2g

|

donde K = 0.1 para aumento de la velocidad y K = 0.2 para disminución de la velocidad. Para efectos de interpretación de la tabla, la pérdida de energía se anota en el tramo aguas arriba del pozo. Por ejemplo, en la unión del colector 4-5 con el 5-8 se produce una pérdida de: [24]4-5 = k | [17]5-8 - [17]4-5 | = 0.1 x | 0.021 – 0.008 | ≈ 0.001 m Columna [25]: Relación del radio de curvatura al diámetro de la tubería de salida, determinada para evaluar la pérdida de energía en el pozo por cambio de dirección. Para diámetros menores de 24" (600 mm) y cambios de dirección a 90°, el diámetro del pozo es 1.20 m y el radio de la curva es de 0.60 m. La relación r/Ds para la unión del colector 4-5 con 5-8 es:

[25]4-5 =

0.6 = [8]5-8

0.6 0.2

= 0.3