Apuntes de Alcantarillado II

REMOSION DE AGUAS RESIDUALES. I.- Clasificación de las Aguas Residuales: 1) De acuerdo a su Origen: a) Aguas negras o domésticas. b) Aguas Municipales. c) Aguas Industriales. d) Aguas de retorno Agrícola. e) Aguas Pluviales. 2) De acuerdo a su grado de tratamiento: a) Crudas.- Aquellas que no han recibido ningún tipo de tratamiento. b) Tratadas.- Aquellas que han recibido algún tratamiento para mejorar su calidad. II.- Composición de las Aguas Residuales. 1) Agua. 2) Materia Orgánica. a) Sólidos Suspendidos. b) Sólidos Sedimentables. 3) Grasas y Aceites. 4) Temperatura. 5) Materia Inorgánica. 6) Microorganismos. 7) Gases Disueltos. 8) Detergentes. 9) Insecticidas. Es importante conocer la composición y la concentración (cantidad) de cada parámetro de las aguas residuales con el objeto de tener una base para seleccionar el método de tratamiento mas adecuado, así como el tipo de material que se utilizará en las tuberías que forman el sistema de captación. III.- Usos de las Aguas Residuales Tratadas. 1) Municipal. a) Riego de parques y jardines. b) Lavado de calles. c) Ornato y recreación (contacto secundario). 2) Industrial. 3) Agrícola. 4) Piscicultura. 5) Generación de Energía Motriz ( para generar electricidad). 6) Recarga de acuíferos. 7) Otros. 1V.- Sitios de Disposición de las Aguas Residuales Tratadas. a) Ríos. b) Lagos. c) Embalses. d) Mares. e) Océanos. f) Suelo. g) Rehusó.

V.- Sistema de Evacuación de Aguas Residuales. Un Sistema de Evacuación de Aguas Residuales comprende tres Sistemas: 1) Sistema de Captación. 2) Sistema de Tratamiento. 3) Sistema de descarga o Disposición Final. VI.- Clasificación de los Sistemas de Captación de Aguas Residuales. 1) SISTEMA DE CAPTACIÓN RURAL. A) Método Seco o sin arrastre de agua.- Durante muchos años y en la actualidad, en la mayoría de viviendas de las comunidades rurales y sectores sin el servicio de alcantarillado en las ciudades, las excretas todavía son eliminadas sin el arrastre de agua, esto consiste en la acumulación de las eyecciones en locales especiales llamados Foso o Pozo Negro. El método mas conocido es el de Letrina Sanitaria. Este tipo incluye los tres sistemas de evacuación de aguas residuales, ya que sirve como Captación, Tratamiento, y disposición Final. A.1) Las letrinas se recomienda usarlas: a) Cuando se desea disponer las excretas de manera sencilla y económica. b) Para viviendas y escuelas ubicadas en zonas rurales o semiurbanas sin abastecimiento de agua intradomiciliaria. c) En cualquier tipo de clima. A.2) Al construir una letrina se debe tener cuidado de: a) Que no exista peligro de contaminación del agua superficial b) No contaminar la superficie del suelo. c) No contaminar el agua subterránea que alimente a pozos o manantiales. d) Las excretas no deben quedar a la vista, producir malos olores, ni estar accesibles a vectores. e) Su construcción debe ser sencilla y económica. A.3) Localización. a) Se localizara en terrenos secos y en zonas libres de inundaciones. b) En terrenos con pendiente, se localizará en las partes bajas. c) La distancia mínima horizontal entre la letrina y cualquier fuente de abastecimiento de agua, dentro del predio o en predios vecinos, será de 15 metros (Fig. No. 1). d) La distancia mínima vertical entre el fondo del foso de la letrina y el nivel del manto de aguas freáticas será de 1.5 m (Fig. No. 1). e) La distancia mínima entre la letrina y la vivienda será de 5 m (Fig. No. 1). f) No debe estar cerca de las fuentes de agua de la vivienda. Cuando el terreno no es plano, es decir es un terreno con pendiente, la forma CORRECTA de localizar a la letrina es ABAJO del lugar donde se encuentra la fuente de suministro de agua (Fig. No. 2).

. Es incorrecto colocar una letrina en un terreno con pendiente, aguas arriba de la alimentación de un pozo ( Fig. No. 3).

FIG. No. 1.- Localización de una letrina dentro de un predio.

FIG. No. 2.- forma correcta de colocar una letrina en un terreno con pendiente.

FIG. No.3.- Forma incorrecta de la localización de la letrina en un terreno con Pendiente.

En una comunidad rural las letrinas deben colocarse en el predio correspondiente de tal manera que no afecte a su vecino (Fig. 4).

Fig. 4.- ubicación de las letrinas en una comunidad rural. A.4) Partes que Integran una Letrina Sanitaria. La letrina sanitaria esta formada por (Fig. No.5, No 6): 1.- Foso. 2.- Brocal. 3.- Losa

4.- Taza. 5.- Asiento y tapa 6.- Caseta.

Fig. No. 5.- Partes que integran una letrina sanitaria.

Fig. No. 6.- Perfil de una letrina sanitaria. A.4.1.- Foso.- Cuando se tiene ubicado el sitio en el que se construirá la letrina, se procede a excavar el foso de 0.90 X 1.10 m, con una profundidad de 1.8m, esta profundidad se reducirá a menos de 1.5m cuando exista peligro de llegar al nivel freático, esto es para evitar que el agua que puede servir para uso domestico en otros lugares se contamine (Fig. No.7). En terrenos flojos o blandos, se presenta el problema de derrumbes, como medida de seguridad las paredes deben ademarse. Debe dejarse espacio o huecos entre cada elemento del ademe, para mejorar la degradación de los residuos (Fig. No. 8).

Fig. No. 7.- Excavación del Foso y adema de una letrina sanitaria

Fig. No. 8.- Diferentes tipos de ademes para una letrina sanitaria. A.4.2.- Brocal.- El brocal tiene la función de impedir la entrada del agua de lluvia a el foso, así como servir de soporte para recibir la cubierta del foso, que generalmente es una losa de concreto armado. El brocal puede construirse con materiales de la región como: piedra braza, piedra bola de río, o cualquier otro material que sea lo menos poroso, pegado con un mortero de cal y arena (1:5). En todo el perímetro del brocal, se colocará un chaflán con mortero para evitar la entrada del agua de lluvia al foso. Si el brocal es de tabique, se pondrán tres hiladas “al hilo”, asentando una y media hiladas abajo del nivel natural del terreno y una y media arriba, que con el espesor de la losa darán una elevación de 15 cm. (Fig. No. 9).

Fig. No. 9.- Tipos de brocales.

A.4.3.- Losa.La losa para la letrina sanitaria, se construirá de concreto reforzado, para conseguir una mayor seguridad y duración, se deberá ajustarse a las siguientes especificaciones: a) Moldes.- Los moldes se construirán en base a los planos y los materiales que se indican posteriormente, según el número de losas que se deseen hacer. Se recomienda, para su mejor conservación, impregnar los moldes con

aceite

quemado o disel antes y después de usarse (Fig. No. 10) b) Concreto.- La dosificación de los materiales se hará en proporción 1:2:4 (1 volumen de cemento, 2 de arena y 4 de grava). La cantidad de agua que se agregue será aproximadamente de 30 litros por saco de cemento empleado, disminuyéndola proporcionalmente según la humedad de arena. c) Acero de refuerzo.- El refuerzo metálico para la losa, se coloca en forma de parrilla hecha de alambrón ¼” de diámetro con las dimensiones y disposición mostrada en la Fig. No. 10, haciendo en cada cruce de varilla un amarre de alambre recocido del No. 18 de 25 cm de longitud, dispuesto en doble hilo.

Fig. No. 10.- Construcción de la losa de concreto armado para letrina sanitaria.

Para la adecuada construcción de la losas de concreto reforzado para la letrina sanitaria, se deberá seguir el siguiente procedimiento: a) Se contara con área de trabajo perfectamente limpia, de preferencia encementada o con una tarima de madera, o de tierra compactada sobre la cual se colocarán los moldes para efectuar el colado o vaciado del concreto. b) Una vez armados y colocados, tanto el molde como el acero de refuerzo, se procura levantar la parrilla calzándola con pequeñas piedras (grava), de modo que quede levantada 1.5 cm. debiendo además colocar bien asentado y en su lugar correcto el molde metálico para dejar el hueco correspondiente a la taza. c) La revoltura o concreto se prepara mezclando en seco todos los materiales, previamente dosificados, hasta obtener un color uniforme. Se agrega el agua necesaria y se procede a traspalear, con movimientos de afuera hacia adentro, hasta obtener una mezcla homogénea, quedado lista la revoltura para su vaciado. d) A medida que se efectúe el colado o vaciado del concreto, con una varilla se va picando la revoltura a fin de que no queden huecos, con lo que se obtiene una losa más homogenea. Una vez terminado el colado de la losa, se le da una pequeña compactación usando un pisón de mano de madera, posteriormente la losa deberá regarse de 1 a 3 veces al día para “curar” el concreto, durante un periodo de 7 dias. A.4.4.-Taza.La tazas preferentemente será de concreto, y para su construcción se seguirá el mismo procedimiento ya indicado para las losas, dosificando el concreto en igual proporción volumétrica, 1:2:4. Las tazas se cuelas de concreto sin refuerzo de alambrón, y llevan 4 taquetes de madera, colocados en el lugar preciso (Fig. No. 11) antes de vaciar el concreto y deberán ser de forma cónica o piramidal con la base mayor en la parte inferior para impedir que posteriormente se salgan de la taza. Deben remojarse 24 horas antes del colado, para que no absorban agua del concreto. Según el número de unidades que se piensen construir, se utilizaran moldes ya sea de madera o metálicos. Los 4 taquetes de madera se colocaran en el lugar preciso antes de colocar el concreto y deberán de ser de forma cónica o piramidal con base mayor en la parte inferior para impedir que posteriormente se salgan de la taza.

El molde de madera tipo “A” de taza para letrina se arma con madera machihembra de 5 x 30 x1.3 cm. Que se amarran entre si con alambre recocido.

Conservación y Mantenimiento. a) conservarla bien limpia y libre de otros residuos.

b) no utilizarla como granero o bodega. Evitar que los animales domésticos entren o duerman dentro de la caseta. B) Método Húmedo.- Es aquel que utiliza el agua como medio de transporte para eliminar los residuos humanos. Cuando el costo de un sistema de alcantarillado es elevado y su construcción no se justifica debido a el número de habitantes, entonces el sistema que se emplea es el denominado Fosa Séptica, el cual resuelve en forma satisfactoria el problema de eliminación de pequeñas cantidades de aguas residuales, provenientes de casas aisladas o en pequeños grupos, escuelas, campos deportivos, etc.. Las fosas sépticas le dan un tratamiento a las aguas residuales que garantiza que el efluente se vierta al suelo para que se infiltre o en una corriente, sin peligro para la salud publica. Es una instalación mas costosa que la letrina sanitaria y para su funcionamiento requiere de agua intradomiciliaria, así como disponibilidad de terreno para el campo de oxidación. Cuando el suelo no tiene adecuada capacidad de absorción se hace necesario sustituir el campo de oxidación por un pozo de absorción. La fosa séptica consta de dos partes: 1) Un depósito impermeable, que se designa con el nombre de Tanque Séptico, generalmente subterráneo, en donde se efectúa la sedimentación de la materia en suspensión, la formación de natas en la superficie del agua debido a los sólidos flotantes y la descomposición de la materia orgánica por la acción de microorganismos llamados bacterias anaerobias, viven y se reproducen en ausencia de oxigeno. 2) Una instalación para oxidar el efluente del tanque séptico, ya que dichas aguas no contienen oxigeno disuelto, pero si se ponen en contacto con este elemento, rápidamente lo difunden en su seno, oxidando la materia orgánica y mineralizándola, mejorando su calidad. La instalación para oxidar el efluente del tanque séptico más usada se le conoce con el nombre de Campo de Oxidación, requiere un área de terreno poroso con una red de tuberías colocadas en el subsuelo, por las cuales se distribuye el efluente y se oxida al entrar en contacto con el aire contenido en los huecos del terreno y con las bacterias aerobias que existen en él. ELEMENTOS QUE INTEGRAN UNA FOSA SEPTICA.

a) Trampa para grasas (1).- Su función es eliminar la grasa que se encuentra disuelta en las aguas residuales. Se colocará cuando se reciban residuos de cocinas, garajes y locales de elaboración de alimentos. Son dispositivos de facil construcción que deben instalarse cuando se eliminen desechos grasosos en gran cantidad. Debe colocarse antes del tanque séptico y contar con tapa para limpiarlo frecuente mente. Se recomienda ubicarlo en lugares sombreados para mantener baja la temperatura en su interior. Para determinar su capacidad se considerará el doble de la cntidad de líquido que entra durante la hora de máximo gasto del influente. En pequeñas instalaciones la capacidad debe ser de 8 litros por persona y nunca menor de 120 litros en total. b) Tanque Séptico (2).- Es aquí en donde se lleva acabo los procesos de sedimentación y degradación de la materia orgánica de manera anaeróbica. c) Caja distribuidora (3).- Es la encargada de redistribuir de manera equitativa el efluente a las tuberías que forman el campo de oxidación. d) Campo de oxidación (4).- Es el encargado de distribuir el efluente en el suelo para su infiltración, siempre que las condiciones locales lo permitan. e) Pozo de absorción (5).- será necesario en los casos en que las condiciones del suelo no sean las adecuadas para construir el campo de oxidación.

SISTEMA DE CAPTACION URBANO. El sistema de capitación urbano se conoce como Sistema de Alcantarillado o Alcantarillado Sanitario. Definición de alcantarillado.- La palabra Alcantarillado viene de alcántaras que son conductos cubiertos para facilitar el transito. Puede definirse como un sistema de tuberías o conductos subterráneos, dispuestos de manera análoga a la red fluvial (escurrimiento), cuyo objetivo principal es el de evacuar las aguas residuales de la población hasta lugares donde no produzcan efectos nocivos para la salud, ni daño al medio ambiente. I.-Las Etapas que integran un sistema de alcantarillado son: Estudios 1) Proyecto Dimensionamiento

2) Construcción

Programa Presupuesto

Ejecución Control 3) Operación

Operarios Administración Mantenimiento Ampliaciones

II.- Objetivos de un Sistema de Alcantarillado. 1) Proporcionar Comodidad. 2) Proporcionar Salubridad y prevención del deterioro del medio ambiente 3) Proporcionar la Reutilización. Son tres tipos de sistema de alcantarillado: a) Sistema Unitario o Combinado. Es el sistema dispuesto de tal manera que en un mismo conducto corren las aguas negras y la totalidad de las aguas de lluvias.

AGUAS NEGRAS

AGUAS DE LLUVIAS

b) Sistema Separado o Divisor. Es un sistema que consta de dos conductos diferentes uno para conducir el gasto de aguas residuales domesticas y el otro para conducir el agua de lluvia.

ALBAÑALES

ALBAÑALES

DESCARGA DOMICILIARIA

Ǿ=10 CM Ǿ=20 CM ATARGEA O ALCANTARILLA

c) Sistema Semi combinado. Es una variación del sistema combinado del cual difiere o se diferencia únicamente en que en lugar de conducir la totalidad de las aguas de lluvia, solo conduce una parte considerable de esta.

PARTES QUE INTEGRAN LA RED DE ALCANTARILLADO SANITARIO. 1) Descargas Domiciliarias o Albañales. Son tuberías de diámetro pequeño (10 cm.) que tienen como finalidad transportar las aguas negras de casas habitación, escuelas, restaurantes, etc., hasta una atarjea, subcolector o colector. La descarga se inicia en un registro principal, localizado en el interior del predio, provisto de una etapa de cierre hermético que impide la salida de malos olores, con un diámetro mínimo de 10 cm., una profundidad de 60 cm. y una pendiente mínima del 1%; se conecta a la atarjea por medio de un codo de 45 grados y un slant. Se debe garantizar que la conexión del albañal a la atarjea, sea hermética. Dependiendo del tipo de material de la atarjea o colector, se debe de seleccionar de preferencia el mismo material en la tubería de albañal y en las piezas especiales, así como el procedimiento de conexión correspondiente. A continuación se describen los procedimientos de instalación y las piezas usadas en las diferentes conexiones domiciliarias según el tipo de material. a).- En tubería de concreto. Para efectuar la conexión del albañal con la atarjea o colector, se utiliza el denominado “slant” que es una pieza especial de concreto con campana (para unir con anillo de hule) y con un extremo espiga cortado a 45 grados con respecto a su eje, para unir con la atarjea o colector, lo cual permite que la conexión domiciliaria una vez construida quede con este ángulo de deflexión; al slant se conecta un codo a 45 grados de concreto con espiga y campana para su acoplamiento al albañal con anillo de hule, el cual generalmente es perpendicular a la atarjea o colector. En el caso de una conexión con un colector con cierta profundidad, será necesario incluir en la conexión un tramo de albañal entre el “slant” y el codo. Para la conexión del “slant” a la atarjea o colector se deberá perforar uno u otro, uniéndolos con cementante (figura No.1).

Figura No. 1 descarga domiciliaria con tubería de concreto.

b).- En tubería de PVC (Poli cloruro de vinilo). En este tipo de conexión, se utiliza una silleta de PVC a 45 grados con campana (para unir con anillo) y extremo de apoyo para unir ala atarjea o colector y un codo de 45 grados con espiga y campana para su acoplamiento al albañal con anillo de hule. La silleta se acopla a la atarjea por cimentación, o bien, se sujeta por medio de un par de abrazaderas o cinturones de material resistente ala corrosión; en este caso, la silleta esta provista de un anillo de hule con el que se logra la hermeticidad con la atarjea. Existe la posibilidad de utilizar “Y” reducidas en lugar de silletas, pero se requiere conocer, antes de instalar las atarjeas, donde se conectaran las descargas domiciliarias (figura No.2).

Figura No. 2 Descarga domiciliarais con tubería de PVC.

2) Atarjeas o Alcantarillas. Son tuberías que tienen un diámetro de 20, 25, 30, y 38 cm,. las cuales transportan las aguas negras de los albañales. La red de atarjeas tiene por objeto recolectar y transportar las aportaciones de las descargas de aguas negras domesticas, comerciales e industriales, hacia los colectores, interceptores o emisores. La red esta constituida por un conjunto de tuberías por las que son conducidas las aguas residuales captadas. El ingreso del agua a las tuberías es paulatino a lo largo de la red, acumulándose los caudales, lo que da lugar a ampliaciones sucesivas de la sección de los conductos en la medida en que se incrementan los caudales. De esta manera se obtienen en el diseño las mayores secciones en los tramos finales de la red. No es admisible diseñar reducciones en los diámetros en el sentido del flujo. Las atarjeas se localizan generalmente al centro de las calles, las cuales van recolectando las aportaciones de los albañales. El diámetro mínimo que se utiliza en la red de atarjeas de un sistema de drenaje separado es de 20 cm., y su diseño, en general debe seguir la pendiente natural del terreno, siempre y cuando con los límites máximos y mínimos de velocidad y la condición mínima de tirante.

3) Subcolector. Su finalidad es recoger las aguas negras de los albañales y atarjeas, transportándolas hasta su evacuación o hasta un colector, su diámetro es de 38 a 45 cm. 4) Colectores.

Transportan las aguas negras de las atarjeas o subcolectores y la transportan hasta un interceptor, un emisor o hasta la planta de tratamiento. Su diámetros varia de 60 cm. hasta 1.22 m. 5) Interceptores. Son las tuberías que interceptan las aportaciones de aguas negras de los colectores y terminan en un emisor o en la planta de tratamiento. 6) Líneas Emisoras. Es el conducto que recibe las aguas negras de uno o varios subcolectores, colectores o interceptores. No recibe ninguna aportación adicional (atarjeas o descargas domiciliarias) en su trayecto. Su función es conducir las aguas negras a la planta de tratamiento. También se le denomina emisor al conducto que lleva las aguas tratadas (efluente) de la planta de tratamiento al sitio de descarga. Su diámetro varia de 1.22 m. a 4 m.

ACCESORIOS DE LA RED DE ALCANTARILLADO. Los accesorios que constituyen a la red de alcantarillado sanitario son: 1.- Registros o Pozos. 2.- Planta de Bombeo. 3.- Sifones Invertidos. 1.- registros o pozos:

A) Pozos de Visitas.- Son estructuras construida sobre las tuberías cuyo acceso interior se tiene por la superficie de la calle, su finalidad es la de permitir los trabajos de inspección, limpieza y conservación de los tramos de atarjea a ellos conectados, así como para la ventilación. Se instalan en cada entronque de dos o mas alcantarillas, en cada cambio de dirección y de pendiente, se construyen con bloques curvas de concreto, tabiques o de concreto colado. Sin son de tabique deberán recubrirse por dentro y afuera; si son de concreto el recubrimiento no es necesario. El fondo es de concreto o de mampostería que se extiende cuando menos 15 cm. afuera de las paredes, con un canal de flujo suave que va del tubo que entra al tubo que sale.

a) Pozos de Visita Comunes.- Son aquellos que reciben tuberías que tienen un BROCAL DE diámetro menor a 60 cm. CONCRETO Ó FIERRO cuando FUNDIDOla tubería tiene un diámetro b) Pozos de Visita Especiales.- Se contruyen 90 cm comprendido entre 76 cm y 1.22m. 76 cm ≤ ≥ 1.22 m 60 cm

DIMENSIONES DE LOS POZOS DE VISITAS ESCALERA MARINA

TABIQUE JUNTEADO CON MORTERO1:3

15 cm

VARIABLE

APLANADO 1:2

90 cm

15 cm MAMPOSTERÍA CON MORTERO 1:4

La tabla siguiente muestra las dimensiones que debe tener un pozo de visita. Tabla No.1.-Dimensiones de los pozos de visitas Diámetro de tubería

tipo de pozo

Diámetro de la base inferior

Diámetro de la base superior

< 60 cm.

de visita común

1.20 m

60 cm

1.5 m

60 cm

2.0 m

60 cm.

76 - 107 cm. 122 cm.

de visita especial de visita especial

SEPARACION ENTRE POSOS DE VISITAS. La separación máxima entre pozos de visitas debe ser la adecuada para facilitar las operaciones de inspección y limpieza. Se recomienda las siguientes distancias de acuerdo con el diámetro. Diámetro de tubería

separación máxima

hasta 60 cm.

125 m + 10%

76 a 122cm

150 m + 10%

> 122 cm.

175 m + 10%

POZOS SLANT.- Son iguales que los pozos de visita, tienen la misma finalidad de los anteriores, la diferencia es que sirven como unión de dos conductos, uno de 61 cm a conductos mayores o iguales a 1.22m. normalmente une subcolectores con colectores POZOS Y CAJAS DE CAIDAS. En mucho casos la alcantarilla principal esta mucho mas profunda que el ramal y el problema es tener un flujo de aguas negras suave, para tales condiciones la práctica normal es utilizar un pozo de visita de caída el cual nos permite realizar en su inferior cambio brusco de nivel por medio de una caída. Los pozos y cajas de caída se construyen para los siguientes casos:

a).- En terrenos inclinados. b).- Cuando se tienen colectores profundos, subcolectores y alcantarillas que se encuentra cercana a la superficie del Terreno. c).- En liga de dos tramos. Existir diferentes tipos de caída 1.- Caídas libres.- solo se permiten caída libre de un desnivel De 0.5 m.

2.- Pozo de Caída Adosada. Se utilizan cuando la diferencia de niveles están comprendidas entre 0.6m y 2m. Son pozos de visita comunes, a los cuales lateralmente se les construye una estructura que permite la caída de tuberías de 0.20 y 0.25 m de diámetro con un desnivel entre las plantillas comprendidas entre 0.6m y 2m.

Figura No. Pozo de caída adosada.

3.- Estructura de caída escalonada. Son pozos cajas con caída escalonada, cuya variación es de 50 a 50cm hasta llegar a 2.5m como máximo, se emplea en tuberías con diámetros de 0.91m a 2.44m

4.- Camara de caída escalonada.

5.- Camara de caída rápido

6.- Pozo de caída con escalones alternos.

ESTACIONES DE BOMBEO Las estaciones de bombeo se empelan en áreas planas, donde algunas partes del sistema de alcantarillado están muy profundas y la construcción a estas profundidad son costosas. una estación de bombeo para aguas negras consiste generalmente en un pozo sumidero (carcamo) en donde se captan las aguas negras y un mecanismo de control apropiado para arrancar y parar las bombas, de acuerdo como se llena el pozo. Nivel de arranque de bomba grande

Criba

Nivel de arranque De bomba chica Nivel de partida de bomba grande

Nivel de parada de bomba chica

Bomba grande Bomba chica

Sifones invertidos Este tipo de estructura se utiliza cuando: a).- Se pretende cruzar una corriente de agua.

b).- Se tiene una depresión del terreno, un viaducto, un valle o una cañada.

c).- Al cruzar cualquier obra civil.

Tubos para el sistema de alcantarillado Los tubos que se emplean para un sistema de alcantarillado deben ser: 1.- lisos en su interior para permitir el flujo con la menor perdida de carga debido a la fricción y para reducir el deposito de sólidos y la consiguiente obstrucción (o taponamiento) del flujo. 2.- impermeable por fuera y por dentro.- Esto es con la finalidad de que no entre ni salga de agua de el. 3.- debe ser resistente a los ácidos o productos químicos 4.- deberá tener una vida muy larga.

5.- Su tendido deberá ser razonablemente sencillo, de modo que se puedan obtener fácilmente buenas características de construcción y su costo original y de construcción combinados deben ser razonables. 6.- Su transporte debe ser seguro, es decir, que se reduzca el riesgo de perdidas por rompimiento de cada elemento. 7.- De fácil manejo Los materiales de que están construidos o se puedan construir los tubos o conductos para el sistema de alcantarillado son: a) b) c) d) e) f) g)

barro vitrificado concreto simple o armado hierro fundido madera P. V. C. Asbesto- cemento. Fibra bituminada.

FACTORES QUE DETERMINAN ELTRAZO O MODELO DE DISTRIBUCION O CONFIGURACION DE UN SISTEMA DE ALCANTARILLADO 1.- topografía, geología e hidrológica del área de drenado. 2.-tipo de sistema, si es combinado o separado 3.-limites políticos. 4.- densidad de población 5.- localización de las obras de tratamiento 6.- localización y naturaleza de las elevaciones o disposición final. 7.- modelos de configuración de un sistema de alcantarillado. 1.- Modelo perpendicular Tiene como objetivo buscar la trayectoria mas corta hacia los canales superficiales existentes este modelo es recomendado para sistema pluviales, pueden utilizarse también para los combinados pero no es muy frecuente que se realizo debido a la contaminación que pueden producirse por conducir aguas residuales.

2.- Modelo de interceptor Es recomendable para alcantarillados combinados

A la planta de tratamiento

3.- Modelo de zona Es recomendable para alcantarillado combinado

Interceptor de nivel alto

Interceptor de nivel intermedio

Interceptor de nivel de abajo A la planta de tratamiento

Modelo de abanico Dadas las condiciones topográficas especiales puede notarse el esquema en abanico con interceptor o sin interceptor según sea el tipo de alcantarillado. Este modelo concentra hacia el inferior los flujos desde las orillas a la comunidad y origina una sola descarga, sin embargo, sus drenajes muy largos cruzan con frecuencia

los distritos mas congestionados haciendo difícil aumentar la capacidad del sistema es recomendable para alcantarillado sanitario

Interceptor A planta de tratamiento Descarga si el sistema es pluvial

Modelo radial Las aguas negras fluyen hacia fuera como si fuesen a lo largo de los rallos de una rueda. Las líneas son relativamente cortas pero pueden multiplicarse el número de obras de tratamiento. Se recomienda para alcantarillado sanitario o combinado.

6.- sistema de bayonetas Es apropiado para alcantarillados sanitarios en donde existen terrenos muy planos y velocidades muy bajas o bien también es muy frecuente cuando se tienen pendientes grandes en dos sentidos perpendiculares entre si.

Planta de tratamiento

Modelos de configuración de atarjeas La diversidad de modelos de configuración de atargeas se puede reducir a 3 arreglos típicos denominados. a) en bayonetas b) en peine sencillo c) en doble peine a) En bayonetas Es la sucesión de tramos de atarjeas en zic zac. Este modelo es muy frecuente mente usado cundo se tiene pendientes grandes.

b) En peine sencillo Consiste en una atarjea troncal dispuesta a lo largo de una calle a la que se desemboca tramos tributarios dispuestos generalmente perpendiculares a la atarjea trocal y a un solo lado de dicha atarjea.

c) En doble peine Consiste en una atarjea troncal a lo cual desembocan varios tramos tributarios dispuestos a ambos lados de forma perpendicular al troncal.

ELEMENTOS NECESARIOSPARA LA ELABORACION DE UN PROYECTO DE ALCANTARILLADO. 1) Periodo Económico de Proyecto. 2) Población de Proyecto. 3) Gastos de Proyecto o de Diseño. 4) Densidad de Población. 3) Gastos de Proyecto o de Diseño. Los sistemas de alcantarillado sanitario estarán diseñados para evacuar los siguientes tipos de aguas. 1. Aguas residuales provenientes de las casas habitación, edificios públicos y centros comerciales. 2. Aguas subterráneas. Estas se infiltran en las tuberías cuando están por debajo del nivel freático o también por los pozos de visita. 3. Las aguas de lluvia provenientes de las casa habitación.- normalmente no se recomienda que se evacuen por el sistema de alcantarillado, si no que descargue a la acera de la calle. A) volumen de aguas residuales provenientes de casas habitación, edificios públicos y centros comerciales. Las aguas de residuales son parte del abastecimiento público teniéndose una aportación del 70 al 80 % de la dotación de agua potable; el remanente se emplea en riesgo de prados, jardines, lavado de calles, extinción de incendios, generación de vapor y satisfacción de necesidades domesticas. A.1) Gasto Medio Diario.- Se determina mediante la siguiente fórmula:

Qmed diario =

( Aportacion )( Poblacion de proyecto ) 86400

La aportación de aguas residuales domesticas varia de un 70% a un 80% de la Dotación del suministro de agua potable a la población. Aportación = 70% ó 80% Dotación Se recomienda utilizar un valor igual a: Aportación = 80% Dotación

A.2) Coeficiente de Variación. Las descargas de aguas residuales de la población al sistema de alcantarillado no son continuas, habrá ocasiones en que se tenga poco escurrimiento en los conductos, pero habrá horas en que se incremente el gasto en ellos. Para prevenir una descarga grande se utiliza el coeficiente de variación, este coeficiente fue evaluado por Harmon el cual propuso una formula empírica para determinarlo en base a la población del proyecto. Para poblaciones de proyecto menores a 182250 hab., el coeficiente de variación se determinara por la formula de Harmon: µ =1 +

14 4+ p

Donde: µ=Coeficient

e de var iacion o coeficient

p =Poblacion

del proyecto

e de harmon .

dada en miles de habi tan tes .

El coeficiente de variación nos permite evaluar el gasto máximo instantáneo que podemos tener en todo el sistema de conducción, el cual se determina con la siguiente expresión: Qmax instantáneo = μ Qmedio diario Para poblaciones iguales o mayores de 182250 habitantes el coeficiente de variación μ tendrá el valor fijo de 1.8, por lo que el valor del Q max instantáneo será de: Qmax .instantáneo = 1.8 Q medio diario A.3) Coeficiente de Seguridad. Para prevenir un exceso en las aportaciones que puede recibir la red por concepto de aguas pluviales domiciliarias, o bien negras, producto de un crecimiento demográfico explosivo, se empleara un Coeficiente de Seguridad (C.S), el cual varía de 1 a 2 . En los proyectos en los que se considere aportación por aguas de lluvia o se tenga conocimiento de una explosión demográfica, se tomara un valor de 1.5 y en casos especiales de 2. Cuando no se quieran eliminar o considerar un crecimiento explosivo, se utilizara un coeficiente igual a 1. Con el coeficiente de seguridad (CS) se obtiene el gasto máximo extraordinario ( Qmáx. extraordinario), el cual se determina con la formula: Qmáx. extraordinario. = C.S Qmax .instantáneo

A.4) Gasto de Infiltración.

En los casos en que el nivel del manto de aguas freáticas estén muy altos y que sea necesario instalar las tuberías dentro de la zona de influencia de este, el caudal que por concepto de infiltración, debe sumarse al de aguas negras, para determinar la capacidad que se requiere de las tuberías. Las aguas subterráneas tanto vadosas, como freáticas, se infiltran hacia las atarjeas de calles y edificios a través de las fugas existentes en las uniones y pozos de visita, así como por las grietas de las tuberías. El potencial de la transmisión varia con: a) b) c)

la altura del nivel freático sobre el fondo de las atarjeas. la precipitación pluvial, el deshielo y la permeabilidad del suelo. la destreza en la construcción de pozos de visita, tendido y sellado de las atarjeas y su conexión a los edificios.

Los valores de la infiltración pueden variar de 11800 lts / 24hrs - Km. a 94400 lts / 24 hrs - Km. Estas cantidades equivalen a 0.136 lts / seg-km. y 1.092 lts / seg-km. En la mayoría de los casos se considera tomar un valor medio igual a 0.614 lts / seg – Km. En la mayoría de los casos se considera tomar un valor medio igual a 0.614 lts/seg. – km. A.5) Gasto Mínimo.- se determina mediante la siguiente fórmula: Qmin. = 0.5 Q medio diario =

1/ 2 Q medio diario.

También puede considerarse como gasto mínimo probable de aguas negras por conducir la descarga de un escusado, que es de 1.5 lts / seg. ; además , el gasto mínimo, está en función del número de descargas simultaneas al alcantarillado, según el diámetro del conducto receptor, siendo estos menores al que se obtiene con la fórmula anterior. La tabla No.1 muestra los gastos mínimos que escurren por una atarjea de acuerdo a las descargas simultáneas y el diámetro del conducto. Tabla No. 1.- Gastos mínimos escurridos según el número de descargas simultaneas. Diámetro No. de descargas Aportación por Gasto mínimo de (cm) Simultaneas. descarga. ( l.p.s.) aguas negras. ( l.p.s.) 20 1 1.5 1.5 25 1 1.5 1.5 30 2 1.5 3.0 38 2 1.5 3.0 45 3 1.5 4.5 61 5 1.5 7.5 76 8 1.5 12 91 12 1.5 18 107 17 1.5 25

122 152 183 213 244

23 30 38 47 57

1.5 1.5 1.5 1.5 1.5

34.5 45 57 70.5 85.5

A.6) DETERMINACION DEL DIAMETRO. Deberá seleccionarse el diámetro de las tuberías de manera que su capacidad sea tal que a gasto máximo extraordinario, el agua escurra sin presión a tubo lleno y con un tirante para gasto mínimo que permita arrastrar las partículas sólidas en suspensión, debiendo alcanzar este tirante un valor mínimo igual a un centímetro, en casos excepcionales, y en casos normales el de 1.5 cm. a) Diámetro mínimo.- la experiencia en la conservación y operación de sistemas de alcantarillado, ha demostrado que el diámetro mínimo que debe tener la tubería, atendiendo a evitar las frecuentes obstrucciones de ellas es de 20 cm. b) Diámetro máximo.- Está regido por dos aspectos importantes: b.1) Capacidad necesaria del conducto.- Determina el diámetro en función del resultado de un estudio comparativo de costos, conjugando los de adquisición e instalación de la tubería. b.2) Características topográficas del tramo en que se pretende instalar la tubería.- el diámetro esta en función de la capacidad de conducción requerida, tomando en cuenta los desniveles disponibles u obligados y considerando de carácter secundario el costo total del conducto instalado. Es mas económico para tuberías de diámetro de 1.83 m o mayores, colarlas en el sitio en que van a quedar instaladas, que el empleo de conductos prefabricados. VELOCIDAD DE DISEÑO. Se empleará la fórmula de Manning para calcular la velocidad del agua en las tuberías cuando trabajen llenas, utilizando además las relaciones hidráulicas y geométricas de esos conductos, al operar parcialmente llenos. Se recomienda utilizar como valores para el coeficiente de Manning “ n” los siguientes: Materiales de la Tuberia Tubos de Concreto Prefabricado Tubos Colados en el lugar de la obra. Asbesto Cemento Concreto Armado PVC Fierro Fundido

Valores de “n” 0.013 0.016

Las velocidades de diseño deberán variar desde 0.6 m/seg hasta 3.0 m/seg . Siendo 0.6 m/seg , la velocidad mínima capas de arrastrar a toda la materia que se encuentra en suspensión en las aguas residuales, y de 3.0 m/seg, la velocidad máxima que no produce una erosión considerable a la tubería.

PENDIENTES. Las pendientes de las tuberías deben ser tan semejantes como sea posible a las del terreno, con el objeto de tener excavaciones mínimas, pero tomando encuenta lo siguiente: a) Casos Normales.- Para el gasto mínimo se acepta como pendiente mínima, aquella que produce una velocidad de 0.6 m/seg. , a tubo lleno. Para el gasto máximo se acepta como pendiente máxima, aquella que produce una velocidad máxima de 3.0 m/seg. , a tubo lleno. Si no se verifica a tubo lleno, si no parcialmente lleno, la pendiente máxima será la que produce una velocidad de 3.0 m/seg a tubo parcialmente lleno. b) Casos Excepcionales.- Para el gasto mínimo, la pendiente mínima de los conductos, debe ser la que produce una velocidad de 0.3 m/seg. , con un tirante igual o mayor de 1.5 cm., la pendiente máxima será aquella que produzca al citado gasto, una velocidad siempre menor de los 3.0 m/seg .

Tabla de Pendientes Máximas y Mínimas para casos Normales.

Diámetro Nominal en cm. 20 25 30 38 45 61 76 91 107 122 152 183 213 244

Pendientes Calculadas. Máxima: V = 3.0 Mínima: V = 0.6 m/seg a tubo lleno. m/seg a tubo lleno. Pendiente en milésimas 82.57 61.32 48.09 35.09 28.01 18.67 13.92 10.95 8.82 7.41 5.53 4.31 3.52 2.94

Gasto l / seg 94.24 147.26 212.06 340.23 477.13 876.74 1360.93 1951.16 2697.61 3506.96 5443.75 7890.66 10689.82 14027.84

Pendiente en milésimas 3.30 2.45 1.92 1.40 1.12 0.75 0.56 0.44 0.35 0.30 0.22 0.17 0.14 0.12

Nota: fórmula empleada Manning, para n = 0.013.

Gasto l / seg 18.85 29.45 42.41 68.05 95.43 175.35 272.19 390.23 539.52 701.39 1088.75 1578.13 2137.96 2805.57

Pendientes recomendables para proyectos. En milésimas. Máxima 83 61 48 35 28 19 14 11 9 7.5 5.5 4.5 3.5 3.0

Mínima 4.0 2.5 2.0 1.5 1.2 0.8 0.6 0.5 0.4 0.3 0.3 0.2 0.2 0.2

TIRANTES EN LOS CONDUCTOS. Los tirantes mínimos que se permite tenga el agua en los conductos o tuberías, en el caso de pendientes mínimas, deberán ser mayores o cuando menos igual a 1.5 cm. Para pendientes máximas el tirante mínimo debe ser mayor o cuando menos igual a 1.0 cm.

PROFUNDIDAD DE INSTALACION DE LOS CONDUCTOS. Las profundidades a las cuales se instalen las tuberías, deben estar comprendidas, dentro del ámbito de la mínima y máxima recomendada. Profundidad Mínima.- Debe satisfacer dos condiciones: a) El colchón mínimo necesario para evitar rupturas del conducto ocasionadas por carga viva, que en general para tubería con diámetro hasta de 45 cm , se acepta de 90 cm , y para diámetros mayores de 1.0 a 1.5 m. b) Que permita la correcta conexión de las descargas domiciliarías al alcantarillado municipal, aceptando que ese albañal exterior, tenga como mínimo una pendiente geométrica del 1%, y que el registro interior más próximo al paramento del predio, tenga una profundidad mínima de 60 cm. Profundidad Máxima.- Es función de la topografía del lugar, puesto que los sistemas deben proyectarse, en lo posible para que el escurrimiento se efectué por gravedad; para determinarla, además, se deberán tomar en consideración los criterios siguientes: tipo, características y resistencia de las tuberías, clase de terreno en que se instalen y clase de cama que les servirá de apoyo. La determinación de la profundidad máxima de instalación, debe hacerse mediante un estudio económico comparativo, entre el costo de instalación del conducto principal con sus albañales correspondientes, y el de atarjeas o atarjeas laterales, incluyendo los albañales respectivos. No obstante, la experiencia ha demostrado, que hasta 4.0 m de profundidad, el conducto principal puede recibir directamente los albañales de las descargas y que a profundidades mayores ( en caso de que técnicamente sea indispensable una mayor profundidad ) resulta mas económico el empleo de atarjeas laterales.

ANCHO DE LAS ZANJAS EN QUE SE INSTALARAN LOS CONDUCTOS. Todas las tuberías deben instalarse en “condición de zanja”, debiendo ser ésta de paredes verticales, como mínimo hasta el lomo del tubo, y con un ancho de acuerdo con lo especificado por la teoría de Marston. Los anchos mínimos de zanjas necesarios para la instalación de las tuberías, según la magnitud de su diámetro, se dan a continuación:

Diámetro de la tubería, en cm. 20 25 30 38 45 61 76 91 107 122 152 183 213 244

Ancho de Zanja, en cm. 65 70 80 90 100 120 140 175 195 215 250 285 320 355

Para la instalación de las tuberías deberán tomarse las siguientes consideraciones: 1) en todas las juntas se excavarán conchas para facilitar el juntéo de los tubos de macho y campana y la inspección de estas.

2) Es indispensable que a la altura del lomo del tubo, la zanja tenga realmente como máximo el “ ancho de zanja ” que se indica en la tabla anterior; pero a partir de este punto, puede dársele a sus paredes el talud que se haga necesario para evitar el empleo de ademes. Si la Secretaría o dependencia autoriza el empleo de un ademe provisional, el ancho de zanja deberá ser igual al indicado en la tabla anterior más el ancho que ocupe el ademe.

3) La profundidad mínima de la zanja, será la que se obtenga sumando al colchón mínimo el diámetro exterior de la tubería y el espesor de la plantilla. 4) Las tuberías que se instalen serán de junta de macho y campana hasta 45 cm de diámetro, y para diámetros mayores de espiga y caja. 5) El colchón mínimo sobre el lomo del tubo debe ser de 90 cm, excepto en los sitios en que por razones especiales se indiquen en los planos otros valores.

PLANTILLA O CAMA. La cama o plantilla se utilizara cuando: El fondo de las zanjas en que se instalen las tuberías no ofrezcan la consistencia necesaria para mantenerlas en su posición en forma estable, o cuando la excavación se efectué en roca, que por su naturaleza y características no puede afinarse en grado tal que la tubería tenga el asiento correcto en toda su longitud. La carga que una tubería puede soportar no es función exclusiva de sus características intrínsecas (propias), si no que en gran parte depende del método de encamado o clase de plantilla empleada para su instalación. Clases de cama o plantilla. Plantilla Clase “A”. En este método de encamado la zona externa inferior de la tubería debe apoyarse en concreto simple, que teniendo un espesor minimo de ¼ de diámetro inferior en la parte mas baja del tubo, se extiende hacia arriba por ambos lados hasta una altura que puede ser mayor o menor que el diámetro exterior y mínima de ¼ de este. El factor de carga varía de 2.25 a 3, tomándose normalmente el valor de 2.25. La cama de arena húmeda compactada produce a las tuberías efectos comparables al que se obtiene con la del concreto simple y en consecuencia se le clasifica como clase A.

Plantilla Clase “B”. Es el encamado en el que la tubería se apoya en un piso de material fino, colocado sobre el fondo de la zanja, que previamente ha sido arreglado con la concavidad necesaria para ajustarse a la superficie externa inferior de la tubería, en un acho cuando menos igual al 60% de su diámetro exterior, el resto de la tubería deberá ser cubierto hasta una altura cuando menos de 30 cm. arriba de su lomo con material granular fino, colocado cuidadosamente a mano y perfectamente compactado, llenando todos los espacios libres abajo y adyacente a la tubería. Este relleno se hará en capas que no excedan de 15 cm. de espesor. El factor de carga de esta cama es de 1.9. Esta clase de cama con material “A” y/o “B”, producto de la excavación, se empleará generalmente en el tendido de todas las tuberías. Si por necesidades constructivas no puede lograse lo anterior, antes de instalarse la tubería deberá consultarse a la dependencia encargada de la supervisión.

Plantilla Clase “C” La constituye el encamado en el que el fondo de la zanja ha sido previamente arreglado para ajustarse a la parte inferior de la tubería en un ancho aproximado al 50 % de su diámetro exterior. El resto de la tubería, será cubierto hasta una altura de cuando menos 15 cm. por encima de su lomo, con material granular fino colocado y compactado a pala hasta llenar completamente los espacios de abajo y adyacentes a la tubería. El factor de carga es de 1.5

Plantilla Clase “D” Es el encamado en el cual no se toma ningún cuidado especial para conformar el fondo de la zanja a la parte inferior de las tuberías, ni en lo que respecta al relleno de los espacios por debajo y adyacentes a las mismas. Su factor de carga es de 1.10. Este procedimiento es inadmisible para la instalación de tuberías.

Simbología Utilizada en Sistemas de Alcantarillado. Atarjea o alcantarilla…….. Subcolector………………. Colector ………………….. Emisor …………………… Cabeza de atarjea ………… Pozos de visita común …… Pozos de visita especial ….. Cajas de concreto …………

Cajas de deflexión hasta 45°………… Cajas de caída libre dentro del pozo

70 cm ………….

Coladera de banqueta ………………………………….

CONCEPTOS QUE INTERVIENEN EN LA PLANILLA DE CALCULO. 1. TRAMO. Es la unión que existe entre 2 pozos d visita, en los cuales el escurrimiento se efectúa del primer pozo al segundo.

2. LONGITUD.

Es la distancia del tramo o la distancia que existe entre 2 pozos de visita. 3. COTA DEL TERRENO Es la elevación topográfica que tiene el tramo en análisis. Se divide en cota del terreno superior y cota del terreno inferior.

Cota de terreno Superior

Cota de terreno Inferior

Cota de Plantilla Superior

1 Cota de Plantilla Inferior

Tramo 1-2 Longitud

2

4. COTA DE PLANTILLA. Es la profundidad a la cual se coloca la tubería. Se clasifica en cota de plantilla superior y cota de plantilla inferior. 5. CAIDA DE ALCANTARILLA. Es la diferencia entre las cotas de las plantillas superior e inferior. 6. PENDIENTE. Es el cociente de la caída de alcantarilla entre la longitud del tramo.

Pendiente

Caida de alcantaril la ∆H =S = = longitud del tramo . L

7. DIAMETRO. Para desarrollar el proyecto se supone un diámetro mínimo de 20 cm. 8. GASTO POR TRAMO. Es el gasto que aporta las descargas domiciliarias que se encuentran conectadas a cada tramo. Se clasifica en:

• •

Gasto unitario máximo Gasto unitario mínimo

q unitario q unitario

Q diseño Longitud total de la red Q min min imo = Longitud total de la red max imo =

Qtramo máximo = Longitud del tramo ( qunitario máximo) Qtramo minimo = Longitud del tramo ( qunitario minimo) 9. GASTO ACUMULADO Es la suma de los gastos anteriores al tramo en analisis.

Gasto acumulado en el tramo 1 – 2 = q1 Gasto acumulado en el tramo 2 – 3 = q1 + q2 Gasto acumulado en el tramo 3 – 15 = q1 + q2 + q3 10. GASTO DE DISEÑO. Es el gasto máximo que puede escurrir por el tramo de tubería en estudio determinado en función de las características del mismo se determino con la formula de diseño. Qdiseño = qd = VA

Qdiseño < Qacumulado Q diseño > Qacumulado Qd = Qacumulado

(No aceptable) (Aceptable) (aceptable)

Cuando se presenten casos No aceptables, las posibles soluciones son: 1º cambiar de diámetro la tubería. 2º Cambiar pendiente 3º Cambiar diámetro y Cambiar velocidad

.4 Elementos de planeacion para la elaboración de un proyecto de Alcantarillado

1.4.1 Periodo económico de proyecto Un sistema de alcantarillado se proyecta para dar servicio eficiente en un determinado tiempo, con sus estructuras funcionando adecuadamente para satisfacer las necesidades de una comunidad, este lapso se denomina periodo de diseño o periodo económico del proyecto. En general el proyecto de diseño debe ser menor que la vida útil, es decir el tiempo que se espera que los sistemas de alcantarillado funcionen sin ocurrir en elevados gastos de operación y mantenimiento que lo hagan antieconómico; lo correcto es que los sistemas alcantarillado continúen trabajando hasta cumplir su vida útil con una eficiencia menor con forme pasa el tiempo. En la siguiente tabla se presentan los periodos de diseño recomendados para las diferentes estructuras que conforman un sistema de agua potable. Para definir en forma adecuada el periodo de diseño, es necesario considerar, entre otros los siguientes factores: • • • •

La vida útil de las estructuras y equipos, tomando en cuenta el estado en que se encuentra y lo obsoleto que lleguen a ser. La facilidad o dificultad para ampliar las obras existentes o planeadas. Revisión de los crecimientos urbanos, comerciales o industriales. Comportamiento de las obras durante los primeros años, cuando no estarán operando a toda su capacidad.

En caso de ser posibles, es conveniente de hacer el diseño por módulos con el fin de definir las inversiones el mayor tiempo posible, al mismo tiempo que se logra disponer de infraestructura con bajos niveles de capacidad ociosa. De acuerdo con este criterio se recomienda diseñar todos los componentes de un sistema rural para periodos de 5 años o más. La determinación del periodo económico de diseño o proyecto se usara el criterio en la rapidez de crecimiento de la población donde: En virtud de que la población presenta decremento, para determinar el periodo económico de diseño o proyecto utilizaremos los censos de 1995 y 2000. Pf = Pa (1 + r ) n l

(1-1)

n = es el periodo en que ocurre los censos. Pf = Población del censo anterior al del ultimo censo Pa=Población actual o del ultimo censo. r = rapidez de crecimiento de al población. Si r > 3 % anual el periodo económico de diseño o proyecto ésta comprendida entre 10 – 15 años.

Si r < 3 % anual el periodo económico de diseño o proyecto ésta comprendida entre 15 – 20 años. 1.4.2 Población de proyecto El diseño de un sistema de alcantarillado se basa en la estimación de la población futura a la que servirá que es un número de habitantes que se tendrá en el diseño. Es indiscutible que la mayor o menor aproximación que se logre en la predicción de la población dependerá de que la obra cumpla su cometido futuro, y que efectivamente al reducirse el grado de incertidumbre en el diseño se logre una construcción más económica, para esto debe conocerse la población presente y la forma como ha venido desarrollándose, mediante censos oficiales levantados por el INEGI (instituto nacional de estadística, geografía e información), cada 10 años hasta 1995 y cada 5 años desde 1995. El crecimiento poblacional de una localidad ésta en función de varios factores en los que destaca el crecimiento natural el cual corresponde a los nacimientos menos las defunciones y la migración neta. Existen varios métodos para determinar la población de proyecto, entre ellos se cuenta con: * Método Aritmético. * Método Geométrico. * Método Exponencial.

1.4.2.1 Método aritmético Consiste en determinar los aumentos absolutos que ha tenido la población y calcular una cifra constante para un periodo fijo y aplicarla en años futuros. Pf = Pa + k (T −Ta )

(1-2)

donde: Pf = Población futura en habitantes. Pa = Población actual en habitantes. T = Tiempo futuro en años. Ta = Tiempo actual en años. K = Constante de crecimiento aritmético medio en habitantes/año donde: K =∑

Pa − Pp n

Pp = Población pasada. n = Diferencia de tiempo en años.

(1-2.1)

1.4.2.2 Método Geométrico Este modelo considera que la velocidad de crecimiento poblacional es directamente el valor de la población en cada instante de tiempo. Método geométrico por incremento medio anual en por ciento. [ LnPa+ Ki ( n ) ]

Pf = e

(1-3)

Pa = Población actual en habitantes. n = Diferencia de tiempo en años. Ki = Constante de crecimiento geométrico en habitantes/año.

K =∑

Ln ( P2

i

P1

) (1-3.1)

n

1.4.2.3 Método exponencial

P

f

= Pa (1 + Ke)

K ei = e K

= e

n

 P2   P 1 Ln  n i =1

1 ∑ m m e

 P2   P 1 Ln  n

(1-4) (1-4.1)

(1-4.2)

1.4.3 Aportación Los sistemas de alcantarillado sanitario estarán diseñados para evacuar los siguientes tipos de aguas. •

Aguas residuales proveniente de las casas habitación, edificios públicos y centros comerciales

• •

Aguas subterráneas se infiltran en las tuberías cuando están por abajo del nivel freático o por los posos de visitas Las aguas de lluvia proveniente de las casas habitación normalmente no se recomienda que se evacue por el sistema de alcantarillado si no que descargue directamente a la acera de la calle.

1.4.3.1 Aportación de aguas residuales proveniente de casa habitación, edificios públicos, centros comerciales y de espectáculos Las aguas de desechos o residuales provenientes de casa habitación, edificios públicos, centros comerciales y de espectáculos se tiene una aportación del 70 al 80%. Por lo que para fines de diseño se recomienda una dotación o consumo de 100 lt/hab/día, esto de acuerdo con el Manual de Diseño de la CNA; pudiendo aceptarse hasta un mínimo de 45 lt/hab/día en función de las dificultades para obtener el recurso, o bien empleando los valores de la tabla No. 4. Tabla No.4 Aportación de diseño para las localidades en la Republica Mexicana según el clima.

POBLACION DE PROYECTO DE DE DE DE DE

HABITANTES 2500 A 15000 A 30000 A 70000 A 150000 O

15000 30000 70000 150000 MAS

TIPO DE CLIMA CALIDO TEMPLADOS FRIO DOTACIONES (Lt/hab/día) 150 125 100 200 150 125 250 200 175 300 250 200 350 300 250

1.4.4 Gastos de Proyecto •

Gasto medio diario

Q medio diario =Aportación * Población de Proyecto 86400 Aportación = 70 a 80% dotación

(1-5)

1.4.4.1 Gasto Máximo Instantáneo •

Coeficiente de variación

Las descargas de aguas residuales de la población al sistema de alcantarillado no son continuas, habrá ocasiones en que se tenga poco escurrimiento en los conductos, pero habrá horas en que se incremente el gasto en ellos; para prevenir una descarga grande se utiliza el coeficiente de variación. Este coeficiente fue evaluado por Harmon el cual propuso una fórmula empírica para determinarlo en base a la población de proyecto. Para poblaciones de proyecto menores a 182250 habitantes el coeficiente de variación se determinara con la fórmula de Harmon. µ = 1+

14 4+ P

(1-6)

donde: µ = coeficiente de variación o coeficiente de Harmon. p= población de proyecto en miles de habitantes.

El coeficiente de variación o de Harmon permite determinar el gasto máximo instantáneo, que se determina con la siguiente fórmula: Q máx. .inst.= µ Q medio diario

(1-7)

Para poblaciones iguales o mayores a 182250 habitantes el coeficiente de variación o de Harmon tendrá el valor fijo de 1.8 Q máx. .inst.= 1.8 Q medio diario (1-8)

1.4.4.2 Gasto Máximo Extraordinario •

Coeficiente de seguridad

Para prevenir un exceso en las aportaciones que puede recibir la red por concepto de aguas pluviales domiciliarias o bien negras, producto de un crecimiento demográfico explosivo. Se empleará un coeficiente de seguridad, el

cual varía de 1 a 2. En los proyectos en los que se considere aportación por aguas de lluvia o se tenga conocimiento de una explosión demográfica, se tomará un valor de 1.5 y en casos especiales de 2. Cuando no se quieran eliminar o considerar un crecimiento explosivo se utilizara un coeficiente de seguridad igual a 1. Con el coeficiente de seguridad se determina el gasto máximo extraordinario Q (1-9)

máx.

Extraord.

=

c.

s.

Q

max.

Inst

donde: c. s.= coeficiente de seguridad 1.4.4.3 Gasto de infiltración En los casos en que el nivel del manto de aguas freáticas éste muy alto y que sea necesario instalar las tuberías dentro de la zona por infiltración debe sumarse el gasto previsto al de las aguas negras para determinar la capacidad que se requiere. Las aguas subterráneas se infiltran hacia las atarjeas de calles y edificios a través de las fugas existentes, en las uniones y pozos de visita, así como por las grietas de las tuberías. El potencial de la transminación varía con: • La altura del nivel freático sobre/fuera de las atarjeas. • La precipitación pluvial en deshielo y la permeabilidad del suelo. • La destreza en la construcción de pozos de visita, tendido y sellado de las atarjeas y su cono a los edificios. Los valores de la infiltración pueden variar de 11800 lts sobre 24 hr/Km a 94000 lts sobre 24 hr / km, estas cantidades equivalen 0.13 lts Sobre km a 1.092 lts sobre km en la mayoría de los casos se considera tomar un valor medio igual a 0.614 lts/km 15.4 Gasto de Diseño. El gasto de diseño del sistema de alcantarillado sanitario es igual a: Q diseño= Q máx. Extraord. + Qinfiltracion 1.4.4.4 Gasto mínimo

(1-10)

Q min.=0.5 Q medio diario (1-11) También puede considerarse como gasto mínimo probable de aguas negras por conducir, la descarga de un excusado que es igual al 1.5 lts/seg; el Q min. ésta en función del número de descargas simultaneas al alcantarillado según el

diámetro del conductor receptor, siendo éstos menores al que se obtiene con la fórmula anterior. La tabla No. 5 muestra los gastos mínimos que escurren por una atarjea de acuerdo a las descargas simultáneas y el diámetro del conducto. Tabla No. 5 gastos mínimos de aguas residuales según el numero de descargas simultaneas.

Diámetro (cm) 20 25 30 38 45 61 76 91 107 122 152 183 213 244

Nº descargas simultaneas 1 1 2 2 3 5 8 11 17 23 30 39 47 57

aportación por Descarga (lps) 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5

Gasto mínimo de aguas negras (lps) 1.5 1.5 3.0 3.0 4.5 7.5 12.0 18.0 25.0 34.5 45.5 57.5 70.5 85.5

1.5 Conceptos que intervienen en la plantilla de cálculo Para diseñar la red de atarjeas de un sistema de alcantarillado sanitario se utiliza la planilla de cálculo que se describe en el anexo. A continuación se describe los conceptos que la constituyen. a) Tramo. Es la unión que existe entre dos pozos de visita en los cuales el escurrimiento se efectúa del primer pozo al segundo.

1

2

3

TRAM O1 -2 Ó3 -2

Figura No. 10 tramo de la red de atarjeas

b) Longitud. Es la distancia del tramo.

1

LONGITUD

2

LON GITUD

3

LON GITUD

TRAMO1-2 Ó3-2

Figura No. 11 longitud de la red de atarjeas

c) Cota del terreno. Es la elevación topográfica que tiene el tramo en análisis. Se divide en cota del terreno superior y cota del terreno inferior.

COTA DE TERRENOINFERIOR

COTADE TERRENOSUPERIOR

1

2

3

TRAMO1-2 Ó3-2

Figura No. 12 cota de terreno de los pozos de cruceros de la red de atarjeas

d) Profundidad del pozo. La profundidad mínima de los pozos debe satisfacer dos condiciones: El Colchón mínimo necesario para evitar rupturas del conducto ocasionadas por cargas vivas, que en general para tuberías con diámetros hasta 45 cm., se acepta de 90 cm. Y para diámetros mayores de 1.0 a 1.50 m. Que permita la correcta conexión de las descargas domiciliarias al alcantarillado municipal aceptando que ese albañal exterior, tendrá como mínimo una pendiente geométrica de 1% y que el registro interior más próximo al parámetro del predio, tenga una profundidad mínima de 60 cm. La profundidad máxima de instalación de los conductos es función de la topografía del lugar, puesto que los sistemas deben proyectarse, en lo posible para que el escurrimiento de las aguas residuales se efectuara por gravedad.

PR O FU N D ID A DD E LPO Z O

1

PR O FU N D ID A DD E LPO Z O

2

PR O FU N D ID A DD E LPO Z O

3

Figura No. 13 profundidad del pozo de visita en cada crucero o cambio de dirección.

e) Cota de plantilla. Es la profundidad a la cual se colocara la tubería. Se clasifica en cota de plantilla superior y cota de plantilla inferior.

COTA DE TERRENO SUPERIOR

COTA DE PLANTILLA SUPERIOR

1 COTA DE TERRENO INFERIOR

LON GIT UD

COTA DE PLANTILLA INFERIOR

2

Figura No. 14 la cota de plantilla se determina mediante la resta de la profundidad del pozo y la cota de terreno.

f) Caída de alcantarilla. Es la diferencia entre las cotas de plantilla superior e inferior. Caída de alcantarilla= ΔH= cota plantilla sup. - cota plantilla inferior. g) Pendiente. Es el cociente de la caída de alcantarilla entre la longitud del tramo. Pendiente = Caída de Alcantarilla Longitud del Tramo

= ΔH L

h) Diámetro. Para desarrollar el proyecto se supone un diámetro mínimo de 20 cm. Deberá seleccionarse el diámetro de las tuberías de manera que su capacidad sea tal que al gasto mas extraordinario el agua escurra sin presión a tubo lleno y con un tirante para q min. Que permita arrastrar las partículas sólidas en suspensión debiendo alcanzar un valor mínimo a 1 cm. en casos excepcionales y en casos normales de 1.5 cm. •

Diámetro mínimo.

La experiencia en la conservación y operación de sistemas de alcantarillado ha demostrado que φmin. Que debe tener la tubería atendiendo a quitar las frecuentes obstrucciones de ellas es de 20 cm.

•

Diámetro máximo.

Está regido por dos aspectos importantes: o Capacidad necesaria del conducto determina el diámetro en función del resultado de un estudio comparativo de costos conjugados: los de adquisición e instalación de la tubería. o Características topográficas del tramo en que se pretende instalar la tubería.- el diámetro está en función de la capacidad de conducción requerida tomando en cuenta los desniveles disponibles u obligados y considerando de carácter secundario el costo total del conducto instalado. Es más económico para tuberías de diámetro de 1.83 m o mayores colarlas en el sitio en que van a quedar instaladas que el empleo de conductos prefabricados. i) Velocidad Se empleará la fórmula de Manning para calcular la velocidad del agua en las tuberías cuando trabajen llenas, utilizando además las relaciones hidráulicas y geométricas de esos conductos al operar parcialmente llenos. Se recomienda utilizar como valores para el coeficiente de Manning los siguientes. Las velocidades de diseño deberán variar desde 0.6 m/s hasta 5 m/s, siendo 0.6 m/s la velocidad mínima capaz de arrastrar a toda la materia que se encuentra en suspensión en las aguas residuales y 5 m/s la velocidad máxima que no produce una erosión considerable a la tubería. 2

V =

1

1 3 2 R S n

donde: V = Velocidad (m/s). n = Coeficiente de rugosidad R = Radio hidráulico en m. S = Pendiente adimensional.

(1-12)

Para ello es importante señalar que ésta columna de la tabla de cálculo, como las operaciones se realizan por separado y se realizan las siguientes operaciones. 2

1

1 A 3 V =   S2 nP

(1-12.1)

El Radio hidráulico se define como: donde: Am = Área de la sección Mojada (m2). Pm = Perímetro de la sección Mojada (m). 2  1 π D 4 V =  n  πD 

2

3 1  2  S 

(1-12.2)

Esta ecuación es valida para el diseño de canales abiertos, pero actualmente se utiliza para conductos cerrados y tiene la siguiente expresión: Simplificando la ecuación nos queda: 2

V =

1

1D 3 2   S n 4 

(1-12.3)

Se obtiene la ecuación donde los valores que se observan se conocen por lo tanto se sustituyen por datos obtenidos para obtener la velocidad real Para este caso se esta proponiendo el ejemplo del tramo 1-2 se obtiene de la sig. Manera: Como en este caso se esta utilizando material PVC por el cual existe una rugosidad de n=0.009 Tabla No. 6 De velocidades máximas y mínimas permitidas

M A T E R IA L D E L A T U B E R IA C O N C R E T O R E F O R Z A D O C O N C R E T O R E F O R Z A D O A C E R O F IB R O C E M E N T O P O L IE T IL E N O P O L I(C L O R U R O D E V IN IL O )( P V C )

V E L O C ID A D ( m /s ) M A X IM A 3 .0 0 3 .5 0 5 .0 0 5 .0 0 5 .0 0 5 .0 0

M IN IM A 0 .3 0 0 .3 0 0 .3 0 0 .3 0 0 .3 0 0 .3 0

j) Gasto por tramo. Es el gasto que aportan las descargas domiciliarias que se encuentren conectadas a cada tramo. Este se determina usando la expresión: qUNITARIO =

QMAX . DISEÑO LONGITUD .DE .LA.RED

Q tramo=q unitario x longitud del tramo

(1-13)

k) Gasto acumulado. Es la suma de los gastos de los tramos anteriores al tramo en análisis.

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

QA C U 2M 6 = 1Q+ Q2 QA C U 6M 7 = AQC U 2M 6 + Q3 QA C U 6M 7 = 1Q+ Q2+ Q3 QA C U 7M 1 1= AQC U 6M 7 + Q4 QA C U 7M 1 1= 1Q+ Q2+ Q3+ Q4

Figura No. 15 muestra la secuencia de los gastos acumulados en cada tramo diseñado.

l) Gasto de diseño. Es el gasto máximo que puede escurrir por el tramo de tubería en estudio determinado en función de las características del mismo. Se determina con la formula: QDISEÑO =VA

QDISEÑO = Q ACUMULADO

Figura No. 16 se puede observar que los gastos de diseño que transitan en los tramos están en función de los siguientes casos.

Caso 1. Si el gasto de diseño es mayor que el gasto acumulado, indica que la tubería tiene la capacidad suficiente para drenar ese gasto, por lo que no existe problema alguno en ese tramo. Caso 2. Si el gasto de diseño es igual al gasto acumulado, como esto indica que la tubería esta al limite de su capacidad por lo que a pesar de estar al límite no existe problema alguno en el tramo. Caso 3. Si el gasto de diseño es menor que el gasto acumulado, esto indica que el tramo está en problemas por lo que existe tres alternativas de solución: • • •

aumentar el diámetro sin modificar la pendiente. incrementar la pendiente sin modificar el diámetro. Aumentar el diámetro e incrementar la pendiente.

m) Gasto a tubo lleno se calcula con la siguiente expresión:  π ( D) 2 Qlleno = VA = V   4

  * (1000 )  

(1-14)

donde: V = Velocidad en m/s. A =área del tubo o ducto en m2. Q lleno = gasto, en lps. Podemos decir que el gasto a tubo lleno está en función de los gastos acumulados y de diseños ya que éstos pueden ser menores o mayores que el gasto a tubo lleno, cuando esto sucede se puede dar más profundidad para emplear más pendiente u otro de los casos aumentar el diámetro de los tubos

para satisfacer el diseño empleado por lo general esto se puede observar cuando los gastos son mayores en poblaciones extremadamente grandes. n) Velocidad real para Qmax. Para este caso se divide el gasto máximo de diseño por tramo entre el gasto a tubo lleno. RQ max =

Qdiseño max Qlleno

(1-15)

RQ= relación de gasto. Con el valor de RQ se entra a la grafica No. 1 obteniéndose la relación de velocidades (RV), este valor lo multiplicamos por la velocidad a tubo lleno obteniéndose la velocidad real máxima con la que escurre el flujo de agua dentro de la tubería en ese tramo. Vreal = RV max* Vtubolleno

(1-15.1)

Dando como resultado que este dentro del rango de las velocidades acuerdo al material a utilizar se tendrá que comprobar en la tabla No. 6

de

o) Velocidad real para Q min Para este caso se divide el gasto mínimo de diseño por tramo entre el gasto a tubo lleno. RQ min =

Qdiseño min Qlleno

(1-16)

RQ= relación de gasto. Con el valor de RQ se entra a la grafica No. 1 obteniéndose la relación de velocidades (RV), este valor lo multiplicamos por la velocidad a tubo lleno obteniéndose la velocidad real mínima con la que escurre el flujo de agua dentro de la tubería en ese tramo. Vreal = RV min* Vtubolleno

(1-16.1)

Dando como resultado que este dentro del rango de las velocidades acuerdo al material a utilizar se tendrá que comprobar en la tabla No. 6

de

Grafica No. 1 Elementos Hidráulicos de la Sección Circular

El coeficiente de fricción n, representa las características internas de la superficie de la tubería, su valor depende del tipo de material, calidad del acabado y el estado de conservación de la tubería, se asignan los valores de n para ser usados en la formula de Manning.