Apuntes de Alcantarillado Sanitario y Pluvial

Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo Facultad de Ingeniería Civil Departamento de Ingeniería Sanitaria y Ambiental

APUNTES DE

ALCANTARILLADO SANITARIO Y PLUVIAL Material preparado por: M.C. Roberto García Acevedo M.C. Ricardo Ruiz Chávez

Morelia Michoacán, agosto de 2012

Apuntes de la materia: Alcantarillado Sanitario y Pluvial

Depto. de Ing. Sanitaria y Ambiental, Fac. de Ing. Civil, U.M.S.N.H.

Material preparado por: M.C. Roberto García Acevedo, M.C. Ricardo Ruiz Chávez

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APUNTES DE ALCANTARILLADO SANITARIO Y PLUVIAL CONTENIDO TEMA NOMBRE Introducción 1 Datos básicos 2 Trazo de redes de alcantarillado sanitario 3 Diseño geométrico de redes de alcantarillado sanitario 4 Análisis del funcionamiento hidráulico de la red 5 Trazo de redes de alcantarillado pluvial 6 Ubicación de accesorios pluviales 7 Métodos de obtención de caudal de diseño 8 Análisis del funcionamiento hidráulico de sistema de alcantarillado pluvial 9 Análisis de costos Total de horas

HORAS 3 3 10 3 1 1 4 4 1 30

Horario: Martes y Jueves de 8 a 9 a.m. Clave: ISO90278

Asignatura: 2 Horas/Semana/Semestre

Créditos: 4

Conocimientos previos requeridos: hidráulica de canales, hidrología superficial. Además, abastecimiento de agua potable. Bibliografía: 1. Manual de agua potable, alcantarillado y saneamiento (MAPAS), Comisión Nacional del Agua (CONAGUA), México, D.F. 2007. Subdirección general técnica, gerencia de ingeniería básica y normas técnicas, Libros 1, 2, 5, 22 y 29. 2. Normas técnicas de la Comisión Nacional del Agua (CONAGUA), Subdirección general técnica, gerencia de ingeniería básica y normas técnicas, México, D.F. 2007. NT-006-CNA-2001, NT-007-CNA-2001, NT-011-CNA-2001. 3. Seweage a Seweage Treatment. H. Babbitt and Baumann, Edit. J. Wiley and Sons. 4. Técnica moderna del alcantarillado y de las instalaciones depuradoras, Vittorio Nanni, Edit. Hoepli. 5. Ingeniería sanitaria, alcantarillado sanitario y pluvial. Guido Capra Jemio. Univ. Mayor de San Andrés Bolivia. 6. Proyecto de sistemas de alcantarillado (sanitario y pluvial), Araceli Sánchez Segura, I.P.N.

Objetivo general: que el alumnos aprendan a diseñar, calcular, operar y construir un sistema de alcantarillado sanitario y pluvial urbano e industrial. Método: Exposición de temas frente a grupo, dinámicas grupales y proyecto de diseño. Evaluación: Exámenes del curso, asistencia, tareas, trabajos, participaciones y proyecto de diseño. Material preparado por: M.C. Roberto García Acevedo, M.C. Ricardo Ruiz Chávez

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Reglamento general de exámenes, U.M.S.N.H.: Para derecho a examen final ordinario, tener al menos el 75% de asistencias, artículo 24. Para derecho a examen extraordinario, tener al menos el 50% de asistencias, artículo 29. El examen de regularización, se concede a los alumnos que hayan reprobado exámenes extraordinarios, artículo 33. Las faltas se justificaran en un periodo de diez días posteriores, artículo 7 y 8.

NOTA ACLARATORIA: El presente documento es una compilación, resumida y extraída del Manual de Agua Potable, Alcantarillado y Saneamiento (MAPAS), editado por la Comisión Nacional del Agua (CONAGUA), que al ser una Institución del Gobierno Federal tiene un carácter y facultad de oficial y normativa, por tanto, lo mencionado en este contenido es de aplicación federal en materia de alcantarillado sanitario, de manera que los límites permisibles y especificaciones aquí mencionados, constituyen ya una guía oficial de diseño.

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Introducción Como parte del desarrollo de las poblaciones, uno de los servicios elementales es el de contar con agua potable, misma que en su uso, es necesario desalojar para evitar enfermedades en la población, de ahí que se deriva la necesidad de contar con un sistema de desalojo de agua servida. Es por lo anterior que se requiere la construcción de un sistema de alcantarillado para conducir las aguas residuales que produce una población, incluyendo el comercio, los servicios y la industria hacia su destino final. Un sistema de alcantarillado sanitario está integrado por todos o algunos de los siguientes elementos: atarjeas, colectores, interceptores, emisores, plantas de tratamiento, estaciones de bombeo, descarga final y obras accesorias. El destino final de las aguas servidas podrá ser, previo tratamiento, desde un cuerpo receptor hasta el reúso o la recarga de acuíferos, dependiendo del tratamiento que se realice y de las condiciones particulares de la zona de estudio, para tal caso es de observancia la norma oficial mexicana NOM-001-SEMARNAT-1996 vigente, que establece los límites máximos permisibles de contaminantes en las descargas residuales en aguas y bienes nacionales. Los desechos líquidos de un núcleo urbano, están constituidos, fundamentalmente, por las aguas de abastecimiento después de haber pasado por las diversas actividades de una población. Estos desechos líquidos, se componen esencialmente de agua, más sólidos orgánicos e inorgánicos disueltos y en suspensión mismos que deben cumplir con la norma oficial mexicana NOM-002-SEMARNAT-1996 vigente, que establece los límites máximos permisibles de contaminantes en las descargas de aguas residuales a los sistemas de alcantarillado urbano o municipal. El encauzamiento de aguas residuales evidencía la importancia de aplicar lineamientos técnicos, que permitan elaborar proyectos de alcantarillado, eficientes, seguros, económicos y durables, considerando que deben ser auto limpiantes, autoventilantes e hidráulicamente herméticos a la exfiltración e infiltración. Como en todo proyecto de ingeniería, para el sistema de alcantarillado, se deben plantear las alternativas necesarias, definiendo a nivel de esquema las obras principales que requieran cada una de ellas. Se deben considerar los aspectos constructivos y los costos de inversión para cada una de ellas con el propósito de seleccionar la alternativa que asegure el funcionamiento y la durabilidad adecuada con el mínimo costo integral en el horizonte del proyecto. El diseño hidráulico debe realizarse para la condición de proyecto, pero siempre considerando las diferentes etapas de construcción que se tengan definidas. Los equipos electro-mecánicos en las estaciones de bombeo (cuando se requieran) y en la planta de tratamiento, deben obedecer a un diseño modular, que permita su construcción por etapas y puedan operar en las mejores condiciones de flexibilidad, de acuerdo con los gastos mínimos, medios y máximos determinados a través del período de diseño establecido para el proyecto. En el diseño de un sistema de alcantarillado se debe conocer la infraestructura existente en la localidad (agua potable, ductos de gas, teléfono, energía eléctrica, alcantarillado pluvial, etc.) para evitar que las tuberías diseñadas coincidan con estas instalaciones, y asegurar que, en los cruces con la red de agua potable, la tubería del alcantarillado siempre se localice por debajo de ésta. Material preparado por: M.C. Roberto García Acevedo, M.C. Ricardo Ruiz Chávez

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Reconociendo la importancia del tratamiento de las aguas residuales para su reutilización es indispensable contar con sistemas de alcantarillado pluvial y sanitario independientes que garanticen la operación adecuada de ambas redes y de las plantas de tratamiento. Es por todo lo anterior, que se presenta en este curso una serie de procedimientos, fórmulas, consideraciones, dispositivos y elementos indispensables para la correcta construcción, operación, diseño y cálculo de un sistema de alcantarillado, que resulten en una herramienta para el Ingeniero Civil dedicado a esta área.

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1. DATOS BÁSICOS 1.1 APORTACIÓN DE AGUAS RESIDUALES Es el volumen diario de agua residual entregado a la red de alcantarillado. La mayoría de los autores, investigadores y dependencias gubernamentales, están de acuerdo en que la aportación es un porcentaje del valor de la dotación, ya que existe un volumen de líquido que no tributa a la red de alcantarillado, como lo es el utilizado para el consumo humano, riego de jardines, lavado de coches, etc. Considerando lo anterior, se adopta como aportación de aguas negras el 75% de la dotación de agua potable (en l/hab/día), considerando que el 25% restante se consume antes de llegar a las atarjeas. En las localidades en que se tienen zonas industriales con un volumen considerable de agua residual, se debe obtener el porcentaje de aportación para cada una de estas zonas. Al igual que en los consumos, el cálculo de las aportaciones se realiza para las condiciones actual y futura de la localidad. Por lo anterior se deberá considerar la vida útil del sistema a proyectar. 1.2 GASTOS DE DISEÑO Los gastos que se consideran en los proyectos de alcantarillado son: medio, mínimo, máximo instantáneo y máximo extraordinario. Los tres últimos se determinan a partir del primero. 1.2.1 Gasto medio Es el valor del caudal de aguas residuales en un día de aportación promedio al año. La CONAGUA considera que el alcantarillado debe construirse herméticamente, por lo que no se adicionará al caudal de aguas negras el volumen por infiltraciones. En función de la población y de la aportación, el gasto medio de aguas negras en cada tramo de la red, se calcula con:

QMED 

AP P 86400

(1.1)

donde: QMED = Gasto medio de aguas negras en l/s. AP = Aportación de aguas negras en l/hab/día P = Población, en número de habitantes. 86,400 = segundos / día. Para localidades con zonas industriales, que aportan al sistema de alcantarillado volúmenes considerables, de acuerdo al inciso 1.1, se debe adicionar al gasto medio, el gasto de aportación obtenido.

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1.2.2 Gasto mínimo El gasto mínimo, Qmin (ecuación 1.2) es el menor de los valores de escurrimiento que normalmente se presenta en un conducto. Se acepta que este valor es igual a la mitad del gasto medio Qmed. Qmin= 0.5Qmed

(1.2)

En la tabla 1.1 se muestran valores del gasto mínimo que también pueden ser usados en el diseño de atarjeas. Se observa que el límite inferior es de 1.5 l/s, lo que significa que en los tramos iniciales de las redes de alcantarillado, cuando resulten valores de gasto mínimo menores a 1.5 l/s, se debe usar este valor en el diseño. Tabla 1.1. Gasto mínimo de aguas residuales Excusado de 16 litros Aportación Gasto mínimo Diámetro No. de por descarga Aguas Negras (cm) excusados (l/s) (l/s) 20 25 30 38 46 61 76 91

1 1 2 2 3 5 8 12

1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5

Excusado de 8 litros Aportación Gasto mínimo por descarga Aguas Negras (l/s) (l/s)

1.5 1.5 3.0 3.0 4.5 7.5 12.0 18.0

1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0

1.0 1.0 2.0 2.0 3.0 5.0 8.0 12.0

Es conveniente mencionar, que 1.5 l/s es el gasto que genera la descarga de un excusado con tanque de 16 litros (excusado tradicional). Sin embargo, actualmente existe una tendencia a la implantación de muebles de bajo consumo, que utilizan solamente 6 litros y que arrojan un gasto promedio de 1.0 l/s, por lo que se podrá utilizar este último valor en algunos tramos iniciales de la red, siempre y cuando se asegure que en dichos tramos existen este tipo de aparatos. 1.2.3 Gasto máximo instantáneo El gasto máximo instantáneo es el valor máximo de escurrimiento que se puede presentar en un instante dado. Para evaluar este gasto se consideran criterios ajenos a las condiciones socioeconómicas de cada lugar. El gasto máximo instantáneo se obtiene a partir del coeficiente de Harmon (M):

M  1

14 4 P

(1.3)

Donde P es la población servida acumulada hasta el punto final (aguas abajo) del tramo de tubería considerada, expresada en miles de habitantes. Este coeficiente de variación máxima instantánea, se aplica considerando que: En tramos con una población acumulada menor a los 1,000 habitantes, el coeficiente M es constante e igual a 3.8. Material preparado por: M.C. Roberto García Acevedo, M.C. Ricardo Ruiz Chávez

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Para una población acumulada mayor que 63,454, el coeficiente M se considera constante e igual a 2.17, es decir, se acepta que su valor a partir de esa cantidad de habitantes, no sigue la Ley de variación establecida por Harmon. Lo anterior resulta de considerar al alcantarillado como un reflejo de la red de distribución de agua potable, ya que el coeficiente “M” se equipara con el coeficiente de variación del gasto máximo horario necesario en un sistema de agua potable, cuyo límite inferior es de 1.40x1.55 = 2.17. Así, la expresión para el cálculo del gasto máximo instantáneo es:

(1.4) Donde: QMax inst = Gasto máximo instantáneo, en l/s. M = Coeficiente de Harmon o de variación máxima instantánea. 1.2.4 Gasto máximo extraordinario Es el caudal de aguas residuales que considera aportaciones de agua que no forman parte de las descargas normales, como por ejemplo bajadas de aguas pluviales de azoteas, patios, o las provocadas por un crecimiento demográfico explosivo no considerado. En función de este gasto se determina el diámetro adecuado de los conductos, ya que brinda un margen de seguridad para prever los excesos en las aportaciones que pueda recibir la red, bajo esas circunstancias. En los casos en que se diseñe un sistema nuevo apegado a un plan de desarrollo urbano que impida un crecimiento desordenado y se prevea que no existan aportaciones pluviales de los predios vecinos, ya que estas serán manejadas por un sistema de drenaje pluvial por separado, el coeficiente de seguridad será 1. En los casos en que se diseñe la ampliación de un sistema existente de tipo combinado, previendo las aportaciones extraordinarias de origen pluvial, se podrá usar un coeficiente de seguridad de 1.5. La expresión para el cálculo del gasto máximo extraordinario resulta:

(1.5) Donde: QMax ext = Gasto máximo extraordinario, en l/s. CS = Coeficiente de seguridad.

1.3 VARIABLES HIDRÁULICAS PERMISIBLES 1.3.1 Velocidades La velocidad mínima se considera es aquella con la cual no se presentan depósitos de sólidos suspendidos en las atarjeas que provoquen azolves y taponamientos. La velocidad mínima permisible es de 0.3 m/s, considerando el gasto mínimo mencionado en la tabla 1.1 y su tirante correspondiente.

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Adicionalmente, debe asegurarse que dicho tirante tenga un valor mínimo de 1.0 cm en casos de pendientes fuertes y de 1.5 cm en casos normales. La velocidad máxima es el límite superior de diseño, con el cual se trata de evitar la erosión de las paredes de los conductos y estructuras. Para su revisión se utiliza el gasto máximo extraordinario y la tabla 1.2. Tabla 1.2. Coeficientes de fricción (n) para usarse en la ecuación de Manning MATERIAL n PVC y polietileno de alta densidad 0.009 Asbesto-cemento nuevo 0.010 Asbesto-cemento usado 0.011 a 0.015 Fierro fundido nuevo 0.013 Fierro fundido usado 0.017 Concreto liso 0.012 Concreto áspero 0.016 Concreto presforzado 0.012 Concreto con buen acabado 0.014 Mampostería con mortero de cemento 0.020 Acero soldado con revestimiento interior a base de epoxy 0.011 Acero sin revestimiento 0.014 Acero galvanizado nuevo o usado 0.014 1.3.2 Pendientes El objeto de limitar los valores de pendientes es evitar, hasta donde sea posible, el azolve y la construcción de estructuras de caída libre que además de encarecer notablemente las obras, propician la producción de sulfuro de hidrógeno, gas muy tóxico, que destruye el concreto de los conductos cuando son de este material, y aumenta los malos olores de las aguas negras, propiciando la contaminación ambiental. Las pendientes de las tuberías, deberán seguir hasta donde sea posible el perfil del terreno, con objeto de tener excavaciones mínimas, pero tomando en cuenta las restricciones de velocidad del inciso anterior. En los casos especiales en donde las pendientes del terreno sean muy grandes, es conveniente que para el diseño se consideren tuberías que permitan velocidades altas, y se debe hacer un estudio técnicoeconómico de tal forma que se pueda tener sólo en casos extraordinarios y en tramos cortos velocidades de hasta 8 m/s. 1.3.3 Diámetros Diámetro mínimo. La experiencia en la conservación y operación de los sistemas de alcantarillado a través de los años, ha demostrado que para evitar obstrucciones, el diámetro mínimo en las tuberías debe ser de 20 cm. Diámetro máximo. Está en función de varios factores, entre los que destacan: el gasto máximo extraordinario de diseño, las características topográficas y de mecánica de suelos de cada localidad en particular, el tipo de material de la tubería y los diámetros comerciales disponibles en el mercado. En cualquier caso, la selección del diámetro depende de las velocidades permisibles, aprovechando al máximo la capacidad hidráulica del tubo trabajando a superficie libre.

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1.4 PÉRDIDAS DE CARGA POR FRICCIÓN. En alcantarillado, generalmente se presenta la condición de flujo a superficie libre, para simplificar el diseño del alcantarillado se consideran condiciones de flujo establecido. Para el cálculo hidráulico del alcantarillado se debe utilizar la fórmula de Manning (ecuación 1.6), ya que es la que mejor simula el comportamiento del flujo a superficie libre.

(1.6) donde: V = velocidad en m/s Rh = Radio hidráulico, en m S = Pendiente del gradiente hidráulico, adimensional n = Coeficiente de “fricción”, adimensional El radio hidráulico se calcula con la expresión:

(1.7) donde: A = Área transversal del flujo, en m². Pm = Perímetro mojado, en m. En la Figura 1.1 se presentan las relaciones hidráulicas y geométricas para el cálculo de la red de alcantarillado usando secciones circulares.

Figura 1.1. Elementos hidráulicos de la sección circular. El coeficiente “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 la tubería, en la tabla 1.2 se dan los valores del coeficiente “n” para ser usados en la fórmula de Manning. También, se podrán utilizar las ecuaciones 1.8 a 1.12 para el cálculo de los elementos geométricos, en tuberías que trabajan parcialmente llenas. Material preparado por: M.C. Roberto García Acevedo, M.C. Ricardo Ruiz Chávez

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(1.8) (1.9) (1.10) (1.11) (1.12) donde: d = Tirante hidráulico, m. D = Diámetro interior del tubo, m. A = Área de la sección transversal del flujo, m². Pm = Perímetro mojado, m. rh = Radio hidráulico, m. = Angulo en grados. 1.5 ZANJAS PARA INSTALACIÓN DE TUBERÍAS 1.5.1 Ancho de las zanjas Todas las tuberías se instalarán en "condiciones de zanja" de paredes verticales. 1.5.2 Profundidad de zanjas La profundidad de instalación de los conductos queda definida por:         

La topografía El trazo Los colchones mínimos Las velocidades máxima y mínima Las pendientes del proyecto La existencia de conductos de otros servicios Las descargas domiciliarias La economía de las excavaciones La resistencia de las tuberías a cargas exteriores

Las profundidades a las cuales se instalen las tuberías deben estar comprendidas dentro del ámbito de la mínima y máxima. a) Profundidad mínima.- La profundidad mínima la rigen dos factores: 

Evitar rupturas del conducto ocasionadas por cargas vivas, mediante un colchón mínimo que es función del diámetro del tubo como se presenta en la tabla 1.3. Los colchones mínimos indicados podrán modificarse en casos especiales previo análisis particular y justificación en cada caso. Los principales factores que

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intervienen para modificar el colchón son: material de tubería, tipo de terreno y las cargas vivas probables. 

Permitir la correcta conexión de las descargas domiciliarias al alcantarillado municipal, con la observación de que el albañal exterior, tendrá como mínimo una pendiente geométrica de 1 % y que el registro interior más próximo al paramento del predio, tenga una profundidad mínima de 60 cm.

Tabla 1.3. Colchón mínimo DIÁMETRO NOMINAL DEL TUBO (cm) Hasta 45 Mayor de 45 y 122 Mayor de 122 y 183 Mayores de 183

COLCHÓN MÍNIMO (m) 0.9 1.0 1.3 1.5

b) Profundidad máxima La profundidad máxima será aquella que no ofrezca dificultades constructivas mayores durante la excavación, de acuerdo con la estabilidad del terreno en que quedará alojado el conducto y variará en función de las características particulares de la resistencia a la compresión o rigidez de las tuberías, haciendo el análisis respectivo en el que se tomará en cuenta el peso volumétrico del material de relleno, las posibles cargas vivas y el factor de carga proporcionado por la plantilla a usar. En el caso de atarjeas se debe determinar con un estudio económico comparativo entre el costo de instalación del conducto principal con sus albañales correspondientes, y el de la atarjea o atarjeas laterales, incluyendo los albañales respectivos; no obstante, la experiencia ha demostrado que entre 3.00 y 4.00 m de profundidad, el conducto principal puede recibir directamente los albañales de las descargas y que a profundidades mayores, resulta más económico el empleo de atarjeas laterales. 1.5.3 Plantillas Deberá colocarse en el fondo de las zanjas en que se instalen las tuberías una plantilla que ofrezca la consistencia necesaria para mantenerlas en su posición en forma estable, o cuando la excavación se efectúe en roca que no pueda afinarse en grado tal que la tubería tenga asiento correcto en toda su longitud, esta plantilla puede ser de los tipos o clases que a continuación se detallan. Plantilla Clase "A" En este método de encamado, la parte exterior e inferior de la tubería debe apoyarse en concreto simple, cuyo espesor mínimo en la parte más baja del tubo, debe ser de un cuarto del diámetro interior de la tubería. El concreto se extiende hacia arriba, por ambos lados de la tubería, hasta una altura que puede ser mayor que el diámetro exterior pero no menor de un cuarto de éste. Se clasifica también como clase "A" a la cama de arena húmeda compactada, ya que produce efectos comparables al de concreto simple. El factor de carga para efectuar su revisión estructural es de 2.25.

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Figura 1.2. Plantilla Clase “A” Plantilla Clase "B" En este tipo de encamado la tubería se apoya en un piso de material fino (tipo A y/o B), colocado sobre el fondo de la zanja, al cual se le ha dado previamente la forma cóncava adecuada para recibir la parte inferior de la tubería, en un ancho de cuando menos 60% de su diámetro exterior. El espesor mínimo sobre el eje vertical de la tubería será de 5 cm. El resto de la tubería deberá de ser cubierto de acuerdo con el criterio establecido en agua potable. Este tipo de encamado se usará en el tendido de todas las tuberías, salvo los casos en que se requiera usar una del tipo A (especial). Los espesores (h) de plantilla clase "B. El factor de carga para efectuar su revisión estructural es de 1.90.

Figura 1.3. Plantilla Clase “B”

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1.6 POBLACIÓN DE PROYECTO La población de proyecto es la cantidad de personas que se espera tener en una localidad al final del período de diseño del sistema de agua potable y alcantarillado. En ediciones anteriores de este manual de datos básicos se indicaban métodos de proyección de población por comparación o por ajuste de curvas por mínimos cuadrados. Estos métodos se basaban en una extrapolación de datos históricos de crecimiento de la población, que suponen que la población crecerá en el futuro con las mismas tendencias como en el pasado. La dinámica de la población sin embargo es mucho más compleja. En ella intervienen las tasas de fecundidad, mortalidad y la esperanza de vida, así como la migración internacional (entre los Estados Unidos de Norteamérica y México en primer lugar) y la migración nacional entre los estados y dentro de los municipios en un estado. Para entender los cambios en esas tasas, la variación histórica en México desde el año 1960, y proyectada hasta el año 2050, de la fecundad expresada en hijos por mujer. Mientras en los años 60 las mujeres mexicanas tenían un promedio de más de 7 hijos por mujer, a partir del año 2010 tendrán menos de 2. A su vez la evolución de la esperanza de vida en México, que está en franco aumento. En resultado, la tasa de crecimiento de la población en el país va disminuyendo. La información anteriormente mencionada fue tomada de documentos oficiales del Consejo Nacional de Población (CONAPO), disponibles de su página Internet www.conapo.gob.mx. Se refieren al país México completo, no obstante del CONAPO se pueden conseguir por estados también. Por lo anterior, la proyección de la población debe de realizarse con un estudio que considere esos factores, con base en los datos disponibles o factibles de obtener para la localidad en cuestión. La Comisión Nacional del Agua ha editado la Norma Técnica NT011-CNA-2001 “Métodos de Proyección de Población” que explica los procedimientos a seguir para ese fin, en diferentes situaciones en cuanto a los datos disponibles. La población que habrá n años después del año i se calcula por la siguiente ecuación:

Donde: Pi = Población conocida al inicio del periodo (año i) (hab) Pi+n = Población n años después (hab) Tc = Tasa de crecimiento (adimensional) La tasa de crecimiento por lo general es variable en el tiempo, ya que en cuestiones de población es altamente improbable que se mantenga constante esa tasa. La determinación de la tasa de crecimiento depende de los datos disponibles, para lo cual en la Norma Técnica NT-011-CNA-2001 se consideran 9 posibles casos. Si se tienen datos históricos del crecimiento de la población, la tasa Tc en porcentaje se determina de la siguiente ecuación:

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En todo caso, se recomienda emplear en la proyección los datos oficiales del Consejo Nacional de Población (CONAPO), disponibles de su página Internet www.conapo.gob.mx. 1.6.1

PERÍODO DE DISEÑO

Es el intervalo de tiempo durante el cual se estima que la obra por construir llega a su nivel de saturación; este período debe ser menor que la vida útil. Los períodos de diseño están vinculados con los aspectos económicos, que están en función del costo del dinero, esto es, de las tasas de interés real, entendiéndose por tasa de interés real el costo del dinero en el mercado menos la inflación. Mientras más alta es la tasa de interés es más conveniente diferir las inversiones, lo que implica reducir los períodos de diseño. Cabe señalar que no se deben desatender los aspectos financieros, estos es, los flujos de efectivo del Organismo Operador que habrá de pagar por las obras y que la selección del período de diseño habrá de atender tanto al monto de las inversiones en valor presente como a los flujos de efectivo. Considerando lo anterior, se recomienda que el período de diseño sea de cinco años, con excepción de aquellas obras en que no se puedan concebir proyectos modulares (obras que no pueden ampliarse fácilmente). Siempre que sea factible se deberán concebir proyectos modulares, que permitan diferir las inversiones un mayor tiempo posible. 1.6.2

Vida útil

Es el tiempo que se espera que la obra sirva a los propósitos de diseño, sin tener gastos de operación y mantenimiento elevados, que hagan antieconómico su uso o que requiera ser eliminada por insuficiente. Este período está determinado por la duración misma de los materiales de los que estén hechos los componentes, por lo que es de esperar que este lapso sea mayor que el período de diseño. Otros factores que determinan la vida útil de las obras de agua potable y alcantarillado son la calidad del agua a manejar y la operación y mantenimiento del sistema. Se deben tomar en cuenta todos los factores, características y posibles riesgos de cada proyecto en particular, para establecer adecuadamente el período de vida útil de cada una de las partes del sistema de agua potable, alcantarillado y saneamiento.

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2. TRAZO DE REDES DE ALCANTARILLADO SANITARIO 2.1

Clasificación de sistemas de alcantarillado

Los sistemas de alcantarillado pueden ser de dos tipos: convencionales o no convencionales. Los sistemas de alcantarillado sanitario han sido ampliamente utilizados, estudiados y estandarizados. Son sistemas con tuberías de grandes diámetros que permiten una gran flexibilidad en la operación del sistema, debida en muchos casos a la incertidumbre en los parámetros que definen el caudal: densidad poblacional y su estimación futura, mantenimiento inadecuado o nulo. Los sistemas de alcantarillado no convencionales surgen como una respuesta de saneamiento básico de poblaciones de bajos recursos económicos, son sistemas poco flexibles, que requieren de mayor definición y control en los parámetros de diseño, en especial del caudal, mantenimiento intensivo y, en gran medida, de la cultura en la comunidad que acepte y controle el sistema dentro de las limitaciones que éstos pueden tener. -

Los sistemas convencionales de alcantarillado se clasifican en: Alcantarillado separado: es aquel en el cual se independiza la evacuación de aguas residuales y lluvia. a) Alcantarillado sanitario: sistema diseñado para recolectar exclusivamente las aguas residuales domésticas e industriales. b) Alcantarillado pluvial: sistema de evacuación de la escorrentía superficial producida por la precipitación. Alcantarillado combinado: conduce simultáneamente las aguas residuales, domesticas e industriales, y las aguas de lluvia.

-

Los sistemas de alcantarillado no convencionales se clasifican según el tipo de tecnología aplicada y en general se limita a la evacuación de las aguas residuales. a)

Alcantarillado simplificado: un sistema de alcantarillado sanitario simplificado se diseña con los mismos lineamientos de un alcantarillado convencional, pero teniendo en cuenta la posibilidad de reducir diámetros y aumentar distancias entre pozos al disponer de mejores equipos de mantenimiento.

b)

Alcantarillado condominiales: Son los alcantarillados que recogen las aguas residuales de un pequeño grupo de viviendas, menor a una hectárea, y las conduce a un sistema de alcantarillado convencional.

c)

Alcantarillado sin arrastre de sólidos: Conocidos también como alcantarillados a presión, son sistemas en los cuales se eliminan los sólidos de los efluentes de la vivienda por medio de un tanque interceptor. El agua es transportada luego a una planta de tratamiento o sistema de alcantarillado convencional a través de tuberías de diámetro de energía uniforme y que, por tanto, pueden trabajar a presión en algunas secciones.

El tipo de alcantarillado que se use depende de las características de tamaño, topografía y condiciones económicas del proyecto. Por ejemplo, en algunas localidades pequeñas, con determinadas condiciones topográficas, se podría pensar en un sistema de alcantarillado sanitario inicial, dejando correr las aguas de lluvia por las calles, lo que

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permite aplazar la construcción de un sistema de alcantarillado pluvial hasta que sea una necesidad. Unir las aguas residuales con las aguas de lluvia, alcantarillado combinado, es una solución económica inicial desde el punto de vista de la recolección, pero no lo será tanto cuando se piense en la solución global de saneamiento que incluye la planta de tratamiento de aguas residuales, por la variación de los caudales, lo que genera perjuicios en el sistema de tratamiento de aguas. Por tanto hasta donde sea posible se recomienda la separación de los sistemas de alcantarillado de aguas residuales y pluviales. 2.2

Definiciones:

Aguas residuales domésticas.- Son aquellas provenientes de inodoros, regaderas, lavaderos, cocinas y otros elementos domésticos. Estas aguas están compuestas por sólidos suspendidos (generalmente materia orgánica biodegradable), sólidos sedimentables (principalmente materia inorgánica), nutrientes, (nitrógeno y fosforo) y organismos patógenos. Albañal interior.- Es la tubería que recoge las aguas residuales de una edificación y termina generalmente en un registro. Alcantarillado sanitario.- Un sistema de alcantarillado consiste en una serie de tuberías y obras complementarias, necesarias para recibir, conducir, ventilar y evacuar las aguas residuales de la población. De no existir estas redes de recolección de agua, se pondría en grave peligro la salud de las personas debido al riesgo de enfermedades epidemiológicas y, además, se causarían importantes pérdidas materiales. Atarjea.- Es la tubería que recoge las aguas residuales de las descargas domiciliarias o albañal exterior para entregarlas al colector por medio de un pozo de visita. Brocal.- Dispositivo sobre el que se asienta una tapa, que permite el acceso y cierre de un pozo de visita en su parte superior o a nivel de piso, el cual se apoya por fuera de la boca de acceso del pozo de visita. Cabeza de atarjea.- Extremo inicial de una atarjea. Colector.- Es la tubería que recoge las aguas residuales de las atarjeas. Puede terminar en un interceptor, en un emisor o en la planta de tratamiento. No es conveniente conectar los albañales (tuberías de 15 y 20 cm) directamente a un colector de diámetro mayor a 76 cm, debido a que un colector mayor a este diámetro generalmente va instalado profundo; en estos casos el diseño debe prever atarjeas paralelas “madrinas” a los colectores, en las que se conecten los albañales de esos diámetros, para luego conectarlas a un colector, mediante un pozo de visita. Cruce elevado.- Estructura utilizada para cruzar una depresión profunda como es el caso de algunas cañadas o barrancas de poca anchura. Descarga domiciliaria o albañal exterior.- Instalación que conecta el último registro de una edificación (albañal interior) a la atarjea o colector. Emisor.- Es el conducto que recibe las aguas de un colector o de un interceptor. No recibe ninguna aportación adicional en su trayecto y su función es conducir las aguas Material preparado por: M.C. Roberto García Acevedo, M.C. Ricardo Ruiz Chávez

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negras a la caja de entrada de la planta de tratamiento. También se le denomina emisor al conducto que lleva las aguas tratadas (efluente) de la caja de salida de la planta de tratamiento al sitio de descarga. Estructuras de caída escalonada.- Son estructuras con caída escalonada cuya variación es de 50 en 50 cm hasta 2.50 m como máximo; están provistas de una chimenea a la entrada de la tubería con mayor elevación de plantilla y otra a la salida de la tubería con la menor elevación de plantilla. Se emplean en tuberías con diámetros de 0.91 a 3.05 m. Estructura de descarga.- Obra de salida o final del emisor que permite el vertido de las aguas residuales a un cuerpo receptor; puede ser de dos tipos, recta y esviajada. Interceptor.- Es la tubería que intercepta las aguas negras de los colectores y termina en un emisor o en la planta de tratamiento. En un modelo de interceptores, las tuberías principales(colectores) se instalan en zonas con curvas de nivel mas o menos paralelas y sin grandes desniveles, y se descargan a una tubería de mayor diámetro (interceptor) generalmente paralelo a alguna corriente natural. Pozos con caída adosada.- Son pozos de visita comunes, especiales o pozos caja a los cuales lateralmente se les construye una estructura que permite la caída en tuberías de 20 y 25 cm de diámetro con un desnivel hasta de 2.00 m. Pozos con caída.- Son pozos constituidos también por una caja y una chimenea a los cuales, en su interior se les construye una pantalla que funciona como deflector del caudal que cae. Se construyen para tuberías de 30 a 76 cm de diámetro y con un desnivel hasta de 1.50 m. Sifón invertido.- Obra accesoria utilizada para cruzar alguna corriente de agua, depresión del terreno, estructura, conducto o viaductos subterráneos, que se encuentren al mismo nivel en que debe instalarse la tubería. 2.3

Red de atarjeas:

La red de atarjeas tiene por objeto recolectar y transportar las aportaciones de las descargas de aguas residuales domésticas, comerciales e industriales, hacia los colectores e interceptores. La red está 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 cuando se mantiene la pendiente de la tubería siendo caso contrario cuando la pendiente se incrementa podrá diseñarse un diámetro menor siempre cubriendo el gasto de diseño y los límites de velocidad. La red se inicia con la descarga domiciliaria o albañal, a partir del paramento exterior de las edificaciones. El diámetro del albañal en la mayoría de los casos es de 10 a 15 cm, siendo éste el mínimo recomendable, sin embargo, esta dimensión puede variar en función de las disposiciones de las autoridades locales. La conexión entre albañal y atarjea debe ser hermética y la tubería de interconexión debe de tener una pendiente

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mínima del 1%. En caso de que el diámetro del albañal sea de 10 cm, se debe considerar una pendiente de 2 %. A continuación se tienen las atarjeas, localizadas 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 cumpla con los límites máximos y mínimos de velocidad y la condición mínima de tirante. La estructura típica de liga entre dos tramos de la red es el pozo de visita, que permite el acceso del exterior para su inspección y maniobras de limpieza; también tiene la función de ventilación de la red para la eliminación de gases. Las uniones de la red de las tuberías con los pozos de visita deben ser herméticas. Los pozos de visita deben localizarse en todos los cruceros, cambios de dirección, pendiente y diámetro y para dividir tramos que exceden la máxima longitud recomendada para las maniobras de limpieza y ventilación (ver apartado 3.2.2). Las separaciones máximas entre pozos de visita se indican en el apartado 4.1.6.1 Con objeto de aprovechar al máximo la capacidad de los tubos, en el diseño de las atarjeas se debe dimensionar cada tramo con el diámetro mínimo, que cumpla las condiciones hidráulicas definidas por el proyecto. Para realizar un análisis adecuado de la red de atarjeas, se requiere considerar, en forma simultánea, las posibles alternativas de trazo y funcionamiento de colectores, emisores y descarga final, como se describe en las secciones correspondientes. Modelos de configuración de atarjeas y características técnicas. El trazo de atarjeas generalmente se realiza coincidiendo con el eje longitudinal de cada calle y de la ubicación de los frentes de los lotes. Los trazos más usuales se pueden agrupar en forma general en los siguientes tipos: a) Trazo en bayoneta Se denomina así al trazo que iniciando en una cabeza de atarjea tiene un desarrollo en zigzag o en escalera (ver Figura 2.1). Reducir el número de cabezas de atarjeas y permite un mayor desarrollo de las atarjeas, con lo que los conductos adquieren un régimen hidráulico establecido, logrando con ello aprovechar adecuadamente la capacidad de cada uno de los conductos. Requiere de terrenos con pendientes suaves más o menos estables y definidas. Para este tipo de trazo, en las plantillas de los pozos de visita, las medias cañas usadas para el cambio de dirección de las tuberías que confluyen, son independientes y con curvatura opuesta, no debiendo tener una diferencia mayor de 0.50 m entre las dos medias cañas.

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Figura 2.1 Trazo de la red de atarjeas en bayoneta b) Trazo en peine Se forma cuando existen varias atarjeas con tendencia al paralelismo, empiezan su desarrollo en una cabeza de atarjea, descargando su contenido en una tubería común de mayor diámetro, perpendicular a ellas (ver Figura 2.2).

Figura 2.2 Trazo de la red de atarjeas en peine Garantiza aportaciones rápidas y directas de las cabezas de atarjeas a la tubería común de cada peine, y de éstas a los colectores, propiciando rápidamente un régimen hidráulico establecido. Tiene una amplia gama de valores para las pendientes de las cabezas de atarjeas, lo cual resulta útil en el diseño cuando la topografía es muy irregular. Debido al corto desarrollo que generalmente tienen las atarjeas antes de descargar a un conducto mayor, en la mayoría de los casos aquellas trabajan por abajo de su capacidad, ocasionando que se desaproveche parte de dicha capacidad.

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c) Trazo combinado Corresponde a una combinación de los dos trazos anteriores y a trazos particulares obligados por los accidentes topográficos de la zona (ver Figura 2.3).

Figura 2.3 Trazo combinado en red de atarjeas Aunque cada tipo de trazo tiene características particulares respecto a su uso, el modelo de bayoneta tiene cierta ventaja sobre otros modelos, en lo que se refiere al aprovechamiento de la capacidad de las tuberías. Sin embargo este no es el único punto que se considera en la elección del tipo trazo, pues depende fundamentalmente de las condiciones topográficas del sitio en estudio. 2.4 Colectores e interceptores Son las tuberías que tienen aportación de las atarjeas de otros colectores (subcolectores) y terminan en un emisor, en la planta de tratamiento o en un sistema de reúso. Por razones de economía, los colectores e interceptores deben ser en lo posible una réplica subterránea del drenaje superficial natural. 2.5 Emisores Son el conducto que recibe las aguas de uno o varios colectores o interceptores. No recibe ninguna aportación adicional (atarjeas o descargas domiciliarias) en su trayecto y su función es conducir las aguas residuales a la planta de tratamiento o a un sistema de reúso. También se le denomina emisor al conducto que lleva las aguas tratadas (efluente) de la planta de tratamiento al sitio de descarga. El escurrimiento debe ser por gravedad, excepto en donde se requiere el bombeo para las siguientes condiciones: 

Elevar las aguas residuales de un conducto profundo a otro más superficial, cuando constructivamente no es económico continuar con las profundidades resultantes.

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

Conducir las aguas residuales de una cuenca a otra.



Entregar las aguas residuales a una planta de tratamiento o a una estructura determinada de acuerdo a condiciones específicas que así lo requieran.

2.5.1 Emisores a gravedad Las aguas residuales de los emisores que trabajan a gravedad generalmente se conducen por ductos cerrados, o bien por estructuras diseñadas especialmente cuando las condiciones de proyecto (gasto, profundidad, etc.) lo ameritan. 2.5.2 Emisores a presión Cuando la topografía no permite que el emisor sea a gravedad, en parte o en su totalidad, será necesario recurrir a un emisor a presión. También la localización de la planta de tratamiento o del sitio de vertido, puede obligar a tener un tramo de emisor a bombeo. En estos casos es necesario construir una estación de bombeo para elevar el caudal de un tramo de emisor a gravedad, a otro tramo que requiera situarse a mayor elevación o bien alcanzar el nivel de aguas máximas extraordinarias del cuerpo receptor, en cuyo caso el tramo de emisor a presión puede ser desde un tramo corto hasta la totalidad del emisor. El tramo a presión debe ser diseñado hidráulicamente debiendo estudiarse las alternativas necesarias para establecer su localización más adecuada, tipo y clase de tubería, así como las características de la planta de bombeo y la estructura de descarga. En casos particulares, en los que exista en la localidad zonas sin drenaje natural, se puede utilizar un emisor a presión para transportar el agua residual del punto más bajo de esta zona, a zonas donde existan colectores que drenen por gravedad. 2.6 Modelos de configuración para colectores, interceptores y emisores Para recolectar las aguas residuales de una localidad, se debe seguir un modelo de configuración para el trazo de los colectores, interceptores y emisores el cual fundamentalmente depende de: a) La topografía predominante b) El trazo de las calles c) El o los sitios de vertido d) La disponibilidad de terreno para ubicar la planta o plantas de tratamiento. En todos los casos deben de realizarse los análisis de alternativas que se requieran, tanto para definir los sitios y números de bombeos a proyectar, como el número de plantas de tratamiento y sitios de vertido, con objeto de asegurar el proyecto de la alternativa técnicoeconómica más adecuada, con lo cual se elaboran los planos generales y de alternativas. A continuación se describen los modelos de configuración más usuales. Modelo perpendicular En el caso de una comunidad paralela a una corriente, con terreno con una suave pendiente hacia ésta, la mejor forma de colectar las aguas residuales se logra colocando tuberías perpendiculares a la corriente (ver Figura 2.4).

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Figura 2.4 Modelo Perpendicular Adicionalmente debe analizarse la conveniencia de conectar los colectores, con un interceptor paralelo a la corriente, para tener el menor número de descargas. Modelo radial En este modelo las aguas residuales fluyen hacia el exterior de la localidad, en forma radial a través de colectores (ver Figura 2.5).

Figura 2.5 Modelo radial Modelo de interceptores Este tipo de modelo se emplea para recolectar aguas residuales en zonas con curvas de nivel más o menos paralelas, sin grandes desniveles y cuyas tuberías principales (colectores) se conectan a una tubería mayor (interceptor) que es la encargada de transportar las aguas residuales hasta un emisor o una planta de tratamiento (ver Figura 2.6). Material preparado por: M.C. Roberto García Acevedo, M.C. Ricardo Ruiz Chávez

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Figura 2.6 Modelo de Interceptores Modelo de abanico Cuando la localidad se encuentra ubicada en un valle, se pueden utilizar las líneas convergentes hacia una tubería principal (colector) localizada en el interior de la localidad, originando una sola tubería de descarga (ver Figura 2.7).

Figura 2.7 Modelo de abanico

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3. DISEÑO GEOMÉTRICO DE REDES DE ALCANTARILLADO SANITARIO 3.1

Tuberías

La tubería de alcantarillado se compone de tubos y conexiones acoplados mediante un sistema de unión hermético, el cual permite la conducción de las aguas residuales. En la selección del material de la tubería de alcantarillado, intervienen diversas características tales como: resistencia mecánica, resistencia estructural del material, durabilidad, capacidad de conducción, características de los suelos y agua, economía, facilidad de manejo, colocación e instalación, flexibilidad en su diseño y facilidad de mantenimiento y reparación. Las tuberías para alcantarillado sanitario se fabrican de diversos materiales, tales como:       

Acero (Tablas 2.1, 2.2., 2.3 y 2.4 del MAPAS) Concreto simple (CS) y concreto reforzado (CR) (Tablas 2.5, 2.6, 2.7, 2.8, 2.9 y 2.10 del MAPAS) Concreto reforzado con revestimiento interior (CRRI) Poliéster reforzado con fibra de vidrio (PRFV) (Tablas 2.11 y 2.12 del MAPAS) Poli (cloruro de vinilo) (PVC) (pared sólida y estructurada) (Tablas 2.13, 2.14, 2.15, 2.16, 2.17, 4.18, 2.19, 2.20, 2.21 y 2.22 del MAPAS) Fibrocemento (FC) (Tablas 2.23 y 2.24 del MAPAS) Polietileno de alta densidad (PEAD) (Pared sólida corrugada y estructurada) (Tablas 2.25 y 2.26 del MAPAS)

En los sistemas de alcantarillado sanitario a presión se pueden utilizar diversos tipos de tuberías para conducción de agua potable, siempre y cuando reúnan las características para conducir aguas residuales. A continuación, se detallan las características de las tuberías de alcantarillado mencionadas y de los sistemas de unión entre tuberías de los diversos materiales utilizados. 3.2

Obras accesorias

Comúnmente usadas para mantenimiento y operación del sistema de alcantarillado son: -

Descarga domiciliaria Pozos de visita Estructuras de caída Sifones invertidos Cruces elevados Cruces subterráneos con carreteras y vías de ferrocarril Cruces subterráneos con ríos, arroyos o canales. A continuación se hace una descripción de sus características y funciones.

3.2.1 Descarga domiciliaria La descarga domiciliaria o “albañal exterior”, es una tubería que permite el desalojo de las aguas servidas, del registro domiciliario a la atarjea. El diámetro del albañal en la mayoría de los casos es de 15 cm., siendo éste el mínimo recomendable, sin embargo, esta dimensión puede variar en función de las disposiciones de las autoridades locales. La Material preparado por: M.C. Roberto García Acevedo, M.C. Ricardo Ruiz Chávez

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conexión entre albañal y atarjea debe ser hermética y la tubería de interconexión debe de tener una pendiente mínima del 1%. En caso de que el diámetro del albañal sea de 10 cm., se debe considerar una pendiente de 2%. 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 En tubería de concreto para efectuar la conexión del albañal con la atarjea existe la norma mexicana NMX-C-417-ONNCCE vigente que establece las especificaciones que deben cumplir los elementos que componen a las descargas domiciliarias prefabricadas de concreto simple que cuentan con junta hermética y que se destinen a los sistemas de alcantarillado sanitario. Contando con dos piezas principales que son: el codo hermético y la descarga domiciliaria (Figura 3.1).

Figura 3.1 Codo hermético

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Figura 3.2 Descarga Domiciliaria en Yee o Silleta de concreto Estas piezas prefabricadas permiten la descarga del albañal a la atarjea manteniendo la hermeticidad, ya que no hay necesidad de romper la tubería como se usaba anteriormente (Figura 3.2 y 3.3).

Figura 3.3 Codo de concreto con junta hermética Material preparado por: M.C. Roberto García Acevedo, M.C. Ricardo Ruiz Chávez

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b) En tubería de fibrocemento Para la conexión domiciliaria en tubería de fibrocemento, se emplean: el “slant” a 45 grados con campana (para unir con anillo) y extremo de apoyo para unir a la atarjea o colector con pasta epóxica; y el codo de 45 grados con espiga y campana para su acoplamiento al albañal con anillo de hule (ver Figura 3.4).

Figura 3.4 Descarga domiciliaria con tubería de fibrocemento c) En tubería de poli(cloruro de vinilo) (PVC) 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 a la 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 cementación, o bien, se sujeta por medio de un par de abrazaderas o cinturones de material resistente a la corrosión en este segundo caso, la silleta está 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 (ver Figuras 3.5 a 3.8).

Figura 3.5 Descarga domiciliaria con tubería de PVC Material preparado por: M.C. Roberto García Acevedo, M.C. Ricardo Ruiz Chávez

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Figura 3.6 Descarga con silleta Clic y tubo

Figura 3.7 Descarga con silleta Cementar 90°

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Figura 3.8 Descarga con silleta Cementar 45°

d) En tubería de polietileno de alta densidad Existen diferentes métodos para realizar las descargas domiciliarias estas varían dependiendo el tipo de tubería, su método de instalación es principalmente mecánico y en algunos casos se puede utilizar termofusión o soldadura de aporte, a continuación se enlistan dependiendo el tipo de tubería.

Figura 3.9 Descarga domiciliaria con tubería de polietileno con tubería corrugada

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Figura 3.10 Descarga domiciliaria tee en yee

Figura 3.11 Descarga domiciliaria con yee doble

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Figura 3.12 Descarga domiciliaria con bota de inserción

Figura 3.13 Descarga domiciliaria con silleta f) Descargas domiciliarias conectadas a diferentes materiales En los programas de desarrollo social y de mejoramiento de imagen urbana es común la unión de descargas domiciliarias plásticas (nuevas) a atarjeas existentes de concreto; o la reconstrucción de atarjeas y descargas domiciliarias (con materiales plásticos), y su conexión a las descargas domiciliarias existentes de concreto o barro (al nivel de la guarnición de la banqueta o al paramento del predio). Para estos casos, existen conexiones de poliuretano rígido (PUR) que permiten realizar estas uniones herméticas a través de un procedimiento.

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Unión de albañal plástico (nuevo) al albañal existente (concreto o barro). Este caso se presenta cuando la unión se realiza antes o al llegar al paramento del predio. Se utiliza un accesorio conocido como interconexión de PUR, de 10 o 15 cm según el diámetro de la descarga. La campana de este accesorio, que es de PUR, recibe a la espiga del albañal existente; el sello se logra utilizando mezcla de cemento-arena en proporción 1:1 y aditivos para aumentar la adherencia y la impermeabilidad. Ver figura 3.14.

Figura 3.14 Interconexión de PUR (tubería de plástico y concreto) Unión de albañal plástico (nuevo) a la atarjea existente (concreto). En este caso el accesorio que se emplea es el slant de PUR. La ceja de material plástico y la cubierta de PUR permiten que a través de un procedimiento sistematizado y supervisable se realice la unión como un entronque ramificado a 45 o a 90°. El sello se logra utilizando mezcla de cemento-arena en proporción 1:1 y aditivos para aumentar la adherencia e impermeabilidad. Ver figura 3.15

Figura 3.15 Slant de Poliuretano

3.2.2 Pozos de visita Los pozos de visita son estructuras que permiten la inspección, ventilación y limpieza de la red de Alcantarillado, se utilizan para la unión de dos o más tuberías y en todos los

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cambios de diámetro, dirección y pendiente, así como para las ampliaciones o reparaciones de las tuberías incidentes (de diferente material o tecnología.) Los pozos de visita pueden ser prefabricados o construidos en sitio de la obra, los pozos construidos en sitio de la obra se clasifican en: a) Pozos de visita tipo común. b) Pozos de visita tipo especial. c) Pozos tipo caja. d) Pozos tipo caja de deflexión. e) Pozos tipo de caída libre. f) Pozos con caída adosada. g) Pozos con caída escalonada. Los componentes esenciales de los pozos de visita (ver Figura 3.16) pueden ser: a) Base, que incluye campanas de entrada de tubería, espigas de salida de tubería, medias cañas, y banqueta; b) Cuerpo, el cual puede ser monolítico o contar con extensiones para alcanzar la profundidad deseada mediante escalones, c) Cono de acceso (concéntrico o excéntrico), d) Brocal e) Tapa

Figura 3.16 Componentes del Pozos de visita 3.2.3 Pozos construidos en sitio Los pozos que se construyen en el lugar de la obra, comúnmente utilizan tabique, concreto reforzado o mampostería de piedra. Cuando se usa tabique de concreto o ladrillo, el espesor mínimo debe ser de 28 cm a cualquier profundidad. La base de los pozos de visita hechos en obra debe ser de concreto monolítico (f´c= 250 kg/cm2), con espesor mínimo de 15 cm hasta una altura mínima a 50 cm sobre el lomo de los tubos incidentes, armado con acero de refuerzo. Este tipo de pozos de visita se deben aplanar y Material preparado por: M.C. Roberto García Acevedo, M.C. Ricardo Ruiz Chávez

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pulir exterior e interiormente con mezcla cemento-arena mezclado con aditivos epóxicos que garantizan la estanqueidad y así garantizar la hermeticidad de los agentes externos. El cemento utilizado debe ser resistente a sulfatos (Tipo CP030 RSBRA); el espesor del aplanado debe ser como mínimo de 1 cm. En el interior y exterior del pozo. Además, se debe de garantizar la hermeticidad de la conexión del pozo con la tubería, empleando accesorios como mangas de poliuretano rígido, mangas de neopreno etc. u otros que aseguren la hermeticidad a largo plazo al reducir los esfuerzos cortantes ante la presencia de asentamientos diferenciales y movimientos producidos por las cargas vivas, sismos o cualquier otro fenómeno vibratorio, así como facilitar el reemplazo de tuberías unidas al pozo utilizando anillos de hule (ver Figura 3.17 y Figura 3.18).

Figura 3.17 Pozos de visita construidos en sitio.

Figura 3.18 Colocación de manga de empotramiento de poliuretano rígido (PUR)

Descripción de los pozos de visita a) Pozos comunes Los pozos de visita comunes están formados por una chimenea de forma cilíndrica en la parte inferior y troncocónica en la parte superior, y son utilizados hasta 800 mm. (ver figuras 3.19) Todos los pozos comunes deben asentarse sobre una plantilla de material base compactada a 95% PROCTOR con espesor mínimo de 10 cm. En terrenos suaves Material preparado por: M.C. Roberto García Acevedo, M.C. Ricardo Ruiz Chávez

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esta plantilla se construye de concreto armado. En cualquier caso, la media caña y las banquetas del pozo pueden ser aplanadas con mortero o con el mismo material del pozo. El acceso a la superficie se protege con un brocal con tapa de fierro fundido, concreto, polietileno u otros materiales de acuerdo a la carga exterior de la vialidad; estas tapas deben ser con respiraderos, con lo cual se permita la ventilación del pozo y la salida de gases. La media caña de los pozos de visita comunes debe formar un conducto que continúe el flujo de las tuberías incidentes y cuyos lados formen las banquetas donde se pararan las personas que entren a los pozos. Opcionalmente y en función del tamaño del pozo de visita, pueden incorporarse escalones de material no corrosible, acero o de fierro fundido plastificados empotrados en las paredes del pozo, que permitan el descenso y ascenso seguro del personal encargado de la operación y mantenimiento del sistema de alcantarillado.

Figura 3.19 Pozo de visita común Los pozos de visita comunes tienen un diámetro interior de 1.00 m, se utilizan para unir tuberías de hasta 0.76 m de diámetro, con entronques de hasta 0.45 m de diámetro y permiten una deflexión máxima en la tubería de 90 grados. b) Pozos especiales Este tipo de pozos son de forma similar a los pozos de visita comunes, excepto que la base es de diámetro mayor para albergar tuberías incidentes mayores a 0.76 m de diámetro, estos pozos se pueden reducir una vez pasando la parte superior de los tubos incidentes para terminar como los pozos comunes. Existen dos tipos de pozos especiales: 1. Tipo 1. De 1,50 m de diámetro interior, se utiliza con tuberías incidentes mayores de 0.76 m y hasta 1.07 m de diámetro nominal, y de 1.80 m de diámetro interior, se utilizan para tuberías incidentes con diámetros para 1.22 m con entronques a 90 grados de tuberías de hasta 0.3 m y permite una deflexión máxima en la tubería de 45 grados. Material preparado por: M.C. Roberto García Acevedo, M.C. Ricardo Ruiz Chávez

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2. Tipo 2. De 2.0 m de diámetro interior, se usa con tuberías incidentes de diámetros mayores de 1.50 m con entronques a 90 grados de tuberías de hasta 0,3 m y permite una deflexión máxima en la tubería de 45 grados. Dimensiones en cm Tabla 3.1 Dimensiones para pozo de visita especial

Diámetro del pozo 150 180 200

Dimensiones en cm Diámetro máximo para tubería incidente 107 122 150

c) Pozos caja Están formados por el conjunto de una caja y una chimenea similar a la de los pozos comunes y especiales, la cual al nivel de la superficie, termina con un brocal con tapa. Su sección transversal horizontal tiene forma rectangular o de un polígono regular. Generalmente a los pozos cuya sección horizontal es rectangular, se les llama simplemente pozos caja unión. Estos pozos no permiten deflexiones en las tuberías. Sus uniones de tubería se dan a 180° (en línea recta) Existen tres tipos de pozos caja: • El tipo 1, que se utiliza en tuberías de 0.75 a 1.10 m de diámetro con entronques a 45 grados hasta de 0.60 m de diámetro; • El tipo 2, que se usa en tuberías de 0.76 a 1.22 m de diámetro con entronques a 45 grados hasta de 0,76 m de diámetro; y • El tipo 3, el cual se utiliza en diámetros de 1.50 a 2.44 m con entronques a 45 grados hasta de 0.76 m de diámetro. Tabla 3.2 Dimensiones para pozos caja Dimensiones en cm Dimensiones de Diámetro la Base máximo del Anillo de ajuste tubo incidente. 240 X 240 122 120 X 50 292 X 242 152 120 X 50 344 X 240 122 120 X 50 213 120 X 50

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Cono 120 / 60 X 100 120 / 60 X 100 120 / 60 X 100 120 / 60 X 100

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Figura 3.20 Ejemplo de un pozo tipo caja d) Pozos tipo caja de deflexión Se les denomina así a los pozos caja de sección horizontal en forma de polígono Irregular y generalmente son colados en sitio. Estos pozos permiten deflexiones en las tuberías. Existen tres tipos de pozos caja deflexión: a) El Tipo 1, se utiliza en tuberías de hasta 1.52 m de diámetro con entronques a 45 grados de tuberías hasta de 1.20 m de diámetro; y b) El Tipo 2, el cual se usa en diámetros de hasta 2 m con entronques a 45 grados de tuberías hasta de 1.52 m de diámetro generalmente colados en sitio. c)

El tipo 3, se les nombra de esta forma a los pozos caja en los que concurre una tubería de entrada y tienen sólo una de salida con un ángulo de 45 grados como máximo. Se utilizan en tuberías de 1.50 a 3.05 m de diámetro.

e) Pozo tangencial Están formados por un tubo (Tee tangencial) de diámetro igual al diámetro principal de la línea de drenaje y el diámetro de acceso son utilizados con tuberías de diámetro desde 90 cm hasta 305 cm, sus estructuras pueden tener una altura desde 1 m hasta la altura requerida por el proyecto. Tabla 3.3 Pozos tangencial Diámetro del colector 1200-3000

Dimensiones en mm Diámetro del Diámetro de la pozo tapa o brocal 1200 600

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Figura 3.21 Ejemplo de pozo lámpara. 3.2.4 Seguridad al introducirse en espacios confinados Para la introducción de personal dentro del sistema de alcantarillado sanitario se deben de tener ciertos cuidados ya que se trata de un espacio confinado donde existen ciertos riesgos que se pueden y deben prevenir para evitar accidentes. Se debe monitorear la atmosfera dentro del espacio confinado antes y durante la presencia de personal dentro del espacio confinado. El monitoreo debe realizarse con equipos calibrados y se deben verificar al menos cuatro parámetros y vigilar que todos se mantengan dentro de los rangos recomendados. Oxígeno – entre 19.5 y 21% Monóxido de carbono – 35 ppm máximo Acido sulfhídrico – 10 ppm máximo Límite Inferior de explosividad (metano) – Menor al 10% Se debe destapar un pozo de visita adicional al pozo de visita donde se va a accesar, lo anterior para facilitar el flujo de ventilación. Se debe ventilar antes y durante la presencia del personal dentro del espacio confinado. La ventilación puede hacerse ya sea mediante la extracción de aire en el pozo de visita inmediatamente anexo al pozo donde se va a accesar, o bien introduciendo aire forzado al pozo de visita donde se va a accesar. Una combinación de ambas ventilaciones también puede ser usada. La ventilación mediante la extracción de aire en el pozo de visita inmediatamente anexo es la opción normalmente recomendada. Los trabajadores que accesen a los pozos de visita deben estar adecuadamente vestidos, al menos con botas de trabajo, casco y arnés con argollas a la altura de los hombros, de manera que el trabajador pueda ser extraído de forma vertical a través de la boca del pozo de visita. El trabajador deberá tener en todo momento conectado el arnés al cable de extracción de emergencia.

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Se debe contar con un tripié clasificado para uso humano para facilitar el acceso y salida al espacio confinado. En todo momento se debe contar con personal de apoyo en la inmediata cercanía del acceso al pozo de visita, mientras el operador se encuentra dentro del pozo de visita. En todo momento debe existir comunicación vía radio UHF entre el o los operadores dentro del espacio confinado y los trabajadores de apoyo fuera del espacio confinado. Se debe contar con iluminación suficiente dentro del espacio confinado. Se debe llenar un formulario y ser firmado por el o los operadores que se van a introducir al espacio confinado, así como por el supervisor que esta ordenando la introducción de personal al espacio confinado, donde ambas partes estén de acuerdo en que se han cubierto todas las medidas de seguridad arriba mencionadas. En caso de no llenarse el formulario a satisfacción de ambas partes, no se deberá introducir personal al espacio confinado. 3.2.5

Estructuras de caída

Por razones de carácter topográfico o por tenerse elevaciones obligadas para las plantillas de algunas tuberías, suele presentarse la necesidad de construir estructuras que permitan efectuar en su interior los cambios bruscos de nivel. Las estructuras de caída que se utilizan son: 

Caídas libres.- Se permiten caídas hasta de 0.50 m dentro del pozo sin la necesidad de utilizar alguna estructura especial.



Pozos con caída adosada.- Son pozos de visita comunes, a los cuales lateralmente se les construye una estructura que permite la caída en tuberías de 0.20 y 0.25 m de diámetro con un desnivel hasta de 2 m.



Pozos con caída.- Son pozos constituidos también por una caja y una chimenea, a los cuales en su interior se les construye una pantalla que funciona como deflector del caudal que cae. Se construyen para tuberías de 0.30 a 0.76 m de diámetro y con un desnivel hasta de 1.50 m.



Estructuras de caída escalonada.- Son estructuras con caída escalonada cuya variación es de 0.50 en 0.50 m hasta llegar a 2.50 m (cinco tramos) como máximo, que están provistas de dos pozos de visita en los extremos, entre los cuales se construye la caída escalonada; en el primer pozo, se localiza la plantilla de entrada de la tubería, mientras que en el segundo pozo se ubica su plantilla de salida. Este tipo de estructuras se emplean en tuberías con diámetros desde 0.90 hasta de 2.50 m.

3.3 Simbología Albañal interior Albañal exterior Atarjea Cabeza de atarjea

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Pozo de visita común Pozo de visita especial Pozo con caída adosada Pozo caja Subcolector Colector Emisor Planta de tratamiento de aguas residuales

PTAR

Sitio de vertido 3.4 Ajuste geométrico Como ya se analizó, es necesario para el diseño geométrico del sistema, cumplir lo establecido para profundidades de pozos de visita, llámese cabeza de atarjea o pozo de visita tipo común, con las profundidades recomendadas (1.2, 1.3 y 1.5 m respectivamente), así como las alturas máximas de caída libre y adosadas (0.5 y 2 m respectivamente), tomando como punto de partida la pendiente mínima o la necesaria en función del diámetro mínimo correspondiente. El siguiente paso es realizar las operaciones aritméticas necesarias, con la finalidad de realizar los correspondientes ajustes que permitan una pendiente exacta en milésimas y posteriormente se ajusta la profundidad del pozo de visita. Para fines de conclusión del proyecto geométrico, todos los pozos de visita deberán contar con sus cotas de plantilla, la profundidad del pozo, así como las correspondientes longitudes, pendientes y diámetros ya corregidos y ajustados. Finalmente, todos los tramos de la red de atarjeas, incluyendo subcolectores, colectores, interceptores y emisor, deberán contener la información tal como se muestra en la figura 3.22. Cota de terreno Profundidad Cota de plantilla

L– S- Long. – Pendiente – Diámetro Figura 3.22 Información generada en el diseño geométrico de redes de alcantarillado

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4. ANÁLISIS DEL FUNCIONAMIENTO HIDRÁULICO DE LA RED 4.1 Generalidades 4.1.1 Topografía El diseño de la red de atarjeas debe adecuarse a la topografía de la localidad, siguiendo alguno de los modelos de configuración de red de atarjeas. La conducción dentro de las tuberías deberá analizarse bajo un sistema a superficie libre y las tuberías seguirán en lo posible la pendiente del terreno. En el caso de que existan en la localidad zonas sin drenaje natural, se emplearan las pendientes de diseño mínimas, que cumplan con las condiciones de tirante mínimo y máximo dentro de una tubería, así como las de velocidades máximas y mínimas en la conducción del flujo.

Figura 4.1 Variables requeridas para el cálculo hidráulico

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Figura 4.2 Diagrama de flujo para el cálculo hidráulico

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4.1.2 Planos 4.1.2.1 Planos topográficos Plano topográfico actualizado, escala 1:1 000 ó 1:2 000, dependiendo del tamaño de la localidad, con información producto de la nivelación directa. El plano debe tener curvas de nivel equidistantes a un metro y elevaciones de terreno en cruceros y puntos notables entre cruceros, como puntos bajos, puntos altos, cambios de dirección o pendiente. 4.1.2.2 Plano de pavimentos y banquetas Se debe anotar su tipo, estado y conservación, además con la ayuda de un estudio de mecánica de suelos, identificar si existe nivel freático a la profundidad que ubiquemos la tubería, clasificación del tipo de terreno a excavar de acuerdo al Sistema Unificado de Clasificación de Suelos conforme a sondeos verticales estándar mismos que deberán ser localizados en planos. 4.1.2.3 Plano actualizado de la red En el caso que se vaya a desarrollar una ampliación o una rehabilitación de una red existente, se debe indicar la longitud de los tramos de tuberías, sus diámetros, el material de que están construidas, estado de conservación, elevaciones de los brocales y plantillas de entrada y salida de las tuberías en los pozos de visita, identificar las obras accesorias de la red, las estructuras de descarga actual, los sitios de vertido previo tratamiento y el uso final de las aguas residuales. 4.1.2.4 Plano de agua potable Información de las áreas con servicio actual de agua potable y de las futuras ampliaciones, con sus programas de construcción; así como las densidades de población y dotaciones para cada una de las etapas de proyecto consideradas. 4.1.2.5 Planos de uso actual del suelo Se debe ubicar cada zona habitacional existente con la densidad de población correspondiente, adicionalmente, las zonas comerciales, las zonas industriales, las zonas públicas y las áreas verdes. 4.1.2.6 Plano predial Se debe definir el número de lotes, su forma y la vialidad a donde pueden descargar las aguas residuales. 4.1.2.7 Plano de uso futuro del suelo Es necesario prever las zonas de desarrollo de la localidad. Para esto se ubican en el plano las zonas de crecimiento junto con un estimado del crecimiento de la misma, indicando adicionalmente el tipo de desarrollo que será (comercial, industrial, zona pública o áreas verdes). En el plano deberán localizarse las áreas que ocuparán en el futuro las diferentes zonas habitacionales con sus nuevas densidades de población, las zonas comerciales, las zonas industriales, las zonas públicas y las áreas verdes. 4.1.2.8 Planos de Infraestructura adicional existente Además de los planos de agua potable, se deberán considerar los planos de infraestructura pluvial, sanitario, agua tratada, de comunicaciones (Telefonía, fibra óptica, etc.), oleoductos y gasoductos, electricidad, etc. Lo anterior a fin de proyectar los pasos y cruces con la infraestructura existentes. 4.1.3 Gastos de diseño

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Para el cálculo de los gastos de diseño en las redes de alcantarillado, se puede consultar el libro Datos Básicos del MAPAS. Se establece el criterio de valorar el gasto de dotación de drenaje sanitario como un porcentaje del gasto de consumo de agua potable. Para los fraccionamientos Industriales y comerciales, el desarrollador deberá de analizar el porcentaje de la dotación que se verterá al drenaje sanitario, considerando que parte del agua de consumo debe de emplearse en el reúso del proceso industrial y áreas verdes. Los gastos de diseño que se emplean en los proyectos de alcantarillado sanitario son: Gasto medio Gasto mínimo Gasto máximo instantáneo Gasto máximo extraordinario Los tres últimos se determinan a partir del primero. El sistema de alcantarillado sanitario, debe construirse herméticamente, por lo que no se adicionará al caudal de aguas residuales el volumen por infiltraciones.

4.1.3.1 Gasto medio El gasto medio es el valor del caudal de aguas residuales en un día de aportación promedio al año. Para calcular el gasto medio de aguas residuales, se requiere definir la aportación de aguas residuales de las diferentes zonas identificadas en los planos de uso de suelo. La aportación es el volumen diario de agua residual entregado a la red de alcantarillado, la cual es un porcentaje del valor de la dotación de agua potable. En zonas habitacionales, se adopta como aportación de aguas residuales el 75% de la dotación de agua potable, considerando que el 25 % restante se consume antes de llegar a las atarjeas. En función de la población y de la aportación, el gasto medio de aguas residuales en cada tramo de la red se calcula con:

QMED 

AP P 86400

donde: Qmed es el gasto medio de aguas residuales en l/s. Ap es la aportación en litros por habitante al día. P es la población en número de habitantes. 86400 son el número de segundos al día. En las localidades que tienen zonas industriales, comerciales o públicas con un volumen considerable de agua residual, se debe obtener el porcentaje de aportación para cada una de éstas zonas, independientemente de las habitacionales. En función del área y la aportación, el gasto medio de aguas residuales en cada tramo de la red se calcula con:

QMED 

AP A 86400

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donde: Qmed es el gasto medio de aguas residuales en l/s. Ap es la aportación en litros por metro cuadrado al día o litros por hectárea al día. A es el área de la zona industrial, comercial o pública 86 400 son el número de segundos al día. 4.1.3.2 Gasto mínimo El gasto mínimo es el menor de los valores de escurrimiento que normalmente se presentan en una tubería. Este valor es igual a la mitad del gasto medio. El gasto mínimo Qmin se calcula con la siguiente fórmula:

Qmin= 0.5QMED El gasto mínimo corresponde a la descarga de un excusado de 6 litros, dando un gasto de 1.0 lt/seg. Este será el gasto mínimo al inicio de una atarjea. Donde: Qmin Gasto mínimo Qmed Gasto medio de aguas residuales Este valor es igual a la mitad del gasto medio. En la Tabla 4.1, se muestran para las diferentes tuberías que existen en el mercado, valores del gasto mínimo que deben ser usados en el diseño de atarjeas. Se observa, en la Tabla 4.1, que el límite inferior es de 1.0 l/s, lo que significa que en los tramos iníciales de las redes de alcantarillado, cuando resulten valores de gasto mínimo menores a 1.0 l/s, se deben usar éste valor en el diseño. Tabla 4.1 Gasto mínimo de aguas residuales con inodoros de 6 litros para distintos diámetros Diámetro (cm) 10 - 25 30 - 40 45 - 46 50 - 55 60 - 63 65 70 75- 76 80 85 90 - 91 100 107 - 110 120 - 122 130 140 150 - 152 160

No de descargas simultáneas 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 12 15 17 23 25 28 30 32

Aportación por descarga (l/s) 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0

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Gasto mín (l/s) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 12 15 17 23 25 28 30 32 47

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170 180 - 183 190 200 213 244 305

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35 38 41 44 47 57 74

1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0

35 38 41 44 47 57 74

4.1.3.3 Gasto máximo instantáneo El gasto máximo instantáneo es el valor máximo de escurrimiento que se puede presentar en un instante dado. Su valor, es el producto de multiplicar el gasto medio de aguas residuales por un coeficiente M, que en el caso de la zona habitacional es el coeficiente de Harmon. En el caso de zonas habitacionales el coeficiente de Harmon (M), está dado por la siguiente fórmula:

M  1

14 4 P

donde: P es la población servida acumulada hasta el punto final (aguas abajo) del tramo de tubería considerada, en miles de habitantes. En tramos con una población acumulada menor de 1 000 habitantes, el coeficiente M es constante e igual a 3.8. Para una población acumulada mayor que 63,454 habitantes, el coeficiente M se considera constante e igual a 2.17, es decir, se acepta que su valor a partir de ésta cantidad, no sigue la ley de variación establecida por Harmon. El coeficiente M en zonas industriales, comerciales o públicas presenta otra ley de variación. Siempre que sea posible, debe hacerse un aforo del caudal de agua residual en las tuberías existentes para determinar sus variaciones reales. De no disponer de ésta información, el coeficiente M podrá ser de 1.5 en zonas comerciales e industriales. 4.1.3.4 Gasto máximo extraordinario El gasto máximo extraordinario es el caudal de aguas residuales que considera aportaciones de agua que no forman parte de las descargas normales, como bajadas de aguas pluviales de azoteas, patios, o las provocadas por un crecimiento demográfico explosivo no considerado. En función de éste gasto se determina el diámetro adecuado de las tuberías, ya que se tiene un margen de seguridad para prever los caudales adicionales en las aportaciones que pueda recibir la red. Para el cálculo del gasto máximo extraordinario se tiene:

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Donde: Cs es el coeficiente de seguridad adoptado. Qmax.inst es el gasto máximo instantáneo. En el caso de aportaciones normales el coeficiente Cs será de 1.0; para condiciones diferentes, éste Cs puede definirse mayor a 1 y como máximo 1.5 bajo aprobación de la autoridad local del agua y dependiendo de las condiciones particulares de la localidad. 4.1.4

Variables hidráulicas

4.1.4.1 Velocidades a) Velocidad mínima: La velocidad mínima se considera aquella con la cual no se permite depósito de sólidos en las atarjeas que provoquen azolves y taponamientos. La velocidad mínima permisible es de 0.3 m/s, para el gasto mínimo de 1 lt/seg, considerando el gasto mínimo y para comportamiento a tubo lleno mediante el gasto máximo extraordinario de 0.6 m/s. Adicionalmente, debe asegurarse que el tirante calculado bajo éstas condiciones, tenga un valor mínimo de 1.0 cm, en casos de pendientes fuertes y de 1.5 cm en casos normales. b) Velocidad máxima: La velocidad máxima es el límite superior de diseño, con el cual se trata de evitar la erosión de las paredes de las tuberías y estructuras de drenaje sanitario. La velocidad máxima permisible para los diferentes tipos de material se muestra en la tabla 4.2. Para su revisión se utiliza el gasto máximo extraordinario. Tabla 4.2 Velocidades máxima y mínima permisible Material Acero (sin revestimiento, revestido y galvanizado) Concreto reforzado Concreto simple Fibrocemento Polietileno alta densidad (PEAD) Poli (cloruro de vinilo) (PVC) Poliester reforzado con fibra de vidrio (PRFV)

Velocidad (m/s) Máxima Mínima 3

5

0.3

3

Tabla 3.2 Velocidades máxima y mínima permisible 4.1.4.2 Pendientes El objeto de limitar los valores de pendientes es evitar, hasta donde sea posible, el azolve y la erosión de las tuberías. Para el caso de pendientes pronunciadas, donde no se pueda seguir la pendiente del terreno, será necesario hacer escalonamiento en el perfil de la línea de drenaje, utilizando para este caso tuberías que no sean afectadas por el sulfuro de hidrógeno que se produce en las caídas libres. Las pendientes deberán seguir hasta donde sea posible el perfil del terreno, con objeto de tener excavaciones mínimas, pero tomando en cuenta las restricciones de velocidad y de tirantes mínimos del apartado anterior y la ubicación y topografía de los lotes a los que se darán servicio. Material preparado por: M.C. Roberto García Acevedo, M.C. Ricardo Ruiz Chávez

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En casos especiales donde la pendiente del terreno sea muy fuerte, es conveniente considerar en el diseño tuberías que permitan velocidades altas, y se debe hacer un estudio técnico económico de tal forma que se pueda tener sólo en casos extraordinarios y en tramos cortos velocidades de hasta 8 m/s. En la Figura 4.3 aparecen las pendientes mínimas recomendadas para los diferentes tipos de tuberías. Estas pendientes podrán modificarse en casos especiales previo análisis particular y justificación en cada caso.

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Figura 4.3 Pendiente mínima para v=0.6 m/s a tubo lleno

4.1.4.3 Diámetros a) Diámetro mínimo La experiencia en la conservación y operación de los sistemas de alcantarillado a través de los años, ha demostrado que para evitar obstrucciones, el diámetro mínimo en las tuberías debe ser de 20 cm (8 in) para casos especiales previamente justificados podrá emplearse un diámetro mínimo de 15 cm (6 in)

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b) Diámetro seleccionado El diámetro seleccionado, estará en función de los apartados correspondientes del capítulo 1 y de lo considerado en 4.1.5. 4.1.5 Profundidades de zanjas Las tuberías se instalan superficialmente, enterradas o una combinación de ambas, dependiendo de la topografía, tipo de tubería y características del terreno. Normalmente las tuberías para drenaje pluvial se instalan enterradas (Ver figura 4.4). Para obtener la máxima protección de las tuberías se recomienda colocarlas en zanjas, de acuerdo a lo señalado en las especificaciones de construcción del fabricante o a lo que se menciona a continuación. La profundidad de las excavaciones de la zanja para las tuberías queda definida por los factores siguientes:

Figura 4.4 Características de una zanja Profundidad mínima o colchón mínimo. Depende de la resistencia de la tubería a las cargas exteriores. La figura 4.4 indica, a través de un croquis, las características básicas de una zanja. Topografía y trazo. Influyen en la profundidad máxima que se le da a la tubería. Velocidades máximas y mínimas. Están relacionadas con las pendientes de proyecto. Existencia de conductos de otros servicios. Economía en las excavaciones. Los factores principales que intervienen para el colchón son el tipo de tubería a utilizar, el tipo de terreno en la zona de estudio y las cargas vivas que puedan presentarse.

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4.1.5.1 Profundidad mínima La profundidad mínima de la zanja debe ser adecuada para: Evitar rupturas del conducto ocasionadas por cargas vivas, mediante un colchón mínimo que es función de la resistencia del tubo. Para definir el colchón mínimo deberá realizarse un análisis de cada caso en particular. Los principales factores que intervienen para definir el colchón mínimo son: • Material de tubería • Tipo de terreno • Las cargas vivas probables. En el siguiente apartado aparecen los colchones mínimos recomendados para los diferentes materiales y clases de tuberías. Permitir la correcta conexión del 100% de las descargas domiciliarias al sistema de alcantarillado, con la consideración de que el albañal exterior, tendrá como mínimo una pendiente geométrica de 10 milésimas (1 %) y el registro interior más próximo al paramento del predio, tenga una profundidad mínima de 60 cm. Los manuales de instalación de cada material. 4.1.5.2 Profundidad máxima La profundidad máxima es función de la topografía del lugar, evitando excavar demasiado. La profundidad máxima será aquella que no ofrezca dificultades constructivas mayores durante la excavación, de acuerdo con la estabilidad del terreno en que quedará alojada la tubería, variando en función de las características particulares de la resistencia a la compresión o rigidez de las tuberías, haciendo el análisis respectivo en el que se tomará en cuenta el material de relleno, grado de compactación, las posibles cargas vivas y el factor de carga proporcionado por la plantilla a usar. En el caso de atarjeas se debe determinar con un estudio económico comparativo entre el costo de instalación del conducto principal con sus albañales correspondientes, y el de la atarjea o atarjeas laterales, “madrinas”, incluyendo los albañales respectivos; no obstante, la experiencia ha demostrado que entre 3.00 y 4.00 metros de profundidad, el conducto principal puede recibir directamente los albañales de las descargas y que a profundidades mayores, resulta más económico el empleo de atarjeas laterales. Si la topografía tiene pendientes fuertes, se debe hacer un estudio económico comparativo entre el costo de excavación contra el número de pozos de visita. Plantilla o cama Con el fin de satisfacer las condiciones de estabilidad y asiento de la tubería es necesaria la construcción de un encamado en toda la longitud de la misma. Deberá excavarse cuidadosamente las cavidades o conchas para alojar la campana o cople de las juntas de los tubos, con el fin de permitir que la tubería se apoye en toda su longitud sobre el fondo de la zanja o la plantilla apisonada. El espesor de la plantilla o cama será de 10 cm siendo

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el espesor mínimo sobre el eje vertical de la tubería de 5 cm, tal como se señala en la figura 4.4 4.1.6 Obras accesorias Como complemento a lo indicado en el apartado 1, a continuación se resume la información requerida en el diseño hidráulico de la red de alcantarillado. 4.1.6.1 Pozos de visita a). Clasificación de los pozos de visita fabricados en obra. En la Tabla 3.4, se indica que tipo de pozo de visita debe construirse, dependiendo del diámetro de la tubería de salida y del tipo y diámetro de las tuberías que entroncan a 45 ó 90 grados en el pozo. El número máximo de tuberías que pueden descargar en un pozo de visita son tres y debe existir una tubería de salida. b). Separación entre pozos de visita. La separación máxima entre los pozos de visita debe ser la adecuada para facilitar las operaciones de inspección y limpieza. Se recomiendan las siguientes distancias de acuerdo con el diámetro.   

En tramos de 20 hasta 61 cm de diámetro, 125 m. En tramos de diámetro mayor a 61 cm y menor ó igual a 122 cm, 150 m. En tramos de diámetro mayor a 122 cm y menor ó igual a 305 cm, 175 m.

Estas separaciones pueden incrementarse de acuerdo con las distancias de los cruceros de las calles, como máximo un 10%.Para el caso especifico del Distrito Federal, según el Reglamento de Construcciones, se establecen las separaciones según el diámetro de la tubería. La tabla 4.3 indica las separaciones entre pozos de visita. Tabla 4.3 Separación entre pozos de visita Diámetro, en m 0.20-0.76 0.90-1.22 Mayores de 1.22

Separación, en m 125-135 175-190 250-275

Se recomienda que las conexiones a ejes y plantillas se utilicen únicamente cuando sea indispensable y con las limitaciones que para los diámetros más usuales, se indican en la tabla 4.6 c). Cambios de dirección. Para los cambios de dirección, las deflexiones necesarias en los diferentes tramos de tubería se efectúan como se indica a continuación: Si el diámetro de la tubería es de 61 cm o menor, los cambios de dirección son hasta de 90 grados, y deben hacerse con un solo pozo común. Si el diámetro es mayor de 61 cm y menor o igual que 122 cm, los cambios de dirección son hasta 45 grados, y deben hacerse con un pozo especial.

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Si el diámetro es mayor de 122 cm y menor o igual a 305 cm, los cambios de dirección son hasta 45 grados, y deben hacerse en un pozo caja de deflexión. Si se requieren dar deflexiones más grandes que las permitidas, deberán emplearse el número de pozos que sean necesarios, respetando el rango de deflexión permisible para el tipo de pozo.

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Tabla 4.5 Tipos de pozos de visita

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4.1.6.2 Estructuras de caída a) Caídas libres En pozos de visita común, especial 1 o especial 2, la caída libre es hasta de 50 cm para tuberías hasta de 25 cm de diámetro. En éste caso, la caída libre se mide de la plantilla del tubo de llegada a la clave del tubo de salida. En pozos común o especial 1, con tuberías de entrada y salida de 30 a 76 cm de diámetro, la caída libre es de hasta un diámetro (el mayor). En éste caso la caída libre se mide de la plantilla del tubo de entrada a la plantilla del tubo de salida. b) Caídas adosadas (CA) Esta estructura se construye sobre tuberías de entrada hasta de 25 cm de diámetro, con caídas hasta 200 cm, y se adosa a pozo común, especial 1 o especial 2. En éste caso, la caída se mide de la clave del tubo de entrada a la clave del tubo de salida. c) Pozos con caída (CP) Se construyen sobre tuberías de entrada y salida de 30 a 76 cm de diámetro; no admiten entronques y la caída es hasta de 300 cm. En éste caso, la caída se mide de la plantilla del tubo de entrada a la plantilla del tubo de salida. d) Caída escalonada (CE) Se construyen sobre tuberías de entrada y salida mayores de 76 cm de diámetro; no admiten entronques y la caída es hasta de 250 cm. En éste caso, la caída se mide de la plantilla del tubo de entrada a la plantilla del tubo de salida. En la Tabla 4.6 se indica que tipo de caída debe construirse dependiendo del diámetro de la tubería y cuál es la altura máxima que debe tener dicha caída. Tabla 4.6 Tipos de estructuras de caída. TIPO DE CAIDA

DIAMETROS (cm)

ALTURA DE LA CAIDA (cm)

Libre en pozo común, especial 1 o especial 2. Caída adosada a pozos común, especial 1 o especial 2

Diámetro de entrada 20 a 25 Diámetro de entrada de 20 a 25 Diámetro de entrada y salida 30 a 76 Diámetro de entrada de 30 a 76 Diámetro de entrada y salida mayor de 76

50

Libre en pozo común o especial 1 Pozo con caída Estructura de caída escalonada

200 Un diámetro (el mayor) 300 250

*la altura de la caída para cada caso, se calcula siguiendo las indicaciones de los párrafos anteriores

4.1.7

Conexiones

Debido a los cambios de diámetro que existen en una red de tuberías, resulta conveniente definir la forma correcta de conectar las tuberías en los pozos de visita.

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La figura 4.6 indica los nombres que se les da a las partes de una tubería.

Figura 4.6 Elementos de tubería Desde el punto de vista hidráulico se recomienda que las conexiones, se igualen en los niveles de claves. Con este tipo de conexión, se evita el efecto del remanso aguas arriba. Atendiendo a las características del proyecto, se pueden efectuar las conexiones de las tuberías, haciendo coincidir las claves, los ejes o las plantillas de los tramos de diámetro diferente. En la Tabla 4.7 aparecen según el tipo y diámetro de la tubería, las limitaciones para las conexiones a ejes o a plantillas. Además para facilitar los trabajos de inspección y mantenimiento se han establecido separaciones máximas entre los pozos de visita. Desde el punto de vista hidráulico es conveniente que en las conexiones se igualen los niveles de las claves de los conductos por unir. Asimismo, se recomienda que las conexiones a ejes y plantillas se utilicen únicamente cuando sea indispensable y con las limitaciones para los diámetros más usuales que se indican en la Tabla 4.7

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Figura 4.7 Conexiones

En la Figura 4.7 se ilustran las conexiones clave con clave, plantilla con plantilla y eje con eje.

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Tabla 4.7 Limitación para las conexiones

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4.2 Diseño hidráulico 4.2.1 Formulas para el diseño En la red de atarjeas, en las tuberías, solo debe presentarse la condición de flujo a superficie libre. Para simplificar el diseño, se consideran condiciones de flujo establecido. La fórmula de continuidad para un escurrimiento continuo permanente es: (4.1) Donde: • Q es el gasto en m3/s. • V es la velocidad en m/s. • A es el área transversal del flujo en m2. Para el cálculo hidráulico del alcantarillado se utiliza la fórmula de Manning.

(4.2) Donde: V es la velocidad en m/s. Rh es el radio hidráulico, en m. S es la pendiente del gradiente hidráulico de la tubería adimensional. n es el coeficiente de fricción. El radio hidráulico se calcula con la siguiente fórmula:

(4.3) Donde: A es el área transversal del flujo, en m. Pm Perímetro mojado, en m. En la figura 4.8, se presentan las relaciones hidráulicas y geométricas para el cálculo de la red de alcantarillado usando secciones circulares

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Figura 4.8 Elementos hidráulicos de la sección circular Material n Tabla 4.8 Coeficiente de fricción n (Manning) Material n (Manning) Concreto 0.012 Concreto con revestimiento de PVC/PEAD 0.009 Acero soldado con recubrimiento interior (pinturas) 0.011 Acero sin revestimiento 0.014 Fibrocemento 0.010 Polietileno pared sólida 0.009 Polietileno corrugado/estructurado 0.012 PVC pared sólida 0.009 PVC pared corrugado/estructurado 0.009 Poliéster reforzado con fibra de vidrio 0.009 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, en la Tabla 4.8 se dan los valores de n para ser usados en la fórmula de Manning. Para el cálculo de los elementos geométricos de secciones circulares que trabajan parcialmente llenas se pueden usar las siguientes fórmulas, las cuales representan los datos de la figura 4.9 anexa:

(4.4) (4.5) (4.6)

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(4.7) (4.8) Donde: d es el tirante hidráulico, en m. D es el diámetro interior del tubo, en m. A es el área de la sección transversal del flujo, en m2. Pm es perímetro mojado, en m. rh es el radio hidráulico, en m. es el ángulo en grados. r es D/2, en m.

Figura 4.9 Características hidráulicas de una tubería 4.2.2 Metodología para el diseño Hidráulico 4.2.2.1 Planeación general El primer paso consiste en realizar la planeación general del proyecto y definir las mejores rutas de trazo de los colectores, interceptores y emisores, considerando la conveniencia técnico - económica de contar con uno o varios sitios de vertido previo tratamiento, con sus correspondientes plantas de tratamiento, siendo lo más recomendable el tener un solo sitio de vertido previo tratamiento; es aconsejable realizar estos trabajos en planos escala 1:10,000. Con base en los ingresos y egresos incrementales producto de la realización de cada una de las alternativas de proyecto, deberá evaluarse el nivel de rentabilidad de cada una de ellas, seleccionando la alternativa que resulte técnica y económicamente más rentable. La circulación del agua en la red de atarjeas, colectores e interceptores debe ser por gravedad, sin presión. En el caso en que existan en la localidad zonas con topografía plana, la circulación en los colectores e interceptores también deberá ser por gravedad; el agua tendrá que colectarse en un cárcamo de bombeo localizado en el punto más bajo de esta zona, para después enviarla mediante un emisor a presión, a colectores o interceptores que drenen naturalmente. En ésta etapa del proyecto es necesario calcular de forma general los gastos de proyecto de la red de alcantarillado, y contar con una visión general del drenaje natural que tiene el área de proyecto basándose en el plano topográfico.

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4.2.2.2 Definición de áreas de proyecto Con los planos topográficos, de uso del suelo y de agua potable, se procede a definir las áreas de la población que requieren proyecto y las etapas de construcción, inmediata y futura, basándose en el proyecto de la red de distribución de agua potable y los requerimientos propios del proyecto de la red de alcantarillado sanitario. 4.2.2.3 Sistema de alcantarillado existente En los casos en que se cuente con tubería existente, se hace una revisión detallada eligiendo los tramos aprovechables por su buen estado de conservación y capacidad necesaria, los que se toman en cuenta en el proyecto total como parte de él, modificando ó reforzando la tubería que lo requiera. 4.2.2.4 Revisión hidráulica de la red existente Los resultados anteriores se utilizan para analizar la red de atarjeas y en caso necesario se modifica o adiciona otra alternativa hasta que el conjunto red de atarjeas -colectores, interceptores y emisores - tratamiento presente la mejor solución técnica y económica. 4.2.2.5 Proyecto El primer paso del proyecto consiste en efectuar el trazo de la red de atarjeas, en combinación con los trazos definidos para los colectores y emisores, apartado 3.4. Se analizan las alternativas de trazo y combinaciones que sean necesarias, de acuerdo a las condiciones particulares de la zona que se estudie, con objeto de seleccionar la alternativa de la mejor combinación técnica y económica. Una vez definido el trazo más conveniente, se localizan los pozos de visita de proyecto, respetando la separación entre pozos. Deben colocarse pozos de visita en todos los entronques y en donde haya cambio de dirección o de pendiente de la tubería, en el caso de tramos con longitudes muy grandes, se colocan pozos intermedios. 4.3 Red de atarjeas El diseño hidráulico de una red de atarjeas se realiza tramo por tramo, iniciando en las cabezas de atarjeas y finalizando en el entronque con los colectores. Para determinar los gastos de diseño de un tramo de la red, se deben ejecutar los siguientes pasos: • Obtener el área total de la zona de influencia del tramo que se analiza, dividida en los diferentes usos del suelo que se presenten. En general los usos del suelo se dividen en comercial, industrial, público y habitacional; este último también se diferencia en popular, medio y residencial. • Para cada uno de los usos del suelo se obtiene la densidad de proyecto y la dotación de agua potable. Estos datos se pueden obtener del proyecto de agua potable (en caso de que exista) o del estudio de factibilidad correspondiente. • Para cada uno de los usos del suelo se obtienen los gastos de diseño siguiendo el procedimiento descrito en el apartado 4.1.3. • Los gastos de diseño, estarán dados por la suma de los gastos de diseño de los diferentes usos de suelo del área de influencia y los propios del tramo que se Material preparado por: M.C. Roberto García Acevedo, M.C. Ricardo Ruiz Chávez

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analiza. Una vez calculados los gastos de diseño de la red de atarjeas, se selecciona el material, clase, diámetro, pendiente y elevaciones de plantilla de las tuberías, tramo por tramo, revisando el funcionamiento hidráulico del tramo bajo dos condiciones: a gasto mínimo y a gasto máximo extraordinario. En cualquiera de los casos, la selección del diámetro se hará aprovechando al máximo la capacidad hidráulica del tubo trabajando a superficie libre, no deberá ser menor al diámetro del tramo anterior y deberá satisfacer todas las limitantes expresadas en los apartados 3.1, 4.1.4, 4.1.5, 4.1.6, 4.1.7 Para el cálculo de las variables hidráulicas permisibles a tubo lleno o a tubo parcialmente lleno, se emplean las fórmulas para el diseño descritas en el apartado 4.2.1. La metodología es la siguiente: • Una vez seleccionado el material, clase, diámetro y pendiente del tramo, se calcula la velocidad y el gasto a tubo lleno empleando las fórmulas (4.2) y (4.1). • Con el gasto mínimo y el gasto máximo previsto se calculan las variables hidráulicas a tubo parcialmente lleno. El procedimiento es el siguiente: • Con la relación de gasto mínimo entre gasto a tubo lleno y con ayuda de la Figura 4.8 se obtiene la relación del tirante al diámetro. • Con la relación de gasto máximo extraordinario entre gasto a tubo lleno y con ayuda de la Figura 4.8 se obtiene la relación del tirante al diámetro. • La relación del tirante al diámetro se multiplica por el diámetro y se obtiene el tirante hidráulico d para cada caso. • Con las fórmulas (4.4), (4.7) y (4.8), se calculan las variables hidráulicas ángulo, radio hidráulico y área a tubo parcialmente lleno para cada caso. • Con las variables hidráulicas a tubo parcialmente lleno, calculadas en el paso anterior y con la ecuación (4.2), se calcula la velocidad a tubo parcialmente lleno para cada caso. Las variables hidráulicas que deben de estar dentro de los rangos permisibles son la velocidad a gasto mínimo, la velocidad a gasto máximo extraordinario, el tirante a gasto mínimo y el tirante a gasto máximo extraordinario. 4.4 Colectores e interceptores Los colectores son los conductos de mayor tamaño en la red y representan la parte medular del sistema de alcantarillado. También se les llama interceptores, dependiendo de su acomodo en la red. Su función es reunir el agua recolectada por los subcolectores y llevarla hasta el punto de salida de la red e inicio del emisor. El diseño hidráulico se realiza en forma análoga al de la red de atarjeas véase apartado 4.3 Se obtienen los gastos de diseño de cada tramo de los colectores e interceptores, y se calculan los diámetros, pendientes y elevaciones de plantilla de las tuberías tramo por tramo. 4.5 Emisores El emisor conduce las aguas hasta el punto de descarga o tratamiento. Una red puede tener más de un emisor dependiendo del tamaño de la localidad. Se le distingue de los Material preparado por: M.C. Roberto García Acevedo, M.C. Ricardo Ruiz Chávez

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colectores porque no recibe conexiones adiciones en su recorrido Los emisores pueden trabajar a gravedad sin presión ó a presión dependiendo de las condiciones particulares del proyecto. 4.5.1 Emisores a gravedad Los emisores que trabajan a gravedad pueden ser tuberías ó canales. Los canales a cielo abierto solo se pueden utilizar para transportar caudales de aguas residuales con un tratamiento primario, secundario o terciario, y deberán cumplir lo señalado en la NOM003-SEMARNAT-2002 vigente. En el caso de que el espejo del agua del cuerpo receptor tenga variaciones tales que su nivel máximo tienda a producir un remanso en el emisor, se debe revisar la longitud de influencia de éste para que no se vean afectadas las estructuras aguas arriba. La metodología para el diseño hidráulico es la misma que se emplea para el diseño de hidráulico de colectores e interceptores, véase apartado 4.4, debiéndose tomar en cuenta lo siguiente para determinar los gastos de diseño. 4.5.1.1 Gastos de diseño Los cálculos de los gastos de diseño para emisores a gravedad, tienen dos modalidades: a) Cuando el emisor conduce el caudal de aguas residuales, de la red de atarjeas a la planta de tratamiento. El gasto de diseño del emisor será el gasto mínimo y el gasto máximo extraordinario de su área de influencia, calculado según se indicó anteriormente. b) Cuando el emisor conduce el caudal de aguas tratadas de la planta de tratamiento a la descarga. El gasto de diseño del emisor será el gasto mínimo y el gasto máximo instantáneo, del área de influencia que drene a la planta de tratamiento. En el caso, que la capacidad de la planta de tratamiento de aguas residuales no esté diseñada con el gasto máximo instantáneo, deberá investigarse el gasto de diseño, y con éste, deberá diseñarse el emisor que conducirá el efluente de la planta a la descarga. 4.5.2 Emisores a presión 4.5.2.1 Diseño de instalaciones mecánicas y eléctricas Para el diseño de instalaciones mecánicas y eléctricas, se puede consultar los libros Diseño de instalaciones mecánicas, Diseño de instalaciones eléctricas y Selección de equipo electromecánico del MAPAS. Los dos primeros volúmenes cubren los criterios y normas actuales aplicables para obtener en los diseños de las instalaciones mecánicas y eléctricas una mayor eficiencia y el tercer volumen sirve de apoyo para la selección de equipos en las instalaciones electromecánicas en sistemas de abastecimiento de agua potable, alcantarillado y saneamiento. 4.5.2.2 Diseño de la tubería a presión Para el diseño de la tubería a presión, se recomienda utilizar la fórmula de DarcyWeisbach y se pueden consultar los libros Datos Básicos y Conducción, del MAPAS. Material preparado por: M.C. Roberto García Acevedo, M.C. Ricardo Ruiz Chávez

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5. TRAZO DE REDES DE ALCANTARILLADO PLUVIAL El agua es un elemento esencial para la vida. El hombre no es ajeno a sus efectos en su entorno, pues ha experimentado tanto la abundancia como la escasez del agua. Así, desde tiempos pasados enfrenta las sequías, las tormentas, las crecientes de los ríos y las inundaciones. La búsqueda de su bienestar lo ha llevado al asentamiento en ciudades y poblados, hecho que lo ha obligado a desarrollar tecnologías que le permitan controlar el agua y disminuir los efectos de los fenómenos climáticos. En estos apuntes se presenta como se lleva a cabo el diseño y revisión de un sistema de drenaje que evite el escurrimiento y la acumulación del agua de lluvia en las calles de una población y, por otra parte permita su evacuación hacia las corrientes naturales o a una planta de tratamiento. Así, se reducirán las inundaciones por lluvia en una zona de interés. Estos apuntes se han estructurado de acuerdo a las diferentes etapas de diseño o de revisión de una red de alcantarillado pluvial. 5.1. Alcantarillado pluvial Para el diseño de un sistema de alcantarillado pluvial se debe considerar una serie de etapas para su diseño cabal. La primera etapa consiste en esquematizar un trazo preliminar de la red de alcantarillado o definir a partir de planos el trazo existente. No se puede analizar el funcionamiento o dimensionar una red si no se cuenta con la información señalada. La siguiente etapa consiste en recabar información pluviográfica y/o pluviométrica de aquellas estaciones climatológicas que se encuentren tanto dentro como cerca de la zona en estudio. Con dicha información se obtiene la tormenta o lluvia de diseño. Para ello generalmente, se emplean las curvas intensidad - duración - período de retorno (i - d - Tr) y algunos criterios de riesgo. Una vez que se ha analizado y procesado la información de la lluvia, se estiman los gastos de diseño para dimensionar cada una de las estructuras componentes del sistema de alcantarillado. Tales gastos dependen de las condiciones topográficas, del criterio de riesgo empleado y de la tormenta de diseño asociada, así como del área a servir. La estimación de gastos pluviales se hace por medio de modelos lluvia - escurrimiento. En este trabajo no se pretende mostrar todos los modelos disponibles, pero sí aquellos que se emplean más extensamente en nuestro país y que se han ganado la confianza de los proyectistas. Finalmente, se dimensionan las estructuras del sistema de alcantarillado de acuerdo a criterios particulares de diseño, construcción y operación. En algunos casos será necesario revisar el diseño final de la red realizando un tránsito de avenidas, con lo cual se determinarán aquellas estructuras de la red que han sido subdiseñadas o que resultan sobradas durante la operación del sistema. En la Figura 5.1 se resume el proceso de diseño o revisión de una red de alcantarillado pluvial. Cabe destacar que el análisis de la precipitación, así como la aplicación de modelos lluvia escurrimiento son conceptos básicos de Hidrología Superficial que se debieron cubrir en la materia respectiva. Por otra parte, el análisis del flujo en colectores se hace con base en criterios de Hidráulica de canales, por lo que se asume que esos conceptos son básicos, que se emplean en el tránsito de avenidas en colectores. Ambas materia el alumno deberá tener la teoría y los elementos suficientes para el diseño del alcantarillado pluvial.

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Figura 5.1. Proceso de diseño y revisión de una red de alcantarillado pluvial Es por tanto que estos apuntes se centran en la descripción de los diversos componentes de una red de alcantarillado, así como los criterios de diseño, construcción y operación que deben tomarse en cuenta durante la etapa de diseño. De manera general, se abordaran lo relacionado con la revisión de una red de alcantarillado, además se adjuntan especificaciones constructivas y algunas recomendaciones operativas y de mantenimiento con el fin de que el alumno las tenga presentes desde el diseño del proyecto y se eviten problemas en la operación de la red por carencia de información. 5.1.1. Tipos de sistemas de alcantarillado Los sistemas de alcantarillado modernos son clasificados como sanitarios cuando conducen solo aguas residuales, pluviales cuando transportan únicamente aguas producto del escurrimiento superficial del agua de lluvia (Figura 5.2), y combinados cuando llevan los dos tipos de aguas (Figura 5.3).

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Figura 5.2. Sistema de alcantarillado pluvial (ASCE, 1992).

Figura 5.3. Sistema de alcantarillado combinado (ASCE, 1992)

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5.1.2. Conveniencia de los sistemas de alcantarillado separados Los sistemas de alcantarillado, separados o combinados, tienen ventajas y desventajas entre sí. Debido al deterioro ocasionado al medio ambiente y por los procesos de tratamiento, es conveniente la construcción de sistemas separados. Los sistemas combinados tienen como ventajas el captar tanto las aguas residuales, como las pluviales, con lo cual el diseño, construcción y operación en apariencia es más económico. En este aspecto, los sistemas separados implican mayores inversiones y pueden resultar menos atractivos especialmente cuando una población contará por primera vez con un sistema de alcantarillado. Por otra parte, los problemas ocasionados por la contaminación han obligado a las comunidades a enfrentarlos disminuyendo lo más posible el riesgo de estos tipos de problemas. Por consiguiente, para cuidar el ambiente es necesario contar con plantas de tratamiento que resultan más económicas por unidad de volumen tratado cuando las cantidades de agua que manejan es mayor. Aquí surge la conveniencia de los sistemas separados, pues los volúmenes de aguas pluviales son muy superiores a los correspondientes de aguas residuales en proporción de 50 a 200 veces o más. Así, una planta de tratamiento es más económica si solo se encarga de tratar aguas residuales de cierto tipo. Un factor más a favor de los sistemas de alcantarillado separados se debe a la mayor demanda de agua en las poblaciones, producto de su crecimiento, y a la escasez de la misma cerca de ellas. Esto ha llevado a las comunidades a tomar medidas integrales para que los habitantes dispongan del agua indispensable para cubrir sus necesidades y desempeñen sus actividades. Tales medidas abarcan desde un mayor abastecimiento hasta un uso racional del agua, y en este aspecto se desarrollan acciones encaminadas al reuso del agua y del agua de lluvia. 5.1.3. Reúso del agua proveniente del alcantarillado pluvial El uso racional del agua implica emplearla eficientemente en las diversas actividades del hombre, disminuir su desperdicio y contaminación. A este respecto se orienta lo que en México se ha denominado la cultura del agua. La base de todo esto consiste en fomentar en la población, industria y autoridades la conciencia de que el agua es limitada en su disponibilidad, ya sea por la cantidad o por la calidad que se requiere. Por ello, debe usarse adicionalmente este recurso, conservando las fuentes y evitando su deterioro. Para cuidar el agua se pueden emprender diversas acciones, entre las que se encuentran el empleo de agua tratada en usos que se han dado con agua potable, pero admiten una calidad de agua como la que se obtiene con el tratamiento (por ejemplo, en el enfriamiento de maquinarias industriales) y el reúso del agua. Se le llama aguas tratadas a aquellas provenientes del alcantarillado (sanitario, pluvial o combinado), que son procesadas en una planta para mejorar su calidad que puede ser “no potable”; pero que, permite la utilización de ella en industrias, riego de jardines, cultivos, y para fines estéticos en fuentes, lagos, etc. El agua de lluvia puede ser utilizada, con un tratamiento ligero o incluso sin tratamiento, cuando se cuenta con las estructuras necesarias de conducción y almacenamiento sin alterar lo más mínimo su calidad. El empleo del agua pluvial puede ser muy provechoso en las poblaciones, sin embargo, requiere de obras y el establecimiento de normas adicionales de operación. Es importante que el profesional encargado de diseñar los sistemas de alcantarillado modernos considere en sus proyectos el empleo del agua de lluvia residual tratada. Un aspecto importante, que no se puede pasar por alto, se refiere a la recarga artificial de acuíferos. Lo cual es fundamental en los lugares donde la escasez del líquido ha provocado la sobreexplotación de los mantos acuíferos, lo que está agotando la fuente subterránea, deteriorando la calidad de agua o produciendo hundimientos del terreno. Material preparado por: M.C. Roberto García Acevedo, M.C. Ricardo Ruiz Chávez

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6. UBICACIÓN DE ACCESORIOS PLUVIALES Los componentes principales de un sistema de alcantarillado se agrupan según la función para la cual son empleados. Así, un sistema de alcantarillado sanitario, pluvial o combinado, se integra de las partes siguientes: a) Estructuras de captación. Recolectan las aguas a transportar. En el caso de los sistemas de alcantarillado sanitarios, se refieren a las conexiones domiciliarias formadas por tuberías conocidas como albañales. En los sistemas de alcantarillado pluvial se utilizan sumideros o bocas de tormenta como estructuras de captación, aunque también pueden existir conexiones domiciliarias donde se vierta el agua de lluvia que cae en techos y patios. En los sumideros (ubicados convenientemente en puntos bajos del terreno y a cierta distancia en las calles) se coloca una rejilla o coladera para evitar el ingreso de objetos que obstruyan los conductos, por lo que son conocidas como coladeras pluviales. b) Estructuras de conducción. Transportan las aguas recolectadas por las estructuras de captación hacia el sitio de tratamiento o vertido. Representan la parte medular de un sistema de alcantarillado y se forman con conductos cerrados y abiertos conocidos como tuberías y canales, respectivamente. c) Estructuras de conexión y mantenimiento. Facilitan la conexión y mantenimiento de los conductos que forman la red de alcantarillado, pues además de permitir la conexión de varias tuberías, incluso de diferente diámetro o material, también disponen del espacio suficiente para que un hombre baje hasta el nivel de las tuberías y maniobre para llevar a cabo la limpieza e inspección de los conductos. Tales estructuras son conocidas como pozos de visita. d) Estructuras de vertido. Son estructuras terminales que protegen y mantienen libre de obstáculos la descarga final del sistema de alcantarillado, pues evitan posibles daños al último tramo de tubería que pueden ser causados por la corriente a donde descarga el sistema o por el propio flujo de salida de la tubería. e) Instalaciones complementarias. Se considera dentro de este grupo a todas aquellas instalaciones que no necesariamente forman parte de todos los sistemas de alcantarillado, pero que en ciertos casos resultan importantes para su correcto funcionamiento. Entre ellas se tiene a las plantas de bombeo, plantas de tratamiento, estructuras de cruce, vasos de regulación y de detención, disipadores de energía, etc. f) Disposición final. La disposición final de las aguas captadas por un sistema de alcantarillado no es una estructura que forme parte del mismo; sin embargo, representa una parte fundamental del proyecto de alcantarillado. Su importancia radica en que si no se define con anterioridad a la construcción del proyecto el destino de las aguas residuales o pluviales, entonces se pueden provocar graves daños al medio ambiente e incluso a la población servida o a aquella que se encuentra cerca de la zona de vertido. En las figuras 5.2 y 5.3 anteriores, se pueden identificar algunos de los componentes ya mencionados. A continuación se detallan las características de cada una de ellas en el caso de un sistema de alcantarillado pluvial, y en el capítulo referente a redes de alcantarillado se tratan algunas especificaciones para su construcción. Finalmente, se incluyen al final del capítulo algunas observaciones sobre la disposición final de las aguas pluviales. 6.1. Estructuras de captación. Consisten en bocas de tormenta, que son las estructuras que recolectan el agua que escurre sobre la superficie del terreno y la conducen al sistema de atarjeas. Se ubican a cierta distancia en las calles con el fin de interceptar el flujo superficial, especialmente Material preparado por: M.C. Roberto García Acevedo, M.C. Ricardo Ruiz Chávez

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aguas arriba del cruce de calles y avenidas de importancia; también se les coloca en los puntos bajos del terreno, donde pudiera acumularse el agua. Están constituidas por una caja que funciona como desarenador donde se depositan las materias pesadas que arrastra el agua y por una coladera con su estructura de soporte que permite la entrada del agua de la superficie del terreno al sistema de la red de atarjeas mediante una tubería de concreto a la que se le denomina albañal pluvial. La coladera evita el paso de basura, ramas y otros objetos que pudieran taponar los conductos de la red. Existen varios tipos de bocas de tormenta, a los cuales se acostumbra llamarles coladeras pluviales: las de piso, de banqueta. combinadas, longitudinales y transversales. Las coladeras de piso se instalan formando parte del pavimento al mismo nivel de su superficie y las de banqueta se construyen formando parte de la guarnición. Cuando se requiere captar mayores gastos, puede hacerse una combinación de ambas. Las coladeras longitudinales son un tipo especial de las de banqueta. La selección de alguna de ellas o de alguna de sus combinaciones depende exclusivamente de la pendiente longitudinal de las calles y del caudal por recolectar. En ocasiones, se les combina con una depresión del espesor del pavimento para hacerlas más eficientes. En la Figura 6.1 se muestran algunos tipos de coladeras pluviales.

Figura 6.1. Tipos de sumideros o coladeras pluviales (ASCE, 1992). 6.2. Obras de conducción Son todas aquellas estructuras que transportan las aguas recolectadas por las bocas de tormenta hasta el sitio de vertido. Se pueden clasificar ya sea de acuerdo a la importancia del conducto dentro del sistema de drenaje o según el material y método de construcción del conducto que se utilice. Según la importancia del conducto dentro de la red, los conductos pueden ser clasificados como atarjeas, subcolectores, colectores y emisores. Se le llama atarjeas o red de atarjeas a los conductos de menor diámetro en la red, a los cuales descargan la mayor parte de las estructuras de captación. Los subcolectores son conductos de mayor diámetro que las atarjeas, que reciben directamente las aportaciones de dos o más atarjeas y las conducen hacia los colectores. Los colectores son los conductos de mayor tamaño en la red y representan la parte medular del sistema de alcantarillado. También se les llama interceptores, dependiendo

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de su acomodo en la red. Su función es reunir el agua recolectada por los subcolectores y llevarla hasta el punto de salida de la red e inicio del emisor. El emisor conduce las aguas hasta el punto de vertido o tratamiento. Una red puede tener más de un emisor dependiendo del tamaño de la localidad. Se le distingue de los colectores porque no recibe conexiones adicionales en su recorrido. En la Figura 6.2 se muestra el trazo de una red de alcantarillado nombrando los conductos de acuerdo a su importancia en la red. Por otra parte, los conductos pueden clasificarse de acuerdo al material que los forma y al método de construcción o fabricación de los mismos. Desde el punto de vista de su construcción, existen dos tipos de conductos: los prefabricados y los que son hechos en el lugar. Los conductos prefabricados son a los que comúnmente se les denomina como “tuberías”, con varios sistemas de unión o ensamble, y generalmente de sección circular. Las tuberías comerciales más usuales en México se fabrican de los materiales siguientes: concreto simple, concreto reforzado, fibrocemento, policloruro de vinilo o PVC, y polietileno. Los conductos construidos en el lugar o in situ son usualmente de concreto reforzado y pueden ser estructuras cerradas o a cielo abierto. A las primeras se les llama cerradas porque se construyen con secciones transversales de forma semielíptica, herradura, circular, rectangular o en bóveda. Las estructuras a cielo abierto corresponden a canales de sección rectangular, trapezoidal o triangular. En la Figura 6.3 se presentan las secciones transversales más usuales en conductos cerrados y en la Figura 6.4, a cielo abierto, aunque algunas de ellas suelen ser combinadas (por ejemplo, triangular y trapecial).

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Figura 6.2. Trazo de una red de alcantarillado

Figura 6.3. Secciones transversales de conductos cerrados Material preparado por: M.C. Roberto García Acevedo, M.C. Ricardo Ruiz Chávez

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Figura 6.4. Secciones transversales de conductos a cielo abierto 6.3. Estructuras de conexión y mantenimiento Son estructuras subterráneas construidas hasta el nivel del suelo o pavimento, donde se les coloca una tapa. Su forma es cilíndrica en la parte inferior y tronco cónico en la parte superior, y son lo suficientemente amplias como para que un hombre baje a ellas y realice maniobras en su interior, ya sea para mantenimiento o inspección de los conductos. El piso es una plataforma con canales que encauzan la corriente de una tubería a otra, y una escalera marina que permite el descenso y ascenso en el interior. Un brocal de hierro fundido o de concreto armado protege su desembocadura a la superficie y una tapa perforada, ya sea de hierro fundido o de concreto armado cubre la boca. Se les conoce como pozos de visita o cajas de visita según sus dimensiones. Este tipo de estructuras facilitan la inspección y limpieza de los conductos de una red de alcantarillado, y también permite la ventilación de los mismos. Su existencia en las redes de alcantarillado es vital para el sistema, pues sin ellas, estos se taponarían y su reparación podría ser complicada y costosa. Para dar mantenimiento a la red, los pozos de visita se ubican al inicio de las atarjeas, en puntos donde la tubería cambia de diámetro, dirección o de pendiente y también donde se requiere la conexión con otras atarjeas, subcolectores o colectores. Por regla los pozos de visita en una sola tubería no se colocan a intervalos mayores de 125 a 175 m dependiendo de los diámetros de las tuberías a unir. Existen varios tipos de pozos de visita que se clasifican según la función y dimensiones de las tuberías que confluyen en los mismos e incluso del material de que están hechos. Así se tienen: pozos comunes de visita, pozos especiales de visita, pozos para conexiones oblicuas, pozos caja, pozos caja unión, pozos caja de deflexión, pozos con caída (adosada, normal y escalonada). Las especificaciones para su construcción se indican en el capítulo correspondiente. Además, en el tema referente al diseño de redes se señala cuando se debe instalar cada uno de ellos. Los pozos de visita usuales se fabrican con ladrillo y concreto. También existen pozos de visita prefabricados de concreto reforzado, fibrocemento y de polietileno. Los pozos Material preparado por: M.C. Roberto García Acevedo, M.C. Ricardo Ruiz Chávez

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permiten la conexión de tuberías de diferentes diámetros o materiales, siendo los pozos comunes para diámetros pequeños y los pozos caja para diámetros grandes. Las uniones entre tuberías se resuelven en el pozo de varias formas, las cuales se especifican en el capítulo correspondiente a diseño. 6.4. Estructuras de vertido Se le denomina estructura de vertido a aquella obra final del sistema de alcantarillado que asegura una descarga continua a una corriente receptora. Tales estructuras pueden verter las aguas de emisores consistentes en conductos cerrados o de canales, por lo cual se consideran dos tipos de estructuras para las descargas. 6.4.1. Estructura de vertido en conducto cerrado Cuando la conducción por el emisor de una red de alcantarillado es entubada y se requiere verter las aguas a una corriente receptora que posea cierta velocidad y dirección, se utiliza una estructura que encauce la descarga directa a la corriente receptora y proteja al emisor de deslaves y taponamientos. Este tipo de estructuras de descarga se construyen con mampostería y su trazo puede ser normal a la corriente o esviajado. 6.4.2. Estructura de vertido en canal a cielo abierto En este caso, la estructura de descarga consiste en un canal a cielo abierto hecho con base en un zampeado de mampostería, cuyo ancho se incrementa gradualmente hasta la corriente receptora. De esta forma se evita la socavación del terreno natural y se permite que la velocidad disminuya. 6.5. Obras complementarias Las obras o estructuras complementarias en una red de alcantarillado son estructuras que no siempre forman parte de una red, pero que permiten un funcionamiento adecuado de la misma. Entre ellas se encuentran las plantas de bombeo, vertedores, sifones invertidos, cruces elevados, alcantarillas pluviales y puentes. 6.5.1. Estaciones de bombeo Una estación de bombeo se compone de un cárcamo de bombeo o tanque donde las aguas son descargadas por el sistema de alcantarillado y a su vez son extraídas por un conjunto de bombas cuya función es elevar el agua hasta cierto punto para vencer desniveles y continuar la conducción hasta el vertido final. Se utilizan cuando:  La elevación donde se concentra el agua está por debajo de la corriente natural de drenaje o del colector existente.  Por condiciones topográficas no es posible drenar por gravedad el área por servir hacia el colector principal, debido a que ella se encuentra fuera del parteaguas de la zona a la que sirve el colector.  Los costos de construcción son muy elevados debido a la profundidad a la que se instalarán los colectores o el emisor a fin de que funcionen por gravedad.  Las plantas de bombeo son instalaciones especializadas de ingeniería, cuyo diseño es un proyecto en sí, por lo cual se cubren en el volumen titulado “Electromecánica” contenido en este Manual de Diseño de Agua Potable, Alcantarillado y Saneamiento. 6.5.2. Vertedores

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Un vertedor es una estructura hidráulica que tiene como función la derivación hacia otro cauce del agua que rebasa la capacidad de una estructura de conducción o de almacenamiento. Su uso en los sistemas de alcantarillado se combina con otras estructuras tales como canales o cajas de conexión, y es propiamente lo que se denomina como una estructura de control. Por ejemplo, cuando se conduce cierto gasto de aguas pluviales o residuales hacia una planta de tratamiento con cierta capacidad y ésta es rebasada debido a la magnitud de una tormenta, el exceso es controlado por medio de un vertedor que descarga hacia un conducto especial (usado solamente en estos casos), que lleva el agua en exceso hacia su descarga a una corriente. 6.5.3. Estructuras de cruce Una estructura de cruce permite el paso de la tubería por debajo o sobre obstáculos que de otra forma impedirían la construcción de una red de alcantarillado. Entre estas se tienen: a) Sifones invertidos. Es una estructura de cruce que permite durante la construcción de un colector o emisor salvar obstrucciones tales como arroyos, ríos, otras tuberías, túneles, vías de comunicación (pasos vehiculares a desnivel), etc., por debajo del obstáculo. Se basa en conducir el agua a presión por debajo de los obstáculos por medio de dos pozos, uno de caída y otro de ascenso, los cuales están conectados en su parte inferior por una tubería que pasa por debajo del obstáculo (Figura 6.5). Así, cuando el agua alcanza el pozo de caída es conducida a presión por la tubería hacia el pozo de ascenso donde puede prácticamente recuperar el nivel que tenía antes de la estructura y continuar con la dirección original del colector.

Figura 6.5. Sifón invertido b) Cruces elevados. Cuando un trazo tiene que cruzar una depresión profunda, se utilizan estructuras ligeras como son puentes de acero, concreto o madera, los cuales soportan la tubería que conduce el agua pluvial (Figura 6.6). En ocasiones, se utilizan puentes carreteros existentes donde se coloca la tubería anclándola por debajo o a un lado de la estructura.

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Figura 6.6. Cruce elevado c) Alcantarillas pluviales y puentes. Este tipo de estructuras de cruce son regularmente empleadas en carreteras, caminos e incluso en ciertas calles en localidades donde se ha respetado el paso de las corrientes naturales (Figura 6.7). Son tramos de tubería o conductos que se incorporan en el cuerpo del terraplén de un camino para facilitar el paso de las aguas de las corrientes naturales, o de aquellas conducidas por canales o cunetas, a través del terraplén. Cuando las dimensiones de los conductos son excesivas, es más conveniente el diseño de un puente.

Figura 6.7. Alcantarillas pluviales (ASCE, 1992) 6.6. Disposición final Se le llama disposición final al destino que se le dará al agua captada por un sistema de alcantarillado. En la mayoría de los casos, las aguas se vierten a una corriente natural que Material preparado por: M.C. Roberto García Acevedo, M.C. Ricardo Ruiz Chávez

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pueda conducir y degradar los contaminantes del agua. En este sentido, se cuenta con la tecnología y los conocimientos necesarios para determinar el grado en que una corriente puede degradar los contaminantes e incluso, se puede determinar el número, espaciamiento y magnitud de las descargas que es capaz de soportar. Por otra parte, la tendencia actual es tratar las aguas residuales y emplearlas como aguas tratadas o verterlas a las corrientes. También se desarrollan acciones encaminadas al uso del agua pluvial, pues pueden ser utilizadas en el riego de áreas verdes en zonas urbanas, tales como jardines, parques y camellones; o en zonas rurales en el riego de cultivos. Así, un proyecto moderno de alcantarillado pluvial puede ser compatible con el medio ambiente y ser agradable a la población según el uso que se le dé al agua pluvial. Al respecto, cabe mencionar los pequeños lagos artificiales que son construidos en parques públicos con fines ornamentales.

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7. MÉTODOS DE OBTENCIÓN DE CAUDAL DE DISEÑO Los métodos que se describen a continuación, tienen como finalidad estimar la avenida que producirá una tormenta en una cuenca, cuando se cumplan algunas de las condiciones siguientes:  La cuenca en estudio está urbanizada y es relativamente chica; de manera que se considera que no es necesaria la simulación detallada de su funcionamiento mediante modelos matemáticos. Este caso incluye a subcuencas asociadas a un sistema principal de drenaje, aunque en el diseño de este último se requiere de una simulación como la mencionada.  La cuenca se drena en forma natural; es decir, no existen drenes artificiales que determinen la forma del escurrimiento, ni presas que lo regulen. Los caudales de aportación de agua pluvial en un sistema de drenaje, dependen de múltiples factores, los más importantes son: - Dimensiones del área por drenar (A). - Forma del área por drenar (f). - Pendiente del terreno (S). - Intensidad de la lluvia (i). - Coeficiente de permeabilidad (k). La determinación de la función compleja Q = F(A, f, S, i, k), condujo a los investigadores sobre este tema, a tratar de obtener expresiones sencillas que relacionaran a todos los factores que intervienen en ella. De las primeras investigaciones se obtuvieron el método racional americano, el gráfico alemán y el de Burkli – Ziegler, este último es un método empírico. Posteriormente se han desarrollado otros métodos. 7.1. Método racional Es posiblemente el modelo más antiguo de la relación lluvia-escurrimiento, su origen se remonta a 1851 ó 1889; debido a su sencillez es uno de los más utilizados. Está basado en considerar que, sobre el área estudiada se tiene una lluvia uniforme durante un cierto tiempo, de manera que el escurrimiento en la cuenca se establezca y se tenga un gasto constante en la descarga. Este método permite determinar el gasto máximo provocado por una tormenta, suponiendo que esto se alcanza cuando la intensidad de lluvia es aproximadamente constante durante una cierta duración, que se considera es igual al tiempo de concentración de la cuenca (Figura 7.1). La fórmula racional se plantea como: Qp = 0.278 C i A (7.1) donde: Qp gasto de pico (m3/s). C coeficiente de escurrimiento (ver sección 7.1.1). i intensidad media de la lluvia para una duración igual al tiempo de concentración de la cuenca (mm/h). A área de la cuenca (km2). 0.278 factor de conversión de unidades. El tiempo de concentración para un punto dado, se define como el tiempo que tarda una gota de agua en viajar desde el punto más alejado de la cuenca hasta la salida de esta. Se calcula mediante: tc = tcs + tt (7.2) donde: tc tiempo de concentración. tcs tiempo de concentración sobre la superficie. tt tiempo de traslado a través de los colectores.

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Figura 7.1. Representación gráfica del método racional Para estimar el tiempo de concentración a través de la superficie, se utiliza la fórmula propuesta por Kirpich, que se define como: (7.3) donde: tcs L S

tiempo de concentración sobre la superficie (h). longitud del cauce principal (m). pendiente media del cauce principal (decimal).

Algunos autores proponen otras fórmulas para calcular el tiempo de concentración a través de la superficie. Sin embargo, la ecuación 7.3 es la más utilizada en México. Para calcular la pendiente media del cauce principal existen también varios criterios; la selección del más adecuado depende de la precisión de los datos de que se disponga sobre el perfil del cauce principal. Para determinar el tiempo de traslado en los colectores se utiliza la fórmula de Manning (7.4) donde: V n R S

velocidad media de traslado (m/s). coeficiente de rugosidad de Manning (adimensional). radio hidráulico (m). pendiente hidráulica del tramo (adimensional).

El tiempo de traslado resulta entonces: (7.5) donde: tt l V

tiempo de traslado, (s). longitud del tramo en el cual escurre el agua, (m). velocidad media de traslado, (m/s).

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7.1.1 Calculo del coeficiente “C” de escurrimiento En la introducción de esta capítulo, se explicó que para calcular el gasto o la cantidad de agua pluvial a transportar por un interceptor, se dispone de distintos métodos y que en todos ellos se utiliza un coeficiente de escurrimiento, que agrupa a distintos factores tales como la permeabilidad, infiltraciones, evaporación y rugosidad de los materiales de las tuberías y del terreno o área drenada, y que origina que el volumen de agua que llega a las tuberías sea menor que el llovido. El coeficiente de escurrimiento está representado por la expresión:

El coeficiente de escurrimiento tiene para una localidad distintos valores en diferentes zonas, según sea el tipo de edificaciones y clases de pavimento, techos, áreas de jardines, etc. En las tablas 7.1, 7.2 y 7.3, se presentan los coeficientes de escurrimiento generalmente utilizados para distintos tipos de áreas y/o superficies de zonas. Se destaca que para el cálculo de los gastos de proyecto se deben utilizar valores promedio de “C”, cuya determinación debe hacerse en función de las distintas superficies que se tengan con diferentes coeficientes de escurrimiento. Lo anterior puede expresarse por el promedio ponderado descrito en la forma siguiente:

Tabla 7.1. Coeficientes de escurrimiento para varios tipos de áreas. Tipo de construcción Tiempo de concentración (mín) Coeficiente de Pendiente Pendiente escurrimiento mayor de 3% menor de 3% Calles y áreas comerciales 0.85-0.90 5 7 Casas de apartamentos y 0.70-0.75 5 7 edificios suburbanos y de negocios Áreas residenciales 0.50-0.65 7 10 Áreas suburbanas 0.30-0.50 10 12 Tabla 7.2. Coeficientes de escurrimiento para diversas superficies Tipo de superficie C Tejados impermeables 0.70-0.95 Pavimentos asfálticos 0.85-0.90 Pavimentos de concreto 0.80-0.95 Aceras y paseos pavimentados 0.75-0.85 Aceras y paseos de grava 0.15-0.30 Césped, terreno arenoso: Pendiente menor 2% 0.05-0.10 Pendiente entre 2% y 7% 0.10-0.15 Pendiente mayor 7% 0.15-0.20 Césped, terreno compacto: Pendiente menor 2% 0.13-0.17 Pendiente entre 2% y 7% 0.18-0.22 Pendiente mayor 7% 0.25-0.35 Material preparado por: M.C. Roberto García Acevedo, M.C. Ricardo Ruiz Chávez

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Tabla 7.3. Coeficientes de escurrimiento para diversas zonas. Zonificación Negocios: Centro de la ciudad Alrededores Residencial (urbana) Vivienda unifamiliar Vivienda plurifamiliar aisladas Vivienda plurifamiliar contiguas Residencial (suburbanas) Apartamentos Industrial Poco intensiva Muy intensiva Parques, cementerios Áreas recreativas Estaciones de ferrocarril Zonas no modificadas

C 0.70-0.95 0.50-0.70 0.30-0.50 0.40-0.60 0.60-0.75 0.25-0.40 0.50-0.70 0.50-0.80 0.60-0.90 0.10-0.25 0.20-0.35 0.20-0.40 0.10-0.30

7.2. Método gráfico alemán Este método sirve para calcular avenidas de diseño en colectores. Su aplicación consiste en: 1) Se divide la cuenca que se va a analizar en subcuencas asociadas a cada tramo de la red de drenaje. 2) Se calcula para cada área de las subcuencas el tiempo de concentración que les corresponde, utilizando la ecuación 7.2. 3) Se calcula el tiempo de concentración asociado a la cuenca (tc) y se considera que la lluvia tiene la misma duración; es decir: d = tc (7.7) donde: d duración de la lluvia, (min). tc tiempo de concentración en toda la cuenca, (min). 4) Se determina el período de retorno, Tr, con alguno de los criterios descritos en el siguiente capítulo. 5) Se calcula la intensidad de la lluvia para la duración obtenida en el paso (3) y el periodo de retorno obtenido en (4), con ayuda de las curvas de intensidad de la lluvia - duración - periodo de retorno. Si no se de las curvas, se obtiene la precipitación P, por medio de la precipitación, y se divide entre la duración para obtener la intensidad de la lluvia correspondiente i. 6) Con la fórmula racional (ecuación 7.1), se estima el escurrimiento máximo en cada una de las subcuencas, considerando que la intensidad de la lluvia, calculada en el paso (5), es uniforme sobre toda la cuenca y las únicas variables que cambian son la superficie y el coeficiente de escurrimiento ponderado con respecto al área, si es el caso. 7) Se construyen los hidrogramas de escurrimiento de cada subcuenca. Para ello se supone que el gasto máximo Qj de la subcuenca en estudio, se alcanza linealmente en un tiempo igual al de concentración de la subcuenca; a partir de ese tiempo, el gasto se mantiene constante hasta un tiempo igual al de la duración total de la lluvia (d) y por último, la recesión también se realiza en un tiempo igual al de concentración, como se muestra en la Figura 7.2. 8) Se calcula el hidrograma de escurrimiento total, para lo cual se procede de la manera siguiente: Material preparado por: M.C. Roberto García Acevedo, M.C. Ricardo Ruiz Chávez

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8.1) El análisis se inicia a partir de la primera subcuenca, aguas abajo, en la cual está ubicada la salida general de la cuenca y se prosigue hacia aguas arriba. 8.2) Si los colectores son concurrentes, se supone que empiezan a contribuir simultáneamente; el hidrograma total se obtiene sumando los hidrogramas producidos por cada uno de ellos. En la Figura 7.3 se muestra gráficamente este proceso. 8.3) Si los colectores son consecutivos, se considera que el colector de la subcuenca, aguas arriba, empieza a aportar agua cuando el de la Subcuenca aguas abajo haya llegado a su tiempo de concentración; es decir, el hidrograma de la subcuenca aguas arriba se suma a partir de que termina el ascenso del hidrograma de la subcuenca de aguas abajo. En la Figura 7.4 se indica la manera de hacerlo. El tiempo de concentración, tc, se calcula con la ecuación 7.2, el tiempo de traslado, tt, definido por la ecuación 7.5, se obtiene para cada tramo. Al sumar todos los hidrogramas, considerando las condiciones mencionadas, se calcula el gasto máximo en el punto considerado. Aun cuando el método gráfico alemán fue diseñado para proyectos de áreas urbanas pequeñas, se puede extender a cuencas naturales, teniendo cuidado en la selección de las corrientes que la forman y de las áreas tributarias de cada una de ellas.

Figura 7.2. Hidrograma de escurrimiento.

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Figura 7.3. Suma de hidrogramas de colectores concurrentes.

Figura 7.4. Suma de hidrogramas de colectores consecutivos. 7.3. Recomendaciones para la selección de los métodos La simulación de las partes principales de un sistema de drenaje pluvial, debe realizarse con métodos con los que se considere que proporcionen los mejores resultados, simulando de la manera más apegada, el carácter dinámico de la evolución de la onda de la avenida en el sistema de drenaje. La selección del método adecuado para el análisis del sistema de atarjeas es un problema más complejo, cuya solución depende de las características específicas del sistema que se esté estudiando. a) Selección del método adecuado para el análisis del sistema de atarjeas Los problemas principales asociados al análisis de una red de atarjeas son: - Diseños a nivel de esquemas de proyecto o anteproyecto, en los que sólo se requiere tener una primera idea de la magnitud de los gastos máximos que se manejarán.

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- Diseños a nivel de anteproyecto, en los que se requiere estimar la magnitud y la forma del hidrograma de descargas, no requiriéndose un análisis del funcionamiento individual de cada uno de los colectores del sistema. - Diseños a nivel de proyecto ejecutivo, en los que se requiere, además de estimar la magnitud y la forma del hidrograma de descarga, profundizar analizando el funcionamiento de los colectores. Para el diseño indicado a nivel de esquemas de proyecto se recomienda utilizar la fórmula racional, dado que su sencillez permite obtener resultados aproximados, considerando solamente las características principales de la cuenca en estudio, como el tipo de suelo, longitud y pendiente del colector y comportamiento de la lluvia. Para el diseño de anteproyecto se recomienda utilizar hidrogramas triangulares para determinar los caudales y volúmenes de salida del sistema de atarjeas al de colectores principales. Para el diseño de proyectos ejecutivos se recomienda utilizar el método del Road Research Laboratory. Si el área es menor a 0.2 km2 puede usarse la fórmula racional. Para los dos métodos anteriores ver el libro 1, alcantarillado pluvial, del M.A.P.A.S. 2007 editado por la CONAGUA. b) Selección del método adecuado para el análisis del sistema de drenaje natural En esto casos, debido a que es prácticamente imposible definir la geometría del sistema de drenaje pluvial, se recomienda utilizar hidrogramas unitarios. Si se cuenta con algunas mediciones simultáneas de gastos a la salida de la cuenca y lluvia en algunos puntos dentro de ella, es preferible utilizar el hidrograma unitario instantáneo ya que se puede hacer la calibración del mismo; en caso contrario pueden emplearse hidrogramas unitarios sintéticos. Estos últimos métodos señalados, el alumno debió estudiarlos la materia de hidrología superficial, por lo que en los presentes apuntes solamente son de carácter enunciativo. 7.4. PERIODO DE RETORNO DE DISEÑO En el diseño de diversas obras de ingeniería, como es, por ejemplo, un sistema de alcantarillado pluvial, se manejan una serie de términos como: periodo de retorno, periodo de diseño, vida útil, periodo de retorno de diseño y periodo económico de diseño. Todos ellos son parámetros de diseño que deben tenerse en cuenta al construir una obra. El periodo de retorno de un evento hidrológico de magnitud dada, se define como el intervalo promedio de tiempo dentro del cual ese evento puede ser igualado o excedido una vez en promedio; algunos proyectistas le dan simplemente el nombre de frecuencia y se acostumbra denotarlo como To simplemente T. Se le llama periodo de retorno de diseño cuando corresponde al periodo de retorno del evento de diseño con el cual se dimensionan las diversas estructuras de una obra. No debe confundirse el término anterior con el periodo de diseño, que es el intervalo de tiempo en el cual se espera que una obra alcance su nivel de saturación o insuficiencia; este periodo debe ser menor a la vida útil de la misma. Se utiliza para diseñar una obra de ingeniería con una estimación de la capacidad requerida al finalizar el periodo de diseño. Lo anterior se hace para evitar ampliaciones o adecuaciones durante un intervalo de tiempo igual al periodo de diseño de la obra. La vida útil de una obra es el tiempo en que la obra sirve adecuadamente a los propósitos de diseño, sin tener gastos elevados de operación y mantenimiento que hagan Material preparado por: M.C. Roberto García Acevedo, M.C. Ricardo Ruiz Chávez

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antieconómico su uso o requiera ser eliminada por insuficiente. La vida útil de cada obra varía de acuerdo a diversos factores entre los que predominan: la importancia de la obra, la duración, resistencia y calidad de los materiales empleados en su construcción; el mantenimiento y operación adecuados; las condiciones locales y desde luego, la demanda de servicio ejercida al sistema. Por último, el periodo económico de diseño es el periodo de retorno de un evento de diseño para el cual se tiene la mejor relación costo beneficio. Cabe destacar que el periodo de retorno de diseño de una obra no siempre es el más económico, sino en ocasiones, el que esta relacionado con el costo accesible para los usuarios. La elección del periodo de retorno de diseño, en un sistema de alcantarillado pluvial, influye en el nivel de protección contra inundaciones y por consiguiente en la capacidad del sistema y el riesgo o probabilidad de falla de la obra. Cabe destacar que no es posible diseñar una obra de protección contra inundaciones cien por ciento segura, debido a que resultaría extremadamente costosa y por otra parte resultaría complejo definir la capacidad de la misma. De análisis económicos, se ha observado que el costo de una obra se incrementa en proporción al nivel de protección deseado hasta cierto punto, el periodo económico de diseño, después del cual, el costo de la obra crece demasiado sin tener mejoras sustanciales en el nivel de protección. Se acostumbra expresar el nivel de protección en función del periodo de retorno del evento de diseño de las obras o simplemente el periodo de retorno de diseño. El periodo económico de diseño resulta difícil de determinar debido a que depende de factores difíciles de cuantificar como son: el costo de la obra; los daños, perjuicios e inconvenientes que puedan tenerse al presentarse una falla, el costo de mantenimiento y, particularmente, el riesgo de pérdida de vidas humanas.

7.4.1. Asignación del periodo de retorno de diseño Cuando el sistema de alcantarillado pluvial se diseña para periodos de diseño grandes (mayores a 10 años), las obras resultantes son costosas y, además, el sistema estaría funcionando la mayor parte del tiempo muy por debajo de su capacidad. Por razones de economía, se ha propuesto usar periodos de retorno de diseño pequeños (1.5 a 10 años), ya que se logra un funcionamiento adecuado del sistema durante lluvias ordinarias, aunque se tengan encharcamientos e inundaciones que provoquen ligeros daños y molestias a la población durante lluvias extraordinarias. El diseño del sistema con un evento de lluvia con magnitud correspondiente a cinco o diez años de periodo de retorno es un periodo económico de diseño porque la obra no es costosa y se tiene un nivel de protección adecuado en condiciones de lluvias ordinarias. Cuando existe riesgo de pérdida de vidas humanas el periodo de diseño debe ser tal que la probabilidad de exceder el evento sea muy pequeño. En las tablas 7.4, 7.5 y 7.6, se anotan los periodos de retorno, recomendables en el diseño de alcantarillado pluvial para estructuras menores (Tabla 7.4), diferentes tipos de uso del suelo (Tabla 7.5) y tipos de vialidad (Tabla 7.6). Tabla 7.4. Periodos de retorno para diseño de estructuras menores TIPO DE ESTRUCTURA Alcantarillas en caminos secundarios, drenaje de lluvia o contracunetas Drenaje lateral de los pavimentos, donde pueden tolerarse encharcamientos causados por lluvias de corta duración Drenaje de aeropuertos Drenaje urbano

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T (años) 5 a 10 1a2

5 2 a 10

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Tabla 7.5. Uso del suelo y periodos de retorno recomendados para diseño TIPO DE USO DEL SUELO T(años) Zona de actividad comercial 5 Zona de actividad industrial 5 Zona de edificios públicos 5 Zona residencial multifamiliar de alta 3 densidad* Zona residencial unifamiliar y multifamiliar 1.5 de baja densidad Zona recreativa de alto valor e intenso uso 1.5 por el público Otras áreas recreativas 1 * Se consideran valores mayores de 100 hab/ha para alta densidad. Tabla 7.6. Tipo de vialidad y periodo de retorno mínimo recomendable de diseño TIPO DE VIALIDAD T (años) Arteria.- Autopistas urbanas y avenidas 5 que garantizan la comunicación básica de la ciudad Distribuidora.- Vías que distribuyen el 3 tráfico proveniente de la vialidad arterial o que la alimentan Local.- Avenidas y calles cuya importancia 1.5 no traspasa la zona servida Especial.- Acceso e instalaciones de 10 seguridad nacional y servicios públicos vitales

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8. Análisis del funcionamiento hidráulico de sistema de alcantarillado pluvial La selección de método adecuado para diseñar obras de protección contra inundaciones depende, en principio, del tipo de problema por resolver (magnitud de la obra, precisión requerida, características de la cuenca etc.) y de la información disponible, de manera que el esfuerzo que se realice en el estudio debe corresponder a los beneficios que se esperan de la precisión en los resultados. Por otra parte, existen factores de tipo subjetivo, como es la experiencia del diseñador en la aplicación de un método particular que influyen en la decisión adoptada. Una vez definida la zona en estudio, se procederá a dividir en áreas de aportación donde se encontrará la red de atarjeas, la que deberá reconocer el subcolector que se localizará en la parte baja de dichas áreas. Los subcolectores aportarán el caudal que conducen a los colectores y éstos finalmente al emisor que descargará el gasto en el sitio de vertido; con base en la anterior el sistema de drenaje pluvial lo podemos dividir para su diseño en: Red de atarjeas (red secundaria) Colectores (red primaria) Emisores (sistema de desagüe)

A continuación se describe el procedimiento que se recomienda para proyectos asociados a la clasificación anterior. 8.1. Diseño de la red de Atarjeas (red secundaria) a) Determine el periodo de retorno relacionado directamente con el uso del suelo en el área en estudio.Tabla 7.5 b) Estime el tiempo de concentración de la cuenca, tc, mediante la ecuación 7.7. Suponiendo un tiempo de escurrimiento superficial hasta los tramos de cabecera (tiempo de entrada) de 15 minutos. c) Calcule la lluvia de diseño asociada al periodo de retorno seleccionado en el paso a) y duración de 15 minutos entre el tiempo de escurrimiento y el de concentración tc. Para esto, se utiliza el procedimiento seleccionado para determinar la tormenta de diseño. d) Calcular el coeficiente de escurrimiento asociado a la cuenca de cada tramo. e) Si el tiempo de concentración de la cuenca calculado en el paso b), es menor o igual a 30 minutos, se deberá utilizar la fórmula racional que aparece en el capítulo 7.1 como modelo de lluvia-escurrimiento, calculado el tiempo de concentración asociado a cada tramo con la ecuación utilizada en el paso b) y la precipitación de la cuenca mayor de 30 minutos, se recomienda utilizar el método RRL que se describe en el M.A.P.A.S. f) Si en el sistema existen elementos de regulación importantes (almacenamientos), será necesario dar la distribución en el tiempo de la tormenta de diseño, para lo cual se requiere hacer un modelo de simulación.

8.2. Diseño de colectores (red primaria) a) Determinar el periodo de retorno con el procedimiento descrito en el subcapítulo 7.4.1. Determinar los gastos correspondientes a cada alternativa. Si como es frecuente, solo se trata de revisar la red, se recomienda hacerlo para periodos de retorno de 3, 5, 10 y 20 años. b) Estimar el tiempo de concentración, la lluvia de diseño y el coeficiente de escurrimiento correspondiente a cada subcuenca de aportación. Si el área de la cuenca es mayor de 10 km2, la lluvia de diseño se deberá afectar por el factor de reducción por área. c) Determinar los hidrogramas de ingreso a la red, utilizando, según la información disponible, cualquiera de los tipos de hidrograma unitario (sintético, triangular o adimensional), correspondientes a la salida de los colectores secundarios, con el procedimiento descrito en el subcapítulo 7.1. Material preparado por: M.C. Roberto García Acevedo, M.C. Ricardo Ruiz Chávez

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d) Transitar los hidrogramas por la red en estudio.

8.3. Diseño de emisores a) Si se estudian elementos de conducción solamente, puede utilizarse un procedimiento análogo, al descrito en el subcapítulo anterior, pero utilizando hidrogramas unitarios deducidos de simulaciones o mediciones en las descargas de la red primaria. b) Si el sistema en estudio está alimentado por una cuenca rural o poco urbanizada, y además, contiene vasos de regulación, los hidrogramas de ingreso se calculan con el hidrograma unitario adimensional, subcapítulo 5.1 y el tránsito de las avenidas por los elementos de regulación, se simula utilizando un método de tránsito de avenidas en sistemas de presas interconectadas.

8.4. Perdidas de lluvia Las cuencas urbanas, son aquellas cuyas condiciones se modifican con el tiempo, de manera que las características estadísticas de los escurrimientos no pueden ser determinadas directamente a partir de los registros de éstos y se tiene que recurrir a estimar; primero, las características estadísticas de las tormentas y segundo, mediante un modelo de lluvia-escurrimiento, determinar las avenidas, suponiendo que su probabilidad de ocurrencia es idéntica a la de la tormenta utilizada para generarla. Es común que no se cuente con registros adecuados de escurrimientos en el sitio de interés para determinar los parámetros necesarios para diseño y operación de obras hidráulicas. Normalmente, los registros de precipitación son más abundantes que los de escurrimiento y, además, no se afectan por cambios en la cuenca, como construcción de obras de almacenamiento y derivación, talas, urbanización, etc. Por ello, es conveniente contar con métodos que permitan determinar el escurrimiento en una cuenca mediante las características de la misma y la precipitación. Las características de la cuenca se conocen por medio de planos topográficos y de uso de suelo; la precipitación se conoce a través de mediciones directas, en el caso de la precipitación que provoca avenidas frecuentes. Los parámetros principales que intervienen en el proceso de conversión de lluvia a escurrimiento son los siguientes:  Área de la cuenca.  Altura total de precipitación.  Características generales de la cuenca, como son la forma, pendiente, vegetación, etc.  Distribución de la lluvia en el tiempo.  Distribución en el espacio de la lluvia y de las características de la cuenca. Debido a que la cantidad y calidad de la información disponible varía grandemente de un problema a otro y por otro lado, no siempre se requiere la misma precisión en los resultados, se han desarrollado una gran cantidad de métodos para analizar la relación lluvia-escurrimiento. La complejidad de los métodos aumenta a medida que se toman en cuenta más de los parámetros citados anteriormente. En este sentido también aumenta su precisión, pero los datos que se requieren son más y de mejor calidad. Para estimar el gasto producido por lluvia sobre una cuenca, existen diferentes métodos, los cuales se clasifican en: a) Métodos directos o empíricos: Consideran que el escurrimiento provocado por una tormenta es función, principalmente, de las características físicas de la cuenca; ejemplo de estos métodos son el de Burkli-Ziegler, racional y gráfico alemán. b) Métodos hidrológicos.- Consideran que existe una relación funcional, generalmente lineal, entre la distribución de la lluvia en el tiempo y el hidrograma a la salida de la cuenca. Dicha relación funcional se basa en principios hidrológicos y puede calibrarse con registros simultáneos de lluvias escurrimientos en la cuenca que se estudia, sin

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considerar explícitamente sus características físicas. Ejemplo de estos métodos es el Roa Research Laboratory y el del Hidrograma Unitario. Muchos de los métodos empíricos y prácticamente todos los hidrológicos, relacionan la lluvia efectiva con el escurrimiento directo, por lo que para su aplicación se requiere primero de la estimación de las pérdidas. Por esta razón, antes de describir los métodos para estimar la relación entre lluvia y escurrimiento, se mencionan algunas formas de calcular las pérdidas.

8.4.1. Determinación de la pérdida De la lluvia que cae en una cuenca al producirse una tormenta, una parte escurre superficialmente para alimentar a la corriente natural o al sistema de drenaje y la otra es interceptada por la vegetación, retenida en depresiones de terreno o se infiltra; a estas últimas se le denomina pérdida. En esto se toma en cuenta la evaporación, ya que el agua no permanece indefinidamente sobre la superficie. En la práctica los componentes de la pérdida son difíciles de separar; por lo que, para efectos de cálculo del escurrimiento en proyectos de diseño de alcantarillado pluvial, se acostumbra calcularla conjuntamente y llamar infiltración a la pérdida total. El cálculo de ella se hacen de la manera siguiente: Si durante una tormenta, se miden simultáneamente la lluvia y el escurrimiento, la pérdida se calcula como la diferencia entre el volumen que llovió y el que se convirtió en escurrimiento directo; el primer volumen se obtiene al multiplicar el área de la cuenca por la lámina de lluvia total de la tormenta y el segundo consiste en separar el escurrimiento base del hidrograma provocado por la tormenta y posteriormente calcular el volumen del escurrimiento directo. De la definición de pérdida se puede escribir que: –

(8.1)

donde: Vp volumen de pérdidas VLL volumen llovido VED volumen de escurrimiento directo Para estimar la forma en que se distribuyen las pérdidas en el tiempo, existen básicamente dos criterios que se describen a continuación: Criterio del coeficiente de escurrimiento Este criterio supone que las pérdidas en cada momento son proporcionales a la intensidad de la lluvia en el mismo momento. A la constante de proporcionalidad se le considera característica de cada cuenca y se le denomina coeficiente de escurrimiento. Se calcula mediante la siguiente expresión: (8.2) donde: CE coeficiente de escurrimiento VED volumen de escurrimiento directo VLL volumen llovido El coeficiente de escurrimiento se puede conocer haciendo mediciones en la cuenca o relacionando los valores que aparecen en las tablas 7.1, 7.2 y 7.3, de acuerdo a las características de la cuenca. Los valores de esta Tabla se obtuvieron para tormentas con 5 a 10 años de periodos de retorno. Este criterio es totalmente empírico y para su aplicación se necesita tener una amplia experiencia y además, de ser posible, contar con mediciones simultáneas de lluvia y escurrimiento, que permitan tener una idea del valor del coeficiente para la zona en estudio.

8.4.2. Criterio de la capacidad de infiltración media Material preparado por: M.C. Roberto García Acevedo, M.C. Ricardo Ruiz Chávez

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En este criterio se supone que la cuenca tiene una capacidad de infiltración promedio constante durante toda la tormenta, de manera que, siempre que llueve con una intensidad menor que dicha capacidad, se infiltra todo lo que llueve y cuando llueve con una intensidad mayor que la capacidad de infiltración, la diferencia escurre. Para determinar la capacidad de infiltración media, se resta a la altura de precipitación total una lámina constante de agua por unidad de tiempo, a la cual se le llama índice de infiltración. Según este criterio, el índice de infiltración es característico de cada cuenca e independiente de la intensidad de la lluvia y se mide en mm/h. Aún cuando el criterio adolece de los mismos inconvenientes que el anterior, se han desarrollado metodologías más elaboradas para estimar con más precisión el índice de infiltración.

8.5. OPTIMACIÓN DE UNA RED DE DRENAJE PLUVIAL Para encontrar el diseño óptimo (el diámetro menor) de una red de drenaje pluvial, se propone utilizar el método sugerido por el M.A.P.A.S. (CONAGUA, 2007) con la finalidad de encontrar el diseño óptimo de un sistema para lo cual el método, se divide en las siguientes en etapas las cuales se encuentran descritas y a mayor profundidad en la referencia citada anteriormente. Las etapas constan de:  Diseño óptimo de la red de drenaje para un determinado periodo de retorno  Costos por insuficiencia de la red  Curva de costo total anual  Costo anual de la red  Costo de mantenimiento  Costo esperado de daños  Selección de la red óptima

8.6. DISEÑO DE LOS PRINCIPALES COMPONENTES DE UNA RED. Se lleva a cabo en forma aproximada, un funcionamiento hidráulico de una red. Con base en el se dice si es aceptable bajo ciertas condiciones y determinado conjunto de diámetros. Se utiliza el método conocido con el nombre de “Gráfico Alemán” con algunas modificaciones para imponer un flujo subcrítico. Este método proporciona en forma aproximada el hidrograma a la salida de las tuberías tomando en cuenta tiempos de desfasamiento en los hidrogramas de cada una de ellas. Con el método racional se define para cada tramo el gasto máximo Q asociado a cierto periodo de retorno y luego se construyen sus hidrogramas a la entrada.

8.6.1. Tuberías Conocido el gasto Q por conducir en cada tramo, puede encontrarse su diámetro D y su pendiente S aceptando que el flujo es uniforme y que tiene un tirante de 0.81D (porque para esta condición en una sección circular la velocidad es máxima). Para esto se utiliza el procedimiento siguiente 1. Se propone un diámetro comercial D 2. Se calcula la velocidad como: (8.3) 3. Si la velocidad esta dentro del intervalo Vmín ≤ v ≤vmáx se sigue con el paso 4. De otro modo va el paso 1. vmín y vmáx son las velocidades permitidas mínima y máxima respectivamente 4. Se obtienen el tirante normal (Yn) y el crítico (Yc) con las ecuaciones Yn = 0.81D

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(8.4)

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(8.5) 5. Para asegurarse que el flujo sea subcrítico (con número de Froude del orden de 0.7) se establece que si Yn > 1.3Yc se continua con el paso 6. De otro modo se va al paso 1. 6. Se obtiene la pendiente con la fórmula de Manning como

(8.6) 7. Termina el proceso.

8.6.2. Ejemplo de diseño de una red de alcantarillado Con la intención de mostrar una aplicación del método se pretende diseñar la red de drenaje urbano combinado que tiene la configuración mostrada en la Figura 8.1. a) Datos Los periodos de retorno T (años) de interés son 3, 5, 10 y 20. Los diámetros (m) comerciales posibles son 0.2, 0.25, 0.30, 0.38, 0.45, 0.61, 0.76, 0.91, 1.07, 1.22, 1.52, 1.83, 2.13 y 2.44. Las velocidades V (m/s) deben estar en el intervalo 0.5 ≤ V ≤ 3 El colchón mínimo es de 0.9 m. Para cada diámetro comercial se especifica el ancho de cepa y el espesor de cama. Se proporcionan gastos por unidad de longitud de las tuberías para cada diámetro, costo de excavación por m3 y costo de arena colocada por m3. La topografía, coeficientes de escurrimiento y áreas de aportación aparecen en la Figura 8.1. Para el cálculo de los gastos de aguas negras, la densidad de población fue de 0.15 hab/m3, la dotación 350 l/hab/día y el coeficiente de retorno de 0.75.

Figura 8.1. Red de drenaje. Material preparado por: M.C. Roberto García Acevedo, M.C. Ricardo Ruiz Chávez

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b) Diseño de la red de drenaje para un periodo de retorno Tr . Para cada periodo de retorno de interés se encontraron los valores de la Tabla 8.1. c) Costo por insuficiencia de la red. En la Tabla 8.2 se muestran las cargas piezométricas de la red diseñada para el periodo de retorno de 3 años cuando se presentan las condiciones de los periodos de retorno de 3, 5, 10 y 20 años. También se incluye en la Tabla 8.2 el costo por daño por cada pozo según su área de aportación. En las tablas 8.3 a 8.5 se anota lo mismo que en la 8.2 pero para la red del periodo de retorno de 5, 10 y 20 años respectivamente. d) Costo esperado de daños por año. Para cada red óptima se dibujó la curva de costos de daños contra periodo de retorno de prueba. De las Figuras obtenidas se estimó el área bajo la curva asociada a cada periodo de retorno encontrándose que

e) Costo anual de la red Se considera que la tasa de interés es de 8 % y se pagará la red durante 20 años, por lo que el costo será

En la Tabla 8.6 se consignan los valores de multiplicar el costo de la red F (aparece en la última columna de la Tabla 8.1) por el factor anterior. Este producto da como resultado el costo de la red anual. f) Selección de la red óptima Al sumar los costos anuales de la red con el costo esperado de daño y con el mantenimiento se obtiene el costo total anual. En la Tabla 8.6 aparecen los resultados encontrados, de los costos anotados en la columna 6 de la Tabla 8.6 se aprecia que el periodo de retorno 5 es el que tiene el costo total anual menor, por lo tanto, el diseño óptimo de la red es el correspondiente a 5 años. En la Tabla 8.7 se anotan los valores de diseño óptimo. Tabla 8.1. Diámetro de diseño para varios periodos de retorno.

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Tabla 8.2. Costos por insuficiencia para la conducción de gastos en la red óptima del periodo de retorno de 3 años.

Tabla 8.3. Costo por insuficiencia para la conducción de gastos en la red óptima del periodo de retorno de 10 años.

Tabla 8.4. Costo por insuficiencia para la conducción de gastos en la red óptima del periodo de retorno de 10 años.

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Tabla 8.5. Costo por insuficiencia para la conducción de gastos en la red óptima del periodo de retorno de 20 años.

Tabla 8.6. Cálculo del costo total anual.

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Tabla 8.7. Diseño óptimo de la red.

8.7. Cárcamos y estaciones de bombeo Las estaciones de bombeo en sistemas de alcantarillado son utilizadas cuando no es posible realizar el desalojo de las aguas residuales y/o pluviales por gravedad.

8.7.1. Planeación y consideraciones del sitio Algunos de los aspectos que se deben considerar en la selección del sitio de bombeo son: tener acceso adecuado para garantizar una operación segura, acciones de mantenimiento y de emergencia en cualquier momento. Las condiciones hidráulicas deben tener primordial importancia en la selección del sitio, también se debe tener en cuenta que no se inunde el sitio por efecto de los escurrimientos superficiales producidos durante las lluvias, así como contar con un área de estacionamiento y maniobras de maquinaría.

8.7.2. Tipos de estaciones de bombeo Las estaciones de bombeo son necesarias para desalojar: a) Aguas residuales domésticas crudas b) Aguas pluviales c) Aguas residuales industriales d) Aguas residuales de redes de alcantarillado unitario e) Fangos producidos en las plantas de tratamiento f) Efluentes tratados g) Redes de agua en las plantas de tratamiento Se recurre al uso de estaciones de bombeo en las redes alcantarillado por lo siguiente: a) Si la cota de la zona a servir es demasiado baja para que sus aguas residuales puedan ser evacuadas por gravedad a los colectores existentes o en proyecto b) Se necesita dar servicio a zonas situadas en el exterior de la cuenca vertiente pero que pertenezca a la zona a sanear. c) Si la omisión de un bombeo, aún en el caso de que ello sea factible, supone un costo de construcción excesivo debido a la necesidad de efectuar grandes excavaciones para la construcción de la alcantarilla que preste servicio a una zona determinada.

8.7.3. Clasificación de las estaciones de bombeo Las estaciones de bombeo se han clasificado de diferentes maneras, aunque ninguna de ellas es totalmente satisfactoria. Algunos de los sistemas normales de clasificación son los siguientes: a) Por capacidad (m3/s) b) Por la fuente de energía (electricidad, motores diesel, etc.) c) Por el método de construcción empleado (in situ, prefabricadas, etc.) d) Por su función u objetivo específico. Material preparado por: M.C. Roberto García Acevedo, M.C. Ricardo Ruiz Chávez

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En la Tabla 8.8 se presenta una clasificación de las estaciones de bombeo según su capacidad y el método constructivo normalmente utilizado. Como puede verse, hay una diferencia considerable en lo que se refiere al intervalo de capacidades entre las estaciones prefabricadas y las de construcción convencional. Tabla 8.8. Clasificación de las estaciones de bombeo según su capacidad y método constructivo utilizado

Las estaciones de bombeo prefabricadas son suministradas en módulos que incluyen todos los equipos y componentes ya montados. Normalmente, se encuentran disponibles en tres tipos de equipos de bombeo: eyectores neumáticos, bombas sumergidas y bombas de cámara seca. Los eyectores neumáticos se suelen emplear para caudales pequeños, ya que las bombas centrifugas cuya sección de paso sea de 75 mm, no puede funcionar a caudales menores de 0.006 m3/s. Para caudales pequeños también se puede emplear bombas sumergidas que pueden ser extraídas para su mantenimiento sin afectar el sistema de impulsión. Ambos tipos de bombas pueden utilizarse en instalaciones prefabricadas o convencionales. En el curso de los últimos años, la capacidad de las instalaciones prefabricadas se ha visto incrementada notablemente, pudiendo conseguirse, en la actualidad instalaciones de capacidades superiores a 0.3 m3/s. La capacidad de las estaciones de bombeo convencionales suelen oscilar entre 0.02 y 0.65 m3/s. Se emplean cuándo: 1) las condiciones locales impiden el uso de estaciones prefabricadas, 2) la magnitud o la variación del caudal es tal que excede a las capacidades disponibles de las instalaciones prefabricadas. Aunque se emplea el término convencional para describir este tipo de estaciones, cada una de ellas se proyecta para adecuarla las condiciones locales.

8.7.4. Características generales de las estaciones de bombeo El objeto básico de una estación de bombeo es elevar el agua, por lo que dentro de una estación se incluyen, tanto las bombas como equipos auxiliares de las mismas. En consecuencia, las características de diseño de las estaciones de bombeo varían con la capacidad y el método constructivo a emplear.

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9. Análisis de costos La elaboración de un proyecto de alcantarillado consta de varios pasos entre los que destacan los siguientes: a) Recopilación de información b) Memoria descriptiva c) Datos de proyecto d) Trazo de la red de alcantarillado sanitario y/o pluvial e) Diseño hidráulico de la red de alcantarillado sanitario y/o pluvial f) Planos de la red de alcantarillado sanitario y/o pluvial g) Catalogo de conceptos y cantidades de obra y presupuesto De los aspectos anteriores ya se han descrito algunos en los capítulos anteriores (a, c, d, e), a continuación se describen los restantes. 9.1. MEMORIA DESCRIPTIVA Deberá presentarse la memoria descriptiva justificativa de todos los elementos y datos de proyecto, que contempla la información y consideraciones que se hicieron durante el proyecto para la compresión de los trabajos constructivos del sistema de drenaje pluvial se incluirá los datos básicos de proyecto. 9.1.1. Estudios efectuados La memoria descriptiva deberá contener, en lo relativo a estudios previos, efectuados para la elaboración del proyecto, lo siguiente a) Plano del sistema existente, si lo hubiese, indicando los materiales y dimensiones de atarjeas, sentido del escurrimiento y sitio de descarga. Si has plantas de bombeo, deberá señalarse su posición indicando las características geométricas, hidráulicas y electromecánicas, incluyendo la subestación eléctrica. b) Relación del estado de conservación del sistema existente, conteniendo las observaciones del potencial de utilización, con las indicaciones necesarias para su ampliación o mejoramiento. c) La planimetría y altimetría de la localidad incluyendo el trazo y perfil de colectores y emisores. d) Período económico del proyecto. e) Delimitación de las zonas de construcción, inmediata y futura 9.1.2. Tablas y resúmenes de cálculo El proyecto deberá acompañarse de las tablas de cálculo hidráulico y geométrico de la red de atarjeas proyectada. Adicionalmente se presentarán los cálculos efectuados para obtener los elementos básicos del proyecto y su dimensionamiento. 9.2. PLANOS CONSTRUCTIVOS Los planos constructivos de la red de atarjeas, colectores y emisores, se harán a escala adecuada no mayor de 1:2,000; indicando en los pozos de visita las cotas del terreno y plantilla; en los tramos de tubería la longitud, pendiente y diámetro. Se incluirá la simbología, las cantidades de obra correspondientes al plano, los datos de proyecto, notas y croquis de localización. . 9.3. CATALOGO DE CONCEPTOS, CANTIDADES DE OBRA Y PRESUPUESTO Para tener un costo estimado del proyecto, se elaborará el catálogo de conceptos con precios unitarios vigentes de la CONAGUA, indicando las cantidades de obra que estará de acuerdo con los planos constructivos y especificaciones del proyecto. En el presupuesto se desglosaran los conceptos para la ejecución de la obra, como principales puntos los siguientes: a) Ruptura y reposición de pavimentos Material preparado por: M.C. Roberto García Acevedo, M.C. Ricardo Ruiz Chávez

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b) Terracerías b.1) excavación en zanjas b.2) plantilla b.3) relleno de la excavación c) Acarreos d) Instalación de tuberías e) Suministro de tuberías f) Pozos de visita g) Brocales y tapas h) Coladeras i) Limpieza Estos conceptos se realizarán de acuerdo a las especificaciones generales y particulares de construcción, las cuales debe observar el contratista.

Material preparado por: M.C. Roberto García Acevedo, M.C. Ricardo Ruiz Chávez

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