Diseño de obra Captación en río
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Universidad de San Carlos de Guatemala Facultad de ingeniería ERIS Msc. Ing. Félix Aguilar Inga. Mariela Yulissa Rodríguez García Inga. Adriana Daniela Orozco Miranda
“Diseño de de obra Captación en Río”
PRIMER SEMESTRE 02/04/2013
DISEÑO OBRA DE CAPTACIÓN SUPERFICIAL TALLER No. 1 - CAPTACIONES ABASTECIMIENTO DE AGUA EN POBLACIONES Y EDIFICACIONES
Contenido 1.
Periodo de Diseño ....................................................................................................... 4
2.
Calculo de población futura.......................................... ............................................... 4
3.
Calculo de caudal de diseño ........................................................... ............................. 6
Caudal de población ................................................................................. 6
Caudal de industrial .................................................................................. 6
Caudal de hospital ................................................................................... 7
Calculo de caudal máximo diario .................................................................. 7
4.
Diseño de bocatoma...................................................... .............................................. 8 Datos: ......................................................................................................... 9 Criterios para diseño de captación en rio: ......................................................... 9 Diseño de la captación ................................................................................. 10 1.
Propuesta de Rejilla ............................................................................... 10
Pérdidas en la rejilla ............................................................................... 10
Aplicación de factor de seguridad (2-3) .................................................... 10
Caudal captado si el vertedero fuera libre (no sumergido) ............................. 11
Longitud efectiva rejilla ........................................................................... 11
Verificación de la longitud de varilla ..........................................................12
Espaciamiento de varillas ......................................................................... 12
Numero de varillas ................................................................................. 12
2.
Diseño de cámara de derivación ............................................................... 13
3.
Diseño de línea de aducción .................................................................... 13
Calculo de caudal diseño......................................................................... 13
Calculo de H de ubicación de orificio........................................................ 13
Calculo de cota de tubería ...................................................................... 14
Cota de tubería salida a Desarenador........................................................ 14
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DISEÑO OBRA DE CAPTACIÓN SUPERFICIAL TALLER No. 1 - CAPTACIONES ABASTECIMIENTO DE AGUA EN POBLACIONES Y EDIFICACIONES
INTRODUCCIÓN La obras de captación son la clave más importante para suministrar agua a los poblados, ya que de ella depende si la viabilidad de este tipo de proyectos, dentro de las fuentes hay superficiales y subterráneas, dentro de las superficiales se tiene son los manantiales, ríos. La captación en un rio se realiza si se estima que la fuente es adecuada para el consumo humano o que se suscite la posibilidad que sea el único medio de abastecimiento de agua y que a través de un tratamiento pueda ser consumida, después de esta aprobación se procede a realizar el diseño hidráulico de la captación la cual se puede diseñar por varios métodos puede ser por medio de bocatomas laterales, vertederos, bocatomas de fondo, y eso queda a criterio del diseñador. En este caso se realizo una diseño de boca toma lateral, en donde se argumenta la posición de la misma debido a los datos que se nos fueron proporcionados.
OBJETIVOS
1. Establecer parámetros de diseño en captaciones en ríos 2. Utilización de Normativas como fundamento del Diseño 3. Adquirir los conocimientos fundamentales para Diseñar una captación en un rio
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DISEÑO OBRA DE CAPTACIÓN SUPERFICIAL TALLER No. 1 - CAPTACIONES ABASTECIMIENTO DE AGUA EN POBLACIONES Y EDIFICACIONES
DATOS PRELIMINARES
Área urbana
Temperatura= 22 °C
Hospital con capacidad de 10 camas
Cervecería producción=
Sección N1 N2 N3 N4 No A-A’ 99.10 99.40 101.00 101.50 98.70 B-B’ 98.70 99.00 100.50 101.20 98.00 C-C’ 96.50 97.00 98.00 98.40 95.30
DISEÑO DE OBRA DE CAPTACIÓN EN RIO 1. Periodo de Diseño Basado en la sección 2.2.1 de la norma de EMPRESA MUNICIPAL DE AGUA DE LA CIUDAD DE GUATEMALA (Dirección de planificación unidad de diseño de agua y alcantarillado), se elige un periodo de diseño de 20 años. 2. Calculo de población futura El método que se utilizó para el cálculo de población futura es el método geométrico debido a que describe de mejor forma el comportamiento del crecimiento poblacional en el país; suponiendo que la población urbana proporcionada se encuentra dentro del mismo. En la norma de EMPRESA MUNICIPAL DE AGUA DE LA CIUDAD DE GUATEMALA (Dirección de planificación unidad de diseño de agua y alcantarillado) que es un reglamento destinado para áreas urbanas no especifica algún método, sin embargo este método si es considerado en la Guía de Normas Sanitarias Para el diseño de sistemas Rurales de abastecimiento de agua para el consumo humano (INFOMUNEPAR), respaldando el criterio aplicado para este diseño.
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DISEÑO OBRA DE CAPTACIÓN SUPERFICIAL TALLER No. 1 - CAPTACIONES ABASTECIMIENTO DE AGUA EN POBLACIONES Y EDIFICACIONES
Método Geométrico
Determinación de población futura Determinación de tasa poblacional (ciudad de Guatemala)
Año
Población
2007 2, 937,307 habitantes 2008
2,994,047 habitantes
2009 3,049, 601 habitantes 2010 3,103, 685 habitantes FUENTE: INE, Censo Poblacional 2002 y Proyecciones de Población con base en el Censo 2002
Periodo 2007-2008
Periodo 2008-2009
Periodo 2009-2010
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Se estima un promedio de la tasa de crecimiento poblacional
Periodo de diseño= 20 años Tu=2013 Tf = 2033 Pu= 5,000 hab
3. Calculo de caudal de diseño
Caudal de población
Dotación = 150 l/hab*día, se asume este valor debido a que no se cuenta con datos de la zona solo la población y ubicando la zona como un promedio es decir una zona domiciliar R4= 160-180 m2 por lote. Fuente (tabla N.2, sección y 2.2.3 EMPRESA MUNICIPAL DE AGUA DE LA CIUDAD DE GUATEMALA (Dirección de planificación unidad de diseño de agua y alcantarillado). Consumo medio de la población en un año (cmd) cmd = habitantes * Dotación = habitantes * litros /(habitantes * día) * 1 día / 86,400 segundos
Caudal de industrial
Se está considerando solo el caudal de la Cervecería en cuanto a producción, debido a que no se cuenta con la información para estimar el caudal de las personas que laboran en la empresa.
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Caudal de hospital
Según la sección 2.2.3.3 de la norma EMPRESA MUNICIPAL DE AGUA DE LA CIUDAD DE GUATEMALA (Dirección de planificación unidad de diseño de agua y alcantarillado) estipula: Hospitales y clínica 600 Lts/día-cama Hospital tiene capacidad de 10 camas
CAUDAL TOTAL
Calculo de caudal máximo diario
Para áreas urbanas no se considera un factor de día máximo, pero por seguridad se considera un gasto mayor.
CMD = cmd * F DM (FDM = Factor día máximo) FDM Para población futura > 1000 habitantes 1.2
Fuente: inciso C, sección 4.3.1 (Guía de Normas Sanitarias Para el diseño de sistemas Rurales de abastecimiento de agua para el consumo humano, INFOM- MSPAS)
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4. Diseño de bocatoma Figura 1. Planta y secciones del río.
Figura 2. Perfil del río.
Figura 3. Niveles en perfil del río.
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Datos: Ancho de rio. 2.50 metros Pendiente: moderada Cota fondo del río: 98.00 metros Nivel de aguas mínimas. 98.70 metros Nivel de aguas máximas: 101.20 metros Caudal mínimo: 200 l/s Caudal máximo: 600 l/s Criterios para diseño de captación en rio: 1. Se ha escogido la sección “B” para una captación lateral en rio por las siguientes razones: a. Según los datos proporcionados, y bajo un estudio detallado se determino que en el punto B se tienen velocidades menores que en el punto C, debido a que la diferencia de cotas entre su punto inicial y su punto final no es tan grande como el tramo continuo el cual pertenece al punto C. b. El punto B es el que mejor se adapta a las condiciones de la captación debido a que posee menor curvatura que el punto A y B, eligiendo el borde exterior por comodidad a la captación del flujo y tomando en cuenta que no se tiene un dato de la ubicación de la captación. c. Hay menor posibilidad de azolvamiento debido a que la velocidad que se genera en el tramo continuo es mayor, así mismo menor posibilidad de socavamiento debido a que la velocidad de llegada no es tan fuerte como la de salida. 2. El caudal a captar: a. Se captara un caudal igual a 4 veces el caudal máximo diario con nivel mínimo, a fin de dar un margen de seguridad. (según sección 6.1.1 de Guía de Normas Sanitarias Para el diseño de sistemas Rurales de abastecimiento de agua para el consumo humano, (INFOM-MSPAS).
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Diseño de la captación 1. Propuesta de Rejilla Espaciamiento rejilla ambos sentidos = 1pulg Diámetro de varillas = 1 pulg Angulo de rejilla = 60° con la horizontal y a favor de la corriente del rio. Velocidad de aproximación= 0.60 m/s, según sección 2.4 inciso b, parámetros generales ”Acueductos Teora y Diseño Freddy Corcho” .
Pérdidas en la rejilla
H = perdida de carga en m W = espesor de la barra en m V = velocidad en aproximación en m/s (0.60 m/s) (hv) = carga de velocidad en m (v 2/2g) θ = ángulo de la varilla con la horizontal (b)= profundidad de la varilla
Formula de Kinhmmer
Aplicación de factor de seguridad (2-3)
La finalidad de esta factor toma en cuenta la pérdida de carga (m) del agua que pasa por la rejilla debido al área que se reduce por las barras que la conforman:
Asumiendo una carga de h 1 = 0.20 metros se tiene que el nivel de agua dentro de la caja de derivación h2 = H- h1 = 0.20m - 0.06m = 0.14 m por encima del vertedero.
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Caudal captado si el vertedero fuera libre (no sumergido)
Asumiendo que el vertedero trabaja sumergido, se utiliza la formula de Villamonte
Donde: Q= caudal que se requiere captar Q 1= caudal captado si el vertedero fuera libre (no sumergido) S= sumergencia n.= exponente en la formula como vertedero libre=1.5 El caudal que la bocatoma requiere captar es 60.8050 l/s
Se despeja de la formula de Villamonte para hallar el caudal captado si el vertedero fuera libre
Longitud efectiva rejilla
De la formula de vertederos de pared delgada y flujo libre se busca la longitud efectiva de la rejilla Le.
Espaciamiento de varillas
Numero de varillas
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Verificación de la longitud de varilla
Mediante formula de Engels para casos de flujo sub-critico.
Donde: Q = caudal captado en m3/s Le= longitud efectiva en m H=carga sobre la cresta en m Despejando para hallar la longitud efectiva
La diferencia entre la longitud efectiva calculada con la formula de vertederos de pared delgada y la formula de Engels no es representativa por lo cual se tomara un promedio de las longitudes efectivas y se trabajara con un nuevo espaciamiento, se considero 4 veces el caudal máximo diario.
Espaciamiento de varillas
Numero de varillas
Cuando se producen varios niveles diferentes al mínimo, la caja de derivación rebosara pero el caudal a pasar por el Desarenador es controlado por medio de un vertedero de excesos, dispuesto en el mismo Desarenador. Calculo de vertedero de excesos Cota nivel mínimo del rio= 98.70 metros Cota de cresta de vertedero de bocatoma= 98.70m - 0.20m= 98.50 metros
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2. Diseño de cámara de derivación La propuesta de la cámara de derivación es de 1.00 * 2.50 m, tomando en cuenta la limpieza y mantenimiento. Cota nivel mínimo del agua en la cámara de derivación= Nivel min rio – perdidas en la reja. Cota nivel mínimo Cámara derivación = 98.70 m – 0.06 m = 98.64 m 3. Diseño de línea de aducción Se diseña con un orificio sumergido, suponiendo que el Desarenador se colocara cerca de la bocatoma.
Calculo de caudal diseño CMD= 15.20 l/s
ñ
ñ
Calculo de H de ubicación de orificio
ñ
Donde: C= coeficiente de descarga =0.61 A= área de tubería= Ø asumido 6 ” y su A=0.018m2 Q diseño= 30.40 l/s ≈ 0.0304 m3/s
ñ
Se prueba con un diámetro de 8” A=0.032 m2
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ñ
Se decide utilizar el diámetro de 8 ” para la tubería de aducción
Calculo de cota de tubería Cota eje de tubería= Cota nivel mínimo Cámara derivación - H Cota eje de tubería= 98.64 m – 0.12 m = 98.52 m
Cota de tubería salida a Desarenador Cota de salida D = cota eje de tubería – Ø/2 Cota de salida D = 98.52m – (0.2032)/2 = 98.4184 m
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CONCLUSIONES 1.
Durante el proceso de diseño fueron tomados varios parámetros de mucha importancia, los cuales toman en cuenta el comportamiento que se pueda presentar favorable o desfavorablemente. Estos parámetros prevén que la obra desempeñe un funcionamiento eficiente ante fenómenos que se puedan presentar, como lo es el caso de las crecidas que para las cuales se tomo en cuenta el dato del nivel máximo proporcionado, así como también el nivel mínimo que es importante para controlar el caudal a suministrar durante épocas de verano.
2.
Para el desarrollo del diseño, fueron consultadas las normativas para poblaciones urbanas, sin embargo también se utilizó lo expuesto en la normativa para poblaciones rurales debido a la falta de información que se tenía en la normativa anterior. El uso de las normativas en apoyo con el criterio adquirido para diseñar dio como resultado la mejor solución para este diseño.
3.
El diseño de una captación superficial puede llegar a ser complejo en su desarrollo, puesto que para realizarlo según el criterio y la necesidad puede varía para adaptarse de la manera más eficiente. Los conocimientos fundamentales para su diseño deben englobar las condiciones con las que se van a trabajar y el sistema que se empleará. En el caso del diseño presentado, se optó por una bocatoma lateral por el caudal a suministrar que en base a la población es moderado; esto también en base a las condiciones físicas que presenta el río para su ubicación.
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REFERENCIAS
Bibliográficas:
1. CAPTACIÓN. Acueductos Teoría y Diseño. Freddy Corcho y José Ignacio Duque. Sello editorial: Universidad de Medellín. ISBN: 958-97681-1-3 2. Guía de Normas Sanitarias Para el diseño de sistemas Rurales de abastecimiento de agua para el consumo humano, INFOM-MSPAS) 3. REGLAMENTO PARA PRESENTACIÓN DE PROYECTOS DE AGUA POTABLE. EMPRESA MUNICIPAL DE AGUA DE LA CIUDAD DE GUATEMALA (Dirección de planificación unidad de diseño de agua y alcantarillado).
Electrónicas:
4. DEMOGRAFÍA. Invest in Guatemala. Copyright Invest in Guatemala PRONACOM. © 2008. Disponible en: http://www.investinguatemala.org/index.php?option=com_content&task=view&i d=13&Itemid=15
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