diseño hidraulico de alcantarillado y redes hidraulicas

Guía para el diseño Hidráulico de Redes de Alcantarillado

Medellín 2009

Guía para el Diseño Hidráulico de Redes de Alcantarillado

TABLA DE CONTENIDO Capítulo 1 INTRODUCCIÓN.....................................................................................................................................................................5 Capítulo 2 INFORMACIÓN MÍNIMA NECESARIA Y CRITERIOS DE DISEÑO.........................................................7 2.1 INFORMACIÓN MÍNIMA.............................................................................................................................................................7 2.2 CONSIDERACIONES DE DISEÑO...........................................................................................................................................9 2.2.1 Clientes y población.......................................................................................................................................................9 2.2.2 Geometría de la red de alcantarillado.................................................................................................................9 2.3 PARÁMETROS DE DISEÑO.........................................................................................................................................................9 2.3.1 Período de diseño de redes de aguas residuales.........................................................................................9 2.3.2 Parámetros hidráulicos..................................................................................................................................................9 Capítulo 3 INFORMACIÓN DEL SISTEMA A DISEÑAR....................................................................................................... 11 3.1 SISTEMA A DISEÑAR.................................................................................................................................................................. 11 3.2 PARAMETROS DE DISEÑO..................................................................................................................................................... 16 3.2.1 Caudales de agua residual....................................................................................................................................... 16 3.2.2 Caudales de agua lluvia............................................................................................................................................. 17 Capítulo 4 CAUDAL DE AGUAS RESIDUALES.......................................................................................................................... 19 4.1 CÁLCULO DEL CAUDAL DE AGUAS RESIDUALES DOMÉSTICAS..................................................................... 19 4.1.1 Método utilizando los usuarios y el consumo............................................................................................ 19 4.1.2 Método utilizando la proyección del circuito.............................................................................................. 21 4.2 CÁLCULO DEL CAUDAL DE AGUAS RESIDUALES INDUSTRIALES.................................................................. 21 4.3 CAUDAL DEL CAUDAL DE AGUAS RESIDUALES COMERCIALES..................................................................... 22 4.4 CÁLCULO DEL CAUDAL DE AGUAS RESIDUALES DE USO OFICIAL Y USO ESPECIAL........................ 22 4.5 CAUDALES DE AGUA RESIDUAL DE LAS ÁREAS TRIBUTARIAS PROPIAS DE CADA TRAMO........... 22 4.6 CAUDAL MEDIO DIARIO DE AGUAS RESIDUALES................................................................................................... 24 4.7 CÁLCULO DEL CAUDAL MÁXIMO HORARIO.............................................................................................................. 25 4.8 CÁLCULO DEL CAUDAL POR INFILTRACIÓN............................................................................................................... 25 4.9 CÁLCULO DEL CAUDAL DE AGUAS RESIDUALES POR CONEXIONES ERRADAS................................... 26 4.10 CÁLCULO DEL CAUDAL DE DISEÑO DE AGUA RESIDUAL........................................................................... 26 Capítulo 5 CAUDAL DE AGUAS LLUVIAS.................................................................................................................................... 31 5.1 CÁLCULO DEL CAUDAL DE AGUA LLUVIA................................................................................................................... 32 5.2 CAUDALES DE DISEÑO............................................................................................................................................................ 37 Capítulo 6 DISEÑO HIDRÁULICO DE LA RED DE ALCANTARILLADO.................................................................... 39 6.1 DISEÑO TRAMO A TRAMO..................................................................................................................................................... 39 6.1.1 Caudales de diseño...................................................................................................................................................... 40 6.1.2 Determinación de diámetros................................................................................................................................. 40

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6.1.3 Evaluación de criterios hidráulicos..................................................................................................................... 44 6.1.4 Diseño de la red............................................................................................................................................................. 46 6.2 DISEÑO DE CÁMARAS.............................................................................................................................................................. 50 6.2.1 Determinación del diámetro de las cámaras............................................................................................... 50 6.2.2 Diseño de cámaras de unión subcrítica.......................................................................................................... 51 6.2.3 Diseño de cámaras de unión supercríticas................................................................................................... 53 6.2.4 Diseño de cámara de caída..................................................................................................................................... 55 6.3 DISEÑO DE ELEMENTOS ESPECIALES............................................................................................................................. 55 Capítulo 7 COMPROBACIÓN DE DISEÑO CON FGV........................................................................................................... 57 7.1 CARACTERÍSTICAS TOPOLÓGICAS DE LA RED.......................................................................................................... 57 7.2 CAUDAL DE DISEÑO.................................................................................................................................................................. 58 7.3 EJECUCIÓN DEL MODELO HIDRÁULICO....................................................................................................................... 58 7.4 REVISIÓN DEL COMPORTAMIENTO HIDRÁULICO DE LA RED.......................................................................... 59 Capítulo 8 COMPROBACIÓN DE DISEÑO CON FNP........................................................................................................... 63 8.1 CARACTERÍSTICAS TOPOLÓGICAS DE LA RED.......................................................................................................... 64 8.2 CARACTERÍSTICAS DE LAS ÁREAS TRIBUTARIAS...................................................................................................... 64 8.3 CAUDAL DE AGUA RESIDUAL.............................................................................................................................................. 67 8.4 CAUDAL DE AGUA LLUVIA.................................................................................................................................................... 67 8.4.1 Hietograma de diseño............................................................................................................................................... 67 8.4.2 Hidrogramas de diseño............................................................................................................................................. 68 8.5 EJECUCIÓN DEL MODELO HIDRÁULICO....................................................................................................................... 69 8.6 REVISIÓN DEL COMPORTAMIENTO HIDRÁULICO DE LA RED.......................................................................... 69

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Capítulo 1 INTRODUCCIÓN

- Capítulo 3: Información necesaria para desarrollar el ejemplo de diseño.

Esta Guía de Diseño Hidráulico de Redes de Alcantarillado tiene como objetivo explicar la forma de llevar a cabo el diseño hidráulico de un sistema de alcantarillado, de acuerdo con lo establecido en las Normas de Diseño de Redes de Alcantarillado de EPM. Para cumplir con este propósito, la guía establece en forma secuencial, todos las pasos que se deben seguir hasta finalizar el diseño y la comprobación del comportamiento hidráulico del sistema de drenaje urbano.

- Capítulo 4: Determinación de los caudales de agua residual a partir de la información de consumos de los usuarios de la red de acueducto. - Capítulo 5: Determinación de los caudales de aguas lluvias de acuerdo con el régimen pluviográfico de la zona de estudio. - C apítulo 6: Diseño hidráulico de la red de alcantarillado para la condición de flujo uniforme, calculando los caudales de diseño, los diámetros de las tuberías, los materiales a utilizar y las cotas de las cámaras de inspección. Con la red diseñada se evalúan criterios que se deben cumplir a fin de evitar problemas de sedimentación y facilitar la limpieza en las tuberías. Igualmente se indica cómo se diseñan y evalúan las cámaras de inspección, cámaras de caída y estructuras especiales.

Es importante enfatizar que esta guía corresponde únicamente al diseño hidráulico de la red, el cual se entiende como la determinación de la pendiente de cada tramo, el cálculo de los caudales de cada tramo, el dimensionamiento del diámetro interno de cada tramo, el diseño de las estructuras complementarias y la comprobación del comportamiento hidráulico de todo el sistema ensamblado bajo las condiciones de flujo gradualmente variado y/o flujo no permanente.

- Capítulo 7: Comprobación del diseño hidráulico de la red para la condición de flujo gradualmente variado. De acuerdo con los resultados de la simulación y las limitaciones de campo, se analizará la posibilidad de modificar las cotas de las cámaras y/o los diámetros de las tuberías, siempre buscando mejorar la hidráulica de la red.

La metodología seguida en la guía consiste en presentar un ejemplo de diseño correspondiente al alcantarillado combinado del barrio Prado Centro de la ciudad de Medellín, el cual es existente y se desea optimizar. Sin embargo, la guía puede ser utilizada para sistemas de alcantarillado separado de aguas residuales o lluvias y también para los casos de nuevos desarrollos.

- Capítulo 8: Comprobación del diseño para la condición de flujo no permanente. Se evaluarán las condiciones hidráulicas de las cámaras y los tramos con el fin de establecer sobrecargas, y en caso de presentarse solucionar dichos problemas modificando algunas características de la red.

El contenido de la Guía de Diseño Hidráulico de Redes de Alcantarillado está dividido de la siguiente manera: - Capítulo 2: Información mínima y criterios de diseño que debe tener en cuenta el ingeniero para realizar el diseño de la red de alcantarillado y parámetros de diseño.

En la Figura 1‑1 se muestra el sector geográfico correspondiente a la zona del proyecto que se utilizará para ilustrar la aplicación de la Guía.

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Figura 1‑1: Imagen satelital del sector de Prado Centro.

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Capítulo 2 INFORMACIÓN MÍNIMA NECESARIA Y CRITERIOS DE DISEÑO

Por consiguiente en este capítulo se especifica únicamente la información mínima necesaria y los criterios para diseñar un proyecto cuya concepción general ya ha sido desarrollada.

En el Numeral 2.4 de las Normas de Diseño de Redes de Alcantarillado de EPM se establecen los pasos necesarios, los criterios de diseño y la información básica que se requieren para llevar a cabo el proceso de diseño de un sistema de alcantarillado. En general, en el caso del municipio de Medellín y los demás municipios del Valle de Aburrá cuya operación está a cargo de las Empresas Públicas de Medellín la gran mayoría de estos pasos ya han sido realizados.

La información mínima necesaria es aquella requerida para que el diseñador pueda llevar a cabo el proceso de optimización del diseño hidráulico de la red.



2.1 INFORMACIÓN MÍNIMA Una vez EPM ha definido el alcance del proyecto, cada diseñador debe recolectar la información que es básica para el diseño de las redes de alcantarillado, la cual se presenta en la Tabla 2‑1

Tabla 2‑1 Información mínima para el diseño de redes de alcantarillado

Información requerida INFORMACIÓN TOPOGRÁFICA

Características de la información • Levantamiento topográfico del Siempre se debe realizar el sector de diseño de la red de levantamiento topográfico exacto alcantarillado del terreno para conocer su forma y establecer por donde se va a realizar el trazado de la red de alcantarillado. Esta información topográfica permitirá calcular las cotas de terreno de las cámaras de inspección y determinar la pendiente promedio de las áreas tributarias. Tipo de información

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Información requerida

Tipo de información

Características de la información Para realizar el diseño de la red de alcantarillado se debe conocer la ubicación de la malla vial, de las redes de servicios públicos y/o estructuras especiales. Con esta información se establecen los posibles puntos del trazado de la red. Para la estimación de los caudales de agua residual se debe conocer la distribución de la población o de los clientes y su consumo. EPM cuenta con tablas por circuitos que resumen el tipo de usuarios, sus consumos mensuales y las proyecciones estimadas de consumo. En caso de no contar con estas tablas, se usarán los datos de dotaciones. Esta información hidrológica es suministrada por EPM en su norma.

CATASTRO DE LA ZONA

• Planos del manzaneo de la zona de estudio • Catastro de redes de servicios públicos • Planos de la malla vial

CATASTRO DE USUARIOS DE ACUEDUCTO, PROYECCIONES DE CONSUMOS O DOTACIONES DE ACUEDUCTO

• Consumos y tipos de usuarios del sistema de acueducto • Ubicación espacial de los usuarios • Pl a n e s d e o rd e n a m i e n to territorial, POT

INFORMACIÓN HIDROLÓGICA

• Curvas IDF de las estaciones cercanas al proyecto • Distribución temporal de la precipitación

INFORMACIÓN HIDRÁULICA

• Ubicación del cuerpo receptor Esta información es necesaria para • Rugosidades de los materiales de el diseño de la red de alcantarillado tuberías disponibles ya que se establece el lugar a donde se deben llevar las aguas de la red. • Tipos de suelos de la zona Es necesario para determinar los parámetros de los modelos de infiltración o del coeficiente de escorrentía, para calcular el caudal de aguas lluvias, cuando se trate de flujo no permanente. El hietograma que se construya deberá ser aprobado por EPM.

INFORMACIÓN GEOLÓGICA

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2.2 CONSIDERACIONES DE DISEÑO

alcanza la población de saturación, pues en caso de que se llegue a la población de saturación en un período menor al de diseño, se debe utilizar el primero como período de diseño.

2.2.1 CLIENTES Y POBLACIÓN Son los contribuyentes de caudal de agua residual al sistema de alcantarillado, proyectados al período de diseño. Existen proyecciones calculadas por EPM, en caso de no existir la proyección futura de clientes debe calcularse de acuerdo con el Numeral 5.2.2.1 de la norma.

2.3.2 PARÁMETROS HIDRÁULICOS Al mismo tiempo que se planea hidráulicamente el funcionamiento de la red es importante tener en cuenta los requerimientos mínimos que estipulan los parámetros de las Normas de Diseño de Redes de Alcantarillado de EPM.

2.2.2 GEOMETRÍA DE LA RED DE ALCANTARILLADO

Los parámetros hidráulicos mínimos que se deben tener en cuenta desde el diseño preliminar bajo la consideración de flujo uniforme y que la experiencia ha determinado que permite obtener redes con una adecuada autolimpieza y buen comportamiento hidráulico son:

La disposición de los tramos y de las cámaras que conforman la red constituye uno de los parámetros básicos del diseño. Dicha disposición define la geometría de la red y con ésta sus características topológicas, las cuales permanecen invariables durante el diseño. Estas características incluyen el número de tramos y cámaras, la unión de los mismos, la longitud de los tramos y la sectorización de los caudales que se presentan para cada punto de descarga. También, se debe determinar las áreas tributarias a cada tramo, las cuales se utilizan en el cálculo del caudal de aguas residuales y/o lluvias.

- Los diámetros nominales mínimos son de 200 mm para alcantarillados de aguas residuales y 250 mm para alcantarillados de aguas lluvias y aguas combinadas.

2.3 PARÁMETROS DE DISEÑO

- L a velocidad mínima es de 0.45 m/s para alcantarillados de aguas residuales y 0.75 m/s para alcantarillados de aguas lluvias y combinadas.

2.3.1 PERÍODO DE DISEÑO DE REDES DE AGUAS RESIDUALES

- La velocidad máxima es de 10 m/s para tuberías plásticas y de 5 m/s para otro tipo de materiales.

Para determinar el período de diseño se debe hacer referencia al Numeral 5.2.1 de la norma. Esta característica puede variar dependiendo de la zona de diseño. Por ejemplo, para los municipios del Valle de Aburrá el período de diseño es de 30 años. Para aquellos casos en los cuales el análisis de costo mínimo sugiera un desarrollo por etapas, éstas deben diseñarse teniendo en cuenta dicho período de diseño. En todo caso, se debe comparar el período de diseño con el período en el cual se

- Para que las redes de alcantarillado residual cumplan con el criterio de autolimpieza se debe tener un esfuerzo cortante mínimo de 1.5 N/m², para alcantarillados pluviales el valor es de 3.0 N/ m² para el caudal de diseño. - Para evitar que se presente flujo crítico y cuasicrítico en los tramos se recomienda tener números de Froude por fuera del intervalo de 0.7 a 1.5 para la condición de flujo uniforme.

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- Para los tramos en que la pendiente sea superior al 10%, la distribución hidrostática de presiones deja de ser válida. Por lo tanto en el análisis de flujo gradualmente variado y de flujo no permanente debe incluirse el factor Cos²θ, donde θ es el ángulo de inclinación del tramo. - El valor máximo permisible de la profundidad hidráulica, es función del diámetro de la tubería diseñada, variando entre el 70% y el 85% del diámetro real interno de cada uno de los tramos. - La profundidad mínima a la cota clave de las tuberías es de 1.20 m. En caso de no ser posible cumplir con esta distancia deberá presentarse un diseño particular de protección a la red. - D esde el punto de vista de costos, el diseño óptimo para obtener la red más económica de alcantarillado es aquel que mezcla varios materiales que cumplan con las restricciones hidráulicas. Otra consideración especial que se debe tener durante la preparación de un diseño de un sistema de alcantarillado es la integralidad del drenaje urbano. Dicho aspecto involucra la escogencia de la ubicación del punto de tratamiento de las aguas residuales y de las características en que deben ser entregadas las aguas residuales y/o lluvias a su efluente final.

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Capítulo 3 INFORMACIÓN DEL SISTEMA A DISEÑAR

en la calle 65 con la avenida Regional y se trata de un aliviadero que se diseñará en el proyecto y que tendrá como objetivo separar las aguas combinadas y conducir las aguas residuales al Interceptor Oriental y las aguas lluvias al Río Medellín en el punto denominado BOT, ver la Figura 3-4.

En este capítulo se explican, en detalle, las características de la red de Prado Centro, la cual se diseñará paso a paso a modo de ejemplo, siguiendo las especificaciones de la Norma de Diseño de Sistemas de Alcantarillado de las Empresas Públicas de Medellín indicando la información que se usará para el diseño de la red.

La primera consideración que se debe hacer al diseñar una red de alcantarillado es definir el sentido en que se desea conducir el caudal de drenaje ya sea de aguas lluvias, residuales o combinadas. Con la información del levantamiento topográfico y la ubicación de los cuerpos receptores se puede establecer el sentido de flujo en el sector. Para el diseño de la red se deben considerar aspectos como la topografía del terreno, las limitantes de cruces con otras redes de servicios públicos y/o estructuras existentes como fundaciones del Metro y los niveles de descarga a la cobertura (COB), al Interceptor Oriental y al Río Medellín.

3.1 SISTEMA A DISEÑAR El proyecto está ubicado entre el barrio Prado Centro y el sector del Chagualo, en la ciudad de Medellín, sectores que cuentan con sistemas de redes de alcantarillado combinado. El proyecto está compuesto por 66 tramos y 67 cámaras de inspección y se dividió en dos sectores, de acuerdo con la ubicación de dos sitios en los cuales es posible realizar la entrega de las aguas recolectadas, como se indica en la Figura 3-1. El primer punto de entrega de las aguas combinadas se encuentra localizado en la Calle 62 con Carrera 51, se trata de una cobertura que en el proyecto aparece identificada como COB y que aguas abajo tiene construido un aliviadero. El segundo punto de entrega identificado como ALIV., estará localizado

Para generar el modelo hidráulico de la red de alcantarillado se debe asignar un identificador o número a las cámaras de inspección y a los tramos que unen estas cámaras. En la Figura 3-2 se presenta la ubicación y nomenclatura de estos elementos y en la Tabla 3-1 se puede ver los tramos que unen las cámaras de inspección de acuerdo con la nomenclatura establecida en la Figura 3-2.

BOT

1460 COB

Afluentes al ALIV Afluentes a la COB

1470

1480

1490 1500

Figura 3 -1: Afluentes a los puntos de descarga en el modelo Prado.

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1510

Guía para el Diseño Hidráulico de Redes de Alcantarillado Tabla 3-1 Identificadores de los tramos y cámaras que componen la red de alcantarillado Tramo

Nudo Inicial

Nudo Final

Tramo

Nudo Inicial

Nudo Final

Tramo

Nudo Inicial

Nudo Final

T1

C34

C32

T24

C68

C64

TA1

C63

C63A

T2

C32

C29A

T25

C64

C64A

TA2

C63A

C93

T3

C29A

C26

T26

C64A

C63

TA3

C93

C93A

T4

C18

C17

T27

C57

C8

TA4

C93A

C93B

T5

C17

C10

T28

C87

C89

TA5

C93B

C93C

T6

C10

C8

T29

C89

C90

TA6

C93C

C93D

T7

C8

C7A

T30

C90

C46A

TA7

C93D

C141

T8

C7A

C7B

T31

C80

C81

TA8

C141

C165

T9

C7B

C7

T32

C81

C49A

TA9

C165

C165A

T10

C7

COB

T33

C110

C85

TA10

C165A

C165B

T11

C46

C26

T34

C85

C87A

TA11

C165B

C160A

T12

C49

C50

T35

C87A

C80A

TA12

C160A

C160B

T13

C50

C23

T36

C80A

C78

TA13

C160B

C159A

T14

C23

C17

T37

C78

C77

TA14

C159A

C159C

T15

C42

C43A

T38

C77

C74

TA15

C159C

C159D

T16

C43A

C46A

T39

C113

C111

TA16

C159D

C159E

T17

C46A

C49A

T40

C111

C80A

TA17

C159E

A155A

T18

C49A

C54

T41

C66

C7

TA18

A155A

C153

T19

C54

C55

T42

C117

C123

TA19.1

A155A

A155B

T20

C55

C76

T43

C105

C105A

TA19.2

A155B

BOT

T21

C76

C74

T44

C105A

C102

TA20

C165C

C160A

T22

C74

C69

T45

C102

C43A

TA21

C159B

C159A

T23

C69

C68

T46

C26

C18

TA22

C63B

C63A

B0 C159E

A1 A1

C159D C159C

C159A C159B

C160B C160 C165C C165A C165

C41 C93C

C123

C93C

C93B

C93 C63 C64 C69 C93A

C08

C64A C55 C7 C7A

C113

C76

C54 C57 C49A

C10 C17 C18

C89 C90 C49 C46A

C23 C26 C29

Figura 3 -2: Plano de diseño geométrico de la red de Prado.

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C85

C80 C87

C80

C117

C111

C74 C78

C10 C105

C105A C102 C46 C3A C42 C32 C34

Guía para el Diseño Hidráulico de Redes de Alcantarillado

numerada C110 ubicada en la parte mas alta del modelo (Figura 3-2).

Los tramos que contienen la letra T seguido de alguna numeración consecutiva (T1, T2, T3, etc.) corresponden a la red de Prado Centro propiamente dicha y aquellos que contienen las letras TA seguidas de una numeración consecutiva (TA1, TA2, TA3, etc.) corresponden al sector de El Chagualo, cuyos tramos empiezan a partir de la cámara de inspección

En la Figura 3-3 se muestra el conjunto de tramos y cámaras que hacen parte del sector cuyos caudales tributarios terminan drenando hacia el punto de descarga BOT

BOT A155B C153 A155A C159E C159D C159C

C159A C159B

C160B

C160A C165B C165C C165A

C141

C165

C93D C93C

C113

C93 C63B C63 C66 C64 C93A C63A C64A

C93B

C111

C68C69 C74 C77 C76

C80A

C78

C80

C85 C87A C87

C110

C81

C55 C54

C89 C105

C90 C49A

C105A C102 C46A C42 C43A

Figura 3-3: Sector de la red de Prado que descargan sus aguas al BOT en el Río Medellín. C66

Entrega al Río BOT Medellín C57 COB

TA19.2 C7 C49

C7B C7A

C50

C8 C10

C46

A155B

C17C23 C18

C26

TA19.1

Entrega a C153 Interceptor TA18

C29A C32

A155A

Aliviadero

C34

TA17

Figura 3-5: Conjunto de tramos tributarios a la descarga COB (Cobertura Existente). Figura 3-4: Configuración de entrega de aguas lluvias y residuales en el sector El Chagualo.

A partir del levantamiento topográfico del alineamiento de la red pueden definirse las cotas de tapa de las cámaras de inspección. Para el caso de estudio algunas de estas cotas se muestran en la Figura 3-6.

En la Figura 3-5 se muestra el conjunto de cámaras y tramos que hacen parte del sector cuyos caudales tributarios terminan drenando hacia el punto de descarga en la cobertura (COB).

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1490

1480

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C64 A 1474.36

C64 1474.36

C68 1477.72

C69 1479.17

C74 1484.50

C66 1474.20

Y

C77 1485.46 C78 1491.16

C76 1485.21

X

Figura 3-6: Detalle de las cotas de terreno de las cámaras de inspección.

Con la geometría de la red establecida, se determinan las áreas tributarias a cada uno de los tramos de la red (con base en el área tributaria a cada tramo), las cuales se utilizarán en el cálculo de los caudales residuales y de aguas lluvias. Estas áreas se muestran en la Figura 3-7. 52

59 56

64

67

69

68

68 69

61

62

64

65

24 66

28

25

67

14

20

13

11 10

21

89

12 8

25 25

18

22 19

24 36

37

43

6

9

47

38

5 45

48

4

50

42 28

51

40 27

28 29

32

44

30

Figura 3 -7: Áreas tributarias a cada tramo del sistema.

De acuerdo con la Figura 3-7 se determina el tamaño de la superficie de cada área tributaria (para agilizar este proceso se puede utilizar un software de diseño asistido por computador, como AutoCad).

área tributaria que proviene de otras zonas y cuyo caudal será transportado a través de éste. Las áreas se acumulan de acuerdo con la conectividad que tengan los tramos.

En la siguiente tabla se presentan los valores de las áreas tributarias cuyo caudal se descarga en la cobertura ubicada en la calle 62 con carrera 51.

Del mismo modo, se obtienen los datos restantes para los tramos del sector de El Chagualo, cuyas aguas residuales y lluvias son descargadas al Interceptor Oriental y al río Medellín respectivamente.

Previamente se ha determinado que tipo de agua se va a transportar, si residual, lluvias o combinadas, esto con el fin de asignar la respectiva área. Se calcula tanto el área tributaria propia del tramo, como el

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Guía para el Diseño Hidráulico de Redes de Alcantarillado Tabla 3-2 Áreas tributarias del sector Prado Centro.

Áreas tributarias (ha) Tramo

De

A

Aguas residuales residenciales

Aguas lluvias

Propia

Otra

Acumulada

Propia

Otra

Acumulada

1

C34

C32

0.19

1.78

1.97

0.19

1.78

1.97

2

C32

C29

0

0

1.97

0

0

1.97

3

C29

C26

0.34

0.57

2.88

0.34

0.57

2.88

46

C26

C18

0.38

0.56

3.82

0.38

0. 56

3.82

4

C18

C17

0

0

3.82

0

0

3.82

5

C17

C10

0.38

0.5

4.7

0.38

0.5

4.7

6

C10

C8

0.08

0

4.78

0.08

0

4.78

7

C8

C7A

0.05

0.56

5.39

0.05

0.56

5.39

8

C7A

C7B

0.07

0

5.46

0.07

0

5.46

9

C7B

C7

0.06

0

5.52

0.06

0

5.52

10

C7

COB

0.15

1.17

6.84

0.15

1.17

6.8 4

11

C46

C26

0.56

0

0.56

0.56

0

0.56

12

C49

C50

0.14

0

0.14

0.14

0

0.14

13

C50

C23

0.36

0.14

0.5 0

0.36

0.14

0.5 0

14

C23

C17

0

0.50

0.5 0

0

0.50

0.5 0

27

C57

C8

0.56

0

0.56

0.56

0

0.56

41

C66

C7

0.77

0

0.77

0.77

0

0.77

En la tabla 3-3 se presenta el resumen de las áreas tributarias de todo el proyecto. Tabla 3 -3 Áreas tributarias totales de cada tramo de la red de Prado Centro

Tramo

Área tributaria agua residual (ha)

Área tributaria agua lluvia (ha)

Tramo

Área tributaria agua residual (ha)

Área tributaria agua lluvia (ha)

T1

1.97

1.97

T35

0.97

0.97

T2

2.54

2.54

T36

1.66

1.66

T3

2.88

2.88

T37

1.92

1.92

T4

3.82

3.82

T38

1.92

1.92

T5

4.70

4.70

T39

0.28

0.28

T6

4.78

4.78

T40

0.47

0.47

T7

5.39

5.39

T41

0.77

0.77

T8

5.46

5.46

T43

0.16

0.16

T9

5.52

5.52

T44

0.25

0.25

T10

6.84

6.84

T45

0.55

0.55

T11

0.56

0.56

T46

3.82

3.82

15

Guía para el Diseño Hidráulico de Redes de Alcantarillado

Tramo

Área tributaria agua residual (ha)

Área tributaria agua lluvia (ha)

Tramo

Área tributaria agua residual (ha)

Área tributaria agua lluvia (ha)

T12

0.14

0.14

TA1

15.30

21.07

T13

0.50

0.50

TA2

25.01

21.07

T14

0.50

0.50

TA3

28.11

28.09

T15

8.01

8.01

TA4

28.91

28.89

T16

8.93

8.93

TA5

29.46

29.43

T17

10.56

10.56

TA6

30.17

30.14

T18

11.92

11.92

TA7

30.32

30.29

T19

11.92

11.92

TA8

31.02

30.99

T20

12.61

12.61

TA9

32.08

32.05

T21

12.61

12.61

TA10

32.23

32.20

T22

14.68

14.68

TA11

32.23

32.20

T23

14.71

14.71

TA12

32.98

32.41

T24

14.79

14.79

TA13

33.42

32.85

T25

15.17

15.17

TA14

34.94

34.37

T26

15.30

15.30

TA15

36.18

34.37

T27

0.56

0.56

TA16

36.91

34.37

T28

0.30

0.30

TA17

36.91

34.37

T29

0.56

0.56

TA18

0.00

0.00

T30

1.28

1.28

TA19.1

0.00

34.37

T31

0.26

0.26

TA19.2

0.00

34.37

T32

1.00

1.00

TA20

0.75

0.21

T33

0.18

0.18

TA21

1.13

1.13

T34

0.68

0.68

TA22

9.71

0.00

3.2 PARÁMETROS DE DISEÑO

EPM para el circuito del Batallón, ya que la red de Prado Centro pertenece a éste. A partir de los datos de “Proyección de caudales de suministro por circuito” expresado en (L/s) y proporcionados por EPM e indicados en la Tabla 3-4, se calcula la proyección de consumo para el período de diseño.

A continuación se presentan los parámetros de diseño que se utilizarán en el desarrollo del ejemplo de diseño de la red de alcantarillado de Prado Centro.

3.2.1 CAUDALES DE AGUA RESIDUAL

La proyección para obtener la dotación del período de diseño, se construye a partir de los datos de la Tabla 3-4, haciendo uso de tendencias, tales como: lineal, logarítmica, exponencial, entre otras. De acuerdo con la dispersión que tengan los valores de la tabla, se determina cual es la tendencia que mejor representa la proyección de consumo en el circuito.

De acuerdo con lo establecido en el Numeral 5.2.1 de la norma el período de diseño para la red de Prado Centro es de 30 años, los cuales se cuentan a partir del 2008, año en el cual se realiza el diseño. Para determinar los caudales de agua residual se debe utilizar la información disponible de

16

Guía para el Diseño Hidráulico de Redes de Alcantarillado Tabla 3-4 Proyección de caudales de suministro para el circuito del Batallón de

Año Caudal de suministro (L/s)

2008

2009

2010

2012

2014

2016

2018

2020

131.54

133.93

136.32

141.10

145.88

150.66

155.44

160.22

En la Figura 3-8 se muestra la proyección de caudales de suministro (L/s) para el circuito Batallón. 210 200

Caudal (L/s)

190 180 170 160 150 140 130 120 2000

2005

2010

2015

2020

2025

2030

2035

2040

Año

Figura 3-8: Proyección de caudales de suministro (L/s) para el circuito Batallón.

Para el ejemplo de diseño, la línea de proyección marca en el año 2038 un caudal de suministro de 203.23 L/s. Teniendo en cuenta que el área total del circuito Batallón es 224.03 hectáreas, se obtiene una dotación de 0.907 L/s – ha. Este valor se utilizará para obtener el caudal de aguas residuales en el sistema.

las estaciones pluviométricasque tiene EPM. En la Figura 3-9 se muestra la ubicación del proyecto de la red de Prado Centro; se puede observar que el agua lluvia que llega a esta red proviene o drena desde la zona tributaria a la estación pluviográfica de la Planta de Villa Hermosa. Para esta estación pluviográfica EPM cuenta con curvas IDF e información de duración de las lluvias. La ecuación de la curva IDF para un período de retorno de 10 años de la estación de la Planta Villa Hermosa es la que se presenta a continuación:

3.2.2 CAUDALES DE AGUA LLUVIA De acuerdo con el Numeral 6.2 de la norma se establece el período de retorno del evento de precipitación. Como el área total que contribuye a la red de Prado Centro que se está diseñando tiene un área mayor a las 10 hectáreas y menor a 1000 hectáreas se debe utilizar un período de retorno de 10 años.

i (mm / h) =

3483.1

(16 + Td (min)) 0.9946

Ecuación 3 - 1

donde, i = Intensidad media de precipitación (mm/hr). Td = Duración de la lluvia (min).

Para conocer las características hidrológicas de la zona de estudio, se debe ubicar el proyecto en el plano de polígonos de Thissen con la localización

17

Guía para el Diseño Hidráulico de Redes de Alcantarillado

Figura 3-9: Ubicación de la zona de proyecto con respectó a los límites de influencia determinados para las estaciones cercanas.

18

Guía para el Diseño Hidráulico de Redes de Alcantarillado

Capítulo 4 CAUDAL DE AGUAS RESIDUALES

4.1 CÁLCULO DEL CAUDAL DE AGUAS RESIDUALES DOMÉSTICAS Según el Numeral 5.2.3.1 de la norma, existen tres formas para calcular el caudal de aguas residuales domésticas dependiendo del tipo de proyección que se haya utilizado, ya sea de clientes, de consumo de agua potable o población. En cada caso debe utilizarse una ecuación en particular, cada una de las cuales se describen en el numeral de la norma referenciado.

Los caudales de aguas residuales se obtienen a partir de la base de datos de consumo de agua potable para el sector estudiado. El consumo que se registra por tipo de usuario o por hectárea es convertido en caudal de agua residual a partir del coeficiente de retorno. Es posible representar el algoritmo que se realiza en la estimación de los caudales de agua residual en un esquema como el de la Figura 4 1.

El caudal de aguas residuales se calculará utilizando dos de las tres metodologías enunciadas en la norma, con el fin de de ilustrar las posibilidades de cálculo de acuerdo con la información disponible.

Inicio Definir áreas tributarias Establecer coeficiente de retorno

4.1.1 Método utilizando los usuarios y el consumo

Establecer consumo de agua potable, por tipo de usuario o por demanda (proyección del circuito )

El primer método que puede desarrollarse es el del catastro de usuarios y su consumo, teniendo en cuenta que para la red de Prado Centro, Empresas Públicas cuenta con la base de datos con la ubicación espacial de los usuarios y sus consumos de agua potable para el período de diseño la cual se esquematiza en la Figura 4-2.

Calcular aportes de agua residual en cada tramo de la red de acuerdo con el tipo de contribución Acumular aportes de agua residual de acuerdo con la topología de la red Calcular caudal medio diario

Esta imagen es obtenida con herramientas de Sistemas de Información Geográfica - SIG (p.e. ArcGIS, ArcView), en ella los usuarios existentes en el sector de estudio se muestran en forma de pequeños puntos.

Calcular o medir factor de mayoración Calcular caudal máximo horario Calcular caudal por conexiones erradas

Los consumos de agua potable tomados del circuito Batallón pueden ser ubicados espacialmente a partir de una base de datos implementada en herramientas SIG las cuales permiten cruzar los consumos de agua potable con el área tributaria propia de cada tramo del sistema de alcantarillado a diseñar.

Calcular caudal por infiltración Calcular caudal de aguas residuales Fin

Los pasos que se deben seguir para obtener el caudal de aguas residuales domésticas de cada tramo de la red de Prado Centro son:

Figura 4 1: Diagrama de flujo para la estimación de los caudales de agua residual.

19

Guía para el Diseño Hidráulico de Redes de Alcantarillado

- Trazar el área tributaria propia del tramo. - S eleccionar los usuarios domésticos que se encuentran dentro de cada área tributaria por medio de la herramienta SIG.

- Determinar el consumo total de cada área tributaria como la suma de los consumos promedio de agua potable de cada usuario. - Convertir el consumo obtenido de agua potable a caudal de aguas residuales por medio del coeficiente de retorno.

Usuarios Prado Centro Residencial Oficial Insdustrial Comercial Especiall

Figura 4-2: Distribución de clientes del sistema de alcantarillado en la zona de estudio.

Este tramo representa un caudal de consumo de agua potable de 1221.1 m 3/mes que luego se convirtieron a caudal de aguas residuales, por medio de la expresión.

En la Figura 4-3 se muestra el conjunto de usuarios domésticos ubicados en el área tributaria propia del tramo T41, de C66 a C7, y para la cual se estimó su caudal total de consumo de agua potable doméstico.

QD = 0.000386* CR * qD

Ecuación 4 - 1

donde, QD = Caudal de aguas residuales doméstico (L/s). CR = Coeficiente de retorno (0.85). qD = C audal de consumo doméstico de agua potable doméstico (m3/mes). Reemplazando para el tramo T41 se obtiene: QD = 0.000386*0.85*1221.1 = 0.401L / s

Figura 4-3: Distribución de los clientes de la red de acueducto en el área tributaria del tramo T41: uso doméstico.

20

Ecuación 4-2

Guía para el Diseño Hidráulico de Redes de Alcantarillado

4.1.2 MÉTODO UTILIZANDO LA PROYECCIÓN definidas y la asignación de una contribución neta para las mismas. Para el caso de la red de Prado DEL CIRCUITO

Centro se dispone, igual que para el consumo doméstico, de la ubicación espacial y el valor del consumo industrial de agua potable.

El segundo método que el diseñador puede utilizar es el de proyección del circuito de acuerdo con la dotación establecida para el circuito en el cual se encuentra el proyecto. Para el caso de ejemplo la dotación para el circuito Batallón fue establecida en el Numeral 3.1.1 de esta Guía, por lo tanto el caudal de agua residual se calcula multiplicando la dotación de 0.907 L/s – ha por el área tributaria de cada tramo de la red de Prado Centro.

En la Figura 4-4 se muestra el conjunto de usuarios industriales ubicados en el área tributaria propia del tramo T41.

Para el mismo tramo T41 el caudal será de: QD = 0.907L / s − ha ∗ 0.77ha = 0.698L / s

Ecuación 4-3

La dotación que se estableció para el circuito Batallón corresponde al promedio de los diferentes tipos de contribución (doméstica, comercial, industrial e institucional). Es por esta razón que el caudal de 0.698 L/s obtenido por este método es mayor que el de 0.401 L/s obtenido por el método del Numeral 4.1.1, porque en este último método solo se incluyeron contribuciones domésticas; una vez se totalicen los diferentes tipos de usuarios y sus consumos, se alcanzará un valor muy cercano al de 0.698 L/s para el tramo y así para cada uno de los tramos que componen la red.

Figura 4-4: Distribución de los clientes de la red de acueducto en el área tributaria del tramo T41: uso industrial.

El consumo industrial en este tramo corresponde a 14.4 m3/mes* que afectado por un coeficiente de retorno de 0.851 en la Ecuación 4-1 se obtiene un caudal de:

En caso de que en un circuito de acueducto existieran usuarios con consumos superiores al promedio, por ejemplo escuelas, clínicas, industrias, centros comerciales, entre otros, su consumo se ingresa en la respectiva área tributaria como un aporte puntual.

QI = 0.000386*0.85*14.4 = 0.005 L / s

Ecuación 4-4

* (No obstante este consumo no es representativo como industrial, se incluye a modo de ejemplo).

4.2 CÁLCULO DEL CAUDAL DE AGUAS RESIDUALES INDUSTRIALES

El coeficiente de retorno dependerá del proceso que se lleve en la industria; en algunos casos toda el agua consumida se evacuará al sistema de alcantarillado. Esto debe ser evaluado por el diseñador.

1

De acuerdo con el Numeral 5.2.3.2 de la norma, es posible estimar el caudal de aguas residuales industriales a partir de las áreas tributarias ya

21

Guía para el Diseño Hidráulico de Redes de Alcantarillado

4.3 C  AUDAL DEL CAUDAL DE AGUAS RESIDUALES COMERCIALES

de instituciones oficiales y de usos especiales, tales como hogares juveniles, ancianatos, entre otros.

El Numeral 5.2.3.3 de la norma establece las consideraciones que deben tenerse en cuenta para estimar el caudal de aguas residuales comerciales. Para el caso de la red de Prado Centro se ha utilizado, una vez más, la ubicación espacial de consumos de agua potable de tipo comercial que existen sobre las áreas tributarias del proyecto para estimar el caudal de aguas residuales comerciales.

En la Figura 4 -6 se muestra el conjunto de usuarios oficiales y especiales ubicados en el área tributaria propia del tramo T41.

Figura 4-6: Distribución de los clientes de la red de acueducto en el área tributaria del tramo T41: uso oficial y especial

El consumo oficial y especial en este tramo corresponde a 3.4 m3/mes de caudal oficial y a 16.2 m3/mes de caudal especial, los cuales afectados por un coeficiente de retorno de 0.85 en la Ecuación 4-1 se obtiene un caudal de:

Figura 4 -5: Distribución de los clientes de la red de acueducto en el área tributaria del tramo T41: uso comercial.

El consumo comercial en este tramo corresponde a 63.1 m3/mes que afectado por un coeficiente de retorno de 0.85 en la Ecuación 4-1 se obtiene un caudal de: QC = 0.000386*0.85*63.1 = 0.021L / s

QOF + ESP = 0.000386*0.85*(3.4 + 16.2) = 0.006 L / s

Ecuación 4-5

Ecuación 4-6

4.5 CAUDALES DE AGUA RESIDUAL DE LAS ÁREAS TRIBUTARIAS PROPIAS DE CADA TRAMO

4.4 CÁLCULO DEL CAUDAL DE AGUAS RESIDUALES DE USO OFICIAL Y USO ESPECIAL

El caudal total de agua residual para cada tramo se obtiene sumando los caudales obtenidos de acuerdo con los diferentes usos indicados en los numerales anteriores. En la Tabla 4-1 se presentan los caudales de agua residual de acuerdo con el

El Numeral 5.2.3.4 de la norma establece los lineamientos que se deben tener en cuenta al momento de determinar el caudal de agua residual

22

Guía para el Diseño Hidráulico de Redes de Alcantarillado

tipo de contribución para todos los tramos de la red de Prado Centro. En esta tabla QD corresponde al caudal doméstico, Qc al caudal comercial, QI al caudal industrial, QOF al caudal oficial y QESP al caudal especial. Tabla 4-1 Caudales de agua residual de aporte a cada tramo de la red de Prado Centro

Tramo

QD (L/s)

Qc L/s)

QI (L/s)

QOF (L/s)

QESP (L/s)

T1

1.101

0.002

0.021

0.000

0.025

T2

1.260

0.009

0.021

0.000

0.025

T3

1.429

0.048

0.021

0.000

0.051

T4

1.690

0.192

0.021

0.012

0.051

T5

1.759

0.215

0.021

0.013

0.124

T6

1.782

0.232

0.021

0.013

0.195

T7

2.019

0.232

0.021

0.013

0.211

T8

2.066

0.232

0.021

0.013

0.216

T9

2.114

0.232

0.021

0.013

0.221

T10

2.781

0.492

0.027

0.014

0.309

T11

0.214

0.144

0.000

0.012

0.000

T12

0.020

0.000

0.000

0.000

0.000

T13

0.046

0.007

0.000

0.001

0.001

T14

0.046

0.007

0.000

0.001

0.001

T15

4.805

0.034

0.024

0.000

0.154

T16

5.180

0.089

0.029

0.000

0.172

T17

5.398

0.178

0.029

0.000

0.334

T18

5.812

0.204

0.029

0.000

0.343

T19

5.812

0.204

0.029

0.000

0.343

T20

6.167

0.209

0.033

0.000

0.360

T21

6.167

0.209

0.033

0.000

0.360

T22

6.639

0.429

0.033

0.000

0.748

T23

6.654

0.429

0.033

0.000

0.748

T24

6.670

0.429

0.033

0.000

0.748

T25

6.827

0.446

0.033

0.000

0.748

T26

6.903

0.446

0.033

0.000

0.748

T27

0.189

0.000

0.000

0.000

0.011

T28

0.023

0.006

0.000

0.000

0.032

T29

0.064

0.047

0.000

0.000

0.038

T30

0.119

0.089

0.000

0.000

0.144

T31

0.039

0.020

0.000

0.000

0.009

T32

0.249

0.026

0.000

0.000

0.009

T33

0.032

0.000

0.000

0.000

0.000

T34

0.134

0.000

0.000

0.000

0.066

T35

0.213

0.000

0.000

0.000

0.201

T36

0.242

0.217

0.000

0.000

0.309

23

Guía para el Diseño Hidráulico de Redes de Alcantarillado

Tramo

QD (L/s)

Qc (L/s)

QI (L/s)

QOF (L/s)

QESP (L/s)

T37

0.378

0.219

0.000

0.000

0.388

T38

0.378

0.219

0.000

0.000

0.388

T39

0.000

0.187

0.000

0.000

0.035

T40

0.009

0.212

0.000

0.000

0.078

T41

0.409

0.232

0.005

0.001

0.083

T43

0.154

0.002

0.000

0.000

0.000

T44

0.189

0.002

0.000

0.000

0.000

T45

0.267

0.011

0.000

0.000

0.013

T46

1.690

0.192

0.021

0.012

0.051

TA1

6.903

0.446

0.033

0.000

0.748

TA2

10.229

0.618

0.046

0.000

0.870

TA3

10.229

0.618

0.046

0.000

0.870

TA4

10.229

1.346

0.138

0.000

0.870

TA5

10.229

1.346

0.138

0.000

4.237

TA6

10.229

1.346

0.138

0.000

4.237

TA7

10.229

1.346

0.138

0.000

4.237

TA8

10.274

1.413

0.142

0.000

4.237

TA9

10.522

1.571

0.165

0.000

4.254

TA10

10.523

1.578

0.170

0.000

4.254

TA11

10.569

1.653

0.170

0.000

4.254

TA12

10.569

1.653

0.170

0.000

4.254

TA13

10.763

1.705

0.267

0.000

4.254

TA14

10.982

2.034

0.267

0.001

4.254

TA15

13.360

2.539

0.280

0.001

4.254

TA16

13.360

2.914

0.280

0.001

4.254

TA17

13.360

2.914

0.280

0.001

4.254

TA18

13.360

2.914

0.280

0.001

4.254

TA19.1

0.000

0.000

0.000

0.000

0.000

TA19.2

0.000

0.000

0.000

0.000

0.000

TA20

0.045

0.075

0.000

0.000

0.000

TA21

0.218

0.220

0.000

0.001

0.000

TA22

3.326

0.172

0.013

0.000

0.123

4.6 C  AUDAL MEDIO DIARIO DE AGUAS RESIDUALES

domésticas, industriales, comerciales, oficiales y especiales, de acuerdo con la Ecuación 4-7.

Según el Numeral 5.2.4 de la norma, el caudal medio diario de aguas residuales (QMD) para un tramo con áreas tributarias dadas, corresponde a la suma de sus correspondientes aportes de aguas residuales

QMD = QD + QI + QC + QOF

Ecuación 4 - 7

donde, QMD = Caudal medio diario (m3/s).

24

Guía para el Diseño Hidráulico de Redes de Alcantarillado

QD = Caudal de aguas residuales doméstico (m3/s). QI = Caudal de aguas residuales industriales (m3/s). QC = Caudal de aguas residuales comerciales (m3/s). QOF = Caudal de aguas residuales oficiales (m3/s).

Para el caso del tramo T41, que une las cámaras C66 y C7, los caudales de aguas residuales domésticas, comerciales, industriales, oficiales y especiales tributario son 0.409 L/s, 0.232 L/s, 0.005 L/s, 0.001 L/s y 0.083 L/s respectivamente lo que da un caudal medio de aguas residuales de:

Para cada tramo de la red de Prado Centro se calcula el caudal medio diario por medio de la Ecuación 4-7.

QMD = 0.409 + 0.232 + 0.005 + 0.001 + 0.083 = 0.730 L / s

En el diseño de la red de Prado Centro se utiliza la ecuación de Tchobanoglous del Numeral 5.2.6 de la norma:

Al comparar este valor de caudal medio (0.730 L/s) con el caudal obtenido usando la dotación promedio (0.698 L/s) se puede concluir que los dos caudales son muy parecidos. Por esta razón cualquiera de las dos metodologías es viable para determinar los caudales de agua residual, el uso de cada una de ellas depende de la información con que cuente el diseñador.

F=

3.7 QMDI 0.0733

Ecuación 4 - 10

donde, F = Factor de Mayoración (adimensional). QMDI = Caudal medio diario de aguas residuales tributario a cada tramo (L/s).

4.7 C  ÁLCULO DEL CAUDAL MÁXIMO HORARIO

El factor de mayoración del tramo T41 es:

El Numeral 5.2.5 de la norma indica que el caudal máximo horario de aguas residuales (QMHf ), es la base para establecer el caudal de diseño de cada uno de los tramos que conforman una red de alcantarillado de aguas residuales. El caudal máximo horario del día de máximo consumo se calcula a partir del caudal final medio diario, utilizando un factor de mayoración, F, calculado con la Ecuación 4-9. QMHf = F ⋅ QDf + Qif + QCf + QOFf

Ecuación 4 - 8

F=

3.7 QMDI

0.0733

=

3.7

(0.73)0.0733

= 3.79

Ecuación 4 - 11

Luego, mayorando únicamente el caudal de aguas residuales domésticas y adicionando el componente de aguas comerciales, industriales, oficiales y especiales tributario a cada tramo de la red de alcantarillado se calcula el caudal máximo horario de aguas residuales de cada tramo.

Ecuación 4-9

Para el Tramo T41 se muestra el procedimiento de cálculo antes mencionado haciendo uso de la Ecuación 4-9, como muestra las ecuaciones 4-12 y 4-13.

donde, QMHf = Caudal máximo horario final (m3/s). F = Factor de mayoración (adimensional). QDf = Caudal de aguas residuales doméstico final (m3/s). QIf = Caudal de aguas residuales industriales final (m3/s). QCf = Caudal de aguas residuales comerciales final (m3/s). QOFf = Caudal de aguas residuales oficiales final (m3/s).

25

Guía para el Diseño Hidráulico de Redes de Alcantarillado QMHf = 3.79(0.409l / s )+ 0.232l / s + 0.005l / s + 0.001l / s + 0.083l / s

QMHf = 1.87l / s

el caso de la red de Prado Centro este caudal no se determina debido a que se trata de un alcantarillado de aguas combinadas.

Ecuación 4 - 13

4.8 CÁLCULO DEL CAUDAL POR INFILTRACIÓN

4.10 CÁLCULO DEL CAUDAL DE DISEÑO DE AGUA RESIDUAL

Para determinar los caudales por infiltración lo ideal es realizar aforos en el sistema, en horas de mínimo consumo de agua potable, tal como lo indica el Numeral 5.2.3.6 de la norma. Debido a que no se cuenta con esta información para calcular el caudal por infiltración se hará uso del valor unitario de 0.04 m³ por milímetro de diámetro de la tubería por kilómetro de longitud por día (m³/mm diámetro•km•día)2 recomendado por la norma.

Este caudal se obtiene de la suma del caudal máximo horario final del día de mayor consumo de agua potable, QMHf, más los aportes de caudal de infiltración y caudal de aguas residuales por conexiones erradas, de acuerdo con la Ecuación 4-16. QDT = QMHf + QINF + QCEf

Debido a que todavía no se conocen los diámetros de diseño, fue necesario estimar inicialmente el caudal de infiltración con un valor de 0.2 L/s*ha, QINF = 0.2

l/s ∗ Ap ha

Ecuación 4 - 14

Si el sistema de alcantarillado es solamente de agua residual, el caudal de diseño se debe determinar mediante la Ecuación 4-16 y en caso de que sea menor a 1.5 L/s, se debe utilizar este valor como caudal de diseño. Para sistemas de alcantarillado combinado el caudal de diseño se establece en el Numeral 6.1.1 de esta Guía.

Para estimar el caudal de infiltración del tramo T41, se tiene que su área tributaria es de 0.77 hectáreas, por lo tanto su caudal de infiltración será: l/s ∗ 0.77 ha = 0.154l / s ha

Ecuación 4 - 16

donde, QDT = Caudal de diseño para cada tramo (m3/s). QMHf = Caudal máximo horario final (m3/s). QINF = Caudal por infiltraciones (m3/s). QCEf = Caudal por conexiones erradas final (m3/s).

donde, AP = Área tributaria propia del tramo en ha.

QINF = 0.2

Ecuación 4 - 12

Ecuación 4 - 15

Como ejemplo, el caudal de diseño de aguas residuales para el área tributaria del tramo T41 se calcula de la siguiente manera, como se muestra en la ecuación 4-17

De igual modo se realiza el cálculo para los tramos restantes.

4.9 CÁLCULO DEL CAUDAL DE AGUAS RESIDUALES POR CONEXIONES ERRADAS

En la Tabla 4-2 se muestran los caudales de agua residual de acuerdo con el tipo de contribución y el caudal de diseño de aguas residuales de la red de Prado Centro.

El caudal correspondiente a las conexiones erradas de una red de alcantarillado debe determinarse de acuerdo con el Numeral 5.2.3.5 de la norma. Para

Fuente: “Gravity Sanitary Sewer Design and Construction”, ASCE Manuals And Reports On Engineering Practice Nº60, 1982.

2

26

Guía para el Diseño Hidráulico de Redes de Alcantarillado

Q DT = QMHf + QINF + QCEf = 1.87 + 0.154 + 0 = 2.02 L / s

Ecuación 4 - 17

Tabla 4-2 Determinación del caudal de diseño de aguas residuales para cada tramo de la red de Prado Centro

Tramo

QD (L/s)

Qc (L/s)

QI (L/s)

QOF (L/s)

QESP (L/s)

QMD (L/s)

F

QMH (L/s)

AP ( ha)

QINF (L/s)

QRES (L/s)

T1

1.101

0.002

0.021

0.000

0.025

1.148

3.66

4.08

1.97

0.39

4.47

T2

1.260

0.009

0.021

0.000

0.025

1.315

3.63

4.62

2.54

0.51

5.13

T3

1.429

0.048

0.021

0.000

0.051

1.548

3.58

5.24

2.88

0.58

5.82

T4

1.690

0.192

0.021

0.012

0.051

1.965

3.52

6.23

3.82

0.76

6.99

T5

1.759

0.215

0.021

0.013

0.124

2.132

3.50

6.53

4.70

0.94

7.47

T6

1.782

0.232

0.021

0.013

0.195

2.243

3.49

6.67

4.78

0.96

7.63

T7

2.019

0.232

0.021

0.013

0.211

2.496

3.46

7.46

5.39

1.08

8.54

T8

2.066

0.232

0.021

0.013

0.216

2.548

3.45

7.62

5.46

1.09

8.71

T9

2.114

0.232

0.021

0.013

0.221

2.601

3.45

7.78

5.52

1.10

8.88

T10

2.781

0.492

0.027

0.014

0.309

3.623

3.37

10.20

6.84

1.37

11.57

T11

0.214

0.144

0.000

0.012

0.000

0.369

3.98

1.01

0.56

0.11

1.12

T12

0.020

0.000

0.000

0.000

0.000

0.020

4.92

0.10

0.14

0.03

0.13

T13

0.046

0.007

0.000

0.001

0.001

0.057

4.57

0.22

0.50

0.10

0.32

T14

0.046

0.007

0.000

0.001

0.001

0.057

4.57

0.22

0.50

0.10

0.32

T15

4.805

0.034

0.024

0.000

0.154

5.017

3.29

16.01

8.01

1.60

17.61

T16

5.180

0.089

0.029

0.000

0.172

5.471

3.27

17.21

8.93

1.79

19.00

T17

5.398

0.178

0.029

0.000

0.334

5.939

3.25

18.07

10.56

2.11

20.18

T18

5.812

0.204

0.029

0.000

0.343

6.388

3.23

19.35

11.92

2.38

21.73

T19

5.812

0.204

0.029

0.000

0.343

6.388

3.23

19.35

11.92

2.38

21.73

T20

6.167

0.209

0.033

0.000

0.360

6.768

3.22

20.43

12.61

2.52

22.96

T21

6.167

0.209

0.033

0.000

0.360

6.768

3.22

20.43

12.61

2.52

22.96

T22

6.639

0.429

0.033

0.000

0.748

7.848

3.18

22.33

14.68

2.94

25.26

T23

6.654

0.429

0.033

0.000

0.748

7.864

3.18

22.38

14.71

2.94

25.32

T24

6.670

0.429

0.033

0.000

0.748

7.879

3.18

22.42

14.79

2.96

25.38

T25

6.827

0.446

0.033

0.000

0.748

8.053

3.18

22.90

15.17

3.03

25.94

T26

6.903

0.446

0.033

0.000

0.748

8.130

3.17

23.13

15.30

3.06

26.19

T27

0.189

0.000

0.000

0.000

0.011

0.200

4.16

0.80

0.56

0.11

0.91

T28

0.023

0.006

0.000

0.000

0.032

0.062

4.54

0.15

0.30

0.06

0.20

T29

0.064

0.047

0.000

0.000

0.038

0.149

4.25

0.36

0.56

0.11

0.47

T30

0.119

0.089

0.000

0.000

0.144

0.351

4.00

0.71

1.28

0.26

0.96

T31

0.039

0.020

0.000

0.000

0.009

0.068

4.50

0.20

0.26

0.05

0.26

T32

0.249

0.026

0.000

0.000

0.009

0.285

4.06

1.05

1.00

0.20

1.25

T33

0.032

0.000

0.000

0.000

0.000

0.032

4.76

0.15

0.18

0.04

0.19

T34

0.134

0.000

0.000

0.000

0.066

0.200

4.16

0.62

0.68

0.14

0.76

T35

0.213

0.000

0.000

0.000

0.201

0.414

3.95

1.04

0.97

0.19

1.24

27

Guía para el Diseño Hidráulico de Redes de Alcantarillado

Tramo

QD (L/s)

Qc (L/s)

QI (L/s)

QOF (L/s)

QESP (L/s)

QMD (L/s)

F

QMH (L/s)

AP ( ha)

QINF (L/s)

QRES (L/s)

T36

0.242

0.217

0.000

0.000

0.309

0.768

3.77

1.44

1.66

0.33

1.77

T37

0.378

0.219

0.000

0.000

0.388

0.985

3.70

2.01

1.92

0.38

2.39

T38

0.378

0.219

0.000

0.000

0.388

0.985

3.70

2.01

1.92

0.38

2.39

T39

0.000

0.187

0.000

0.000

0.035

0.222

4.13

0.22

0.28

0.06

0.28

T40

0.009

0.212

0.000

0.000

0.078

0.298

4.04

0.32

0.47

0.09

0.42

T41

0.409

0.232

0.005

0.001

0.083

0.730

3.79

1.87

0.77

0.15

2.02

T43

0.154

0.002

0.000

0.000

0.000

0.156

4.24

0.66

0.16

0.03

0.69

T44

0.189

0.002

0.000

0.000

0.000

0.191

4.18

0.79

0.25

0.05

0.84

T45

0.267

0.011

0.000

0.000

0.013

0.291

4.05

1.10

0.55

0.11

1.22

T46

1.690

0.192

0.021

0.012

0.051

1.965

3.52

6.23

3.82

0.76

6.99

TA1

6.903

0.446

0.033

0.000

0.748

8.130

3.17

23.13

15.30

3.06

26.19

TA2

10.229

0.618

0.046

0.000

0.870

11.763

3.09

33.12

25.01

5.00

38.13

TA3

10.229

0.618

0.046

0.000

0.870

11.763

3.09

33.12

28.11

5.62

38.75

TA4

10.229

1.346

0.138

0.000

0.870

12.584

3.07

33.79

28.91

5.78

39.57

TA5

10.229

1.346

0.138

0.000

4.237

15.950

3.02

36.61

29.46

5.89

42.51

TA6

10.229

1.346

0.138

0.000

4.237

15.950

3.02

36.61

30.17

6.03

42.65

TA7

10.229

1.346

0.138

0.000

4.237

15.950

3.02

36.61

30.32

6.06

42.68

TA8

10.274

1.413

0.142

0.000

4.237

16.065

3.02

36.80

31.02

6.20

43.00

TA9

10.522

1.571

0.165

0.000

4.254

16.512

3.01

37.69

32.08

6.42

44.10

TA10

10.523

1.578

0.170

0.000

4.254

16.524

3.01

37.70

32.23

6.45

44.14

TA11

10.569

1.653

0.170

0.000

4.254

16.645

3.01

37.89

32.23

6.45

44.34

TA12

10.569

1.653

0.170

0.000

4.254

16.645

3.01

37.89

32.98

6.60

44.49

TA13

10.763

1.705

0.267

0.000

4.254

16.990

3.01

38.58

33.42

6.68

45.27

TA14

10.982

2.034

0.267

0.001

4.254

17.537

3.00

39.49

34.94

6.99

46.48

TA15

13.360

2.539

0.280

0.001

4.254

20.434

2.97

46.69

36.18

7.24

53.93

TA16

13.360

2.914

0.280

0.001

4.254

20.809

2.96

47.02

36.91

7.38

54.40

TA17

13.360

2.914

0.280

0.001

4.254

20.809

2.96

47.02

36.91

7.38

54.40

TA18

13.360

2.914

0.280

0.001

4.254

20.809

2.96

47.02

36.91

7.38

54.40

TA19.1

0.000

0.000

0.000

0.000

0.000

0.000

0.00

0.00

0.00

0.00

0.00

TA19.2

0.000

0.000

0.000

0.000

0.000

0.000

0.00

0.00

0.00

0.00

0.00

TA20

0.045

0.075

0.000

0.000

0.000

0.121

4.32

0.27

0.75

0.15

0.42

TA21

0.218

0.220

0.000

0.001

0.000

0.439

3.93

1.08

1.13

0.23

1.31

TA22

3.326

0.172

0.013

0.000

0.123

3.633

3.37

11.50

9.71

1.94

13.44

A continuación se describe el contenido de cada una de las columnas que conforman la Tabla 4-2. Columna 1: Identificador del tramo. Columna 2: Caudal de agua residual doméstica aportado por el área tributaria de cada tramo (L/s). Columna 3: Caudal de agua residual comercial aportado por el área tributaria de cada tramo (L/s)..

28

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Columna 4: Caudal de agua residual industrial aportado por el área tributaria de cada tramo (L/s). Columna 5: Caudal de agua residual oficial aportado por el área tributaria de cada tramo (L/s). Columna 6: Caudal de agua residual especial aportado por el área tributaria de cada tramo (L/s). Columna 7: Caudal medio diario de aguas residuales resultado de la suma de las columnas 2 a 6 (Ecuación 4-7) (L/s). Columna 8: F actor de mayoración de las aguas residuales domésticas calculado con la Ecuación 4-10 a partir de la columna 7 (L/s). Columna 9: C  audal máximo horario de aguas residuales calculado con la Ecuación 4-9 a partir de las columnas 2 a 6 (L/s). Columna 10: Área tributaria acumulada de cada tramo (ha). Columna 11: Caudal de infiltración calculado a partir del área tributaria propia en cada tramo (Columna 10) con la Ecuación 4-14 (L/s). Columna 12: Caudal total de aguas residuales en cada tramo calculado a partir de las columnas 9 y 11 con la Ecuación 4-16 (L/s).

29

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Guía para el Diseño Hidráulico de Redes de Alcantarillado

Capítulo 5 CAUDAL DE AGUAS LLUVIAS

permeabilidad de la zona, de la pendiente del terreno y de todos aquellos otros factores que determinan qué parte de la precipitación se convierte en escorrentía. También se deben tener en cuenta las consideraciones expuestas en el Numeral 6.2.7 de la norma.

Para la estimación de los caudales de diseño de aguas lluvias el diseñador deberá utilizar el método racional siempre y cuando el área de drenaje sea menor a 80 hectáreas y se cumpla con las restricciones expresadas en el Numeral 6.2.4.1 de la norma. En este método se determinan los caudales máximos a partir del tiempo de concentración del área de drenaje y la relación que éste tiene con diferentes períodos de retorno para estimar la intensidad media del evento de precipitación de diseño. Adicionalmente, se tiene en cuenta un coeficiente de escorrentía de acuerdo con el tipo de suelo y del uso que se le está dando al mismo.

El diseñador debe hacer uso de los coeficientes de impermeabilidad que se presentan en la Tabla 5-1. Tabla 5 -1 Coeficientes de impermeabilidad

Tipo de superficie Cubiertas Pavimentos asfálticos y superficies de concreto Vías adoquinadas Zonas comerciales o industriales Residencial, con casas contiguas, predominio de zonas duras Residencial multifamiliar, con bloques contiguos y zonas duras entre éstos Residencial unifamiliar, con casas contiguas y predominio de jardines Residencial, con casas rodeadas de jardines o multifamiliares apreciablemente separados Residencial, con predominio de zonas verdes y parques-cementerios Laderas sin vegetación Laderas con vegetación Parques recreacionales

Por medio de la Ecuación 5-1 se puede calcular el caudal máximo de aguas lluvias de acuerdo con el método racional. Q = CiA

Ecuación 5 - 1

donde, Q = Caudal máximo de aguas lluvias (L/s). C = Coeficiente de escorrentía (adimensional). i = Intensidad de precipitación (L/s/ha). A = Área tributaria (ha). El coeficiente de escorrentía tiene en cuenta el coeficiente de impermeabilidad que está relacionado con el tipo de superficie del área de drenaje, además de involucrar la pendiente promedio de la cuenca de drenaje como se muestra en la Ecuación 5-2. C = 0.14 + 0.65 * I + 0.05 * S

I 0.90 0.90 0.85 0.90 0.75 0.75 0.60 0.45

0.30 0.60 0.30 0.30

Para calcular la intensidad de la precipitación es necesario determinar el tiempo de concentración, el cual es función de los tiempos de entrada y de tránsito.

Ecuación 5 - 2

donde, I = Coeficiente de impermeabilidad (adimensional). S = Pendiente promedio del área tributaria (m/m).

Para el primer tramo, el tiempo de entrada corresponde al tiempo que toma el flujo superficial en viajar desde la parte más alejada del área tributaria hasta el punto de entrada o hasta el

El coeficiente de impermeabilidad, I, es función del tipo del suelo de la cuenca, del grado de

31

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donde, Tt = Tiempo de recorrido (min). L = Longitud de tramo de red (m). v = Velocidad media del flujo (m/s).

sumidero más cercano de la red, y el tiempo de tránsito al recorrido del flujo en el tramo. Para el segundo tramo, el tiempo de entrada es igual al tiempo de concentración del tramo anterior y así sucesivamente. En el caso de confluencia de varios tramos a una cámara de inspección, para el siguiente tramo se toma como tiempo de concentración el de mayor valor.

Por último, para la estimación de la intensidad media de la Ecuación 5-1 se utiliza la curva de intensidadduración-frecuencia (IDF) de la estación más cercana a la zona de proyecto. El período de retorno que se debe utilizar para estimar la intensidad media de precipitación depende del tipo de proyecto diseñado de acuerdo con lo expresado en el Numeral 6.2.2 de la norma.

Adicionalmente, se deben tener en cuenta los requisitos establecidos en el Numeral 6.2.8 de la norma. TC = Te + Tt

Ecuación 5 - 3

5.1 CÁLCULO DEL CAUDAL DE AGUA LLUVIA

donde, TC = Tiempo de concentración (min). Te = Tiempo de entrada (min). Tt = Tiempo de recorrido (min).

Para el cálculo del caudal de agua lluvia tributaria a un tramo el diseñador debe realizar el siguiente procedimiento:

Para el cálculo del tiempo de entrada se utiliza la ecuación de la FAA3 de los Estados Unidos como se muestra en la Ecuación 5-4.

Te =

0.707∗(1.1 − I) L S 1/ 3

- Paso 1. Suponer un valor de la velocidad media en el tramo. - Paso 2. Calcular el tiempo de recorrido de acuerdo con la Ecuación 5-5.

Ecuación 5 - 4

- Paso 3. Calcular el tiempo de entrada utilizando la Ecuación 5-4.

donde, Te = Tiempo de entrada (min). T = Coeficiente de impermeabilidad (adimensional). L = Longitud máxima de flujo de escorrentía superficial (m). S = Pendiente promedio entre punto más alejado y el punto de entrada a la red (m/m).

- Paso 4. Calcular el tiempo de concentración de acuerdo con la Ecuación 5-3. - Paso 5. Con el valor del tiempo de concentración, calcular la intensidad de lluvia utilizando las curvas de IDF y el período de retorno de diseño.

Para la estimación del tiempo de recorrido se utiliza la siguiente expresión que es función de la velocidad media de flujo en cada tramo.

Tt =

3

L 60v

- Paso 6. Calcular el coeficiente de escorrentía por medio de la Ecuación 5-2. - Paso 7. Calcular el caudal utilizando la Ecuación 5-1.

Ecuación 5 - 5

- Paso 8. Calcular el diámetro de la tubería del tramo de acuerdo con el diagrama de flujo establecido en el Numeral 6.1 de la Guía.

FAA: Federal Aviation Administration.

32

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- Paso 9. Con el valor del caudal (paso 7) y el diámetro del tramo (paso 8), calcular la velocidad en el tramo y comparar con el valor supuesto en el paso 1. Si estos valores tienen una diferencia superior o igual al ±1%, el proceso iterativo se vuelve a iniciar utilizando como velocidad la última calculada. Sin embargo, si el tiempo de concentración mínimo en las cámaras iniciales es inferior a 3 minutos, se debe adoptar como tiempo de concentración 3 minutos. Por otro lado, el tiempo de concentración máximo debe ser 15 minutos.

Figura 5--1: Área tributaria del tramo T1

De acuerdo con el Capítulo 3 y la Figura 5-1 las áreas tributarias que llegan al Tramo 1 son la 29, 30 y 32. Al realizar las mediciones en el plano se tiene que la longitud máxima de flujo de escorrentía superficial es de 215.1 metros y que la pendiente promedio del recorrido de esa línea es de 8.9 %.

Para ilustrar el procedimiento antes descrito se tomará como ejemplo dos tramos de la red de Prado Centro. El primero un arranque y el segundo su continuidad. En primer lugar se tiene el Tramo T1, la forma y características del área tributaria se presentan la Figura 5-1.

Tt =

Suponiendo una velocidad media de flujo en el Tramo T1 de 5 m/s y sabiendo que la longitud del tramo es de 72.93 metros, el tiempo de recorrido es:

72.93 = 0.243 min 60 ⋅ 5

Ecuación 5 - 6

Para determinar el tiempo de entrada se utiliza un coeficiente de impermeabilidad de 0.75 correspondiente a zonas residenciales multifamiliares con casas contiguas predominadas de zonas impermeables y los valores de longitud y pendiente del área tributaria establecidos antes, ecuación 5-7.

Te =

0.707 ∗(1.1 − 0.75) 215.1 = 8.129 min 0.0891 / 3

Ecuación 5 - 7

Entonces el tiempo de concentración será, como se muestra en la ecuación 5-8. TC = 0.243 min + 8.129 min = 8.372 min

Ecuación 5 - 8

Como se mencionó en el Numeral 3.1.2 el período de retorno que se debe utilizar en el diseño de la red de Prado Centro es de 10 años. Para la estación de la Planta Villa Hermosa la ecuación que describe la curva IDF para este período de retorno es:

33

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i (mm / h) =

3483.1

Ecuación 5 - 9

(16 + Tc(min))0.9946

Con la ecuación de la curva IDF de la estación Planta Villa Hermosa se calcula la intensidad promedio como:

i=

3483.1

(16 + 8.372)

0.9946

= 145.4mm / h = 403.9

L/s ha

Ecuación 5 - 10

Se usa el factor 100/36 para convertir la intensidad expresada en mm/h a L/s/ha. El coeficiente de escorrentía se calcula mediante la siguiente expresión:

C = 0.14 + 0.65 * 0.75 + 0.05 * 0.089 = 0.632

Ecuación 5 - 11

El área total de este tramo es de 1.97 hectáreas de acuerdo con la Tabla 3-3, por lo tanto el caudal de agua lluvia será: Q = CiA = (0.632 ) ∗ 403.9

L/s ∗ (1.97 ha) = 502.9 L / s ha

Ecuación 5 - 12

Para determinar la velocidad de flujo del tramo, primero se estable la profundidad normal de acuerdo con la siguiente expresión que relaciona el caudal que pasa por la tubería, bajo la condición de flujo uniforme, como función de la rugosidad absoluta de la tubería, del radio hidráulico de la sección transversal, de la viscosidad cinemática del agua y de la pendiente del tramo.

Q

2 A 8 gRS o log10

ks 14.8R

2.51υ 4 R 8 gRS o

Ecuación 5 - 13

donde, Q = Caudal del flujo (m3/s). R = Radio hidráulico (m). A = Área mojada transversal (m2). So = Pendiente longitudinal del tramo. υ = Viscosidad cinemática (m2/s) Una vez se tiene la profundidad normal, la velocidad de flujo se calcula mediante las siguientes tres ecuaciones: θ = π + 2arcsen

yn − d / 2 d /2

Ecuación 5 - 14

34

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A=

d2 (θ − Sen(θ)) 8

Ecuación 5 - 15

Q A

Ecuación 5 - 16

v=

Para el caso específico del tramo 1 que tiene una pendiente de 6.18% se siguió el diagrama de flujo de diseño establecido en el Numeral 6.1 requiriéndose una tubería de PVC de 16” de diámetro nominal (0.362 metros de diámetro interno). Utilizando la Ecuación 5-13 se determina la profundidad normal como: 0.5029 = −2 A( y n ) 4.85 ⋅ R( y n )log10

1.5 * 10 −6 2.51* 1.14*10 −6 + 14.8 ⋅ R( y n ) 4 R( y n ) 4.85 ⋅ R( y n )

Ecuación 5 - 17

Al resolver la ecuación se obtiene una profundidad normal de 0.236 metros. Utilizando la Ecuación 5-14, la Ecuación 5-15 y la Ecuación 4-15 se determina la velocidad de flujo como:

θ = π + 2arcsen

A=

0.236 − 0.181 = 215.38° o 3.759rad 0.181

(0.362)2 (3.759 − Sen(215.38)) = 0.071m 2

Ecuación 5 - 18

Ecuación 5 - 19

8

0.5029m 3 / s v= = 7.08m / s 0.071m 2

Ecuación 5 - 20

Teniendo en cuenta que la relación entre el tiempo de tránsito asumido y el tiempo de tránsito final, (tta / ttf ), debe estar en un rango de 0.99 y 1.01, se procede a chequear con el valor obtenido al desarrollar la Ecuación 5-20. Como la velocidad final difiere en un 29% con respecto a la velocidad supuesta, se debe reiniciar el procedimiento antes descrito desde el paso 1. En la Tabla 5-2 se presenta el resumen de las iteraciones realizadas para encontrar el caudal de agua lluvia del tramo 1. Tabla 5-2 Cálculo del caudal de agua lluvia del tramo T1

Velocidad supuesta [ m/s ] 5.00 7.08

Tiempo de recorrido [ min ] 0.243 0.172

Tiempo de entrada [ min ] 8.129 8.129

Tiempo de concentración [ min ] 8.372 8.300

35

Intensidad media [ L/s/ha ] 403.9 405.1

Caudal de agua lluvia [ L/s ] 502.8 504.3

Velocidad final [ m/s ] 7.08 7.06

Guía para el Diseño Hidráulico de Redes de Alcantarillado

Del proceso iterativo de la Tabla 5-2 se llega a que el tiempo de concentración en el Tramo 1 es de 8.30 minutos, dado que el porcentaje de error entre la velocidad supuesta y la velocidad final es de 0.28 % que es inferior al 1% establecido en la norma. Para el segundo tramo el tiempo de entrada es igual al tiempo de concentración del Tramo 1. Y de la misma manera se realiza todo el procedimiento para determinar el caudal de agua lluvia. Suponiendo una velocidad media de flujo en el Tramo T2 de 5 m/s y sabiendo que la longitud del tramo es de 6.01 metros y la pendiente del tramo es de 4.66%, el tiempo de recorrido es:

Tt =

6.01 = 0.02 min 60 ∗5

Ecuación 5 - 21

Entonces el tiempo de concentración será: TC = 0.02 min + 8.30 min = 8.32 min

Ecuación 5 - 22

Con la ecuación de la curva IDF de la estación Planta Villa Hermosa se calcula la intensidad promedio como:

i=

3483.1

(16 + 8.32)

0.9946

= 145.7 mm / h = 404.7

L/s ha

Ecuación 5 - 23

El coeficiente de escorrentía se calcula mediante la siguiente expresión:

C = 0.14 + 0.65 * 0.75 + 0.05 * 0.0466 = 0.63

Ecuación 5 - 24

El área total de este tramo es de 2.54 hectáreas de acuerdo con la Tabla 3-3, por lo tanto el caudal de agua lluvia será: Q = CiA = (0.63)⋅ 404.7

L/s ⋅ (2.54ha) = 647.6 L / s ha

Ecuación 5 - 25

En el caso del Tramo 2 se siguió el diagrama de flujo de diseño establecido en el Numeral 6.1 requiriéndose una tubería de PVC de 20” de diámetro nominal (0.452 metros de diámetro interno). Utilizando la Ecuación 5-13 se determina la profundidad normal así: 0.647*6 = −2 A( y n) 3.66 *R( y n )log10

1.5 * 10 −6 2.51*1.14*10 −6 + 14.8 R(y n ) 4 R( y n ) 3.66 * R( y n )

Ecuación 5 - 26

Al resolver la ecuación se obtiene una profundidad normal de 0.262 metros. Utilizando la Ecuación 5-14, la Ecuación 5-15 y la Ecuación 4-15 se determina la velocidad de flujo como:

36

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θ = π + 2arcsen

0.262 − 0.226 = 198.33° o 3.462rad 0.226

Ecuación 5 - 27

2 ( 0.452) (3.462 − Sen(198.33)) = 0.0964m 2 A=

Ecuación 5 - 28

8

v=

0.6476m 3 / s = 6.72m / s 0.0964m 2

Ecuación 5 - 29

Como la velocidad final difiere en un 26% con respecto a la velocidad supuesta se debe reiniciar el procedimiento antes descrito. En la Tabla 5-3 se presenta el resumen de las iteraciones realizadas para encontrar el caudal de agua lluvia del Tramo 2. Tabla 5-3 Cálculo del caudal de agua lluvia del tramo T2

Velocidad supuesta [ m/s ] 5.00 6.72

Tiempo de recorrido [ min ] 0.020 0.015

Tiempo de entrada [ min ] 8.300 8.300

Tiempo de concentración

[ min ] 8.320 8.315

Intensidad media [ L/s/ha ] 404.7 404.8

Caudal de agua lluvia [ L/s ] 647.5 647.6

Velocidad final [ m/s ] 6.72 6.72

5.2 CAUDALES DE DISEÑO De la misma manera que se calcularon los caudales de agua lluvia de los Tramos 1 y 2 se procede a determinar los caudales de agua lluvia de los demás tramos que conforman la red de Prado Centro. En la Tabla 5-4 se presentan los caudales de agua lluvia de acuerdo con el procedimiento establecido en el numeral anterior: Tabla 5 4 Caudales de diseño de aguas lluvias para la red de Prado Centro

Tramo T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8

QLLU (m3/s) 0.503 0.643 0.728 0.955 1.181 1.201 1.343 1.355

QLLU (m3/s) 2.977 3.027 3.056 0.112 0.063 0.118 0.266 0.066

Tramo T24 T25 T26 T27 T28 T29 T30 T31

37

Tramo TA1 TA2 TA3 TA4 TA5 TA6 TA7 TA8

QLLU (m3/s) 4.211 4.218 5.619 5.775 5.879 6.022 6.051 6.192

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Tramo T9 T10 T11 T12 T13 T14 T15 T16 T17 T18 T19 T20 T21 T22 T23

QLLU (m3/s) 1.369 1.689 0.130 0.041 0.145 0.145 1.604 1.792 2.118 2.388 2.382 2.518 2.518 2.938 2.950

QLLU (m3/s) 0.254 0.049 0.186 0.262 0.445 0.511 0.511 0.083 0.136 0.218 0.041 0.063 0.137 0.959

Tramo T32 T33 T34 T35 T36 T37 T38 T39 T40 T41 T43 T44 T45 T46

38

Tramo TA9 TA10 TA11 TA12 TA13 TA14 TA15 TA16 TA17 TA18 TA19.1 TA19.2 TA20 TA21 TA22

QLLU (m3/s) 6.405 6.434 6.434 6.476 6.564 6.863 6.863 6.864 6.860 0.000 6.860 6.860 0.056 0.238 0.000

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Capítulo 6 DISEÑO HIDRÁULICO DE LA RED DE ALCANTARILLADO

La información específica de la zona del proyecto es la que le permite al diseñador conocer las características especiales de su modelo y tomar la decisión de incluir elementos especiales como aliviaderos, estaciones de bombeo, cámaras de caída y/o dispositivos de almacenamiento.

La norma establece un procedimiento de diseño que comprende el predimensionamiento de las tuberías de la red a través de las ecuaciones de flujo uniforme, la inclusión de pérdidas menores en el diseño de cámaras de inspección y de caída, y la comprobación de la línea de gradiente hidráulico y energía total dentro de cada tramo de alcantarillado para verificar sobrecargas y formación de resaltos hidráulicos.

6.1 DISEÑO TRAMO A TRAMO La ecuación que determina la capacidad de una tubería trabajando parcialmente llena de acuerdo con la norma es la que combina las ecuaciones de Darcy-Weisbach y Colebrook White y relaciona el caudal que pasa por tal tubería bajo condición de flujo uniforme como función de la rugosidad absoluta de la tubería, del radio hidráulico de la sección transversal, de la viscosidad cinemática del agua y de la pendiente longitudinal del trazado.

Antes de proceder con el diseño, el ingeniero diseñador debe comprender y analizar la información disponible sobre el sitio, usuarios, redes existentes, etc., con el fin de modelar el sistema de la manera más coherente posible con las condiciones de operación del prototipo. Q = −2 A 8 gRS ο log10

ks 2.51υ + 14.8 R 4 R 8 gRS ο

donde, Q = Caudal del flujo (m3/s). ks = Rugosidad absoluta de la tubería (m). R = Radio hidráulico (m). A = Área mojada transversal (m2). So = Pendiente longitudinal del tramo (m/m). υ = Viscosidad cinemática (m2/s).

Ecuación 6 - 1

Tales características de flujo deben compararse con los parámetros correspondientes que rigen el diseño de la normativa aplicable a cada tipo de alcantarillado en particular; entre ellas se incluye la profundidad normal de flujo, la velocidad media, el porcentaje del caudal a tubo lleno, la profundidad hidráulica y el número de Froude. Adicionalmente se debe revisar que no se infrinjan restricciones de diseño independientes a las hidráulicas, entre ellas las condiciones geotécnicas las cuales están directamente relacionadas con la profundidad de excavación.

La ecuación anterior permite calcular el diámetro mínimo necesario para alcanzar una capacidad de descarga igual o mayor que el caudal de diseño especificado, cumpliendo a la vez con el criterio de profundidad máxima.

Es posible representar el algoritmo iterativo que se realiza en el diseño de tramos de alcantarillado bajo flujo uniforme en esquemas como el de la Figura 6 -1.

Una vez se ha determinado el menor diámetro interno comercial del material escogido cuya capacidad iguale o exceda el caudal de diseño se deben establecer las características normales

39

Guía para el Diseño Hidráulico de Redes de Alcantarillado

Figura 6 -1: Diagrama de flujo para el diseño bajo flujo uniforme

6.1.1 CAUDALES DE DISEÑO

es de 6.449 m3/s como se muestra en la Tabla 6-1. De manera similar se calculan los caudales de diseño para todos los tramos de la red de Prado Centro.

Una vez se han determinado los caudales de aguas residuales y aguas lluvias como se mostró en los Capítulos 4 y 5, se suman para determinar el caudal de diseño de cada tramo.

6.1.2 DETERMINACIÓN DE DIÁMETROS El siguiente paso en el diseño tramo a tramo es encontrar el diámetro real interno del conjunto de tramos que conforman la red y que permitan transportar el caudal de diseño establecido en la Tabla 6-1. Para esto se debe definir la base de diámetros de acuerdo con los materiales que

Por ejemplo para el Tramo TA9 el caudal de agua residual es de 44.1 l/s (0.044 m3/s) de acuerdo con la Tabla 4-2 mientras que el caudal de aguas lluvias es de 6.405 m3/s de acuerdo con la Tabla 5-4; por lo tanto el caudal de diseño de este tramo

40

Guía para el Diseño Hidráulico de Redes de Alcantarillado Tabla 6 -1 Caudales de diseño para sector prado

Tramo

QDISEÑO (m3/s)

Tramo

QDISEÑO (m3/s)

Tramo

QDISEÑO (m3/s)

T1

0.508

T24

3.002

TA1

4.237

T2

0.648

T25

3.053

TA2

4.256

T3

0.734

T26

3.082

TA3

5.658

T4

0.962

T27

0.113

TA4

5.815

T5

1.189

T28

0.063

TA5

5.922

T6

1.209

T29

0.119

TA6

6.065

T7

1.352

T30

0.267

TA7

6.094

T8

1.364

T31

0.066

TA8

6.235

T9

1.378

T32

0.255

TA9

6.449

T10

1.701

T33

0.049

TA10

6.478

T11

0.131

T34

0.187

TA11

6.478

T12

0.041

T35

0.263

TA12

6.521

T13

0.145

T36

0.447

TA13

6.609

T14

0.145

T37

0.513

TA14

6.910

T15

1.622

T38

0.513

TA15

6.917

T16

1.811

T39

0.083

TA16

6.918

T17

2.138

T40

0.136

TA17

6.914

T18

2.410

T41

0.220

TA18

0.054

T19

2.404

T43

0.042

TA19.1

6.860

T20

2.541

T44

0.064

TA19.2

6.860

T21

2.541

T45

0.138

TA20

0.056

T22

2.963

T46

0.966

TA21

0.239

T23

2.975

TA22

0.013

puedan ser utilizados en el diseño de la red de alcantarillado, teniendo en cuenta las limitaciones que pueda tener en la fase de construcción, como por ejemplo longitud controlada.

Una vez se tiene la base de diámetros se procede a encontrar el diámetro de la tubería que permita transportar el caudal de diseño establecido en los capítulos anteriores.

En el caso de las redes de alcantarillado de la ciudad de Medellín y de los municipios atendidos por EPM los materiales que comúnmente se utilizan son PVC, GRP y Concreto; para estos tres materiales se deben seguir las especificaciones técnicas descritas en las normas Incontec e internacionales que se relacionan en el Numeral 4.2.6 de la norma.

Tomando como ejemplo el diseño del Tramo TA17 el cual tiene una longitud de 38.31 metros, una pendiente de 0.00143, un caudal de diseño de 6.914 m3/s y en el que se utilizará GRP como material de las tuberías con un ks de 0.03 mm.

La base de diámetros que se va a considerar para el diseño es la que se presenta en la Tabla 6-2.

41

Guía para el Diseño Hidráulico de Redes de Alcantarillado Tabla 6-2 Base de diámetros para el diseño

Diámetro comercial 10” 12” 14” 16” 18” 20” 24” 27” 30” 36” 40” 42” 44” 48” 52” 54” 56” 60” 64” 68” 72”

Diámetro real interno en PVC 0.227 m 0.284 m 0.362 m 0.407 m 0.452 m 0.595 m 0.671 m 0.747 m 0.899 m 1.051 m 1.203 m 1.295 m 1.353 m 1.507 m -

Diámetro real interno en GRP 0.250 m 0.300 m 0.350 m 0.400 m 0.450 m 0.500 m 0.600 m 0.700 m 0.800 m 0.900 m 1.000 m 1.200 m 1.400 m 1.600 m 1.800 m

Diámetro real interno en Concreto 0.250 m 0.300 m 0.350 m 0.400 m 0.450 m 0.500 m 0.600 m 0.700 m 0.800 m 0.900 m 1.000 m 1.100 m 1.200 m 1.300 m 1.400 m 1.500 m 1.600 m 1.700 m 1.800 m

El primer paso es escoger la relación entre la profundidad de flujo y el diámetro de la tubería, que para este caso el valor es de 0.70 porque el diámetro inicial (250 mm) a utilizar es menor de 500 mm; esta relación se escoge de acuerdo con el Numeral 6.2.19 de la norma. Con esta relación se determina el ángulo subtendido entre el centro de la sección transversal y los puntos de contacto entre la superficie libre y la circunferencia de la tubería, así: θ = π + 2arcsen

yn − d / 2 d /2

0.7 d − d / 2 θ = π + 2arcsen = 3.965rad d /2

Ecuación 6 - 2

Calculado el ángulo antes descrito se procede a escoger el primer diámetro de la base de diámetros (0.250 metros) para calcular las características geométricas de la tubería como el área, el perímetro y el radio hidráulico como se muestra en las siguientes tres ecuaciones:

42

Guía para el Diseño Hidráulico de Redes de Alcantarillado

A=

d2 (θ − Sen(θ)) 8

(0.25m )2 (3.965 − Sen(3.965)) = 0.0367m 2 A=

Ecuación 6 - 3

8

1 P = θd 2 P=

1 ∗3.965rad ∗ 0.25m = 0.496m 2 R=

R=

Ecuación 6 - 4

A P

0.0367 m 2 = 0.074m 0.496m

Ecuación 6 - 5

Con las características geométricas de la tubería, la rugosidad, pendiente de la misma y la viscosidad cinemática del agua se puede determinar el caudal que puede transportar esa tubería con una relación de profundidad normal de 0.7 veces el diámetro, como: Q = −2 A 8 gRS ο log10

Q = −2 *0.0367 8*9.81*0.074*0.00143 * log 10

ks 2.51υ + 14.8R 4 R 8 gRS o 1.5 * 10 −6 2.51*1.14 * 10 −6 + 14.8*0.074 4*0.074 8*9.81*0.074*0.00143

Ecuación 6 - 6

Q = 0.026m 3 / s

Este caudal de 0.026 m3/s es menor que el caudal de diseño de 6.914 m3/s, por lo tanto se debe utilizar un diámetro mayor. Para los siguientes diámetros reales internos se realizó el mismo procedimiento hasta encontrar el diámetro que permita transportar el caudal de diseño. En la Tabla 6-3 se muestran los resultados. Una vez se ha determinado el diámetro de la tubería que puede transportar el caudal de diseño, se debe encontrar la profundidad normal de flujo para dicho caudal. En la Tabla 6-4 se presenta el resumen de los cálculos realizados. Para determinar la profundidad normal de flujo correspondiente al caudal de diseño, se establece una profundidad normal inicial pequeña y se va aumentando hasta encontrar la que corresponda al caudal de diseño. La octava columna se usa para la verificación de la profundidad, cuando se pase de un “No” a un “Sí” esa es la profundidad normal de flujo que debe haber en la tubería para que se pueda transportar el caudal de diseño antes especificado.

43

Guía para el Diseño Hidráulico de Redes de Alcantarillado Tabla 6-3 Determinación del diámetro de diseño

D (m) 0.250 0.300 0.350 0.400 0.450 0.500 0.600 0.700 0.800 0.900 1.000 1.200 1.400 1.600 1.800 2.000

Y (m) 0.175 0.210 0.245 0.280 0.315 0.400 0.480 0.560 0.640 0.720 0.850 1.020 1.190 1.360 1.530 1.700

θ (rad) 3.965 3.965 3.965 3.965 3.965 4.429 4.429 4.429 4.429 4.429 4.692 4.692 4.692 4.692 4.692 4.692

A (m2) 0.037 0.053 0.072 0.094 0.119 0.168 0.242 0.330 0.431 0.546 0.712 1.025 1.395 1.822 2.305 2.846

P (m) 0.496 0.595 0.694 0.793 0.892 1.107 1.329 1.550 1.771 1.993 2.346 2.815 3.285 3.754 4.223 4.692

R (m) 0.074 0.089 0.104 0.118 0.133 0.152 0.183 0.213 0.243 0.274 0.303 0.364 0.425 0.485 0.546 0.607

Q (m3/s) 0.026 0.042 0.063 0.090 0.123 0.190 0.306 0.460 0.653 0.890 1.237 1.994 2.985 4.233 5.758 7.581

Q > QD (Sí / No) No No No No No No No No No No No No No No No Si

Tabla 6-4 Determinación de la profundidad normal de flujo para el diámetro seleccionado

D (m) 2.000 2.000 2.000 2.000 2.000 2.000 2.000

Y (m) 1.300 1.350 1.400 1.450 1.500 1.520 1.541

θ (rad) 3.751 3.857 3.965 4.075 4.189 4.235 4.285

A (m2) 2.162 2.256 2.349 2.439 2.527 2.562 2.597

P (m) 3.751 3.857 3.965 4.075 4.189 4.235 4.285

R (m) 0.576 0.585 0.592 0.599 0.603 0.605 0.606

Q (m3/s) 5.581 5.879 6.167 6.446 6.710 6.812 6.916

Q > QD (m3/s) No No No No No No Si

De la Tabla 6-4 se observa que el valor de profundidad normal es de 1.541 metros (y/D = 77.1 %).

6.1.3 EVALUACIÓN DE CRITERIOS HIDRÁULICOS Una vez se ha determinado cuál es el diámetro y la profundidad de flujo se procede a calcular las características hidráulicas del tramo para verificar si cumple con los criterios de velocidad mínima, esfuerzo cortante mínimo, número de Froude y relación y/D.

44

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En primer lugar se determina el número de Froude para verificar que el tramo no trabaje en flujo cuasicrítico; de lo contrario es necesario variar la pendiente a fin de solucionar este inconveniente. Para determinar el número de Froude se debe calcular el ancho superficial y el área de la sección transversal, utilizando las siguientes ecuaciones:

θ 2

T = d ⋅ Sen

4.285rad T = 2.0m ⋅ Sen = 1.682m 2

A=

Ecuación 6 - 7

d2 (θ − Sen(θ )) 8

(2.0m )2 (4.285 − Sen(4.285)) = 2.597m 2 A=

Ecuación 6 - 8

8

Fr =

Q A g

A T Ecuación 6 - 9

6.914m 3 / s

Fr = 2.597m

2

2.597m 2 9.81m / s 1.682m

= 0.684

2

Como el número de Froude no se encuentra entre el rango de 0.7 a 1.5 no hay problema por flujo cuasicrítico; por lo tanto el régimen de flujo en este tramo será flujo subcrítico porque el número de Froude es menor de 1. Luego se debe evaluar la velocidad de flujo para verificar si se encuentra en el rango permitido por norma. La velocidad se calcula como: Q 6.914m 3 / s v= = = 2.66 m / s A 2.597 m 2

Ecuación 6 - 10

Las condiciones de velocidad en este tramo son las adecuadas de acuerdo con las especificaciones descritas en el Numeral 2.3.2 de esta guía. Por último se evalúa el esfuerzo cortante para saber si el tramo cumple con el criterio de autolimpieza, para lo cual se utilizan las siguientes fórmulas:

45

Guía para el Diseño Hidráulico de Redes de Alcantarillado

R=

d Senθ 1− 4 θ

Ecuación 6 - 11

2.0m Sen(4. 285rad ) R= 1− = 0.606m 4 4.285rad τ = γRS

Ecuación 6 - 12

τ = 9.81m / s 2 ∗1000kg / m 3 ∗ 0.606m ∗0.00143 = 8.5 Pa

Como el valor del esfuerzo cortante es mayor de 3 pascales el tramo diseñado cumple con el criterio de autolimpieza.

6.1.4 DISEÑO DE LA RED De manera similar se calcula el diámetro de cada una de los tramos que componen la red de alcantarillado de Prado Centro, como se muestra en las siguientes dos tablas 6-5 y 6-6. En cada uno de los diseños se deben verificar los criterios de velocidad mínima, esfuerzo cortante mínimo, mínima profundidad de excavación y régimen de flujo. Tabla 6-5 Características topológicas de la red de Prado Centro

Tramo

Longitud

Pendiente

Rugosidad

T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 T11 T12 T13 T14 T15 T16

(m) 72.93 6.01 92.25 7.75 66.25 18.81 17.58 17.62 20.52 62.93 91.52 23.51 58.21 10.05 5.62 92.32

(-) 0.0618 0.0466 0.0841 0.0439 0.1428 0.1318 0.0421 0.0471 0.0463 0.0399 0.0140 0.0106 0.0309 0.0308 0.0872 0.1022

(mm) 0.0015 0.0015 0.0015 0.0015 0.0015 0.0015 0.0015 0.0015 0.0015 0.0015 0.6000 0.0015 0.6000 0.6000 0.0015 0.0015

46

Caudal de diseño (m3/s) 0.507 0.648 0.734 0.962 1.188 1.209 1.352 1.364 1.378 1.701 0.131 0.041 0.145 0.145 1.622 1.811

Diámetro (m) 0.362 0.452 0.452 0.595 0.595 0.595 0.595 0.595 0.595 0.595 0.350 0.284 0.300 0.300 0.595 0.595

Profundidad normal (m) 0.236 0.260 0.230 0.286 0.225 0.232 0.359 0.347 0.351 0.433 0.208 0.106 0.191 0.192 0.314 0.319

Guía para el Diseño Hidráulico de Redes de Alcantarillado

Tramo

Longitud

Pendiente

Rugosidad

T17 T18 T19 T20 T21 T22 T23 T24 T25 T26 T27 T28 T29 T30 T31 T32 T33 T34 T35 T36 T37 T38 T39 T40 T41 T43 T44 T45 T46 TA1 TA2 TA3 TA4 TA5 TA6 TA7

90.79 93.73 3.99 80.72 8.67 34.79 18.84 18.77 3.57 44.53 89.87 42.88 28.65 93.62 35.67 94.42 58.95 6.08 88.49 53.52 59.05 11.71 39.86 43.67 153.15 37.78 19.75 82.99 93.54 3.15 18.15 10.84 113.62 58.88 89.71 10.77

0.0865 0.0775 0.0501 0.0348 0.0346 0.0776 0.0690 0.1214 0.0476 0.0631 0.0847 0.0219 0.0143 0.0228 0.0241 0.0207 0.1620 0.0444 0.0867 0.0807 0.0853 0.0863 0.0361 0.0066 0.0181 0.0289 0.0790 0.0316 0.0917 0.0222 0.0430 0.0351 0.0252 0.0160 0.0159 0.0158

0.0015 0.0015 0.0015 0.0015 0.0015 0.0015 0.0015 0.0015 0.0015 0.0015 0.6000 0.6000 0.6000 0.6000 0.6000 0.6000 0.6000 0.6000 0.0015 0.0015 0.0015 0.0015 0.6000 0.0015 0.6000 0.6000 0.6000 0.6000 0.0015 0.0015 0.0015 0.0015 0.0015 0.0015 0.0015 0.0015

47

Caudal de diseño 2.138 2.410 2.404 2.541 2.541 2.963 2.975 3.002 3.053 3.082 0.113 0.063 0.118 0.267 0.066 0.255 0.049 0.187 0.263 0.447 0.513 0.513 0.083 0.136 0.220 0.042 0.064 0.138 0.966 4.237 4.256 5.658 5.815 5.922 6.065 6.094

Diámetro 0.595 0.595 0.671 0.747 0.747 0.747 0.747 0.747 0.747 0.747 0.250 0.250 0.350 0.400 0.250 0.400 0.250 0.300 0.362 0.362 0.362 0.362 0.250 0.362 0.400 0.250 0.250 0.300 0.452 1.051 1.051 1.051 1.051 1.203 1.203 1.203

Profundidad normal 0.377 0.431 0.455 0.496 0.497 0.412 0.430 0.358 0.501 0.454 0.133 0.142 0.193 0.257 0.142 0.257 0.069 0.201 0.141 0.197 0.211 0.211 0.144 0.220 0.243 0.102 0.096 0.184 0.266 0.632 0.508 0.652 0.758 0.810 0.825 0.831

Guía para el Diseño Hidráulico de Redes de Alcantarillado

Tramo

Longitud

Pendiente

Rugosidad

TA8 TA9 TA10 TA11 TA12 TA13 TA14 TA15 TA16 TA17 TA18 TA19.1 TA19.2 TA20 TA21 TA22

107.06 50.12 43.46 11.95 36.15 105.20 87.73 105.29 98.81 38.31 9.66 16.33 37.31 12.04 20.91 3.92

0.0175 0.0184 0.0189 0.0176 0.0191 0.0194 0.0092 0.0101 0.0104 0.0014 0.0724 0.0061 0.0043 0.2043 0.1188 0.1811

0.0015 0.0015 0.0015 0.0015 0.0015 0.0015 0.0015 0.0015 0.0015 0.0300 0.6000 0.0300 0.0300 0.0015 0.0015 0.6000

Caudal de diseño 6.235 6.449 6.478 6.478 6.520 6.609 6.909 6.917 6.918 6.914 0.054 6.860 6.860 0.056 0.239 0.013

Diámetro 1.203 1.203 1.203 1.203 1.203 1.203 1.353 1.353 1.353 2.000 0.250 2.000 2.000 0.284 0.284 0.250

Profundidad normal 0.812 0.816 0.810 0.833 0.810 0.813 1.018 0.980 0.966 1.536 0.090 0.915 1.022 0.053 0.136 0.034

Tabla 6-6 Características geométricas de las tuberías de la red de Prado Centro

Tramo

Y/D

Velocidad

T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 T11 T12 T13 T14 T15

0.65 0.58 0.51 0.48 0.38 0.39 0.60 0.58 0.59 0.73 0.59 0.37 0.64 0.64 0.53

(m/s) 7.152 6.778 8.935 7.286 12.357 12.059 7.714 8.108 8.080 7.850 2.207 1.898 3.060 3.042 10.906

Esfuerzo cortante (Pa) 63.33 56.12 94.34 62.41 171.05 161.59 68.38 75.20 74.36 69.74 13.25 6.04 25.99 25.97 131.48

48

Número de Froude 5.04 4.68 6.69 4.94 9.66 9.26 4.49 4.84 4.78 3.92 1.70 2.16 2.41 2.38 6.96

Régimen de flujo Supercrítico Supercrítico Supercrítico Supercrítico Supercrítico Supercrítico Supercrítico Supercrítico Supercrítico Supercrítico Supercrítico Supercrítico Supercrítico Supercrítico Supercrítico

Guía para el Diseño Hidráulico de Redes de Alcantarillado

Tramo

Y/D

Velocidad

T16 T17 T18 T19 T20 T21 T22 T23 T24 T25 T26 T27 T28 T29 T30 T31 T32 T33 T34 T35 T36 T37 T38 T39 T40 T41 T43 T44 T45 T46 TA1 TA2 TA3 TA4 TA5 TA6

0.54 0.63 0.72 0.68 0.66 0.67 0.55 0.58 0.48 0.67 0.61 0.53 0.57 0.55 0.64 0.57 0.64 0.28 0.67 0.39 0.54 0.58 0.58 0.57 0.61 0.61 0.41 0.39 0.61 0.59 0.60 0.48 0.62 0.72 0.67 0.69

11.941 11.519 11.178 9.409 8.225 8.206 11.958 11.394 14.468 9.771 11.057 4.274 2.206 2.185 3.129 2.312 2.992 4.416 3.710 7.116 7.819 8.259 8.259 2.857 2.087 2.754 2.229 3.652 3.041 9.827 7.770 10.237 10.000 8.675 7.279 7.304

Esfuerzo cortante 155.68 143.78 135.27 96.58 74.15 73.80 150.86 137.35 216.43 101.87 129.20 53.83 14.47 13.02 25.60 15.92 23.24 63.75 38.13 64.55 75.39 82.84 83.75 24.04 6.58 19.83 15.33 40.40 26.08 111.85 63.72 108.44 102.02 77.58 55.05 55.33

49

Número de Froude 7.54 6.46 5.61 4.70 3.97 3.95 6.61 6.12 8.76 4.68 5.71 4.19 2.07 1.77 2.12 2.17 2.02 6.32 2.80 7.02 6.27 6.32 6.32 2.66 1.55 1.94 2.58 4.35 2.46 6.67 3.41 5.20 4.29 3.28 2.74 2.70

Régimen de flujo Supercrítico Supercrítico Supercrítico Supercrítico Supercrítico Supercrítico Supercrítico Supercrítico Supercrítico Supercrítico Supercrítico Supercrítico Supercrítico Supercrítico Supercrítico Supercrítico Supercrítico Supercrítico Supercrítico Supercrítico Supercrítico Supercrítico Supercrítico Supercrítico Supercrítico Supercrítico Supercrítico Supercrítico Supercrítico Supercrítico Supercrítico Supercrítico Supercrítico Supercrítico Supercrítico Supercrítico

Guía para el Diseño Hidráulico de Redes de Alcantarillado

Tramo

Y/D

Velocidad

TA7 TA8 TA9 TA10 TA11 TA12 TA13 TA14 TA15 TA16 TA17 TA18 TA19.1 TA19.2 TA20 TA21 TA22

0.69 0.67 0.68 0.67 0.69 0.67 0.68 0.75 0.72 0.71 0.77 0.36 0.46 0.51 0.19 0.48 0.14

7.280 7.643 7.862 7.963 7.719 8.015 8.091 5.954 6.202 6.299 2.671 3.394 4.896 4.248 6.834 7.955 3.287

Esfuerzo cortante 54.94 60.28 63.47 65.06 61.19 65.81 66.95 37.00 39.98 41.24 8.53 35.29 28.32 21.33 64.96 80.64 38.20

6.2 DISEÑO DE CÁMARAS

Número de Froude 2.68 2.87 2.94 2.99 2.84 3.01 3.03 1.91 2.06 2.12 0.69 4.20 1.86 1.51 11.31 7.80 6.81

Régimen de flujo Supercrítico Supercrítico Supercrítico Supercrítico Supercrítico Supercrítico Supercrítico Supercrítico Supercrítico Supercrítico Subcrítico Supercrítico Supercrítico Supercrítico Supercrítico Supercrítico Supercrítico

6.2.1 DETERMINACIÓN DEL DIÁMETRO DE LAS CÁMARAS

Todas las consideraciones de diseño que se deben tener en cuenta para el diseño de estructuras de conexión y complementarias en sistemas de alcantarillados se encuentran establecidas en el Capítulo 8 de las Normas de Diseño de Redes de Alcantarillado de EPM.

De acuerdo con el Numeral 8.3.2.2 de la norma el diámetro interno de las cámaras de inspección se debe determinar teniendo en cuenta que no exista interferencia entre los tramos de entrada y de salida a la cámara.

El tipo de empalme o conexión que debe hacerse entre dos tramos depende del régimen de flujo presente. Cuando existe la presencia de dos o más tramos de llegada a las cámaras de conexión es necesario establecer aquel que se comporta como el hidráulicamente dominante en el diseño de la estructura, según el Numeral 8.3.6.1 de la norma teniendo en cuenta alguno de los siguientes tres criterios:

A manera de ejemplo se determinará el diámetro interno de la Cámara C165, Figura 6-2. El diámetro interno de la cámara se calcula mediante la siguiente ecuación: Dp =

Ds Cos (∆ / 2 )

Ecuación 6 - 13

donde, Dp = D iámetro interno real de la estructura de conexión (m). Ds = Diámetro externo real de la tubería de salida (m). Δ = Ángulo de intersección entre los tramos (Grados).

- Conducto con menor ángulo de deflexión - Conducto con mayor altura de velocidad - Conducto con mayor valor resultante al multiplicar el caudal por la velocidad

50

Guía para el Diseño Hidráulico de Redes de Alcantarillado

6.2.2 DISEÑO DE CÁMARAS DE UNIÓN SUBCRÍTICA El Numeral 8.3.6.2 de la norma, indica las condiciones para calcular las uniones entre tramos que operan bajo régimen subcrítico. En este caso puede aplicarse un empalme por línea de energía y las pérdidas menores pueden calcularse con cualquiera de los tres métodos permitidos en la norma: • Estándar • AASHTO • HEC 22

Figura 6-2: Vista en planta de la Cámara C165.

Al incorporar los valores de la cámara C165 en la Ecuación 6-13 se obtiene el siguiente diámetro interno de la cámara: Dp =

1.203m = 1.703m Cos (45°03'21")

Para el empleo de estos tres métodos se debe tener un régimen subcrítico en los tramos de entrada y de salida de la cámara a diseñar. En la red de Prado existe solamente un tramo con flujo subcrítico (TA17) por lo tanto no se podría realizar el diseño de una cámara de unión subcrítica. A manera de ejemplo se utilizarán datos hipotéticos para ilustrar este tipo de cálculo con la cámara C165A, cuya información de entrada se muestra en la Tabla 6-7:

Ecuación 6 - 14

Los diámetros comercialmente usados son: 1.20 m, 1.50 m y 2.00 m, razón por la cual el valor del diámetro obtenido al desarrollar la Ecuación 6-14 se debe redondear a un diámetro estándar, por lo tanto el diámetro de la cámara C165 será de 2.0 metros.

Tabla 6 - 7 Información necesaria para el cálculo de empalme de la cámara C165A

Tramo

ID

S (%)

D (m)

Q (m3/s)

Entrada Salida

TA9 TA10

0.12 0.10

1.203 1.203

2.10 2.25

Yn (m) 0.96 1.02

V (m/s)

Froude

Régimen

Deflexión

2.16 2.19

0.69 0.64

Subcrítico Subcrítico

4°

El empate por línea de energía establece la siguiente suposición: E1 = E 2 + hm v12 v22 ; E2 = y2 + E1 = y1 + 2g 2g H p = E 2 − E1 + hm

Ecuación 6 - 15

donde, Hp = Caída de fondo en la estructura de conexión y/o inspección (m). v1 = Velocidad en el tramo de entrada (m/s).

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E1 = Energía específica en el tramo de entrada (m). E2 = Energía específica en el tramo de salida (m). hm = Pérdidas menores en la estructura de conexión y/o inspección (m).

v2 = Velocidad en el tramo de salida (m/s). y1 = Profundidad el flujo en de el tramo de entrada (m). y2 = Profundidad el flujo en el tramo de salida (m).

Figura 6-3 Criterio de empate de línea de energía en una cámara

Para la cámara C165A el componente de pérdidas menores hm, se determina a partir de la metodología estándar. En este caso el diámetro de entrada es igual al diámetro de salida en los tramos y la deflexión es de 4°, por lo tanto se cumplen las recomendaciones del Numeral 8.3.6.2 de la norma en lo que corresponde al método mencionado. El coeficiente Km es obtenido de la Tabla 8-2 de la norma donde se presenta un coeficiente de pérdidas para cámaras con un tramo de entrada sin cañuela. Este coeficiente varía desde 0.5 para deflexión de 0° hasta 0.8 para deflexión de 90°; utilizando interpolación se encuentra el coeficiente de pérdida para 4° correspondiente a un valor de 0.513. Tabla 8-2 de la norma: Coeficientes de pérdidas menores Método Estándar

Descripción de la cámara Tramo único de entrada, sin cañuela, Δ = 0º 1 tramo de entrada, sin cañuela Δ = 90º 2 tramos entrantes, ángulo entre ellos mayor que 90º 3 o más tramos entrantes

Coeficiente de pérdida Km 0.5 0.8 0.9 1.0

donde, Δ = Ángulo de deflexión entre el tramo de entrada y el tramo de salida de la cámara (grados). El cálculo de la pérdida menor se efectúa multiplicando la altura de velocidad del tramo de salida por el coeficiente de pérdida obtenido de la siguiente manera:

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hm = K m

v 22 2g

Km = Coeficiente de pérdidas menores (adimensional). V2 = Velocidad en el conducto de salida (m/s).

Ecuación 6 - 16

Reemplazando en la Ecuación 6-16 se obtiene:

donde, hm = Pérdidas menores en la cámara de inspección y/o conexión (m).

hm = 0.513

2.19 2 = 0.125m 2 ⋅ 9.81

Ecuación 6 - 17

El paso siguiente dentro del diseño de la cámara subcrítica es determinar la caída de fondo de la estructura: H p = E2 − E1 + hm

E1 = y1 +

Ecuación 6 - 18

v12 (2.16) 2 = 0.96 + = 1.198 m 2g 2 ⋅ 9.81

Ecuación 6 - 19

v 22 (2.19) 2 = 1.02 + = 1.264 m 2g 2 ⋅ 9.81

Ecuación 6 - 20

E2 = y2 +

H p = 1.264 m − 1.198 m + 0.125 m = 0.191m

Ecuación 6 - 21

La primera configuración corresponde a la que tiene una sola entrada con un ángulo de deflexión menor a 10 grados (Configuración de flujo directo), la segunda configuración corresponde a la que tiene una sola entrada pero el ángulo de deflexión es mayor de 10 grados (Configuración de cambio de dirección) y la tercera configuración corresponde a la que tiene más de una entrada (Configuración de unión). En la Figura 6-4 se presenta el esquema de una cámara supercrítica con configuración de flujo directo.

Por lo tanto en la cámara C165A se debe dejar una caída de 0.19 metros.

6.2.3 DISEÑO DE CÁMARAS DE UNIÓN SUPERCRÍTICAS Para el diseño de cámaras de unión con régimen de flujo supercrítico en las tuberías de entrada y salida se debe estimar el valor de la máxima caída que se puede colocar en la cámara. Dejando una caída inferior a la establecida y cumpliendo con unas relaciones de profundidad en las tuberías de entrada a la cámara de inspección se pueden evitar problemas de flujo transicional y pérdida de capacidad estructural.

Para ilustrar el ejemplo de diseño de cámaras de unión en condiciones supercríticas se analizará una cámara que tenga configuración de flujo directo. Para este caso se utilizará la Cámara C68 cuyos datos de entrada requeridos por la metodología se encuentran en la Tabla 6-8, los cuales han sido tomados de los resultados del diseño bajo flujo uniforme.

En las cámaras de inspección con régimen de flujo supercrítico se pueden presentar tres configuraciones dependiendo del número de tramos que entran a la cámara y de los ángulos de deflexión de los mismos.

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Figura 6-4 Esquema de caída de fondo en cámaras supercríticas de flujo directo Tabla 6-8 Información necesaria para el cálculo de empalme de la cámara C165A

Cámara

Tramo de entrada

Tramo de salida

C68

T23

T24

Diámetro de salida (m) 0.747

y/d de entrada 0.58

Inicialmente se debe determinar el factor de capacidad de la cámara (Fc). De acuerdo con la metodología de Hager y Gisonni4 Fc se calcula mediante la siguiente expresión: FC = 2 y / d < 0.7 FC = 14.6 − 17.3( y / d ) 0.7 < y / d < 0.75

Ecuación 6 - 22

Para la relación y/d en la tubería de entrada de 0.58 el factor de capacidad Fc, es de 2.0. El valor de la máxima caída relativa que se puede dejar en la cámara de inspección se calcula mediante la siguiente ecuación:

FC − 1 ∆z 1 = 15 + ( y / d)ent − 0.85 d sal 17

Ecuación 6 - 23

Reemplazando los valores del factor de capacidad, la relación de profundidad en el tramo de entrada y el diámetro de salida, la máxima caída que se puede colocar en la Cámara C68 es: ∆z =

2 −1 0.747 m 15 + = 0.50 m 0.58 − 0.85 17

Ecuación 6 - 24

F. DE MARTINO, C. GISONNI, W.H. HAGER: “Drop in combined sewer manhole for super critical flow”. Journal of Irrigation and Drainage (A.S.C.E.). vol. 128 (6), 397-400, 2002.

4

54

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6.2.4 DISEÑO DE CÁMARA DE CAÍDA Como se indica en el Numeral 8.4 de la norma, en las cámaras de inspección que tengan una diferencia mayor a 0.70 m entre las cotas batea de entrada y salida de las tuberías, se deben construir cámaras de caída con el fin de generar una pérdida significativa de energía en el flujo. No obstante que en algunos casos se presentan diferencias mayores a 0.70 m entre las cotas de batea de la tubería de entrada y la de salida, para diseñar la cámara de caída, siempre es necesario verificar la factibilidad constructiva de la misma en términos de la altura disponible para instalar la tubería que entra a la cámara a 45°. Lo anterior debido a que dependiendo del diámetro de la tubería de entrada y la diferencia entre las cotas de batea, en determinadas situaciones no es posible su construcción. Por ejemplo, si la tubería que entra a la cámara tiene un diámetro de 900 mm y la diferencia de altura es de 0.80 m, no es factible su construcción. En estos casos se propondrán otras medidas para disipar energía, lo cual estará sujeto a aprobación de EPM.

Figura 6-5: Cámara de caída con tubería externa.

diseña para separar las aguas combinadas y entregar el caudal de aguas residuales al colector Oriental y el caudal de aguas lluvias al río Medellín. El diseño se realiza según el Numeral 8.6.7 de la norma. El diseño del aliviadero consiste en determinar las cotas en las que debe instalarse el tramo de entrada (aguas combinadas) y los tramos de salida (aguas residuales y lluvias), para que bajo las condiciones de operación se distribuyan los caudales estimados en el diseño. El Tramo TA18 que descarga al interceptor Oriental, tiene un diámetro interno de 300 mm y debe descargar un caudal de aguas residuales de 80 L/s (*). Para este caso el diseñador debe utilizar la Ecuación 6-25, ya que corresponde a la expresión manejada para dimensionar orificios.

Como ejemplo para la guía, se cita la cámara C74, cuyos datos son: Cota batea de entrada: Cota batea de salida: Diferencia entre cotas bateas:

1 482.02 m 1479.93 m 2.09 m > 0.70 m

Q = Cd A(2 gH )0.5

Para proteger la estructura y la integridad de los materiales en la cámara se ha optado por una configuración de cámara de caída externa. Como el diámetro interno de la tubería de entrada es de 0.362 m, es factible su construcción. Las dimensiones y cotas de la cámara de caída se muestran en la Figura 6-5.

Ecuación 6 - 25

donde, Q = Caudal de descarga a través del orificio (m3/s). CA = Coeficiente de descarga (-). A = Área de la sección transversal interna de la tubería (m2). H = Profundidad de lámina de agua por encima del orificio (m). g = Aceleración de la gravedad (m/s2).

6.3 Diseño de elementos especiales En la red de Prado Centro se ha proyectado un aliviadero tipo orificio ubicado en la cámara C68, el cual se

*(Este caudal corresponde al obtenido al correr el modelo hidráulico).

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En el aliviadero se espera que en condiciones de tiempo seco, el agua residual se descargue directamente por el Tramo TA18 en condiciones no sumergidas. Cuando el caudal aumente, el máximo volumen que debe permanecer en el alivio es aquel que proporcione el nivel de lámina de agua por encima del orificio correspondiente a la altura H en la Ecuación 6-26 con un coeficiente de descarga de 0.60. 2

Q H= Cd A

2

1 = 2g

0.080 0.32 0.6(π ) 4

1 = 0.181m 2(9.81)

Ecuación 6 - 26

Por lo tanto se deben dejar 0.18 metros por encima de la tubería de descarga de aguas residuales en el aliviadero A155A. Los niveles de la cota de batea de los tramos de entrada y salida corresponden al nivel establecido anteriormente como se observa en la Figura 6-6.

Figura 6-6: Características del Aliviadero A155A (vista en perfil).

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Capítulo 7 COMPROBACIÓN DE DISEÑO CON FGV

Protection Agency, EPA). El diseñador podrá hacer uso de este programa o de otro software disponible en el mercado que cumpla con lo requerido en la norma.

Paso seguido a la realización del diseño “tramo a tramo” y de las estructuras se debe verificar el comportamiento hidráulico de la red para diferentes condiciones de operación.

Para el caso de la modelación de la red de Prado Centro bajo la condición de flujo gradualmente variado se utilizará el programa EPASWMM de acceso libre el cual presenta las siguientes capacidades:

La verificación se basa en la determinación de la línea piezométrica (línea de gradiente hidráulico) con el fin de prever posibles sobrecargas y/o resaltos hidráulicos en los tramos de la red. De acuerdo con el Numeral 4.3.4 de la norma se establecen los condicionales que se deben tener en cuenta antes de iniciar la comprobación de diseño de la red de alcantarillado.

- Maneja redes de drenaje de tamaño ilimitado. - Usa una variada oferta de secciones de conductos abiertos y cerrados como también aquellas relacionadas con canales naturales. - Modela elementos especiales como unidades de almacenamiento y tratamiento, divisores del flujo, bombas, vertederos y orificios. - Permite la inserción de flujos externos puntuales, patrones de variación y modela el proceso de escorrentía de las áreas tributarias. - Permite la modelación de condiciones de flujo uniforme, flujo gradualmente variado y flujo no permanente mediante la aplicación de las ecuaciones de onda cinemática y/o onda dinámica.

En caso de que todos los tramos que conforman el sistema de alcantarillado objeto del diseño tengan diámetros nominales menores o iguales a 1300 mm, el cálculo de la línea piezométrica y de la línea de energía total debe desarrollarse bajo la condición de flujo gradualmente variado. Para el análisis del flujo gradualmente variado se analizará el conjunto de tuberías que llegan a la cobertura existente (COB) como se muestra en la Figura 3-5. Con respecto a los resultados obtenidos del diseño se encuentra que todos los diámetros de las tuberías de este sector se encuentran por debajo de los 1300 mm, por lo tanto se debe realizar el análisis de flujo gradualmente variado.

Los pasos llevados a cabo en el proceso de comprobación de diseño para la condición de flujo no permanente se presentan como se muestra en la Figura 7-1.

7.1 CARACTERÍSTICAS TOPOLÓGICAS DE LA RED Para generar el modelo hidráulico de la red de alcantarillado de Prado Centro se utiliza el programa EPASWMM en donde cada cámara de inspección, descarga, almacenamiento y/o alivio se representa a través de un nudo, mientras que los tramos se representan por medio de líneas que unen los nudos antes mencionados.

Para evaluar el comportamiento hidráulico de las redes de alcantarillado bajo condiciones de flujo gradualmente variado se debe hacer uso de herramientas informáticas que permitan modelar la red, en donde se puedan visualizar las variaciones del nivel a lo largo de los tramos de tuberías. En el caso de este ejemplo de aplicación se utilizará el Programa EPASWMM (Storm Water Management Model) diseñado por la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (Environmental

Cada cámara de inspección de la red se implementa en el modelo hidráulico por medio del botón de la barra de objetos.

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Guía para el Diseño Hidráulico de Redes de Alcantarillado Inicio Generar la topología de la red con base en la información del diseño bajo la condición de flujo uniforme Insertar los caudales de diseño

Realizar cambios y revisar diseño bajo flujo uniforme de los tramos seleccionados

Revisar el comportamiento hidráulico de la red

¿Es necesario cambiar características topológicas?

Si

No Fin

Figura 7-2: Ingreso de las características del Tramo T11.

Figura 7-1: Diagrama de flujo para la comprobación de diseño realizado en la herramienta EPASWM

En la Figura 7-3 se muestra el ingreso del caudal puntual en la Cámara C26. En la ventana de edición de las propiedades de las cámaras (Junction C26) se introduce el caudal en la propiedad de aportes (inflows) y luego aparece la ventana de edición de los aportes en las cámaras (Inflows for Node C26), y en esta ventana se introduce el valor del caudal de diseño en la opción de flujo base (Baseline).

A cada cámara de la red se le asigna un identificador, las coordenadas espaciales (N y E), la cota de fondo y la profundidad máxima en la cámara (diferencia entre la cota de terreno y la cota de fondo de la cámara). De la misma manera cada tramo de la red se implementa en el modelo hidráulico por medio del botón de la barra de objetos. A cada tramo de la red de Prado Centro se le asigna un identificador, la cámara inicial y final, el diámetro, la longitud, la rugosidad y desnivel a la entrada y salida con respecto a los fondos de las respectivas cámaras. En la Figura 7-2 se muestra la ventana de ingreso de las características del Tramo T11.

7.2 CAUDAL DE DISEÑO Para realizar la modelación hidráulica de la red de Prado Centro bajo la condición de flujo gradualmente variado en el programa se selecciona la opción de flujo uniforme como método de cálculo hidráulico. En este método de cálculo hidráulico se debe incluir el caudal de diseño de cada tramo por medio de entradas puntuales en las cámaras de inspección. Además, el programa internamente calcula el caudal que pasa por cada tramo como la suma de los caudales de aporte en la cámara inicial y el caudal de los tramos de llegada a ésa cámara.

Figura 7-3: Ingreso del caudal de diseño en la Cámara C26.

7.3 EJECUCIÓN DEL MODELO HIDRÁULICO Una vez se verifique que la información ingresada al modelo sea correcta, por medio de la opción de Project/Details, se procede a ejecutar el modelo

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Guía para el Diseño Hidráulico de Redes de Alcantarillado

hidráulico por medio del botón para luego realizar una revisión del comportamiento de la red. Una vez se ha ejecutado el modelo se pueden obtener los resultados de la modelación. Estos resultados son presentados en el programa por medio de tablas de comparación de las variables hidráulicas analizadas y por medio de perfiles de flujo en tramos individuales o conjunto de tramos que conformen una ruta. En la Figura 7-4 se muestran el perfil de flujo para los caudales de diseño entre la cámara C34 y la cobertura existente (COB).

C34

C32

C26

C18

C10

C8

C7A

C7B

C7

COB

Water Elevation Profile: Node C34 - COB 1,518 1,516 1,514 1,512 1,510 1,508 1,506 1,504 1,502 1,500

Elevation (m)

1,498 1,496 1,494 1,492 1,490 1,488 1,486 1,484 1,482 1,480 1,478 1,476 1,474 1,472 1,470 1,468 450

400

350

300

250 Distance (m)

200

150

100

50

0

07/23/2007 00:54:00

Figura 7-4: Perfil de flujo de la red de Prado Centro para la condición de FGV.

7.4 R  EVISIÓN DEL COMPORTAMIENTO HIDRÁULICO DE LA RED Una vez se ha ejecutado el modelo hidráulico se procede a verificar los resultados de la modelación, en cuanto a cámaras y tramos de la red que presenten sobrecarga. En la Figura 7-5 se muestra la tabla de resumen de la modelación de la red. De la figura se observa que el único tramo que presenta problemas de sobrecarga es el Tramo T10.

Figura 7-5: Perfil de flujo de la red Prado Centro.

Para evitar el problema de sobrecarga en el tramo T10 se opta por cambiar el diámetro de la tubería de PVC de 0.595 metros a 0.671 metros. Al ejecutar nuevamente el modelo hidráulico teniendo en cuenta el cambio antes mencionado, se observa que la hidráulica de la red funciona adecuadamente. Una vez se ha verificado que ninguno de los tramos ni las cámaras presente sobrecarga se analizan los valores de la relación de profundidad, velocidad máxima en el tramo y el número de Froude. En la Tabla 7-1 se presentan los resultados de estas tres variables para el caso de los tramos de la red de Prado Centro.

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Guía para el Diseño Hidráulico de Redes de Alcantarillado Tabla 7-1 Resultados de las variables hidráulicas de la red de Prado Centro que drenan a la COB.

Tramo

ymax /d

T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 T11 T12 T13 T14 T27 T41 T46

0.81 0.68 0.60 0.55 0.44 0.46 0.71 0.68 0.69 0.67 0.65 0.42 0.71 0.71 0.59 0.67 0.71

Velocidad máxima (m/s) 5.71 5.61 7.27 6.13 10.05 9.80 6.46 6.78 6.74 6.74 1.99 1.61 2.70 2.70 3.75 2.47 7.95

Al comparar estos resultados de la modelación con los valores obtenidos de estas tres variables en el diseño bajo la condición de flujo uniforme, se obtienen las siguientes gráficas.

Modelación

Diseño FU

0.8

10 8 6 4

T46

T41

T27

T14

T13

T12

T11

T9

T10

T8

T7

T6

T5

T4

0.6

T3

0

T2

2

0.7

T1

Relación y/d

Diseño FU

12

0.9

Tramos

0.5

Figura 7-7: Comparación de resultados para la variable velocidad. T46

T41

T27

T14

T13

T12

T11

T9

T10

T8

T7

T6

T5

T4

T3

T2

T1

0.4 0.3

3.38 3.24 4.45 3.40 6.25 6.00 3.18 3.40 3.36 3.20 1.34 1.48 1.87 1.86 3.12 1.52 4.47

14

velocidad (m/s)

Modelación

Número de Froude

En términos generales los valores de las variables analizadas son muy similares. Cabe mencionar que en la mayoría de los tramos la profundidad de flujo es mayor a la obtenida en el diseño bajo la condición de flujo uniforme, y esto lleva a que la velocidad y el

Tramos

Figura 7- 6: Comparación de resultados para la relación y/d.

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Guía para el Diseño Hidráulico de Redes de Alcantarillado Modelación

Diseño FU

10

Número de Froude

9 8 7 6 5 4 3 2

T46

T41

T27

T14

T13

T12

T11

T9

T10

T8

T7

T6

T5

T4

T3

T2

0

T1

1

Tramos

Figura 7-8: Comparación de resultados para la variable número de Froude.

número de Froude sean un poco menores que los obtenidos en el diseño. Como en el programa EPASWMM se utilizan las ecuaciones de Saint-Venant la corrección de la ecuación de FGV cuando las pendientes son mayores al 10% no se debe realizar. Sin embargo, si se tienen pendientes superiores al 10% y se esta utilizando una hoja electrónica se debe utilizar la ecuación 4.16 de la norma para generar el perfil de flujo gradualmente variado en la red analizada.

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Capítulo 8 COMPROBACIÓN DE DISEÑO CON FNP

Para evaluar el comportamiento hidráulico de las redes de alcantarillado bajo condiciones de flujo no permanente se debe hacer uso de herramientas informáticas que permitan modelar el proceso de lluvia-escorrentía que ocurre en las áreas tributarias de la red y que genera el hidrograma que entra al sistema de alcantarillado. La herramienta que sea seleccionada debe utilizar modelos de lluviaescorrentía que tengan en cuenta el evento de precipitación seleccionado de acuerdo con el período de retorno y el tiempo de duración de la lluvia, y modelos de infiltración.

De acuerdo con la nueva norma de EPM, en caso de que alguno de los tramos que conforman el sistema de alcantarillado objeto del diseño supere un diámetro nominal de 1300 mm, el diseño debe incluir el análisis de flujo no permanente, mediante el uso de un programa basado en la solución de las ecuaciones de Saint Venant. Por medio de la modelación de la red de alcantarillado en el programa seleccionado, se debe verificar que no existan sobrecargas en el sistema para lo cuál se determina la línea piezométrica y la línea de energía total para la condición de flujo no permanente.

El programa EPA SWMM6 (Storm Water Management Model) permite determinar los caudales de escorrentía directa de un área tributaria a partir de información de precipitación y de las características fisiográficas de las mismas, además de permitir modelar la red de alcantarillado. El diseñador podrá hacer uso de este programa o de otro software disponible en el mercado que cumpla con lo requerido en la norma.

De acuerdo con los resultados obtenidos en el diseño de la red de Prado Centro para la condición de flujo uniforme se observa que hay tramos de la red que tienen diámetros nominales superiores a los 1300 mm; por lo tanto, de acuerdo con el Numeral 4.3.5 de la norma, se debe realizar el análisis del comportamiento hidráulico de la red para la condición de flujo no permanente. Para éste análisis se utilizará el conjunto de tramos que llegan al botadero en el Río Medellín (BOT) como se muestra en la Figura 3-3.

Para el caso de la modelación de la red de Prado Centro bajo la condición de flujo no permanente se utilizará el programa EPASWMM. Los pasos llevados a cabo en el proceso de comprobación de diseño para la condición de flujo no permanente se presentan en la Figura 8-1.

Al aplicar el análisis de flujo no permanente deben tenerse en cuenta las restricciones que permiten la utilización de las ecuaciones de Saint Venant en sus versiones completa o incompleta, por lo tanto es indispensable utilizar un software que sea capaz de modelar adecuadamente tanto las situaciones en que sea aplicable la suposición de onda cinemática como en aquellos fenómenos en que la onda dinámica sea la que prime. Para redes con tramos que presenten pendientes pronunciadas se puede hacer uso del método de la onda cinemática y si la red a modelar presenta pendientes suaves (terrenos planos, pendiente < 0.05 %) se debe hacer uso del método de la onda dinámica.

La comprobación del diseño de la red de Prado Centro se basa en modelar la red en el programa EPASWMM con los diámetros, materiales, pendientes y demás características encontradas en el diseño “tramo a tramo”. Una vez se ha modelado la red, se verifica que no existan tramos con comportamientos hidráulicos inadecuados y si es necesario se modifican las características topológicas, principalmente diámetros y pendientes. Se revisan los parámetros

Este modelo puede obtenerse en el sitio web http://www.epa.gov

6

63

Guía para el Diseño Hidráulico de Redes de Alcantarillado Inicio Generar la topología de la red con base en la información del diseño bajo la condición de flujo uniforme Determinar las características de las áreas tributarias Insertar los caudales de agua residual Realizar cambios y revisar diseño bajo flujo uniforme de los tramos seleccionados

Insertar la información del evento de precipitación E jecutar el modelo hidráulico Revisar el comportamiento hidráulico de la red

¿Es necesario cambiar características topológicas?

Si

No

Figura 8-2: Ingreso de las características del Tramo TA15.

F in

8.2 CARACTERÍSTICAS DE LAS ÁREAS TRIBUTARIAS

Figura 8-1: Diagrama de flujo para la comprobación de diseño realizado en la herramienta EPASWMM.

Cada modelo de lluvia escorrentía requiere conocer unas características mínimas de las áreas tributarias para poderlas idealizar y para que el diseñador pueda determinar el caudal de escorrentía directa. En el modelo EPA SWMM es necesario crear gráficamente cada área tributaría para luego asignar los datos específicos con los cuales cada área interviene en la producción de la escorrentía. En el caso de la red de Prado Centro se introducen las coordenadas de los vértices de cada área tributaria de aguas lluvias, a partir de las cuales las rutinas gráficas de la herramienta las convierten en elementos visibles.

exigidos por la norma bajo la condición de flujo uniforme en dichos tramos y se repite el proceso iterativamente hasta que la red ya no presente inconvenientes de operación bajo las condiciones de diseño.

8.1 CARACTERÍSTICAS TOPOLÓGICAS DE LA RED En el programa EPASWMM cada cámara de inspección, descarga, almacenamiento y/o alivio se representa a través de un nudo. A cada tramo de la red Prado Centro le fue asignado su identificador, nudo inicial y final, diámetro, longitud, rugosidad y desnivel a la entrada y salida con respecto a los fondos de las respectivas cámaras. En la Figura 8 -2 se muestra la ventana de ingreso de las características del Tramo TA15. De la misma manera a los nudos de la red les fue asignado su identificador, su abscisa y ordenada, la elevación del fondo y su profundidad con respecto a la superficie. Se intenta representar en el modelo las características geométricas de la red de la forma más parecida a las condiciones de diseño en que operaría.

Figura 8-3: Idealización de áreas tributarias de aguas lluvias en el modelo Prado dentro de la herramienta EPASWMM.

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El cálculo de las características de las áreas tributarias de la red de alcantarillado puede realizarse utilizando algún software de diseño asistido por computador (p.e. Autocad), que tenga habilidades de medir superficies y longitudes. Las áreas tributarias se determinan de acuerdo con la información disponible del catastro de las redes cercanas al tramo analizado, donde la forma se define por la orientación y cercanía del tramo analizado a las otras redes. En la Figura 8-4 se presenta el área tributaria propia del Tramo T33, que se encuentra entre las cámaras C110 y C85.

En la Figura 8-3 pueden observarse las áreas tributarias de la red y una ventana en donde se le asignan los valores de las coordenadas, el pluviómetro, la cámara a la que descarga el caudal, el área, el ancho, la pendiente, el porcentaje de área impermeable, el n de Manning para la zona impermeable y permeable, la altura de encharcamiento para la zona impermeable y permeable, el porcentaje de escorrentía transportada y los parámetros del modelo de infiltración que el diseñador desee utilizar.

Figura 8-4: Área tributaria propia del Tramo T33 de la red de Prado Centro.

La primera característica que el diseñador debe determinar es la magnitud del área tributaria, la cual se obtiene directamente utilizando las funciones de medición del software de dibujo, para el caso del área aferente a C110 - C85 corresponde a 1791 m2 ó 0.18 hectáreas.

tiene una longitud hacia el nodo C85 en dirección de las curvas de nivel de 59.4 metros. La tercera característica a determinar es el ancho del área tributaria, la cual se obtiene al dividir el área superficial entre la longitud de la misma.

El siguiente paso es determinar la longitud de drenaje la cual es la mayor longitud en que drena el área tributaria hacia la cámara de salida, siguiendo las curvas de nivel. El área tributaria A1 de la Figura 8- 4

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W ( A1) =

Área ( A1) 1791m 2 = = 30.16m Longitud ( A1) 59.4m

Ecuación 8 - 1

donde, W (A1) = Ancho del área A1 en metros. La pendiente promedio es la última característica gráfica que se determina de las áreas. Ha sido determinada utilizando las diferencias de nivel a través de la longitud del área tributaria. En el presente ejemplo, en particular, la diferencia entre curvas de nivel obtenida es de 1515.4 m - 1505.6 m = 9.8 m. El cálculo de la pendiente es igual a:

S ( A1) =

∆H ( A1) 9.8m = = 0.165 = 16.5% Longitud ( A1) 59.4m

Ecuación 8- 2

donde, S (A1) = Pendiente del área A1. Para determinar los coeficientes de rugosidad tanto en la zona permeable como en la zona impermeable se utilizan los valores de la Tabla 8-1, estos corresponden a estudios realizados para diferentes tipos de superficie: Tabla 8-1 Coeficientes de rugosidad de Manning para superficies de áreas tributarias7

Superficies permeables

Superficies impermeables Tipo de superficie Asfalto liso Concreto liso Concreto ordinario Arcilla vitrificada

N de Manning 0.011 0.012 0.013 0.015

Tipo de superficie Suelo desierto Suelo cultivado Pasto corto Pasto denso

N de Manning 0.050 0.130 0.150 0.240

Mientras que para estimar la altura de encharcamiento se utiliza la Tabla 8-2. Tabla 8-2 Alturas de encharcamiento para diferentes superficies8

Superficie Superficie impermeable Césped Pasto Follaje

Altura de encharcamiento 1 mm – 2.5 mm 2.5 mm – 5 mm 5 mm 7.5 mm

A cada área tributaria se le asignó un coeficiente de rugosidad de la zona impermeable de 0.15 correspondiente al valor de pasto corto en la Tabla 8-1. 7

McCuen, R. et al. (1996), Hydrology, FHWA-SA-96-067, Federal Highway Administration, Washington, DC ASCE, (1992), Design & Construction of Urban Stormwater Management Systems, New York, NY)

8

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8.4 CAUDAL DE AGUA LLUVIA

La escogencia de dicho valor obedece al uso principal que tiene el sector de Prado Centro, como área residencial, donde la superficie de pasto corto prima en los jardines de la zona. En Prado Centro priman las superficies pavimentadas por lo tanto en la asignación del coeficiente de rugosidad de la zona permeable se escogió el valor de 0.013 para concreto ordinario. De la Tabla 8-2 se tomó para la altura de encharcamiento un valor de 1 mm debido a que la mayor parte del sector es zona impermeable con altas pendientes, por lo que no es probable que se desarrollen grandes profundidades de encharcamiento.

Para determinar el caudal de agua lluvia que transporta cada tramo, en el programa EPASWMM se debe incorporar el hietograma de diseño y las características de la lluvia. Una vez el programa utiliza el modelo de lluvia escorrentía transforma el evento de precipitación en hidrogramas que serán transitados en la red de alcantarillado. Debido a que existe una variación temporal de la intensidad de lluvia se genera a su vez una variación de caudales dentro de la red que permite obtener distintos perfiles de flujo a lo largo del tiempo.

8.3 CAUDAL DE AGUA RESIDUAL

8.4.1 HIETOGRAMA DE DISEÑO

El modelo EPASWMM es un modelo principalmente diseñado para modelar alcantarillados de aguas lluvias; por lo tanto la información de las áreas tributarias no se utiliza para determinar caudales de aguas residuales. Tales caudales de aguas residuales se modelan como flujos en condiciones de tiempo seco y se introducen a través de valores puntuales en los nudos. Si es necesario, es posible introducir el patrón de variación horaria o diaria dependiendo del tiempo de modelación deseado. En la Figura 8-5 se muestra el ingreso del caudal puntual de aguas residuales que corresponde a la Cámara C81.

Para determinar el hietograma de diseño de la red de alcantarillado combinado se debe establecer el período de retorno y la duración de la lluvia para conocer la intensidad promedio que cae en la zona de acuerdo con las curvas IDF que posee EPM. Teniendo en cuenta la información disponible sobre distribución temporal de los eventos de precipitación que se presentan en la estación Planta Villa Hermosa se determina la duración crítica de la lluvia para el sector de Prado Centro. Para la estación pluviográfica Planta Villa Hermosa se ha establecido que la duración crítica de la lluvia es de 50 minutos. El dato de la duración de la lluvia siempre debe ser solicitado a EPM. De acuerdo con las curvas de intensidad – duración – frecuencia de la estación Planta Villa Hermosa, se puede establecer la intensidad promedio que cae en la zona para el período de retorno de 10 años y la duración de la lluvia de 50 minutos con base en la Ecuación 3-1. Luego de calcular la intensidad promedio se procede a determinar el hietograma de diseño haciendo uso del método de Yen & Chow el cual produce un

Figura 8-5: Ingreso del caudal de agua residual en la Cámara C81.

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i (mm / h) =

3483.1

(16 + Td (min))

0.9946

=

3483.1

(16 + 50)0.9946

hietograma de forma triangular. El procedimiento para calcular éste hietograma es iniciar con una intensidad igual a cero para el tiempo inicial (cero); luego se coloca una intensidad máxima igual al doble de la intensidad promedio (107.96 mm/h) ubicado a un 32 % de la duración total (16 minutos) y luego se llega a una intensidad de cero para la duración de la lluvia, en este caso 50 minutos. En la Figura 8-6 se puede observar el hietograma de diseño para la red de Prado Centro.

= 53.98mm / h

Ecuación 8 - 3

norma) el cual requiere del hietograma de diseño calculado en el numeral anterior y del Número de Curva de cada área tributaria. El Número de Curva (CN) tiene en cuenta los usos del suelo, los grupos hidrológicos de suelo, las prácticas de cultivo, las condiciones hidrológicas y el estado de humedad antecedente del suelo (AMC). Los valores de CN para cada una de las áreas tributarias se determinan por medio de la Tabla A.6-2 de la norma.

8.4.2 HIDROGRAMAS DE DISEÑO

Una vez se han establecido los parámetros del modelo de infiltración y de las características fisiográficas de las áreas tributarias, se procede a calcular el hidrograma de escorrentía directa haciendo uso del modelo de lluvia – escorrentía de la onda cinemática implementado en el programa EPASWMM. Una vez se ejecuta el modelo, el diseñador utiliza los resultados de escorrentía directa para determinar los caudales de diseño. En la Figura 8-7 se muestra la pantalla de modelo SWMM y el resultado de la escorrentía de un área tributaria, respectivamente.

Para la estimación del hidrograma de diseño, el diseñador debe usar métodos basados en modelos de infiltración, en donde a través del uso de modelos de lluvia escorrentía se puede determinar el hidrograma de escorrentía directa. El modelo de lluvia escorrentía que se presenta en este numeral es el modelo de la onda cinemática implementado en el programa EPASWMM descrito en el Numeral 6.2.9.3 de la norma. En cuanto al modelo de infiltración se utilizará el propuesto por el Soil Conservation Service - SCS (Anexo 6.1 de la

intensidad (mm/hr)

120.0 100.0 80.0 60.0 40.0 20.0 0.0 0

5

10

15

20

25

30

Tiem po (m inutos)

Figura 8-6: Hietograma de diseño.

68

35

40

45

50

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8.6 REVISIÓN DEL COMPORTAMIENTO HIDRÁULICO DE LA RED Posteriormente se procede a revisar la línea de gradiente hidráulico generado por el modelo hidráulico buscando encontrar sobreflujos y/o resaltos hidráulicos que puedan generar sobrecargas en la red y todos los impactos a la comunidad que eso implica. Como se mencionó en el Numeral 8.4 de la guía, al existir una variación temporal de la lluvia se van a tener diferentes caudales en la red de alcantarillado; por dicha razón se debe evaluar el perfil de flujo para las condiciones de caudal máximo en cada uno de los tramos de la red.

Figura 8-7: Resultados de escorrentía directa producida por el Modelo SWMM.

8.5 EJECUCIÓN DEL MODELO HIDRÁULICO

En la Figura 8-9 se muestra el resultado de un perfil de flujo para algunos tramos de la red de Prado Centro. De la simulación hidráulica de la red se encontró que es a los 28 minutos cuando ocurren los máximos caudales en estos tramos, como se observa en la figura.

Una vez se ha verificado que la información ingresada al modelo es correcta, se procede a ejecutarlo para una posterior revisión del comportamiento de la red. Es importante verificar que en las opciones del software utilizado estén seleccionadas las ecuaciones de flujo no permanente adecuadas para el proyecto (ya sea las ecuaciones de onda cinemática o de onda dinámica). En la Figura 8-8 se muestran las opciones de simulación elegidas para el proyecto Prado Centro.

C160A

C160B

C159A

C159D

C159E

1,464

C159C

Water Elevation Profile: Node C160A - C159E

1,463 1,462 1,461

Elevation (m)

1,460 1,459 1,458 1,457 1,456 1,455 1,454 1,453 400

350

300

250

200 Distance (m)

150

100

50

0

07/23/2007 00:28:00

Figura 8-9: Perfil de flujo de la red Prado Centro.

En caso de encontrar problemas de funcionamiento se procede a cambiar características topológicas. Para la red de Prado Centro por tratarse de una reposición se han cambiado los diámetros de las tuberías, ya que las profundidades y las pendientes de instalación están condicionadas por las conexiones domiciliarias y las redes existentes de otros servicios públicos y no permiten mayores modificaciones.

Figura 8-8: Ingreso de las opciones de modelación para la red Prado Centro.

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problemas de presurización y por lo tanto debe cambiarse de diámetro o de pendiente. En la siguiente tabla se presenta el resumen de la modelación, en donde se observa la sobrecarga del tramo antes mencionado.

Una vez se ajusta la red que ofrezca un comportamiento hidráulico adecuado, el proceso iterativo se detiene. El orden de cambios topológicos debe intentar buscar aquellas redes que generen un costo factible cumpliendo con los parámetros mínimos establecidos por la norma.

Para solucionar el problema se cambia el diámetro de la tubería del Tramo T18 de 0.595 metros a 0.671 metros y T19 de 0.671 metros.

Al ejecutar el modelo hidráulico de la red de Prado Centro se encontró que el Tramo T18 presenta

Link

Type

T15 T16 T17 T18 T19 T20 T21 T22 T23 T24 T25 T26 T28 T29 T30 T31 T32 T33 T34 T35 T36 T37 T38 T39 T40 T43

CONDUIT CONDUIT CONDUIT CONDUIT CONDUIT CONDUIT CONDUIT CONDUIT CONDUIT CONDUIT CONDUIT CONDUIT CONDUIT CONDUIT CONDUIT CONDUIT CONDUIT CONDUIT CONDUIT CONDUIT CONDUIT CONDUIT CONDUIT CONDUIT CONDUIT CONDUIT

Maximum Time of Max Maximum Flow Occurrence Velocity 3 m /s days hr:min m/sec 1.67 1.88 2.24 2.28 2.28 2.41 2.40 2.86 2.89 2.92 3.01 3.05 0.07 0.13 0.30 0.06 0.23 0.04 0.16 0.23 0.40 0.46 0.46 0.07 0.11 0.04

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

00:26 00:26 00:26 00:32 00:32 00:22 00:22 00:23 00:23 00:23 00:23 00:23 00:22 00:22 00:22 00:22 00:20 00:22 00:22 00:22 00:22 00:22 00:22 00:22 00:22 00:22

9.03 9.86 9.42 9.02 7.74 7.10 6.87 9.94 9.48 11.84 8.12 9.22 2.01 2.00 2.86 2.02 2.65 3.70 3.20 5.54 6.14 6.48 6.50 2.41 2.01 1.93

70

Max/ Max/ Total Full Full Minutes Flow Depth Surcharget 0.72 0.75 0.97 1.05 0.95 0.90 0.90 0.72 0.77 0.58 0.96 0.85 0.81 0.77 0.96 0.67 0.78 0.18 0.80 0.38 0.67 0.76 0.75 0.59 0.56 0.39

0.63 0.65 0.80 1.00 0.78 0.74 0.74 0.63 0.66 0.55 0.79 0.71 0.69 0.66 0.78 0.60 0.66 0.29 0.68 0.43 0.60 0.65 0.65 0.56 0.53 0.43

0 0 0 13 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Guía para el Diseño Hidráulico de Redes de Alcantarillado

Link

Type

T44 T45 TA1 TA2 TA3 TA4 TA5 TA6 TA7 TA8 TA9 TA10 TA11 TA12 TA13 TA14 TA15 TA16 TA17 TA18 TA19.1 TA19.2 TA20 TA21 TA22

CONDUIT CONDUIT CONDUIT CONDUIT CONDUIT CONDUIT CONDUIT CONDUIT CONDUIT CONDUIT CONDUIT CONDUIT CONDUIT CONDUIT CONDUIT CONDUIT CONDUIT CONDUIT CONDUIT CONDUIT CONDUIT CONDUIT CONDUIT CONDUIT CONDUIT

Maximum Time of Max Maximum Flow Occurrence Velocity CMS days hr:min m/sec 0.06 0.13 3.81 3.81 5.20 5.37 5.49 5.64 5.67 5.81 6.04 6.07 6.07 6.12 6.21 6.52 6.52 6.52 6.52 0.08 6.43 6.43 0.05 0.24 0.00

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

00:22 00:22 00:26 00:26 00:26 00:26 00:26 00:27 00:27 00:27 00:27 00:27 00:27 00:27 00:27 00:28 00:28 00:28 00:28 00:15 00:28 00:28 00:22 00:26 00:00

3.14 2.68 6.65 8.57 8.49 7.40 6.37 6.39 6.36 6.67 6.85 6.94 6.73 6.98 7.04 5.32 5.53 5.69 2.79 3.28 4.12 3.91 4.90 6.25 0.00

Max/ Max/ Total Full Full Minutes Flow Depth Surcharget 0.37 0.76 0.72 0.52 0.78 0.85 0.39 0.88 0.88 0.86 0.87 0.87 0.90 0.87 0.87 0.97 0.93 0.90 0.83 0.51 0.50 0.53 0.10 0.63 0.00

0.42 0.65 0.63 0.51 0.66 0.71 0.43 0.73 0.73 0.72 0.72 0.72 0.74 0.72 0.72 0.80 0.76 0.74 0.70 0.51 0.50 0.52 0.21 0.58 0.00

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Tabla 8-3 Resultados de la modelación de la red de Prado Centro que drenan al río Medellín y al Interceptor Oriental.

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