Relaciones Hidraulicas

CAPITULO IV DISEÑO DE LA RED DEL ALCANTARILLADO SANITARIO

4.0 DISEÑO DE LA RED DEL ALCANTARILLADO SANITARIO

4.1 METODOLOGIA 4.1.1 FORMULAS PARA EL DISEÑO La fórmula empírica de Manning es la más práctica para el diseño de canales abiertos, actualmente se utiliza para conductos cerrados y tiene la siguiente expresión:

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4.0 DISEÑO DE LA RED DEL ALCANTARILLADO SANITARIO

4.1 METODOLOGIA 4.1.1 FORMULAS PARA EL DISEÑO La fórmula empírica de Manning es la más práctica para el diseño de canales abiertos, actualmente se utiliza para conductos cerrados y tiene la siguiente expresión:

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Sustituyendo el valor de (R), la fórmula de Manning para tuberías a sección llena es:

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75

Sustituyendo el valor de (R), la fórmula de Manning para tuberías con sección parcialmente llena es:

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4.1.1.1 PROPIEDADES HIDRAULICAS DE LOS CONDUCTORES CIRCULARES

A. FLUJO EN TUBERÍAS CON SECCIÓN LLENA En el diseño de conductos circulares, se utilizan tablas, nomogramas o   programas de computadora, los mismos están basados en la fórmula de Manning y relacionan la pendiente, diámetro, caudal (capacidad hidráulica) y velocidad, para condiciones de flujo a sección llena.

B. FLUJO EN TUBERÍAS CON SECCIÓN PARCIALMENTE LLENA El flujo a sección llena se presenta en condiciones especiales. Se debe destacar que la condición normal de flujo en conductos circulares de alcantarillado, es a sección parcialmente llena, con una superficie de agua libre y en contacto con el aire. Durante el diseño, es necesario determinar el caudal, velocidad, tirante y radio hidráulico,

cuando

el

conducto

fluye

a

sección

parcialmente

llena

(condiciones reales). Para el cálculo es necesario utilizar las propiedades hidráulicas de la sección circular que relacionan las características de flujo a sección llena y parcialmente llena.

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4.1.2 CRITERIOS UTILIZADOS PARA EL DISEÑO

4.1.2.1 UBICACIÓN DE POZOS DE REGISTRO Y LINEAS DE TUBERÍAS Tomando como base la Normativa existente y la información topográfica, se  procede a la ubicación de los pozos. Para la llegada y salida de tubería en los pozos de registro deberán considerarse dos situaciones: a) Cuando a un pozo llega más de una tubería, deberá existir una caída de agua entre estos y la tubería de salida para orientar el flujo hacia su evacuación.   b) Cuando de un pozo sale mas de una tubería, debe de existir una diferencia de nivel de salida entre ellos, estando más baja aquella por la cual se quiere evacuar el flujo.

4.1.2.2 DETERMINACIÓN DEL SENTIDO DEL FLUJO Una vez ubicado los pozos de registro, se procede a la determinación de sentido de flujo de las aguas negras. Esto se realiza por tramos y generalmente de acuerdo a la orientación de las pendientes que presenta la rasante del terreno natural. Por economía se trata de lograr que la tubería se mantenga paralela a la rasante del terreno natural, respetando el recubrimiento mínimo de 0.30m para tubería ADS y la profundidad mínima en los pozos de registro es de 1.00m. Sin embargo en algunos casos y dependiendo de las características 78

topográficas del lugar, establecimos el sentido de flujo en contra pendiente; es decir, que la tubería llevara una pendiente contraria a la que presenta la rasante del terreno. El caso mas critico se da cuando la pendiente de la vía es muy pronunciada lo cual obliga ha establecer pozos de registro a distancias muy cercanas.

4.1.2.3 ÁREAS TRIBUTARIAS Los caudales para el diseño de cada tramo serán obtenidos en función a su área tributaria. Para la delimitación de áreas se tomará en cuenta el trazado de colectores,

asignando

áreas

proporcionales

de

acuerdo

a

las

figuras

geométricas que el trazado configura, la unidad de medida será la hectárea (Ha). El método utilizado para el calculo de áreas tributarias es por  triangulación.

4.1.2.4 ELABORACIÓN DE PLANOS Los planos finales contienen la siguiente información:   Nivel de tapadera, nivel de fondo, pendientes, diámetro de tubería, longitud del tramo, numero de pozo, sentido de flujo. El desalojo de las aguas negras provenientes de todos los tramos, se hace por  medio de un colector principal que transporta el efluente a la Planta de Tratamiento.

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4.2 PARÁMETROS PARA EL DISEÑO 4.2.1 INFILTRACIÓN Son las que penetran por las uniones defectuosas, tubos rotos, etc.; la   presencia de agua subterránea en el nivel freático elevado

produce

infiltraciones y un aumento de cantidad de aguas residuales. Las normas de A.N.D.A. sugieren una estimación de la contribución de las infiltraciones en el caudal de diseño de 0.2 lt/seg./Ha. Para tuberías de cemento y 0.1 lt/seg./Ha para tubería de PVC y similar. El caudal de diseño será igual al 80% del consumo máximo horario correspondiente al final del periodo de diseño más infiltración potencial a lo largo de la tubería. La capacidad de las tuberías será igual al caudal de diseño multiplicado por un factor, el cual depende de la magnitud de las variaciones del caudal por  infiltración y los cuales se definen así:

TABLA 4.1 FACTORES DE INFILTRACIÓN COLECTOR

FACTOR

COLECTOR

FACTOR

8” < Ø < 12”

2.00

36”

1.40

15”

1.35

42”

1.35

18”

1.60

48”

1.30

24”

1.50

INTERCEPTORES 1.20

30”

1.45

O EMISARIOS

FUENTE: Normas técnicas de A.N.D.A.

80

4.2.2 VELOCIDAD EN LAS ALCANTARILLAS Durante el funcionamiento del sistema de alcantarillado, se debe cumplir la condición de auto limpieza para limitar la sedimentación de arena y otras sustancias sedimentables (heces y otros productos de desecho) en los colectores. La eliminación continua de sedimentos es costosa y en caso de falta de mantenimiento se pueden generar problemas de obstrucción y taponamiento. Las consideraciones de velocidad en alcantarillas tienen una gran importancia. La experiencia ha determinado valores para que el agua residual circule sin  presentar problemas de sedimentación. Estos limites de velocidad serán para diseños a tubo lleno, sin embargo, podrá diseñarse a caudal “real” para permitir mayores pendientes en el coso de PVC o similar. En contraposición a esto se crea el problema de erosión originada por las altas velocidades.

4.2.3 PENDIENTES La práctica usual, es calcular la pendiente mínima, con el criterio de la velocidad mínima y para condiciones de flujo a sección llena. Bajo este criterio las tuberías de alcantarillado se proyectan con pendientes que aseguren una velocidad mínima. La pendiente tiene una relación directa con el flujo en el tubo, ya que influye en el movimiento de las aguas negras. En la circulación por canales abiertos, el perfil hidráulico coincide con la superficie del agua la pendiente es igual a 81

la caída de esta por unidad de longitud. En condiciones ordinarias, se toma como pendiente de una alcantarilla la de su  plantilla, lo que implica que el perfil hidráulico o la superficie del agua, serán paralelas a ella.

4.3 NORMATIVA PARA EL DISEÑO La normativa técnica para proyectos de alcantarilla dicta lo siguiente: 1. Alcance del Proyecto: Periodo de diseño 20 años o más.

2. La magnitud y distribución de población futura.

3. Población de diseño.

4. La dotación domestica es de 80 – 350 lt/persona/dia; Esta dotación total incluirá además el consumo comercial, Publico, etc. Y un 20% para fugas y desperdicios.

Dotaciones Específicas: Escuelas: Externas

40 lt/alumno/día

Internados

200 lt/alumno/día

Personas no residentes

50 lt/alumno/día

82

Viviendas: Mínima

80 – 125 lt/persona/día

Media

125 – 175 lt/persona/día

Alta

175 – 350 lt/persona/día

5. Q d i s e ñ o = 0.80 Q

máx. h

+ (0.10 lts/seg./ha) x Área Total

Capacidad de las tuberías = (factor de colector) (el caudal de diseño)

6. Calculo Hidráulico Basándose en la formula Chezy-Manning. V= (1/n) R 2 / 3 S 1 / 2

n = 0.015, para tubería de cemento-arena o concreto. n = 0.011 para tuberías de PVC y similares 7. Limites de Velocidad (tubo lleno). Establece la velocidad mínima   permitida: 0.50 mts/seg. Así como las velocidades máximas según el tipo de tubería. TUBERÍAS

V máx.

PVC y Hierro

4.00 mt/seg.

Tuberías de Concreto

3.00 mt/seg.

Estos limites de velocidad son para diseños a tubo lleno, sin embargo, podrá diseñarse a caudal “REAL” para permitir mayores pendientes en el caso de PVC o similar. 83

8. Diámetro Mínimo de Tubería. Establecido para acometidas domiciliarias; 6”, colectores de pasajes peatonales: 6”, si la longitud es menor o igual a 100 metros, colectores terciarios: 8” (cemento o PVC).

9. Pendiente mínima las cuales sirven como datos de entrada para le diseño de la red. Tramos iniciales 1%, otros tramos 0.60%. Se aceptara pendiente mínima de 0.50% siempre que sea PVC y en tramos no iniciales.

10. Clase de sistemas y trazo de la red. Se establece obligatoriamente al sistema separado absoluto de las aguas lluvias, proporcionándose para el trazo lineamientos generales de diseño, para el aprovechamiento de las condiciones topográficas e hidrológicas. El trazo y configuración de la red será una resultante del aprovechamiento optimizado de las condiciones topográficas e hidrológicas del terreno en que se proyecta, ya que si las condiciones topográficas lo permites pueden obtenerse un sistema de conducción por gravedad. La red para aguas negras será trazada en Planta, de tal forma las alcantarillas al lado opuesto de los acueductos, es decir al sur en las calles y al poniente en las avenidas, a 1.50 mts. del cordón en el rodaje separación horizontal mínima: 1.50 mts. (0.60 mts en pasajes peatonales).

84

La red de alcantarillados se proyectará dé manera que todos los colectores queden debajo de los acueductos con una separación mínima libre de 20 cms. Las intersecciones de alcantarillados de aguas negras con colectores de aguas lluvias tendrán una separación vertical mínima de 15 cm libres. En el caso del trazo del colector de aguas residuales en perfil, se podrá asemejar a la línea del terreno, según lo permita la conformación del mismo, siempre

que

dicho

trazo

cumpla

con

las

condiciones

mencionadas

anteriormente para garantizar un comportamiento normal de los caudales a drenar. Las zanjas de alcantarillado no podrán utilizarse para asentar ningún otro tipo de tuberías.

11. Materiales y Secciones de Tuberías. Se utilizaran tuberías de PVC, cemento-arena , concreto simple, concreto reforzado o hierro fundido dúctil, de sección circular, para interceptores o emisarios se podrá usar canales con secciones de diferente forma (trapezoidal, rectangular, herradura,

ovoide,

etc.). 12. Profundidad de los colectores. En los tramos de conexión domiciliar, los límites de profundidad de tuberías en las zanjas, para protección contra las variaciones de carga viva e impacto serán de 1.20 a 3.00 mts. de relleno sobre la corona de la tubería. (Ver Fig. 4.1)

85

FIGURA 4.1

Si el espesor del relleno es menor de 1.20 mts. habrá que proteger la tubería con losetas prefabricadas apoyadas sobre muros laterales de mampostería; a   profundidades mayores que 3.0 mts. se diseñarán colectores superficiales  paralelos para conectar las acometidas domiciliares.

Cuando se trate de viviendas de interés social y específicamente a tuberías de drenaje de Aguas Negras instaladas en pasajes peatonales, la profundidad 86

 podrá ser como mínimo de 0.80 mts. sin necesidad de protecciones.

13. Separación de sistemas: Para evitar la contaminación del agua potable por    presiones negativas, etc. deberá establecerse una separarse de los sistemas de abastecimiento de agua y los de alcantarillados de aguas negras así: En planimetría: las alcantarillas al lado opuesto de los acueductos, es decir al sur en las calles y al poniente en las avenidas, a 1.5 m del cordón. (Ver Fig. 4.2) En Altimetría: La red de alcantarillados se proyectará dé manera que todos los colectores queden debajo de los acueductos con una separación mínima libre de 20 cms.

87

FIGURA 4.2 LOCALIZACIÓN RELATIVA DE COLECTORES

88

Para el caso de las intersecciones de alcantarillados de aguas negras con colectores de aguas lluvias se tomaran en cuenta así: Planimetría: Los colectores de aguas lluvias se ubicaran al centro de las vías con una separación horizontal mínima de 1.50 mts con relación a los acueductos y alcantarillados. En Altimetría: tendrán una separación vertical mínima de 15 cm. libres.

14. Características Hidráulicas de la red. Cada tramo de colector deberá presentar las Material de tuberías,

especificacion es siguientes:

longitud de tramos, diámetro y pendiente de tramos,

caudal de diseño, velocidad real, niveles de tapadera y de fondo de pozos de visita.

15. Pozos de Visita. Deberán permitir sin riesgos ocupacionales y con mínima interferencia hidráulica, fácil

acceso

la

para la observación y

mantenimiento del alcantarillado. Los pozos de visita se preverán principalmente para inspección, eventual limpieza

y

desobstrucción

de tuberías, así como para aforo, muestreo y

análisis de aguas residuales, consecuentemente se proyectarán al inicio de colectores, puntos de sección,

convergencia

de colectores, cambios de diámetro o

cambios de dirección o pendiente, cambio de materiales de la

tubería. En tramos rectos la distancia entre pozos de visita no excederá de 100 mts. si Ø

≤

a 24"

89

Podrán utilizarse pozos de visita prefabricados siempre que se compruebe su funcionalidad y resistencia.

16. Cajas de Inspección. Si la cama hidráulica del pozo se encuentra a una  profundidad mayor de 1.40 m se construirá un pozo de diámetro interno = 1.10 m si la profundidad es menor se construirá una caja de 1.00 x 1.00 x h. m según modelo de ANDA.

17. Pozos de Visita con Cajas de Sostén. Si la tubería entrante alcanza el pozo de visita a más de un metro sobre el nivel del fondo se construirá un pozo con caja de sostén; la caída no excederá de 4.00 m, hasta 7.50 m. se usarán cajas dobles. Cuando el material sea utilizado PVC o similar, las cajas de sostén se podrán sustituir por accesorios del mismo material. Las cajas de sostén se construirán según modelos de ANDA. Cuando desemboquen tuberías de diferente diámetro, en un pozo de visita, la de menor diámetro tendrá una caída mínima igual a la mitad del diámetro mayor.

18. Aliviaderos de Rebose. Los pozos de visita de colectores principales   paralelos a quebradas o arenales tendrá aliviaderos de rebose, para atender  obstrucciones o reparaciones aguas abajo.

19. Obras de Arte. Las obras de arte se construirán según diseño conforme a la obra a ejecutar y se justificarán con los correspondientes cálculos hidráulicos 90

y estructurales.

20. Estaciones Elevadoras de Aguas Negras. Debido a las dificultades operacionale s y de mantenimiento se evitará incluir estaciones elevadoras.

21. Plantas Depuradoras de Aguas Negras. Las Plantas de Tratamiento de Aguas Negras deberán diseñarse siguiendo las recomendaciones de ANDA entre ellas: grado mínimo de tratamiento, valor límite de los parámetros de calidad tanto del agua cruda y del efluente, procesos de tratamiento sugeridos, etc. Deberán diseñarse con capacidad de producir un efluente que contenga un máximo de DBO 5 y 60 mg/l de sólidos en suspensión.

22. Las conexiones domiciliares no se conectarán a pozos de visita ni a colectores cuya profundidad exceda de 3 mt.

91

4.4 PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO

4.4.1 DATOS CARACTERISTICOS DEL PROYECTO

Periodo de Diseño (n)…………………….25 años Tasa de Crecimiento (r)…………………..3.70% Área del Proyecto (A t )…………………….10.22 Ha  Número de Viviendas (No)……………….176 Viv. Dotación Domestica (Dot)………………..150 lts/persona/día Densidad de Población (Ds)………………6 personas/vivienda Población Actual (Po)……………………..Po= (No de Viv.)x(Ds) Po=(176Viv.)x (6 per/viv.) Po= 1,056 hab. Población Final (Pf)………………………..Pf = Po (1 + r)

n

Pf = 1,056 (1 + 0.0370) 2 5

(Método Geométrico)

Pf = 2,619 hab.

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4.4.2 CALCULO DE LOS PARAMETROS DE DISEÑO

a) Calculo de la Dotación Total Dotación Total = Dotación Domestica + 20% (por fugas y desperdicios) Dotación Total = 150 lts/per./día x 1.2 Dotación Total = 180 lts/per./día

b) Cálculo del Caudal Medio Diario (Q md ) Qmd = (Dotación Total x Población Final de Diseño (Pf) / 86.400 seg. Qmd = (180 lts/per/día x 2,619 per) / 86,400 seg. Qmd = 5.46 lts/seg. = 0.00546 m³/seg.

c) Cálculo del Caudal Máximo Horario (Qmáx.h) Qmáx.h = K x Qmd;

Donde: K es el coeficiente de variación horaria

Se usará K = 2.4 (Según Normas Técnicas de ANDA en el numeral 6 parte 1ª. Qmáx.h = 2.4 x 5.46 lts/seg. Qmáx.h = 13.10 lts/seg = 0.0131 m³/seg.

Calculo del caudal Tributario por tramo. Colector 5 : 8ª Avenida Norte-Sur  Tramo 1 : de pozos 21 – 53 Longitud del Tramo: 23.98 m Área Tributaria: área de influencia del tramo de tubería comprendido entre los dos pozos = 0.0719 Ha. 93

Calculo densidad Poblacional (Dp)

Población futura

2619

Dp =

= Área Total (Ha)

10.22

Dp = 256.26 hab. / Ha.

Calculo de número de habitantes por tramo  Numero de hab. /tramo = Dp x Área tributaria c/tramo (Ha).  N o de hab.= 256.26 x 0.0719 = 18 hab.

Calculo de Caudal de Aguas Residuales por cada Tramo. Caudal Medio Diario (Qmd)

Numero de habitantes x dotación Qmd =

18 x 180

= 86,400

86,400

Qmd = 0.0375 lt/seg.

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Calculo de caudal máximo horario (Qmáx h) Qmd = 0.0375 lt/seg. K 2 = Factor de variación de consumo = 2.4

Entonces: Q m a x h = K 2 x Q m d = 2.4 x 0.0375 = 0.09 lt/seg

Cálculo del Caudal de Diseño: Es el 80% del caudal máximo horario para el tramo sumado al 10% del área tributaria calculada.

Qdiseño = 0.80 (0.09 lts/seg.) + 0.10 (0.0719Ha) = 0.07919 lts/seg.

Cálculo de la Contribución por tramo. Resulta de multiplicar el caudal de diseño (Qdiseño), por el factor de seguridad recomendado por ANDA, para las tuberías de PVC ó similar como la tubería ADS de 8” y 10”, el cual es igual a 2. Q del tramo = 0.07919 lts/seg. x 2 = 0.15838 lts/seg. Con el cálculo de la contribución del tramo se termina de llenar el cuadro del caudal tributario. El procedimiento es el mismo para los demás tramos.

(Ver Cuadros del 4.1 – 4.14)

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Cálculo del Diseño Hidráulico del Diámetro de Tuberías Colector 5 : 8ª Avenida Norte-Sur  Tramo 1 : del pozo 21 – 53 Pendiente del tramo: 8.27% Diámetro de la tubería: 8” = 0.2032 m Área a tubo lleno: Área de la tubería utilizando el diámetro nominal del tubo. Area = ( п x d²)/4 = (( п x (0.20329)²)/4 = 0.03243 m²

Velocidad a tubo lleno: Utilizando la formula de Manning y sustituyendo los datos de pendiente y el área a tubo lleno; y el coeficiente de Manning para tuberías ADS = 0.011 Rh = d/4 R 2 / 3 S 1 / 2 V=

(0.051) 2 /3 (8.27) 1 / 2 =

n 100

(0.011 x 100)

= 3.58 m/s

Cálculo del caudal a tubo lleno Q = A x V = 0.03243 m² x 3.58 m/s = 0.1161 m³/seg. Q = 116.1 lts/seg. Contribución por tramo: Se traslada el dato calculado en el cuadro de calculo del caudal tributario; para este caso es de 0.15838 lts/seg.

96

Caudal de Diseño acumulado Qacumulado = Qtramo anterior  + Qtramo

que se analiza

Este cálculo depende del sentido del flujo, es decir que es el resultado de acumular los aportes del tramo, así como también la acumulación de los tramos anteriores conforme se avanza en el cálculo del colector proyectado, incluyendo el aporte de los entronques con otros colectores. Entonces: A este colector se entroncan dos colectores los cuales son: La 3ª Calle Poniente-Ote.: su aporte es de 2.13248 lts/seg. La Calle Salida a San Fernando: su aporte es de 4.17098 lts/seg. Q a c u m u l a d o 21-53 = 2.13248 + 4.17098 + caudal del tramo 21 -53 Q acumulad o 21 -53 = 2.13248 + 4.17098 + 0.15838 = 6.46184 lts/seg.

Con el Q acumulado, se ingresa al programa SOFDESK (Hidrology-Structures. Manning-Circular), además de este también se ingresan los datos siguientes: S = pendiente del tramo. n = coeficiente de Manning Ø = diámetro de la tubería

Y así se obtiene el Tirante Hidráulico (TH), la Velocidad real (Vr) y el caudal a tubo lleno (Q).

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La obtención de datos por medio de la curva de elementos hidráulicos básicos

(curva del Banano, ver Fig. 4.3) , se realiza de la siguiente manera:

En primer lugar se determina la relación q/Q, es decir, relacionando en caudal de diseño con el caudal a tubo lleno y con este valor se ingresa a la curva de elementos hidráulicos básicos para un colector circular, con estos datos interceptamos la curva de DESCARGA y se lee el valor de y/D y desde el mismo punto se intercepta la curva de VELOCIDAD y se lee en el gráfico del valor de v/V. Con los valores anteriores se calcula el Tirante Normal y la Velocidad real del tubo parcialmente lleno, para cada tramo:

VELOCIDAD REAL = v/V x (V T u b o l l e n o ) TIRANTE HIDRAULICO = y/D x (Diámetro de la tubería) El tirante máximo considerado en este diseño esta representado por el 70% del diámetro de la tubería.

Utilizando los datos anteriores tenemos:

Cálculo de la Relación q/Q: La relación entre el caudal a tubo lleno del tramo (Ql l e n o ) y el caudal de diseño (Q d i s e ñ o ) es importante, ya que con este resultado se entra a la curva de elementos hidráulicos básicos (Ver Fig. 4.3) q / Q = Q d i s e ñ o /Q l l e n o = 6.461 / 116.1 = 0.056

98

10 0

   E    J    A    T    N    E    C    R    O    P    N    E    O    J    U    L    F    L    E    D    D    A    D    I    D    N    U    F    O    R    P

90

80

    O     D     A    J     O     M     O     R      T     E     M     I     R     E     P

70

60

 A  L   U  D  A C

   E  A    R   A

50

40  O   I C   L   U  A   R   D   I   H   I O   D   R A  A  D   I  D   C   L  O   V  E

30

20

10

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

ELEM ENTOS HIDRAHULICO S PORCENTAJE DEL VALOR PARA SECCION LLENA

FIGURA 4.3 CURVA DEL BANANO

99

120

130

Cálculo de y/D y v/V : Una vez calculada la relación q/Q se ingresa a la curva de elementos hidráulicos básicos interceptando la curva de DESCARGA y se lee el valor de y/D y desde el mismo punto se intercepta la curva de VELOCIDAD y se lee en el gráfico el valor de v/V. y/D = 0.13 v/V = 0.53

Cálculo del Tirante Hidráulico y la Velocidad Parcialmente Llena o Velocidad real : Con los valores calculados en el literal anterior se calculan para cada tramo el tirante hidráulico y la velocidad real:

TIRANTE HIDRÁULICO = y/D x (Diámetro de la tubería) TIRANTE HIDRÁULICO = 0.13 x (0.2032) m = 0.03 m VELOCIDAD REAL = v/V x (Velocidad a tubo lleno) VELOCIDAD REAL = 0.53 x 3.58 m/s = 1.90 m/s

Revisión del Tirante Hidráulico El tirante hidráulico calculado se compara con el tirante máximo, en este caso es el 70% del diámetro de la tubería. El resultado esperado es que el tirante hidráulico calculado debe ser menor que el tirante máximo.

0.0325 m < 0.1422 m El procedimiento es repetitivo en los demás tramos de los colectores. 100