Tesis aguas lluvias

Universidad Austral de Chile Facultad de Ciencias de la Ingeniería Escuela de Ingeniería Civil en Obras Civiles

“PROYECTO DE MODIFICACIÓN Y DISEÑO COLECTOR DE AGUAS LLUVIAS, SECTOR BARRIO ESTACIÓN, VALDIVIA” Tesis para optar al Título de: Ingeniero Civil en Obras Civiles Profesor Guía: Sr. Luis Collarte Concha Ingeniero Civil. M.Sc. en Ingeniería Civil Especialidad Hidráulica Mecánica de Suelos

DAISY MARIOLY VASQUEZ VEGA VALDIVIA – CHILE 2012

ÍNDICE DE CONTENIDOS. CONTENIDO

PÁGINA

ÍNDICE DE CONTENIDOS. ÍNDICE DE FIGURAS. ÍNDICE DE TABLAS. RESUMEN. SUMMARY. CAPÍTULO I. INTRODUCCIÓN.

1

1.1.- GENERALIDADES.

1

1.2.- PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA.

3

1.3.- OBJETIVOS.

4

1.3.1.- OBJETIVO GENERAL.

4

1.3.2.- OBJETIVOS ESPECÍFICOS.

4

1.4.- METODOLOGÍA. CAPÍTULO II. DESCRIPCIÓN DEL ÁREA DE ESTUDIO.

5 6

2.1.- ANTECEDENTES GENERALES.

6

2.2.- CUENCA APORTANTE.

7

2.3.- INFRAESTRUCTURA EXISTENTE DE AGUAS LLUVIAS.

9

CAPÍTULO III. MARCO TEÓRICO CONCEPTUAL.

13

3.1. ALCANTARILLADO DE AGUAS LLUVIAS.

13

3.2.- CARACTERIZACIÓN HIDROLÓGICA.

15

3.2.1.- PERÍODOS DE RETORNO DE DISEÑO.

16 i

3.2.2.- TIEMPO DE CONCENTRACIÓN.

17

3.2.2.1.- RECORRIDO DE LA ONDA.

18

3.2.2.2.- TIEMPO DE CONCENTRACION PARA CUENCAS RURALES O PREVIAS A SER URBANIZADAS.

19

3.2.2.3. TIEMPO DE CONCENTRACIÓN PARA CUENCAS URBANAS.

20

3.2.3.- TORMENTAS DE DISEÑO.

21

3.2.4.- CURVAS INTENSIDAD, DURACIÓN, FRECUENCIA: IDF

24

3.2.4.1.- OBTENCIÓN DE LAS CURVAS IDF.

25

3.2.4.2.- ESTIMACIÓN DE CURVAS IDF A PARTIR DE DATOS DE LLUVIA DIARIA 26 3.2.4.3.- COEFICIENTES DE DURACIÓN Y FRECUENCIA. 3.2.5.- ESTIMACIÓN DE LLUVIAS PARA DURACIONES MENORES A 1 HORA.

30 33

3.3.- CAUDALES DE DISEÑO.

34

3.3.1.-METODO RACIONAL.

35

3.3.1.1.- INTENSIDAD DE LA LLUVIA DE DISEÑO.

36

3.3.1.2.- AREA APORTANTE.

37

3.3.1.3.- COEFICIENTE DE ESCORRENTÍA.

37

3.4. CRITERIOS DE DISEÑO DE UN SISTEMA DE AGUAS LLUVIAS. 3.4.1.- COLECTORES SUBTERRÁNEOS. 3.4.1.1- CONDICIONES HIDRÁULICAS. 3.4.2.- CÁMARAS DE INSPECCIÓN.

39 39 40 42

3.4.2.1.- TIPOS DE CÁMARAS DE INSPECCIÓN.

43

3.4.2.1.1.- CÁMARAS TIPO A.

43

3.4.2.1.2.- CÁMARAS TIPO B.

47

ii

CONTENIDO

CAPÍTULO IV. MEMORIA DE CÁLCULO.

PÁGINA

48

4.1.- GENERALIDADES.

48

4.2.- ANTECEDENTES.

48

4.3.- BASE DE CÁLCULO.

49

4.3.1.- TIPO DE OBRA.

49

4.4.- MEMORIA DE CÁLCULO.

49

4.4.1.- ÁREAS APORTANTES.

50

4.4.2.- COEFICIENTE DE ESCORRENTÍA.

53

4.4.3.-ELECCIÓN DEL PERÍODO DE RETORNO.

56

4.4.4.- ANTECEDENTES PLUVIOMETRICOS DE LA ZONA EN ESTUDIO.

57

4.4.4.1.- PRECIPITACIÓN MÁXIMA DIARIA.

57

4.4.5.-DETERMINACIÓN DE CURVAS I-D-F.

57

4.4.5.1.- DURACIONES ENTRE 1 Y 24 HORAS.

57

4.4.5.2.- DURACIONES MENORES A 1 HORA.

61

4.4.6.- TIEMPO DE CONCENTRACIÓN.

63

4.4.7.-INTENSIDAD DE LA LLUVIA DE DISEÑO.

65

4.4.8.- CAUDAL SOLICITANTE DE AGUAS LLUVIAS.

66

4.4.9.- CÁLCULO DEL CAUDAL DEL CANAL.

67

4.4.9.1.- ÁREA APORTANTE AL CANAL.

67

4.4.9.2.- COEFICIENTE DE ESCORRENTÍA.

68

4.4.9.3.- TIEMPO DE CONCENTRACIÓN.

69

4.4.9.4.- INTENSIDAD DE LA LLUVIA DE DISEÑO.

70

4.4.9.5. - CAUDAL SOLICITANTE DEL CANAL.

71 iii

4.4.10.- CAUDAL FINAL DE DISEÑO.

72

4.4.11.- DISEÑO DE LA RED DE COLECTORES.

72

4.4.11.1.- CRITERIOS HIDRÁULICOS CONSIDERADOS.

74

4.4.12.- VERIFICACIÓN DE LOS DIÁMETROS.

75

4.4.13.- VERIFICACIÓN DE LA VELOCIDAD.

66

4.4.14.- MURO DE BOCA PARA LOS TUBOS DE CEMENTO COMPRIMIDO.

79

CAPÍTULO V.- PLANOS.

81

CAPÍTULO VI. CONCLUSIONES.

86

REFERENCIA BIBLIOGRAFICA

88

ANEXO A. MECÁNICA DE SUELOS. ANEXO B. ESPECIFICACIONES TÉCNICAS ESPECIALES DE AGUAS LLUVIAS. ANEXO C. PRESUPUESTO ESTIMATIVO.

iv

ÍNDICE DE FIGURAS. CONTENIDO

PÁGINA

CAPITULO II.FIGURA 2-1A: CUENCA APORTANTE EXISTENTE.

7

FIGURA 2-1B: CUENCA APORTANTE AL CANAL EXISTENTE.

8

FIGURA 2-2: SECTOR CON PROBLEMAS DE INUNDACIÓN Y DE EMPLAZAMIENTO DEL NUEVO COLECTOR.

8

FIGURA 2-3: RED DE COLECTORES EXISTENTES.

10

FIGURA 2-4: TUBO DE PVC 500MM DE DESCARGA AL CANAL.

11

FIGURA 2-5: TUBERÍA RECEPTORA 500MM AL FINAL DEL CANAL.

11

FIGURA 2-6: CANAL SIMPSON.

12

FIGURA 2-7: CÁMARA EXISTENTE A CONECTAR COLECTOR PROYECTADO.

12

CAPITULO III.FIGURA 3-1: CICLO HIDROLÓGICO.

16

FIGURA 3-2: CÁMARA TIPO A.

46

FIGURA 3-3: CÁMARA TIPO B.

47

CAPITULO IV.FIGURA 4-1: ÁREAS APORTANTES.

51

GRÁFICO 4-1: CURVAS INTENSIDAD- DURACIÓN- FRECUENCIA, DURACIÓN ENTRE 124 HORAS.

60

FIGURA 4-2: DISPOSICIÓN DE SUMIDEROS EXISTENTES.

64

FIGURA 4-3: ÁREAS APORTANTES AL CANAL.

67

FIGURA 4-4: SECCIÓN PARCIALMENTE LLENA.

72

FIGURA 4-5: MURO DE BOCA PARA TUBOS DE HORMIGÓN SIMPLE.

79

v

ÍNDICE DE TABLAS. CONTENIDO

PÁGINA

CAPITULO III.TABLA 3-1: PERÍODOS DE RETORNO PARA DISTINTA VIDA ÚTIL Y RIESGO DE FALLA. 17 TABLA 3-2: COEFICIENTE DE RUGOSIDAD DE MANNING.

20

TABLA 3-3: INTENSIDADES DE LLUVIA PARA DISTINTOS PERÍODOS DE RETORNO (MM/H)

25

TABLA 3-4: PRECIPITACIÓN MÁXIMA EN 1,2 Y 3 DÍAS.

28

TABLA 3-5: COEFICIENTES DE DURACIÓN PARA 10 AÑOS DE PERÍODO DE RETORNO. 31 TABLA 3-6: COEFICIENTES DE FRECUENCIA.

32

TABLA 3-7: COEFICIENTE DE ESCORRENTÍA, PARA ZONAS URBANIZADAS.

38

TABLA 3-8. COEFICIENTES DE ESCORRENTÍA.

38

TABLA 3-9: VELOCIDADES MÁXIMAS ADMISIBLES.

41

TABLA 3-10: COEFICIENTES DE RUGOSIDAD DE MANNING PARA COLECTORES.

41

TABLA 3-11: ALTURAS CÁMARAS TIPO A.

44

CAPITULO IV.TABLA 4-1: ÁREAS APORTANTES.

52

TABLA 4-2: COEFICIENTES DE ESCORRENTÍA SUPERFICIAL.

53

TABLA 4-3: COEFICIENTES DE ESCORRENTÍA PONDERADOS PARA CADA ÁREA APORTANTE.

54

TABLA 4-4: PERÍODOS DE RETORNO PARA DISEÑO.

56

TABLA 4-5. COEFICIENTE DE DURACIÓN, 1-24 HORAS.

58

TABLA 4-6. COEFICIENTE DE FRECUENCIA.

59

vi

ÍNDICE DE TABLAS. CONTENIDO

PÁGINA

TABLA 4-7: CURVAS PRECIPITACIÓN- DURACIÓN- FRECUENCIA (MM), 1-24 HORAS. 59 TABLA 4-8: CURVAS INTENSIDAD- DURACIÓN- FRECUENCIA (MM), 1-24HORAS.

60

TABLA 4-9: COEFICIENTES DE DURACIÓN, 5-60 MINUTOS.

62

TABLA 4-10: CURVAS PRECIPITACIÓN- DURACIÓN- FRECUENCIA (MM), 5-60 MINUTOS. 62 TABLA 4-11: CURVAS INTENSIDAD- DURACIÓN- FRECUENCIA (MM), 5-60 MINUTOS. 63 TABLA 4-12: TIEMPO DE CONCENTRACIÓN DE LA CUENCA. (MORGALI Y LINSLEY). 65 TABLA 4-13: ÁREAS APORTANTES AL CANAL.

68

TABLA 4-14: COEFICIENTE DE ESCORRENTÍA.

69

TABLA 4-15: RESUMEN DE DISEÑO COLECTORES.

72

TABLA 4-15: CUADRO DE CAMARAS.

72

vii

RESUMEN. La presente memoria de título, trata del diseño y modificación de un colector de aguas lluvias ubicado en el sector Barrio Estación de la ciudad de Valdivia. Este colector evacuará las aguas lluvias que recibe el cauce Simpson, provenientes de una cuenca aportante estudiada en esta memoria más el caudal aportante por el canal, el cual en algunas oportunidades ha excedido su capacidad de porteo, provocando inundaciones a la población aledaña. En su parte medular se describen los parámetros hidrológicos e hidráulicos utilizados en el cálculo del colector, el cual se diseñó para un período de retorno de 10 años recomendado para este tipo de obras. Finalmente se entregan las soluciones y conclusiones que son requeridas para ejecutar el proyecto más un presupuesto estimativo de éste.

SUMMARY The already mentioned thesis, is about the design and modification of rainwater trap located in the Barrio Estación sector of the city of Valdivia. This trap drains the collected rainwater into the Simpson channel, that comes from a contributing basin studied in this thesis as well as the contributing flow from the channel, which on some occasions has exceeded its capacity, causing flooding of the neighboring population. At its core hydrologic and hydraulic parameters, used in the calculation of the trap, are described, which was designed for a return time of 10 years recommended for this type of work. Then delivered solutions and conclusions that are required to implement the project plus an estimated budget cost of this.

CAPÍTULO I. INTRODUCCIÓN.

1.1.- GENERALIDADES. Debido al actual crecimiento y desarrollo de la ciudad de Valdivia, el tema de las inundaciones es un conflicto patente en distintos sectores de esta ciudad. Principalmente este problema se debe a varios factores que se presentan actuando individual o combinadamente, entre estos se pueden mencionar el incremento de suelos pavimentados y como consecuencia cada vez menos suelos con cobertura vegetal, aumento de techumbres provocado por la urbanización, sumado a la disminución de la vegetación en las zonas aledañas a la ciudad, implica un aumento de caudal que debe ser evacuado por las redes de aguas lluvias existentes. Otro tema importante referido a las inundaciones es la falta de mantención de las redes e infraestructura de los sistemas de aguas lluvias, los cuales ven sobrepasada su capacidad hidráulica debido a la acumulación de sedimentos, escombros, etc. También otro factor importante que participa en el problema de las inundaciones y que se observa en algunas ciudades, es la existencia de las redes unitarias de alcantarillado, las cuales evacuan aguas servidas y aguas lluvias. Estas redes ven sobrepasada su capacidad de conducción, debido al aumento de población que cada año incrementa el aporte de caudal. En el caso de la ciudad de Valdivia, aproximadamente un 30% de las redes existentes cumple esta función y estas se encuentran ubicadas en el sector centro y centro sur de la ciudad. Los cambios en el comportamiento de las aguas lluvias que producen las nuevas urbanizaciones, generan la mayoría de las veces conflictos hacia aguas abajo. Estos conflictos generalmente no están considerados en el diseño y la 1

operación del sistema de drenaje de la cuenca inferior, y por lo tanto se evidencian cada vez que ocurren precipitaciones de cierta magnitud. Dentro de los eventos negativos más frecuentes se puede mencionar el aumento en la frecuencia e intensidad de las inundaciones, inutilidad del sistema de evacuación de aguas abajo a medida que se desarrolla la zona superior, erosión y sedimentación de los cauces receptores, entre otros. Entre todos los factores que pueden contribuir al incremento de las inundaciones en los sectores urbanos, el principal problema es la destrucción de los sistemas de evacuación natural los cuales no son reemplazados por sistemas artificiales adecuados. Una manera de minimizar los efectos o la magnitud de las inundaciones es reducir los caudales aportantes y sus volúmenes, mediante la incorporación en la cuenca aportante de sistemas tradicionales como son los colectores de aguas lluvias o en la implementación de soluciones alternativas en lo que se refiere al almacenamiento temporal y la infiltración de las aguas. De acuerdo a esto, se debe evacuar las aguas superficiales en forma rápida y oportuna. El logro de esto se alcanza construyendo estructuras que permitan captar y controlar las aguas, para disponer su descarga en puntos donde no causen problemas. Para dar solución a lo anteriormente expuesto, el Ministerio de Obras Públicas desarrolló Planes Maestros de Aguas Lluvias, en los cuales se definen lo que constituye la red primaria de sistemas de evacuación y drenaje de aguas lluvias, mediante el uso de colectores. En el caso de la ciudad de Valdivia, ésta cuenta con un Plan Maestro de Evacuación y Drenaje de Aguas Lluvias desarrollado el año 2002, conforme a la ley 19.525 de noviembre del año 1.997. (DOH, 2002).

2

1.2.- PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA. Específicamente la problemática que conlleva a este estudio, es el tema de la inundación que provoca el canal perteneciente al cauce Simpson, el cual portea aguas lluvias de la cuenca de estudio indicada de la Figuras 2-1a-b. Este canal atraviesa sitios formados por viviendas familiares, los cuales en temporada invernal se ven afectados por el aumento de caudal de este cauce debido a las aguas lluvias. En la perspectiva de contribuir con la solución al problema de las aguas lluvias antes mencionado, es que se realizó un estudio tomando en cuenta todos los antecedentes técnicos y legales aplicables para así dar solución a la problemática, realizando la construcción de un nuevo colector el cual recibirá la descarga que recibe el cauce Simpson. El punto más alto de este colector absorbería las aguas provenientes aguas arriba de la cuenca de estudio indicada en la Figura 2-1a, mientras que el punto más bajo sería conectado a una cámara de inspección existente que conecta a un colector de la red primaria ubicado en Avenida Simpson. El sector con problemas de inundación y de emplazamiento del nuevo colector es el que se indica en la Figura 2-2.

3

1.3.- OBJETIVOS.

1.3.1.- OBJETIVO GENERAL. Definir un proyecto de modificación y diseño de colector de aguas lluvias que dé solución al problema presentado, construyendo un nuevo colector que evacúe las aguas lluvias que confluyen al cauce del canal Simpson, considerando todos los aspectos técnicos y económicos que involucran su construcción.

1.3.2.- OBJETIVOS ESPECÍFICOS. Describir

y

caracterizar

el

actual

sistema

de

aguas

lluvias

correspondientes a la ciudad de Valdivia, específicamente al sector considerado. Determinar

la

dependencia

del

caudal

aportante

respecto

a

las

características de la cuenca en estudio.

Reunir antecedentes pluviométricos y fluviométricos de la ciudad de Valdivia. Determinar el caudal aportante al sector de estudio.

4

1.4.- METODOLOGÍA. La metodología de trabajo empleada en la realización del proyecto se puede resumir en los siguientes puntos: Visitas a terreno para así identificar claramente el sector de estudio, determinar características propias, infraestructura existente, etc. para así obtener una visión general y familiaridad con el sector. Recopilar información y antecedentes existentes de la cuenca en estudio, como características hidrológicas y de relieve. Realizar un levantamiento topográfico del sector, el cual será un factor importante a la hora de determinar pendientes de escurrimiento, tiempos de concentración y coeficientes de escorrentía. Revisión de material bibliográfico existente respecto al cálculo de sistemas de aguas lluvias. Fijar criterios y parámetros para el cálculo del caudal aportante. Estudiar alternativas técnicas y económicas para el trazado del nuevo colector, así como la construcción de obras complementarias necesarias para el funcionamiento de éste. Con los puntos mencionados anteriormente, se espera contribuir a la solución del problema descrito.

5

CAPITULO II. DESCRIPCIÓN DEL ÁREA DE ESTUDIO.

2.1.- ANTECEDENTES GENERALES. Como se ha mencionado anteriormente, el sector de estudio del proyecto se encuentra emplazado en la ciudad de Valdivia, capital regional de la Décima cuarta región de Los Ríos. La ciudad de Valdivia se encuentra ubicada en el hemisferio sur de América, a 39°42’ S de latitud y 73°15’ O de longitud, a 841 km aprox. de Santiago, capital de Chile. Está emplazada en la confluencia de los ríos Calle-Calle, Valdivia Cau-Cau y el río Cruces. Limita al norte con la comuna de San José de la Mariquina, al noreste con Máfil, al este con Los Lagos, al sureste con Paillaco, al sur con Corral y al oeste con el Océano Pacífico (DOH, 2002) Según el Censo nacional, realizado en el año 2002 por el Instituto Nacional de Estadísticas de Chile, Valdivia cuenta con una población total de 140.559 habitantes de los cuales 129.952 corresponden a población urbana y su superficie urbana es de aproximadamente de 1.015, 6 km2 (INE, 2007). El clima predominante en la ciudad corresponde al clima de costa occidental con influencia mediterránea, propio de la depresión intermedia y la cordillera de la costa. La precipitación media anual supera los 2.000 mm, siendo los meses más lluviosos mayo, junio y julio, con una precipitación de entre 400 y 500 mm mensuales. (Plan Maestro de Evacuación y Drenaje de Aguas Lluvias de Valdivia, DOH 2002)

6

2.2.- CUENCA APORTANTE. La zona del proyecto que se analiza está inserta en el estudio del plan maestro de evacuación y drenaje de aguas lluvias de la ciudad de Valdivia y ésta se puede dividir en dos sectores: Cuenca aportante al proyecto (Figura 2-1a-b) y sector con problema de inundación y de emplazamiento del nuevo colector (Figura 2-2). La cuenca aportante a su vez se subdivide formando dos cuencas, la primera limita al norte con Avenida Ramón Picarte, al oriente con Avenida René Schneider, al poniente con calle Ángel Muñoz y al sur con calles Nueva Dos y San Luis, mientras que la segunda corresponde a un terreno de bienes nacionales por el cual atraviesa el canal Simpson, limitando al norte con Pasaje Simpson, al sur con Av, Picarte, al poniente con calle Hettich y al oriente con Av. Simpson.

Figura 2-1a: Cuenca Aportante Existente.

FUENTE: Elaboración propia.

7

Figura 2-1b: Cuenca Aportante al Canal Existente.

FUENTE: Elaboración propia. Figura 2-2. Sector con problemas de inundación y de emplazamiento del nuevo colector.

FUENTE: Elaboración propia. 8

Para delimitar la cuenca de la Figura 2-1a-b, se ejecutó un estudio que involucro la ejecución de la topografía del lugar, con la cual se determinaron pendientes de escurrimiento, puntos singulares intermedios los cuales delimitan el divorcio de las aguas lluvias. También se realizó un catastro en terreno del tipo de techumbre, pavimentos y áreas verdes que componen la cuenca, para luego determinar el coeficiente de escorrentía. Esta cuenca aportante, aguas arriba del punto de descarga tiene un área de 16,8 hectáreas aproximadamente y se encuentra ubicada en un sector industrial de baja densidad, residencial densa y semidensa. Cabe señalar que el sector

cuenta

con

todos

los

servicios

completos

como

agua

potable,

alcantarillado de aguas servidas, calles pavimentadas y red eléctrica.

2.3.- INFRAESTRUCTURA EXISTENTE DE AGUAS LLUVIAS. La infraestructura de aguas lluvias existente en el sector está compuesta por un sistema secundario de colectores, cámaras de inspección y sumideros, los cuales captan las aguas provenientes de la cuenca antes mencionada en el capítulo anterior. La red de evacuación de aguas lluvias del estudio está compuesta por un colector de PVC cuyo diámetro es 315 mm, ubicados en calle Errázuriz entre Simpson y Koening, el cual conecta a un colector de PVC de diámetro 500 mm ubicada

en

calle

Koening,

descargando

las

aguas

captadas

al

canal

perteneciente al cauce Simpson. Ver Figuras 2-3, 2-4. Por otra parte, existe un colector unitario de 800mm ubicado aguas abajo en Avenida Simpson, el cual recibe las descargas provenientes del cauce Simpson, descargando al Río Calle- Calle.

9

Al realizar una inspección visual de los elementos que conforman la red, se observa que el sistema existente funciona con problemas de embancamiento, arrastre de piedras, hojas, sedimentos, además de no poseer la capacidad de escurrimiento de los caudales de aguas lluvias a los colectores.

Figura 2-3: Red de colectores existentes.

FUENTE: Plan Maestro de Evacuación y Drenaje de Aguas Lluvias (DOH, 2002).

10

Figura 2-4: Tubo de PVC 500mm de descarga al canal.

Figura 2-5. Tubería receptora 500mm al final del canal.

11

Figura 2-6. Canal Simpson.

Figura 2-7. Cámara existente a conectar colector proyectado.

12

CAPÍTULO III. MARCO TEÓRICO CONCEPTUAL.

El siguiente capítulo hace referencia a la metodología de cálculo de redes de aguas lluvias, el cual se basa en la aplicación de lo establecido en el Manual de Carreteras, Volumen 3 (2001) y la Guía de Diseño y Especificaciones de Elementos Urbanos de Infraestructura de Aguas Lluvias del MINVU (2005).

3.1. ALCANTARILLADO DE AGUAS LLUVIAS. Un sistema de alcantarillado de aguas lluvias es una red de tuberías utilizada para conducir las aguas superficiales provenientes principalmente de una tormenta. En estricto rigor el nombre debería ser alcantarillado de aguas superficiales, ya que la infraestructura del sistema de drenaje no solo evacúa aguas lluvias, sino también aguas provenientes de la red de agua potable, canales desbordados, grifos operativos, etc. El diseño de un sistema de alcantarillado de aguas lluvias involucra la determinación de los diámetros, las pendientes y las elevaciones para cada tubo del sistema. Según Chow (1988) el diseño y drenaje de alcantarillados de aguas lluvias puede dividirse en dos partes: predicción de la escorrentía y diseño del sistema. Las siguientes restricciones y suposiciones son de uso común en la práctica de diseño de alcantarillado de aguas lluvias, Chow (1988): Existe flujo a superficie libre para los caudales de diseño; es decir, el sistema de alcantarillado se diseña para “flujo gravitacional”; no se considera estaciones de bombeo ni alcantarillado presurizados.

13

El diámetro de diseño es el menor diámetro comercialmente disponible que tenga una capacidad de flujo igual o mayor que el caudal de diseño y que satisfaga todas las restricciones apropiadas. Los alcantarillados de aguas lluvias deben colocarse a una profundidad tal que no sean susceptibles de congelamiento, que sean capaces de drenar sótanos y que tengan un colchón lo suficientemente grande para prevenir los rompimientos debidos a cargas en la superficie del terreno. Teniendo en cuenta esto, deben especificarse las profundidades de recubrimiento mínimas. Las alcantarillas deben estar unidas en los nodos de tal manera que la elevación de la clave del alcantarillado de aguas arriba no sea inferior que la del alcantarillado de aguas abajo. Con el fin de prevenir o reducir la sedimentación excesiva de material sólido en los alcantarillados, debe especificarse una velocidad de flujo mínima permisible para el caudal de diseño o cuando el tubo fluya a máxima capacidad con flujo gravitacional. Para prevenir la socavación y otros efectos indeseables causados por una alta velocidad de flujo, también debe especificarse una velocidad máxima permisible. En cualquier nodo o pozo de inspección el alcantarillado de aguas abajo no puede ser menor que cualquiera de los alcantarillados de aguas arriba de ese nodo.

14

El sistema de alcantarillado es una red dendrítica o con brazos que converge en la dirección de aguas abajo sin ningún circuito cerrado.

3.2.- CARACTERIZACIÓN HIDROLÓGICA. En el estudio y análisis de sistemas de evacuación de aguas lluvias es preciso disponer de conocimientos básicos de hidrología, los cuales abordan al cálculo del caudal que escurre en la cuenca hidrográfica. Cifuentes (2006), define la hidrología

como la ciencia que trata del agua en la naturaleza, sus

propiedades, distribución y comportamiento. En relación con la atmósfera (hidrometeorología), la hidrología trata la lluvia y formas de precipitación, sus causas, origen, ocurrencia, magnitud, distribución y variación, así como el retorno de la humedad a la atmósfera por evaporación, sublimación y transpiración. La precipitación, percolación, escurrimiento y evaporación son etapas del ciclo hidrológico. El agua que llega a la tierra, alguna cae sobre superficies acuáticas, otra escurre sobre la tierra derivando en arroyos, ríos, lagos, embalses o mares. Parte de ella retorna a la atmósfera por evaporación desde las superficies acuáticas y terrestres así como por evaporación y transpiración de las plantas y otra parte de las aguas infiltra en el suelo. A su vez del agua que infiltra parte es retenida en superficie desde donde evapora, otra es tomada por la vegetación para ser retornada a la atmósfera y el remanente infiltra hacia abajo por gravedad hasta alcanzar el nivel freático, para formar el agua subterránea. Se puede observar el funcionamiento de este ciclo en la figura 3-1.

15

Figura 3-1: Ciclo Hidrológico.

FUENTE: http://ga.water.usgs.gov/edu/watercyclespanish.html

3.2.1.- PERÍODOS DE RETORNO DE DISEÑO. El período de retorno puede definirse como el intervalo de tiempo promedio en años en que un evento hidrológico es igualado o excedido una vez. Un evento de una magnitud dada tiene un período de retorno de n años, si este evento, en promedio, es igualado o superado una vez cada n años. A un número cualquiera de años, se puede establecer que la probabilidad que la variable sea mayor que un cierto valor (Q) asociado a un período de retorno (T) en el transcurso de una vida útil de (n) años, que es lo que se denomina riesgo de falla, puede calcularse con la expresión siguiente: Prob (x > Q) = Riesgo = 1-(1 - 1/T)n

(3-1)

16

A continuación se indican en la Tabla 3-1 algunos valores obtenidos del Manual de Carreteras (2001) calculados con la expresión anterior, en los cuales se determina el período de retorno asociado al riesgo de falla y vida útil de la obra.

Tabla 3-1: Períodos de retorno para distinta vida útil y riesgo de falla.

FUENTE: Manual de Carreteras, Vol.3 (2001)

3.2.2.- TIEMPO DE CONCENTRACIÓN. El tiempo de concentración de una cuenca, corresponde al tiempo mínimo necesario para que todos puntos de una cuenca estén aportando agua de escorrentía de forma simultánea al punto de salida o desagüe. Está determinado por el tiempo que tarda en llegar a la salida de la cuenca el agua que procede del punto hidráulicamente más alejado de la salida. El conocimiento del tiempo de concentración tiene interés práctico ya que al seleccionar tormentas de duraciones mayores al tiempo de concentración, se asegura que la superficie aportante es la máxima (MINVU, 2005). Para calcular el tiempo de concentración de una cuenca se puede recurrir a relaciones empíricas propuestas para cuencas similares, o a estimaciones basadas en la velocidad esperada de la onda una vez definido el recorrido del agua desde el punto más alejado hasta la salida.

17

3.2.2.1.- RECORRIDO DE LA ONDA. Según MINVU (2005) se puede analizar el tiempo de concentración como el camino que debe recorrer la onda desde la zona más alejada. Los primeros elementos pueden ser planos inclinados, como techos o patios. Después avanza por cauces abiertos como zanjas o cunetas, para terminar en elementos de drenaje como colectores, ya sean canales o tubos. Si se tiene N de estos elementos en serie a lo largo del recorrido, el tiempo de concentración se estima como:

Tc=

(3-2)

Dónde: Tci: Tiempo de viaje en minutos en el elemento i.

18

3.2.2.2.- TIEMPO DE CONCENTRACIÓN PARA CUENCAS RURALES O PREVIAS A SER URBANIZADAS. Para cuencas rurales o previas a ser urbanizada se recomienda utilizar las siguientes relaciones:

Cuencas rurales relativamente planas con escurrimiento preferentemente superficial.

Tc=0,0195

Cuencas rurales concentrado

(Kirpich, 1940)

no

planas

Tc= 0,0203* (

con

escurrimiento

(Kirpich, 1940)

(3-3)

preferentemente

(3-4)

Las expresiones antes mencionadas son las mismas, la primera considera el largo del plano del flujo y su pendiente promedio, mientras que la segunda involucra el desnivel y largo del cauce principal. . Dónde: Tc: Tiempo de concentración en minutos. L: Longitud del escurrimiento superficial en metros. L1: Longitud del cauce en metros. S: Pendiente en metros por metros. H: Desnivel en la cuenca en metros.

19

3.2.2.3. TIEMPO DE CONCENTRACIÓN PARA CUENCAS URBANAS. En cuencas ya urbanizadas, MINVU (2005) recomienda el uso de la fórmula empírica de Morgali y Linsley (1965) para el cálculo del tiempo de concentración, la cual es utilizable en cuencas relativamente planas, formadas por patios, estacionamientos, parques, techos, calles, etc. (3-5)

Dónde: Tc: Tiempo de concentración, en minutos. L: Longitud del escurrimiento superficial, en metros. S: Pendiente, en metros por metro I: Intensidad de la lluvia, en mm/hora. n: Coeficiente de rugosidad de Manning de la superficie, según Tabla 3-2.

Tabla 3-2: Coeficiente de rugosidad de Manning. Tipo de superficie

Coeficiente n

Tubos de plastico Tubos de cemento asbesto Tubos de mortero comprimido Calles de hormigon y asfalto Techos Jardines Superficies de tierra Superficies con vegetacion

0,011 0,012 0,013 0,015 0,018 0,025 0,03 0,05

FUENTE: MINVU (2005)

20

3.2.3.- TORMENTAS DE DISEÑO. Se define la tormenta de diseño como un patrón de precipitación para la utilización en el diseño de un sistema hidrológico, la que conforma la entrada al sistema, y a través de este los caudales se calculan utilizando procedimientos de lluvia escorrentía. Las tormentas de diseño se basan en información histórica de precipitación en un lugar o pueden construirse utilizando las características generales de la precipitación en regiones adyacentes. Las características principales de las tormentas, desde la perspectiva de usar la información para diseñar sistemas de drenaje urbano o rural, son su período de retorno, duración, magnitud e intensidad. Otras características secundarias son la distribución temporal de precipitaciones para intervalos menores a la duración total y la distribución espacial en una zona de mayor tamaño. (MOP, 2001). 

Duración. Una de las primeras decisiones es escoger la duración de la tormenta de diseño a utilizar, entendiendo por duración al total de intervalos de lluvia. La importancia de la duración de la lluvia es evidente ya que la intensidad media de la tormenta decrece con la duración y el área aportante de la cuenca crece al aumentar la duración de la tormenta La selección de la duración de la tormenta de diseño está influenciada por factores del clima de la región en cuestión y por aspectos propios del área aportante, tales como su tamaño, pendiente y rugosidad superficial. Es usual que la duración de diseño sea igual al tiempo de concentración del área aportante, definido como el tiempo necesario para que la gota más alejada llegue a la salida.

21



Magnitud e Intensidad. Luego de establecer la duración total del temporal se debe decidir sobre la magnitud de la lluvia, o total de agua caída durante el temporal. Existe una relación entre duración, magnitud y probabilidad de ocurrencia, la cual normalmente se estudia y se representa en familias de curvas intensidad-duración frecuencia (IDF) o precipitación-duración-frecuencia (PDF).

La descripción y criterios para cuantificar estos parámetros, son los siguientes (MINVU, 2005): El período de retorno se selecciona de acuerdo al riesgo de falla que se está dispuesto asumir para el sistema o elemento a dimensionar. En proyectos de drenaje urbano de aguas lluvias se deben considerar dos tipos de tormentas: una de diseño, con la cual se dimensionan los elementos del sistema con períodos de retorno de 2 años, y otra de verificación, con la cual se comprueba que para situaciones extremas no ocurran problemas graves aunque se aceptan fallas e inconvenientes, que corresponde a períodos de retorno de 100 años. La duración total está relacionada con el tiempo de concentración de la cuenca aportante, de modo de seleccionar una duración que genere el máximo escurrimiento. Para el diseño de elementos de conducción la duración de la tormenta debe seleccionarse siempre mayor o igual al tiempo de concentración, recomendando una duración que no exceda al tiempo de concentración por más del doble. Para el dimensionamiento de obras de almacenamiento, como estanques o lagunas, debe considerarse duraciones largas, típicamente de 24 horas para elementos de la red secundaria.

22

La precipitación total de la tormenta es una característica climática del lugar que se puede obtener de las relaciones de Intensidad, Duración, Frecuencia, IDF. Seleccionados el período de retorno y la duración, de estas relaciones se obtiene la precipitación total de la tormenta. La distribución temporal de la precipitación durante una tormenta es de especial

interés.

Se

debe

adoptar

distribuciones

temporales

de

precipitación realistas y que maximicen el escurrimiento que genera la cuenca. Para estos efectos se recomienda diseñar la red secundaria con tormentas que concentran su mayor intensidad al inicio. La distribución espacial de las precipitaciones para una misma tormenta es de interés cuando se analizan zonas extensas. Para el diseño de elementos de la red secundaria se consideran tormentas espacialmente uniformes en una urbanización. La definición de la tormenta de diseño se caracteriza por la dificultad de precisar y definir cuantitativamente las características del temporal, de la cuenca, la asignación de probabilidades a la tormenta y a la crecida resultante. Si se cuenta con registros pluviográficos representativos del área de interés y del análisis de dichos registros se pueden seleccionar tormentas que representen situaciones adecuadas para el diseño. Otra situación bastante usual corresponde a aquélla en la cual no existen registros adecuados y representativos

por

lo

que

se

debe

simular

tormentas

que

tengan

características similares a los escasos registros del área. Para cualquier tormenta de igual o menor precipitación, duración o período de retorno, el sistema debe operar sin fallas ni inconvenientes. Para controlar el riesgo de falla del sistema, se fija un periodo de retorno de diseño, con lo cual

23

se asegura la existencia de soluciones de similar calidad de servicio para el público, (MINVU, 2005).

3.2.4.- CURVAS INTENSIDAD, DURACIÓN, FRECUENCIA: IDF. Estas relaciones permiten caracterizar las tormentas en un lugar. Relacionan la intensidad de variación de la lluvia de distintas duraciones con las distintas probabilidades de ocurrencia. El uso de estas curvas es necesario para estimar indirectamente el escurrimiento proveniente de cuencas pequeñas, en función de la lluvia precipitada. Estas curvas tienen usualmente una forma de tipo exponencial, donde la intensidad, para una misma frecuencia, disminuye a medida que aumenta la duración de la precipitación. Es común incorporar en el mismo gráfico las curvas asociadas a diferentes frecuencias, en forma paramétrica, para obtener la familia de curvas de un lugar en un mismo gráfico. A modo de ejemplo, se incluye una tabulación con valores representativos de las curvas IDF para las ciudades de Quilaco, Temuco, Pullinque, Valdivia, Osorno. Ver Tabla 3-3

24

Tabla 3-3: Intensidades de lluvia para distintos períodos de retorno (mm/h)

FUENTE: Manual de Carreteras Vol.2 (2001)

3.2.4.1.- OBTENCIÓN DE LAS CURVAS IDF. Estas curvas se construyen en base a un análisis estadístico de las lluvias registradas en pluviógrafos de la zona, seleccionando la lluvia más intensa de diferentes duraciones en cada año con el fin de realizar un estudio de frecuencia con cada una de las series

formadas. Se deben examinar los

hietogramas de las tormentas ocurridas en un año y de estos escoger la lluvia correspondiente a la hora más lluviosa, a las dos horas más lluviosas, así sucesivamente. Con los valores seleccionados se forman series anuales para cada una de las duraciones elegidas. Al realizar el análisis de frecuencia se consigue asignar una probabilidad para la intensidad de lluvia correspondiente a cada duración, la cual se acostumbra a representar en un gráfico único de

25

Intensidad vs. Duración, teniendo como parámetro la frecuencia o período de retorno.

3.2.4.2.- ESTIMACION DE CURVAS IDF A PARTIR DE DATOS DE LLUVIA DIARIA. La obtención de esta familia de curvas necesita de registros pluviográficos continuos, los cuales son escasos y pocos extensos. Lo corriente es contar con bastantes registros pluviométricos, los cuales sólo entregan observaciones de lluvias diarias. Por ello, ha existido la preocupación de estudiar la relación existente entre la lluvia caída y su duración, como una forma de obtener una estimación para las lluvias de duración menor a 24 horas en función de las lluvias diarias. Este procedimiento requiere de dos etapas. Primero es necesario obtener una estimación de la lluvia diaria, representativa del lugar de interés, asociada a un período de retorno dado, normalmente de 10 años. Luego, a partir de este valor se estiman valores asociados a otras duraciones y a otras frecuencias, haciendo uso de coeficientes de duración y de frecuencia. Los coeficientes de duración se definen como la razón entre la lluvia de una duración dada y la lluvia diaria de la misma frecuencia. Análogamente, los coeficientes de frecuencia se definen como la razón entre la lluvia de una determinada frecuencia y la lluvia de 10 años de período de retorno de la misma duración (MINVU, 2005). Para el cálculo de la lluvia diaria de 10 años de período de retorno en base a datos en el lugar de interés, si se cuenta con una estación pluviométrica representativa, se debe recopilar la información de lluvias máximas diarias registradas

y

se

forma

una

serie

anual

de

lluvias

máximas

diarias

seleccionando del registro el día más lluvioso de cada año. Esta muestra se somete a un estudio de frecuencia, ajustándole a la muestra un modelo 26

probabilístico. Como resultado de este proceso se obtiene la lluvia máxima diaria asociada a un período de retorno de 10 años en el lugar de interés. Si no se cuenta con registros observados, se puede obtener una estimación recurriendo a los mapas de lluvias máximas diarias con 10 años de período de retorno, publicados por la Dirección General de Aguas (DGA, Precipitaciones máximas en 1, 2 y 3 días). Estos mapas se confeccionaron en base al análisis de alrededor de 600 estaciones de registro del país (DGA, 1994). En la Tabla 34 se resumen los valores de precipitaciones máximas de 24, 48 y 72 hrs. para 10 años de período de retorno en varias ciudades.

27

Tabla 3-4: Precipitación máxima en 1,2 y 3 días.

FUENTE: DGA, 1994. Los Coeficientes de Duración (CD) calculados para las duraciones entre 1 y 24 horas se presentan en la Tabla 3-5. Los coeficientes de duración para una hora, excluyendo a Armerillo, que presenta un micro-clima muy especial, varían entre 0,12 y 0,20 con un promedio de 0,16 y una desviación típica de 0,03.

28

El valor promedio encontrado para estaciones chilenas es bastante similar al propuesto por el USBR (1965) al examinar las lluvias de diversos lugares de Estados Unidos ubicados al oeste del meridiano 105. Sólo los valores calculados para Armerillo difieren de la tendencia general, hecho explicable por la gran magnitud que tienen las intensidades de las tormentas de 24 horas en dicho sitio. Para estimar las curvas IDF en base a la lluvia máxima diaria se puede utilizar la siguiente expresión (3-6)

Dónde: Lluvia con periodo de retorno T años y duración D horas o minutos. C: Coeficiente de corrección para la lluvia máxima PD10 medida entre 8 AM y 8 AM respecto de las 24 Hrs más lluviosas de la tormenta, para el que se ha adoptado un valor C = 1,1 : Coeficiente de frecuencia. : Coeficiente de duración. PD10: Precipitación diaria en milímetros para un periodo de retorno de 10 años. Este valor depende del lugar de estudio y se obtiene de mapas de isoyetas o lluvias diarias publicadas por la DGA o de análisis de frecuencia. La expresión (3-6) es válida para lluvias de 1 a 24 horas de duración en la zona estudiada. Los coeficientes de duración y de frecuencia que sean aplicables al lugar de estudio se obtienen de tablas publicadas por MOP (2001).

29

3.2.4.3.- COEFICIENTES DE DURACION Y FRECUENCIA. El coeficiente de duración se define como la razón entre la lluvia caída en una determinada duración y la lluvia caída en 24 horas, ambas para la misma frecuencia. El coeficiente de frecuencia se define como la razón entre la lluvia asociada a un cierto período de retorno y la lluvia asociada a 10 años de período de retorno. A continuación se indican en la Tabla 3-5 los valores para el coeficiente de duración de 10 años de período de retorno que establece el Manual de Carreteras (2001). Estos coeficientes no varían en forma significativa para otras frecuencias y por consiguiente se pueden usar para cualquier período de retorno. En la Tabla 3-6 se indican los Coeficientes de Frecuencia. Los coeficientes de duración y de frecuencia

se recomiendan para la estimación de curvas IDF

cuando solo se cuenta con información de lluvias diarias.

30

Tabla 3-5: Coeficientes de duración para 10 años de período de retorno.

FUENTE: Manual de Carreteras, Vol.3, 2001.

31

Tabla 3-6: Coeficientes de Frecuencia.

FUENTE: Manual de Carreteras, Vol.3, 2001.

32

3.2.5.HORA.

ESTIMACIÓN DE LLUVIAS PARA DURACIONES MENORES A 1

Varios autores se han preocupado de estudiar la relación existente entre la lluvia caída y su duración, como una forma de obtener una estimación para las lluvias de duración menor a 24 horas en función de las lluvias diarias. Bell (1969) estudió las razones entre lluvias de distintas duraciones e igual frecuencia o períodos de retorno y también la razón entre lluvias de diferentes períodos de retorno e igual duración, utilizando datos de un gran número de estaciones ubicadas en una extensa zona geográfica. Los resultados obtenidos son válidos para lluvias provenientes de tormentas de tipo convectivo con duraciones entre 10 minutos y 2 horas. Las conclusiones obtenidas indican que las razones, entre lluvias de distinta duración y/o distinto período de retorno, llamadas coeficientes de duración y coeficientes de frecuencia respectivamente, son muy constantes para todos los puntos indicados y el autor propuso su aplicación en otras zonas para tormentas convectivas. Entonces la precipitación de duración t, entre 5 y 120 minutos, y período de retorno T, entre 2 y 100 años, se puede estimar en base a la precipitación de una hora, 60 minutos, y 10 años de período de retorno

como:

(3-7)

En que: : Lluvia en mm de duración t minutos y T años de período de retorno. T: Período de retorno en años. t: Duración de la lluvia en minutos.

33

Se recomienda el uso de la expresión (3-7) para obtener estimaciones de las curvas IDF para duraciones menores a una hora, cuando no se cuente con datos pluviográficos en el sitio de interés que permitan desarrollar una familia de curvas IDF en el lugar. Conocida la precipitación de una tormenta de duración D y período de retorno T, la intensidad media, I, se calcula como: (3-8)

se mide habitualmente en (mm / hora).

3.3.- CAUDALES DE DISEÑO. Para determinar el caudal de diseño que se genera en una cuenca urbana debido a una tormenta, se pueden emplear distintos procedimientos, los cuales dependen de las características de la cuenca. Actualmente el método más utilizado y difundido es el Método Racional debido a su simplicidad, como también se recomienda el empleo del Método Racional Modificado. Cualquiera sea el método que se utilice, es preciso tener en cuenta que para conseguir el fin buscado se requiere contar con información relevante, adecuada y precisa. La calidad del resultado de los cálculos está ligada estrechamente a la información hidrológica empleada.

34

3.3.1.-MÉTODO RACIONAL. Este método, el cual comenzó a utilizarse alrededor de la mitad del siglo XIX, propuesto por Mulvaney en 1850 es el método probablemente más utilizado para calcular el caudal de diseño en cuencas urbanas y rurales pequeñas. Su uso es recomendado para cuencas cuyas áreas no superen las 2.500 há. La idea detrás del método racional según Chow (1981), es que si una lluvia con intensidad I empieza en forma instantánea y continua en forma indefinida, la tasa de escorrentía continuará hasta que se llegue al tiempo de concentración Tc, en el cual toda la cuenca está contribuyendo al flujo en la

salida. El

producto de la intensidad de la lluvia I y el área de la cuenca A es el caudal de entrada al sistema, I*A, y la relación entre este caudal y el caudal pick Q (que ocurre en el tiempo Tc) se conoce como el coeficiente de escorrentía C (0

).

Esto se expresa con la formula racional de la siguiente forma.

(3-9)

Dónde: Q: Caudal a la salida de la cuenca en m3/s. I: Intensidad de la lluvia en mm/hora. A: Área de la cuenca en km2 C: Coeficiente de escorrentía, adimensional.

El método Racional supone básicamente lo siguiente: El caudal de escurrimiento en un punto cualquiera, es función del promedio de intensidades de lluvia durante el tiempo de concentración. 35

El “peak” de la lluvia ocurre en el tiempo de concentración.

Existe linealidad y constancia del coeficiente de escorrentía “C”. Se debe destacar que este método usa sólo promedios de las intensidades

de

lluvias

que

prevalecen

durante

el

tiempo

de

concentración. Este promedio no tiene relación con un modelo de lluvia específico.

3.3.1.1.- INTENSIDAD DE LA LLUVIA DE DISEÑO. La intensidad de la lluvia de diseño corresponde a aquella con una duración igual al tiempo de concentración del área y con una frecuencia o período de retorno compatible con la importancia y trascendencia de la obra. Al conocer la precipitación de una tormenta de duración D y período de retorno T, la intensidad I, se calcula como: (3-8)

Dónde: : Precipitación de duración D igual al tiempo de concentración y período de retorno T.

36

3.3.1.2.- ÁREA APORTANTE. El área aportante comprende toda aquella superficie que aporta agua a un cauce común. Como en la mayoría de las ocasiones el agua que cae sobre la superficie lo hace en forma vertical, es la proyección horizontal del área, perpendicular a la trayectoria de la lluvia, la que se estima. Este parámetro usado en el método racional, es el único que puede ser determinado con exactitud y su medición puede realizarse por observación directa en el terreno, mapas o aerofotografía. Los límites de estas superficies dependen de las pendientes existentes y de las realizables artificialmente con el propósito de conducir el agua a los sumideros correspondientes, estos límites rara vez coinciden con las partes altas de la cuenca. 3.3.1.3.- COEFICIENTE DE ESCORRENTÍA. El coeficiente de escorrentía se define como la fracción del volumen total de agua caída que escurre sobre la superficie del suelo, sin infiltrarse ni evaporarse, en otras palabras indica la proporción de la lluvia total que participa directamente en el escurrimiento. Este coeficiente depende de las características del terreno, uso y manejo del suelo, condiciones de infiltración, nivel de urbanización, entre otros. Para zonas ya urbanizadas se puede estimar el coeficiente de escorrentía de acuerdo a la siguiente tabla:

37

Tabla 3-7: Coeficiente de escorrentía, para zonas urbanizadas.

FUENTE: MINVU, 2005 También se puede calcular el coeficiente de escorrentía ya sea de una cuenca urbanizada o por urbanizar,

estimando un coeficiente ponderado según las

superficies de cada tipo de ocupación del suelo, calculando las áreas de cada uno de los tipos siguientes, con los coeficientes de escurrimiento que se indican en la Tabla 3-8.

Tabla 3-8: Coeficientes de escorrentía.

FUENTE: MINVU, 2005.

38

En general se recomienda utilizar los valores medios de cada categoría, a menos que se justifique el empleo de los valores mínimos. Si se desea considerar condiciones de seguridad se pueden emplear los valores máximos indicados. (MINVU, 2005). El rango de valores indicados en las tablas son para tormentas típicas con períodos de retomo de 2 a 10 años. Para tormentas mayores se recomienda usar el valor más alto dentro de cada rango, o incluso valores mayores si se estima conveniente.

3.4. CRITERIOS DE DISEÑO DE UN SISTEMA DE AGUAS LLUVIAS. La red secundaria de un sistema de aguas lluvias está formada por colectores y cámaras, que reciben el agua desde los sumideros y la conducen hacia un punto de entrega. 3.4.1.- COLECTORES SUBTERRÁNEOS. Los tubos de los colectores son generalmente circulares prefabricados de materiales del siguiente tipo: Tubo de mortero de cemento comprimido. Tubería PECC, fabricada en polietileno de alta densidad y alto peso molecular PVC. Tubo SPIROPECC, fabricada en polietileno de alta densidad y alto peso molecular, exterior corrugado e interior liso Tubo gran flujo, fabricada en polietileno de alta densidad y alto peso molecular, exterior corrugado e interior liso. Tubería de PVC. Tubo de acero corrugado.

39

3.4.1.1- CONDICIONES HIDRÁULICAS. Para las condiciones de diseño los colectores secundarios funcionarán con escurrimiento libre. Para ello el diámetro de los colectores se selecciona de manera que para el caudal máximo de diseño la altura de agua sea igual o menor que 0,8 veces el diámetro D (Domínguez, 1999). Si la altura de agua es igual a 0,8 D, la velocidad media del flujo, V, y el caudal, Q, están relacionados con el diámetro del tubo, la pendiente longitudinal y el coeficiente de rugosidad del material mediante las siguientes relaciones, basadas en la ecuación de Manning: Q= (i1/2*R2/3*A)/n

(3-10)

V= (0,45*D2/3*i1/2)/n

(3-11)

Dónde: Q: Caudal, en metros cúbicos por segundo. i : Pendiente de fondo del tubo, en metro por metro, (adimensional). R: Radio hidráulico en metros. D: Diámetro interior del tubo en metros. n = Coeficiente de rugosidad de Manning. Tabla 3-2. La velocidad del escurrimiento en un colector debe encontrarse dentro de un rango determinado. La velocidad se encuentra acotada inferiormente de forma tal que no se produzca depósito de material; dicha velocidad mínima, de acuerdo a las recomendaciones habituales, es de 0,5 m/s (V. T. Chow, 1988). Por otro lado, la velocidad no puede ser mayor a la máxima velocidad admisible,

40

dependiendo del tipo de material que conforma el colector. Dichas velocidades máximas se indican en la Tabla 3-9.

Tabla 3-9: Velocidades máximas admisibles. Colector

Velocidad Maxima (m/s)

Tubo de cemento comprimido Tuberia PVC Tuberia polietileno

4 6 6

FUENTE: Código de Normas Especificaciones Técnicas de Obras de Pavimentación, MINVU, 2008.

El valor del coeficiente de rugosidad de Manning depende del tipo de material del que está conformado el colector. Estos valores se indican en la Tabla 3-10.

Tabla 3-10: Coeficientes de rugosidad de Manning para colectores. Colector Coeficiente de Manning Tubo de cemento comprimido 0,013 Tuberias de polietilieno 0,011 Tuberias de PVC 0,011 Tuberias de acero corrugado 0,025 FUENTE: V. T. Chow, 1988.

41

Adicionalmente MINVU (2008) recomienda que se tengan en consideración las siguientes recomendaciones para tubos de colectores de la red secundaria: Un diámetro mínimo de colectores, de 400mm. Que la velocidad máxima del escurrimiento no sobrepase 4 m/s para tuberías de mortero comprimido y los 6 m/s para tuberías de PVC o similares. Que la velocidad mínima del escurrimiento no sea inferior a 0,9m/s para las condiciones de diseño. Para ello, se adopta la pendiente de fondo correspondiente para los tubos. En el caso de tramos iniciales (antes de la primera cámara), no es aconsejable que la velocidad sea inferior a 0,6 m/s. Se pueden diseñar obras especiales y tramos en presión, como sifones invertidos, si el proyecto lo requiere. En este caso se recomienda tomar las medidas para evitar embanques y lograr una adecuada operación y conservación.

3.4.2.- CÁMARAS DE INSPECCIÓN. Las cámaras de inspección son estructuras que tienen como función la inspección y limpieza de la canalización. Las dimensiones de éstas son variables de acuerdo a la cota de las tuberías con respecto a la cota del nivel de la calzada, y van ubicadas dependiendo de la dimensión del ducto, ya que a un diámetro mayor del tubo corresponde un espaciamiento mayor. Su ubicación también depende de las situaciones siguientes que obligan el uso de ellas: Al cambiar el diámetro de las tuberías. Al haber cambio de pendiente de las cañerías. Al haber intersección de dos o más colectores. 42

En cañerías iniciales. Al haber cambio de dirección entre los tramos. Cuando hay una caída exterior. Al haber diferentes largos de tuberías (que depende del diámetro).

3.4.2.1.- TIPOS DE CÁMARAS DE INSPECCIÓN. El tipo de cámaras está normalizado atendiendo a razones de orden económicas y funcionales. Se identifican por una letra y número, siendo la letra el tipo de cámara y el número el tipo de radier. Los tres tipos de cámaras de inspección son: tipo a, tipo b y cámaras especiales o tipo c.

3.4.2.1.1.- CÁMARAS TIPO a. Solo se utiliza este tipo de cámaras cuando la altura “h” disponible desde el radier hasta el nivel de calzada, es igual o superior a los valores indicados en la siguiente tabla. En caso de no cumplirse dicho requisito se proyectan cámaras tipo “b”.

43

Tabla 3-11: Alturas cámaras tipo a. H (m) D (mm) Altura disponible Diámetro máximo sobre el radier de la canaleta 1,65 175 1,7 200 1,8 300 1,85 350 1,9 400 1,95 450 2 500

FUENTE: Código de Normas y Especificaciones Técnicas de Obras de Pavimentación, MINVU, 2008.

Las cámaras tipo “a” están compuestas de las siguientes partes: 1. Cuerpo, estructura de forma tubular, cuyas paredes tienen un espesor de 0,15 m, diámetro interior 1,30 m y exterior 1,60 m. La altura del cuerpo no deberá ser inferior a 0,60 m y la altura máxima 1,10 m. 2. Chimenea, estructura tubular cuya parte inferior empalma con la superior del cono. Sus paredes tienen un espesor de 0,15 m. Su diámetro interior es de 0,60 m y exterior 0,90 m. La altura h1 de la chimenea es variable. Así, cuando se tienen profundidades muy altas del radier, la chimenea más el cono podrán alcanzar un máximo de 2,60 m. La mayor profundidad de la cámara deberá ser absorbida por el cuerpo, aunque altura de este sea más de 1,10 m, con esto se evita tener que dar profundidad excesivas a los tramos finales de los colectores afluentes. La altura mínima de las chimeneas de las cámaras tipo deberá tender a 0,25m incluyendo el anillo de la tapa, ya sea para vereda como para calzada.

44

3. Cono, estructura cuya forma es de tronco de cono recto. El espesor de sus paredes es de 0,15 m, el diámetro interior basal es de 1,30 m. El diámetro interior superior es de 0,60 m. 4. Banqueta, se denomina así al piso de la cámara. Corresponde a la estructura que circunda a la canaleta o canaletas; nace desde el cuerpo en su parte inferior y baja con pendiente del 20% hasta el borde de la canaleta. 5. Canaletas, son conductos abiertos que permiten el paso del agua a través de la cámara, son por lo tanto la continuación de la tubería afluente, y entregan el caudal a las cañerías efluentes. La altura de la canaleta es igual al diámetro de la tubería a la cual va empalmada, y su forma es de canal circular hasta la mitad del diámetro, desde allí y hasta completar dicho diámetro las paredes son rectas. La pendiente de la canaleta debe permitir el escurrimiento del agua a través de ella. Ésta pendiente queda determinada por el desnivel entre el tubo de llegada y el de salida. 6. Escalines, su función es permitir el descenso hasta la banqueta, de modo que su forma y ubicación deben dar seguridad a la faena de inspección. Tienen forma de U y son de acero galvanizado. Se ubican en el lado recto de la cámara con una separación de 30 cm a partir de la calzada. La máxima altura del último escalín sobre la banqueta es de 50 cm. 7. Tapa, está constituida por: el anillo que va anclado a la chimenea y la tapa propiamente tal.

45

Figura 3-2. Cámara Tipo a.

FUENTE: Código de Normas y Especificaciones Técnicas de Obras de Pavimentación, MINVU, 2008.

46

3.4.2.1.2.- CÁMARAS TIPO b. La cámara tipo “b” se adopta cuando no se ajusta el uso de una cámara tipo “a”, de acuerdo a las alturas y diámetros considerados para ella. Se diferencia con las cámaras de tipo “a” en que no tiene cono ni chimenea; estos se reemplazan por una losa que lleva una malla en la parte inferior de 3/8" con 10 cm de separación entre fierros. En dicha losa va empotrado el anillo de la cámara.

Figura 3-3: Cámara Tipo b.

FUENTE: Código de Normas y Especificaciones Técnicas de Obras de Pavimentación, MINVU, 2008.

47

CAPITULO IV. MEMORIA DE CÁLCULO.

4.1.- GENERALIDADES. La presente memoria define y especifica el diseño para la modificación y construcción de un nuevo colector ubicado en pasaje Simpson en la ciudad de Valdivia, Región de Los Ríos. El nuevo colector evacuará las aguas lluvias provenientes del sector antes descrito como la cuenca aportante, la cual descarga al cauce Simpson. Este colector se conectará hacia la red primaria de colectores ubicados a un costado de la Avenida Simpson. El presente cálculo se efectuará utilizando los criterios de diseño indicados en la Guía de Diseño y Especificaciones de Elementos Urbanos de Infraestructura de Aguas Lluvias, MINVU (2005), Código de Normas y Especificaciones Técnicas de Obras de Pavimentación, MINVU (2008) y el Manual de Carreteras, Volúmen 3, (2001). 4.2.- ANTECEDENTES. Para

la

elaboración

del

proyecto

se

han

considerado

los

siguientes

antecedentes: •

Levantamiento Topográfico.

•

Mecánica de Suelos.

•

Mapas de isoyetas D.G.A

•

Plan Maestro de Evacuación y Drenaje de Aguas Lluvias de Valdivia.

•

Antecedentes obtenidos en visita a terreno.

48

4.3.- BASE DE CÁLCULO. 4.3.1.- TIPO DE OBRA. Las aguas lluvia que precipitan sobre la cuenca aportante del proyecto, escurren hacia los sumideros y son conducidas mediante los colectores existentes hacia el Cauce Simpson. Se contempla construir un muro de boca en el cauce a 80 metros del inicio de la descarga de los colectores, según lo especificado en el Manual de Carreteras, Volumen Nº 4, Planos de Obras Tipo, 2010, lámina 4.102.001, al cual se conectará un colector de 700 mm de diámetro cuyo trazado se efectuará en el pasaje Simpson y descargará finalmente a una cámara de inspección existente la cual conecta al colector principal unitario existente. El muro de boca, cámaras de inspección, sumideros y colectores, se ubican según lo indicado en planos del proyecto.

4.4.- MEMORIA DE CÁLCULO. La presente memoria especifica el cálculo y diseño del nuevo colector que se proyectará en el sector antes mencionado. Para ello se calcularán los caudales solicitantes al proyecto mediante la utilización del Método Racional, el cual es apropiado de utilizar en cuencas pequeñas, como son las áreas aportantes involucradas en el presente estudio.

(3-9)

En que: Q

: Caudal máximo, en m3/s

C

: Coeficiente de escorrentía. 49

A

: Área tributaria en Km2

I

: Intensidad media de la lluvia igual al tiempo de concentración en

mm/hr.

4.4.1.- ÁREAS APORTANTES. Para determinar las áreas aportantes se realizó la subdivisión de la cuenca de acuerdo a pendientes de calles y pasajes y a topografía del terreno. Esta se estima como la suma de las áreas impermeables que escurren hacia los sumideros. El detalle de subdivisión de las áreas se indica en la Figura 4-1. En la Tabla 4-1 se presenta el valor de cada una de estas áreas. La sumatoria total corresponde a 16,8 hectáreas.

50

Figura 4-1: Áreas aportantes.

FUENTE: Elaboración Propia.

51

Tabla 4-1: Áreas Aportantes.

FUENTE: Elaboración Propia.

52

4.4.2.- COEFICIENTE DE ESCORRENTÍA. El coeficiente de escorrentía expresa la cantidad de precipitación que escurre superficialmente por la superficie en estudio. Este coeficiente depende de las características

geomorfológicas

de

la

superficie,

topografía,

vegetación,

capacidad de almacenamiento, condiciones de infiltración, etc. A continuación se muestran los valores típicos de coeficientes de escorrentía para los tipos de suelo empleados en este caso.

Tabla 4-2: Coeficientes de Escorrentía Superficial. Tipo de Superficie Techos Zinc, latón Calles Hormigón Patios Baldosa, Hormigones Tierra sin cobertura Areas Verdes

Coeficiente 0,9 0,87 0,87 0,6 0,12

FUENTE: Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos, MINVU, 2005. Para determinar un coeficiente de escorrentía representativo del área aportante en estudio es necesario realizar un promedio ponderado del coeficiente de las distintas superficies mediante la siguiente expresión:

(4-1)

Utilizando

los

antecedentes

anteriores

se

obtienen

los

coeficientes

de

escorrentía ponderados para cada una de las áreas aportantes consideradas en el estudio. Este resultado se muestra en la siguiente tabla. 53

Tabla 4-3: Coeficientes de Escorrentía Ponderados para Cada Área Aportante. Areas

A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 A10 A11 A12 A13 A14 A15 A16 A17 A18 A19 A20 A21 A22 A23 A24 A25 A26 A27 A28 A29 A30 A31 A32 A33 A34 A35 A36 A37 A38 A39 A40

Techos Zinc, latón 0,9 0,004 0,032 0,075 0,027 0,008 0,023 0,039 0,136 0,041 0,063 0,045 0,039 0,086 0,071 0,066 0,059 0,080 0,041 0,057 0,056 0,050 0,065 0,030 0,045 0,056 0,032 0,115 0,029 0,029 0,064 0,055 0,051 0,043 0,041 0,035 0,022 0,125 0,108 0,052 0,026

Calles Patios Areas Verdes Ponderación Hormigón Baldosa, Hormigón Tierra sin cobertura 0,87 0,87 0,6 0,12 0,024 0,004 0,008 0,028 0,032 0,021 0,021 0,071 0,050 0,025 0,017 0,128 0,018 0,101 0,005 0,101 0,048 0,008 0,016 0,056 0,017 0,028 0,025 0,055 0,046 0,046 0,007 0,103 0,068 0,045 0,209 0,068 0,082 0,082 0,155 0,029 0,009 0,054 0,006 0,122 0,019 0,038 0,026 0,083 0,023 0,031 0,062 0,081 0,022 0,043 0,065 0,130 0,024 0,048 0,032 0,117 0,022 0,044 0,029 0,109 0,020 0,040 0,026 0,097 0,030 0,080 0,010 0,148 0,033 0,008 0,035 0,075 0,031 0,010 0,043 0,090 0,031 0,010 0,042 0,089 0,027 0,009 0,037 0,078 0,033 0,098 0,131 0,162 0,030 0,045 0,045 0,085 0,045 0,059 0,074 0,021 0,028 0,035 0,090 0,016 0,032 0,080 0,072 0,057 0,115 0,287 0,257 0,022 0,007 0,015 0,052 0,018 0,023 0,047 0,061 0,013 0,026 0,026 0,087 0,011 0,022 0,022 0,075 0,020 0,020 0,010 0,077 0,024 0,019 0,010 0,072 0,023 0,018 0,009 0,069 0,020 0,016 0,008 0,059 0,040 0,006 0,024 0,029 0,078 0,050 0,025 0,050 0,177 0,035 0,205 0,250 0,017 0,100 0,121 0,019 0,088 0,042 0,098

54

Continuación. Tabla 4-3: Coeficientes de Escorrentía Ponderados para Cada Área Aportante. Areas

A41 A42 A43 A44 A45 A46 A47 A48 A49 A50 A51 A52 A53 A54 A55 A56 A57 A58 A59 A60 A61 A62 A63 A64 A65 A66 A67 A69 A70 A71 A72 A73 A74 A75 A76 A77

Techos Zinc, latón 0,9 0,008 0,085 0,019 0,049 0,098 0,026 0,056 0,051 0,014 0,019 0,032 0,116 0,028 0,023 0,024 0,030 0,176

0,314 0,290 0,213 0,060 0,036 0,173 0,432 0,056 0,180 0,026 0,160 0,028 0,112

Calles Patios Areas Verdes Ponderación Hormigón Baldosa, Hormigón Tierra sin cobertura 0,87 0,87 0,6 0,12 0,066 0,008 0,066 0,034 0,051 0,112 0,035 0,005 0,021 0,025 0,068 0,049 0,033 0,010 0,107 0,044 0,036 0,148 0,037 0,017 0,007 0,067 0,028 0,028 0,011 0,093 0,021 0,009 0,094 0,013 0,130 0,043 0,086 0,049 0,051 0,101 0,060 0,025 0,005 0,017 0,028 0,069 0,044 0,012 0,037 0,023 0,178 0,015 0,007 0,068 0,018 0,087 0,012 0,006 0,029 0,043 0,059 0,017 0,039 0,007 0,061 0,028 0,023 0,009 0,066 0,025 0,025 0,025 0,198 0,113 0,113 0,111 0,129 0,129 0,189 0,251 0,251 0,251 0,188 0,892 0,083 0,041 0,338 0,061 0,030 0,248 0,046 0,028 0,097 0,042 0,097 0,048 0,055 0,018 0,073 0,100 0,102 0,079 0,315 0,118 0,517 0,108 0,486 0,054 0,781 0,047 0,225 0,141 0,244 0,135 0,113 0,023 0,351 0,035 0,092 0,069 0,152 0,026 0,096 0,160 0,013 0,226 0,369 0,086 0,475 0,028 0,140 0,084 0,143 0,067 0,149 0,037 0,253 0,020 0,018 0,019 0,059 0,065 0,155 0,109 ∑ 11,053

FUENTE: Elaboración propia.

55

Luego, el coeficiente de escorrentía se obtiene de la expresión (4-1).

C=

= 0,66

Por lo tanto el coeficiente de escorrentía utilizado es 0,66.

4.4.3.-ELECCIÓN DEL PERÍODO DE RETORNO. Dadas las características del proyecto en estudio, es posible su asociación, con respecto a la Tabla 4-4 a una obra de tipo “Drenaje de la Plataforma” y tipo de ruta “Carreteras”. De esta manera se desprende que el período de retorno de diseño y la vida útil supuesta adoptados para este estudio serán igual a 10 años para ambos conceptos.

Tabla 4-4: Períodos de Retorno para Diseño.

S= Sección útil de la alcantarilla.

FUENTE: Tabla 3.702.2.B - Manual de Carreteras Volumen Nº 3: Instrucciones y Criterios de Diseño, 2002.

56

4.4.4.- ANTECEDENTES PLUVIOMETRICOS DE LA ZONA EN ESTUDIO. 4.4.4.1.- PRECIPITACIÓN MÁXIMA DIARIA. De acuerdo a información incluida en MINVU (2005) y en mapas de lluvias máximas publicados por la Dirección General de Aguas, una de las estaciones meteorológicas cercanas y con series de datos más completas es Pichoy, en la cual se indica una precipitación máxima diaria, considerando un período de retorno de 10 años de:

4.4.5.-DETERMINACION DE CURVAS I-D-F. 4.4.5.1.- DURACIONES ENTRE 1 Y 24 HORAS. Las curvas de Intensidad-Duración-Frecuencia que caracterizan la zona de interés, para duraciones de 1 hora a 24 horas y períodos de retorno de 2, 5, 10, 20, 50 y 100 años, se derivan a partir de los antecedentes disponibles de acuerdo a las siguientes relaciones:

(3-6) (4-2)

Dónde: : Lluvia de duración t horas y período de retorno de T años, en mm. : Lluvia de 24 horas de duración y período de retorno de 10 años, obtenida de la Tabla 3-7 57

: Coeficiente de duración que transforma la lluvia de 24 horas de duración en otra de duración t, entre 1 hora y 24horas. : Coeficiente de frecuencia para T años de período de retorno. : Intensidad de la lluvia de duración t horas y período de retorno de T años, en mm/hr. En la Tabla 4-5 se muestran los coeficientes de duración adoptados para duraciones de lluvia entre 1 y 24 horas. Para duraciones de lluvia mayores a 24 horas se utiliza la relación de Grunsky que se presenta a continuación: Pt (T)=

(4-3)

: Lluvia máxima en 24 horas para un periodo de retorno T. t

: Tiempo de duración de la lluvia, mayor de 24 horas.

Tabla 4-5: Coeficiente de Duración, 1-24 horas. Ciudad Valdivia

1 0,16

2 0,23

Duración (hr) 4 6 8 0,34 0,46 0,54

10 0,61

12 0,67

14 0,73

18 0,86

24 1

FUENTE: Guía de Diseño “Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos”, 2005.

58

Tabla 4-6. Coeficiente de Frecuencia. Ciudad Valdivia

2 0,7

Períodos de retorno ( años) 5 10 20 50 0,89 1 1,11 1,24

100 1,34

FUENTE: Guía de diseño “Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos”, 2005.

Las curvas Precipitación– Duración– Frecuencia e Intensidad- DuraciónFrecuencia para duraciones de 1 hasta 24 horas se presentan en las Tablas 4-7 y 4-8 respectivamente. En el Gráfico 4-1 se presentan las curvas I-D-F para duraciones superiores a 1 hora.

Tabla 4-7: Curvas Precipitación- Duración- Frecuencia (mm), 1-24 horas. Período de retorno (años) 2 5 10 20 50 100

1 12,7 16,1 18,1 20,1 22,4 24,3

2 18,2 23,2 26 28,8 32,2 34,8

4 26,8 34,4 38,4 42,8 47,6 51,6

6 36,6 46,2 52,2 57,6 64,8 69,6

Duración (hr) 8 10 42,4 48 54,4 61 60,8 69 68 77 76 86 81,6 93

12 52,8 67,2 75,6 84 93,6 102

14 57,4 72,8 82,6 92,4 102,2 110,6

18 68,4 86,4 97,2 108 120,6 129,6

24 79,2 100,8 112,8 124,8 139,2 151,2

FUENTE: Elaboración Propia.

59

Tabla 4-8: Curvas Intensidad- Duración- Frecuencia (mm), 1-24horas. Período de retorno (años) 2 5 10 20 50 100

1 12,7 16,1 18,1 20,1 22,4 24,3

2 9,1 11,6 13 14,4 16,1 17,4

4 6,7 8,6 9,6 10,7 11,9 12,9

Duración (hr) 6 8 10 6,1 5,3 4,8 7,7 6,8 6,1 8,7 7,6 6,9 9,6 8,5 7,7 10,8 9,5 8,6 11,6 10,2 9,3

12 4,4 5,6 6,3 7 7,8 8,5

14 4,1 5,2 5,9 6,6 7,3 7,9

18 3,8 4,8 5,4 6 6,7 7,2

24 3,3 4,2 4,7 5,2 5,8 6,3

FUENTE: Elaboración Propia.

Gráfico 4-1. Curvas Intensidad- Duración- Frecuencia, Duración entre 1-24 horas.

FUENTE: Elaboración Propia.

60

4.4.5.2.- DURACIONES MENORES A 1 HORA Para duraciones menores a 1 hora se emplean los coeficientes de Bell. Estos coeficientes de duración y frecuencia cumplen las siguientes relaciones, válidas para duraciones entre 5 minutos y dos horas y para periodos de retorno entre 2 y 100 años. CFT= 0,21 LN(T)+0,52

(4-4)

Donde T es el periodo de retorno en años. Notar que para T=10 se obtiene CF=1,00. Además el coeficiente de duración, CD, en relación a la lluvia de una hora de duración (60 minutos), está dado por: CDt= 0,54t0,25- 0,5

(4-5)

Entonces la precipitación de duración t, entre 5 y 120 minutos, y período de retorno T, entre 2 y 100 años, se puede estimar en base a la precipitación de una hora y 10 años de período de retorno, como: PtT= (0,21 Ln (T)+0,52)( 0,54t0,25 - 0,5)P6010

(3-7)

Dónde: PtT

: Lluvia en mm de duración t minutos y T años de período de retorno.

P6010

:

T

: Período de retorno en años.

t

: Duración de la lluvia en minutos.

Precipitación de una hora y 10 años de período de retorno en mm.

61

El uso de la expresión anterior se recomienda para obtener estimaciones de las curvas I-D-F para duraciones menores a una hora, cuando no se cuente con datos pluviograficos en el sitio de interés que permitan desarrollar una familia de curvas I-D-F en el lugar, siendo este el caso presentado en este estudio. La ecuación para el Coeficiente de Duración corresponde al mismo en relación a la precipitación de 1 hora, cuyos valores numéricos se indican en la Tabla 4-9.

Tabla 4-9. Coeficientes de Duración, 5-60 minutos. 5 0,31

10 0,46

15 0,56

Duración (min) 25 30 35 40 0,7 0,76 0,81 0,86

20 0,64

45 0,9

50 0,94

55 0,97

60 1

FUENTE: Guía de Diseño “Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos, 2005.

Por

último,

las

curvas

Precipitación-Duración-Frecuencia

e

Intensidad

Duración-Frecuencia (calculada según ecuación presentada anteriormente) para duraciones de 5 minutos hasta 60 minutos se presentan en la Tabla 4-10 y en la Tabla 4-11 respectivamente.

Tabla 4-10: Curvas Precipitación- Duración- Frecuencia (mm), 5-60 minutos. Período de Retorno (años) 2 5 10 20 50 100

5 10 15 3,70 5,54 6,78 4,78 7,15 8,74 5,59 8,36 10,22 6,40 9,57 11,70 7,47 11,18 13,66 8,28 12,39 15,15

20 7,73 9,97 11,66 13,35 15,59 17,28

23 8,22 10,60 12,40 14,20 16,57 18,37

25 8,52 10,99 12,85 14,71 17,18 19,04

Duración (min) 30 35 9,20 9,80 11,86 12,63 13,87 14,78 15,89 16,92 18,55 19,75 20,56 21,89

36 9,91 12,78 14,94 17,11 19,98 22,14

40 10,34 13,32 15,59 17,85 20,83 23,09

45 10,83 13,95 16,32 18,69 21,82 24,19

50 11,27 14,53 17,00 19,47 22,73 25,19

55 11,69 15,07 17,63 20,19 23,57 26,12

60 12,08 15,57 18,22 20,86 24,35 26,99

FUENTE: Elaboración Propia.

62

Tabla 4-11: Curvas Intensidad- Duración- Frecuencia (mm), 5-60 minutos. Período de Retorno (años) 2 5 10 20 50 100

5 44,45 57,30 67,02 76,74 89,60 99,32

10 33,27 42,89 50,16 57,44 67,06 74,33

15 27,12 34,95 40,88 46,82 54,65 60,58

20 23,20 29,91 34,98 40,06 46,76 51,84

23 21,45 27,65 32,34 37,03 43,24 47,93

Duración (min) 25 30 35 20,45 18,40 16,80 26,37 23,72 21,66 30,84 27,75 25,33 35,32 31,77 29,00 41,23 37,09 33,86 45,70 41,12 37,53

36 16,52 21,29 24,91 28,52 33,30 36,91

40 15,50 19,99 23,38 26,77 31,25 34,64

45 14,43 18,61 21,76 24,92 29,09 32,25

50 13,53 17,44 20,40 23,36 27,27 30,23

55 12,75 16,44 19,23 22,02 25,71 28,50

60 12,08 15,57 18,22 20,86 24,35 26,99

FUENTE: Elaboración Propia.

4.4.6.- TIEMPO DE CONCENTRACIÓN. Para este caso, en el cual la zona de estudio se encuentra completamente urbanizada, se usará la fórmula de Morgali y Linsley para cuencas ya urbanizadas según lo propuesto en el Manual de Técnicas Alternativas para Solución de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos, MINVU (2005). La utilización de esta fórmula implica la determinación de la longitud y pendiente de la superficie por la cual escurre el agua. Para ello se realizó la topografía de cada una de las calles por la cual se produce el escurrimiento. El tiempo de concentración de la cuenca en estudio se obtuvo analizando todos los tiempos de escurrimientos superficiales que aportan a la salida de la cuenca. Tc

(3-5)

63

Siendo: Tc

: Tiempo de concentración, en minutos.

L

: Longitud del escurrimiento superficial, en metros.

I

: Intensidad de la lluvia, en mm/hr. En este caso corresponde al valor

P6010. S

: Pendiente, en metros por metro.

n

: Coeficiente de rugosidad de Manning. Tabla 3-2.

En la Tabla 4-12 se presentan los resultados obtenidos de Morgali y Linsley, en donde se adoptó el recorrido del flujo superficial como la intercepción de los sumideros que aportan a la salida de la cuenca.

Figura 4-2: Disposición de sumideros existentes.

FUENTE: Elaboración Propia.

64

Tabla 4-12: Tiempo de concentración de la cuenca. (Morgali y Linsley). Sub- cuenca Sumidero S08-Errazuriz Errazuriz- Sumidero S06 Simpsón -Sumidero S06 Simpson -Sumidero S03 Sumidero S10- Sumidero S03 Sumidero S02-Sumidero S03 Calle Dos- Sumidero S01 Koening-Sumidero S04

L (m) 115 250 170 115 148 110 140 60

n 0,015 0,015 0,015 0,015 0,015 0,015 0,015 0,015

i (mm/hr) S (m/m) 18,1 0,0054 18,1 0,006 18,1 0,006 18,1 0,015 18,1 0,0049 18,1 0,002 18,1 0,0108 18,1 0,0083

Tc 14,60 22,54 17,89 10,75 17,49 19,15 13,35 8,69

FUENTE: Elaboración Propia.

Finalmente, se adopta un valor del tiempo de concentración aproximado de 23 minutos.

4.4.7.-INTENSIDAD DE LA LLUVIA DE DISEÑO. La intensidad de la lluvia de diseño se calculará en base al tiempo de concentración de la cuenca y la precipitación de la zona. I=

*(

)

(4-6)

Dónde: I

: Intensidad de la lluvia de diseño en mm/hr. : Precipitación en mm, de duración 23 minutos (igual al tiempo de

concentración) y 10 años de periodo de retorno. Tc

: Tiempo de concentración en minutos.

65

Reemplazando los valores obtenidos en tablas anteriores en la expresión precedente se tiene: =12,4 mm (obtenido de Tabla 4-10). Tc

=23 minutos (obtenido de Tabla 4-12).

I

= 12,4*(60/23)

I

= 32,3 mm/hr.

4.4.8.- CAUDAL SOLICITANTE DE AGUAS LLUVIAS. Luego de haber obtenido los valores del coeficiente de escorrentía, intensidad de la lluvia de diseño y el área aportante, se puede determinar el caudal máximo solicitante de aguas lluvias empleando la formula racional.

Q

(3-9)

Dónde: Q

: Caudal solicitante de aguas lluvias, en m3/s.

C

: Coeficiente de escorrentía = 0,66

I

: Intensidad de la lluvia = 32,3 mm/hr.

A

: Área aportante = 0,167 km2

Luego el caudal de diseño de aguas lluvias es: Q= (0,66*32,3*0,167)/3,6 Q= 0,99 m3/s 66

4.4.9.- CÁLCULO DEL CAUDAL DEL CANAL. Para obtener el caudal final de diseño, se debe incorporar a los cálculos el caudal que aporta el canal Simpson. Para la obtención de este caudal, se realizaron secciones de aforo más la topografía del canal. Este canal posee una sección rectangular, una longitud aproximada de 220 metros, un ancho entre 0,8 a 1m y una buena mantención, que le permite un escurrimiento libre de obstrucciones. El cálculo del caudal se realizará utilizando la fórmula racional.

4.4.9.1.- AREA APORTANTE AL CANAL. El área que aporta agua al canal es la señalada en la figura 4-3, determinada según las pendientes de escurrimiento del sector. En la tabla 4- 13 se indica el valor de cada área y el total de estas.

Figura 4-3. Áreas aportantes al canal.

FUENTE: Elaboración propia.

67

Tabla 4-13: Áreas aportantes al canal. Areas A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 TOTAL

m2 793,8 703,5 558,6 662,3 838,4 729 4277,4 8563,0

FUENTE: Elaboración propia.

Por lo tanto el área aportante considerada en el cálculo del caudal del canal es 0,00856 km2.

4.4.9.2.- COEFICIENTE DE ESCORRENTÍA. El coeficiente de escorrentía asociado al área aportante al canal determinada en el párrafo anterior, se obtiene de la misma forma en que se calculó el coeficiente de la cuenca de aguas arriba midiendo los distintos tipos de superficies existentes, a los

cuales se les

aplico los coeficientes de escorrentía

recomendados en tabla 3-8, utilizando la expresión siguiente:

C

(4-1)

En Tabla 4-14 se indica la ponderación asociada a cada área aportante según los tipos de superficie.

68

Tabla 4-14: Coeficiente de escorrentía. Areas A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7

Techos Zinc- Latón 0,9 277,83 562,8 223,44 463,638 586,845 364,5 427,73775

Patios Areas Verdes Tierra sin cobertura Ponderación 0,6 0,12 515,97 312,0 140,7 590,9 397,404 248,8 132,468 66,234 504,7 167,67 83,835 638,8 218,7 145,8 476,8 3849,63975 846,9 ∑ 3618,9

FUENTE: Elaboración propia.

C=3618,9/8563 C= 0,42 Por consiguiente, para el cálculo del caudal del canal, se obtiene un coeficiente de escorrentía de 0,42.

4.4.9.3.- TIEMPO DE CONCENTRACIÓN. Para

el

cálculo

del

tiempo

de

concentración

del

área

determinada

anteriormente, se utilizó la fórmula de Morgali y Linsley, en la cual se selecciona un coeficiente de rugosidad de Manning de 0,05 según Tabla 3-2 el cual corresponde a un escurrimiento en superficies con vegetación, la longitud L, corresponde a la longitud total del cauce la cual es 220m, la pendiente S del escurrimiento es 1,1% y la intensidad de la precipitación es la misma que se utilizó en el cálculo del tiempo de la cuenca de aguas arriba la cual es 18,1 (mm/hr). 69

Reemplazando los valores obtenidos en la siguiente expresión de Morgali y Linsley: Tc

(3-5)

Tc= (7*220^0,6*0,05^0,6)/ (18,1^0,4*0,011^0,3) Tc= 36 min. Se obtiene un tiempo de concentración de 36 minutos.

4.4.9.4.- INTENSIDAD DE LA LLUVIA DE DISEÑO. . La intensidad de la lluvia de diseño se calculará en base al tiempo de concentración de la cuenca y la precipitación de la zona. I=

*(

)

(4-7)

Dónde: I

: Intensidad de la lluvia de diseño en mm/hr. : Precipitación en mm, de duración 36 minutos (igual al tiempo de

concentración) y 10 años de período de retorno. Tc

: Tiempo de concentración en minutos.

70

Reemplazando los valores obtenidos de tablas anteriores en la expresión precedente se tiene: =14.94 mm (obtenido de Tabla 4-10). Tc

=36 minutos.

I

= 14.94*(60/36)

I

= 24.91 (mm/hr)

4.4.9.5. - CAUDAL SOLICITANTE DEL CANAL. Como se mencionó anteriormente, el caudal que transporta el canal se calculará utilizando la formula racional. Q

(3-9)

Reemplazando los valores obtenidos anteriormente: C=

0,42

A=

0,00856 km2

I=

24,91 (mm/hr)

Q=

(0,42* 24,91*0,00856)/3,6

Q=

0,025 (m3/s)

Por lo tanto, del cálculo anterior, se obtiene un caudal para el canal de 0,025 m3/s.

71

4.4.10.- CAUDAL FINAL DE DISEÑO. Luego de haber calculado los caudales de aguas lluvias y del canal, se puede dimensionar la red de colectores. Este caudal de diseño es la suma de ambos caudales obtenidos anteriormente. QD= Qaguas lluvias+ Qcanal QD= 0,99+ 0,025 QD= 1,015 (m3/s) Finalmente, se obtiene un caudal de diseño para la red de colectores de 1,015 m3/s.

4.4.11.- DISEÑO DE LA RED DE COLECTORES. Para el cálculo de la capacidad hidráulica de los colectores se considera la teoría de escurrimiento gravitacional en conductos cerrados planteada por Chezy– Manning, cuyas expresiones de cálculo son las siguientes para secciones de tuberías parcialmente llenas. (Franco, 2001).

Figura 4-4: Sección parcialmente llena.

FUENTE: Elaboración propia. 72

Ángulo central θº (en grados sexagesimal) se obtiene de la siguiente expresión. (4-8)

Radio hidráulico (R) se expresa como: R=

(4-9)

Sustituyendo el valor de (R), la fórmula de Manning para tuberías con sección parcialmente llena es: (4-10)

En función del caudal: (4-11)

Dónde: V= Velocidad media del flujo, en [m/s]. Q= Caudal, en [m3/s]. S= Pendiente de fondo del tubo, en [m/m]. D= Diámetro interior del tubo, en [m]. n= Coeficiente de rugosidad de Manning, según la Tabla 3-10.

73

Para asegurar la estabilidad del flujo frente a cambios de sección y debido a la eventual presencia de obstrucciones en el ducto, la tubería se dimensionó de modo que la razón entre la altura de escurrimiento y el diámetro de ésta sea menor o igual a 0,80 (h/D

Qsolicitante=

1,015 m3/s

Por lo tanto, la solución planteada satisface el porteo de las aguas lluvias para la condición más crítica.

76

4.4.13.- VERIFICACIÓN DE LA VELOCIDAD. De acuerdo a lo indicado en Código de Normas y Especificaciones Técnicas de Obras de Pavimentación del MINVU (2008), se debe verificar que la velocidad media del escurrimiento sea inferior a 4m/s en tubos de mortero de cemento comprimido. En este caso se tiene: D= 0,7 m n= 0,013 θ= 253,7º s=0,017= 1,7%

V= 3,57 m/s V= 3,57 m/s < Vmax= 4m/s

Por lo tanto la velocidad media del flujo para la condición de mayor pendiente en

las

tuberías

y

relación

h/D=

0.8

es

menor

a

4m/s

77

Como se puede apreciar en la Tabla 4-15, en donde se entregan los resultados obtenidos de evaluar las condiciones de escurrimiento para el caudal antes calculado, el colector tiene capacidad de porteo suficiente cumpliendo con las condiciones de diseño antes mencionadas.

Tabla 4-15: Resumen diseño colectores. Tubería 1 2 3 4

Cota inicial final 4,32 3,92 3,9 2,69 2,67 2,32 2,3 2,18

Longitud Diametro (m) (m) 28,8 0,7 80,3 0,7 23,6 0,7 7 0,7

n 0,013 0,013 0,013 0,013

Pendiente Caudal % (m3/s) 1,4 1,015 1,5 1,015 1,5 1,015 1,7 1,015

Altura h (m) 0,532 0,517 0,517 0,492

h/D 0,760 0,739 0,739 0,703

Velocidad (m/s) 3,234 3,334 3,334 3,518

Situación Cumple: Altura de agua y velocidad Cumple: Altura de agua y velocidad Cumple: Altura de agua y velocidad Cumple: Altura de agua y velocidad

FUENTE: Elaboración Propia.

Tabla 4-16: Cuadro de cámaras. Cámara Nº 1 2 3 Existente

Tipo a a a especial

Radier 17 1 2 2

Diámetro (mm) canaleta cámara 700 1800 700 1800 700 1800 700 1800

Altura (m) 1,97 2,43 2,42 2,06

Radier 3,40 2,17 1,8 2,16

FUENTE: Elaboración Propia.

78

Cotas Entrada 3,92 2,69 2,32 2,18

Salida 3,9 2,67 2,3 2,16

Tipo tapa calzada 1 1 1 1

Nº Escalines 2 4 4 3

4.4.14.- MURO DE BOCA PARA LOS TUBOS DE CEMENTO COMPRIMIDO. Para el muro de boca que se encuentra ubicado en el extremo inicial de los tubos de cemento comprimido, el Manual de Carreteras, Vol. 4 (2001) propone utilizar muros de hormigón o mampostería, de espesor variable tal como se especifica en la figura 4-5. Para este proyecto se considerará muros de hormigón,

cuyas

especificaciones

constructivas

se

indican

en

las

especificaciones técnicas especiales de aguas lluvias. Las dimensiones se indican a continuación.

Figura 4-5: Muro de boca para tubos de hormigón simple.

FUENTE: Manual de Carreteras, Volúmen 4, Planos Tipos, 2001.

79

Las dimensiones del muro son las siguientes: L1=

235 cm.

L2=

212 cm.

H=

167 cm.

B=

85 cm.

e=

7,0 cm.

80

CAPÍTULO V.- PLANOS.

81

PERFIL LONGITUDINAL S/E

82

83

PLANTA DE AGUAS LLUVIAS s/e.

84

85

CAPÍTULO VI. CONCLUSIONES. Del proyecto realizado en este estudio se puede concluir lo siguiente: El problema de la inundación que provoca el canal Simpson, debido al aumento de las aguas lluvias, es consecuencia de la actividad urbanizadora, la cual en el transcurso del tiempo ha modificado la red hidrográfica original, afectando directamente la capacidad de desagüe del canal. Una de las soluciones para evitar el problema expuesto, es al momento de realizarse la urbanización, incluir sistemas que recuperen la infiltración y retención natural de los sectores. Sin embargo, en cuencas ya urbanizadas, como es el caso de la ciudad de Valdivia, normalmente la única solución para resolver los problemas de drenaje en ciudades con alta densidad de población, es el incremento de la capacidad hidráulica de drenaje de la red de colectores. Debido a que las soluciones de drenaje mencionadas por el Plan Maestro de Evacuación y Drenaje de Aguas Lluvias de la ciudad de Valdivia son de carácter normativo, en la modificación y diseño del colector del proyecto, se consideró las restricciones impuestas por éste. El diseño del colector quedo condicionado por la conexión a la cámara de inspección existente, la cual conecta al colector unitario de 800 mm de diámetro contemplado en el Plan Maestro. La solución que se planteó en este proyecto, una red de tuberías de cemento comprimido C.C.C. de diámetro 700 mm, de acuerdo a los antecedentes hidrológicos y cálculos efectuados, en donde se incluyen las restricciones que la razón entre la altura de escurrimiento y el diámetro de la tubería sea menor o igual a 0,80 (h/D