ACUECTOS Y ALCANTARILLADOS

UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER

ACUECTOS Y ALCANTARILLADOSPROYECTO ALCANTARILLADO PLUVIAL

Presentado por:

German Camilo Parra BallesterosCdigo: 2101865

Presentado a:MsC. Edgar Ricardo Oviedo Ocaa

INDICE

INTRODUCCIN2CONSIDERACIONES DE DISEOConsideraciones de diseo pertinentes segn grupo de trabajo4Requerimientos de diseo especificadas por el profesor4Requerimientos de diseo establecidos en RAS - 2000 Ttulo D5DISEO TIPOCaudal de diseo6Diseo de los colectores7TABLA DE CLCULOCaudal de diseo16Diseo de los colectores16PLANO Y PERFILES18CONSIDERACIONES FINALES21

INTRODUCCIN

Un sistema de alcantarillado pluvial es aquel que contiene tuberas, sumideros e instalaciones que permiten el desalojo de aguas lluvias con la finalidad de evitar inundaciones que se puedan presentar en la zona tales como la del caso de estudio, este tipo de alcantarillados se implementa en zonas con altas precipitaciones y superficies pocos permeables.La principal funcin y objetivo es la conduccin de aguas hasta sitio donde no provoquen dao, este tipo de red est constituido por conductos, instalaciones para la operacin, mantenimiento y reparacin, de esta manera se impide la generacin y propagacin de enfermedades relacionadas con aguas contaminadas. Un sistema de alcantarillado est compuesto de los siguientes partes:1) Estructuras de captacin: Las cuales recolectan las aguas a transportar.

2) Estructuras de conduccin: La cuales transportan aguas recolectadas por las estructuras de captacin hacia el sitio de tratamiento o vertido.

3) Estructuras de conexin y mantenimiento: Los cuales facilitan la conexin y mantenimiento de los conductos que forman la red de alcantarillado, pues adems de permitir la conexin de varias tuberas, incluso de diferentes dimetro o material.

4) Estructuras de vertido: Estructuras terminales que protegen y mantienen libre de obstculos la descarga final del sistema de alcantarillado

5) Instalaciones complementarias: Las cuales estn las plantas de bombeo, plantas de tratamiento, estructuras de cruce, vasos de regulacin y de detencin, disipadores de energa, etc.

6) Disposicin Final: Su importancia radica en que si no se define con anterioridad a la construccin del proyecto destino de las agua a tratar, entonces se pueden provocar graves daos al medio ambiente e incluso a la poblacin servida.

CONSIDERACIONES DE DISEO

Para el caso de estudio dado, se tuvo en cuenta las consideraciones de diseo especificadas por el profesor, las establecidas en el Reglamento tcnico del sector de agua potable y saneamiento bsico RAS 2000 Titulo D, y las consideraciones que el grupo de trabajo asumi pertinentes para el correcto funcionamiento de la red de alcantarillado de aguas residuales, y ms especficamente de sus colectores. Requerimientos de diseo especificadas por el profesor Tiempo de retorno de 5 aos El clculo de la intensidad se har con la siguiente ecuacin: C = 0.5 Dimetro mnimo de 10 pulgadas Ymax = D Velocidad mnima: 0.75 m/s Velocidad mxima: 5 m/s Coeficiente de rugosidad n = 0.013 Profundidad mnima a clave: 1 mConsideraciones de diseo pertinentes segn grupo de trabajo Se supone que el material con el cual estarn construidos los colectores es concreto, por eso n = 0.013 Se trabajara con un solo tipo de flujo toda la red. Para el caso de flujo subcritico, solo se aceptaran valores de Numero de Froude menores o iguales a cero punto nueve (Fr 0.9). En caso de trabajar con flujo supercrtico, solo se aceptaran valores de Numero de Froude mayores o iguales a uno punto uno (Fr 1.1). Los valores de Nmero de Froude anteriormente dados, tienen como finalidad evitar que el flujo se comporte de manera crtica o cuasicritica. Para tramos iniciales la profundidad mnima a clave se asume como 0.8 m. El valor mximo de cada dentro de un pozo ser de 0.75 m. Se asumi la direccin del flujo desde las cotas superiores hacia las inferiores. Adems se asumi los pozos 1 y 3 como iniciales, dado a que ambos tienen un valor de tiempo de concentracin dado.

Requerimientos de diseo establecidos en RAS 2000 Titulo D La pendiente mnima y mxima sern las que cumplan con las condiciones de velocidad mnima y mxima. Profundidad mxima a clave: 5 m. Si se llega a sobrepasar este valor, se debe garantizar los requerimientos geotcnicos de la cimentacin y requerimientos estructurales de los materiales y colectores, durante y despus de su construccin, especificados en RAS 2000 Titulo G. Fuerza tractiva mnima: 3 N/m2.

DISEO TIPO

Para el diseo tipo del caso de estudio, se presentaran los clculos hechos y el paso a paso que se utiliz para disear el primer colector, el cual va desde el pozo 1 hasta el pozo 2. El diseo se divide en dos partes, primero se determina el caudal de diseo segn caudal de aguas lluvia segn el mtodo racional.En la segunda parte se realizara el diseo, de forma parecida al diseo de un alcantarillado sanitario, utilizando la ecuacin de manning, y cumpliendo las consideraciones de diseo anteriormente dadas.Caudal de diseoEn la informacin proporcionada para el diseo, se tiene el rea, en hectreas, de la zona que servir cada colector, y de la longitud que tendr cada uno. Para el caso del colector que va de 1 hasta 2 se tiene:

Tambin, de las consideraciones de diseo, tenemos que el coeficiente de escorrenta para cada tramo, el cual el mismo valor para todos los colectores.

Posteriormente se debe suponer un valor de velocidad dentro de la tubera, por lo cual para este caso se escogi el valor de 1 m/s.

Con todos estos datos, el primer paso es calcular el rea acumulada para cada colector, en este caso, al tratarse de un tramo inicial, el rea acumulada es igual al rea del colector.

Es necesario calcular un coeficiente de escorrenta promedio, dado que para los colectores no iniciales, el valor de C se ve afectado por lo de aguas arriba. Para el clculo de dicho coeficiente de escorrenta nuevo, se utiliza la siguiente formula:

Para el caso de primero colectores, se mantiene el mismo valor de coeficiente de escorrenta. Como el coeficiente de escorrenta es el mismo para todos los tramos, por lo tanto el valor del coeficiente de escorrenta promedio para todos los tramos seguir siendo de 0.5

Por otro lado, utilizando el tiempo de concentracin dado en los tramos iniciales, se puede calcular el tiempo de concentracin real de cada tramo.

Para el caso del tramo que va desde el pozo 1 hasta el 2, para calcular el tiempo de concentracin total, se suma el tiempo de concentracin, ms el tiempo que demora el flujo en recorrer todo el tramo, usando la velocidad supuesta anteriormente.

Por lo tanto, para el tramo del clculo tipo tenemos:

Para tramos que no son iniciales, el tiempo de concentracin inicial es el tiempo de concentracin total del tramo aguas arriba.

Teniendo el tiempo de concentracin de cada tramo, se procede a calcular la intensidad.

Finalmente, para obtener el caudal de diseo, se aplica la frmula del mtodo racional.

Donde el coeficiente de escorrenta es el promedio calculado, y el rea es acumulada.

Se realiza el mismo procedimiento para los dems colectores.

Diseo de los colectores

Para el diseo de la red, se parte con la premisa de que se debe suponer una pendiente, y variarla hasta que se cumplan todos los requisitos y consideraciones de diseo, tratando de obtener el diseo ms ptimo en trminos de costos.

Con lo anteriormente dicho, en el diseo de la red se buscara realizar la menor cantidad de excavaciones variando tanto la pendiente como el dimetro, ya que en trminos de costos, es mejor comprar tuberas de un dimetro mayor, a realizar excavaciones muy profundas.

Al comenzar el diseo se supuso una pendiente de 2%, y luego de numerosas iteraciones con el fin de que la red trabaje con el mismo tipo de flujo y se cumplan todas las condiciones de diseo, se obtuvo el siguiente valor de pendiente.

Con el valor del caudal y la pendiente, y utilizando la ecuacin de manning, se puede despejar el dimetro necesario para dichas condiciones.

Es necesario aproximar el valor del dimetro a uno comercial, por lo tanto se convierte el valor obtenido a pulgadas.

Y aproximando a un dimetro comercial, y teniendo en cuenta que no se pueden usar valores de dimetro menor a 10, se tiene que:

Como se va a trabajar con cotas a clave, es necesario conocer el dimetro interno de la tubera, teniendo en cuenta que se supuso el material de la tubera de concreto, se us la siguiente tabla para determinar el valor del dimetro interno.

De la grfica se concluye que:

Con el valor del dimetro comercial a usar, y conociendo la pendiente, se procede a hallar el caudal a tubo lleno de la tubera, utilizando la frmula de manning nuevamente.

Con el caudal a flujo lleno, se puede calcular la velocidad a flujo lleno de la siguiente manera:

Se calcularon los valores a flujo lleno de caudal y velocidad, con el fin de usar las relaciones hidrulicas para simplificar clculos de propiedades hidrulicas de la seccin. Por lo tanto utilizando el valor de Q/Qo y la tabla mostrada a continuacin, se calcula la relacin V/Vo, Y/D y Dh/D.

De la tabla se obtienen las siguientes relaciones:

Donde:

V: VelocidadY: Tirante hidrulicoDH: Profundidad hidrulicaD: Dimetro

En este punto se debe verificar que la relacin no supere el valor de 1.

Teniendo las relaciones hidrulicas, podemos proceder a hallar las propiedades hidrulicas y con estas, valores que regirn nuestro diseo.

En primera instancia calcularemos la velocidad real del tramo, uno de los valores que rige nuestro diseo, y con ella se calculara la cabeza de velocidad.

Se comprueba que la velocidad est dentro de los rangos permitidos segn consideraciones de diseo.

Posteriormente se calcula el radio hidrulico de la seccin, como la tabla de relaciones hidrulicas usadas no tena la relacin de radio hidrulico, es necesario calcularlo con las frmulas de propiedades hidrulicas para una seccin circular.

Reemplazando en las formulas correspondientes, se obtiene el valor del radio hidrulico, por lo tanto, para el primer colector se tiene:

Y conociendo el radio hidrulico, se puede determinar el valor de la fuerza tractiva o esfuerzo cortante.

Se comprueba que el valor de fuerza tractiva es mayor al valor mnimo establecido en las consideraciones. Este valor es importante porque el esfuerzo cortante es el que realiza el arrastre de slidos.

Para el diseo de alcantarillados pluviales, tambin es necesario chequear que el esfuerzo cortante es mayor a 1.5 N/m2 cuando se trabaja con el 10% de capacidad de la tubera, como se indica en el RAS 2000 Titulo D.

Por lo tanto, se calcula el valor del esfuerzo cortante para dichas condiciones.

Con la relacin hidrulica del radio hidrulico para el 10% de la capacidad de la tubera, se determina el valor del radio hidrulico, teniendo en cuenta que el Ro es igual a un cuarto del dimetro.

El valor del tirante hidrulico se usa para calcular la energa total del sistema.

Finalmente, se calcula la profundidad hidrulica de la seccin, que servir para hallar el nmero de Froude, y saber en qu flujo se est trabajando.

Con el clculo del nmero de Froude, se comprueba que todos los colectores trabajen en el mismo tipo de flujo, adems de que se verifica que las condiciones de diseo cumplen.

Es necesario calcular las prdidas generadas por el cambio de pendiente, dimetro (transicin) y por curvaturas, ya que esto afecta a la lnea de energa.

Dichas perdidas se generan en cada pozo donde hay por lo menos una entrada y una salida de colectores. En este clculo tipo se har el clculo de las perdidas en el pozo 2, suponiendo que conocemos el valor de la velocidad y de la cabeza de velocidad del colector que va de 2 a 4, realizando el mimo procedimiento hechos hasta ahora en el colector que va de 1 a 2.

El valor de k se determina con las velocidades de entrada y salida, relacionando si hubo un aumento o una disminucin.

Velocidadk

Aumento0.1

Disminucin0.2

Para el caso del pozo dos, analizando los colectores 1 2 y 2 4, hubo un aumento de la velocidad, y por lo tanto se usa un k = 0.1.

Para el caso del pozo 2, analizando los colectores 1 2 y 2 4, no hay prdidas por curvatura, ya que no se presenta un cambio en la direccin de la tubera. En caso de que haya prdidas por curvatura es necesario emplear las siguientes tablas para determinar el radio del pozo (Rc), y las respectivas perdidas.

Donde k se obtiene de la tabla 14.4 con el valor de Rc/D, y el promedio de las cabezas de velocidad de los tramos en anlisis.

Finalmente se calculan las prdidas totales, sumando las perdidas por transicin y curvatura.

Con todos los clculos anteriormente realizados, se procede a hacer el clculo de las cotas, el cual sera el diseo final, ya que nos dir a cuales profundidades estar cada conductor.

La profundidad mnima para cota clave es de 0.8 m, para el caso del pozo 1, se tomara la profundidad de 3.4 m, dado que la pendiente del terreno es muy fuerte, y con bajas profundidades iniciales, la profundidad mnima de excavacin a cota clave no se cumplira en algunos puntos. Para la cota rasante del pozo 2, se usara la pendiente para determinarla.

La cota batea se calcula restndole a la cota clave, el dimetro interno de la tubera.

La cota lamina se calcula desde la cota batea, sumndole el valor de tirante hidrulico.

La cota de energa se obtiene tambin desde la cota batea, sumndole el valor de la energa total E.

Finalmente se resta la cota rasante con la clave para tener el valor de excavacin o profundidad a clave, y compararla con los valores mximos y mnimos exigidos en las consideraciones de diseo.

Es importante resaltar que el clculo de cotas mostrado para el colector 1 2, solo es vlido para colectores iniciales. Si se desea hacer el clculo de los dems colectores, se debe iniciar desde la cota de energa, haciendo un empate por lnea de energa por cota menor.

Teniendo la cota de energa para los tramos no iniciales, se despeja de la formulas mostradas anteriormente, hasta llegar a la cota clave de cada colector.

TABLA DE CLCULO

Caudal de diseo

SECTORNODOAREA [Ha]L [m]CV [m/s]AREA ACUMULADA [Ha]C*AC promTc inicial [min]Tv [min]Tc [min]I [L/s*Ha]Q diseo [L/s]

DEHASTA

1121.9900.511.90.950.5121.5013.50240.75228.72

2320.5800.510.50.250.561.337.33283.5570.89

3240.8850.513.20.40.513.501.4214.92233.03372.86

4450.03500.513.230.0150.514.920.8315.75228.77369.46

Diseo de los colectores

SECTORNODOQ diseo [m3/s]L [m]SDimetroD comercialQo [m3/s]Vo [m/s]Q/QoV/VoY/DDh/D

DEHASTA[m][in]Nominal [in]Interno [m]

1120.229900.0090.42316.65180.4500.271.700.851.010.7890.815

2320.071800.0060.29011.41120.3000.081.100.911.0270.8340.94

3240.373850.0080.51920.45220.5500.431.830.861.0130.7960.833

4450.369500.0080.51520.26220.5500.441.860.841.0070.7820.798

SECTORNODOV [m/s]V^2/2g [m]R [m] [N/m^2] (10%) [N/m^2]Y [m]E [m]Dh [m]FroudPerdidas

DEHASTAh. tran [m]Rc/Dh curvh total

1121.710.1500.13712.075.820.3550.5050.3670.900.003000.003

2321.130.0650.0915.812.800.2500.3150.2820.680.0110.0270.0240.035

3241.850.1750.16713.136.320.4380.6130.4580.870.000000.000

4451.870.1780.16713.506.510.4300.6080.4390.90

SECTORNODOCota rasanteCota claveCota bateaCota laminaCota energaProfundidad a clave

DEHASTADeADeADeADeADeADeA

112951.4949.92948.00947.19947.55946.74947.91947.10948.05947.243.402.73

232949.04949.92947.74947.22947.44946.92947.69947.17947.76947.241.302.70

324949.92947.47947.14946.46946.59945.91947.03946.35947.20946.522.781.01

445947.47947.05946.46946.05945.91945.50946.34945.93946.52946.111.011.00

PLANO Y PERFILES

Se presenta la planta del alcantarillado pluvial, donde se muestra la direccin del flujo.

SECTORNODOCota rasanteCota clave

DEHASTADeADeA

112951.4949.92948.00947.02

232949.04949.92948.24947.02

324949.92947.47947.10946.47

445947.47947.05946.35945.95

Tramo1 2 2 445

Longitud0.0090.000.0085.000.0050.00

Abscisa0.0090.0090.00175.00175.00225.00

Cota rasante951.40949.92949.92947.47947.47947.05

Cota clave948.00947.19947.14946.46946.46946.05

Cota batea947.55946.74946.59945.91945.91945.50

Cota energa948.05947.24947.20946.52946.52946.11

Dimetro18.00022.00022.000

Pendiente0.00900.00800.0082

Tramo32

Longitud0.0080.00

Abscisa0.0080.00

Cota rasante949.04949.92

Cota clave947.74947.22

Cota batea947.44946.92

Cota energia947.76947.24

Diametro8.000

Pendiente0.0065

CONSIDERACIONES FINALES

Como conclusin del trabajo, se realizaran algunas consideraciones finales pertinentes al diseo de los colectores.

La pendiente y el dimetro del colector son factores que influyen directamente en el diseo de los colectores, y en algunos casos es recomendable aumentar el dimetro, aunque no sea necesario segn caudal de diseo, con el fin de que el colector tenga un mejor comportamiento. Utilizar las cadas en los pozos como una herramienta de ayuda para el diseo, fomenta de manera considerable a obtener menores profundidades de excavacin, pero se debe tener cuidado de no tener cadas muy grandes, y que el colector de salida tenga una cota clave ms profunda a las de entrada. Es recomendable trabajar con flujo subcriticos debido a su baja pendiente, ya que esto genera bajas profundidades de excavacin, aunque trabajar en dicho rango genere dificultades en el diseo. En trminos de costos, es viable utilizar tuberas de mayor dimetro para evitar excavaciones muy profundas. Aunque se recomienda trabajar solo un tipo de flujo durante toda la red, si ese flujo es supercrtico generar profundidades muy grandes de excavacin, por lo que es recomendable mezclar tipos de flujo, teniendo en cuenta que no se debe pasar de un flujo supercrtico a un flujo subcritco. Si se utiliza como gua la pendiente del terreno para obtener la direccin del flujo, este mtodo ayuda a que las excavaciones seas las menores posibles ya que el terreno ayuda a la pendiente que debe llevar cada colector. Otra forma de obtener un diseo ptimo es la utilizacin de tuberas de diferentes materiales, con el fin de aprovechar el coeficiente de rugosidad de manning y obtener el diseo ms ptimo posible, con excavaciones mnimas.