Diseño de Sistemas de Alcantarillado: Principios Básicos y Cálculo Hidráulico, Guías, Proyectos, Investigaciones de Química

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Aspectos Generales y

tipos de Alcantarillado

Sanitario

Ing. Pedro E. Ortiz B.

Agosto 2020

Alcantarillado Sanitario

Los conductos que recogen y

transportan el agua residual

se denominan alcantarillas y el

conjunto de las mismas

constituyen la red de

alcantarillado.

La recolección , el transporte del

agua residual desde los diversos

puntos en que se origina y la

depuración, constituyen el

primer paso de la gestión

efectiva del saneamiento de

una población.

Sub colectores y descarga directa Subcolectores, Colectores y descarga directa Sub colectores, colector y planta de tratamiento

Origen del sistema RAS

4

El ingeniero José M. Azevedo-Neto, después de considerar que el costo excesivo del

alcantarillado estaba restringiendo un beneficio muy importante en las regiones en desarrollo,

decidió revisar toda la tecnología convencional y criterios de diseño. Llegando a la conclusión

que varios aspectos de las normas y criterios existentes debería haberse cambiado

hace mucho tiempo.

Innovaciones principales

▪ Sustituir criterios viejos de control de las velocidades en base a sección media o

total , por el cálculo de la velocidad real que deberá ser mayor que la velocidad de

autolimpieza.

▪ Las pendientes deben ser establecidas como función del caudal al inicio del

proyecto , no es correcto aumentar el diámetro del conducto para reducir la pendiente.

▪ En las regiones tropicales o subtropicales la profundidad de los colectores

pueden reducirse al mínimo compatible con las conexiones domiciliarias y la

protección de las cargas externas.

▪ El número de pozos pueden reducirse al mínimo y pueden adoptarse dispositivos

más simples para reducir los costos.

Período de diseño

La adopción de períodos largos de diseño conduce a obras enormes , aumentando el costo inicial de la inversión, que puede hacer inviable el proyecto. Períodos de diseño demasiados largos implica que el flujo en las alcantarillas estará por muchos años por debajo del de diseño, por lo que las velocidades serán inferiores a las previstas y el desempeño del sistema será peor que el esperado. Con períodos más cortos, del orden de 20 años , considerando la construcción en etapas, los efectos de los errores posibles en las estimaciones del crecimiento de la población, el número de conexiones y caudales pueden reducirse al mínimo y pueden ajustarse a lo largo de los años, si fuera necesario, pueden construirse sistemas de alcantarillado auxiliares y de alivio.

Velocidades de flujo

✓ Son la base tradicional para el diseño de los alcantarillados. No es la mejor opción considerar la velocidad a tubo lleno o a media sección, porque estas velocidades se producen en situaciones especificas que no corresponden a casos prácticos. ✓ Es mas exacto controlar las velocidades que corresponden a los caudales estimados. Para la velocidad mínima utilizamos el caudal máximo al inicio del proyecto y la velocidad máxima para el caudal máximo al final del período de diseño. ✓ La velocidad mínima no debe ser menor a 0. 45 o 0. 50 m/s. Es preferible aceptar un valor inferior para el flujo real, que fijar un valor mayor para un flujo hipotético como el de sección llena. ✓ Otro aspecto que hay que controlar es la posibilidad de que se produzcan sulfuros en los sistemas más grandes instalados con bajas pendientes. ✓ Respecto a los valores máximos hay dos condiciones a considerar : 1.Velocidades entre 4 y 5 m/s causa menos erosión que las velocidades entre 2. 5 y 4 m/s

2. Se debe evitar que se produzcan mezclas de aire y aguas residuales (sucede a velocidades mayores a 4. 6 m/s en alcantarillas de más de 8 ”) La velocidad máxima ocurre a 0. 81 D (D= diámetro de la tubería) y el flujo máximo a 0. 95 D.

Fuerza Tractiva

Se considerado que es el método más práctico para diseñar alcantarillas que eviten la sedimentación, erosión y la producción de sulfuros en las tuberías. Como mínimo el valor recomendado es F > 0. 12 kg/m^2 La fuerza de tracción promedio puede calcularse mediante la expresión siguiente: F R S

H

= 1000 * Donde : F= fuerza de arrastre en kg/m^2 RH = radio hidráulico en m S = pendiente en m/m

Pendiente de las alcantarillas

La pendiente mínima que se debe adoptar para autolimpieza no depende directamente del diámetro de los colectores. Cuando se aumenta el diámetro con la idea de reducir la pendiente, las condiciones hidráulicas empeoran en vez de mejorar. El gradiente de autolimpieza depende principalmente del caudal, no solo del diámetro de la tubería, con un flujo reducido una tubería más pequeña se mantendrá más limpia que una mayor, colocada con el mismo gradiente. La mejor expresión para determinar la pendiente de un colector es la siguiente: Donde : S = pendiente mínima, m/m Q = El flujo máximo, en la etapa inicial del proyecto, m^3 /s. El resultado de esta expresión puede emplearse para cualquier diámetro. 𝑆 = 0. 0001 𝑄 − 2 3 Pendientes mínimas tradicionales en países indicados Diámetros USA Inglaterra Francia Brasil 6” 0.0060 0.0056 0.0040 0. 8” 0.0040 0.0038 0.0030 Según flujo 10” 0.0030 0.0029 0.0025 Según flujo 12” 0.0022 0.0024 0.0020 Según flujo

Profundidad del flujo(tirante)

en las alcantarillas

En el diseño de colectores se trata de asegurar un tirante por encima de un limite mínimo y por otra parte, una profundidad no mayor que un limite superior , a fin de mantener siempre un flujo libre dentro de la tubería. La experiencia recomienda mantener un nivel del agua por encima de 0. 2 D , con esta profundidad la velocidad será cerca de 0. 56 ( 56 %) de la velocidad a tubo lleno. Para tener una velocidad de flujo de 0. 45 m/s con 0. 2 D , la velocidad a tubo lleno tiene que ser de 0. 80 m/s. Nunca se debe aumentar el diámetro de un colector si el flujo existente no requiere el aumento y b D (^) θ/ La profundidad máxima podemos fijar un valor de 0. 8 D , sabemos que con este nivel en un colector circular se alcanza la velocidad más alta. La parte vacía de la sección se emplea para ventilación , movimiento de gases, sirviendo además para la evacuación de caudales excepcionales.

Colectores auxiliares

Se adoptan para facilitar la construcción y para reducir los costos. Debe considerarse en

los casos siguientes:

✓ En calles anchas , porque el costo de las conexiones es alto.

✓ Las calle con pavimento costoso (cuando se construye después del pavimento).

✓ En calles con transito intenso.

✓ En alcantarillas muy profundas con conexiones difíciles y costosas.

✓ Para aumentar la capacidad de una existente.

La segunda alcantarilla se instala bajo una de las

vías peatonales, Cuando ambas se construyen al

mismo tiempo son instaladas una a cada lado de

la calle

Pozos de registro

Los primeros sistemas de alcantarillado separado no tenían pozos de registro. Posteriormente bajo la influencia de los sistemas combinados, se introdujeron unos cuantos registros que se utilizan para sacar la grava y arena que se deposita durante los flujos bajos. Con el tiempo aumentó el número de pozos debido a normas más estrictas y exigentes. La separación entre pozos aumento de 1 : 200 a 1 : 50 m , una exageración costosa. Esta práctica debe considerarse como un abuso objetable , porque aumenta los costos sin producir mayores beneficios. Al mismo tiempo se desarrollaron e introdujeron nuevas maquinas y equipos de limpieza que si se utilizan adecuadamente podrían cambiar la práctica.

Como reducir el número de Pozos

Se puede y se debe reducir el número de Pozos. No se pueden eliminar todos los pozos en un sistema nuevo. Algunos son necesarios como punto de medida y para el muestreo, otros recomendados para tramos largos, pozos de caída, tramos profundos y múltiples intercepciones. Los pozos remanentes pueden ser tipo simplificado , es común usar modelos prefabricados, La solución para sustituir el tipo de pozos se indican en la tabla siguiente. Punto Alternativa Punto inicial Terminal TL Tramo largo Terminal TL Curva de 90° 2 curvas separadas de 45° Intercepción 1 Yee y curva de 45 ° Aumento de diámetro Caja de concreto bajo tierra Incremento de pendiente Caja de concreto bajo tierra Hoy en día no es necesario que un trabajador ingrese a un pozo para su mantenimiento o inspección.

Velocidad Crítica

Cuando la velocidad final vf es superior a velocidad crítica Vc, podría provocar un resalto

hidráulico , porque la mezcla aire – líquido, tiene un volumen superior al del líquido libre de aire,

en la sección de escurrimiento, el tirante admisible no debe ser mayor al 50 % del diámetro

del colector y emisarios , y 0. 75 % en secundarios , para asegurar la ventilación del tramo.

La velocidad crítica es definida por:

𝑽𝑨 = 𝟑 𝒈 ∗ 𝑫 𝟏 − 𝒔𝒆𝒏𝜽 𝜽

𝑉

= 𝑉

= 6. 0 𝑔𝑅

Donde:

Vc = velocidad crítica en m/s

g = aceleración de la gravedad, m/s

2

RH = radio hidráulico en m

D = diámetro de la tubería, m

Θ = ángulo central en grados (sexagesimal)

Velocidad limite

para que ocurra entrada de aire,

• 0,50 ≤ y/D ≤0. Va, en el intervalo
  • y/D
    • 0.50 2.97 3.64 4.20 4.70 5.
    • 0.51 2.99 3.66 4.23 4.73 5.
    • 0.52 3.01 3.68 4.25 4.75 5.
    • 0.53 3.02 3.70 4.28 4.78 5.
    • 0.54 3.04 3.72 4.30 4.81 5.
    • 0.55 3.06 3.74 4.32 4.83 5.
    • 0.56 3.07 3.76 4.35 4.86 5.
    • 0.57 3.09 3.78 4.37 4.88 5.
    • 0,58 3.10 3.80 4.39 4.91 5.
    • 0.59 3.12 3.82 4.41 4.93 5.
    • 0.60 3.13 3.83 4.43 4.95 5.
    • 0.61 3.14 3.85 4.44 4.97 5.
    • 0.62 3.15 3.86 4.46 4.99 5.
    • 0,63 3.17 3.88 4.48 5.01 5.
    • 0,64 3.18 3.89 4.49 5.02 5.
    • 0.65 3.19 3.90 4.51 5.04 5.
    • 0.66 3.20 3.92 4.52 5.06 5.
    • 0.67 3.21 3.93 4.54 5.07 5.
    • 0.68 3.22 3.94 4.55 5.09 5.
    • 0.69 3.23 3.95 4.56 5.10 5.
    • 0.70 3.23 3.96 4.57 5.11 5.
    • 0.71 3.24 3.97 4.58 5.12 5.
    • 0.72 3.25 3.98 4.59 5.13 5.
    • 0.73 3.25 3.98 4.60 5.14 5.
    • 0.74 3.26 3.99 4.61 5.15 5.
    • 0.75 3.26 4.00 4.61 5.16 5.

Condición de control de remanso

Siempre que la cota del nivel de agua en la salida de cualquier PI (pozo de inspección ) o

TIL ( tubo de inspección y limpieza ) estuviere por encima de cualquiera de las cotas de

los niveles de agua en la entrada, debe verificarse la influencia del remanso en el tramo

de arriba, el empate estar dado por:

𝑟 =

D -

d