¡Descarga Diseño de una captación hidráulica: filtro y tanque y más Apuntes en PDF de Obras de abastecimiento y saneamiento solo en Docsity!
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RESUMEN
En el presente trabajo se desarrolla el diseño hidráulico de una captación de un
manantial en ladera, siendo este tipo de obras las más consumes en los centros
poblados que se encuentran en las zonas de mayor altitud de nuestra sierra y
que cuentan con una población en un crecimiento inicial.
Por lo tanto se debe de tener en consideración este tipo de obras cuando las
fuentes de agua en este caso sean manantiales u ojos de agua los cuales serán
analizados para satisfacer la demanda de la población a beneficiarse.
En este tipo de obras hidráulicas se contemplan 2 partes importantes la
primera es una cámara que funciona como un filtro para limpiar las sustancias
del agua y la segunda es un tanque de almacenamiento que servirá para
proporcionar un nivel de carga de agua constante en el depósito y a si asegurar
el flujo del agua por la tubería de conducción al reservorio ubicado aguas
abajo si el sistema fuese contemplado por gravedad.
En este tipo de obras se asegura la protección del manantial y del agua
extraída, puesto que la obra cubre toda el área del manantial y no permite la
exposición directa del agua al medio ambiente protegiéndola de toda
contaminación.
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1. INTRODUCCIÓN
Elegida la fuente de agua e identificada como el primer punto del sistema de agua potable, en el lugar del afloramiento se construye una estructura de captación que permita recolectar el agua, para que luego pueda ser conducida mediante las tuberías de conducción hacia el reservorio de almacenamiento.
El diseño hidráulico y dimensionamiento de la captación dependerá de la topografía de la zona, de la textura del suelo y de la clase de manantial; buscando no alterar la calidad y la temperatura del agua ni modificar la corriente y el caudal natural del manantial, ya que cualquier obstrucción puede tener consecuencias fatales; el agua crea otro cauce y el manantial desaparece.
Es importante que se incorporen características de diseño que permitan desarrollar una estructura de captación que considere un control adecuado del agua, oportunidad de sedimentación, estabilidad estructural, prevención de futura contaminación y facilidad de inspección y operación. Estas características serán consideradas en el desarrollo del presente capitulo, donde además se presentan los tipos, diseño hidráulico y dimensionamiento de las estructuras de captación.
2. TIPOS DE CAPTACIONES
Como la captación depende del tipo de fuente y de la calidad y cantidad de agua, el diseño de cada estructura tendrá características típicas. Cuando la fuente de agua es un manantial de ladera y concentrado, la captación constara de tres partes: la primera, corresponde a la protección del afloramiento; la segunda, a una cámara húmeda que sirve para regular el gasto a utilizarse; y la tercera, a una cámara seca que sirve para proteger la válvula de control. El compartimiento de protección de la fuente consta de una losa de concreto que cubre toda la extensión o área adyacente al afloramiento de modo que no exista contacto con el ambiente exterior, quedando así sellado para evitar la contaminación. Junto a la pared de la cámara existe una cantidad de material granular clasificado, que tiene por finalidad evitar el socavamiento del área adyacente a la cámara y de aquietamiento de algún material en suspensión. La cámara húmeda tiene un accesorio (canastilla) de salida y un cono de rebose que sirve para eliminar el exceso de producción de la fuente.
Si se considera como fuente de agua un manantial de fondo y concentrado, la estructura de captación podrá reducirse a una cámara sin fondo que rodee el punto donde el agua brota. Constara de dos partes: la primera, la cámara húmeda que sirve para almacenar el agua y regular el gasto a utilizarse, y la segunda, una cámara seca que sirve para proteger las válvulas de control de salida y desagüe. La cámara húmeda estará provista de una canastilla de salida y tuberías de rebose y limpia. Si existen manantiales cercanos unos a otros, se podrá construir varias cámaras, de las que partan tubos o galerías hacia una cámara de recolección de donde se inicie la línea de conducción. Adyacente a la cámara colectora se considera la construcción de la cámara seca cuya función es la de proteger la válvula de salida de agua. La cámara colectora tiene una canastilla de salida, un cono de rebose y tubería de limpia.
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2.1. CAPTACION DE UN MANANTIAL DE LADERA CONCENTRADO
Este tipo de captaciones tiene la siguiente forma.
2.1.1. DISEÑO HIDRAULICO Y DIMENSIONAMIENTO
Para el dimensionamiento de la captación es necesario conocer el caudal máximo de la fuente, de modo que el diámetro de los orificios de entrada a la cámara húmeda sea suficiente para captar este caudal o gasto. Conocido el gasto, se puede diseñar el área de orificio sobre la base de una velocidad de entrada no muy alta y al coeficiente de contracción de los orificios.
2.1.2. CALCULO DE LA DISTANCIA ENTRE EL AFLORAMIENTO Y LA
CAMARA HUMEDA
Es necesario conocer la velocidad de pase y la pérdida de carga sobre el orificio de salida. Según la ecuación de Bernoulli entre los puntos 0 y 1, resulta:
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Donde Hf es la pérdida de carga que servirá para determinar la distancia entre el afloramiento y la caja de captación (L).
Hf = H – ho
Hf = 0.30 x L
L = Hf / 0.
2.1.3. ANCHO DE LA PANTALLA (b)
Para determinar el ancho de la pantalla es necesario conocer el diámetro y el número de orificios que permitirán fluir el agua desde la zona de afloramiento hacia la cámara húmeda. Para el cálculo del diámetro de la tubería de entrada (D), se utilizan las siguientes ecuaciones.
Qmáx. = V x A x Cd
Qmáx. = A Cd (2 g h )1/ Donde:
Qmáx = Gasto Máximo de la fuente en l/s. V = Velocidad de paso (se asume 0,50 m/s, siendo menor que el valor máximo recomendado de 0,60 m/s). A = Área de la tubería en m 2 Cd = Coeficiente de descarga (0,6 a 0,8). G = Aceleración de la gravedad (9,81 m/s 2 ) h = Carga sobre el centro del orificio (m).
El valor de A resulta:
Considerando la carga sobre el centro del orificio el valor de A será:
El valor de D será definido mediante:
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El número de orificios Se recomienda usar diámetros (D) menores o iguales de 2”. Si se obtuvieran diámetros mayores, será necesario aumentar el número de orificios (NA), siendo:
Para el cálculo del ancho de la pantalla, se asume que para una buena distribución del agua los orificios se deben ubicar como se muestra en la figura.
Siendo:
“d” el diámetro de la tubería de entrada “b” el ancho de la pantalla
Conocido el número de orificios y el diámetro de la tubería de entrada, se calcula el ancho de la pantalla (b) mediante la siguiente ecuación:
b = 2(6D) + NA D + 3D (NA – 1) b = 12 D + NAD + 3 NAD – 3D b = 9D + 4 NAD
Donde:
b = Ancho de la pantalla D = Diámetro del orificio NA = Número de orificios
2.1.4. ALTURA DE LA CAMARA HUMEDA
En base a los elementos identificados de la figura 1.4, la altura total de la cámara húmeda se calcula mediante la siguiente ecuación:
Ht = A + B + H + D + E Donde:
A = Se considera una altura mínima de 10 cm. Que permite la sedimentación de la arena. B = Se considera el diámetro de salida. H = Altura de agua sobre la canastilla. D = Desnivel mínimo entre el nivel de ingreso del agua del afloramiento y el nivel de agua de la cámara húmeda (mínimo 5 cm.). E = Borde libre (mínimo 30 cm).
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At = 2 Ac Donde:
Conocidos los valores del área total de ranuras y el área de cada ranura se determina el número de ranuras:
2.1.6. TUBERIA DE REBOSE Y LIMPIA
En la tubería de rebose y de limpia se recomienda pendientes de 1 a 1,5% y considerando el caudal máximo de aforo, se determina el diámetro mediante la ecuación de Hazen y Williams (para C=140).
Donde:
D = Diámetro en pulgadas Q = Gasto máximo de la fuente en lps S = Pérdida de carga unitaria en m/m
2.2. CAPTACION DE UN MANANTIAL DE FONDO CONCENTRADO
Este tipo de captaciones tiene la siguiente forma.
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2.2.1. CALCULO DEL ANCHO DE LA PANTALLA
El ancho de la pantalla se determina sobre la base de las características propias del afloramiento, quedando definido con la condición que pueda captar la totalidad del agua que aflore del subsuelo.
2.2.2. CALCULO DE LA ALTURA TOTAL (Ht)
Para determinar la altura total de la cámara húmeda (Ht) se considera los elementos identificados, los cuales se muestran en la figura.
Ht = A + B + C + H ≤ Altura natural que alcanza el agua
Donde:
A = Altura del filtro (se recomienda de 10 cm) B = Diámetro de la tubería de salida H = Altura de agua sobre la canastilla E = Borde libre (se recomienda como mínimo 30 cm)
Para determinar la altura de la captación, es necesario conocer la carga requerida para que el gasto de salida de la captación pueda fluir por la tubería de conducción. La carga requerida es determinada mediante la siguiente ecuación:
Donde:
H = Carga requerida en m. V = Velocidad promedio en la salida de la tubería de la línea de conducción m/s. Considerar la velocidad mínima recomendada para una línea de conducción. g = Aceleración de la gravedad igual 9,81 m/s2.
Se recomienda una altura mínima de H = 5 cm, sobre la canastilla
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3. DISEÑO DE CAPTACION DE UN MANANTIAL A MEDIA LADERA CONCENTRADO
La bocatoma que vamos a diseñar será de la forma:
3.1. DEMANDA DE CONSUMO POBLACIONAL
POBLACION ACTUAL (Pa) : 290.00^ HABITANTES
Nº FAMILIAS : 58.00 Nº DE CASAS O FAMILIAS
TASA DE CRECIMIENTO (%r) : 1.
PERIODO DE DISEÑO (t) : 20.00 AÑOS
POBLACION FUTURA(Pf) : 377 HABITANTES
:
3.2. ANALISIS DE LA DEMANDA DE DOTACION DEL AGUA PARA ZONA RURAL (LIT-/HAB./DIA)
DOTACION ASIGNADA : 50.00 Lit./Hab./dia
Dotación por Región REGION DOTACIÓN Selva 70 Costa 60 Sierra 50
100 Pf Pa 1 rt
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3.3. CAUDAL DE LA FUENTE QUEBRADA (LIT./SEG.)
CAPTACION QUEBRADA : 0.55 Lit./Seg.
NUMERO DE PRUEBA VOLUMEN (Litros) (Segundos)^ TIEMPO
1
3
2 4. 3 4. 4 4. 5 4. TOTAL 22. PROMEDIO 4.
3.4. CAUDAL MEDIO O CONSUMO PROMEDIO DIARIO ANUAL (Lit/Seg.)
CONSUMO PROMEDIO DIARIO ANUAL (Qm) 0.218^ Lit./Seg.
3.5. CAUDAL O CONSUMO MAXIMO DIARIO (LIT./SEG.)
CONSUMO MÁXIMO DIARIO ANUAL (Qmd) 0.284 Lit./Seg.
k1 = 1.
3.6. VOLUMEN DE ALMACENAMIENTO DEL RESERVORIO (M3)
VOLUMEN DEL RESERVORIO (m3) 6.13 m
VOLUMEN DEL RESERVORIO ASUMIDO (m3) 8.00^ m
3.7. CAUDAL O CONSUMO MAXIMO HORARIO (LIT./SEG.) Kdmh: Coef. De variación horaria, varía entre 2.0 a 2.8 (para nuestro caso tomaremos: Kmdh=2.5) CONSUMO MÁXIMO HORARIO (Qmh) 0.55 Lit./Seg.
kmdh = 2.
3.8. CAUDAL UNITARIO (LIT./SEG.)
CAUDAL UNITARIO (LIT./SEG.) 0.00145 Lit./Seg/hab
Pf * Dot Qm
Qmd K 1 * Qm
1000 Vr 0. 25 * Qmd *^86400
Qmh Kmdh * Qm
Qu Qmh /( PoblaciónFutura )
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Para un valor asumido:
h = 0.40 m g = 9.81 m/s
Se obtiene una velocidad de pase:
V 2 = 2.24 m/s
Este valor calculado es mayor que la velocidad máxima recomendada de 0.60m/s por lo que se asume para el diseño una velocidad de:
V 2 = 0.70 m/s
Mediante la ecuación (3) y la velocidad de 0.5m/s se determina la pérdida de carga en el orificio, resultando.
ho = 0.039 m
ho es definida como la carga necesaria sobre el orificio de entrada que permite producir la velocidad de pase Con el valor de ho se calcula el valor de Hf, mediante la siguiente ecuación:
………..(4) Hf = 0.36 m
Hf servirá para determinar la distancia entre el afloramiento y la caja de captación (L)
………..(5)
Por lo tanto: L = 1.20 m
2. Ancho de la pantalla (b)
Para determinar el ancho de la pantalla es necesario conocer el diámetro y el número de orificios que permitirán fluir el agua desde la zona de afloramiento hacia la cámara húmeda.
2.1. Cálculo del diámetro de la tubería de entrada (D)
Para el cálculo del diámetro de la tubería de entrada (D), se utilizan las siguientes ecuaciones:
…………(6) …………(7)
Donde: Qmax = Gasto máximo de la fuente en l/s
V =
Velocidad de paso (se asume 0.50 m/s, siendo menor que el valor recomendado de 0.60 m/s) A = Area de la tubería (m2) Cd = (^) Coeficiente de descarga (0.60 a 0.80)
H (^) f Hh 0
Hf 0.30xL
L Hf/0.
Qmax VxA xCd
Qmax ACd 2gh
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g = Aceleración gravitacional (9.81m/s2)
h =
Carga sobre el orificio (m)
Despejando la ecuación (6) el valor de A resulta:
…………(8)
Considerando:
Qmax = 0.57 l/s V = 0.70 m/s Cd = 0.
Se tiene: A = 1.02E- 03 m
El diámetro del orificio será definido mediante:
…………(9)
Reemplazando: D = 3.60 cm Equivale: D = 1.42 Pulg Por lo tanto: D = 1 1/2" = 1.50 Pulg
2.2. Cálculo del número de orificios (NA)
Se recomienda usar diámetros (D) menores o iguales a 2". Si se obtuvieran diámetros mayores será necesario aumentar el número de orificios (NA), siendo:
……….(10)
Para el diseño asumiremos un diámetro de 1"
D = 1 plg
Que será utilizado para determinar el número de orificios (NA)
NA = 3.
Entonces se asumirá que:
NA = 4.
CdxV
Q
A max
4A
D
Areadeldiámetroasumido
Areadeldiámetrocalculado
NA
D
D
NA
2
2
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Donde: A = Se considera una altura mínima de 10cm que permite la sedimentación de la area B = Se considera la mitad del diámetro de la canastilla de salida H = Altura de agua D = Disnivel mínimo entre el nivel de ingreso del agua de afloramiento y el nivel de agua de la cámara húmeda (mínimo 3cm)
E =
Borde libre (de 10 a 30cm)
Para determinar la altura de la captación, es necesario conocer la carga requerida para que el gasto de salida de la captación pueda fluir por la tubería de conducción. La carga requerida es determinada mediante la ecuación:
Donde: H =
Carga requerida en metros V = Velocidad promedio en la salida de la tubería de la línea de conducción en m/s g = Aceleración de la gravedad igual a 9.81m/s
Se recomienda una altura mínima de H = 30cm
Tomaremos los siguientes valores:
A = 5 cm
2g
V
H 1. 56
2
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B = 2.54 cm D = 5 cm E = 38 cm
Se sabe que V=Q/A. Por lo tanto:
Donde: Qmd = Gasto máximo diario en m3/s A = Area de la tubería de salida en m g = Aceleración gravitacional (9.81m/s2) Tomaremos: Qmd = 0.284 l/s Entonces: H = 2.50 cm
Para facilitar el paso del agua se tomará: H = 30.00 cm (la norma exige una altura minima de carga igual a 30 cm) Por lo tanto la altura de la cámara húmeda será: Ht = 80.54 cm
Para el diseño consideraremos una altura de: Ht = 1.00 m
4. Dimensionamiento de la canastilla
Para el dimensionamiento se considera que el diámetro de la canastilla debe ser dos veces el diámetro de la tubería de salida a la línea de conducción (Dc) (Ver figura 4); que el área total de las ranuras (At) sea el doble del área de la tubería de la línea de conducción; y que la longitud de la canastilla (L) sea mayor a 2 Dc y me- nor a 3 Dc.
El diámetro de la tubería de salida de la línea de conducción es:
Dc = 1 pulg
Por lo tanto el diámetro de la canastilla será:
2
2 md
2gA
Q
H 1.
