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Capítulo IV Sistemas de Alcantarillado Sanitario

CAPITULO IV SISTEMA DE ALCANTARILLADO SANITARIO 4.1.

Alcantarillado sanitario

Es el sistema sistema de recolección diseñado para evacuar exclusivamente exclusivamente aguas residuales domésticas e industriales de una población.

4.2

Componentes de un sistema de alcantarillado sanitario 1.- Colector secundario.- Colector domiciliario de diámetro menor a 150 mm (6”) que se conecta con un colector principal. 2.- Colect Colecto or pri pri ncipa ncipall.- Capta el caudal proveniente de dos o más colectores secundarios domiciliarios. 3.- I nte ntercep rceptor.tor.- Colector que recibe la contribución de varios colectores principales, localizados en forma paralela y a lo largo de las márgenes de quebradas y ríos o en la parte más baja de la cuenca. 4.- E misario fina fi nal.l.- Colector que tiene como origen el punto más bajo del sistema y conduce todo el caudal de aguas residuales a su punto de entrega, que puede ser una planta de tratamiento o un vertimiento a un cuerpo de agua como un río, lago o el mar. Se caracteriza porque a lo largo de su desarrollo no recibe contribución alguna.

4.3.

Caudales de aporte1

Considerando los diferentes coeficiente que intervienen en la determinación de los caudales de aporte que concurren a las redes de alcantarillado alcantarillado sanitario, las ecuaciones que determinan los caudales de aporte son:

4.3.1. Caudal medio diario de aguas residuales El caudal medio diario de aguas residuales, el cual se define como la contribución durante un período


4.3.1.2. Consumo de agua potable (Dotación (Dotación d) El consumo de agua potable o dotación, se establecerá o adoptará de manera que será suficiente para abastecer los usos para los cuales fue contemplado y dependerá de: -

Oferta de agua ( capacidad de la fuente ) Aspectos socio-culturales. socio-culturales. Aspectos económicos. Opción técnica técnica y nivel nivel de servicio servicio (piletas (piletas públicas, conexiones domiciliarias, domiciliarias, etc) Condiciones de operación y mantenimiento. mantenimiento. Pérdidas en el sistema. Otros usos de la fuente: riego, ganadería, etc.

Se tomarán en cuenta los valores de la tabla 4.1 en función al clima y al número de habitantes considerados como población de proyecto.

4.3.1.3. Población ( P ) Es la población que ocupa el área de aporte en cada tramo de la red de alcantarillado sanitario. Esta población se puede obtener mediante la siguiente expresión: P = D A ( Hab.)

Donde: D = Densidad de población ( Hab. / Ha) A = Area de aporte ( Ha. )

4.3.1.4. Densidad de población ( D )

( 4.2 )


4.1.3.5. Area de drenaje ( A ) La determinación del área de drenaje debe hacerse de acuerdo con el plano topográfico de la población de estudio y el trazado de la red de colectores. El área de drenaje que influye en cada colector se debe obtener trazando las diagonales o bisectrices sobre las manzanas de la población., como como se muestra muestra en la figura figura 4.1

4.3.2.

Caudal máximo máximo horario de aguas residuales

El caudal de diseño de la red de colectores debe corresponder al caudal máximo horario. Este caudal se determina a partir de factores de mayoración del caudal medio diario obtenido anteriormente, los cuales se seleccionan de acuerdo con las características propias de la población. Qmax

= M ⋅ Qm

( 4.3 )

Qmax

= K 1 ⋅ K 2 ⋅ Qm

( 4.4 )

Donde: Qmax = Caudal máximo horario ( L/s ) Qm = Caudal medio diario ( L/s ) M = Coeficiente de punta K 1 , K 2 = Coeficientes de mayoración

4.3.2.1 Coeficiente de punta Es la relación entre el gasto máximo horario y el gasto medio diario. Para la determinación se utilizan fórmulas que relacionen el coeficiente con la magnitud de población, por


a. Coeficiente de Harmon Su alcance esta recomendado a poblaciones de 1000 a 100000 habitantes, sin embargo no se señala ninguna limitación. M = 1 +

14 4 + P 0.5

( 4.5 )

b. Coeficiente de Babbit Se restringe la aplicación de esta fórmula a un valor máximo de 1000 habitantes y un valor mínimo 1 habitante. M =

5 P 0.5

( 4.6 )

c. Coeficiente de Gifft Para Gifft la fórmula no tiene limites poblacionales. M =

5 0.167

P

( 4.7 )

En todos los casos: M = Coeficiente de punta P = Población en miles de habitantes.

Para poblaciones con el orden de magnitud superior a 100000 habitantes. Se recomienda utilizar los valores que se refieren a los máximos consumos horarios de agua potable: M = 2.00 a 2.50

La experiencia brasileña que es recomendable para América Latina, deduce el valor de M


4.3.3. Caudal mínimo de diseño El valor que se acepta como límite inferior del menor gasto probable para cualquier tramo de la red de alcantarillado sanitario, tiene un valor de 2 L/s que corresponde a la descarga de un inodoro. Considera además la aplicación de la probabilidad de uso.

4.4 Caudal de infiltración2 No se puede evitar la infiltración de aguas subterráneas principalmente freáticas a través de fisuras en los colectores, juntas mal ejecutadas y en la unión de colectores con las cámaras de inspección. y en las mismas cámaras cuando permiten la infiltración del agua.. El coeficiente de infiltración varía según: -

La altura del nivel freático sobre el fondo del colector. Permeabilidad del suelo y cantidad de precipitación anual. Dimensiones, estado y tipo de alcantarillas y cuidado en la construcción de cámaras de inspección.

En tabla 4.3, se presentan valores del caudal de infiltración por metro, en función del tipo de unión entre tuberías y la ubicación del nivel freático. Cuando no existe la previsión de implementación de un sistema pluvial a corto o mediano plazo, es necesario considerar un mayor aporte de aguas pluviales, desde patios interiores debido a las características especiales de la población, para este propósito se adopta un valor máximo de 2.0 L/s/Ha.

4.5 Caudal de conexiones erradas En los caudales de aguas residuales se deben considerar los caudales pluviales provenientes de malas conexiones o conexiones erradas, los cuales determinan fijar un coeficiente de seguridad del 5 – 10 % del


4.6 Caudal de diseño El caudal de diseño para alcantarillas es el caudal máximo, para el caso de alcantarillado con un adecuado control en las conexiones domiciliarias. Sin embargo la mayor parte de los sistemas presentan caudales adicionales como ser: Caudal de infiltración Qi, el caudal de conexiones erradas Qe, por lo cual el caudal de diseño se expresa de la siguiente forma: Qd = Qmax + Qi + Qe

( 4.8 )

Donde: Qd Qmax Qi Qe

= Caudal de diseño ( l/s) = Caudal máximo ( l/s ) = Caudal de infiltración ( l/s ) = Caudal de conexiones erradas ( l/s )

4.7 Caudal industrial Este aporte de aguas residuales debe ser evaluado para cada caso en particular, ya que varía de acuerdo con el tipo y el tamaño de la industria.

4.8 Caudal comercial Se justificará el consumo estimado por habitante en los sectores comerciales, la densidad en dichas zonas debe basarse en datos confiables para cálculos de caudal aportado en forma concentrada.

4.9 Caudal institucional Como en el caso del aporte industrial, el aporte institucional varía de acuerdo con el tipo y el tamaño de la institución, ( instituciones públicas, hospitalarias, hoteles, colegios, cuarteles y otros similares) por lo que debe considerarse cada caso particular.

4.10 Criterios de diseño


Se ha establecido que la velocidad cerca del fondo del conducto es la más importante a efectos de la capacidad transportadora del agua que fluye, se ha podido comproba r que una velocidad media de 0.3 m/s es suficiente para evitar un depósito importante de sólidos 3.

b)

Velocidad máxima. La velocidad máxima se limita para reducir el daño por abrasión en las alcantarillas, fijado en 5 m/s como se indicó en la sección 3.6.4 del capítulo 3. Cuando una alcantarilla alcanza esta velocidad, es importante verificar la velocidad crítica.

c)

Velocidad crítica. La expresión que define la velocidad crítica es la siguiente: Vc = 6 ⋅ g ⋅ Rh

( 4.9 )

donde: Vc = velocidad crítica ( m/s ) 2 g = Aceleración de la gravedad ( m/s ) Rh = Radio Hidráulico ( m )

Si la velocidad final alcanza los 5 m/s y se comprueba que es mayor a la velocidad crítica, podría provocar la ocurrencia de un resalto hidráulico en las aguas residuales. Como esa mezcla aire – líquido tiene un volumen superior al del líquido libre de aire, en la sección de escurrimiento, el tirante no deberá ser superior a 0.5 del diámetro (p ara interceptores y emisarios) y 0.75 del diámetro ( para colectores primarios y secundarios) 4.

4.10.2 Criterio de la fuerza tractiva para el cálculo La fuerza tractiva o tensión de arrastre ( τ ) es el esfuerzo tangencial unitario ejercido por el líquido sobre el colector y en consecuencia sobre el material depositado. La tendencia de los sólidos a sedimentarse cuando se encuentran formando parte de un medio


!

Determinación de la Fuerza Tractiva Mínima

La fuerza tractiva mínima del flujo debe superar la resistencia del sedimento al movimiento. Al respecto se han realizado experiencias de campo y laboratorio. La experiencia realizada por SHIELDS5 para determinar la resistencia del sedimento, tiene la siguiente expresión:

τ

= f (γ a − γ w )d 90−95%

( 4.11 )

Donde:

τ

=

f =

γ a γ w

= =

d 90 − 95 %

Resistencia del Sedimento al Movimiento (Fuerza Tractiva) (Kg/m2) Constante = 0.04 – 0.8 (adimensional) Peso específico del material de fondo (arena) (kg/m3) Peso específico del agua (kg/m3)

= Diámetro en metros, del 90 al 95% de las partículas que deben ser transportadas (valor obtenido de la frecuencia de distribución de un análisis granulométrico del material de fondo (arena) que ingresa al sistema de alcantarillado. En el colector quedarían retenidas partículas de un diámetro mayor al porcentaje indicado).

f es la constante (adimensional) de la ecuación y fue determinada en laboratorio con modelos hidráulicos, su valor es de 0.04 para arena limpia hasta 0.8 para sedimentos de la arena pegajosa del fondo de los conductos.


4.11 Planilla de cálculo Para explicar la metodología del llenado de las planillas de cálculo para alcantarillado sanitario, se desarrollará el siguiente ejemplo, basado en un sector de la urbanización El Castillo. Sobre el plano de la urbanización, se hace el trazado de la red de colectores, se seleccionan los colectores iniciales y se enumeran los pozos teniendo en cuenta la topografía del terreno, como indica la figura 4.2. El diseño considerará un periodo de retorno de 20 años, con los siguiente datos: -

Población inicial = 520 Hab. Población futura = 660 Hab. Area total de proyecto = 3.54 Ha. Densidad poblacional = 186.67 hab./Ha Dotación = 200 Lt / hab./d. Coeficiente de retorno = 80 % Coeficiente de infiltración = 0.5 Lt/s/Km

La capacidad de las alcantarillas se determinará utilizando la ecuación de Manning con un valor de n = 0.013. En la planilla de cálculo, que está representada en la tabla 4.4, se han enumerado las columnas que serán descritas detalladamente a continuación:

Columna 1, 2: Numeración del colector. En estas columnas se anotan los números de los pozos inicial y final, de cada tramo respectivamente. Columna 3:

Longitud de cada colector en metros.

Columna 4:

Longitud tributaria. Es la suma de las longitudes acumuladas, en metros, de todos los colectores que preceden a este tramo por ejemplo para el colector 4 – 3:


Columna 11:

Coeficiente Pico o coeficiente de punta. Elegido de acuerdo a las características de la población, para el ejemplo se utilizara la relación propuesta por Gifft:

[11] =

Columna 12:

5 0.167

 [10]     1000 

Caudal Medio (Lts / s). El cálculo del caudal medio se obtiene multiplicando la columna 10 por la dotación y el coeficiente de retorno divido entre 86400. Qm =

[10]⋅ Dot 86400

⋅ Cr

Columna 13:

Caudal Máximo. [ 11 ] x [ 12 ]

Columna 14:

Caudal de infiltración. Es el resultado de multiplicar la columna 5 por el coeficiente de infiltración. por ejemplo para el colector 5 – 4: 217 x 0.5 / 1000 = 0.109 Lt / s.

Columna 15:

Caudal debido a las malas conexiones. Este caudal debe ser considerado como un porcentaje del caudal máximo, para el ejemplo se adopta un 10 %. 0.1 x [ 13 ]

Columna 16:

Caudal acumulado Corresponde a la suma:

Columna 17:

Caudal de diseño.

[ 13 ] + [ 14 ] + [ 15 ]


Columna 21:

Caudal a tubo lleno en L/s. 8/ 3

1/ 2

0.312  [19]   [18]  Q= ⋅    n  1000   100  Columna 22:

Velocidad a tubo lleno en m/s. 1/ 2

 [18]  V = ⋅ [20] ⋅   n  100  1

2/3

Se debe verificar que el valor de esta columna no sea menor a 0.6 m/s.

Columna 23:

Relación entre el caudal de diseño y caudal a tubo lleno. [ 17 ] / [ 21 ]

Columna 24:

Relación entre velocidad real y la velocidad a tubo lleno. Obtenida de la tabla 3.2 o la figura 3.7.

Columna 25:

Relación entre la lamina de agua y diámetro de la tubería. Encontrada en la tabla 3.2. o la figura 3.7

Columna 26:

Relación del radio hidráulico real y el radio hidráulico a tubo lleno. Encontrada en la tabla 3.2. o la figura 3.7

Columna 27:

Velocidad real en m/s. [ 22 ] x [ 24 ]

Columna 28:

Tirante de escurrimiento en milímetros. [ 19 ] x [ 25 ] Los valores de esta columna deben cumplir con las condiciones mínimas y máximas del


Columna 32:

Cota del terreno en el pozo inicial. Se obtiene del plano topográfico.

Columna 33:

Cota del terreno en el pozo final. Se obtiene del plano topográfico.

Columna 34:

Profundidad de excavación en el pozo inicial Se debe adoptar valores de excavación según las recomendaciones de la Norma Boliviana NB 688 descritas en el Capítulo 3, sección 3.6.2.

Columna 35:

Profundidad de excavación en el pozo final Se debe adoptar valores de excavación según las recomendaciones de la Norma Boliviana NB 688 descritas en el Capítulo 3, sección 3.6.2.

Columna 36:

Promedio de las profundidades de excavación.

[34] + [35] 2 Columna 37:

Cota Solera en el pozo inicial. Para los colectores de arranque se resta la cota del terreno inicial ( Columna 32 ) menos la profundidad de excavación adoptada ( Columna 34 ). Para los demás colectores, además de restar la profundidad de excavación se debe considerar pérdida de carga producidas por el empate con las tuberías afluentes al pozo. (Ver Capítulo 3, sección 3.6.10 )

Columna 38:

Cota Solera en el pozo final. Es el resultado de la resta la cota del terreno final ( Columna 33 ) menos la profundidad de excavación adoptada ( Columna 35 ).

Columna 39:

Ancho de zanja. Se adopta este valor según la profundidad y el diámetro de la tubería.




4.12

Introducción al programa SewerCAD

Ejemplo de una Red Esquemática Es fácil preparar un modelo esquemático y dejar que SewerCAD se ocupe de la unión de los nudos de conexión, así como de la asignación automática de nombres y numeración a las tuberías y nudos. Se debe tomar en cuenta que el nombre (label) que asigna el programa puede ser cambiado en cualquier momento. Debido a que el ejemplo es un trazado esquemático (figura 4.3), es necesario ingresar las longitudes de las tuberías. MH-1

P-1 WW-1

JC-1 P-2

PMP-1 FM-1

J-1 FM-2

O-1 FM-3

P-3 MH-2

Figura 4.3 Modelo esquemático Una vez iniciado SewerCAD en el modo Stand – Alone, elija New del menú desplegable File. Ingrese un nombre para el proyecto como “Practica.swr” y presione Save para salir. En el ejemplo se usarán unidades métricas. Para establecer estas unidades seleccione del menú desplegable Tools / Options y elija la pestaña Global. Cambie el sistema de unidades a System I nternational, y cierre la ventana presionando OK.


b) Ingresando datos mediante cuadros de Dialogo Para ingresar los datos a través de cuadros de diálogo, solamente necesita hacer doble clic sobre el elemento. Abra el cuadro de diálogo para la cámara MH-1 (ver figura 4.4), seleccione la pestaña General. Ingrese los siguientes datos: Ground Elevation (Elevación del terreno), Rim E levation (elevación del anillo de compresión), Sump E levation (elevación del sumidero). Si se habilita la opción Set Rim to G round E levation, SewerCAD automáticamente establecerá que la cota del anillo de compresión sea igual a la de la elevación del terreno. Las pérdidas de carga son ingresadas seleccionando la pestaña H eadlosses. Seleccione Standard de la lista de métodos de pérdidas de carga disponibles en el campo H eadloss M eted. Luego ingres los coeficientes de carga para cada estructura. La tabla 4.5 indica los datos para las cámaras ( Manholes ). Introduzca los datos para las juntas de tuberías a gravedad (tabla 4.6), la salida ( tabla 4.7).

Manholes MH-1 MH-2

Junction Chamber JC-1

Ground Elevation (m) 11 11.1

Tabla 4.5 Datos para las Cámaras (Manhole) Rim Sump Diameter Elevation Elevation (m) (m) (m) 11 9 1 11.1 9 1

Headloss Method

Headloss coefficient

Standard Standard

0.25 0.25

Tabla 4.6 Datos para Juntas con tuberías a gravedad Ground Top Bottom Diameter Headloss Elevation Elevation Elevation (m) Method (m) (m) (m) 12 11 9.2 1 Standard

Headloss coefficient 0.5


Para la estructura de salida ( Outlet ) además de los datos de elevación se debe seleccionar de Tailwater Conditions (condiciones del Tirante) la opción F ree UotFall, como indica la figura 4.5

Tabla 4.7 Datos para la Salida ( Outlet ) Ground Rim Sump Elevation Elevation Elevation (m) (m) (m) 9 9 6

Outlet O-1

Tailwater Condition Free Outfall

Abra el editor para el pozo húmedo WW-1. En la pestaña General, ingrese los datos que se presenta en al tabla 4.8 (elevación para la estación y el terreno ). Selecione la pestaña Section para ingresar la características geométricas del pozo húmedo, cierre la ventana haciendo clic en OK.

Tabla 4.8 Datos para el pozo húmedo ( Wet Well ) Wet Well

Station (m)

Ground Elevation (m)

WW-1

0+00

12

Section Constant Area

Max Initial Min Base Diameter Elevation Elevation Elevation Elevation (m) (m) (m) (m) (m) 11.5

8

6

6

3


En el cuadro de diálogo para la bomba ( PMP-1), seleccione Standard (3 point) de la lista de opciones Pump Type. Ingrese la elevación de la bomba y la curva de descarga como indica la tabla 4.9 Además note que la bomba tiene una tubería aguas arriba y una aguas abaja para definir la dirección. Si la tubería estuviera en dirección equivocada, solamente debe hacer clic en botón Reverse para cambiar el sentido. En este ejemplo, la tubería aguas arriba debe ser FM-1 y la tubería aguas abaja deber FM-2. Cierre el cuadro de diálogo presionando OK.

Tabla 4.9 Datos para la bomba ( Pump )

Pump PMP-1

Elevation (m) 7.8

Pump Type Standard 3 point

Shutoff Design Max. Operating

Head ( m) 53.33 40 0

Discharge (m3/min) 0 30 60

Para la junta de presión J-1. Ingrese el valor para la elevación como indica la tabla 4.10

Tabla 4.10 Datos para la junta de presión ( Presure Junction ) Presure Junction J-1

Elevation (m) 7.6

c) Ingresando datos mediante Flex Tables Para emplear este esta opción pulse el botón Tabular Reports en la barra de herramientas, y de la ventana Table Manager (ver figura 4.6) seleccionar Gravity Pipe Report (Reporte de Tuberías a gravedad), pulse el botón OK. La figura 4.7 muestra la tabla de ingreso de datos para las tuberías de gravedad.


Para cada tubería de gravedad ingrese las elevaciones de la solera aguas arriba ( Upstream I nvert Elevation) y elevaciones de la solera aguas abajo ( Downstream I nvert Elevation), tamaño de la sección, tipo y material de la tubería, como indica la tabla 4.11. Si las tuberías no están en orden alfanumérico en la tabla, haga clic derecho en la columna Lebel, seleccione Sort/Ascending del menú que aparece.

Tabla 4.11 Datos para tuberías de gravedad Gravity Pipe

Length (m)

Bend Angle (radians)

P-1 P-2 P-3

100 70 100

0 0 0.8

Section Type

Material

Circular Circular Circular

Concreto Concreto Concreto

Section Shape

Upstream Invert Elevation (m)

Downstream Invert Elevation (m)

200 200 200

10 9.5 10

9.5 8 9.5

En la ventana de F lex Table es fácil agregar otra columna. Para aumentar, por ejemplo, el coeficiente de rugosidad predefinido, que ha sido seleccionado en base al material escogido, primero pulse el botón Options ubicado en la parte superior de la tabla y seleccione Table Manager del menú desplegable. Resalte Gravity Pipe Report , haga clic en el botón Table Management , y seleccione Edit . Encuentre la columna de Mannings en la lista Available Columns y haga dobre clic en ella. El coeficiente n de Manning se presentará al final de la lista de las columnas seleccionadas. Pulse Ok para cerrar la ventana Table Setup. Pulse OK en el diálogo de Table Manager para regresar a Gravity Pipe Fex Table. Los valores de n de Manning se despliegan en la última columna del informe.


Para las tuberías a presión se elige Presure pipe Report del cuadro Table Manager, y desplegará la ventana que indica la figura 4.8, donde se introducirá los datos descritos en la tabla 4.12

Tabla 4.12 Datos para tuberías a presión Pressure Pipe

Material

Diameter (mm)

FM-1 FM-2 FM-3

Ductil Iron Ductil Iron Ductil Iron

200 200 200

Upstream Invert (m) 6 7.8 7.6

Downstream Invert (m) 7.8 7.6 7.8

Length (m) 1 200 100

d) Cargando En SewerCAD la carga está caracterizado como Carga en tiempo seco o como carga en tiempo húmedo. Las cargas en tiempo seco ocurre independientemente del clima, como ser el agua perdida en los empotramientos. Las cargas en tiempo húmedo como ser infiltración de tuberías esta relacionado directamente con la precipitación en el área. SewerCAD define las cargas mediante: Unit Dry Weather Load, que representa la dotación o la cantidad de carga que cada habitante contribuye al alcantarillado sanitario Loading Unit Count que seria el número de unidades o los habitantes. La carga total sería la Carga unitaria ( Unit Dry Weather Load ) multiplicada por el número de unidades (Loading Unit Count ) Las cargas pueden ser aplicadas a las cámaras, pozos húmedos y juntas. Para acceder a los datos de carga de un elemento, abra el editor del nudo de interés (Por ejemplo para MH-1 ) y seleccione la pestaña Loading. ( figura 4.9 ). Haga clic en la columna Unit Dry Weather Load, haciendo clic en la flecha hacia abajo que aparece, seleccione Apartament ( Departamento ), e ingrese los datos de la tabla 4.13. Para ingresar los datos del número de habitantes haga clic en la columna L ding Unit Count


Tabla 4.13 Datos para las cargas Node MH-1 MH-2 WW-1 JC-1

Unit Dry Weather Load

Loading Unit Count

Loading Unit

Apartament Home ( Avarage ) Home ( Better ) Resort Hotel ( Residential ) Theater Shopping Center per Employee School ( Medium )

2000 3000 2000 2000 1000 200 60 500

Resident Resident Resident Guest Guest Customer Employee Student


e) Factores de flujo Extremo Una vez que todas las cargas han sido llenadas se debe especificar cómo se relacionarán con la carga pico. Esto se realiza a través de E xtreme F low Setup Manager, el cual es accedido mediante el menú Análisis y el comando E xtreme Flows. En la ventana E xtreme Flow Setup Manager , haga doble clic en Base Flow Setup. En el cuadro que aparece ( ver figura 4.10 ) se especifica que método de Flujo Extremo es aplicado y cualquier constante asociada y multiplicadores de ajuste. Para aplicar un método de flujo extremo a una unidad de carga, haga clic en la columna E xtreme Flow Method y seleccione el método que se empleará. Para el ejemplo, aplique la ecuación de Babbit a todas la unidades de carga usadas. Cierre la ventanas pulsando OK.

f) Datos de infiltración para considerar la infiltración en al tubería de gravedad P-1, abra el editor de la tubería y pulse el botón en la etiqueta I nfiltration la sección Pi pe Length aparecerá, en esta sección, seleccione I nfiltration Loading Uni t entonces escriba una razón de infiltración por unidad de longitud, como el indicado en la tabla 4.14.

Tabla 4.14 Datos para la infiltración Gravity Pipe

Infiltration type

Infiltration Unit

P-1 P-2 P-3

Pipe length Pipe length Pipe length

m m m

Infiltration Rate per Loading ( l/d ) 0.25 0.05 003


g) Analizando el Sistema Presione el botón GO para llamar el cuadro de diálogo Calculation. (figura 4.11) Asegúrese que el tipo de calculo esté marcado en Analysis. También seleccione el botón Backwater Analysis análisis del remanso. Pulse el botón GO para comenzar el análisis, una vez completado el cálculo, un informe de resultado se despliega (ver figura 4.12). Se debe tomar en cuenta que la luz en la ventana indica se hubo alguna advertencia o problemas. La luz verde indica ninguna advertencia o falla, la luz amarilla indica advertencia, mientras que la luz roja indica problemas. Una vez revisado el resumen de resultados, se puede acceder a los reportes de los resultados desde el menú Report. La figura 4.13 muestra la vista preliminar de un reporte de resultados.


Figura 4.12 Resumen de resultados


4.13 Problemas Resueltos. Ejemplo 4.1 Calcular el caudal máximo horario Q max para el colector que sirve a un área de 0.23 Ha. Por las características de la región se establece una dotación de 100 l/hab/día. La región cuenta con una densidad poblacional D = 150 hab/Ha. Solución: El cálculo de la población se emplea la ecuación 4.2: P = D A = 150 ⋅ 0.23

⇒

P = 35 hab.

El caudal medio Q m es calculado mediante la ecuación 4.1, se asume un coeficiente de retorno C = 0.6:

Qm

=

0.6 ⋅ 35 ⋅ 100 = 0.0243 l / s 86400

Se empleará el coeficiente de punta M de Gifft, debido a que no tiene limitaciones poblacionales (ecuación 4.7): M =

5 0.167

 35     1000 

= 8.750

Entonces el caudal máximo Q max se determinará con la ecuación 4.3: Qmax

= 8.750 ⋅ 0.0243 = 0.213 l s


Ejemplo 4.3: Uno de los tramos de la red de alcantarillado tiene una longitud de 80 m. Calcular el caudal de diseño para este colector, tomando en cuenta los siguientes datos: -

Población de influencia para el colector = 50 Hab. Coeficiente de retorno C = 80 % Dotación = 150 l/hab/día. Se empleará tubos de concreto. El nivel freático en el tramo es alto. Considerar un 10 % del caudal máximo, por conexiones erradas.

Solución: Mediante la ecuación 4.1 se determina el caudal medio Q m :

Qm

=

0.8 ⋅ 50 ⋅ 150 = 0.0694 l / s 86400

Se empleará la ecuación de Babbit ( ecuación 4.6 ) para el cálculo del coeficiente de punta:

M =

Entonces el caudal máximo:

5 = 22.40 0.5  50     1000  Qmax

= 22.40 ⋅ 0.0694 = 1.55 l s

Por seguridad se calcula el caudal por malas conexiones:


Ejemplo 4.4: Verificar si en un colector, de alcantarillado sanitario, el escurrimiento es suficiente para transportar los sedimentos depositados. El colector tiene un diámetro de 150 mm, situado sobre una pendiente de 0.008 m/m, con un caudal de diseño de 2 l/s. Solución: Con la ecuación de Manning se calcula el caudal a tubo lleno (ecuación 3.20): 8/3

0.312  150  Q= ⋅  (0.008)1 / 2 = 0.01363 m 3 s = 13.63 l / s 0.013  1000  El radio hidráulico correspondiente a sección llena será: Rh =

D

4

= q

Se calcula la relación

Q

0.15 = 0.0375 m 4

=

2 = 0.146 13.63

De la figura 3.7 se obtienen la siguiente relación: rh Rh

= 0.604 ⇒

rh = 0.604 ⋅ 0.0375 m =

0.023 m

Para realizar la verificación se calculará la fuerza tractiva, mediante la ecuación 4.10, considerar que el peso específico del agua γ = 1000 Kg/m3.: τ

= 1000 ⋅ 0.023 ⋅ 0.008 = 0.181 Kg / m 2


Ejemplo 4.5: Diseñar el sistema de alcantarillado sanitario, para un sector de una urbanización muestra en la figura adjunta. Considerar una población de diseño de 6593 habitantes, sobre un área total de 13.5 hectáreas. El consumo de agua potable es de 215 l/hab/día, considerar un coeficiente de retorno del 80%. El coeficiente de infiltración adoptado será de 0.5 l/s/Km, considerar además un caudal por conexiones erradas correspondiente al 20 % del caudal máximo. Para el cálculo del coeficiente de punta se empleará la fórmula de Harmon.


Solución: Una vez determinada la ubicación de los colectores, numeradas la cámaras de inspección y determinadas las áreas de influencia ,se llena la planilla de cálculo (ver tabla 4.15), siguiendo el mismo procedimiento del ejemplo descrito en la sección 4.11.



4.14 Problemas Propuestos. 4.1.- Calcular el caudal de diseño para un colector que tiene una longitud de 90 m y sirve a un área de 0.18 Ha. Considerar una población de diseño de 700 habitantes, sobre un área total de 4.5 hectáreas. El consumo de agua potable es de 210 l/hab/día, considerar un coeficiente de retorno del 70%. El coeficiente de infiltración adoptado será de 1 l/s/Km, el caudal por conexiones erradas correspondiente al 10 % del caudal máximo. Para el cálculo del coeficiente de punta se empleará la fórmula de Babbit. 4.2.- Para un colector que tiene un diámetro de 200 mm, dispuesto en una pendiente de 0.002 m/m, con un caudal de diseño de 2 l/s. Calcular la velocidad real de escurrimiento, en caso de que esta velocidad sea menor a la mínima permisible, estudiar las posibilidades de solución. 4.3.- En el diseño de una alcantarilla que tendrá un caudal de diseño de 2.5 l/s, se desea averiguar si el tirante de escurrimiento cumple con las condiciones mínimas. Se empleará una tubería de concreto de 250 mm de diámetro en una pendiente de 0.0051 m/m. 4.4.- Para el plano mostrado en la figura 4.14, diseñar el sistema de alcantarillado sanitario, con los siguientes datos: -

Población de diseño = 521 hab. Area total del proyecto = 3.64 Ha. Dotación = 90 l /hab. / día Coeficiente de retorno = 80 % Emplear la ecuación de Harmon para el coeficiente de punta. Coeficiente de infiltración = 2 l /s / Km. Caudal por malas conexiones = 10% del caudal máximo.



4.5.- Diseñar el sistema de alcantarillado sanitario para el plano mostrado en la figura 4.15, en el cual ya se han dispuesto los colectores y la numeración de los nudos. El número de habitantes que influye sobre cada colector también ha sido calculado, considerar además los siguientes datos: -

Dotación = 200 l /hab. / día Coeficiente de retorno = 80 % Emplear la ecuación de Gifft para el coeficiente de punta. Coeficiente de infiltración = 0.5 l /s / Km. Caudal por malas conexiones = 10% del caudal máximo. Coeficiente de rugosidad n = 0.011



Figura 4.2 Plano

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