3.1. Diseño y cálculo de líneas por gravedad. Se presenta cuando la elevación del agua en la fuente de abastecimiento es mayor a la altura piezométrica requerida o existente en el punto de entrega del agua, el transporte del fluido se logra por la diferencia de energías disponibles. Las Líneas de conducción por gravedad Tiene dos variantes:
Por canales (sin presión), cuando la línea piezométrica coincide con la superficie del agua (Figuras 3.1.a y 3.1.b). Por tuberías (a presión), cuando la línea piezométrica queda por arriba del lomo de los conductos (Fig. 3.2.a y 3.2.b).
CONDUCCIÓN POR GRAVEDAD CANALES. CANALES. En estos casos el gradiente hidráulico coincide con la superficie libre del líquido que circula por ellos, ya que no tienen variaciones en su presión, sino que conservan la presión atmosférica. Lo que caracteriza a un canal abierto o cerrado es que el agua escurre a la presión atmosférica, es decir, que la línea piezométrica coincide con la superficie libre del agua. La elección de este tipo de obra depende de la disponibilidad suficiente de agua en la fuente, del clima, de la topografía, topo grafía, de la constitución geológica geol ógica del terreno en que se va alojar y el tipo de cooperación ofrecida por la localidad respecto a mano de obra; pues como la conducción debe tener la capacidad suficiente para llevar el gasto máximo diario, el canal debe conducir un gasto mayor en previsión a las perdidas por filtración y evaporación (disponibilidad de agua, geología, clima). La influencia topográfica se acusa en la inaccesibilidad a la línea para llevar materiales hasta el sitio de su instalación, influye asimismo en el que el convenio para su ejecución de la obra se estipule como cooperación de la mano de obra de la localidad, esto posiblemente no reduzca el costo de excavación y relleno, pero si allana considerablemente la dificultad para encontrar mano de obra segura Para que se utilice la distribución por gravedad, es necesario que la fuente de suministro sea larga o un embalse, este situado en algún punto elevado respecto a la ciudad, de manera que pueda mantenerse una presión suficiente en las tuberías principales. Este método es el mas aconsejable si la conducción que une la fuente con la ciudad es de tamaño adecuado y esta bien protegida contra roturas accidentales. La línea de conducción son ductos que siguen la topografía del terreno y trabajan a presión. Al diseñar diseñar una línea línea de de conducción conducción por gravedad, gravedad, uno debe de tener tener muy en en cuenta cuenta el cálculo de la línea piezométrica (Línea de energía) y la línea de gradiente hidráulico (presión + elevación). Pues se debe cuidar que la línea de gradiente
hidráulico se encuentre siempre por encima del eje de tubería, evitando así presiones negativas en la línea. CONDUCCIÓN POR GRAVEDAD. TUBERÍAS.
Para el proyecto de líneas de conducción a presión se deben t omar en cuenta los siguientes factores principales: Topografía El tipo y clase de tubería por usar en una conducción depende de las características topográficas de la línea. Es conveniente obtener perfiles que permitan tener presiones de operación bajas, evitando también tener puntos altos notables.
Afectaciones Para el trazo de la línea se deben tomar en cuenta los problemas resultantes por la afectación de terrenos ejidales y particulares. De ser posible se utilizaran los derechos de vías de cauces de agua, caminos, ferrocarriles, líneas de transmisión de energía eléctrica y linderos.
Clase de terreno por excavar (Geotecnia) En general, las tuberías de conducción deben quedar enterradas, principalmente las de asbesto cemento y PVC.
Cruzamientos . Durante el trazo topográfico se deben localizar los sitios más adecuados para el cruce de caminos, vías férreas, ríos, etc.
Normas de calidad y comportamiento de tuberías. Si el gasto disponible de la fuente es menor al gasto máximo diario que requiere la población, es necesario buscar otra fuente de abastecimiento complementaria para proporcionar la diferencia faltante. Tomando en cuenta que el tiempo de funcionamiento de la conducción por gravedad es de 24 horas, el gasto faltante se obtiene con la expresión :
Otro factor muy importante a tomarse en cuenta es la selección de la tubería para la línea de conducción, esta se debe soportar la presión mas alta que pueda presentarse en la línea de conducción. Generalmente la presión mas alta no se
presenta cuando el sistema esta en operación, sino cuando la válvula de salida se encuentra cerrada y se desarrollan presiones hidrostáticas. También las presiones pueden elevarse mucho cuando se presenta un golpe de ariete (por cierre súbito de una válvula o porque una bomba deja de funcionar) que genera una sobrepresión. Los pasos a seguir para el diseño de una línea de conducción por gravedad trabajando a presión son:
PASO 1: TRAZO PLANIMETRICO. Obtener un plano topográfico de la región, con curvas de nivel espaciadas razonablemente y, en su defecto, hacer estudios topográficos siguiendo distintas rutas en dicha región, que nos permitan estudiar el trazado que nos dé la línea de conducción más económica, o sea la más corta y de menor diámetro; generalmente este es el resultado de varios tanteos. La conducción sigue los accidentes del terreno y, si se usan tubos de asbesto-cemento o PVC, va enterrada en una zanja, como medida de protección contra los agentes exteriores. (Figura 3.2.a). Los cambios de dirección, tanto en el plano horizontal como en el vertical, deben efectuarse por medio de curvas suaves, utilizando la deflexión que permite las uniones de los distintos tipos de tubos.
PASO 2: TRAZO ALTIMETRICO Debe hacerse un estudio del trazado en un plano vertical, es decir, debe construirse un perfil de dicho trazado. Por medio de esta representación gráfica podremos conocer los accidentes topográficos presentes y sus dificultades; las posiciones relativas de la tubería con el terreno y con relación a la línea piezométrica, etc. Debe tenerse especial cuidado de que la línea de conducción se encuentre siempre por debajo de la línea piezométrica.
La (Fig. 3.2.b) muestra una conducción mal trazada, que tendrá presión negativa (vació) en los lugares que se encuentran sobre la línea piezométrica. Evidentemente, en los puntos C y D, en donde la línea piezométrica corta a la tubería, la carga de presión se iguala a la atmosférica. Si la velocidad del agua no es suficientemente grande, en el punto E se desprenderá el aire que lleva siempre disuelto el agua, con mayor facilidad que el caso que ya hemos estudiado antes, en que la línea piezométrica está por encima de la tubería en un punto alto. Además, el aire puede entrar por las juntas imperfectas de la tubería entre los puntos C y D. Este aire modificará la línea piezométrica pasará de la posición HF a la HE. Como el gasto que circula por toda la tubería es el mismo, la línea piezométrica en su parte inferior tendrá que ser paralela a HE y, por tanto, la tubería entre E Y G estará sometida a la presión atmosférica y no trabajara a sección llena.
CALCULO HIDRÁULICO: Una vez estudiado el trazo planimétrico y altimétrico de la conducción, se procede a calcular su diámetro. El diámetro probable de una línea de conducción se puede determinar por las expresiones:
Diámetro Teórico = D = (3.21 Qn/ S^1/2)^3/8 Donde: Q = Gasto en m3 p.s. D = Diámetro del tubo en m. n = Coeficiente de rugosidad S = Pendiente hidráulica = Desnivel topográfico / Longitud de la línea = Hf / L o también aplicando la expresión: Diámetro Teórico = D = 1.2 a 1.5 Q^1/2 Donde: D = Diámetro Teórico en pulgadas Q = Gasto máximo diario en m3/seg. Para sistemas de abastecimiento de nivel rural se tomará 1.2 Para sistemas de nivel urbano se tomará 1.5 Para calcular la pérdida de carga por fricción aplicaremos la ecuación de Manning, la cual procederemos a deducirla, partiendo de la velocidad por medio de Manning y de la ecuación de continuidad. V = 1/n * r^2/3 * s^1/2 La pérdida de carga por fricción se tiene: Hf = K. L. Q^2 Fórmula que nos permite calcular las pérdidas de carga por fricción por medio de Manning. Donde: hf = Pérdida por fricción, en metros. L = Longitud de la tubería, en metros Q = Gasto de conducción, en m³/seg. K = Constante cuyo valor se obtiene de la tabla 3.1.2 de la página 165, entrando con el valor del coeficiente (n ) de rugosidad de Manning y con el diámetro comercial.
SECUELA DE CALCULO. 1).- Si se parte del principio de que el diámetro económico es aquel cuya pendiente de su gradiente hidráulico, sigue la pendiente topográfica sin clavarse en el terreno y sin alejarse demasiado del mismo, se puede establecer que:
S= H/ L ; valores conocidos S = K * Q^2 donde: K= S/Q^2 El valor de " K " calculado, puede corresponder o no a un diámetro comercial para lo cual se debe recurrir a la (Tabla 3.1.2 pagina 165), donde ya se tiene tabulados los valores de " K " para diferentes diámetros y condiciones de rugosidad ( n). Si al buscar en ésta el valor calculado coincide con uno de la tabla, el diámetro se tendrá como único. En caso contrario, deberán adoptarse los valores inmediatos superior e inferior que corresponden a otros tantos diámetros, continuando con el proceso para calcular L1 y L2. 2).- Con los valores de K1 y K2 encontrados en la tabla respectiva se determina.
3).- Finalmente se calculará las pendientes hidráulicas, por las expresiones:
H = Diferencia de energía disponible entre la cota de la fuente de abastecimiento y la cota del terreno natural en donde se localiza el tanque de regularización. S1 y S2 = Pendiente de los gradientes hidráulicos, en los tramos L1 y L2 de diámetro Ø1 y Ø2.
MATERIALES. TUBERÍAS: La gran mayoría de las conducciones para agua potable, están formadas por tuberías prefabricadas; solamente en casos especiales y para grandes caudales se fabrican en el sitio. Según la presión a la que se conduce el agua, así es el tipo y material de la tubería seleccionada; en general se emplean tuberías de concreto, Fibrocemento, acero, polietileno (PVC), Tubacero, extrupak, fierro galvanizado y fierro fundido.
Tuberías de concreto Las tuberías de concreto pueden ser simples o armadas; las primeras se emplean para aguas sin presión y hasta diámetros de 0.60 m; las segundas para diámetros mayores de 0.60m y cuando se conduce agua a presión.
El refuerzo puede consistir en varillas de acero colocadas en anillos individuales o corridas como resorte para absorber los esfuerzos en tensión, que van apoyadas en otras varillas longitudinales que al mismo tiempo que sujetan el esfuerzo principal, absorben los esfuerzos longitudinales debido a cambios de temperatura, flexión y manejabilidad. La durabilidad de la tubería de concreto es de unos 75 años. Con la edad disminuyen los coeficientes de fricción en la formula de Hazen – Williams, se puede suponer de 130 al principio, de 110 después de 10 años de uso, 100 a los 20 y 80 en los siguientes. La velocidad recomendada para evitar erosión y grandes pérdidas por fricción en esta clase de tubos varía de 1.00 a 1.50 m/seg.
Tuberías de asbesto – cemento El asbesto cemento ha venido usándose con ventaja sobre gran parte de otros materiales por resultar tuberías con costos relativamente bajos, rápida y fácil colocación y mínima necesidad de conservación, además de presentar la ventaja de poderse cortar y perforar con suma facilidad, no obstante a su alta resistencia. Se construyen en longitudes de 4 m. para diámetros de 76 mm ( 3”) hasta 914 mm (36 “) y en cuanto a tipos de nominados A -5, A.7, A-10 y A-14 indicando el número la presión de trabajo en atmósferas. La velocidad recomendable varía de 0.60 m/seg en los diámetros más chicos hasta de 1.50 m/seg en los diámetros mayores. La durabilidad de estas tuberías se estima entre 75 y 100 años.
Tuberías de acero. Este tipo de tubería se recomienda en los casos de conducción de agua a elevadas presiones y para velocidades hasta de 5 a 6 m/seg para lograr diámetros menores y por lo tanto mayor economía. Los tubos están formados por placas de acero remachadas o soldadas, prefiriéndose actualmente este último sistema. Los tubos de acero se fabrican con diámetros desde 4.5 pulgadas (114.3 mm) hasta 48 pulgadas (1219 mm). Su producción está sujeta a un estricto control de calidad que toma en cuenta las normas D6N-B –177 y B-179-1978. Las tuberías de acero son recomendables para líneas de conducción cuando se tienen altas presiones de trabajo.
Tubería de polietileno La tubería plástica de cloruro de polivinilo (P.V.C), se está empleando con grandes ventajas para conducción de agua potable.
Es muy resistente a la acción de diversos productos químicos; no imparte olores ni sabores al agua; su poco peso facilita su transporte y colocación. Ofrece poca resistencia al escurrimiento. Se le estima una vida útil de 50 años.
3.3. Diseño de cruceros y accesorios
DISEÑO DE CRUCEROS. PROYECTO DE CRUCEROS. La elaboración del plano de cruceros, para una Línea de conducción, constituye una de las etapas del proyecto, que requieren más trabajo. Para la formación de este plano de cruceros se recomienda seguir los siguientes pasos: 1.- Se numerarán en el plano de la línea de conducción todos los cruceros de proyecto, es decir, todos aquellos puntos de la línea de conducción, en donde se requiere proyectar la instalación de nuevas piezas especiales y/o válvulas. 2.- En una cuadricula (generalmente de 6 x 6 cm.) se dibujará detalladamente cada crucero, con las piezas especiales requeridas (existentes o de proyecto), representadas por sus signos convencionales. 3.- Al finalizar el proyecto de los cruceros, se recomienda revisarlos, marcando con algún color, tanto en el plano de la red, como en el plano del crucero, los números de los cruceros bien proyectados. Los objetivos que se persiguen al elaborar el plano de cruceros son: Proporcionar al Ingeniero Constructor, una guía para la formación de los cruceros de la red. Cuantificar las piezas especiales y válvulas, para las compras de las mismas. Poder elaborar el presupuesto de la red, para estimar el costo que tendrá la misma.
Bibliografía:
Rodríguez
Ruiz,
Pedro,
2001,
Abastecimiento
de
Agua,
INSTITUTO
TECNOLOGICO DE OAXACA http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/lic/deschamps_g_e/capitulo3.pdf
