ESCUELA COLOMBIANA DE INGENIERIA
ALCANTARILLADOS
ALCANTARILLADOS ALCANTARILLADO S ALCANTARILLADO PLUVIAL
Áreas de drenaje El trazado de la red de drenaje de aguas lluvias debe, en general, seguir las calles de la localidad. La ex exte tens nsió ión n y la lass ca cara raccte terrís ísti tica cass de las ár áreeas tributarias deben determinarse para cada tramo por diseñar. Las áreas de drenaje deben ser determinadas por medición directa en planos, y su delimitación debe ser consistente con las redes de drenaje natural.
ALCANTARILLADOS ALCANTARILLADO S ALCANTARILLADO PLUVIAL
Caudales de aguas lluvias La determinación de los caudales de aguas lluvias para colectores y canales se debe realizar mediante media nte model modelos os de lluvi lluviaa – escorrentía, escorrentía, basados en modelos que estimen abstracciones. Se puede utilizar el método racional para áreas menores a 80 Ha.
ALCANTARILLADOS ALCANTARILLAD OS
ALCATARILLADO PLUVIAL
Caudal de diseño
Para la estimación del caudal de diseño puede utilizarse el método racional, el cual calcula el caudal pico de aguas lluvias con base en la intensidad media del evento de precipitación con una duración igual al tiem ti empo po de co conc ncen entr trac ació ión n de dell ár área ea de dr dren enaj ajee y un co coef efic icie ient ntee de escorrentía. La ecuación del método racional es
Q
C x Ix A
ó Q
2.78 C x I x A
Donde Q es el caudal en L/s C es el coeficiente de escorrentía adimensional I la la intensi intensidad dad de la la lluvia lluvia en L/s L/s Ha Ha ó en en mm/h mm/h
ALCANTARILLADOS ALCANTARILLAD OS
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Caudal de diseño
De acuerdo con el método método racional, el caudal caudal pico ocurre cuando cuando toda el área de drenaje está contribuyendo, y éste es una fracción de la precipitación media bajo las siguientes suposiciones: 1. El caudal pico en cualquier punto es una función directa de la intensidad i de la lluvia, durante el tiempo de concentración para ese punto. 2. La frecuencia de ocurrencia del caudal pico es la misma que la frecuencia media de la precipitación. 3. El tiempo de concentración concentración está implícito en la determinación determinación de la intensidad media de la lluvia por la relación anotada en el punto 1 anterior.
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Caudal de diseño Curvas de intensidad-duración-frecuencia – Se
deben utilizar las curvas IDF de cada localidad o región en particular y verificar su validez. Si no existen o no contemplan datos del último quinquenio, se deben obtener a partir de información pluviográfica de la zona, incluyendo los datos más recientes. Para obtener las curvas se deben emplear análisis puntuales de frecuencia de eventos extremos máximos. – En caso de no poderse obtener las curvas IDF se podrán obtener por métodos sintéticos, obtenidos a partir de información pliviográfica colombiana. El análisis debe incluir los cambios en la intensidad de la lluvia producidos por fenómenos de variabilidad y cambio climático.
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Caudal de diseño
Periodo de retorno de diseño El periodo de retorno de diseño debe determinarse de acuerdo con la importancia de las áreas y con los daños, perjuicios o molestias que las inundaciones periódicas puedan ocasionar a los habitantes, tráfico vehicular, comercio, industria, etc. La selección del periodo de retorno está asociada entonces con las características de protección e importancia del área de estudio y, por lo tanto, el valor adoptado debe estar justificado. En la tabla se establecen valores de periodos de retorno o grado de protección.
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Caudal de diseño Periodo de retorno de diseño
ALCANTARILLADOS ALCATARILLADO PLUVIAL
Caudal de diseño Periodo de retorno de diseño
En los casos en los cuales el caudal que exceda el caudal de diseño tenga la posibilidad de verter por una ladera o escarpe con potencialidad de desestabilización del terreno y deslizamientos, debe considerarse el aumento del periodo de retorno. Para las canalizaciones y canales es necesario proveer un borde libre que debe incrementar la capacidad total de conducción de agua. Es necesario verificar en la corriente receptora efectos de remanso y reflujo.
ALCANTARILLADOS ALCATARILLADO PLUVIAL Caudal de diseño
Intensidad de precipitación La intensidad de precipitación que debe usarse en la estimación del caudal pico de aguas lluvias corresponde a la intensidad media de precipitación dada por las curvas IDF para el periodo de retorno de diseño, y una duración equivalente al tiempo de concentración de la escorrentía.
ALCANTARILLADOS ALCATARILLADO PLUVIAL Caudal de diseño Coeficiente de escorrentía
El coeficiente de escorrentía, C, es función del tipo de suelo, del grado de permeabilidad de la zona, de la pendiente del terreno y otros factores que determinan la fracción de la precipitación que se convierte en escorrentía. En su determinación deben considerarse las pérdidas por infiltración en el suelo y otros efectos retardadores de la escorrentía.
ALCANTARILLADOS ALCATARILLADO PLUVIAL Caudal de diseño Coeficiente de escorrentía
De igual manera, debe incluir consideraciones sobre el desarrollo urbano, los planes de ordenamiento territorial y las disposiciones legales locales sobre uso del suelo. El valor del coeficiente C debe ser estimado tanto para la situación inicial como la futura, al final del periodo de diseño.
ALCANTARILLADOS ALCATARILLADO PLUVIAL Caudal de diseño Coeficiente de escorrentía
Para áreas de drenaje que incluyan subáreas con coeficientes de escorrentía diferentes, el valor de C representativo del área debe calcularse como el promedio ponderado con las respectivas áreas.
C
CxA
AT
ALCANTARILLADOS ALCATARILLADO PLUVIAL Caudal de diseño Coeficiente de escorrentía
Para la estimación de C existen tablas de valores y fórmulas, algunas de las cuales se presentan en la tabla como guía para su selección. La adopción de determinados valores debe estar justificada.
ALCANTARILLADOS ALCATARILLADO PLUVIAL Caudal de diseño
Coeficiente de escorrentía o impermeabilidad Tipo de superficie
C
Cubiertas
0,75-0,95
Pavimentos asfálticos y superficies de concreto
0,70-0,95
Vías adoquinadas
0,70-0,85
Zonas comerciales o industriales
0,60-0,95
Residencial, con casas contiguas, predominio de zonas duras
0,75
Residencial multifamiliar, con bloques contiguos y zonas duras entre éstos
0,60-0,75
Residencial unifamiliar, con casas contiguas y predominio de jardines
0,40-0,60
Residencial, con casas rodeadas de jardines o multifamiliares apreciablemente separados
0,45
Residencial, con predominio de zonas verdes y parques-cementerios
0,30
Laderas sin vegetación
0,60
Laderas con vegetación
0,30
P
i
l
0 20 0 35
ALCANTARILLADOS ALCATARILLADO PLUVIAL Caudal de diseño
Tiempo de concentración
El tiempo de concentración está compuesto por el tiempo de entrada y el tiempo de recorrido en el colector. El tiempo de entrada corresponde al tiempo requerido para que la escorrentía llegue al sumidero del colector, mientras que el tiempo de recorrido se asocia con el tiempo de viaje o tránsito del agua dentro del colector
T C
T e
T t
ALCANTARILLADOS ALCATARILLADO PLUVIAL Caudal de diseño Tiempo de concentración
Tiempo de entrada, Te Existen varias fórmulas para estimar el tiempo de entrada. La ecuación de la FAA de los Estados Unidos se utiliza frecuentemente para la escorrentía superficial en áreas urbanas. Esta ecuación es T e
0 . 707 1 . 1
0 .5
C L
1/3
S
Donde C es el coeficiente de escorrentía L la distancia de recorrido y S la pendiente media.
ALCANTARILLADOS ALCATARILLADO PLUVIAL Caudal de diseño Tiempo de concentración
Tiempo de entrada, Te
La fórmula de Kerby también permite estimar Te T e
L m
0 .4 6 7
1 .44 0 .5 S
m puede ser estimado a partir del tipo de superficie, con base en los valores de la tabla.
ALCANTARILLADOS ALCATARILLADO PLUVIAL Caudal de diseño Tiempo de concentración
Tiempo de entrada, Te Coeficiente de retardo
Tipo de superficie
m
Impermeable Suelo sin cobertura, compacto y liso Superficie sin cobertura moderadamente rugosa Pastos Terrenos arborizados Pastos densos
0,02 0,10 0,20 0,30 0,70 0,80
ALCANTARILLADOS ALCATARILLADO PLUVIAL Caudal de diseño Tiempo de concentración
Tiempo de entrada, Te El Soil Conservation Service (SCS) propone estimar Te con base en la velocidad media de escorrentía superficial sobre el área de drenaje y la distancia de recorrido T E
L
60V s
Vs puede aproximarse por V s
aS
0 .5
ALCANTARILLADOS ALCATARILLADO PLUVIAL Caudal de diseño Tiempo de concentración
Tiempo de entrada, Te
a es una constante que depende del tipo de superficie, tal
como se muestra en la tabla Constante a de velocidad superficial Tipo de superficie
Bosque con sotobosque denso Pastos y patios Áreas cultivadas en surcos Suelos desnudos Áreas pavimentadas y tramos iniciales
a
0,70 2,00 2,70 3,15 6,50
ALCANTARILLADOS ALCATARILLADO PLUVIAL Caudal de diseño Tiempo de concentración
Tiempo de recorrido, Tt El tiempo de recorrido en un colector se puede calcular como
T T
LC
60V
ALCANTARILLADOS ALCATARILLADO PLUVIAL Caudal de diseño Tiempo de concentración
Tiempo de recorrido, Tt Dado que Tt debe corresponder a la velocidad real del flujo en el colector, el tiempo de concentración puede determinarse mediante un proceso iterativo, tal como se describe a continuación: 1. Suponer un valor de la velocidad real en el colector. 2. Calcular Tt. 3. Calcular Te. 4. Obtener Tc. 5. Obtener i para este valor de Tc y el periodo de retorno adoptado. 6. Estimar Q con el método racional. 7. Con este valor de Q, estimar Tt real; si el valor de Tt estimado en el paso 2 difiere en más de 10% por defecto o exceso con respecto al valor calculado
ALCANTARILLADOS ALCATARILLADO PLUVIAL Caudal de diseño Tiempo de concentración
El tiempo de entrada se debe calcular de acuerdo con las características del área de drenaje. Se debe realizar una simulación para tiempos de concentración mínimos de entre 3 y 10 minutos y evaluar la incidencia de adoptar uno u otro valor.
ALCANTARILLADOS ALCATARILLADO PLUVIAL Caudal de diseño Tiempo de concentración
Si dos o más colectores confluyen a la misma estructura de conexión, debe considerarse como tiempo de concentración en ese punto el mayor de los tiempos de concentración de los respectivos colectores.
ALCANTARILLADOS TRAZADOS DE ALCANTARILLADOS El trazado de los alcantarillados se debe ajustar a las condiciones topográficas de la población a la que debe servir y a la ubicación relativa de las fuentes receptoras, por esta razón no existe una regla general que pueda seguirse a con el fin de realizar un trazado. Sin embargo se pueden tipificar alguno trazados que con alguna frecuencia se presentan.
ALCANTARILLADOS TRAZADOS DE ALCANTARILLADOS El trazado sin interceptor
ALCANTARILLADOS TRAZADOS DE ALCANTARILLADOS El trazado con interceptor
ALCANTARILLADOS TRAZADOS DE ALCANTARILLADOS El trazado con interceptor y aliviadero
ALCANTARILLADOS TRAZADOS DE ALCANTARILLADOS El trazado en abanico
ALCANTARILLADOS TRAZADOS DE ALCANTARILLADOS El trazado en bayoneta
ALCANTARILLADOS TRAZADOS DE ALCANTARILLADOS Clasificación de los colectores
ALCANTARILLADOS TRAZADOS DE ALCANTARILLADOS Materiales para los colectores – Los colectores se fabrican en concreto simple, concreto reforzado, gres o arcilla vitrificada, Fibras de vidrio con recubrimientos epóxicos y PVC.
ALCANTARILLADOS TRAZADOS DE ALCANTARILLADOS Ubicación de los colectores
Los colectores de aguas lluvias se ubicarán sobre el eje de la calzada. – Los colectores del sistema sanitario deben ubicarse en uno de los cosatados, a una distancia de aproximadamente un cuarto del ancho de la calzada. – A una distancia mínima de 0.5 m de la acera y 1.5m del paramento, medida entre las superficies externas del conducto y el sardinel y el paramento, según corresponda. – Los cruces aéreos de cauces de agua deben proyectarse en puntos no susceptibles de socavación y deben ubicarse a 0.5 m por encima de la cota de aguas máximas calculado para un Tr de 100 años –
ALCANTARILLADOS TRAZADOS DE ALCANTARILLADOS El sistema esta conformado por tramos de tubería (colectores) y estructuras de unión llamados pozos de inspección que cumplen diferentes funciones:
– Permiten
cambios de dirección – Permiten cambios de pendiente – Permiten cambios de sección – Facilitan las labores de inspección mantenimiento – Posibilitan la limpieza del sistema – Airean el sistema
y
ALCANTARILLADOS TRAZADOS DE ALCANTARILLADOS Los pozos de inspección se construyen a unas distancias máximas que dependen del tipo de mantenimiento. Si el mantenimiento es manual se construyen máximo cada 100 a 120 m pero si el mantenimiento es mecánico o hidráulico los pozos se pueden distanciar hasta 200 m. Para el emisario final se pueden permitir hasta 300 m debido a que no hay adición de caudal
ALCANTARILLADOS TRAZADOS DE ALCANTARILLADOS Los pozos de inspección
Los pozos se pueden construir in situ o prefabricados. Los materiales pueden ser mampostería y concreto, fibro cemento, concreto reforzado y GRP. Constan de placa base Cañuela
Cilindro Reducción cónica
ALCANTARILLADOS TRAZADOS DE ALCANTARILLADOS Cámaras de caída
Son estructuras que cumplen las mismas funciones que los pozos de inspección, pero que son usados en sistemas de altas pendientes con el objeto de disipar altas energías cinéticas que erosionen las tuberías
ALCANTARILLADOS DISEÑO
ALCANTARILLADO SANITARIO Se debe realizar el diseño de la red de alcantarillado mediante el empleo de la formulación matemática que defina los diámetros, las pendientes y los parámetros mínimos hidráulicos de los conductos del sistema, el cual debe ser verificado mediante el empleo de una modelación hidráulica de las redes de alcantarillado, mediante el uso de un programa que permita modelar el sistema, basado en ecuaciones de resistencia al flujo, con capacidad para simular flujo permanente y no permanente mediante la solución de las ecuaciones de SaintVenant.
ALCANTARILLADOS DISEÑO
ALCANTARILLADO SANITARIO Diámetro interno real mínimo En las redes de recolección y evacuación de aguas residuales, la sección circular es la más usual para los colectores, principalmente en los tramos iniciales. El diámetro interno real mínimo permitido en redes de sistemas de recolección y evacuación de aguas residuales tipo alcantarillado sanitario convencional es 200 mm (8 plg) con el fin de evitar obstrucciones de los conductos por objetos relativamente grandes introducidos al sistema.
ALCANTARILLADOS DISEÑO
ALCANTARILLADO SANITARIO Diámetro interno real mínimo El diámetro interno real mínimo permitido es de 170 mm. Para poblaciones de menos de 2.500 habitantes el diámetro interno real mínimo permitido es de 140 mm.
ALCANTARILLADOS DISEÑO
ALCANTARILLADO SANITARIO Velocidad mínima velocidad mínima permitida en La alcantarillados sanitarios es aquella que genere un esfuerzo cortante en la pared de la tubería mínimo de 1,0 Pa. Los criterios de velocidad y esfuerzo cortante deben determinarse para el caudal de diseño en las condiciones iniciales y finales del periodo de diseño.
El esfuerzo cortante medio está dado por la expresión R S
h
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ALCANTARILLADO SANITARIO Velocidad máxima.
La velocidad máxima en los alcantarillados sanitarios es la máxima real en un colector por gravedad y no debe sobrepasar los 5.0 m/s, determinadas para el caudal de diseño.
Para condiciones especiales y complejas, como topografías con pendientes superiores al 30%, colectores de gran diámetro (≥600mm) o caudales >500 lps, se permitirán velocidades mayores, pero no deben superar los 10 m/s o las especificadas por el fabricante.
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DISEÑO
ALCANTARILLADO SANITARIO Conexiones domiciliarias.
La conexión domiciliaria debe cumplir: – Diámetro interno real mínimo de 140 mm. – Pendiente mínima de la tubería 2% – Entrega al colector por gravedad y por la parte superior del colector,
como mínimo las cotas claves deben quedar al mismo nivel. – Se debe proveer una caja de inspección al inicio de la tubería de
conexión domiciliaria. – En el empate al colector del alcantarillado debe usarse accesorios
como silla tee, silla yee, tee y/o yee o cajas de empalme en el caso de tuberías de concreto. – Para colectores con diámetros superiores a 600 mm no se permitirán
conexiones directas. Para esto se debe implementar una manija de acometida múltiple que entrega al pozo de inspección.
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ALCANTARILLADO SANITARIO Profundidad hidráulica máxima
Para permitir aireación adecuada del flujo de aguas residuales, el valor máximo permisible de la profundidad hidráulica para el caudal de diseño en un colector debe ser menor al 85% del diámetro real de éste.
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ALCANTARILLADO SANITARIO Profundidad mínima a la cota clave
Los colectores de redes de recolección y evacuación de aguas residuales deben estar a una profundidad adecuada para permitir el drenaje por gravedad de las descargas domiciliarias sin sótano, aceptando una pendiente mínima de éstas de 2%. Además, el cubrimiento mínimo del colector debe evitar la ruptura de éste, ocasionada por cargas vivas que pueda experimentar. Los valores mínimos permisibles de cubrimiento de los colectores se definen en la tabla.
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ALCANTARILLADO SANITARIO Profundidad mínima a la cota clave Profundidad mínima de colectores Servidumbre
Profundidad a la clave del colector (m)
Vías peatonales o zonas verdes
0,75
Vías vehiculares
1,20
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ALCANTARILLADO PLUVIAL Diámetro mínimo El diámetro interno real mínimo permitido en redes de sistemas de recolección y evacuación de aguas lluvias es 260 mm. Velocidad mínima velocidad mínima real permitida en el La colector de alcantarillado pluvial o combinado es aquella que genere un esfuerzo cortante máximo en la pared de la tubería de mínimo 2,0 Pa., para el caudal de diseño.
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DISEÑO
ALCANTARILLADO PLUVIAL Velocidad máxima La velocidad máxima real permitida en un colector por gravedad no debe superar los 5,0 m/s, determinada para el caudal de diseño. Para condiciones especiales y complejas, como topografías con pendientes superiores al 30%, colectores
de gran diámetro (≥600mm) o caudales >500 lps, se
permitirán velocidades mayores, pero no deben superar los 10 m/s o las especificadas por el fabricante.