Trabajo de Acueducto 5

UNIVERSIDAD TECNOLOGICA DEL CHOCÓ “Diego Luis Córdoba”

DISEÑO DE LA LINEA DE ADUCCIÓN A FLUJO LIBRE

YINESSA CARRASCO ARENAS CARLOS ALBERTO RÍOS CÓRDOBA

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DEL CHÓCO “DIEGO LUIS CÓRDOBA” INGENIERÍA INGENIERÍA CIVIL QUIBDO 2018

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DISEÑO DE LA LINEA DE ADUCCIÓN A FLUJO LIBRE

YINESSA CARRASCO ARENAS CARLOS ALBERTO RÍOS CÓRDOBA

PROFESORA LUZ ESPENZA MOYA LOZANO ING. MSC

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DEL CHÓCO “DIEGO LUIS CÓRDOBA” INGENIERÍA INGENIERÍA CIVIL QUIBDO 2018

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TABLA DE CONTENIDO 1. INTRODUCCIÓN ................................................................................................................................4 2. OBJETIVOS ........................................................................................................................................5 2.1

GENERAL ..............................................................................................................................5

2.2

ESPECÍFICOS .........................................................................................................................5

3. JUSTIFICACIÓN .................................................................................................................................6 4. MARCO TEÓRICO..............................................................................................................................7 4.1

CONDUCTOS CERRADOS A SUPERFICIE LIBRE ......................................................................8

4.2

ESPECIFICACIONES DE DISEÑO: ADUCCIÓN BOCATOMA· DESARENADOR ..........................9

4.3

PÉRDIDAS POR EXFILTRACIÓN .......................................................................................... 16

4.4

TRAZADO Y PROFUNDIDAD DE LA TUBERÍA ..................................................................... 17

5. CALCULOS ...................................................................................................................................... 19 6. CONCLUSIÓN ................................................................................................................................. 25 7. BIBLIOGRAFIA ................................................................................................................................ 26 8. ANEXOS ......................................................................................................................................... 27

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1. INTRODUCCIÓN Para efectos del diseño de acueducto, el transporte de agua depende de tipo de agua que transporta y de las condiciones hidráulicas en que se realiza dicho transporte. Según la fuente de agua se pueda transportar agua cruda, o agua ya potabilizada. Con el fin de distinguir el tipo de agua transportada en ocasiones se suele llamar aducción en transporte de agua cruda, es decir, todo transporte previo a la planta de purificación o tuberías de excesos y lavado, y conducción el transporte agua tratada, esto es, el transporte de agua después de la planta de purificación desde el punto de vista hidráulico el transporte de agua puede realizarse a flujo libre o a presión. En el caso de transportarse a flujo libre, la lámina de agua se encuentra a la presión atmosférica. En el caso de transporte de aguas por conductos que funcionen a presión, por gravedad o bombeo podrá aducirse el flujo, que normalmente se lleva acabo utilizando tuberías.

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2. OBJETIVOS

2.1 GENERAL Diseñar la línea de aducción de la localidad de San Fernando, para un periodo de diseño de 25 años. 2.2 ESPECÍFICOS Diseñar la línea de aducción. Calcular la pendiente de la línea. Calcular el diámetro de la tubería. Calcular el caudal para el tubo lleno. Calcular la velocidad a tubo lleno. Calcular el radio hidráulico. Calcular la lámina de agua. Calcular el esfuerzo cortante medio. Calcular las cotas definitivas.         

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3. JUSTIFICACIÓN Es importante aprender a diseñar la línea de aducción de un sistema de abastecimiento de agua potable, ya que ellas tienen gran importancia en nuestro campo profesional. Es necesario conocer, entender y aprender el trazado de la línea de aducción, teniendo presente la economía y los requisitos mínimos y especificaciones técnicas en el diseño hidráulico.

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4. MARCO TEÓRICO Para efectos del diseño del acueducto, el transporte de agua depende del tipo de agua que se transporta y de las condiciones hidráulicas en que se realiza dicho transporte. Según la clase de agua, se podrá transportar agua cruda (sin tratamiento y por consiguiente una mayor cantidad de sólidos suspendidos y sedimentables), o agua ya potabilizada, y para cada uno de estos casos existen requerimientos diferentes en el diseño. Con el fin de distinguir el tipo de agua transportada, en ocasiones se suele llamar aducción el transporte de agua cruda, es decir, todo transporte previo a la planta de purificación o tuberías de exceso y lavado, y conducción el transporte de agua tratada, esto es, el transporte de agua después de la planta de purificación. Desde el punto de vista hidráulico, el transporte de agua puede realizarse a flujo libre o a presión. En el caso de transporte a flujo libre, la lámina de agua se encuentra a la presión atmosférica y el transporte puede presentarse en estructuras construidas en el sitio (canales abiertos o cerrados) o por estructuras prefabricadas (tuberías). En el caso del transporte de agua por conductos que funcionen a presión, podrá producirse el flujo por gravedad o por bombeo, que normalmente se hace utilizando tuberías. Cada uno de los tipos de transporte de agua tiene ventajas y desventajas económicas, técnicas y de mantenimiento, las cuales deben analizarse teniendo en 7


cuenta las circunstancias del diseño en particular. En general, las aducciones se realizan a flujo libre o a presión por bombeo y las conducciones se hacen con tuberías a presión por gravedad o bombeo. Con el objeto de evitar cualquier posibilidad de contaminación externa del agua, es preferible no hacer el transporte de agua en canales abiertos. Este capítulo se dedicará al estudio de las aducciones a flujo libre por medio de tuberías. El estudio y las especificaciones de transporte en canales se dejan para el capítulo del alcantarillado de aguas lluvias (capítulo 16); por su parte, el estudio de conducciones cerradas a presión por gravedad (conducción forzada) se detalla en el capítulo correspondiente a la conducción desarenador-tanque de almacenamiento.

4.1 CONDUCTOS CERRADOS A SUPERFICIE LIBRE Este tipo de aducción tiene las mismas ventajas y desventajas que las aducciones abiertas, con excepción de la posible contaminación externa del agua. Los conductos pueden ser prefabricados o construidos en el sitio. El método de cálculo es similar y sólo difiere en cuanto a las recomendaciones de velocidad y pérdidas. Conductos prefabricados Comúnmente se trata de tuberías fabricadas en diferentes materiales y diámetros, como por ejemplo: • Tuberías de gres • Tuberías de cemento • Tubería PVC La tubería de gres y la de cemento se fabrican de hasta 36" (91 cm) de diámetro y la unión entre la campana y el espigo se hace por medio de mortero 1:2, unión asfáltica o anillo de caucho. • Tubería de concreto reforzado A su vez, la tubería de concreto reforzado se fabrica desde 1,0 m de diámetro en adelante y su unión consiste en general en anillos de caucho.

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Conductos construidos en el sitio

4.2 ESPECIFICACIONES DE DISEÑO: ADUCCIÓN BOCATOMA· DESARENADOR Período y caudal de diseño. El período de diseño de la aducción va desde 15 hasta 30 años, según las características de tamaño del proyecto y teniendo en cuenta la posibilidad de un desarrollo por etapas. Siempre que exista almacenamiento en el sistema de acueducto, el caudal de diseño corresponde al caudal máximo diario. Cuando no se prevea almacenamiento en el sistema, se debe diseñar para el caudal máximo horario. Para el caso de la aducción a la planta de purificación o desarenador, se deben adicionar las pérdidas por exfiltración ocurridas durante el transporte (máximo 5% del caudal medio diario) y las necesidades de consumo en la planta de purificación (entre 3 y 5% del caudal .medio diario).

Metodología de cálculo

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Como se indicó anteriormente, desde el punto de vista hidráulico, en el transporte de agua a superficie libre la superficie del agua se encuentra a la presión atmosférica. El flujo en la condición anterior puede ser laminar o turbulento; uniforme o variado; subcrítico, crítico o su percrítico. En la condición de flujo uniforme, la profundidad y la velocidad a lo largo del conducto permanecen constantes. En general, el transporte de agua en un conducto a flujo libre es variado, lo cual significa que la profundidad y la velocidad de flujo son variables. Sin embargo, el concepto de flujo uniforme es importante debido a que éste define un límite al cual se aproxima el flujo variado en muchos casos. Los modelos utilizados usualmente para representar este tipo de flujo son el de Manning, Chézy o Bassin. La ecuación de Manning es de uso muy generalizado por su simplicidad y facilidad de empleo, pero debe advertirse que puede ser limitada en ciertos rangos del número de Reynolds y de rugosidad relativa. El modelo de Manning se expresa por la siguiente ecuación:

En el caso de diseñar para las condiciones de flujo uniforme y permanente, la pendiente de la línea de energía coincide con la lámina de agua (cabeza de velocidad constante) y ésta, a su vez, con la pendiente del fondo del conducto (lámina de agua constante). El coeficiente de rugosidad depende en general del material de la tubería. Sin embargo, existen otros factores que afectan este coeficiente, tales como la profundidad de la lámina de agua en la tubería, las secciones compuestas de diferentes materiales en el caso de canales, el tipo y número de uniones de las tuberías, la sedimentación de material, el desalinearniento horizontal o vertical de la tubería, la penetración de raíces y el tipo de agua transportada. En la tabla 8.1 se presentan algunos valores típicos teóricos del coeficiente de rugosidad utilizada en el diseño.

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Expresando la ecuación 8.1 en términos de la dimensión características en tuberías, es decir, el diámetro interno:

Al calcular el diámetro de la tubería por medio de la ecuación 8.3, se tiene que seleccionar el diámetro comercial superior (es necesario tener en cuenta el diámetro mínimo). Con este nuevo valor del diámetro comercial y su correspondiente diámetro interno real (O), se calcula el caudal a tubo lleno, Q0, utilizando la ecuación 8.2 y la velocidad a tubo lleno, dividiendo el caudal a tubo lleno por el área de la sección de flujo a tubo lleno.

Diámetro mínimo Se recomienda que la aducción a flujo libre tenga un “diámetro nomina! Mínimo de cuatro pulgadas (100 mm). El diámetro que se va a utilizar en la ecuación del modelo hidráulico es el correspondiente al diámetro interno real.

Velocidad mínima Teniendo en cuenta que una aducción es el transporte de agua cruda que puede contener material sedimentario, se debe garantizar una

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Velocidad mínima en condiciones de diseño que permita el re suspensión del material sedimentado en condiciones diferentes de las de diseño. En general, se establece que la velocidad real mínima es de 0,6 m/s. Sin embargo, la velocidad mínima está determinada por el esfuerzo cortante mínimo necesario referido en el numeral 8.2.6.

Velocidad máxima La velocidad máxima debe limitarse según el material del conducto y del material transportado por el agua, con el objeto de evitar la erosión del conducto. Es necesario consultar los catálogos de la tubería para definir la velocidad máxima recomendada. En general, la tubería de gres permite velocidades hasta de 5 mis y la de concreto hasta de 4 m/s.

Esfuerzo cortante mínimo Con el fin de verificar que el flujo en la tubería o canal sea capaz de re suspender el material sedimentado en el fondo, se debe calcular el esfuerzo cortante mínimo que se deduce a partir de la siguiente ex presión, en la condición de flujo uniforme.

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Al sumar las fuerzas en la dirección del flujo, indicadas en la figura 8.3, se tiene

Para pendientes pequeñas, se tiene que: sen a, tg a,= S, Y por tanto:

Relacionando la ecuación anterior con la velocidad según la ecuación de Manning:

Se encuentra una expresión de la velocidad mínima requerida para cumplir con un esfuerzo cortante mínimo:

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El esfuerzo cortante crítico en aducciones a flujo libre se verifica según diferentes criterios. Los siguientes criterios y valores de esfuerzos cortantes críticos se extractaron del Reglamento Técnico del Sector de Agua Potable y Saneamiento Básico  RAS 2000 para Colombia. 1. En el caso de suelos de grava con diámetros superiores a 2,5 mm, el esfuerzo cortante en el fondo se calcula mediante la siguiente ecuación:

Para las bancas del canal, se utilizarán las siguientes ecuaciones

2. Para el caso de suelos de gravas finas, de diámetro menor de 5 mm, se utilizarán los esfuerzos cortantes críticos establecidos en la tabla 8.3.

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2. En el caso de suelos cohesivos, los valores del esfuerzo cortante crítico para este tipo de suelos se encuentran en la tabla 8.4.

4. En el caso de que existan curvas en los canales de aducción, deben hacerse las siguientes correcciones al valor del esfuerzo cortante crítico calculado: si la aducción presenta pocas curvas (terreno ligeramente accidentado), los valores del esfuerzo cortante crítico deben multiplicarse por 0,9; si la aducción presenta un reducido número de curvas (terreno medianamente accidentado), los valores del esfuerzo cortante deben multiplicarse por 0,75; sí el canal de aducción presenta muchas curvas (terreno muy accidentado), el valor del esfuerzo cortante debe multiplicarse por 0,6.

4.3 PÉRDIDAS POR EXFILTRACIÓN Las pérdidas por ex filtración pueden estimarse a partir de la tabla 8.5

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4.4 TRAZADO Y PROFUNDIDAD DE LA TUBERÍA Como criterio general, se recomienda trazar la tubería sobre terrenos de propiedad pública. En todo caso, se deben estudiar diferentes alternativas que permitan una menor longitud, un menor número de interferencias (vías vehiculares o férreas, edificaciones, redes de otros servicios públicos, accidentes topográficos, etc.) y una mejor condición geológica y del subsuelo. Se debe dar una profundidad mínima a la tubería de aducción de 0,60 m (desde la superficie del terreno hasta el lomo de la tubería), con el objeto de brindar la adecuada protección estructural y el ataque de rayos ultravioleta, así como de evitar las posibles conexiones clandestinas.

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UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DEL CHOCÓ Facultad de ingeniería civil Materia : Acueductos - Alcantarillados Semestre: I de 2018 Nivel : VIII Profesora: Ing. Luz Esperanza Moya Lozano EJERCICIO DE APLICACIÓN EN CLASE DISEÑO DE LA LINEA DE ADUCCIÓN A FLUJO LIBRE Diseñar la línea de aducción de la localidad de San Fernando, para un periodo de diseño de 25años, caudal de diseño 30,6 l/s, la distancia entre el desarenador y la bocatoma es de 70mt. La cota de salida en el fondo de la bocatoma en la cámara de recolección es la 119,46 y la cota de la lámina de agua a la llegada al desarenador es la 119,23 la cota del nivel del agua en la cámara de recolección es la 119,86, coeficiente de rugosidad, n de la tubería 0,009 Dibujar el perfil de la aducción. Cámara de recolección bocatoma captación por gravedad

Desarenador

119.86

119,23

70 mts

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5. CALCULOS

DATOS Localidad: San Fernando Periodo de diseño: 25 años Q = 30.6 l/s n = 0,009 L = 70 mts



Calculo de la pendiente

S=

        −           

S=

119.46−119.23 = 0,0033 ≈ 0.33% 70 

calculo del dímetro de la tubería

3/8 ∗ 0,009∗0,031 3/8 D = 1,548 x ( / ) = 1,548 x ( 0,0033½ ) =0.21  Se tomó un diámetro comercial, D = 10” = 0,254m



calculo del caudal a tubo lleno (Q0)

/  /  Q0 = 0,312 x 

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≈ 8,27”


0,254/  0,0033/ Q0 = 0,312 x = 0,052 m 3/s 0,009

Calculo de la velocidad tubo lleno (V0)



 

V0 = =



 4 = 1,03 m/s (0,052  0,254)

Calculo del radio hidráulico a tubo lleno (R0)

  0,254     R0 = =  4    = 4 = 4 = 0,064 m 

Calculo de la relación del caudal de diseño y caudal de tubo lleno

Q = 0.031 = 0,59 Qo 0,052 Con el valor de Q/Q 0 se entra a la tabla de relaciones hidráulicas para conducciones circulares.

 = 0,895   = 0,620   = 1,132  Vr = 0,895x V 0 = 0,895 x 1,026 = 0,92 m/s 20


Vr> 0,6 m/s → 0K



Calculo de la lámina de agua

 = 0,620 x d= 0,620 x 0.254m= 0,157m  

=  

Calculo del radio hidráulico al caudal de diseño 1,132 x 0,064= 0,072m

Calculo del esfuerzo cortante medio

= ɣ x R x S= 9810N/3x 0,072 x 0,0033 =2.33N/ 2 Este es el esfuerzo cortante que permite el arrastre de la mayor parte d materiales.



Verificación de la cota a la salida de la bocatoma

Para el diseño de la bocatoma se adoptó una profundidad de 40 cm de la lámina de agua en la cámara de recolección de la bocatoma al fondo de la cámara. Esta profundidad deberá ser:

d + 1,5 x

  = 0,16 + 1,5 x 0,92 = 0,225m 2 2  9,81

Valor que difiere del supuesto inicial. Se deberá modificar la conducción del diseño, en este caso aumentando la pendiente para ello se eleva la cota del fondo de la cámara de recolección de la bocatoma y se cambia la cota de la lámina de agua en la cámara de aquietamiento del desarenador por la batea en la tubería a la llegada. Al asumir la cota del fondo de la cámara de recolección de 119,46 a 119.62 y define la cota de la batea a la tubería de llegada como: 119.23,00 - 0,16 = 119.07

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Procedemos nuevamente hacer los cálculos.

S=

119.62− 119.07 = 0,0079 ≈ 0,79% 70 calculo del dímetro interno real de la tubería



3/8 ∗ 0,009∗0,031 3/8 D = 1,548 x ( / ) = 1,548 x ( 0,0079/ ) = 0,18m = 7,09”  Se tomó un diámetro comercial, D = 8” = 0,203

calculo del caudal a tubo lleno (Q0)



/  /  Q0 = 0,312 x 

/  0,0079/ 0,203 = Q0 = 0,312 x 0,044 m3/s 0,009 Calculo de la velocidad tubo lleno (V0)



 

 4 ) = 1,36m/s (0,044  0,203

V0 = =



Calculo de la velocidad tubo lleno (V0)

  0,203     R0 = =  4    = 4 = 4 = 0,051 m 22


 = 0.031 = 0,70  0,051 Con el valor de Q/Q 0 se entra a la tabla de relaciones hidráulicas para conducciones circulares.

 = 0,945   = 0,692   = 1,175  Vr = 0,945 x Vr = 0,945 x 1,36 = 1,29 m/s Vr> 0,6 m/s → 0K



Calculo de la lámina de agua

 = 0,692 x d= 0,692 x 0.203m= 0,14m 



=  

Calculo del radio hidráulico al caudal de diseño 1,175 x 0,051 = 0,06m

Calculo del esfuerzo cortante medio

= ɣ x R x S= 9810N/3x 0,06 x 0,0079 =2.33N/2 23




Verificación de la cota a la salida de la bocatoma

d + 1,5 x

  = 0,14 + 1,5 x 1,29 = 0,27m 2 2  9,81

Calculo del caudal de exceso máximo Q exceso = Q lleno – Q diseño = 0,044 – 0,031 Q exceso = 0,013m3/s Este será el caudal que deber considerarse en el diseño de la estructura del desarenador Cotas definitivas y condiciones hidráulicas Cota de batea a la salida de la bocatoma= K0 +119.62 Cota clave a la salida de la bocatoma (Cota batea + diámetro)= K0+119.82 Cota batea a la llegada al desarenador= K0+ 119.06 Cota clave a la llegada al desarenador (Cota batea desarenador + diámetro) = k0+ 119.26 Cota de la lámina de agua a la llegada al desarenador= K0+119.22

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6. CONCLUSIÓN La tubería de aducción nos arrojó los siguientes resultados:



Se obtuvo una pendiente del 0,79%.



Se obtuvo un diámetro de tubería de 8”



Se obtuvo un caudal de lleno de 0,044 3/



Se obtuvo una velocidad de 1,29 m/s

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7. BIBLIOGRAFIA LÓPEZ CUALLA, Ricardo Alfredo. Elementos de diseño para acueductos y Alcantarillados. 2a ed. Cristina Salazar Perdomo. Bogotá D.C. Editorial Escuela Colombiana de Ingeniería, 2003. COLOMBIA, MINISTERIO DE AMBIENTE, VIVIENDA Y DESARROLLO ECONÓMICO. Titulo A, B (8, junio, 2017). “Definición del nivel de complejidad y Evaluación de la población, la dotación y la demanda del agua”. Bogotá D.C.: Ministerio de ambiente, vivienda y desarrollo económico.

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8. ANEXOS

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