Diseño de redes de alcantarillas (I)

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1 Diseño de redes de alcantarillas (I) Referencias [1] Ingeniería de aguas residuales: redes de alcantarillado y bombeo. Ed. McGraw-Hill. [2] Ingeniería de las aguas residuales. Tratamiento, vertido y reutilización. Ed. McGraw-Hill. [3] Saneamiento y alcantarillado: vertidos de aguas residuales. Aurelio Hernández. Ed. Paraninfo. [4] Fundamentos y cálculo de redes de distribución. Osorio F. y E. Hontoria. [5] EMASESA. Instrucciones Técnicas para redes de saneamiento [6] Cálculo de caudales en las redes de saneamiento. Catalá, F. Ed. Paraninfo. Colección Seinor no. 5. 1

2 El agua residual urbana Agua residual urbana Doméstica o sanitaria (zonas residenciales, comerciales y públicas) Industrial Infiltraciones y aportaciones incontroladas Escorrentía urbana (pluviales) - Contaminación orgánica (+sales disueltas y S.S. inorgánicos). - Biodegradables (DBO5/DQO 0,5) - Nutrientes (N y P) - Sin productos tóxicos -Contaminación según el tipo de industria -Solamente se podrán verter a la red aguas industriales que sean asimilables a urbanas -Contaminación por S.S., óxidos de S y N, metales pesados volátiles, papel, vidrio, desgaste de neumáticos, derrames de combustibles, aceites y grasas -Composición = f (duración de eventos de lluvia y del tiempo entre eventos) El agua residual urbana Agua residual urbana Doméstica o sanitaria (zonas residenciales, comerciales y públicas) Industrial Infiltraciones y aportaciones incontroladas Escorrentía urbana (pluviales) Aguas negras Caudales estables Aguas blancas Caudales altos, que ocurren de forma episódica 2

3 Tipos de redes Agua residual urbana Doméstica o sanitaria (fecales, limpieza, y lavado) Industrial asimilable Infiltraciones y aportaciones incontroladas Escorrentía urbana (pluviales) Red separativa sanitaria (por gravedad o a presión) y de aguas pluviales (por gravedad) Red (o sistema) unitaria (por gravedad) Sistema unitario 3

4 Sistema separativo 1. Caudales de aguas negras Se deben estimar los valores medios Q m y los valores punta Q p (relacionados por un factor punta C p ) Q p = C p x Q m Caudal de diseño Redes ya existentes series históricas aforos (vertederos, canales Parshall, trazadores, molinetes, ) Redes de nueva construcción a partir de datos de abastecimiento de agua a partir de estimaciones/mediciones de caudales de agua residual en poblaciones de características similares 4

5 1.1. Q m a partir de datos de abastecimiento Caudal medio de agua de abastecimiento (Q m AA ) Uso doméstico Industrial (no doméstico) Caudal de agua utilizada (contador) y un % se incorpora a la red de saneamiento Servicio público (extinción de incendios, riegos, mantenimiento de infraestructuras) Pérdida en la red y fugas % en sistemas modernos % en sistemas anticuados hasta un 50% Q m AA x ( ) = Caudal medio de agua residual (Qm ) 1.2. Q m por estimaciones directas Agua residual urbana Doméstica o sanitaria Comercial Industrial Infiltraciones y aportaciones incontroladas Escorrentía urbana (pluviales) Instituciones Recreativo Q m = Volumen / ha día x Superficie Q m = Volumen / pers. día x Población Residencial Caudal unitario (Tablas y gráficos) Valor extensivo (Planificación) Horizonte temporal = 10 años (zonas rurales); años (zonas urbanas); 50 años (pasos subterráneos de tráfico y ferroviarios). Fuentes de información organismos de planificación locales, regionales o estatales, o utilizando métodos de estimación de la población 5

6 Industrial: Caudales unitarios Oscila entre 9-14 m 3 / ha. d (en zonas de escaso desarrollo) y m 3 /ha. d (en zonas con desarrollo medio) [2] Valor típico de proyecto 30 m 3 / ha. d [1] ó 47 m 3 / ha. d [3] % del consumo en industrias sin reutilización interna [1] tablas de consumo según tipo de industria (ver [2] y [3]). [4] Un orden de magnitud del consumo es de 50m 3 /ha. d (p. I.93) [4] La demanda anual en nuevos polígonos industriales es 4000 m 3 /ha (= 10m 3 /ha. d) EMASESA indica en sus normas que el caudal de diseño Q p (l/s) = 0.7 x superficie (ha). Si C p = 2-3 (ver más adelante) Caudal medio unitario m 3 / ha. d Comercial Oscila entre 14 y m 3 / ha. d [1] Tablas ( [1], [2] ) Cuidado! [3]? 135,000 m 3 /ha. d!!!! 6

7 [4] O(1) l/s.ha 86 m 3 / ha.d O(10 2 ) m 3 /Tm, como en [2] Industrial: Caudales unitarios Oscila entre 9-14 m 3 / ha. d (en zonas de escaso desarrollo) y m 3 /ha. d (en zonas con desarrollo medio) [2] Valor típico de proyecto 30 m 3 / ha. d [1] ó 47 m 3 / ha. d [3] % del consumo en industrias sin reutilización interna [1] tablas de consumo según tipo de industria (ver [2] y [3]). [4] Un orden de magnitud del consumo es de 50m 3 /ha. d (p. I.93) [4] La demanda anual en nuevos polígonos industriales es 4000 m 3 /ha (= 10m 3 /ha. d) EMASESA indica en sus normas que el caudal de diseño Q p (l/s) = 0.7 x superficie (ha). Si C p = 2-3 (ver más adelante) Caudal medio unitario m 3 / ha. d Comercial Oscila entre 14 y m 3 / ha. d [1] Tablas ( [1], [2] ) 7

8 [1] Si usamos una densidad = 500 empleados / ha 20 m 3 /ha.d ([1] y [2]) EMASESA indica que el caudal de diseño debe ser calculado como Q p (l/seg) = x (nº de viviendas de la cuenca) Si consideramos una sóla vivienda (4-5 personas) caudal unitario = litros / pers. d [5]. 8

9 ([1] y [2]) ([1] y [2]) 9

10 Caudales unitarios (infiltración) [1] 1.3. Variaciones del caudal de A.R. El abastecimiento tiene poca capacidad de embalse y, por tanto, las curvas de caudales de A.R. son parecidas a las de abastecimiento, pero desfasada en el tiempo y algo más suaves. Infiltraciones ** Las variaciones estacionales en zonas de turismo ó con industrias agro-alimentarias (ej. conservas) son muy pronunciadas 10

11 1.4. Factores punta C p y caudal de diseño Q p C p representa la razón entre el caudal máximo horario de A.R. en el día de máxima producción y el caudal medio horario en un día promedio Q p = C p x Q m Agua residual doméstica Valores guía [3] C p 2.4 Núcleos pequeños 1.8 C p 2.4 > 100,000 hab 1.4 C p 1.8 > 800,000 hab C p 14 = P Fórmulas empíricas [3] C Harman Fair & Geyer Nota: P = población (miles de hab.) p 18+ = 4+ P P x Caudal unitario C p = f(q m ) Gráficas u otras expresiones empíricas Factor punta para agua residual doméstica [1] ó podemos suponer que la curva C p vs. log(q m ) es lineal e interpolar entre los dos puntos que da la gráfica, i.e. (log(5), 1.98) y (log(0.004),3.34) 11

12 1.4. Factores punta C p y caudal de diseño Q p C p representa la razón entre el caudal máximo horario de A.R. en el día de máxima producción y el caudal medio horario en un día promedio Q p = C p x Q m Agua residual doméstica Valores guía [3] C p 2.4 Núcleos pequeños 1.8 C p 2.4 > 100,000 hab 1.4 C p 1.8 > 800,000 hab C p 14 = P Fórmulas empíricas [3] C Harman Fair & Geyer Nota: P = población (miles de hab.) p 18+ = 4+ P P Industrial / Comercial C p 2-3 x Caudal unitario C p = f(q m ) Infiltraciones (gráficos) [1] Gráficas u otras expresiones empíricas Caudales de diseño por infiltración (Q p ) [1] Si comparamos la curva B con la curva de caudales medios Q m de infiltración Cp ha, 14 m 3 /ha.d 5000 ha, 3.3 m 3 / ha.d 12

13 δ = 74 hab. / ha Ejemplo 2000 estudiantes δ = 38 hab. / ha Densidad de saturación δ = 124 hab. / ha Usos del suelo Caudales unitarios 1. Zona comercial 20 m 3 / ha. día 2. Polígono industrial 30 m 3 / ha. día 3. Escuela (2000 alumnos) 75 l / estudiante. día 4. Viviendas unifamiliares 300 l / hab. día 5. Apartamentos de baja altura 225 l / hab. día 6. Pisos duplex 280 l / hab. día 7. A-4 (residencial mixta) 268 l / hab. día * * Promedio de 4, 5 y 6 Q m = Caudal unitario x densidad x superficie (en zonas residenciales) Caudal unitario x superficie (en zona comercial e industr.) Caudal unitario x No. estudiantes (en la escuela) Q p = C p x Q m f ( población y del uso del suelo ) 13

14 Clasificación urbanística Area Densidad Población Caudal unitario medio ( ha ) (hab. / ha) (hab) Módulo Valor Unifamiliares l / ha.d 300 Residencial mixta l / ha.d 268 Apartamentos de poca altura l / ha.d 225 Escuela l / pers.d 75 Centro comercial 48 m3 / ha.d 20 Comercial 110 m3 / ha.d 20 Polígono industrial 110 m3 / ha.d 30 Total 900 Caudal medio Cp Caudal punta ( m3 / d ) ( m3 / d ) Clasificación urbanística Area Densidad Población Caudal unitario medio ( ha ) (hab. / ha) (hab) Módulo Valor Unifamiliares l / ha.d 300 Residencial mixta l / ha.d 268 Apartamentos de poca altura l / ha.d 225 Escuela l / pers.d 75 Centro comercial 48 m3 / ha.d 20 Comercial 110 m3 / ha.d 20 Polígono industrial 110 m3 / ha.d 30 Total 900 Caudal medio Cp Caudal punta ( m3 / d ) ( m3 / d )

15 2. Dimensionado hidráulico Dado el caudal encontrar el diámetro La red debe funcionar de modo general por gravedad en régimen de lámina libre (excepcionalmente funcionan a presión) Los conductos se dimensionan inicialmente suponiendo que el agua circula a sección llena con caudales pico. Un 15 ó 20% de la altura de la sección debe quedar libre para permitir la circulación de aire, de forma que se eviten condiciones anaeróbicas Flujo uniforme por gravedad h f = f L D h 2 V 2g f R = log h ε 1/ 2 Flujo completamente turbulento 8g 1/ 2 1/ 2 V = S f Rh = CS f 1/6 h R 1/ 2 1/ 2 1 V = S f Rh = S n n 1/ 2 f 1/ 2 f R R 1/ 2 h 2/3 h Chezy Manning n =

16 Parámetros hidráulicos en alcantarillas circulares parcialmente llenas 16

17 3. Criterios de diseño de redes Velocidades mínimas, Vmin (deposición) - Redes unitarias: 0.6 m/s (velocidad de arrastre de arenas) - Redes separativas: Conducto de aguas negras: 0.3 m/s (arrastre de S.S.) Conducto de pluviales: 1 m/s. - Sifones: 1 m/s Velocidades máximas, Vmax (erosión) - Para caudal punta de aguas negras: m/s. - Para caudal máximo en tiempo de lluvia: 5 m/s. * Para velocidades mayores protección especial (soleras, rápidos, zonas de enlace de tramos) 17

18 Diámetros mínimos, D (obturación) En redes unitarias y separativas 300 mm En acometidas 200 mm. Conexión de imbornal con la red 200 mm Pendiente, S = f ( V, D ) Por lo general, buscamos que las alcantarillas vayan paralelas a la superficie S s (i.e. S = S s ) por el menor coste de excavación, con la coronación de los tubos a una profundidad > 2 m y por debajo de los tubos de abastecimiento. - Pte. insuficiente S s < S min = f (V min, D) bombeos - Pte. excesiva S s > S max = f (V max,d) rápidos y/o pozos de resalto m/m 18

19 Diámetros mínimos, D (obturación) En redes unitarias y separativas 300 mm En acometidas 200 mm. Conexión de imbornal con la red 200 mm Pendiente, S = f ( V, D ) Por lo general, buscamos que las alcantarillas vayan paralelas a la superficie S s (i.e. S = S s ) por el menor coste de excavación, con la coronación de los tubos a una profundidad > 2 m y por debajo de los tubos de abastecimiento. - Pte. insuficiente S s < S min = f (V min, D) bombeos - Pte. excesiva S s > S max = f (V max,d) rápidos y/o pozos de resalto Sistema separativo Criterios Conducto A. Negras Conducto A. Pluviales h 500 mm 0,5 0,8 (0,9 y máx /h total h>500 mm 0,7 máximo) Sistema unitario 0,8 (0,9 máximo) V máx (m/s) 3,0 5,0 5,0 V mín (m/s) 0,3 (0,6) 1,0 0,6 (0,9) D mín (mm) 300 Prof. mín (m) 2,0 19

20 Pendientes recomendadas Diámetro de la conducción (mm) Mínima Máxima Óptima Acometidas 2:100 7:100 3:100 D200-D300 1:1000 7:100 2:100 / 7:1000 D300-D600 1:1000 4:100 1:100 / 5:1000 D600-D1000 1:1000 2:100 5:1000 / 2:1000 D1000-D2000 1: :100 3:1000 / 2:1000 Ejemplo de diseño de redes 20

21 21

22 Tabla de información básica (Tabla 1) Clasificación urbanísticas Densidad Estudiantes Caudal unitario medio Cp (hab. / ha) Módulo Valor Unifamiliares 38 l / ha.d 300 f ( Qm) Residencial mixta 74 l / ha.d 268 f ( Qm) Apartamentos de poca altura 124 l / ha.d 225 f ( Qm) Escuela 2000 l / pers.d 75 4 Centro comercial m3 / ha.d Comercial m3 / ha.d Polígono industrial m3 / ha.d

23 Tabla de cálculo en proyecto de colector (1. Topología) Tramo Desde Hasta Cuenca vertiente A-1 A-2 A A A A A A-7 A A-6 Tabla de cálculo en proyecto de colector (2. Caudales por tramos y usos) Caudales domésticos Tramo Desde Hasta Cuenca Superf. Densidad Qm unit. Qm Qm.acum Cp Qp.acum vertiente (pers./ha) (l/hab.d) (m3/d) (m3/d) (m3/d) A A A A A A A A A A Caudales comerciales Tramo Desde Hasta Cuenca Superf. Qm unit. Qm Qm.acum Cp Qp.acum vertiente (m3/ha.d) (m3/d) (m3/d) (m3/d) A-1 A-2 A A A A A A-7 A A

24 Tabla de cálculo en proyecto de colector (3. Caudales totales y DISEÑO) DISEÑO DEL COLECTOR Tramo Desde Hasta Cuenca Superficie Diámetro Pendiente Caudal Velocidad vertiente (ha) mm m/m (m3/s) (m3/d) A A A A A A A A-7 70 A A Valores de caudal y velocidad a sección llena 24

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