Guía para el diseño Hidráulico de Redes de Alcantarillado

Transcripción

1 Guía para el diseño Hidráulico de Redes de Alcantarillado Medellín 009

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3 TABLA DE CONTENIDO Capítulo 1 INTRODUCCIÓN...5 Capítulo INFORMACIÓN MÍNIMA NECESARIA Y CRITERIOS DE DISEÑO INFORMACIÓN MÍNIMA...7. CONSIDERACIONES DE DISEÑO Clientes y población Geometría de la red de alcantarillado PARÁMETROS DE DISEÑO Período de diseño de redes de aguas residuales Parámetros hidráulicos...9 Capítulo 3 INFORMACIÓN DEL SISTEMA A DISEÑAR SISTEMA A DISEÑAR PARAMETROS DE DISEÑO Caudales de agua residual Caudales de agua lluvia...17 Capítulo 4 CAUDAL DE AGUAS RESIDUALES CÁLCULO DEL CAUDAL DE AGUAS RESIDUALES DOMÉSTICAS Método utilizando los usuarios y el consumo Método utilizando la proyección del circuito CÁLCULO DEL CAUDAL DE AGUAS RESIDUALES INDUSTRIALES CAUDAL DEL CAUDAL DE AGUAS RESIDUALES COMERCIALES CÁLCULO DEL CAUDAL DE AGUAS RESIDUALES DE USO OFICIAL Y USO ESPECIAL CAUDALES DE AGUA RESIDUAL DE LAS ÁREAS TRIBUTARIAS PROPIAS DE CADA TRAMO CAUDAL MEDIO DIARIO DE AGUAS RESIDUALES CÁLCULO DEL CAUDAL MÁXIMO HORARIO CÁLCULO DEL CAUDAL POR INFILTRACIÓN CÁLCULO DEL CAUDAL DE AGUAS RESIDUALES POR CONEXIONES ERRADAS CÁLCULO DEL CAUDAL DE DISEÑO DE AGUA RESIDUAL...6 Capítulo 5 CAUDAL DE AGUAS LLUVIAS CÁLCULO DEL CAUDAL DE AGUA LLUVIA CAUDALES DE DISEÑO...37 Capítulo 6 DISEÑO HIDRÁULICO DE LA RED DE ALCANTARILLADO DISEÑO TRAMO A TRAMO Caudales de diseño Determinación de diámetros

4 6.1.3 Evaluación de criterios hidráulicos Diseño de la red DISEÑO DE CÁMARAS Determinación del diámetro de las cámaras Diseño de cámaras de unión subcrítica Diseño de cámaras de unión supercríticas Diseño de cámara de caída DISEÑO DE ELEMENTOS ESPECIALES...55 Capítulo 7 COMPROBACIÓN DE DISEÑO CON FGV CARACTERÍSTICAS TOPOLÓGICAS DE LA RED CAUDAL DE DISEÑO EJECUCIÓN DEL MODELO HIDRÁULICO REVISIÓN DEL COMPORTAMIENTO HIDRÁULICO DE LA RED...59 Capítulo 8 COMPROBACIÓN DE DISEÑO CON FNP CARACTERÍSTICAS TOPOLÓGICAS DE LA RED CARACTERÍSTICAS DE LAS ÁREAS TRIBUTARIAS CAUDAL DE AGUA RESIDUAL CAUDAL DE AGUA LLUVIA Hietograma de diseño Hidrogramas de diseño EJECUCIÓN DEL MODELO HIDRÁULICO REVISIÓN DEL COMPORTAMIENTO HIDRÁULICO DE LA RED

5 Capítulo 1 INTRODUCCIÓN Esta Guía de Diseño Hidráulico de Redes de Alcantarillado tiene como objetivo explicar la forma de llevar a cabo el diseño hidráulico de un sistema de alcantarillado, de acuerdo con lo establecido en las Normas de Diseño de Redes de Alcantarillado de EPM. Para cumplir con este propósito, la guía establece en forma secuencial, todos las pasos que se deben seguir hasta finalizar el diseño y la comprobación del comportamiento hidráulico del sistema de drenaje urbano. Es importante enfatizar que esta guía corresponde únicamente al diseño hidráulico de la red, el cual se entiende como la determinación de la pendiente de cada tramo, el cálculo de los caudales de cada tramo, el dimensionamiento del diámetro interno de cada tramo, el diseño de las estructuras complementarias y la comprobación del comportamiento hidráulico de todo el sistema ensamblado bajo las condiciones de flujo gradualmente variado y/o flujo no permanente. La metodología seguida en la guía consiste en presentar un ejemplo de diseño correspondiente al alcantarillado combinado del barrio Prado Centro de la ciudad de Medellín, el cual es existente y se desea optimizar. Sin embargo, la guía puede ser utilizada para sistemas de alcantarillado separado de aguas residuales o lluvias y también para los casos de nuevos desarrollos. El contenido de la Guía de Diseño Hidráulico de Redes de Alcantarillado está dividido de la siguiente manera: - Capítulo : Información mínima y criterios de diseño que debe tener en cuenta el ingeniero para realizar el diseño de la red de alcantarillado y parámetros de diseño. - Capítulo 3: Información necesaria para desarrollar el ejemplo de diseño. - Capítulo 4: Determinación de los caudales de agua residual a partir de la información de consumos de los usuarios de la red de acueducto. - Capítulo 5: Determinación de los caudales de aguas lluvias de acuerdo con el régimen pluviográfico de la zona de estudio. - Capítulo 6: Diseño hidráulico de la red de alcantarillado para la condición de flujo uniforme, calculando los caudales de diseño, los diámetros de las tuberías, los materiales a utilizar y las cotas de las cámaras de inspección. Con la red diseñada se evalúan criterios que se deben cumplir a fin de evitar problemas de sedimentación y facilitar la limpieza en las tuberías. Igualmente se indica cómo se diseñan y evalúan las cámaras de inspección, cámaras de caída y estructuras especiales. - Capítulo 7: Comprobación del diseño hidráulico de la red para la condición de flujo gradualmente variado. De acuerdo con los resultados de la simulación y las limitaciones de campo, se analizará la posibilidad de modificar las cotas de las cámaras y/o los diámetros de las tuberías, siempre buscando mejorar la hidráulica de la red. - Capítulo 8: Comprobación del diseño para la condición de flujo no permanente. Se evaluarán las condiciones hidráulicas de las cámaras y los tramos con el fin de establecer sobrecargas, y en caso de presentarse solucionar dichos problemas modificando algunas características de la red. En la Figura 1 1 se muestra el sector geográfico correspondiente a la zona del proyecto que se utilizará para ilustrar la aplicación de la Guía. 5

6 Figura 1 1: Imagen satelital del sector de Prado Centro. 6

7 Capítulo INFORMACIÓN MÍNIMA NECESARIA Y CRITERIOS DE DISEÑO En el Numeral.4 de las Normas de Diseño de Redes de Alcantarillado de EPM se establecen los pasos necesarios, los criterios de diseño y la información básica que se requieren para llevar a cabo el proceso de diseño de un sistema de alcantarillado. En general, en el caso del municipio de Medellín y los demás municipios del Valle de Aburrá cuya operación está a cargo de las Empresas Públicas de Medellín la gran mayoría de estos pasos ya han sido realizados. Por consiguiente en este capítulo se especifica únicamente la información mínima necesaria y los criterios para diseñar un proyecto cuya concepción general ya ha sido desarrollada. La información mínima necesaria es aquella requerida para que el diseñador pueda llevar a cabo el proceso de optimización del diseño hidráulico de la red..1 INFORMACIÓN MÍNIMA Una vez EPM ha definido el alcance del proyecto, cada diseñador debe recolectar la información que es básica para el diseño de las redes de alcantarillado, la cual se presenta en la Tabla 1 Tabla 1 Información mínima para el diseño de redes de alcantarillado Información requerida INFORMACIÓN TOPOGRÁFICA Tipo de información Levantamiento topográfico del sector de diseño de la red de alcantarillado Características de la información Siempre se debe realizar el levantamiento topográfico exacto del terreno para conocer su forma y establecer por donde se va a realizar el trazado de la red de alcantarillado. Esta información topográfica permitirá calcular las cotas de terreno de las cámaras de inspección y determinar la pendiente promedio de las áreas tributarias. 7

8 Información requerida CATASTRO DE LA ZONA CATASTRO DE USUARIOS DE ACUEDUCTO, PROYECCIONES DE CONSUMOS O DOTACIONES DE ACUEDUCTO INFORMACIÓN HIDROLÓGICA Tipo de información Planos del manzaneo de la zona de estudio Catastro de redes de servicios públicos Planos de la malla vial Consumos y tipos de usuarios del sistema de acueducto Ubicación espacial de los usuarios Planes de ordenamiento territorial, POT Curvas IDF de las estaciones cercanas al proyecto Distribución temporal de la precipitación Características de la información Para realizar el diseño de la red de alcantarillado se debe conocer la ubicación de la malla vial, de las redes de servicios públicos y/o estructuras especiales. Con esta información se establecen los posibles puntos del trazado de la red. Para la estimación de los caudales de agua residual se debe conocer la distribución de la población o de los clientes y su consumo. EPM cuenta con tablas por circuitos que resumen el tipo de usuarios, sus consumos mensuales y las proyecciones estimadas de consumo. En caso de no contar con estas tablas, se usarán los datos de dotaciones. Esta información hidrológica es suministrada por EPM en su norma. INFORMACIÓN HIDRÁULICA Ubicación del cuerpo receptor Rugosidades de los materiales de tuberías disponibles Esta información es necesaria para el diseño de la red de alcantarillado ya que se establece el lugar a donde se deben llevar las aguas de la red. INFORMACIÓN GEOLÓGICA Tipos de suelos de la zona Es necesario para determinar los parámetros de los modelos de infiltración o del coeficiente de escorrentía, para calcular el caudal de aguas lluvias, cuando se trate de flujo no permanente. El hietograma que se construya deberá ser aprobado por EPM. 8

9 . CONSIDERACIONES DE DISEÑO..1 CLIENTES Y POBLACIÓN Son los contribuyentes de caudal de agua residual al sistema de alcantarillado, proyectados al período de diseño. Existen proyecciones calculadas por EPM, en caso de no existir la proyección futura de clientes debe calcularse de acuerdo con el Numeral de la norma... GEOMETRÍA DE LA RED DE ALCANTARILLADO La disposición de los tramos y de las cámaras que conforman la red constituye uno de los parámetros básicos del diseño. Dicha disposición define la geometría de la red y con ésta sus características topológicas, las cuales permanecen invariables durante el diseño. Estas características incluyen el número de tramos y cámaras, la unión de los mismos, la longitud de los tramos y la sectorización de los caudales que se presentan para cada punto de descarga. También, se debe determinar las áreas tributarias a cada tramo, las cuales se utilizan en el cálculo del caudal de aguas residuales y/o lluvias..3 PARÁMETROS DE DISEÑO.3.1 PERÍODO DE DISEÑO DE REDES DE AGUAS RESIDUALES Para determinar el período de diseño se debe hacer referencia al Numeral 5..1 de la norma. Esta característica puede variar dependiendo de la zona de diseño. Por ejemplo, para los municipios del Valle de Aburrá el período de diseño es de 30 años. Para aquellos casos en los cuales el análisis de costo mínimo sugiera un desarrollo por etapas, éstas deben diseñarse teniendo en cuenta dicho período de diseño. En todo caso, se debe comparar el período de diseño con el período en el cual se alcanza la población de saturación, pues en caso de que se llegue a la población de saturación en un período menor al de diseño, se debe utilizar el primero como período de diseño..3. PARÁMETROS HIDRÁULICOS Al mismo tiempo que se planea hidráulicamente el funcionamiento de la red es importante tener en cuenta los requerimientos mínimos que estipulan los parámetros de las Normas de Diseño de Redes de Alcantarillado de EPM. Los parámetros hidráulicos mínimos que se deben tener en cuenta desde el diseño preliminar bajo la consideración de flujo uniforme y que la experiencia ha determinado que permite obtener redes con una adecuada autolimpieza y buen comportamiento hidráulico son: - Los diámetros nominales mínimos son de 00 mm para alcantarillados de aguas residuales y 50 mm para alcantarillados de aguas lluvias y aguas combinadas. - La velocidad mínima es de 0.45 m/s para alcantarillados de aguas residuales y 0.75 m/s para alcantarillados de aguas lluvias y combinadas. - La velocidad máxima es de 10 m/s para tuberías plásticas y de 5 m/s para otro tipo de materiales. - Para que las redes de alcantarillado residual cumplan con el criterio de autolimpieza se debe tener un esfuerzo cortante mínimo de 1.5 N/m², para alcantarillados pluviales el valor es de 3.0 N/ m² para el caudal de diseño. - Para evitar que se presente flujo crítico y cuasicrítico en los tramos se recomienda tener números de Froude por fuera del intervalo de 0.7 a 1.5 para la condición de flujo uniforme. 9

10 - Para los tramos en que la pendiente sea superior al 10%, la distribución hidrostática de presiones deja de ser válida. Por lo tanto en el análisis de flujo gradualmente variado y de flujo no permanente debe incluirse el factor Cos²θ, donde θ es el ángulo de inclinación del tramo. - El valor máximo permisible de la profundidad hidráulica, es función del diámetro de la tubería diseñada, variando entre el 70% y el 85% del diámetro real interno de cada uno de los tramos. - La profundidad mínima a la cota clave de las tuberías es de 1.0 m. En caso de no ser posible cumplir con esta distancia deberá presentarse un diseño particular de protección a la red. - Desde el punto de vista de costos, el diseño óptimo para obtener la red más económica de alcantarillado es aquel que mezcla varios materiales que cumplan con las restricciones hidráulicas. Otra consideración especial que se debe tener durante la preparación de un diseño de un sistema de alcantarillado es la integralidad del drenaje urbano. Dicho aspecto involucra la escogencia de la ubicación del punto de tratamiento de las aguas residuales y de las características en que deben ser entregadas las aguas residuales y/o lluvias a su efluente final. 10

11 Capítulo 3 INFORMACIÓN DEL SISTEMA A DISEÑAR En este capítulo se explican, en detalle, las características de la red de Prado Centro, la cual se diseñará paso a paso a modo de ejemplo, siguiendo las especificaciones de la Norma de Diseño de Sistemas de Alcantarillado de las Empresas Públicas de Medellín indicando la información que se usará para el diseño de la red. 3.1 SISTEMA A DISEÑAR El proyecto está ubicado entre el barrio Prado Centro y el sector del Chagualo, en la ciudad de Medellín, sectores que cuentan con sistemas de redes de alcantarillado combinado. El proyecto está compuesto por 66 tramos y 67 cámaras de inspección y se dividió en dos sectores, de acuerdo con la ubicación de dos sitios en los cuales es posible realizar la entrega de las aguas recolectadas, como se indica en la Figura 3-1. El primer punto de entrega de las aguas combinadas se encuentra localizado en la Calle 6 con Carrera 51, se trata de una cobertura que en el proyecto aparece identificada como COB y que aguas abajo tiene construido un aliviadero. El segundo punto de entrega identificado como ALIV., estará localizado en la calle 65 con la avenida Regional y se trata de un aliviadero que se diseñará en el proyecto y que tendrá como objetivo separar las aguas combinadas y conducir las aguas residuales al Interceptor Oriental y las aguas lluvias al Río Medellín en el punto denominado BOT, ver la Figura 3-4. La primera consideración que se debe hacer al diseñar una red de alcantarillado es definir el sentido en que se desea conducir el caudal de drenaje ya sea de aguas lluvias, residuales o combinadas. Con la información del levantamiento topográfico y la ubicación de los cuerpos receptores se puede establecer el sentido de flujo en el sector. Para el diseño de la red se deben considerar aspectos como la topografía del terreno, las limitantes de cruces con otras redes de servicios públicos y/o estructuras existentes como fundaciones del Metro y los niveles de descarga a la cobertura (COB), al Interceptor Oriental y al Río Medellín. Para generar el modelo hidráulico de la red de alcantarillado se debe asignar un identificador o número a las cámaras de inspección y a los tramos que unen estas cámaras. En la Figura 3- se presenta la ubicación y nomenclatura de estos elementos y en la Tabla 3-1 se puede ver los tramos que unen las cámaras de inspección de acuerdo con la nomenclatura establecida en la Figura 3-. BOT 1460 COB Afluentes al ALIV Afluentesala COB Figura 3-1: Afluentes a los puntos de descarga en el modelo Prado. 11

12 Tabla 3-1 Identificadores de los tramos y cámaras que componen la red de alcantarillado Tramo Nudo Inicial Nudo Final Tramo Nudo Inicial Nudo Final T1 C34 C3 T4 C68 C64 T C3 C9A T5 C64 C64A T3 C9A C6 T6 C64A C63 T4 C18 C17 T7 C57 C8 T5 C17 C10 T8 C87 C89 T6 C10 C8 T9 C89 C90 T7 C8 C7A T30 C90 C46A T8 C7A C7B T31 C80 C81 T9 C7B C7 T3 C81 C49A T10 C7 COB T33 C110 C85 T11 C46 C6 T34 C85 C87A T1 C49 C50 T35 C87A C80A T13 C50 C3 T36 C80A C78 T14 C3 C17 T37 C78 C77 T15 C4 C43A T38 C77 C74 T16 C43A C46A T39 C113 C111 T17 C46A C49A T40 C111 C80A T18 C49A C54 T41 C66 C7 T19 C54 C55 T4 C117 C13 T0 C55 C76 T43 C105 C105A T1 C76 C74 T44 C105A C10 T C74 C69 T45 C10 C43A T3 C69 C68 T46 C6 C18 Tramo Nudo Inicial Nudo Final TA1 C63 C63A TA C63A C93 TA3 C93 C93A TA4 C93A C93B TA5 C93B C93C TA6 C93C C93D TA7 C93D C141 TA8 C141 C165 TA9 C165 C165A TA10 C165A C165B TA11 C165B C160A TA1 C160A C160B TA13 C160B C159A TA14 C159A C159C TA15 C159C C159D TA16 C159D C159E TA17 C159E A155A TA18 A155A C153 TA19.1 A155A A155B TA19. A155B BOT TA0 C165C C160A TA1 C159B C159A TA C63B C63A A1 B0 A1 C159E C159D C159C C159A C160B C159B C160 C165C C165A C13 C165 C93C41 C113 C93C C93B C93 C63 C64 C93A C69 C74 C78 C111 C117 C80 C85 C64A C76 C87 C80 C55 C54 C08 C89 C10 C7 C57 C49A C90 C105 C7A C49 C10 C46A C105A C10 C17 C46 C18 C3 C3A C4 C6 C9 C3 C34 Figura 3 -: Plano de diseño geométrico de la red de Prado. 1

13 Los tramos que contienen la letra T seguido de alguna numeración consecutiva (T1, T, T3, etc.) corresponden a la red de Prado Centro propiamente dicha y aquellos que contienen las letras TA seguidas de una numeración consecutiva (TA1, TA, TA3, etc.) corresponden al sector de El Chagualo, cuyos tramos empiezan a partir de la cámara de inspección numerada C110 ubicada en la parte mas alta del modelo (Figura 3-). En la Figura 3-3 se muestra el conjunto de tramos y cámaras que hacen parte del sector cuyos caudales tributarios terminan drenando hacia el punto de descarga BOT BOT A155B C153 A155A C159E C159D C159C C159A C159B C160B C160A C165B C165C C165A C141 C165 C93D C93C C93B C93A C93 C63B C63 C66 C64 C63A C64A C68C69 C74 C77 C76 C78 C113 C111 C80A C80 C85 C87A C87 C110 C81 C55 C54 C90 C89 C105 C49A C105A C46A C10 C4 C43A Figura 3-3: Sector de la red de Prado que descargan sus aguas al BOT en el Río Medellín. Entrega alrío BOT Medellín C66 C57 COB TA19. C7 C7B C49 C7A C8 C50 C10 A155B C17 C3 C18 C46 TA19.1 C6 Entrega a Interceptor C153 TA18 A155A C9A C3 C34 Aliviadero TA17 Figura 3-4: Configuración de entrega de aguas lluvias y residuales en el sector El Chagualo. En la Figura 3-5 se muestra el conjunto de cámaras y tramos que hacen parte del sector cuyos caudales tributarios terminan drenando hacia el punto de descarga en la cobertura (COB). Figura 3-5: Conjunto de tramos tributarios a la descarga COB (Cobertura Existente). A partir del levantamiento topográfico del alineamiento de la red pueden definirse las cotas de tapa de las cámaras de inspección. Para el caso de estudio algunas de estas cotas se muestran en la Figura

14 Y C64A C C C C C C C C X Figura 3-6: Detalle de las cotas de terreno de las cámaras de inspección. Con la geometría de la red establecida, se determinan las áreas tributarias a cada uno de los tramos de la red (con base en el área tributaria a cada tramo), las cuales se utilizarán en el cálculo de los caudales residuales y de aguas lluvias. Estas áreas se muestran en la Figura Figura 3-7: Áreas tributarias a cada tramo del sistema. De acuerdo con la Figura 3-7 se determina el tamaño de la superficie de cada área tributaria (para agilizar este proceso se puede utilizar un software de diseño asistido por computador, como AutoCad). En la siguiente tabla se presentan los valores de las áreas tributarias cuyo caudal se descarga en la cobertura ubicada en la calle 6 con carrera 51. Previamente se ha determinado que tipo de agua se va a transportar, si residual, lluvias o combinadas, esto con el fin de asignar la respectiva área. Se calcula tanto el área tributaria propia del tramo, como el área tributaria que proviene de otras zonas y cuyo caudal será transportado a través de éste. Las áreas se acumulan de acuerdo con la conectividad que tengan los tramos. Del mismo modo, se obtienen los datos restantes para los tramos del sector de El Chagualo, cuyas aguas residuales y lluvias son descargadas al Interceptor Oriental y al río Medellín respectivamente. 14

15 Tabla 3- Áreas tributarias del sector Prado Centro. Áreas tributarias (ha) Tramo De A Aguas residuales residenciales Aguas lluvias Propia Otra Acumulada Propia Otra Acumulada 1 C34 C C3 C C9 C C6 C C18 C C17 C C10 C C8 C7A C7A C7B C7B C C7 COB C46 C C49 C C50 C C3 C C57 C C66 C En la tabla 3-3 se presenta el resumen de las áreas tributarias de todo el proyecto. Tabla 3-3 Áreas tributarias totales de cada tramo de la red de Prado Centro Tramo Área tributaria agua residual (ha) Área tributaria agua lluvia (ha) Tramo Área tributaria agua residual (ha) Área tributaria agua lluvia (ha) T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T

16 Tramo Área tributaria agua residual (ha) Área tributaria agua lluvia (ha) Tramo Área tributaria agua residual (ha) Área tributaria agua lluvia (ha) T TA T TA T TA T TA T TA T TA T TA T TA T TA T TA T TA T TA T TA T TA T TA T TA T TA T TA T TA T TA T TA T TA T TA PARÁMETROS DE DISEÑO A continuación se presentan los parámetros de diseño que se utilizarán en el desarrollo del ejemplo de diseño de la red de alcantarillado de Prado Centro CAUDALES DE AGUA RESIDUAL De acuerdo con lo establecido en el Numeral 5..1 de la norma el período de diseño para la red de Prado Centro es de 30 años, los cuales se cuentan a partir del 008, año en el cual se realiza el diseño. Para determinar los caudales de agua residual se debe utilizar la información disponible de EPM para el circuito del Batallón, ya que la red de Prado Centro pertenece a éste. A partir de los datos de Proyección de caudales de suministro por circuito expresado en (L/s) y proporcionados por EPM e indicados en la Tabla 3-4, se calcula la proyección de consumo para el período de diseño. La proyección para obtener la dotación del período de diseño, se construye a partir de los datos de la Tabla 3-4, haciendo uso de tendencias, tales como: lineal, logarítmica, exponencial, entre otras. De acuerdo con la dispersión que tengan los valores de la tabla, se determina cual es la tendencia que mejor representa la proyección de consumo en el circuito. 16

17 Tabla 3-4 Proyección de caudales de suministro de para el circuito del Batallón Año Caudal de suministro (L/s) En la Figura 3-8 se muestra la proyección de caudales de suministro (L/s) para el circuito Batallón Caudal (L/s) Año Figura 3-8: Proyección de caudales de suministro (L/s) para el circuito Batallón. Para el ejemplo de diseño, la línea de proyección marca en el año 038 un caudal de suministro de 03.3 L/s. Teniendo en cuenta que el área total del circuito Batallón es 4.03 hectáreas, se obtiene una dotación de L/s ha. Este valor se utilizará para obtener el caudal de aguas residuales en el sistema. 3.. CAUDALES DE AGUA LLUVIA De acuerdo con el Numeral 6. de la norma se establece el período de retorno del evento de precipitación. Como el área total que contribuye a la red de Prado Centro que se está diseñando tiene un área mayor a las 10 hectáreas y menor a 1000 hectáreas se debe utilizar un período de retorno de 10 años. Para conocer las características hidrológicas de la zona de estudio, se debe ubicar el proyecto en el plano de polígonos de Thissen con la localización las estaciones pluviométricasque tiene EPM. En la Figura 3-9 se muestra la ubicación del proyecto de la red de Prado Centro; se puede observar que el agua lluvia que llega a esta red proviene o drena desde la zona tributaria a la estación pluviográfica de la Planta de Villa Hermosa. Para esta estación pluviográfica EPM cuenta con curvas IDF e información de duración de las lluvias. La ecuación de la curva IDF para un período de retorno de 10 años de la estación de la Planta Villa Hermosa es la que se presenta a continuación: i( mm / h) = Ecuación 3-1 ( 16 + (min)) T d donde, i = Intensidad media de precipitación (mm/hr). T d = Duración de la lluvia (min). 17

18 Figura 3-9: Ubicación de la zona de proyecto con respectó a los límites de influencia determinados para las estaciones cercanas. 18

19 Capítulo 4 CAUDAL DE AGUAS RESIDUALES Los caudales de aguas residuales se obtienen a partir de la base de datos de consumo de agua potable para el sector estudiado. El consumo que se registra por tipo de usuario o por hectárea es convertido en caudal de agua residual a partir del coeficiente de retorno. Es posible representar el algoritmo que se realiza en la estimación de los caudales de agua residual en un esquema como el de la Figura 4 1. Inicio Definir áreas tributarias Establecer coeficiente de retorno Establecer consumo de agua potable, por tipo de usuario o por demanda (proyección del circuito) Calcular aportes de agua residual en cada tramo de la red de acuerdo con el tipo de contribución Acumular aportes de agua residual de acuerdo con la topología de la red Calcular caudal medio diario Calcular o medir factor de mayoración Calcular caudal máximo horario Calcular caudal por conexiones erradas Calcular caudal por infiltración Calcular caudal de aguas residuales Fin Figura 4 1: Diagrama de flujo para la estimación de los caudales de agua residual. 4.1 CÁLCULO DEL CAUDAL DE AGUAS RESIDUALES DOMÉSTICAS Según el Numeral de la norma, existen tres formas para calcular el caudal de aguas residuales domésticas dependiendo del tipo de proyección que se haya utilizado, ya sea de clientes, de consumo de agua potable o población. En cada caso debe utilizarse una ecuación en particular, cada una de las cuales se describen en el numeral de la norma referenciado. El caudal de aguas residuales se calculará utilizando dos de las tres metodologías enunciadas en la norma, con el fin de de ilustrar las posibilidades de cálculo de acuerdo con la información disponible Método utilizando los usuarios y el consumo El primer método que puede desarrollarse es el del catastro de usuarios y su consumo, teniendo en cuenta que para la red de Prado Centro, Empresas Públicas cuenta con la base de datos con la ubicación espacial de los usuarios y sus consumos de agua potable para el período de diseño la cual se esquematiza en la Figura 4-. Esta imagen es obtenida con herramientas de Sistemas de Información Geográfica - SIG (p.e. ArcGIS, ArcView), en ella los usuarios existentes en el sector de estudio se muestran en forma de pequeños puntos. Los consumos de agua potable tomados del circuito Batallón pueden ser ubicados espacialmente a partir de una base de datos implementada en herramientas SIG las cuales permiten cruzar los consumos de agua potable con el área tributaria propia de cada tramo del sistema de alcantarillado a diseñar. Los pasos que se deben seguir para obtener el caudal de aguas residuales domésticas de cada tramo de la red de Prado Centro son: 19

20 - Trazar el área tributaria propia del tramo. - Seleccionar los usuarios domésticos que se encuentran dentro de cada área tributaria por medio de la herramienta SIG. - Determinar el consumo total de cada área tributaria como la suma de los consumos promedio de agua potable de cada usuario. - Convertir el consumo obtenido de agua potable a caudal de aguas residuales por medio del coeficiente de retorno. Usuarios Prado Centro Residencial Oficial Insdustrial Comercial Especiall Figura 4-: Distribución de clientes del sistema de alcantarillado en la zona de estudio. En la Figura 4-3 se muestra el conjunto de usuarios domésticos ubicados en el área tributaria propia del tramo T41, de C66 a C7, y para la cual se estimó su caudal total de consumo de agua potable doméstico. Este tramo representa un caudal de consumo de agua potable de 11.1 m 3 /mes que luego se convirtieron a caudal de aguas residuales, por medio de la expresión. Q D = * CR* qd Ecuación 4-1 donde, Q D = Caudal de aguas residuales doméstico (L/s). C R = Coeficiente de retorno (0.85). q D = Caudal de consumo doméstico de agua potable doméstico (m 3 /mes). Reemplazando para el tramo T41 se obtiene: QD = *0.85*11.1 = L/ s Ecuación 4 - Figura 4-3: Distribución de los clientes de la red de acueducto en el área tributaria del tramo T41: uso doméstico. 0

21 4.1. MÉTODO UTILIZANDO LA PROYECCIÓN DEL CIRCUITO El segundo método que el diseñador puede utilizar es el de proyección del circuito de acuerdo con la dotación establecida para el circuito en el cual se encuentra el proyecto. Para el caso de ejemplo la dotación para el circuito Batallón fue establecida en el Numeral de esta Guía, por lo tanto el caudal de agua residual se calcula multiplicando la dotación de L/s ha por el área tributaria de cada tramo de la red de Prado Centro. definidas y la asignación de una contribución neta para las mismas. Para el caso de la red de Prado Centro se dispone, igual que para el consumo doméstico, de la ubicación espacial y el valor del consumo industrial de agua potable. En la Figura 4-4 se muestra el conjunto de usuarios industriales ubicados en el área tributaria propia del tramo T41. Para el mismo tramo T41 el caudal será de: Q D 0.907L / s ha 0.77ha = 0.698L / s = Ecuación 4-3 La dotación que se estableció para el circuito Batallón corresponde al promedio de los diferentes tipos de contribución (doméstica, comercial, industrial e institucional). Es por esta razón que el caudal de L/s obtenido por este método es mayor que el de L/s obtenido por el método del Numeral 4.1.1, porque en este último método solo se incluyeron contribuciones domésticas; una vez se totalicen los diferentes tipos de usuarios y sus consumos, se alcanzará un valor muy cercano al de L/s para el tramo y así para cada uno de los tramos que componen la red. En caso de que en un circuito de acueducto existieran usuarios con consumos superiores al promedio, por ejemplo escuelas, clínicas, industrias, centros comerciales, entre otros, su consumo se ingresa en la respectiva área tributaria como un aporte puntual. 4. CÁLCULO DEL CAUDAL DE AGUAS RESIDUALES INDUSTRIALES De acuerdo con el Numeral de la norma, es posible estimar el caudal de aguas residuales industriales a partir de las áreas tributarias ya Figura 4-4: Distribución de los clientes de la red de acueducto en el área tributaria del tramo T41: uso industrial. El consumo industrial en este tramo corresponde a 14.4 m 3 /mes* que afectado por un coeficiente de retorno de en la Ecuación 4-1 se obtiene un caudal de: QI = *0.85*14.4 = L/ s Ecuación 4-4 * (No obstante este consumo no es representativo como industrial, se incluye a modo de ejemplo). 1 El coeficiente de retorno dependerá del proceso que se lleve en la industria; en algunos casos toda el agua consumida se evacuará al sistema de alcantarillado. Esto debe ser evaluado por el diseñador. 1

22 4.3 CAUDAL DEL CAUDAL DE AGUAS RESIDUALES COMERCIALES El Numeral de la norma establece las consideraciones que deben tenerse en cuenta para estimar el caudal de aguas residuales comerciales. Para el caso de la red de Prado Centro se ha utilizado, una vez más, la ubicación espacial de consumos de agua potable de tipo comercial que existen sobre las áreas tributarias del proyecto para estimar el caudal de aguas residuales comerciales. de instituciones oficiales y de usos especiales, tales como hogares juveniles, ancianatos, entre otros. En la Figura 4-6 se muestra el conjunto de usuarios oficiales y especiales ubicados en el área tributaria propia del tramo T41. Figura 4-6: Distribución de los clientes de la red de acueducto en el área tributaria del tramo T41: uso oficial y especial Figura 4-5: Distribución de los clientes de la red de acueducto en el área tributaria del tramo T41: uso comercial. El consumo comercial en este tramo corresponde a 63.1 m 3 /mes que afectado por un coeficiente de retorno de 0.85 en la Ecuación 4-1 se obtiene un caudal de: QC = * 0.85* 63.1 = 0.01 L/ s Ecuación CÁLCULO DEL CAUDAL DE AGUAS RESIDUALES DE USO OFICIAL Y USO ESPECIAL El Numeral de la norma establece los lineamientos que se deben tener en cuenta al momento de determinar el caudal de agua residual El consumo oficial y especial en este tramo corresponde a 3.4 m 3 /mes de caudal oficial y a 16. m 3 /mes de caudal especial, los cuales afectados por un coeficiente de retorno de 0.85 en la Ecuación 4-1 se obtiene un caudal de: Ecuación QOF + ESP = *0.85*( ) = L/ s CAUDALES DE AGUA RESIDUAL DE LAS ÁREAS TRIBUTARIAS PROPIAS DE CADA TRAMO El caudal total de agua residual para cada tramo se obtiene sumando los caudales obtenidos de acuerdo con los diferentes usos indicados en los numerales anteriores. En la Tabla 4-1 se presentan los caudales de agua residual de acuerdo con el

23 tipo de contribución para todos los tramos de la red de Prado Centro. En esta tabla Q D corresponde al caudal doméstico, Q c al caudal comercial, Q I al caudal industrial, Q OF al caudal oficial y Q ESP al caudal especial. Tabla 4-1 Caudales de agua residual de aporte a cada tramo de la red de Prado Centro Tramo Q D (L/s) Q c L/s) Q I (L/s) Q OF (L/s) Q ESP (L/s) T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T

24 Tramo Q D (L/s) Q c (L/s) Q I (L/s) Q OF (L/s) Q ESP (L/s) T T T T T T T T T TA TA TA TA TA TA TA TA TA TA TA TA TA TA TA TA TA TA TA TA TA TA TA CAUDAL MEDIO DIARIO DE AGUAS RESIDUALES domésticas, industriales, comerciales, oficiales y especiales, de acuerdo con la Ecuación 4-7. Según el Numeral 5..4 de la norma, el caudal medio diario de aguas residuales (Q MD ) para un tramo con áreas tributarias dadas, corresponde a la suma de sus correspondientes aportes de aguas residuales MD = QD + QI + QC QOF Ecuación 4-7 Q + donde, Q MD = Caudal medio diario (m 3 /s). 4

25 Q D = Caudal de aguas residuales doméstico (m 3 /s). Q I = Caudal de aguas residuales industriales (m 3 /s). Q C = Caudal de aguas residuales comerciales (m 3 /s). Q OF = Caudal de aguas residuales oficiales (m 3 /s). Para cada tramo de la red de Prado Centro se calcula el caudal medio diario por medio de la Ecuación 4-7. Para el caso del tramo T41, que une las cámaras C66 y C7, los caudales de aguas residuales domésticas, comerciales, industriales, oficiales y especiales tributario son L/s, 0.3 L/s, L/s, L/s y L/s respectivamente lo que da un caudal medio de aguas residuales de: QMD = = L/ s Ecuación 4-8 Al comparar este valor de caudal medio (0.730 L/s) con el caudal obtenido usando la dotación promedio (0.698 L/s) se puede concluir que los dos caudales son muy parecidos. Por esta razón cualquiera de las dos metodologías es viable para determinar los caudales de agua residual, el uso de cada una de ellas depende de la información con que cuente el diseñador. 4.7 CÁLCULO DEL CAUDAL MÁXIMO HORARIO El Numeral 5..5 de la norma indica que el caudal máximo horario de aguas residuales (Q MHf ), es la base para establecer el caudal de diseño de cada uno de los tramos que conforman una red de alcantarillado de aguas residuales. El caudal máximo horario del día de máximo consumo se calcula a partir del caudal final medio diario, utilizando un factor de mayoración, F, calculado con la Ecuación 4-9. Q MHf = F QDf + Qif + QCf + Q Ecuación OFf 4-9 donde, Q MHf = Caudal máximo horario final (m 3 /s). F = Factor de mayoración (adimensional). Q Df = Caudal de aguas residuales doméstico final (m 3 /s). Q If = Caudal de aguas residuales industriales final (m 3 /s). Q Cf = Caudal de aguas residuales comerciales final (m 3 /s). Q OFf = Caudal de aguas residuales oficiales final (m 3 /s). En el diseño de la red de Prado Centro se utiliza la ecuación de Tchobanoglous del Numeral 5..6 de la norma: 3.7 = Ecuación 4-10 F QMDI donde, F = Factor de Mayoración (adimensional). Q MDI = Caudal medio diario de aguas residuales tributario a cada tramo (L/s). El factor de mayoración del tramo T41 es: F = = = Q MDI ( 0.73) 3.79 Ecuación 4-11 Luego, mayorando únicamente el caudal de aguas residuales domésticas y adicionando el componente de aguas comerciales, industriales, oficiales y especiales tributario a cada tramo de la red de alcantarillado se calcula el caudal máximo horario de aguas residuales de cada tramo. Para el Tramo T41 se muestra el procedimiento de cálculo antes mencionado haciendo uso de la Ecuación 4-9, como muestra las ecuaciones 4-1 y

26 ( 0.409l / s) + 0.3l / s l / s l / s 0.083l s Q MHf = / Ecuación 4-1 Q MHf = 1.87l / s Ecuación CÁLCULO DEL CAUDAL POR INFILTRACIÓN Para determinar los caudales por infiltración lo ideal es realizar aforos en el sistema, en horas de mínimo consumo de agua potable, tal como lo indica el Numeral de la norma. Debido a que no se cuenta con esta información para calcular el caudal por infiltración se hará uso del valor unitario de 0.04 m³ por milímetro de diámetro de la tubería por kilómetro de longitud por día (m³/mm diámetro km día) recomendado por la norma. Debido a que todavía no se conocen los diámetros de diseño, fue necesario estimar inicialmente el caudal de infiltración con un valor de 0. L/s*ha, Q l / s = 0. Ecuación 4-14 ha INF A p donde, A P = Área tributaria propia del tramo en ha. Para estimar el caudal de infiltración del tramo T41, se tiene que su área tributaria es de 0.77 hectáreas, por lo tanto su caudal de infiltración será: l / s Q INF ha = 0.154l / s ha = Ecuación 4-15 De igual modo se realiza el cálculo para los tramos restantes. 4.9 CÁLCULO DEL CAUDAL DE AGUAS RESIDUALES POR CONEXIONES ERRADAS El caudal correspondiente a las conexiones erradas de una red de alcantarillado debe determinarse de acuerdo con el Numeral de la norma. Para el caso de la red de Prado Centro este caudal no se determina debido a que se trata de un alcantarillado de aguas combinadas CÁLCULO DEL CAUDAL DE DISEÑO DE AGUA RESIDUAL Este caudal se obtiene de la suma del caudal máximo horario final del día de mayor consumo de agua potable, Q MHf, más los aportes de caudal de infiltración y caudal de aguas residuales por conexiones erradas, de acuerdo con la Ecuación Q + DT = QMHf + QINF QCEf Ecuación 4-16 donde, Q DT = Caudal de diseño para cada tramo (m 3 /s). Q MHf = Caudal máximo horario final (m 3 /s). Q INF = Caudal por infiltraciones (m 3 /s). Q CEf = Caudal por conexiones erradas final (m 3 /s). Si el sistema de alcantarillado es solamente de agua residual, el caudal de diseño se debe determinar mediante la Ecuación 4-16 y en caso de que sea menor a 1.5 L/s, se debe utilizar este valor como caudal de diseño. Para sistemas de alcantarillado combinado el caudal de diseño se establece en el Numeral de esta Guía. Como ejemplo, el caudal de diseño de aguas residuales para el área tributaria del tramo T41 se calcula de la siguiente manera, como se muestra en la ecuación 4-17 En la Tabla 4- se muestran los caudales de agua residual de acuerdo con el tipo de contribución y el caudal de diseño de aguas residuales de la red de Prado Centro. Fuente: Gravity Sanitary Sewer Design and Construction, ASCE Manuals And Reports On Engineering Practice Nº60,

27 Q = Q + Q + Q = =.0L s Ecuación 4-17 DT MHf INF CEf / Tabla 4- Determinación del caudal de diseño de aguas residuales para cada tramo de la red de Prado Centro Tramo Q D (L/s) Q c (L/s) Q I (L/s) Q OF (L/s) Q ESP (L/s) Q MD (L/s) F Q MH (L/s) A P ( ha) Q INF (L/s) T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T Q RES (L/s) 7

28 Tramo Q D (L/s) Q c (L/s) Q I (L/s) Q OF (L/s) Q ESP (L/s) Q MD (L/s) F Q MH (L/s) A P ( ha) Q INF (L/s) T T T T T T T T T T TA TA TA TA TA TA TA TA TA TA TA TA TA TA TA TA TA TA TA TA TA TA TA A continuación se describe el contenido de cada una de las columnas que conforman la Tabla 4-. Columna 1: Identificador del tramo. Columna : Caudal de agua residual doméstica aportado por el área tributaria de cada tramo (L/s). Columna 3: Caudal de agua residual comercial aportado por el área tributaria de cada tramo (L/s).. Q RES (L/s) 8

29 Columna 4: Caudal de agua residual industrial aportado por el área tributaria de cada tramo (L/s). Columna 5: Caudal de agua residual oficial aportado por el área tributaria de cada tramo (L/s). Columna 6: Caudal de agua residual especial aportado por el área tributaria de cada tramo (L/s). Columna 7: Caudal medio diario de aguas residuales resultado de la suma de las columnas a 6 (Ecuación 4-7) (L/s). Columna 8: Factor de mayoración de las aguas residuales domésticas calculado con la Ecuación 4-10 a partir de la columna 7 (L/s). Columna 9: Caudal máximo horario de aguas residuales calculado con la Ecuación 4-9 a partir de las columnas a 6 (L/s). Columna 10: Área tributaria acumulada de cada tramo (ha). Columna 11: Caudal de infiltración calculado a partir del área tributaria propia en cada tramo (Columna 10) con la Ecuación 4-14 (L/s). Columna 1: Caudal total de aguas residuales en cada tramo calculado a partir de las columnas 9 y 11 con la Ecuación 4-16 (L/s). 9

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31 Capítulo 5 CAUDAL DE AGUAS LLUVIAS Para la estimación de los caudales de diseño de aguas lluvias el diseñador deberá utilizar el método racional siempre y cuando el área de drenaje sea menor a 80 hectáreas y se cumpla con las restricciones expresadas en el Numeral de la norma. En este método se determinan los caudales máximos a partir del tiempo de concentración del área de drenaje y la relación que éste tiene con diferentes períodos de retorno para estimar la intensidad media del evento de precipitación de diseño. Adicionalmente, se tiene en cuenta un coeficiente de escorrentía de acuerdo con el tipo de suelo y del uso que se le está dando al mismo. Por medio de la Ecuación 5-1 se puede calcular el caudal máximo de aguas lluvias de acuerdo con el método racional. Q = CiA Ecuación 5-1 donde, Q = Caudal máximo de aguas lluvias (L/s). C = Coeficiente de escorrentía (adimensional). i = Intensidad de precipitación (L/s/ha). A = Área tributaria (ha). El coeficiente de escorrentía tiene en cuenta el coeficiente de impermeabilidad que está relacionado con el tipo de superficie del área de drenaje, además de involucrar la pendiente promedio de la cuenca de drenaje como se muestra en la Ecuación 5-. C = * I * S Ecuación 5 - donde, I = Coeficiente de impermeabilidad (adimensional). S = Pendiente promedio del área tributaria (m/m). El coeficiente de impermeabilidad, I, es función del tipo del suelo de la cuenca, del grado de permeabilidad de la zona, de la pendiente del terreno y de todos aquellos otros factores que determinan qué parte de la precipitación se convierte en escorrentía. También se deben tener en cuenta las consideraciones expuestas en el Numeral 6..7 de la norma. El diseñador debe hacer uso de los coeficientes de impermeabilidad que se presentan en la Tabla 5-1. Tabla 5-1 Coeficientes de impermeabilidad Tipo de superficie I Cubiertas 0.90 Pavimentos asfálticos y superficies de 0.90 concreto Vías adoquinadas 0.85 Zonas comerciales o industriales 0.90 Residencial, con casas contiguas, 0.75 predominio de zonas duras Residencial multifamiliar, con bloques 0.75 contiguos y zonas duras entre éstos Residencial unifamiliar, con casas contiguas 0.60 y predominio de jardines Residencial, con casas rodeadas de 0.45 jardines o multifamiliares apreciablemente separados Residencial, con predominio de zonas 0.30 verdes y parques-cementerios Laderas sin vegetación 0.60 Laderas con vegetación 0.30 Parques recreacionales 0.30 Para calcular la intensidad de la precipitación es necesario determinar el tiempo de concentración, el cual es función de los tiempos de entrada y de tránsito. Para el primer tramo, el tiempo de entrada corresponde al tiempo que toma el flujo superficial en viajar desde la parte más alejada del área tributaria hasta el punto de entrada o hasta el 31