Consideraciones en alcantarillados pluviales

Transcripción

1 Hidrología Urbana

2 Consideraciones en alcantarillados pluviales Redes Secundarias Recolectan las aguas y las llevan a una red primaria. El período de retorno de la tormenta de diseño es 2 a 10 años Esta compuesto por sumideros y conductos. Augusto Sisa Camargo (49 )

3 Consideraciones en alcantarillados pluviales Redes Primarias Transportan las aguas de los sistemas secundarios hasta las plantas o cuerpos de agua naturales. El período de retorno de la tormenta de diseño es de 100 años normalmente Esta compuesto por box-culverts, puentes, tanques de retención Si este sistema falla pueden haber daños en propiedades y vidas humanas. Augusto Sisa Camargo (50 )

4 Período de Retorno Tiempo promedio en el cual un evento es igualado o excedido ( X x ) P = T 1 T Augusto Sisa Camargo (51 )

5 Períodos de Retorno Sugeridos Estructura Período de Retorno Estructura Período de Retorno Alcantarillas de carreteras Tráfico bajo 5-10 Tráfico medio Tráfico alto Aeropuertos Volúmen bajo 5-10 Volúmen medio Volúmen alto Puentes Sistema Secundario Sistema Primario Drenaje Agrícola Culverts 5-50 Surcos 5-50 Drenaje Urbano Ciudades pequeñas 2-25 Ciudades grandes Augusto Sisa Camargo (52 )

6 Períodos de Retorno RAS Características del área de drenaje Mínimo (años) Aceptable (años) Recomendado (años) Tramos iniciales en zonas residenciales con áreas tributarias menores de 2 ha Tramos iniciales en zonas comerciales o industriales, con áreas tributarias menores de 2 ha Tramos de alcantarillado con áreas tributarias entre 2 y 10 ha Tramos de alcantarillado con áreas tributarias mayores de 10 ha Canales abiertos en zonas planas y que drenan áreas mayores de 1000 ha * Canales abiertos en zonas montañosas (alta velocidad) o a media ladera, que drenan áreas mayores a 1000 ha *Parte revestida a 10 años, más borde libre a 100 años Augusto Sisa Camargo (53 )

7 Longitud de Series Recomendadas Diseño y Planeación Alcantarillados: Mayor a 10 años Alivios (CSO) : Mayor a 5 años Control y Evaluación Alcantarillados: Mayor a 20 años Alivios (CSO): Mayor a 10 años Augusto Sisa Camargo (54 )

8 Precipitación Cuenca Escorrentía (PCE) INSUMO Precipitación Cuenca Caudal PROCESO PRODUCTO Augusto Sisa Camargo (55 )

9 Precipitación Cuenca Escorrentía (PCE) Hietograma CUENCA Hidrograma Augusto Sisa Camargo (56 )

10 Hietograma Es la representación gráfica de una lluvia. Expresa la intensidad de una lluvia (mm/hr) distribuida en el tiempo. Se obtiene a partir de la medición de la precipitación. Augusto Sisa Camargo (57 )

11 Augusto Sisa Camargo (58 ) Relación entre un evento de lluvia y su respuesta COLECTOR AUTOPISTA NORTE Avenida Caracas - Calle 77. Pozo 2 Evento del 17 de Noviembre de 1999 P-Castillo P-Gimnasio Caudal P total = mm P total = mm :00 23:08 23:16 23:24 23:32 23:40 23:48 23:56 0:04 0:12 0:20 0:28 0:36 0:44 0:52 1:00 1:08 1:16 1:24 1:32 1:40 1:48 1:56 2:04 2:12 2:20 2:28 2:36 2:44 2:52 3:00 Caudal (lps) Precipitación (mm) (intervalos de 2 min)

12 Medición de Hietogramas Augusto Sisa Camargo (59 )

13 Augusto Sisa Camargo (60 ) Isoyetas Función de Base Radial Kriging

14 Hietograma de Precipitación Efectiva La precipitación efectiva es aquella que genera escorrentía superficial, es decir la que no logra infiltrarse en el suelo. Esta cantidad de agua debe ser manejada por el sistema de Drenaje Urbano Augusto Sisa Camargo (61 )

15 Curva IDF Curva Intensidad - Duración - Frecuencia Suelen ajustarse a la función de distribución de probabilidad de valor extremo Tipo I o Gumbel. Estan basadas en en eventos seleccionados de 5, 10, 20, 30, y más Minutos). Se usan las profundidades máximas anuales. O, las excendencias si la serie es pequeña. Cada una de estas series duraciones son ordenadas para calcular la curva IDF Augusto Sisa Camargo (62 )

16 Curva IDF Curva IDF StatGraphics Intensidad (mm/h) Duración (min) T= 2 años T=10 años T= 25 años T= 50 años i= 206.3T 0.63 d 0.36 Augusto Sisa Camargo (63 )

17 Curva IDF Según el RAS Nivel de complejidad del sistema Bajo y medio Medio alto Alto Obtención mínima de curvas IDF Sintética Información pluviográfica regional Información pluviográfica local Augusto Sisa Camargo (64 )

18 Hidrograma Es la representación gráfica de la distribución del caudal en el tiempo. Muestra el balance a largo plazo de la precipitación, la evaporación y el caudal de la cuenca. Augusto Sisa Camargo (65 )

19 Hidrograma Limbo ascendente: Depende de las características de la precipitación y la morfología de la cuenca Limbo descendente: Depende de las características morfológicas de la cuenca Augusto Sisa Camargo (66 )

20 Interacción - PCE Respuesta en una cuenca por su forma A B Q B A t Augusto Sisa Camargo (67 )

21 Interacción - PCE Respuesta en una cuenca por pendiente Mayor pendiente Q t Menor pendiente Augusto Sisa Camargo (68 )

22 Interacción - PCE Respuesta en una cuenca por permeabilidad Más impermeable Q Menos impermeable t Augusto Sisa Camargo (69 )

23 Interacción - PCE Respuesta en una cuenca por humedad antecedente Más humedad Q Menos humedad t Augusto Sisa Camargo (70 )

24 Interacción - PCE Respuesta en una cuenca por ubicación de la lluvia Partes bajas Q Partes altas t Augusto Sisa Camargo (71 )

25 Efectos de la Urbanización Augusto Sisa Camargo (72 )

26 Augusto Sisa Camargo (73 ) Efectos de la Urbanización Q t

29 Método Racional

30 Método Racional Considera una intensidad de precipitación constante durante todo el tiempo de lluvia Supone que las precipitaciones causantes de problemas de inundación son aquellas de corta duración y gran intensidad. Duración de la lluvia igual al tiempo de concentración de la cuenca. i se obtiene a partir de la curva IDF de período de retorno escogido. Augusto Sisa Camargo (77 )

31 Método Racional Sistema Inglés Q cfs i in/hr A acres C entre 0 y 1 Sistema Internacional Q L/s i mm/hr A Ha C entre 0 y 1 Q= CiA Q=2.78CiA Augusto Sisa Camargo (78 )

32 Método Racional Este método suele sobreestimar el caudal pico, y es por esta razón que no se recomienda para cuencas muy grandes, mayores a 10km 2. Según el RAS máximo 700 Ha El caudal pico ocurre cuando toda el área de drenaje está contribuyendo. Es decir, la intensidad correspondiente a un evento con duración igual al tiempo de concentración. Augusto Sisa Camargo (79 )

33 Corrección de la intensidad Para áreas grandes es posible corregir la intensidad determinada de la curva IDF de la siguiente manera Área de drenaje (Ha) Factor de reducción 0,99 0,95 0,93 0,90 0,88 Augusto Sisa Camargo (80 )

34 Factor de Escorrentía Cubiertas Pavimentos asfálticos y superficies de concreto Vías adoquinadas Zonas comerciales o industriales Residencial, con casas contiguas, predominio de zonas duras Residencial multifamiliar, con bloques contiguos y zonas duras entre éstos Residencial unifamiliar, con casas contiguos y predominio de jardines Residencial, con casas rodeadas de jardines o multifamiliares apreciablemente separados Residencial, con predominio de zonas verdes y parques cementerios Laderas sin vegetación Laderas con vegetación Parques recreacionales TIPO DE SUPERFICIE C 0,75-0,95 0,70-0,95 0,70-0,85 0,60-0,95 0,75 0,60-0,75 0,40-0,60 0,45 0,30 0,60 0,30 0,20-0,35 Augusto Sisa Camargo (81 )

35 Factor de Escorrentía Para algunos lugares del mundo se han determinado ecuaciones (regresiones estadisticas) que permiten determinar el coeficiente de escorrentía como función de parámetros de las cuencas. PR = P 25 Inf 20.7 IMPERMEABLE SUELO Ind HUMEDAD Inglaterra (Buttler) Augusto Sisa Camargo (82 )

36 Duración de la tormenta Con frecuencia se toma como duración de la tormenta el tiempo de concentración de la cuenca. A partir de la morfología de la cuenca se han establecido algunas ecuaciones que simulan este efecto. Tc = T + T entrada al sistema viaje en el sistema Augusto Sisa Camargo (83 )

37 Tiempo de Entrada Tiempo para que la escorrentía llegue al sumidero del colector (FAA EEUUA) Te = (1. 1 S 1 / 3 C ) L 1 / 2 Donde: L = Longitud tramo S = Pendiente tramo C = Coeficiente de escorrentía Augusto Sisa Camargo (84 )

38 Tiempo de Entrada Kerby T e = Lm S Donde: m= Retardo Tipo de superficie Impermeable Suelo sin cobertura, compacto y liso Superficie sin cobertura moderadamente rugosa Pastos Terrenos arborizados Pastos densos m 0,02 0,10 0,20 0,30 0,70 0,80 Augusto Sisa Camargo (85 )

39 Tiempo de Entrada Tiempo de entrada al colector (SCS) T t = L 60 c V s Augusto Sisa Camargo (86 )

40 Tiempo de entrada Vs esta dada por V = S a 1 S 2 Tipo de superficie Bosque con sotobosque denso Pastos y patios Áreas cultivadas en surcos Suelos desnudos Áreas pavimentadas y tramos iniciales de quebradas a 0,70 2,00 2,70 3,15 6,50 Augusto Sisa Camargo (87 )

41 Tiempo de Viaje Tiempo de viaje en el colector (SCS) Longitud recorrida a una velocidad dada T t = Lc 60 V Augusto Sisa Camargo (88 )

42 Tiempos de Concentracion En algunas condiciones es posible estimar el tiempo de concentración de la cuenca de drenaje a partir de las ecuaciones empíricas utilizadas en cuencas naturales Augusto Sisa Camargo (89 )

43 Ecuaciones Hay muchas por su base física Fórmula de Kirpich. Fórmula Californiana (del U.S.B.R.). Fórmula de Giandotti Fórmula de Ventura-Heras Fórmula de Passini. Fórmula de Témez. Fórmula California Culvert Practice. Augusto Sisa Camargo (90 )

44 Fórmula de Kirpich. T c = L 0.77 S Calcula el tiempo de concentración, Tc, en minutos L la longitud del cauce principal de la cuenca, en metros S la diferencia entre las dos elevaciones extremas de la cuenca, en metros, dividida por L (es decir, la pendiente promedio del recorrido principal en m/m). Augusto Sisa Camargo (91 )

45 Fórmula de Californiana (del U.S.B.R.). = ( J L T c 1/2 ) 0.77 Tc es también en horas, L y J la longitud y la pendiente promedio del cauce principal de la cuenca, en Km y en m/m, respectivamente. Augusto Sisa Camargo (92 )

46 Fórmula de Giandotti T c = 4 A +1.5 L 25.3 J L Proporciona el tiempo de concentración de la cuenca, Tc, en horas. L y J los definidos anteriormente A la superficie de la cuenca en Km 2. Augusto Sisa Camargo (93 )

47 Fórmula de Ventura-Heras T c = α A J 0.04 α 0.13 Tc, tiempo de concentración en horas A y J los ya definidos anteriormente. 0.5 Augusto Sisa Camargo (94 )

48 Fórmula de Passini. β (A L ) = J Tc 0.5 1/ β 0.13 Tc el tiempo de concentración en horas A, L y J los definidos anteriormente Augusto Sisa Camargo (95 )

49 Fórmula de Témez = 0.3( Es la recomendada en España, para el método racional modificado Se utiliza en el cálculo del hidrograma triangular de J.R.Témez. Tc es el tiempo de concentración de la cuenca, en horas. L es la longitud del cauce principal de la cuenca, en Km J es la pendiente promedio de dicho recorrido en m/m J L T c 1/4 ) 0.76 Augusto Sisa Camargo (96 )

50 Fórmula California Culvert Practice T c = 60 ( 11.9 L H Tc es el tiempo de concentración en minutos L la longitud del curso de agua más largo, en millas, H la diferencia de nivel entre la divisoria de aguas y el desagüe de la cuenca, en pies 3 ) Augusto Sisa Camargo (97 )

51 Resumen de Formulas Mays 2005 Augusto Sisa Camargo (98 )

54 Método Racional - Limitaciones No tiene en cuenta los volúmenes almacenados No es útil si hay algún sistema de detención o algo similar en la cuenca El valor de C no tiene en cuenta el orden secuencial de zonas impermeables o no permeables Augusto Sisa Camargo (101 )

55 Valores de C Augusto Sisa Camargo (102 )

56 Valores de C Augusto Sisa Camargo (103 )

57 Aguas Pluviales

58 Función Rápida evacuación de aguas lluvias de las vías públicas. Evitar generación de caudales excesivos en calzadas. Evitar invasión de aguas lluvias a propiedades privadas y públicas. Evitar acumulación de aguas en vías de tránsito. Evitar paralización de tráfico en un evento fuerte de precipitación. Augusto Sisa Camargo (105 )

59 Generación de la escorrentía Hay dos efectos importantes Perdidas iniciales: Intercepción Almacenamiento en depresiones Infiltración Evaporación Precipitación Efectiva Flujo sobre la superficie Augusto Sisa Camargo (106 )

60 Escorrentía Una vez determinado el caudal de escorrentía su movimiento sobre la cuenca debe ser calculado siguiendo métodos como el del Hidrograma Unitario Augusto Sisa Camargo (107 )

61 Hidrograma Unitario - HU Es el hidrograma de escorrentía superficial total resultante de un volumen unitario de lluvia efectiva, uniformemente distribuida en espacio y tiempo. La altura de la lluvia neta corresponde a la altura de la escorrentía d A = 0 Q dt e Augusto Sisa Camargo (108 )

62 Consideraciones del HU No hay variación estacional Se supone que cualquier otra forma de lluvia es lineal e invariante Lluvias de igual duración, producen hidrogramas de igual duración Superposición La escorrentía es proporcional a la intensidad. Q 2 = Q 1 i i 2 1 Augusto Sisa Camargo (109 )

63 Superposición de HU Augusto Sisa Camargo (110 )

64 Uso del HU con un Hietograma Agregar un retraso Hidrograma Salida Augusto Sisa Camargo (111 )

65 Augusto Sisa Camargo (112 ) Efectos de la Urbanización el Hidrograma Unitario

66 Estimación del HU Con frecuencia no se dispone de información para estimar el HU de una cuenca En esta situación se hace necesario estimar el HU como un HU - sintetico Augusto Sisa Camargo (113 )

67 HU - Sintético Algunos de estos métodos son lo de: HU Snyder HU Snyder Regionalizado Útil para cuencas urbanas pequeñas HU SCS HU SCS adimensional HU Williams & Hann Otros Augusto Sisa Camargo (114 )

68 Condicione Extremas Velocidad mínima 0.75 m/s Velocidad Máxima Tipo de material V (m/s) El esfuerzo cortante medio 3 N/m 2 Ladrillo común Ladrillo vitrificado y gres Concreto PVC 3,0 5,0 5,0 10,0 Augusto Sisa Camargo (115 )

69 Augusto Sisa Camargo (116 ) Condiciones (EEUUA) Mays 2005

70 Augusto Sisa Camargo (117 ) Condiciones (EEUUA) Mays 2005