DEFECTOS EN LA INGENIERÍA BÁSICA Y CONSTRUCCIÓN DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES

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1 DEFECTOS EN LA INGENIERÍA BÁSICA Y CONSTRUCCIÓN DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES M en I. Fernando Pozo Román Palabras clave: construcción, diseño, ingeniería básica, mecánica de suelos, topografía Resumen En la realización de un proyecto, se entiende por "Ingeniería Básica" aquellas actividades esenciales e indispensables para empezar a realizarlo. En el caso del diseño y construcción de las plantas de tratamiento de aguas residuales, se tienen los siguientes estudios: Caracterización de las aguas residuales -incluyendo muestreo, preservación de muestras, análisis e interpretación de resultados- Pruebas de tratabilidad, Hidrografía, Geología y Climatología de la zona, la realización de la Topografía y la Mecánica de Suelos del predio propuesto. Dichos estudios son necesarios para conocer la calidad y cantidad de las aguas a tratar, determinar las constantes de diseño de los procesos a emplear, conocer las corrientes de agua cercanas al lugar de tratamiento, determinar las diferentes rocas y bancos de material a utilizar durante la construcción, especificar la dirección de los vientos dominantes para evitar malos olores que pudieran generarse, conocimiento de las temperaturas extremas que afectan los procesos biológicos y en general datos interesantes del proyecto con respecto a su entorno y suelo donde se construirá. Introducción En la realización de un proyecto, se entiende por "Ingeniería Básica" aquellas actividades esenciales e indispensables para empezar a realizarlo. En el caso del diseño y construcción de las plantas de tratamiento de aguas residuales, se tienen los siguientes estudios: Caracterización de las aguas residuales -incluyendo muestreo, preservación de muestras, análisis e interpretación de resultados- Pruebas de tratabilidad, Hidrografía, Geología y Climatología de la zona, la realización de la Topografía y la Mecánica de Suelos del predio propuesto. Con base a la experiencia, se puede decir que las fallas de origen en los sistemas de tratamiento, se deben a dos diferentes causas: 1) Errores en la realización de la Ingeniería Básica y 2) Defectos en la construcción. Metodología Errores en la realización de la Ingeniería Básica 1

2 Por lo que corresponde a la Obra Civil, adquiere gran importancia el levantamiento topográfico y el estudio de la mecánica de suelos para definir el sistema de tratamiento a emplear y distribuir en el predio las unidades de proceso. Importancia del levantamiento topográfico Para describir y delinear detalladamente la superficie de un terreno, se recurre a hacer el levantamiento topográfico mediante el trazo de una poligonal cerrada orientando astronómicamente uno de sus lados, realizar una configuración del predio y el levantamiento de particularidades. En levantamientos tradicionales hechos con teodolito y cinta, usualmente se solicita medir los ángulos con visuales tomadas al hilo de la plomada, realizando como mínimo tres veces la medición de los ángulos del polígono. Las distancias horizontales se miden dos veces tensando la cinta con una fuerza de más o menos 2kg de su tracción normal. Las tolerancias de cierre lineal y angular comúnmente aceptadas son: Tolerancia Lineal 1/10,000 y Tolerancia angular 30" n donde: n número de ángulos del polígono Dichas especificaciones son ampliamente cumplidas cuando el levantamiento se realiza de forma digital mediante Estación Total. La orientación astronómica tiene como objeto obtener con precisión las direcciones de líneas en los levantamientos y las posiciones geográficas de puntos donde se trabaja de tal manera que, para fines prácticos, se obtengan datos invariables. Por lo que se refiere a la configuración del predio, la localización de puntos se realiza mediante radiaciones determinando, en el caso de terrenos para plantas de tratamiento, curvas de nivel a cada 20 ó 50 cm, dependiendo de lo escarpado del terreno. Los errores topográficos más comúnmente detectados son: 1.-Cierre lineal o angular de la poligonal fuera de tolerancia, 2.-Planos con distancias fuera de escala, 3.-Incongruencia entre las elevaciones de los vértices y puntos de la poligonal, con las alturas de los bancos y curvas de nivel y 4.- Discontinuidad, Cruzamientos y Ramificaciones de las curvas de nivel. Cabe hacer notar que no se pueden fundir dos o más curvas de nivel en una sola. Si se observan juntas es que están superpuestas una sobre otra y muestran un 2

3 corte vertical del terreno. Cuando las curvas están muy separadas, el terreno muestra una pendiente suave, mientras que cuando están muy juntas la pendiente es fuerte. Importancia del Estudio de Mecánica de Suelos Al respecto, los sitios disponibles para construir las plantas de tratamiento son a menudo terrenos donados o comprados usualmente, a muy bajo precio- por los Municipios; y están sujetos a inundaciones, con niveles freáticos superficiales, con suelos rocosos o de muy baja capacidad de carga, donde predominan suelos granulares arenas, gravas y boleos- o bien, suelos colapsables, arcillas expansivas, etc., por lo que se requiere elegir la cimentación adecuada y en ocasiones realizar un mejoramiento del terreno. También es frecuente encontrar que los sitios proporcionados son zonas de rellenos, efectuados con materiales a volteo donde el suelo está en proceso de consolidación y sujeto a fuertes deformaciones. Caso de lagunas de estabilización En la construcción de lagunas de estabilización es frecuente realizar excavaciones y utilizar el material producto de la excavación para formar los bordos, siempre y cuando los resultados de los análisis de laboratorio lo permitan. Al respecto, lo ideal es formar los bordos con suelos cohesivos del grupo CH arcillas inorgánicas de alta plasticidad- con Límite Liquido mayor de 50 e Índice plástico mayor de 30. En la Figura 1 se muestra dicha zona arriba de la Línea "A" y a la derecha de la línea "B". El material a compactar se acostumbra tender en capas no mayores de 30 cm de espesor en todo lo ancho del En suelos blandos, la excavación de la olla produce expansiones del fondo y agrietamientos. En los bordos deberán considerarse asentamientos a largo plazo para predecir su deformación. Para la construcción de terraplenes se despalma su sitio de desplante, desalojando la capa superficial de terreno natural se elimina la tierra vegetal y el material suelto o con alta relación de vacíos (e > 0.85) que se considere inadecuado. Se acostumbra ejecutar el despalme en material blando o suelto, que puede ser eficientemente excavado con escrepa jalada con tractor de orugas. En la mayoría de los casos, es necesario rellenar los huecos motivados por el desenraice, escarificar y compactar el terreno natural o el despalmado, en el área de desplante hasta alcanzar el grado de compactación fijado por el Estudio de Mecánica de Suelos. El terraplén, a distancias múltiples de 20 m de longitud, a fin de facilitar las cubicaciones de obra. Las capas se riegan en cantidad aproximada de 100 L/m 3 de material y la capa regada, en el caso de arcillas, se somete al 3

4 Figura 1. Carta de Plasticidad al tránsito de un tractor de orugas con garra y peso de 20 ton (rodillo Pata de Cabra). En caso de formar los bordos con suelos friccionantes, éstos deberán de compactarse con plataformas vibratorias a razón de 1,500 a 2,000 ciclos/min, con una presión de inflado de las llantas entre 70 y 100 lb/pulg 2, en ambos casos se deberá pasar por lo menos 3 veces por cada uno de los puntos que forman la superficie a compactar. En taludes formados con suelos friccionantes, es conveniente impermeabilizar el lado mojado con un geotextil y una membrana plástica. Dentro de los errores más comúnmente detectados en la construcción de sistemas lagunares se encuentran: 1.-Lagunas con filtraciones en el fondo, 2. Lagunas cuyo tiempo de retención está disminuido por inclusión de aguas freáticas, 3. Lagunas con bordos construidos a volteo, que presentan grietas de falla y 4. Bordos mal diseñados que sobrepasan la capacidad de carga del terreno con desniveles apreciables. 4

5 Figura 2. Construcción de una Laguna de Estabilización En lagunas grandes conviene proteger del oleaje la parte mojada del talud por medio de un pedraplen con cantos rodados, o bien por medio de un zampeado o un recubrimiento de losas de concreto, armadas únicamente por temperatura, es decir con una cantidad mínima de acero para resistir las tensiones del concreto durante su fraguado. Otros sistemas de tratamiento Desde un punto de vista exploración de suelos, es recomendable conocer los materiales bajo cada estructura importante de cuando menos a una profundidad igual al ancho de la estructura o mejor aún, hasta encontrar un estrato firme. En la mayoría de los casos, la capacidad de carga del terreno es suficiente para desplantar las estructuras típicas de un sistema de tratamiento, no ocurriendo lo mismo en lo referente a la deformación de los mismos, por lo que es necesario determinar los hundimientos diferenciales. En suelos blandos es recomendable separar lo más posible las estructuras de tratamiento a fin de que no exista una sobre posición de bulbos de esfuerzos en la cimentación. 5

6 Figura 3. Grietas en taludes Para el desplante de tanques se recomienda realizar cimentaciones total o parcialmente compensadas, analizando el comportamiento de las estructuras tanto llenas como vacías para evitar fuertes hundimientos diferenciales o problemas de flotación ante niveles freáticos altos, evitando hasta donde sea posible el uso de pilotes. Dentro de los errores más comúnmente detectados en sistemas de tratamiento convencionales, se encuentran: 1.-Desniveles diferenciales en los tanques de proceso, 2. Agrietamiento en las paredes y/o fondo de los tanques, 3. Problemas de flujo entre las estructuras de tratamiento por concepto de cargas hidráulicas y 4. Ruptura de piezas especiales y tuberías por asentamientos diferenciales. Defectos de la construcción Siempre es conveniente que en toda obra exista un control de calidad mediante la presencia de un laboratorio de materiales debidamente acreditado, que garantice la buena ejecución de los trabajos. Los tanques de almacenamiento y estructuras 6

7 de tratamiento usualmente se construyen de concreto armado, el cual debe ser uniforme, de buena calidad y presentar como características resistencia, durabilidad y economía. Para cumplir con ello, se recomienda fabricar un concreto lo más impermeable posible, homogéneo y con una adecuada relación agua/cemento (con bajo contenido de agua), poca inclusión de aire, con agregados bien graduados y de granulometría uniforme, de tal manera que se obtenga una consistencia plástica con el correcto revenimiento y lograr una mezcla cómodamente manejable. En estructuras donde el concreto estará en contacto con el agua residual, las mezclas deberán fabricarse con cemento resistente a los sulfatos -cemento tipo II- o bien agregarse algún aditivo para tal fin. Dentro de los errores más comúnmente detectados en las estructuras de los sistemas de tratamiento se encuentran: 1.- Mezclas mal proporcionadas que no cumplen con la resistencia solicitada, con presencia de disgregación de material, 2.- Concretos mal vibrados con fuerte inclusión de aire, 3.- Concretos mal curados con presencia de fisuras y grietas, y 4.- Concretos corroídos por la presencia de sulfatos. Conclusiones 1.- Los estudios de ingeniería básica para realizar el diseño de una planta de tratamiento de aguas residuales comprenden muchas actividades que deben ser efectuadas con todo cuidado para lograr cumplir con la calidad de agua esperada. Dentro de estas actividades, adquieren principal importancia los estudios de Topografía y de Mecánica de Suelos del predio propuesto. 2.- Los proyectos arquitectónico, estructural, eléctrico, mecánico que forman parte del diseño del sistema de tratamiento, deben ser realizados por profesionales en estos campos. 3.- Desde un punto de vista construcción, los errores más frecuentes se deben a mala calidad de fabricación de los materiales y deficiencias en su colocación. 4.- Debido a lo anterior, se recomienda llevar en la obra una adecuada supervisión y un control de calidad con un laboratorio de materiales acreditado, que garantice la buena ejecución de los trabajos. 5.- En suelos blandos con poca capacidad de carga, conviene separar las estructuras pesadas como son los tanques de proceso, de tal manera que no haya sobre posición de bulbos de esfuerzos en las cimentaciones. 7

8 6.- Desde un punto de vista economía, es recomendable realizar la cimentación de tanques y estructuras de tratamiento, mediante cimentaciones compensadas, evitando lo más posible el uso de pilotes. Bibliografía Figura 4. Mezcla mal proporcionada en la construcción de un tablero Juárez Badillo Eulalio y Rico Rodríguez Alfonso, (2007), Mecánica de suelos Tomo I. Editorial Limusa, México Heinrich Schmitt Andreas (2009), Tratado de construcción. Editorial Gustavo Gili, 8ª ed, Barcelona IMCYC (1990), Estructuras de Concreto para Mejoramiento del Medio Ambiente. Editorial Limusa, México IMTA (2012), Diseño ejecutivo de la planta de tratamiento de aguas residuales del Parque Bicentenario. Proyecto TC , México Miguel Montes de Oca (1996), Topografía. Editorial Alfaomega, 4ª ed revisada, México 8