Tema 5: Macrodrenaje. Módulo Hidrología Urbana Hidrología Avandaza 2 IMFIA FI UdelaR. Ing. Jimena Alonso Ing. Santiago Symonds

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1 Tema 5: Macrodrenaje Hidrología Avandaza 2 Ing. Jimena Alonso Ing. Santiago Symonds

2 2 Indice Criterio de diseño de colectores de gran diámetro Diseño con régimen permanente: Curvas de remanso Movimiento no permanente. Modelos de cálculo Dimensionamiento de depósitos de retención Elementos para disipación de energía Canales a superficie libre y cursos naturales

3 3 Criterio de diseño de colectores de gran diámetro

4 4 Criterio de diseño de colectores de gran diámetro Actualmente se utilizan programas de cálculo para diseñar Ayudan al proyectista Carecen de criterios de diseño Los criterios los pone el proyectista No modelan adecuadamente puntos singulares que muchas veces determinan funcionamiento de la red Comprueba la bondad o no del diseño realizado por el ingeniero

5 5 Criterio de diseño de colectores de gran diámetro Velocidades límite mínimas autolimpieza Vmin = 1 m/s para caudal de proyecto máximas evitar erosión Cavitación (en obra: cuidar juntas, solera etc.) Abrasión del agua Velocidad, Calidad del agua, Resistencia del material, Material arrastrado (tamaño, forma, cantidad, dureza) Davis y Sorensen Agua limpia Vmax = 12 m/s Agua con sedimentos Vmax = 3 m/s

6 6 Criterio de diseño de colectores de gran diámetro Velocidades límite máximas evitar erosión Abrasión del agua Gómez Valentín Vmax = 6 m/s si cumple: Baja cantidad y tamaño sólidos Hormigón de sacrificio en solera Funcionamiento esporádico Inspección y limpieza Si topografía no permite limitar pendiente para cumplir con Vmax obras de disipación de energía

7 7 Criterio de diseño de colectores de gran diámetro Pérdidas de energía Resistencia al flujo Manning (n= ) Localizadas Causa: cualquier alteración en el flujo lineal Cuidar el diseño hidráulico Flujo lento Expansión: h = k(v 12 -v 22 )/2g k: 0,2-0,3 Contracción: h = kv 2 /2g k: 0,06-0,1 Flujo rápido Complejo (Subramanya 1982)

8 8 Criterio de diseño de colectores de gran diámetro Resguardos o borde libre para caudal proyecto Asegurar lámina libre cubierta plana: 0,20 m. debajo cubierta abovedada: 0,10 m. debajo tirante caudal máximo En caso circular se da en 0.94D IMM exige y/d = 0.85 Entrada en carga Normalmente se diseñan para lámina libre Si supera caudal de proyecto entra en carga Conviene analizar este proceso

9 9 Criterio de diseño de colectores de gran diámetro Entrada en carga Caso común: pendientes disminuyen hacia aa AA Fr > 1 resalto hidráulico aa Fr < 1 Al aumentar caudales resalto se propaga hacia AA Precauciones Favorecer aireación de la red (conexiones directas) Diseño colector con continuidad en claves Red existente, no coinciden claves Sumideros Torres de aireación

10 10 Criterio de diseño de colectores de gran diámetro Entrada en carga colector expreso Caso común en urbanizaciones Parte antigua en zona baja Se impermeabiliza cuenca alta Solución: 1) Reconstruir drenajes parte antigua 2) Independizar drenajes, colector a presión

11 11 Criterio de diseño de colectores de gran diámetro Entrada de caudales en colectores profundos Problema para disipar energía en caída Incorporación de aire en la red Kennedy et al. (1987): rampa helicoidal Yoshioka y Nagai (1984) Cilindro 10 metros de diámetro Soleras cada 4.2 m Q = 5.8 m 3 /s Altura=31.2 m

12 12 Criterio de diseño de colectores de gran diámetro Uniones de colectores Evitar pérdidas de carga y fenómenos locales que dificultan movimiento del agua Corps of Engineers: Ángulo < 30 Fr < 1.2 en la unión Velocidades similares para minizar pérdidas Sección i Sección j

13 13 Criterio de diseño de colectores de gran diámetro Otros elementos: Interceptores de aguas residuales Retención de sólidos Sifones

14 14 Diseño con régimen permanente: Curvas de remanso

15 15 Diseño con régimen permanente: Curvas de remanso Estudio hidráulico en cuenca urbana requiere exactitud en variables hidráulicas Tirantes, Velocidades, Caudales Ideal diseñar en movimiento no permanente Hidrogramas de entrada Información topográfica redes Falta de información o análisis rápido Regimen permanente: Qmax = cte Uniforme Gradualmente variado

16 16 Diseño con régimen permanente: Curvas de remanso Movimiento permanente uniforme Menos se aproxima a realidad Rara vez en redes de alcantarillado Tramos cortos, cambios sección y pendiente está del lado de la seguridad Se utiliza fórmula de Manning Q A = 1 n R h 2 3 S 1 2 0

17 17 Diseño con régimen permanente: Curvas de remanso Movimiento permanente gradualmente variado Considera variaciones de tirante y velocidad Ecuación diferencial, no lineal de primer orden Requiere condiciones de borde dy So Fr < 1 tirante AA = dx Fr > 1 tirante aa CB representa influencia del resto de la red Dado Q puedo tener tirantes mayores o menores Se resuelve conducto a conducto con su Qmax e influencia de los demás 1 Fr Sf 2

18 18 Diseño con régimen permanente: Curvas de remanso Comparación con NO permanente Conducto recto. L=1000 m, b=2 m, m=0, n=0.018 Caso 1: distintos tiempos picos Se grafica la envolvente de tirantes máximos Perfiles casi idénticos, conclusión: en colectores aislados el instante del tp no afecta comportamiento.

19 19 Diseño con régimen permanente: Curvas de remanso Comparación con NO permanente Caso 2: distintos tiempos base volumen A mayor volumen mayor envolvente

20 20 Diseño con régimen permanente: Curvas de remanso Comparación con NO permanente Tirante normal sobredimensiona (50% descarga libre) Curva de remanso mejora al considerar CB, se aproxima a mayor volumen En cuencas urbanas: tp y tb pequeños

21 21 Diseño con régimen permanente: Curvas de remanso Cálculo hidráulico de redes arborescentes Uniforme sobre o sub dimensiona Conducto 4 entra en presión con gran carga

22 22 Diseño con régimen permanente: Curvas de remanso No representa desfasaje temporal en redes

23 23 Movimiento no permanente. Modelos de Cálculo

24 24 Movimiento no permanente. Modelos de Cálculo Modelos agregados o hidrológicos Determinan el caudal en función del tiempo para un punto dado del sistema utilizando: Continuidad función de almacenamiento Piscina nivelada Muskingum ds dt Modelo de embalses lineales = I( t) Q( t) S = S = f (Q) f( I, Q) 2 dq d Q S= f Q,,,... 2 dt dt

25 25 Movimiento no permanente. Modelos de Cálculo Modelos distribuídos o hidráulicos Hipótesis básicas: Flujo unidimensional (velocidad longitudinal) Distribución uniforme de velocidades en cada sección Curvatura perfil superficie libre despreciable distribución hidrostática de presiones

26 26 Movimiento no permanente. Modelos de Cálculo Ecuaciones aplicadas (Saint-Venant) Conservación de la masa Conservación cantidad de movimiento

27 27 Movimiento no permanente. Modelos de Cálculo Ecuaciones aplicadas (Saint-Venant) Conservación cantidad de movimiento

28 28 Movimiento no permanente. Modelos de Cálculo Modelos comerciales más empleados SWMM - EXTRAN SWMM 5.0 (EPA) XP-SWMM (empresa australiana) MIKE (DHI) PCSWMM (Universidad Guelph, Canadá) MOUSE (DHI) INFOWORKS (Wallingford) CAREDAS CANOE (SOGREAH) SOBEK URBAN (Delft Hydraulics) SewerGEMS (Haestad Methods) HEC-RAS + HMS (USACE)

29 29 Movimiento no permanente. Modelos de Cálculo Consideraciones sobre modelos completos Necesidad de datos de entrada de calidad Lluvia: cada 5 o 10 min pluviógrafo Caudales: medidos o estimación hidrológica Geometría: secciones, pendientes, saltos, etc. Topografía: caso curvas c/2m con error 0.6m Relación directa con confianza en resultados No exigir precisión al modelo cuando hay mayor error en datos

30 30 Movimiento no permanente. Modelos de Cálculo Consideraciones sobre modelos completos Cosas que nos permiten Tránsito, atenuación y desfasaje de hidrogramas Relación no unívoca tirante-caudal (So bajas) Diseño con la envolvente de tirantes máximos Único en considerar volumenes de escorrentía Almacenamiento en propia red Análisis de depósitos de retención

31 31 Movimiento no permanente. Modelos de Cálculo Consideraciones sobre modelos completos Flujo permanente Flujo no permanente Uniforme Gradualmente Modelo Onda Modelo variado hidrológico cinemática completo Datos del estudio hidrológico Qmax Hidrograma Q/t Condiciones de borde NO AA y aa Incluida en parámetros Solo AA AA y aa Efectos de reflujo NO SI SI NO SI Geometría de la red Con detalle Con detalle Incluida en parámetros Con detalle Muy en detalle Atenuación de caudal punta NO NO SI NO SI Efectos dinámicos (aceleración) NO NO NO NO SI