UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL REGIÓN XALAPA

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1 UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL REGIÓN XALAPA Proyecto Ejecutivo de Alcantarillado Sanitario para la Colonia Las Torres en la Ciudad de Xalapa Veracruz MEMORIA QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE INGENIERO CIVIL PRESENTA José Roberto Baizabal Cortés DIRECTOR ING. Arturo Ortiz Cedano Xalapa Enríquez Veracruz 2011

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3 1.0 Introducción Objetivos Información complementaria Características generales de la colonia las torres en la ciudad de Xalapa Veracruz Información necesaria para la elaboración del proyecto ejecutivo Componentes de un sistema de alcantarillado Sistema de alcantarillado Partes que integran una red de alcantarillado Estructuras y obras accesorias Modelos de configuración para un sistema de alcantarillado Modelos de configuración de atarjeas Requerimientos que debe cumplir una red de alcantarillado Tipos de tuberia usadas para un sistema de alcantarillado Clasificación de las aguas residuales Diseño hidráulico Cálculo de la población de proyecto Dotación Clasificación de climas por su temperatura Dotación de agua potable por clima y número de habitantes que establece la gerencia de normas técnicas de la comision nacional del agua Aportación de aguas negras Secuencia de la planeación del proyecto de alcantarillado sanitario para la colonia las torees Coeficientes de variación de las aportaciones de aguas negras Determinación del diámetro y pendiente adecuados: Variables hidraulicas: Diámetro mínimo y máximo permitidos Profundidad de zanjas Ancho de zanjas P á g i n a

4 4.13 Plantilla o Cama: Conexiones Pozos de visita Trazo de la Red Características para profundidades de zanjas Proyecto ejecutivo Procedimientos de diseño hidraulico de la red de alcantarillado sanitario Relaciones de gastos - velocidades - tirantes, de tubo parcialmente lleno a tubo lleno Volumen de obra: Presupuesto del proyecto Conclusiónes Bibliografia Anexos P á g i n a

5 1.0 INTRODUCCIÓN 3 P á g i n a

6 La ciudad de Xalapa, Ver., desde hace muchos años ha enfrentado una grave problemática de contaminación de sus ríos y arroyos que cruzan por la Ciudad, originada principalmente por las descargas de aguas residuales que se vierten a los cauces sin previo tratamiento y contaminando el agua que es utilizada para diversos usos por localidades situadas aguas abajo. Un claro ejemplo de esta situación se puede observar en los diferentes ríos que tenemos en la localidad, ya que estos están contaminados y es necesario tomar las medidas de precaución necesarias para que este problema no se salga de control. Por lo anterior esta memoria, tiene como objetivo determinar, revisar e integrar toda la Información requerida para elaborar el proyecto ejecutivo de la colonia denominada Las Torres, ubicada en la zona este de la ciudad, para su aprobación posterior por parte de la Comisión Nacional del Agua y las gestiones de recursos correspondientes para su construcción. Como consecuencia se presenta el problema de desalojo de las aguas servidas o aguas residuales. Se requiere así la construcción de un sistema de alcantarillado sanitario para eliminar las aguas residuales que produce una población, incluyendo al comercio y a la industria. Un sistema de alcantarillado está integrado por todos o algunos de los siguientes elementos: atarjeas, colectores, interceptores, emisores, plantas de tratamiento, estaciones de bombeo, descarga final y obras accesorias. El destino final de las aguas servidas podrá ser previo tratamiento, desde un cuerpo receptor hasta el reúso, dependiendo del tratamiento que se le realice y de las condiciones particulares de la zona de estudio. Las aguas residuales de un núcleo urbano, están constituidos, fundamentalmente, por las aguas de abastecimiento después de haber pasado por diversas actividades de una población. Estas aguas residuales, se componen esencialmente de agua, más sólidos orgánicos disueltos y en suspensión. 4 P á g i n a

7 Existe la norma oficial mexicana NOM-002-ECOL-1996, que establece los límites máximos permisibles de contaminantes en las descargas de aguas residuales provenientes de la industria, actividades agroindustriales, de servicios y del tratamiento de aguas residuales a los sistemas de drenaje y alcantarillado urbano o Municipal; sin embargo la industria, el comercio y el usuario en general, no siempre cumplen con dicha norma, vertiendo substancias que son peligrosas en un alcantarillado, por lo que se debe tener especial cuidado en eliminar este tipo de substancias. Como en todo proyecto de ingeniería, para el sistema de alcantarillado, se deben plantear las alternativas necesarias, definiendo a nivel de esquema las obras principales que requieran cada una de ellas. Se deben considerar los aspectos constructivos y los costos de inversión para cada una de las alternativas. Se selecciona la alternativa que asegure el funcionamiento adecuado con el mínimo costo. En el diseño de un sistema de alcantarillado sanitario se debe conocer la infraestructura existente en la localidad (agua potable, ductos de gas, teléfono, energía eléctrica, alcantarillado pluvial, etc.) para evitar que las tuberías diseñadas coincidan con estas instalaciones, y asegurar que, en los cruces con la red de agua potable, la tubería del alcantarillado siempre se localice por debajo. 1.1 OBJETIVO. El proyecto ejecutivo tiene entre otros como sus principales objetivos realizar todos los estudios y acciones necesarias para la elaboración del proyecto ejecutivo de alcantarillado sanitario de la colonia Las Torres y revisar e integrar toda la información del proyecto ejecutivo, de tal forma, que cumpla con la normatividad vigente en la materia y con las normas técnicas de la Comisión Nacional Del Agua. (CONAGUA). 5 P á g i n a

8 Entre sus principales beneficios es el de mejorar la calidad de vida de los habitantes de esa zona, y así evitar el brote de enfermedades gastrointestinales que pueden afectar a las personas por la descarga a cielo abierto de las aguas negras. Un objetivo importante que trata de conseguir esta memoria, es que en algún futuro cuando se quiera desarrollar este proyecto ejecutivo, ya se cuente con todos los cálculos, normas, planos y presupuesto, y así llegar a ser de gran utilidad en la construcción de un alcantarillado sanitario para la colonia las torres. 6 P á g i n a

9 2.0 INFORMACIÓN COMPLEMENTARIA. 7 P á g i n a

10 Como toda obra de ingeniería para uso público; en el proyecto de alcantarillado sanitario es de vital importancia la obtención de datos físicos de información socioeconómica de la localidad o colonia como en este caso para la cual se pretende realizar el proyecto ejecutivo civil, así como la región en que se encuentra dicha población, para la elaboración de un buen proyecto y con la seguridad de estimar el probable costo de la obra. Estos estudios realizados conforman la primera parte para un buen desarrollo del proyecto ejecutivo, por lo que requiere de la mayor atención y especial cuidado para obtener los datos necesarios, ya que un error en estos datos puede llegar a causar un mal trabajo y por lo tanto una mala inversión en la elaboración de la obra 2.1 CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LA COLONIA LAS TORRES EN LA CIUDAD DE XALAPA VERACRUZ. a) Localización: La ciudad de Xalapa Veracruz se encuentra en las coordenadas geográficas 19 32'32.42"N y 96 54'39.62"O. Su altitud promedio a nivel del mar es de 1,468 metros, limita con los municipios de Banderilla, Coatepec, Emiliano Zapata, San Andrés Tlalnehuayocan, Naolinco y Jilotepec. Se localiza en la Zona montañosa central del estado de Veracruz, a 350 km de la Ciudad de México. La colonia LAS TORRES se encuentra ubicada en las coordenadas geográficas 19 33'30.88 N y 96 53'14.96 O. Su altitud promedio a niel del mar es de 1,332 metros. (Ver imagen 1, pag. 9). b) Hidrografía: En la ciudad de Xalapa Veracruz se tiene como principales ríos: Sedeño, Carneros, Sordo, Santiago, Zapotillo, Castillo y Coapexpan. Y como arroyos: Chiltoyac, Ánimas, Xallitic, Techacapan y Tlalmecapan. c) Clima: El clima es húmedo y variado, teniendo una temperatura máxima de 34.3 C y una mínima desde los 5 hasta los 10 C por las mañanas. La altitud de la ciudad oscila 8 P á g i n a

11 desde los 1,250 msnm hasta los 1,560 msnm. Teniendo una Temperatura Media Anual de 18 C y un clima templado húmedo. Su precipitación pluvial media anual es de 1,509.1 milímetros. d) Población: De acuerdo con el Censo de Población y Vivienda de 2010 del INEGI, el municipio de Xalapa cuenta con 457, 614 habitantes, de los cuales 213,493 son hombres y 244,121 son mujeres, con un total de 129,109 viviendas habitadas. En la colonia las torres contamos con una población aproximada de 1,320 habitantes. e) Agricultura: Entre los principales cultivos agrícolas se encuentran el café, caña de azúcar y el maíz. f) Ganadería: Se cría el ganado bovino. 9 P á g i n a

12 Imagen INFORMACIÓN NECESARIA PARA LA ELABORACIÓN DEL PROYECTO EJECUTIVO. Plano topográfico del lugar: Es uno de los datos más importantes para la realización de todo proyecto de alcantarillado. Este dará la parte para la elección del tipo de configuración. 10 P á g i n a

13 Plano predial: Este dato nos indicará el número de predios por frente de las calles, el número de habitantes por manzana, la localización de edificios públicos, jardines e industrias, que se encuentren en nuestro proyecto. Plano de localización de lugares para estaciones de bombeo, obras de tratamiento y descarga: En este plano se indicarán los sitios en donde de acuerdo a la topografía del terreno no es posible eliminar las aguas residuales por el sistema de gravedad, y en consecuencia es necesario proyectar una estación de bombeo. Plano de la red de alcantarillado existente: Si este dato existe es necesario conocerlo, pero en este caso no existe ninguna red de alcantarillado existente. Plano de agua potable: Información de las áreas con servicio actual de agua potable y de las futuras ampliaciones, con sus programas de construcción; así como las densidades de población y dotaciones para cada una de las etapas de proyecto consideradas. Plano de uso futuro del suelo: Es necesario identificar los planes de desarrollo de la localidad. En el plano deberán localizarse las áreas que ocuparán en el futuro las diferentes zonas habitacionales con sus nuevas densidades de población, las zonas comerciales, las zonas industriales, las zonas públicas y las áreas verdes. Dotación: Es necesario conocer la dotación de agua potable que se tiene en nuestra colonia. La cual se anexa más adelante. 11 P á g i n a

14 Aportación de aguas residuales: Considerando que el alcantarillado para aguas residuales de una localidad, debe ser el reflejo del servicio de agua potable, la Comisión Nacional del Agua adopta un criterio de aceptar como aportación de aguas residuales, del 75% al 80% de la dotación de agua potable. Información adicional: Sitios de vertido o disposición final de las aguas residuales. Aforos de la corriente receptora y niveles de aguas mínimo, medio y máximo de aguas máximas extraordinarias. Secciones transversales de las corrientes naturales en los sitios que las crucen las tuberías y niveles de agua. Emisores considerados. Plano detallado de la localización de las líneas. Planta a escalas de 1:1000 a 1:5000; perfil a escalas 1:100 y 1:500. Clasificación del terreno indicando el porcentaje de materiales A, B y C, para estimar volúmenes de terracerías. Bombeo y tratamiento de las aguas negras. Planos de detalle de la, o las zonas donde se localicen las plantas de tratamiento. Costo de terreno para su adquisición y nombre del propietario. Nombre de las calles. Longitud de crucero a crucero de las calles. Elevaciones de todos los cruceros y sitios en que cambie la pendiente del terreno y la dirección del eje de la calle. Localización de industrias y gastos que descargarán probablemente al alcantarillado. Plano de pavimento y banquetas indicando su calidad, espesor y estado de conservación, si es que estos existen. Nivel del manto freático de la localidad. 12 P á g i n a

15 3.0 COMPONENTES DE UN SISTEMA DE ALCANTARILLADO 13 P á g i n a

16 3.1 SISTEMA DE ALCANTARILLADO Red de atarjeas. La red de atarjeas tiene por objeto recolectar y transportar las aportaciones de las descargas de aguas negras domésticas, comerciales e industriales, hacia los colectores, interceptores o emisores. La red está constituida por un conjunto de tuberías por las que son conducidas las aguas negras captadas. El ingreso del agua a las tuberías es paulatino o a largo de la red, acumulándose los caudales, lo que da lugar a ampliaciones sucesivas de la sección de los conductos en la medida en que se incrementan los caudales. De esta manera se obtienen en el diseño las mayores secciones en los tramos finales de la red. No es admisible diseñar reducciones en los diámetros en el sentido del flujo. La red se inicia con la descarga domiciliaria o albañal, a partir del parámetro exterior de las edificaciones. El diámetro del albañal en la mayoría de los casos es de 15 cm., siendo éste el mínimo aceptable. La conexión entre albañal y atarjea debe ser hermética y la tubería de interconexión debe tener una pendiente mínima del 1%. El diámetro mínimo que se utiliza en una red de atarjeas de un sistema de drenaje separado es de 20 cm, y su diseño, en general debe seguir la pendiente natural del terreno, siempre y cuando cumpla con los límites máximos y mínimos de velocidad y la condición mínima de tirante. (Ver figura 2). 14 P á g i n a

17 Vivienda Banqueta Albañal Atarjeas Atarjeas Pozos de visita Colector Río Sub Colector Descarga Colector Emisor Planta de Tratamiento de Aguas Residuales Figura 2.- Sistema de alcantarillado sanitario. 3.2 PARTES QUE INTEGRAN UNA RED DE ALCANTARILLADO. Albañal.- Es la tubería que conecta el registro domiciliario a la red de atarjeas. Su diámetro mínimo es de 6. Subcolector.- Tuberías que captan las aguas recolectadas por las atarjeas. Generalmente los subcolectores son de mayor diámetro que la red de atarjeas, sin embargo en algunos casos puede tener el mismo diámetro que la red de atarjeas. Colector.- Captan el agua de los subcolectores y de las atarjeas, por lo cual son de mayor diámetro que el de los subcolectores. Emisor.- Generalmente es el conducto al cual ya no se conectan descargas de aguas residuales y tiene como objetivo el conducir los volúmenes de agua captadas 15 P á g i n a

18 por todo el sistema de tuberías que constituye la red de alcantarillado hasta el lugar donde se trataran las aguas. 3.3 ESTRUCTURAS Y OBRAS ACCESORIAS. Pozos de visita.- Tienen la finalidad principal de facilitar la inspección y limpieza de los conductos del sistema, así como de permitir la ventilación de los mismos. Se instalan en el comienzo de las atarjeas en cambios de dirección y de pendiente, para permitir la conexión de otras atarjeas o colectores, y cuando hay necesidad de cambiar de diámetro. En conclusión entre dos pozos de visita deberán de quedar tramos rectos y uniformes de tubería. Los pozos de visita se clasifican en comunes y especiales. Pozos de visita común.- Se utilizan para tuberías de 20 a 61 cm de diámetro, siendo su base de 1.20 m de diámetro. Pozos de visita especiales.- Se utilizan para tuberías de 76 a 107 cm de diámetro, siendo el diámetro interior de la base de 1.50 m como mínimo. La separación máxima entre dos pozos de visita en tramos rectos y de pendiente uniforme será: DIAMETRO SEPARACIÓN cm 125 m (+-) 10% cm 150 m (+-) 10% cm 175 m (+-) 10% Pozos de caída.- Por razones de carácter topográfico, suele presentarse la necesidad de construir estructuras que permiten efectuar en su interior los cambios bruscos de nivel. Los pozos de caída admiten la entrada del agua en la parte superior y permite el cambio brusco de nivel por medio de una caída. Se instalan en 16 P á g i n a

19 tramos en los que por efecto de la topografía los tubos tendrían pendientes muy fuertes que ocasionarían velocidades más altas y gastos de excavación excesivos. C Figura 3.- Pozo de visita común. Pozos de caída adosada.- Son pozos de visita comunes a los cuales lateralmente se les construye una estructura menor y permita la caída en tuberías de 20 a 25 cm de diámetro, con un desnivel hasta de 2 m. Este tipo de pozo se aplicara en nuestro proyecto de la colonia las torres ya que, debido a la topografía del lugar es necesario instalar este tipo de estructuras. (ver figura 4) Pozos de caída con diámetro de 30 a 76 cm.- A estos pozos se les construye una pantalla que funciona como deflector del gasto que cae del tubo más elevado disminuyendo además la velocidad del agua. Se construyen hasta para un desnivel de 1.5m. 17 P á g i n a

20 B B Figura 4.- Pozo con caída adosada. Estructuras de caída escalonada.- Son pozos con caída escalonada cuya variación es de 50 en 50 cm, hasta llegar a 2.5 m, como máximo, están provistas de una chimenea en la entrada de la tubería con mayor elevación de la plantilla, y otra a la salida de la tubería con la menor elevación de plantilla. Se emplean en tuberías de diámetro de 91 a 244 cm. Sifones invertidos.- Cuando se tienen cruces con alguna corriente de agua, depresión del terreno, estructura, tubería o viaductos subterráneos, que se encuentren al mismo nivel en que debe instalarse la tubería, generalmente se utilizan sifones invertidos en su diseño, se debe tomar en cuenta lo siguiente: 18 P á g i n a

21 Velocidad mínima de escurrimiento de 1.20 m/s para evitar sedimentos. Analizar la conveniencia de emplear varias tuberías a diferentes niveles, para que, de acuerdo a los caudales por manejar, se obtengan siempre velocidades adecuadas. La primera tubería tendrá capacidad para conducir el gasto mínimo de proyecto. En el caso de que el gasto requiera una sola tubería de diámetro mínimo de 20 cm, se acepta como velocidad mínima de escurrimiento la de 60 cm/s. Se deben proyectar estructuras adecuadas (cajas), tanto a la entrada como a la salida del sifón, que permitan separar y encauzar los caudales de diseño asignados a cada tubería. Se deben colocar rejillas en una estructura adecuada, aguas arriba del sifón, para detener objetos flotantes que puedan obstruir las tuberías del sifón. Cruces elevados.- Cuando por necesidad del trazo, se tiene que cruzar una depresión profunda como es el caso de algunas cañadas o barrancas de poca anchura, generalmente se logra por medio de una estructura que soporta la tubería. La tubería puede ser de acero o polietileno, la estructura por construir puede ser un puente ligero de acero, de concreto o de madera, según el caso. La tubería para el paso por un puente vial, ferroviario o peatonal, debe ser de acero y estar suspendida del piso del puente por medio de soportes que eviten la transmisión de las vibraciones a la tubería, la que debe colocarse en un sitio que permita su protección y su fácil inspección o reparación. A la entrada y a la salida del puente, se deben construir cajas de inspección o pozos de visita. Estaciones de bombeo de aguas residuales.- Las estaciones de bombeo, son instalaciones integradas por infraestructura civil y electromecánica, destinadas a transferir volúmenes de aguas negras o tratadas de un determinado punto a otro, para satisfacer ciertas necesidades. 19 P á g i n a

22 Siempre se procurará evitar la construcción de estaciones de bombeo para aguas negras, procurando que estas aguas escurran por gravedad hasta su sitio final de disposición; de acuerdo con las condiciones topográficas de la localidad de que se trate habrá ocasiones en que sea obligado el bombeo. Las instalaciones civiles y electromecánicas básicas de una estación típica de bombeo son las siguientes: Cárcamo de bombeo. Subestación eléctrica. Equipo de bombeo. Motor Eléctrico. Controles Eléctricos. Arreglo de la descarga. Equipo de maniobras. Plantas de tratamiento de aguas residuales.- Tienen como fin eliminar los contaminantes físicos, químicos y biológicos presentes en el agua efluente del uso humano. El objetivo del tratamiento es producir agua limpia (o efluente tratado) o reutilizable en el ambiente y un residuo sólido o fango (también llamado biosólido o lodo) convenientes para su disposición o reusó. Es indispensable evitar la polución de corrientes superficiales destinadas a los diferentes usos necesarios e indispensables para el desarrollo económico de la nación, lo mismo que tratándose de lagos y de aguas marinas dedicadas a balnearios y sitios de recreo o pesca; por lo tanto, no se descargarán aguas negras crudas a ninguna corriente receptora, debiendo ser tratadas previamente, respetando la norma NOM-001-ECOL1996 que establece los límites máximos permisibles de contaminantes en las descargas de aguas residuales en aguas y bienes nacionales. Estructura de descarga.- Para la disposición final o vertido de las aguas negras, se requiere la construcción de una estructura cuyas características dependerán del lugar elegido, del gasto por entregar, etc. 20 P á g i n a

23 Los vertidos pueden hacerse a ríos, lagos, al mar, a pozos de absorción a riego previo tratamiento. La elección del sitio de vertido del sitio se hará a una distancia adecuada de la localidad situándolo, respecto a la dirección de los vientos dominantes, de modo que éstos no lleven a ellas los malos olores. Es importante que el lugar de vertido esté suficientemente alejado cuando sea necesario ubicarlo en la dirección de alguna zona de probable crecimiento. Si el vertido se hace al mar o a un lago se deben evitar los daños que la polución de las aguas puede ocasionar a las especies marinas, así como la contaminación de las playas y zonas turísticas, por lo cual deberán tomarse en consideración las normas que existen al respecto (tales como la norma NOM-001-ECOL-1996 de la C.N.A), en lo relativo al contenido de las aguas negras, y efectuar previamente el tratamiento que se haga necesario para no perjudicar la explotación de los recursos naturales y del turismo. En el caso de vertido a corrientes es importante investigar los usos que aguas abajo hagan del agua, que pueden ser abastecimiento de agua para los usos domésticos, riego, etc., lo cual determina el tipo de tratamiento. Cuando el emisor esté constituido por un conducto, para descargar el agua residual en una corriente receptora se utilizará una estructura que permita encauzar debidamente las aguas negras en la corriente y a un nivel que tome en cuenta el evitar al azolves en el sitio de vertido y por otro lado el remanso de las aguas negras cuando se presenten avenidas máximas en la corrientes receptora. La construcción de la estructura de descarga se hará preferentemente en un tramo recto del río, debiendo tomar en cuenta las características de socavación de la corriente en la sección de vertido. En las descargas al mar o lagos, es conveniente instalar el emisor subacuático a profundidades mayores que el nivel promedio de las mareas bajas, con una longitud 21 P á g i n a

24 que puede variar, entre 50 y 100 m, para su orientación, es necesario tomar en consideración la dirección de las corrientes marinas superficiales. Cuando la descarga sea a pozos de absorción se efectuarán los estudios geohidrológicos necesarios a fin de evitar la polución de los mantos de agua subterráneos que fueran aprovechables para abastecimiento de agua u otros usos. Si la disposición final se hace a riego previo tratamiento no se utilizaran las aguas para cultivo de hortalizas. 3.4 MODELOS DE CONFIGURACIÓN PARA UN SISTEMA DE ALCANTARILLADO. Se denomina configuración de un sistema de alcantarillado al trazo de alcantarillado de las principales tuberías, dependiendo de la topografía dominante, el sitio de vertido, de la disposición final de las aguas residuales y el trazo de las calles de la población. Los más usuales son los siguientes: a) Perpendicular.- A lo largo de una corriente con el terreno inclinado hacia ella, la mejor manera de conducir las aguas residuales se logra colocando tuberías perpendiculares a la corriente y que descarguen a un solo colector cercano a la corriente. (Ver Figura 5) Figura 5 Modelo perpendicular. 22 P á g i n a

25 b) Radial.- En este modelo, las aguas residuales fluyen hacia afuera desde la zona central de la localidad hacia las tuberías principales. Las líneas son relativamente pequeñas, pero pueden multiplicarse el número de plantas de tratamiento. (Ver Figura 6) Figura 6 Modelo radial c) Interceptores.- Este tipo de modelo se emplea para recolectar las aguas residuales en zonas con curvas de nivel más o menos paralelas, sin grandes desniveles y cuyas tuberías principales se prestan para interceptar por una tubería mayor que es la encargada de transportar las aguas residuales a la planta de tratamiento. (Ver figura 7). Figura 7 Modelo de interceptores 23 P á g i n a

26 d) Abanico.- Cuando la localidad se encuentra colocada en un valle se pueden utilizar líneas convergentes hacia una tubería principal localizada en el interior de la localidad originado una solo tubería de descarga. 3.5 MODELOS DE CONFIGURACIÓN DE ATARJEAS El trazo de atarjeas generalmente se realiza coincidiendo con el eje longitudinal de cada calle. Observando el plano topográfico se pueden constatar los problemas fundamentales y restricciones existentes en el lugar; de ahí los trazos alternativos de la red determinarán el diseño final del esqueleto de la misma. Las corrientes superficiales siguen la ley de escurrimiento dictadas por las pendientes del terreno, el sistema de alcantarillado debe construirse a semejanza del sistema natural hidrológico de la superficie terrestre, con el objeto de conseguir una pendiente que produzca una velocidad apropiada y evitar fuertes excavaciones. Se considera que las líneas de conducción de aguas negras están alojadas en el eje de las calles. Para el trazo de una red de un sistema existen varios tipos a seguir. a) Trazo en Bayoneta.- Se denomina así al trazo que iniciando en una cabeza de atarjea tiene un desarrollo en zig zag o en escalera. (Ver Figura 8). Figura 8 Trazo en bayoneta 24 P á g i n a

27 Ventajas. Las ventajas de utilizar este tipo de trazo son reducir el número de cabezas de atarjeas y permitir un mayor desarrollo de las atarjeas, con lo que los conductos adquieren un régimen hidráulico establecido, logrando con ello aprovechar adecuadamente la capacidad de cada uno de los conductos. Desventajas. Dificultad en su utilización, debido a que el trazo requiere de terrenos con pendientes suaves más o menos estables y definidas. Para este tipo de trazo, en las plantillas de los pozos de visita, las medias cañas usadas para el cambio de dirección de las tuberías que confluyen, son independientes y con curvatura opuesta, no debiendo tener una diferencia mayor de 0.50 m entre las dos medias cañas. b) Trazo en Peine.- Es el trazo que se forma cuando existen varias atarjeas con tendencia al paralelismo, empiezan su desarrollo en una cabeza de atarjea, descargando su contenido en una tubería común de mayor diámetro, perpendicular a ellas, misma que a su vez descarga en otro conducto. (Ver Figura 9). Figura 9 Trazo en Peine 25 P á g i n a

28 Ventajas. Se garantizan aportaciones rápidas y directas de las cabezas de atarjeas a la tubería común de cada peine, y de éstas a los colectores, propiciando que se presente rápidamente un régimen hidráulico establecido. Se tiene una amplia gama de valores para las pendientes de las cabezas De atarjeas, lo cual resulta útil en el diseño cuando la topografía es muy irregular. Desventajas. Debido al corto desarrollo que generalmente tienen las atarjeas iniciales antes de descargar a un conducto mayor, en la mayoría de los casos aquellas trabajan por abajo de su capacidad, ocasionando que se desaproveche parte de dicha capacidad. c) Trazo Combinado.- Corresponde a una combinación de los dos trazos anteriores y a trazos particulares obligados por los accidentes topográficos de la zona. (Ver Figura 10) Figura 10 Trazo Combinado 26 P á g i n a

29 3.6 REQUERIMIENTOS QUE DEBE CUMPLIR UNA RED DE ALCANTARILLADO. Toda red de alcantarillado debe cumplir los requisitos mínimos siguientes: 1.- Localización adecuada 2.- Seguridad en la eliminación 3.- Capacidad suficiente 4.- Resistencia adecuada 5.- Profundidad de instalación apropiada 6.- Facilidad de limpieza e inspección Localización adecuada. Las atarjeas y colectores de una red de alcantarillado deben instalarse coincidiendo con el eje de las calles. Cuando la calle es muy ancha, como camellón central, pavimento que resulte oneroso romper se localizan dos conductos, uno a cada lado de la calle, próximos a las guarniciones de banquetas. Nunca deben quedar alcantarillas debajo de las casas, es decir, el suelo arriba de la instalación debe estar libre o descubierto. La red deberá estar constituida por tramos rectos, encauzando las corrientes por el camino más corto hacia el lugar de vertido, evitando la formación de contra corrientes. Colector Atarjea Colector Contracorriente Atarjea MOVIMIENTO CORRECTO MOVIMIENTO INCORRECTO 27 P á g i n a

30 Las pendientes de las tuberías deben ser tan semejantes como sea posible con la superficie del terreno. Se procurará que las alcantarillas de la red trabajen siempre a gravedad, paralelamente al terreno, siguiendo sus pendientes y declives, evitando hasta donde sea posible el establecimiento de plantas de bombeo. Los colectores deberán quedar alojados en las calles que tengan las cotas más bajas, para que de este modo sea más fácil el escurrimiento de las zonas que cuenta con una mayor elevación. Seguridad en la eliminación. Para la eliminación de las aguas negras, sin que estas causen molestias o peligros a la comunidad, aún cuando las aguas sucias tardan algunas horas en entrar en franca descomposición, es preciso desalojarlas tan luego como esto sea posible, para ello se requiere lo siguientes: a) Que los conductos sean cerrados para evitar a la vista el mal aspecto que las aguas negras conducen y resguardan al usuario de los malos olores, producto de la putrefacción de las materias contenidas por ellas. La conducción en despoblado, puede verificarse utilizando un canal abierto, pero tan pronto como los límites de la zona urbana se incrementan hacia el vertido, es necesario ir cubriendo al conducto del emisor. b) Que los conductos sean permeables a fin de evitar fugas perjudiciales de aguas negras e infiltraciones del subsuelo, las alcantarillas deben ser fabricadas con el material más apropiado y compatible de acuerdo a la norma NOM-001-CNA-95. c) Para evitar que no se depositen materias que lleven las aguas residuales y puedan provocar obstáculos que eviten un correcto escurrimiento; la velocidad no será mayor de 5.0 m/seg, para evitar que se pueda producir el desgaste de los tubos y de las juntas; y por lo tanto, la posible dislocación de los conductos. 28 P á g i n a

31 En algunos casos, para el gasto mínimo de aguas residuales, se puede aceptar una velocidad efectiva de 0.30 m/seg. Como uno de los factores determinantes de la velocidad es la pendiente, se procurará evitar los cambios bruscos de ésta, es decir, impedir que se produzcan remansos, contrapendientes, remolinos, etc. d) Para que un sistema de ventilación evite la acumulación de gases corrosivos o explosivos es necesario que los accesorios de la red tengan una buena localización y tener un buen criterio al escoger el número de accesorios que llevara la red, para que el escape de los gases sea el más adecuado. Capacidad suficiente. Por lógica la red de alcantarillado, debe tener la capacidad suficiente para conducir en condiciones de seguridad el volumen máximo por eliminar, ya sea en aguas negras, las aguas de lluvia o en este caso ambas, a fin de que su alejamiento sea rápido y no de origen a estancamientos que pueden originar depósitos indeseables y daños a la red. En los casos en que el nivel del agua freática está muy próximo a la superficie del terreno, el gasto que se considere por este concepto de infiltración, se agregará al de aguas negras. Resistencia adecuada. Las alcantarillas deben resistir los esfuerzos a que están sujetas tanto interior como exteriormente. Se considera como fuerzas externas la firmeza del subsuelo, las supresiones, los empujes de las tierras laterales, las cargas sobre el conducto por la capa de la tierra que lo cubre y las presiones transmitidas por el tráfico. Profundidad de instalación apropiada. La profundidad de instalación de las alcantarillas, debe estudiarse con todo cuidado puesto que el costo de terracería puede equivaler más o menos al 50% del costo total de la obra de alcantarillado (sin tratamiento). La profundidad mínima depende de los siguientes factores: a) El colchón mínimo para evitar ruptura del conducto, ocasionadas por las cargas vivas. 29 P á g i n a

32 b) Asegurar la correcta conexión de las descargas domiciliarias a las atarjeas y colectores. El colchón mínimo recomendable es de 0.90 m., esto es dependiendo del diámetro del tubo que tengamos, la profundidad máxima de instalación, será aquella que se obtenga del cálculo hidráulico del emisor y colectores, siendo obligado hacer un estudio económico de acuerdo con la mejor localización que se puede hacer de tales alcantarillas y de las atarjeas, procurando obtener las excavaciones mínimas posibles, siempre y cuando se garantice el buen funcionamiento hidráulico de la red de alcantarillado. Facilidades de limpieza e inspección. Como no es posible que una red de alcantarillado se conserve por sí sola ya que las materias en suspensión tienden a sedimentarse y adherirse a las paredes de los conductos, aún cuando la velocidad del agua sea superior a los límites mínimos, provocando con esto el azolve del conducto y así, reduciendo su radio hidráulico. Por lo tanto es necesario realizar tanto inspecciones como desazolves periódicamente para conservar los conductos en las mejores condicione. 3.7 TIPOS DE TUBERIA USADAS PARA UN SISTEMA DE ALCANTARILLADO La tubería de alcantarillado se compone de dos o más tubos acoplados mediante un sistema de unión, el cual permite la conducción de las aguas negras. En la selección del material de la tubería de alcantarillado, intervienen diversas características tales como: hermeticidad, resistencia, mecánica, durabilidad, resistencia a la corrosión, capacidad de conducción, economía, facilidad de manejo e instalación, flexibilidad y facilidad de mantenimiento y reparación. Las tuberías para alcantarillado sanitario se fabrican de diversos materiales, siendo los más utilizados: concreto simple (CS), concreto reforzado (CR), fibrocemento (FC), plástico (cloruro de vinilo) (PVC) y polietileno de alta densidad (PEAD) así corno acero. En los sistemas de alcantarillado sanitario a presión se pueden utilizar 30 P á g i n a

33 diversos tipos de tuberías para conducción de agua potable, siempre y cuando reúnan las características para conducir aguas negras. De acuerdo con la profundidad de instalación de la tubería, del ancho de las zanjas, de su condición de zanja o terraplén, y de la clase de plantilla o de cama que se utilice, será la clase de tubería que debe tenerse. A continuación, se detallan las características de las tuberías de alcantarillado mencionadas. a) Tubería de concreto simple (CS).- Se fabrican de acuerdo con las especificaciones de la norma Mexicana NMX-C Los tubos de concreto simple se fabrican en diámetros de 10,15, 20, 25, 30, 38, 45 y 60 cm, con campana y espiga y tienen una longitud útil variable de acuerdo al diámetro. b) Tubería de concreto reforzado.- Se fabrican de acuerdo a la norma mexicana NMX-C-402-1,996. Para su fabricación, a diferencia del tubo de concreto simple, su núcleo contiene acero de refuerzo longitudinal y transversal. Los tubos de concreto reforzado se fabrican en diámetros de 30, 38, 45, 61, 76, 91, 107, 122, 152, 183, 213, 244 y 305 cm. La longitud útil de un tubo de concreto reforzado es variable de acuerdo a su diámetro. Los tubos de concreto armado se fabrican en cuatro tipos de grados y cada uno de ellos con tres espesores de pared. Las ventajas de los tubos de concreto incluyen: Economía.- Bajo costo de adquisición y mantenimiento. Hermeticidad.- El empleo de la junta hermética con anillo de hule impide Infiltraciones de agua y contaminación debido a ex filtraciones. Diversidad en diámetros mayores.- Se Suministran hasta de 3.05 m. Durabilidad.- Larga vida útil de las tuberías 31 P á g i n a

34 Alta resistencia mecánica.- Resistencia especialmente a cargas externas Entre sus principales desventajas se tienen: Fragilidad.- Los tubos requieren cuidados adicionales durante su transporte e instalación Capacidad de conducción.- La tubería de concreto presenta un coeficiente de rugosidad alto, lo que la hace menos eficiente hidráulicamente. Corrosión.- Cuando se encuentra en condiciones ácidas o alcalinas. c) Tubería de fibrocemento (FC).- La tubería de fibrocemento se fabrica de acuerdo a la norma mexicana NMX-C Entre sus ventajas de estas tuberías se encuentran: Ligereza.- Debido a su bajo peso y su longitud de 5 m por tramo, su manejo e instalación es sencilla y rápida. Resistencia y durabilidad.- La tubería de fibrocemento presenta alta resistencia al aplastamiento, garantizando los valores mínimos de ruptura que para cada diámetro y clase exige la norma NMX-C Hermeticidad.- Garantizada por el empleo de anillo de hule en las juntas. Resistencia a los sulfatos Capacidad de conducción debido a su bajo coeficiente de fricción es posible instalar tubos de menor diámetro. Entre sus desventajas se tiene: Mayor costo de adquisición de la tubería 32 P á g i n a

35 Fragilidad, los tubos requieren cuidados en su transporte e instalación. Número de coples.- A menos longitud de tubo se requiere mayor número de coples. c) Tubería de polo cloruro de vinilo (PVC).- Las tuberías de PVC se fabrican en diámetros de 10 a 60 cm, en dos tipos de serie y cada serie con tres tipos de tubería de acuerdo a su espesor: la serie métrica se fabrica de acuerdo a las normas NMX-E-215/ (tuberías) y NMX- E-215-/ (conexiones) en los tipos 16.5, 20 y 25 ; por su parte la serie inglesa se fabrica de acuerdo a las normas NMX-E-211/ (tuberías) y NMX- E-211-/ (conexiones) en los tipos 35, 41 Y 51. Estos valores con que se clasifica a las tuberías representan la relación entre su diámetro exterior y su espesor de pared. Entre las ventajas de las tuberías de PVC se tienen: Hermeticidad, este tipo de tuberías son impermeables y herméticas, debido, por un lado, a la naturaleza intrínseca impermeable del material. Ligereza.- Esta característica de los tubos de PVC se traduce en facilidad de manejo. Durabilidad. Resistencia a la corrosión.- Las tuberías de PVC son inmunes a los tipos de corrosión que normalmente afectan a los sistemas de tubería enterradas, ya se corrosión química o electroquímica. Entre sus desventajas se tiene: Baja resistencia mecánica Susceptible al ataque de roedores 33 P á g i n a

36 d) Tubería de polietileno de alta densidad (PEAD).- Las tuberías de polietileno de alta densidad (PEAD) se fabrican con longitud de 12 m, en diámetros nominales que van desde 100 a 900 mm. de acuerdo a las norma mexicana NMX-E SCFI. Se clasifican en cuatro tipos, de acuerdo a sus espesores de pared y resistencia: RD-21, RD-26, RD-32.5 Y RD-41. Entre sus ventajas se tiene: Economía, los volúmenes de excavación en zanja son reducidos Resistencia a la corrosión, eleva resistencia contra ataque de fluidos ácidos y alcalinos. Capacidad de conducción Rapidez de instalación, su bajo peso, aunando a su presentación en tramos hasta 2 m y a la unión por termofusion sin piezas especiales. Ligereza Hermeticidad Entre sus principales desventajas se tienen: Alto costo de adquisición e) Tubería de acero.- Las tuberías de acero se fabrican de acuerdo a las Normas Mexicanas NMX- B-10 y NMX-B-177. Ambas normas se refieren a los tubos de acero con o sin costura (Iongitudinal o helicoidal), negros, o galvanizados por inmersión en caliente para usos comunes (conducción de agua, vapor, gas o aire). Entre sus principales ventajas se tienen: Alta resistencia mecánica resiste cargas de impacto y altas presiones internas. Fácil transporte e instalación 34 P á g i n a

37 Entre sus desventajas se tiene: Por ser metálica presenta corrosión. 3.8 CLASIFICACIÓN DE LAS AGUAS RESIDUALES. El término aguas residuales define un tipo de agua que está contaminada con sustancias fecales y orina, procedentes de desechos orgánicos humanos o animales. Su importancia es tal que requiere sistemas de canalización, tratamiento y desalojo. Su tratamiento nulo o indebido genera graves problemas de contaminación. A las aguas residuales también se les llama aguas servidas, fecales o cloacales. Son residuales, habiendo sido usada el agua, constituyen un residuo, algo que no sirve para el usuario directo; y cloacales porque son transportadas mediante cloacas (del latín cloaca, alcantarilla), nombre que se le da habitualmente al colector. Algunos autores hacen una diferencia entre aguas servidas y aguas residuales en el sentido que las primeras solo provendrían del uso doméstico y las segundas corresponderían a la mezcla de aguas domésticas e industriales. En todo caso, están constituidas por todas aquellas aguas que son conducidas por el alcantarillado e incluyen, a veces, las aguas de lluvia y las infiltraciones de agua del terreno. Las aguas negras son las más peligrosas; llevan toda clase de materias de desecho; orgánicas y minerales; en este caso sólido como materias fecales, arcillas, arenas, residuos de la industria, etc., y en estado liquido como orines, colorantes, etc., y en estado gaseoso como ácido sulfhídrico, amoniaco y demás productos derivados de la putrefacción de algunas sustancias. Las materias orgánicas pueden ser de origen animal como excretas o de origen vegetal como ditritus de plantas. Las infiltraciones que se recogen en los alcantarillados son aguas del subsuelo cargadas con muchas sales en disolución y materias orgánicas existentes en el mismo, con gran cantidad de bacterias. Las aguas usadas de una población reciben el nombre genérico de aguas residuales y consistentes, como su nombre lo indica, en las propias aguas de abastecimiento 35 P á g i n a

38 después de que han sido impurificadas o contaminadas por sus diversos usos. Convencionalmente pueden clasificarse en cinco grupos generales como son: a).- Aguas residuales domésticas.- Son las que contienen los desechos de las casas habitacionales y de los edificios institucionales como escuelas, hospitales, asilos, etc., se incluyen también en éstas la infiltración de las aguas freáticas. b).- Aguas residuales municipales o sanitarias.- Que comprenden las domesticas y también gran parte o todas las aguas industriales de desecho de la población. c).- Aguas pluviales.- Estas aunque no son aguas residuales propiamente dicho, así se consideran para los fines de su inclusión en los sistemas de alcantarillado y están integradas por todos los escurrimientos superficiales de las aguas de lluvia. d).- Aguas residuales combinadas.- Son una mezcla de las aguas residuales domésticas, municipales y pluviales, cuando se colectan en las mismas alcantarillas. e).- Aguas residuales industriales.- Son las aguas de desecho que se originan en los numerosos progresos industriales y que pueden colectarse y disponerse aisladamente o pueden agregarse y formar parte de las aguas residuales municipales o de las combinadas. Estas aguas, debido a la inmensa variedad de sustancias que pueden contener, dependiendo de su volumen y características, en la mayoría de las ocasiones, no pueden agregarse directamente a las aguas residuales sanitarias, sino que en la mayoría de los casos deben recibir un tratamiento preliminar antes de mezclarlas con aquellas y otras veces, es necesario establecer sistemas especiales de alcantarillado para su recolección, tratamiento y disposición. 36 P á g i n a

39 4.0 DISEÑO HIDRÁULICO. 37 P á g i n a

40 4.1 CÁLCULO DE LA POBLACIÓN DE PROYECTO. Normalmente para el diseño de una red de alcantarillado es necesario calcular la población de proyecto en el futuro, sobre todo al final del periodo económico de la obra, esto hace por varios métodos como el aritmético, geométrico, malthus, folwell, incrementos diferenciales, entre otros. Para este caso como se trata de una colonia, no es necesario calcular la población por dichos métodos antes mencionados, el cálculo de la población de proyecto se llevara a cabo mediante lotes, conociendo la longitud tributaria de nuestra red de alcantarillado mediante los cadenamientos ya realizados en el levantamiento topográfico, podemos conocer la longitud que tiene nuestra red, y de acuerdo a la visita a la colonia se pudo constatar que cada lote tiene un promedio de 7 m, y que por cada lote consideraremos 5 habitantes, de esa manera podremos conocer el total de población que existe en nuestra colonia, a continuación se anexa la información requerida para el cálculo de población. En la primera columna se tendrá el nombre de la calle, en la segunda columna de que cadenamiento a que cadenamiento es la calle considerando que pueda establecerse un lote, en la tercera columna tendremos la distancia total de la calle, en la cuarta columna tendremos el número de lotes existentes dependiendo de la distancia existente, esto se logra dividiendo la distancia total de la calle entre 7 que son los metros que mide un lote, en la quinta columna tendremos el número de habitantes por lote, este siempre será 5, y por último en la sexta columna tendremos el número total de habitantes por calle esto resulta de multiplicar los lotes existentes por 5 que son los habitantes por lote y a este resultado lo multiplicaremos por 2, ya que en la calle generalmente se construye de ambos lados.(ver cuadro 1) 38 P á g i n a

41 Longitud del Calle Cadenamientos tramo Numero de Lotes Habitantes por lote Poblacion total por calle Perfil al Perfil al Perfil al Perfil al Perfil al Perfil al Total: Total = 1190 Cuadro 1 En total se tendrá una población estimada de 1190 habitantes. La longitud de red de alcantarillado será de 838 metros. 4.2 DOTACIÓN Se denomina DOTACIÓN, a la cantidad de agua diaria que se asigna a cada habitante para fines de cálculo y que comprende todos los consumos de los servicios que se hacen en un día medio anual generalmente se expresa en litros/habitantes/día. (l/hab/d) Tipos de consumo En el abastecimiento de una localidad, deben ser consideradas varias formas de consumo de agua, que se pueden discriminar así: - Uso doméstico: Descarga del excusado, aseo corporal, cocina, bebida, lavado de ropa, riego de jardines y patios, limpieza en general, lavado de automóviles, aire acondicionado. - Uso comercial: Tiendas, bares, restaurantes, estaciones de servicio. - Uso industrial: Agua como materia prima, agua consumida en procesamiento industrial, agua utilizada para congelación, agua necesaria para las instalaciones sanitarias, comedores, etc. 39 P á g i n a

42 - Uso público: Limpieza de vías públicas, riego de jardines públicos, fuentes y bebederos, limpieza de la red de alcantarillados sanitarios y de galería de aguas pluviales, edificios públicos, piscinas públicas y recreo, combate contra incendios. - Usos especiales: Combate contra incendios, instalaciones deportivas, ferrocarriles y autobuses, puertos y aeropuertos, estaciones terminales de ómnibus. - Pérdidas y desperdicios: Pérdidas en el conducto, pérdidas en la depuración, pérdidas en la red de distribución, pérdidas domiciliares, desperdicios. Para establecer el valor de la dotación el proyectista deberá aplicar su criterio, basándose en el conocimiento que se tiene de la región, tendrá que ajustarse a las necesidades del lugar, a sus posibilidades físicas, económicas, sociales y políticas de acuerdo con el estudio de factibilidad que se realice de la localidad, factores que inciden en el consumo y en las particularidades del proyecto. De acuerdo a la Comisión Nacional del Agua (CONAGUA), se valora a la dotación en función del clima y del número de habitantes considerados como población de proyecto. Como lo muestran las siguientes Tablas, que se encuentran en el MANUAL DE AGUA POTABLE, ALCANTARILLADO Y SANEAMIENTO DE LA COMISIÓN NACIONAL DEL AGUA. 4.3 CLASIFICACIÓN DE CLIMAS POR SU TEMPERATURA TEMPERATURA ANUAL ( C ) Mayor de 22 C De 18 a 22 C De 12 a 17.9 C De 5 a 11.9 C Menor de 5 C Tabla No.2 TIPO DE CLIMA Cálido Semi cálido Templado Semi frio Frio Para el proyecto consideraremos el tipo de clima Templado ya que este tipo de clima oscila entre los 12 a 17.9 C y es el más apto para la ciudad de Xalapa Veracruz. 40 P á g i n a

43 4.4 DOTACIÓN DE AGUA POTABLE POR CLIMA Y NÚMERO DE HABITANTES QUE ESTABLECE LA GERENCIA DE NORMAS TÉCNICAS DE LA COMISION NACIONAL DEL AGUA POBLACIÓN DE PROYECTO ( lts. / Hab./día ) DE 2,500 a 15,000 DE 15,000 a 30,000 DE 30,000 a 70,000 DE 70,000 a 150,000 De 150,000 a MAS TIPO DE CLIMA CÁLIDO TEMPLADO FRIÓ Tabla No. 3 Para este proyecto que corresponde a la Colonia LAS TORRES se tomara una dotación de 250 lts/hab/dia. Utilizaremos esta dotación ya que el crecimiento de la población en la ciudad de Xalapa Veracruz va en aumento progresivo, y esta colonia ya esta adherida a la mancha urbana, y, por tal motivo se tomara una dotación de 250 lts/hab/dia 4.5 APORTACIÓN DE AGUAS NEGRAS. Al volumen de agua desalojada por habitante en el día, se le llama Aportación y representa un tanto por ciento de la dotación de agua potable, como ya se mencionó anteriormente la aportación de aguas negras es el reflejo del servicio de agua potable, la Comisión Nacional del Agua adopta el criterio de aceptar como aportación de aguas negras, del 75% al 80% de la dotación de agua potable, considerando que el 25% o el 20% restante se pierde antes de llegar a los conductos a causa de las perdidas en la distribución, de riego en jardines, parques y calles. 41 P á g i n a