REHABILITACIÓN DE UN SISTEMA DE RECOLECCIÓN DE AGUAS SERVIDAS

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1 REHABILITACIÓN DE UN SISTEMA DE RECOLECCIÓN DE AGUAS SERVIDAS Ghanem Rivero Ana Victoria Universidad de Oriente-Núcleo de Anzoategui. Apartado Puerto La Cruz. Venezuela. Existen varios métodos para la rehabilitación de tuberías de aguas servidas, los cuales consisten básicamente en el revestimiento interno de las tuberías dañadas. Sin embargo cuando las tuberías no permiten la utilización de revestimientos debido a que están totalmente destruidas o han llegado al termino de su capacidad, es necesario la sustitución de las mismas por otras que cumplan con un nuevo periodo de diseño. El método descrito en el este trabajo consiste en la sustitución de tuberías. El trabajo consiste en explicar en detalle cada una de las actividades que se deben realizar para cumplir totalmente el objetivo propuesto, las cuales se mencionan a continuación: búsqueda de información preliminar, levantamiento topográfico, ubicación de servicios públicos existentes y de proyección futura, estudio de suelos, mediciones, análisis hidráulico del comportamiento de la red existente para el periodo de diseño establecido, diseño y cálculo de las nuevas obras, elaboración de planos, cómputos métricos y especificaciones técnicas. Se describen una serie de etapas en las que se desarrolla el trabajo, las cuales son: Trabajo de Campo, Estudio Conceptual y Proyecto. Se incluyen además modelos de planillas, hojas de cálculo, planos, etc. Los métodos descritos corresponden a un caso en particular, sin embargo los principios, normas y bases de calculo se pueden adaptar a cualquier caso. Es un trabajo útil para los ingenieros con poca experiencia en estudios de esta naturaleza. METODOLOGÍA El primer paso consiste en plantear el problema que presenta el sistema y sus posibles causas. Una vez determinado, se establecen los objetivos a alcanzar para la solución del mismo. El segundo paso es organizar el trabajo se requiere realizar mediante una lista de actividades que conduzcan al logro del objetivo final, entre ellas se pueden mencionar: (1) búsqueda de información preliminar; (2) levantamiento topográfico completo del sector en estudio, en caso de no existir planos o que los datos disponibles no sean confiables; (3) ubicación de servicios existentes y de proyección futura, incluye: acueducto, cloacas, drenajes, teléfono, electricidad y gas (4) estudio de suelos; (5) hidrología, si el caso lo requiere; (6) análisis de muestras de agua, si el caso lo requiere; (7) mediciones; si el caso lo requiere (8) análisis hidráulico del comportamiento de la red existente para un período de diseño establecido previamente; (9) determinación de los tramos de colectores o de algún otro componente que presente problemas y que requiera ser sustituido o mejorado; (10) diseño y cálculo de las nuevas obras para el período de diseño establecido; (11) elaboración de planos; (12) elaboración de cómputos métricos; 13) elaboración de especificaciones técnicas. Un cronograma de trabajo es muy importante para organizar la realización de las actividades y estimar el tiempo requerido para culminar el estudio. Por otra parte se debe tener en cuenta el equipo de trabajo necesario para realizar las diferentes actividades. La cantidad de cada uno de ellos dependerá de la magnitud del mismo. Antes de realizar el proyecto es necesario tomar en consideración las Normas que en cada país rigen la ejecución de los mismos. Estudios a realizar:

2 El trabajo general se divide en tres etapas: Trabajo de Campo, Estudio Conceptual y Proyecto. La descripción del trabajo está concebida con un ejemplo práctico que sirve de guía para realizar cualquier trabajo similar. De acuerdo a esto fue escogido un sector de la Ciudad de Puerto La Cruz, Venezuela. El sistema de recolección de aguas servidas del sector en estudio consiste en un colector principal, ubicado en la Avenida Principal, que recoge las aguas servidas de tres redes, las cuales se denominan secundarias, de los sectores A, B y C (Fig. 1) ; ocupan un área de 60,16 Ha. Los colectores en general son de concreto, el colector principal es de 30 cm de diámetro (12") y los secundarios son de 20 cm (8"). En este sector existen los siguientes problemas: (1) el colector principal fue construido en el año 1.962, con tuberías de concreto, se presume que ha llegado al término de su vida útil; (2) el colector principal presenta constantes derrames de aguas negras, el derrumbe y la reposición constante de algunos tramos; (3) drenaje superficial de las aguas servidas; (4) de las ampliaciones y reparaciones realizadas en cada una de las redes A, B y C no existen planos de construcción, lo que quiere decir que los planos disponibles no están actualizados, por lo tanto la información de los mismos no es confiable. Para resolver esta situación se han establecido los siguientes objetivos: (1) determinar las causas del problema presentado en el colector principal; (2) definir la solución más adecuada técnica y económicamente; (3) diseño en detalles para la "Rehabilitación del Sistema de Recolección de Aguas Servidas de los Sectores A, B y C". TRABAJO DE CAMPO Es un conjunto de actividades preliminares que sirven de apoyo para realizar los cálculos correspondientes y para determinar cuáles componentes se encuentran en mal estado o inservibles. Tiene por objeto actualizar toda la información existente de la red de cloacas y otros servicios tales como: acueducto, drenajes, teléfonos, gas y electricidad. Recolección de la información preliminar. Es importante determinar la situación de los servicios existentes y de construcción futura a fin de que el diseño del sistema se realice en forma coordinada con los otros servicios, lo cual facilita la construcción de las obras. Consiste en la búsqueda del siguiente material: planos de construcción de acueductos y cloacas, planos de proyecto de acueductos y cloacas, planos de drenaje, planos de servicio telefónico, planos de servicio de gas, planos aerofotogrametricos en escalas adecuadas y plan de ordenamiento urbano del sector. Recorrido del área de estudio. Para tener una idea clara de la magnitud del trabajo a realizar, se recomienda realizar un recorrido del área de estudio, el cual consiste en una inspección preliminar para determinar si existen algunas irregularidades que puedan ser detectadas con la simple observación. Selección, ubicación e identificación de las bocas de visita a inspeccionar. Con ayuda del plano de planta se deben seleccionar aquellas bocas de visita que sirven de apoyo para la evaluación del estado de los colectores de la red. El criterio recomendado es el de inspeccionar todas las bocas de visita del colector principal y las bocas de visita adyacentes (inmediatas) de los colectores secundarios, a fin de garantizar la identificación de aquellos tramos que requieren ser proyectados nuevamente. Se deberían seleccionar también bocas de visita del drenaje en los posibles puntos de cruces con la red de cloacas. Una vez seleccionadas las bocas de visita a ser inspeccionadas, se debe proceder a identificarlas en sitio, por ejemplo: con pintura blanca para las cloacas y amarilla para los drenajes. Es posible que algunas de ellas se encuentren cubiertas por el pavimento, en este caso se podría utilizar un detector de metales para su ubicación y un compresor para descubrirlas. Para facilitar la recolección de esta información se podría resumir el estado inicial y actual de las mismas en cuadros elaborados para tal fin. Mediciones.

3 Una vez identificadas las bocas de visita se procede a medir los diámetros, profundidades y nivel del agua dentro de las mismas. Se recomienda también resumir la información en cuadros elaborados para tal fin. Para una mejor comprensión de las observaciones realizadas, se deberían tomar fotografías, las cuales permiten aclarar la información que contienen los cuadros. Levantamiento topográfico. Consiste básicamente en dos etapas: (1) actualizar los planos existentes y nivelar todas las bocas de visita de cloacas y drenajes que fueron inspeccionadas. Las cotas determinadas deben ser referidas al punto de Nivelación Geodésica mas cercano. Con las cotas obtenidas se deben calcular posteriormente las cotas de rasante de los colectores y las pendientes de cada uno de los tramos, para poder determinar su capacidad hidráulica; (2) una vez escogida la alternativa más conveniente, en la etapa del proyecto, se deben definir los puntos del trazado de los nuevos colectores. ESTUDIO CONCEPTUAL El objetivo fundamental es: determinar las causas del problema y definir la solución más adecuada al respecto. Para determinar las causas del problema se toman los datos obtenidos del Trabajo de Campo y se procede a realizar la evaluación de la red existente, para ello se deben definir los siguientes parámetros: periodo de diseño, población actual y futura. y gasto de aguas negras generados para ambos casos. Una vez definidos los parámetros de diseño, se calcula la capacidad hidráulica de cada tramo de colector y se compara con el gasto generado por la situación actual y la situación futura. Con los resultados obtenidos se logra evaluar el comportamiento de cada uno de los componentes del sistema y su capacidad para cubrir las demandas actuales y futuras. Una vez determinado los tramos que presentan problemas de capacidad se debe proponer la solución más adecuada para resolver el problema de manera que el sistema sea eficiente en un 100 % hasta llegar al término del período de diseño establecido. Se deben tomar en cuenta también aquellos tramos que aunque su capacidad sea suficiente para cubrir las demandas, han llegado al termino de su vida útil, estos últimos deberán ser también sustituidos. Posteriormente se proponen varias alternativas para el trazado de los nuevos colectores, de las cuales se escoge la mas conveniente desde el punto de vista técnico y económico. En el caso presentado como ejemplo de este trabajo la evaluación para la situación actual corresponde al año y para la situación futura corresponde al año Periodos de diseño. Es el tiempo para el cual el sistema es eficiente en un 100 %, ya sea por capacidad hidráulica y por la resistencia física de las instalaciones. Debe ser seleccionado cuidadosamente, ya que una selección inadecuada, podría limitar el desarrollo de nuevas áreas o nuevas zonificaciones o incrementar los costos por reparación de colectores. Para la adecuada selección del período de diseño en cada uno de los componentes se deben tener en cuenta los aspectos prácticos, económicos y operativos del sistema. De acuerdo a esto se pueden mencionar los siguientes factores: a) vida útil de las estructuras y equipo componente, tomando en cuenta la antigüedad, el desgaste y el daño; b) facilidad o dificultad para hacer ampliaciones en las obras existentes o proyectadas; c) relación anticipada del crecimiento de la población, incluyendo posibles cambios en los desarrollos de la comunidad, industrial y comercial d) tasa de interés vigente; e) comportamiento de las obras durante los primeros años, cuando no están sujetas a su capacidad completa. Estimación de la población a servir La información más confiable sobre la población de una comunidad o sector, dada en un tiempo designado se obtiene mediante los datos de un censo. Para el cálculo de la población futura se

4 pueden utilizar los siguientes métodos: crecimiento aritmético, crecimiento geométrico, crecimiento a porcentaje decreciente, crecimiento a porcentaje de saturación y cualquier otro que el proyectista considere conveniente 2,5,10. Para la correcta estimación de los gastos generados por un área de estudio en particular, se requiere además de la estimación de la población total de la comunidad, la estimación sobre la densidad de población, naturaleza de los ocupantes y uso de las áreas, la cual generalmente se encuentra establecida en los planes de desarrollo urbano. La densidad de población se expresa generalmente por el número de habitantes por unidad de área, en este caso la hectárea (hab/ha). En términos generales, para la evaluación del sistema, la población debe ser estimada en base a la situación actual y futura y a las respectivas densidades establecidas en el plan de ordenamiento urbano vigente. En este caso particular se utiliza el método geométrico para el cálculo de la población futura, por ser el que mas se adapta a las tendencias de crecimiento de la zona en estudio. Este método supone que el crecimiento de la población ocurrirá en forma exponencial, la ecuación que lo define es: Pt = Po (1+K) t (1) donde Pt es la población al final del período "t" ( hab), Po es la población inicial (hab) y K es le porcentaje de crecimiento anual. Para este estudio se toma el promedio geométrico de las tasas de los tres últimos censos el cual corresponde a un valor del 2,7 %. La población base es de habitantes, que corresponde al año 1.994, se considera una densidad bruta como el 80% de la densidad neta y se aplica la ec. (1), se obtienen los siguientes resultados:(1) la población para el año es de habitantes con una densidad bruta de 294 hab/ha, la cual se aproxima a 300 hab/ha. Al comparar estos resultados con los valores establecidos por el plan de ordenamiento urbano para este sector, se observa que son similares, lo que quiere decir que el periodo de diseño considerado es conveniente. Determinación de las áreas tributarias Para el trazado y cálculo de áreas tributarias se debe tomar como base el plano del sector en una escala adecuada, tal como se muestra en la Fig. 1. Determinación de los gastos de aguas negras. Para determinar los gastos de diseño del sistema se deben considerar los siguientes aportes de agua: negras domiciliarias, comerciales, institucionales, industriales y de infiltración. 1,2,5,10. En este caso, el sector en estudio presenta los siguientes gastos: Gasto de aguas negras domiciliarias. De acuerdo a las normas INOS 5, el valor del gasto máximo de aguas negras domiciliarias (Q maxas ), se obtiene aplicando la siguiente ecuación: Q maxas = Q medap K R (2) donde: Q medap es el gasto medio anual del acueducto que abastece a la localidad (l/s), R es el coeficiente de gasto de reingreso igual a 0,8 y K es un coeficiente que es función de la población. El valor de K se calcula utilizando la fórmula de Harmon: K = 1 + [14/(4+P ½ )] (3) donde P es la población en miles de habitantes. Para el cálculo del gasto medio de acueducto, se asigna una dotación de 300 l/hab/día, recomendada por INOS. 6-7 (Tablas 1 y 2) Tabla 1. Determinación del gasto medio de acueducto Año Tramo Long. Dens.. Área Población (hab) K Dotac. Q medap Q medap m hab/ha Ha Parcial Acumulada l/d/ha l/d l/s E1-D1 46, , , , E1-D1 46, , , ,16

5 Tabla 2 Determinación de los gastos de aguas negras Año Tramo Long. Q medap Q maxas Q inf Q total m l/s l/s l/s l/s E1-D1 46,50 2,04 5,22 0,48 5, E1-D1 46,50 4,16 9,65 0,48 10,12 Aporte por infiltración. Para el cálculo del gasto por infiltración (Q inf ) se deben tomar en cuenta las condiciones del suelo, altura del nivel freático, tipo de juntas de los colectores y condiciones de construcción 5. En el sector objeto del este estudio, de acuerdo al estudio de suelos realizado, resulta conveniente asumir un valor de l/km/d. De acuerdo al trazado de la red existente y planos de construcción, se determina que para servir el área existen m de colectores y m de empotramientos los que resulta una longitud total de , por lo tanto el gasto unitario de infiltración es de 0,12 l/s/ha. (Tabla 2) Determinación del gasto de diseño. El gasto total de aguas servidas, por tramos, está dado por la suma del gasto máximo de aguas negras y el gasto de aguas de infiltración. Q total = Q maxas + Q inf (4) Una vez establecido el gasto total por tramo, se determina el gasto acumulado en cada uno de ellos, el cual es multiplicado por un factor igual a 1,5 para obtener el gasto de diseño (Q dis ) Los resultados se muestran en las tablas 2 y 3. Este gasto de diseño para el año 1.994, corresponde al gasto actual generado por el área de estudio, sirve de apoyo para determinar cuales son los tramos que se deben cambiar por falta de capacidad. El gasto de diseño para el año se utilizará para determinar los diámetros requeridos para los nuevos colectores, por lo tanto estos valores serán utilizados en el proyecto definitivo.(ver tablas 2 y 3) Análisis hidráulico. El diámetro y pendiente mínimos a considerar debe se el establecido por las normas que rigen el cálculo de esta naturaleza en cada país, sin embargo se podría recomendar un diámetro mínimo de 20 cm y la velocidad mínima a sección plena 0,60 m/s. La velocidad del flujo a sección plena se puede calcular empleando la ecuación de Chezy-Manning: V = 1/n R (2/3) S (1/2) (5) donde: V es la velocidad media (m/s), n es el coeficiente de rugosidad de Manning, R es el radio hidráulico en m y S es la pendiente del colector (m/m). La capacidad a sección llena se debe calcular utilizando la ecuación de continuidad: Q = V A (6) donde: Q es el Gasto a sección plena (m 3 /s), V es la velocidad a sección plena (m/s) y A es el área de la sección (m 2 ). El cálculo hidráulico se realiza con las pendientes y diámetros de los colectores de la red existente, algunos tomados de los planos de construcción y otros de las mediciones realizadas en sitio. El cálculo hidráulico permite comparar la capacidad de los colectores con el gasto de diseño generado en la actualidad. (Tabla 3) Tabla 3 Análisis hidráulico Año Tramo Long. Gastos (l/s) Q dis S D C V m Arriba Propio Total l/s l/s cm l/s m/s E1-D1 46,50 53,61 5,70 59,31 88,96 5, ,37 0,91

6 2.020 E1-D1 46,50 97,94 10,12 108,06 162,10 5, ,37 0,91 Los valores mostrados en las tablas (1), (2) y (3) corresponden al tramo E1-D1 de la Fig. 1, el cual se encuentra ubicado en la Avenida Principal entre las calles 12A y 13A, se ha escogido como ejemplo de cálculo, sin embargo el procedimiento es el mismo para todos los tramos del sistema. PROYECTO Una vez determinados los cambios que se requieren realizar, la última etapa es el proyecto definitivo de las nuevas obras que se van a construir las cuales pueden consistir en ampliaciones o sustituciones El proyecto debe ser realizado de acuerdo a la normativa vigente, tomando en cuenta el período de diseño establecido, los planes de ordenación urbanística, los resultados de los análisis de laboratorio, mediciones y todos aquellos parámetros que se requieran para su correcta elaboración. Una vez detectadas las causas del problema y escogida la mejor alternativa para la solución del mismo, se hace necesario realizar el diseño para la rehabilitación del sistema. El proyecto comprende: (1) trazado en planta de colectores; (2) cálculo hidráulico de colectores; (3) estudio de suelos; (4) cómputos métricos; (5) especificaciones técnicas; (6) elaboración de planos. En algunos casos resulta difícil definir la trayectoria de un colector directamente sobre el plano, motivado a que pueden existir una serie de servicios tales como: drenajes, acueducto, teléfono y electricidad, que limitan el trazado del colector a este nivel, por lo que resulta conveniente realizar un replanteo previo en el sitio para luego llevar esta información a los planos. Para este caso en particular, los materiales a utilizar en las tuberías son: (1) arcilla vitrificada, para diámetros menores o iguales de 300 mm; (2) hierro fundido dúctil, para diámetros mayores de 300 mm. El criterio a seguir para el trazado del colector principal es el de aprovechar al máximo los tramos que corresponden a las reparaciones realizadas en año recientes. y mantenerlos en servicio, cuya función primordial será la de recoger las aguas provenientes de su propia área tributaria incorporándolos al nuevo colector principal. En los casos restantes, el colector existente ha alcanzado su vida útil, por lo tanto estos tramos deben quedar fuera de servicio.(fig. 2) RESULTADOS De los valores obtenidos en la tabla 3 se observa que para la situación actual (año 1.994) la capacidad del colector (C) es menor que el gasto generado (Q dis ), por lo tanto el tramo debe ser sustituido de inmediato. Este tramo será reemplazado por el tramo K36-K35 (Fig. 2), el cual se diseña en hierro fundido dúctil, con un diámetro de 40 cm ( 16 pulg ), para transportar un gasto de 162,10 l/s (año 2.020), con una pendiente de 0,63 % y una capacidad de 225,63 l/s. De acuerdo a los resultados generales el colector principal debe ser sustituido en su totalidad, por lo tanto debe ser realizado el diseño respectivo.(fig. 2) CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES Los métodos descritos en este trabajo corresponden a un caso particular en el que se resuelve únicamente el problema de colectores. Sin embargo los principios, normas y bases de cálculo son

7 semejantes cuando se requiere determinar los parámetros de diseño de cualquier caso particular, como por ejemplo estaciones de bombeo, plantas de tratamiento, etc. Forma parte de la experiencia y creatividad de Ingeniero Proyectista el establecer una metodología en particular a seguir, para resolver cualquier problema, sin embargo los lineamientos establecidos son de gran utilidad, porque permiten realizar el trabajo en forma rápida y organizada. REFERENCIAS 1. AROCHA, S. Cloacas y Drenajes. Primera Edición. Ediciones Vega, Caracas, Venezuela, FAIR, G; GEYER, C; OKUN, D. Abastecimiento de Aguas y Remoción de Aguas Residuales Volumen I. Editorial Limusa, MÉXICO, FUNDITUBO. Canalizaciones para Saneamiento por Gravedad y Bajo Presión. Tubos, Piezas y Accesorios en Fundición Dúctil, España, INOS. Especificaciones de Construcción de Obras de Acueducto y Alcantarillados. Instituto Nacional de Obras Sanitarias, Venezuela INOS. Normas e Instructivos para el Proyecto de Alcantarillados. Instituto Nacional de Obras Sanitarias, Venezuela, INOS. Normas para el Diseño de los Abastecimientos de Agua. Instituto Nacional de Obras Sanitarias, Venezuela. 7. INOS. Tabla de Consumo para la Elaboración de Proyectos de Abastecimiento de Agua. Dirección General de Proyectos INOS, Venezuela, Manual de la Insituform de Venezuela C.A. 9. M.S.A.S; M.I.N.D.U.R. Normas Sanitarias para el Proyecto, Construcción, Reparación, Reforma y Mantenimiento de Edificaciones. Gaceta Oficial de la República de Venezuela Nº 4.044, RIVAS, Gustavo. Abastecimiento de Aguas y Alcantarillados. Tercera Edición. Ediciones Vega, Caracas, Venezuela, STANTAN. Integral Product & Design Guide. PR Principles Ltd. Nottingham, England, WSA/FWR. Materials Selection Manual for Sewer, Pumping Mains and Manholes, 1993.