1 4.9. Diseño hidráulico de la red de alcantarillado pluvial a) La selección del método adecuado para diseñar obras de protección contra inundaciones depende de: Tipo de problema por resolver (magnitud de obra, precisión requerida, características de la cuenca, etc.). Información disponible, de manera que el esfuerzo que se realice en el estudio debe corresponder a los beneficios que se esperan de la precisión en los resultados. b) Asimismo, existen factores de tipo subjetivo, como es la experiencia del diseñador en la aplicación de un método particular que influyen en la decisión adoptada. c) Una vez definida la zona en estudio, se procederá a dividir en áreas de aportación donde se encontrará la red de atarjeas, la que deberá reconocer el subcolector que se localizará en la parte baja de dichas áreas. d) Los subcolectores aportarán el caudal que conducen a los colectores y éstos finalmente al emisor que descargará el gasto en el sitio de vertido. e) Con base en lo anterior el sistema de drenaje pluvial lo podemos dividir para su diseño en: Red de atarjeas (red secundaria) Colectores (red primaria) Emisores (sistema de desagüe) 4.9.1. Diseño de la red de atarjeas (red secundaria) Procedimiento que se recomienda para Proyectos asociados a la clasificación anterior. a) Determinar el periodo de retorno asociándolo con el uso del suelo en el área de estudio. Para tal efecto se pueden usar los valores de las tablas 4.7 y 4.8. b) Estimar el tiempo de concentración de la cuenca, t c, con el apoyo del proceso descrito en la aplicación de la fórmula racional, suponiendo un tiempo de escurrimiento superficial hasta los tramos de cabecera (tiempo de entrada) de 10 o 15 minutos. c) Calcular la lluvia de diseño asociada al periodo de retorno seleccionado en el paso a) y al tiempo de concentración definido en el paso b). Utilizar el procedimiento que se ha seleccionado para determinar la tormenta de diseño.
2 d) Calcular el coeficiente de escurrimiento asociado a la cuenca de cada tramo utilizando las tablas 4.9 y 4.10. Tabla 4.7. Usos del suelo y periodos de retorno Tipo de uso T r, en años Zona de actividad comercial 5.0 Zona de actividad industrial 5.0 Zona de edificios públicos 5.0 Zona residencia multifamiliar de alta densidad (*) 3.0 Zona residencial unifamiliar y multifamiliar de baja densidad 1.5 Zona recreativa de alto valor e intenso uso por el público 1.5 Otras áreas recreativas 1.0 (*) Valores mayores de 100 hab/ha Tabla 4.8. Tipo de vialidad y periodo de retorno mínimo Tipo de vialidad Artería.- Autopistas urbanas y avenidas que garantizan la comunicación básica de la ciudad Distribuidora.- Vías que distribuyen el tráfico proveniente de la vialidad arterial o que la alimentan Local.- Avenidas y calles cuya importancia no traspasa la zona servida Especial.- Acceso e instalaciones de seguridad nacional y servicios públicos vitales T r, en años 5.0 3.0 1.5 10.0 e) Si el tiempo de concentración de la cuenca calculado en le paso b), es menor o igual a 30 minutos se recomienda utilizar la fórmula racional como el modelo lluvia-escurrimiento, calculando el tiempo de concentración asociado a cada tramo con el proceso descrito en b), y si el tiempo de concentración de la cuenca es mayor de 30 minutos, se recomienda utilizar el método RRL. f) Si en el sistema existen elementos de regulación importantes (almacenamientos), será necesario dar la distribución en el tiempo de la tormenta de diseño, para lo cual se requiere hacer un modelo de simulación.
3 Tabla 4.9 Coeficientes de escurrimiento para diferentes tipos de superficies Tipo de superficie C Techos impermeables 0.75 a 0.95 Pavimentos de asfalto en buen estado 0.85 a 0.90 Pavimentos empedrados o de adoquín junteados con cemento 0.75 a 0.85 Pavimentos de adoquín sin cemento 0.50 a 0.70 Pavimento de terracerías 0.25 a 0.60 Superficies sin pavimentar, como patios de ferrocarril y 0.10 a 0.30 terrenos sin construir Parques, jardines y prados, dependiendo de la superficie, 0.05 a 0.25 pendiente y características del suelo Áreas boscosas, dependiendo de la pendiente y del tipo de 0.10 a 0.20 suelo Zonas urbanas densamente pobladas 0.70 a 0.90 Tabla 4.10 Coeficientes de escurrimiento para diferentes zonas Zona C Zonas mercantiles 0.70 a 0.90 Zonas comerciales 0.60 a 0.85 Zonas industriales 0.55 a 0.80 Zonas residenciales Departamentos 0.50 a 0.70 Casas de tipo residencial 0.25 a 0.50 Parques 0.05 a 0.25 Áreas no desarrolladas 0.10 a 0.25 4.9.2. Diseño de colectores (red primaria) a) Determinar el periodo de retorno con el procedimiento descrito. Estimar los gastos correspondientes a cada alternativa. Si solo se trata de revisar la red, se recomienda hacerlo para periodos de retorno de 3, 5, 10 y 20 años. b) Estimar el tiempo de concentración, la lluvia de diseño y el coeficiente de escurrimiento correspondiente a cada subcuenca de aportación. Si el área de la cuenca es mayor de 10 km 2, la lluvia de diseño se deberá afectar por el factor de reducción por área (FRA).
4 c) Determinar los hidrogramas de ingreso a la red, utilizando según la información disponible, cualesquiera de los tipos de hidrogramas unitarios (sintético, triangular o adimensional), correspondientes a la salida de los colectores secundarios, con los procedimientos descritos. d) Transitar los hidrogramas por la red de colectores en estudio. 4.9.3. Diseño de emisores a) Si se estudian elementos de conducción solamente, puede utilizarse un procedimiento análogo, al descrito anteriormente, pero utilizando hidrogramas unitarios deducidos de simulaciones o mediciones en las descargas de la red primaria. b) Si el sistema en estudio está alimentado por una cuenca rural o poco urbanizada, y además, contiene vasos de regulación, los hidrogramas de ingreso se calculan con el hidrograma unitario adimensional y el transito de las avenidas, por los elementos de regulación, se simula utilizando un método de tránsito de avenidas en sistemas de presas interconectadas. 4.9.4. Pérdidas de lluvia a) Las cuencas urbanas, son aquellas cuyas condiciones se modifican con el tiempo, de manera que las características estadísticas de los escurrimientos no pueden ser determinadas directamente a partir de éstos y se tiene que recurrir a estimar: Primero, las características estadísticas de las tormentas; Segundo, mediante un modelo lluvia-escurrimiento, determinar las avenidas, suponiendo que su probabilidad de ocurrencia es idéntica a la de la tormenta utilizada para generarla. b) Además, es común que no se cuente con registros adecuados de escurrimientos en el sitio de interés para determinar los parámetros necesarios para diseño y operación de obras hidráulicas. c) Normalmente, los registros de lluvia son más abundantes que los de escurrimiento y además, no se afectan por cambios en la cuenca, como construcción de obras de almacenamiento y derivación, talas, urbanización, etc. d) Por ello, es conveniente contar con métodos que permitan determinar el escurrimiento en una cuenca mediante las características de la misma y la precipitación.
5 e) Las características de la cuenca se conocen por medio de planos topográficos y de uso del suelo y la precipitación se conoce a través de mediciones directas. f) Los parámetros principales que intervienen en el proceso de conversión de lluvia a escurrimiento son los siguientes: Área de la cuenca Altura total de precipitación Características generales de la cuenca (forma, pendiente, vegetación, etc) Distribución de la lluvia en el tiempo Distribución espacial de la lluvia y de las características de la cuenca e) Ahora bien, debido a que la cantidad y calidad de la información disponible varía de un problema a otro y por otro lado, no siempre se requiere la misma precisión en los resultados, se han desarrollado una gran cantidad de métodos para analizar la relación lluvia-escurrimiento. f) La complejidad de los métodos aumenta a medida que se toman en cuenta más de los parámetros citados anteriormente. En este sentido también aumenta su precisión, pero los datos que se requieren son más y de mejor calidad. g) En general, para estimar el gasto producido por lluvia sobre una cuenca, existen diferentes métodos, los cuales se clasifican en: a). Métodos directos o empíricos Consideran que el escurrimiento provocado por una tormenta es función, principalmente, de las características físicas de la cuenca: ejemplo de estos métodos son el de Burkli-Ziegler, el racional y el gráfico alemán. b). Métodos hidrológicos Consideran que existe una relación funcional, generalmente lineal, entre la distribución de la lluvia en el tiempo y el hidrograma a la salida de la cuenca. Dicha relación funcional se basa en principios hidrológicos y puede calibrarse con registros simultáneos de lluvias-escurrimientos en la cuenca que se estudia, sin considerar explícitamente sus características físicas. Ejemplo de estos métodos es el Road Research Laboratory y el del Hidrograma Unitario.
6 h) Muchos de los métodos empíricos y prácticamente todos los hidrológicos, relacionan la lluvia efectiva con el escurrimiento directo, por lo que para su aplicación se requiere primero de la estimación de las pérdidas. i) Por esta razón, se mencionan algunos criterios para calcular las pérdidas. Determinación de las pérdidas a) De la lluvia que cae en una cuenca al producirse una tormenta, una parte escurre superficialmente para alimentar a la corriente natural o al sistema de drenaje y la otra es interceptada por la vegetación, retenida en depresiones de terreno o se infiltra; a estas últimas se le denomina pérdida. En este proceso se toma en cuenta la evaporación, ya que el agua no permanece indefinidamente sobre la superficie. b) En la práctica los componentes de la pérdida son difíciles de separar, por lo que, para efectos de cálculo del escurrimiento en proyectos de diseño de alcantarillado pluvial, se acostumbra calcularla conjuntamente y llamar infiltración a la pérdida total. c) La estimación de la pérdida se efectúa de la manera siguiente: Si durante una tormenta, se mide simultáneamente la lluvia y el escurrimiento, la pérdida se calcula como: Pérdida = Volumen llovido volumen de escurrimiento directo Volumen llovido se obtiene la multiplicar el área de la cuenca por la altura (lámina) de lluvia total de la tormenta. Volumen de escurrimiento directo se determina al separar el escurrimiento base del hidrograma provocado por la tormenta y posteriormente calcular el volumen de escurrimiento directo. De la definición de pérdida se puede escribir que: V p = V V (4.1) LL ED donde V p es el volumen de pérdidas; V LL es el volumen llovido; y V ED es el volumen de escurrimiento directo.
7 Distribución de las pérdidas en el tiempo Para evaluar la forma como se distribuyen las pérdidas en el tiempo, existen dos criterios describiendo sus características a continuación: a) Criterio del coeficiente de escurrimiento Este criterio supone que la pérdidas en cada momento son proporcionales a la intensidad de la lluvia en el mismo momento. A la constante de proporcionalidad se le considera característica de cada cuenca hidrológica y se le denomina coeficiente de escurrimiento. Se estima con la expresión siguiente: V ED C = (4.2) V LL donde C es el coeficiente de escurrimiento; V ED es el volumen de escurrimiento directo; y V LL es el volumen llovido. El coeficiente de escurrimiento se puede conocer haciendo mediciones directas en la cuenca urbana de estudio o bien relacionando los valores que aparecen en Tablas de acuerdo con los diferentes tipos de áreas a drenar. Este criterio es totalmente empírico y para su aplicación se necesita tener una amplia experiencia y además, de ser posible, contar con mediciones simultáneas de lluvia y escurrimiento, que permitan tener una idea del valor del coeficiente para la zona en estudio. b) Criterio de la capacidad de infiltración media En este criterio se supone que la cuenca tiene una capacidad de infiltración promedio constante durante toda la tormenta, de manera que, siempre que llueve con una intensidad menor que dicha capacidad, se infiltra todo lo que llueve y cuando llueve con una intensidad mayor que la capacidad de infiltración, la diferencia escurre. Para determinar la capacidad de infiltración media, se resta a la altura de precipitación total una lámina constante de agua por unidad de tiempo, a la cual se le llama índice de infiltración. Según este criterio, el índice de infiltración es característico de cada cuenca e independiente de la intensidad de la lluvia y se mide en mm/h.
Aun cuando el criterio adolece de los mismos inconvenientes que el anterior, se han desarrollado metodologías más elaboradas para estimar con más precisión el índice de infiltración. 8