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ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL ESTUDIO EXPERIMENTAL EN MODELO FÍSICO PARA LA OPTIMIZACIÓN DE DOS TIPOS DE ESTRUCTURAS DE SEPARACIÓN DE CAUDALES EN SISTEMAS DE ALCANTARILLADO COMBINADO DE CIUDADES ANDINAS PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO CIVIL ANDREA JANNET ALBÁN ALMEIDA [email protected] MARIA GABRIELA HEREDIA HIDALGO [email protected] DIRECTORA: ING. XIMENA HIDALGO BUSTAMANTE Quito, Abril 2015 II DECLARACIÓN Nosotros, Andrea Jannet Albán Almeida y María Gabriela Heredia Hidalgo declaramos que el trabajo aquí descrito es de nuestra autoría; que no ha sido previamente presentado para ningún grado o calificación profesional; y, que hemos consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento. La Escuela Politécnica Nacional, puede hacer uso de los derechos correspondientes a este trabajo, según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la Normatividad Institucional vigente. ANDREA ALBÁN ALMEIDA GABRIELA HEREDIA HIDALGO III CERTIFICACIÓN Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por Andrea Jannet Albán Almeida y María Gabriela Heredia Hidalgo, bajo mi supervisión. ING. XIMENA HIDALGO BUSTAMANTE DIRECTORA DEL PROYECTO IV AGRADECIMIENTO A la Ingeniera Ximena Hidalgo y al Doctor Marco Castro. Por su guía, apoyo y asesoramiento durante este proyecto de titulación. Andrea Albán Almeida V AGRADECIMIENTO Dejo constancia de mi más sincero agradecimiento a la Ing. Ximena Hidalgo y al Doc. Marco Castro por su colaboración y guía para la culminación de este trabajo. A mi madre y hermano por todo su apoyo. Gabriela Heredia Hidalgo VI DEDICATORIA A mis padres y a mi hermano. Gracias por su apoyo incondicional. Andrea Albán Almeida VII DEDICATORIA A la memoria de mi padre. Gabriela Heredia Hidalgo VIII CONTENIDO CAPÍTULO 1: INTRODUCCIÓN ............................................................................. 1 1.1 DESCRIPCIÓN GENERAL DE LAS ESTRUCTURAS DE ......................... SEPARACIÓN DE CAUDALES EXISTENTES EN .................................... SISTEMAS DE ALCANTARILLADO COMBINADO ................................... EN CIUDADES ANDINAS ......................................................................... 1 1.2 OBJETIVO GENERAL DEL PROYECTO DE TITULACIÓN ..................... 4 1.3 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ..................................................................... 4 1.4 DESCRIPCIÓN Y ANÁLISIS DE DOS TIPOS DE ...................................... ESTRUCTURAS DE SEPARACIÓN DE CAUDALES ................................ UTILIZADAS EN EL DMQ ......................................................................... 5 1.4.1 ESTRUCTURA DE SEPARACIÓN DE CAUDALES ............................ TIPO No. 1: BARRIO SAN JOSÉ OBRERO, ....................................... PARROQUIA EL CONDADO.............................................................. 6 1.4.2 ESTRUCTURA DE SEPARACIÓN DE CAUDALES ............................ TIPO No. 2: INTERCEPTOR CONEXIÓN ........................................... DÁVALOS IZQUIERDO, HUASIPUNGO Y ......................................... GUAGUACU (TRAMO 1) .................................................................. 10 1.5 ALCANCE DE LA INVESTIGACIÓN ....................................................... 15 CAPÍTULO 2: ANÁLISIS DIMENSIONAL Y MODELACIÓN FÍSICA .................... 17 2.1 INTRODUCCIÓN ACERCA DE LOS MODELOS HIDRÁULICOS .......... 17 2.1.1 2.2 CLASIFICACIÓN DE LOS MODELOS HIDRÁULICOS .................... 19 TEORÍA DEL ANÁLISIS DIMENSIONAL ................................................ 20 IX 2.2.1 MAGNITUDES FISICAS FUNDAMENTALES, .................................... DERIVADAS Y SUS DIMENSIONALES ........................................... 21 2.2.2 2.3 TEOREMA Π O DE BUCKINGHAM ................................................. 22 TEORÍA DE LA SEMEJANZA MECÁNICA ............................................. 23 2.3.1 SIMILITUD MECÁNICA .................................................................... 23 2.3.2 SEMEJANZA HIDRÁULICA.............................................................. 25 2.4 SIMILITUD DINÁMICA RESTRINGIDA................................................... 27 2.4.1 SIMILITUD DINÁMICA RESTRINGIDA DE FROUDE ...................... 28 2.4.2 EFECTOS DE LA TENSIÓN SUPERFICIAL Y VISCOSIDAD .......... 30 2.5 SELECCIÓN DE LA ESCALA ................................................................. 34 2.5.1 CRITERIOS DE SELECCIÓN DE ESCALA ..................................... 34 2.5.2 SELECCIÓN DE ESCALA GEOMÉTRICA EN EL MODELO ........... 35 2.6 FASES DE LA INVESTIGACIÓN ............................................................ 38 2.7 PLAN DE PRUEBAS ............................................................................... 40 CAPÍTULO 3: CONSTRUCCIÓN E INSTRUMENTACIÓN DEL MODELO .......... 42 3.1 CONSTRUCCIÓN DEL MODELO FÍSICO .............................................. 42 3.1.1 REPLANTEO .................................................................................... 44 3.1.2 ZONA DE INGRESO A LOS MODELOS .......................................... 45 3.1.3 MODELOS FISICOS PROPIAMENTE DICHOS............................... 48 3.1.4 ZONA DE SALIDA (CANALES DE DESCARGA) ............................. 62 3.2 INSTRUMENTACIÓN DE LOS MODELOS ............................................ 65 3.2.1 VERTEDERO TRIANGULAR DE PARED DELGADA Θ = 90° ......... 65 3.2.2 VERTEDERO RECTANGULAR DE PARED DELGADA .................. 69 3.2.3 LIMNÍMETRO ................................................................................... 73 3.2.4 REGLAS Y CINTAS DE MEDIDA ..................................................... 74 X 3.2.5 PROBETA ........................................................................................ 75 CAPÍTULO 4: CALIBRACIÓN DE LOS MODELOS FÍSICOS .............................. 76 4.1 CALIBRACIÓN DE LOS VERTEDEROS DE MEDIDA ........................... 76 4.1.1 CURVA EXPERIMENTAL DE DESCARGA ........................................ PARA VERTEDEROS TRIANGULARES DE ....................................... PARED DELGADA CON ÁNGULO θ = 90° ..................................... 78 4.1.2 CURVAS EXPERIMENTALES DE DESCARGA ................................. PARA VERTEDEROS RECTANGULARES ....................................... CON Y SIN CONTRACCIONES LATERALES ................................. 80 4.1.3 VERIFICACIÓN DE CONTINUIDAD EN LOS MODELOS ............... 84 4.2 VERIFICACIÓN DE LA SIMILITUD GEOMÉTRICA ................................ 86 4.3 VERIFICACIÓN DE LA SIMILITUD RESTRINGIDA ............................... 89 4.4 CONCLUSIONES.................................................................................... 92 CAPÍTULO 5: ANÁLISIS EXPERIMENTAL DEL DISEÑO ORIGINAL ................. 94 5.1 ANÁLISIS EXPERIMENTAL DE LA OPERACIÓN ..................................... DE LAS ESTRUCTURAS SEPARADORAS DE ........................................ CAUDALES CON SU DISEÑO ORIGINAL ............................................. 94 5.2 PLAN DE PRUEBAS PARA EL ANÁLISIS EXPERIMENTAL .................... DE LA OPERACIÓN DE LAS ESTRUCTURAS ......................................... SEPARADORAS DE CAUDALES CON SU DISEÑO ORIGINAL ........... 94 5.3 RESULTADOS OBTENIDOS .................................................................. 96 5.3.1 CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES DEL FLUJO .............................. EN LAS ESTRUCTURAS DE SEPARACIÓN ...................................... CON SU DISEÑO ORIGINAL ........................................................... 96 5.3.2 5.4 CAUDALES SEPARADOS ............................................................. 104 CONCLUSIONES.................................................................................. 112 XI 5.5 RECOMENDACIONES ......................................................................... 114 CAPÍTULO 6: ANÁLISIS EXPERIMENTAL DE LAS MODIFICACIONES .......... 115 6.1 ANÁLISIS EXPERIMENTAL DE LA OPERACIÓN ..................................... DE LAS ESTRUCTURAS CON LAS MODIFICACIONES .......................... PROPUESTAS ...................................................................................... 115 6.2 DESCRIPCIÓN DE LAS MODIFICACIONES EN ...................................... LAS ESTRUCTURAS DE SEPARACIÓN DE ............................................ CAUDALES TIPO No. 1 Y No. 2 ........................................................... 116 6.2.1 MODIFICACIONES PROPUESTAS PARA ......................................... LA ESTRUCTURA DE SEPARACIÓN TIPO No. 1 ......................... 117 6.2.2 MODIFICACIONES PROPUESTAS PARA ......................................... LA ESTRUCTURA DE SEPARACIÓN TIPO No. 2 ......................... 124 6.3 PLAN DE PRUEBAS PARA EL ANÁLISIS DE LAS ................................... ESTRUCTURAS CON LAS MODIFICACIONES PROPUESTAS ......... 127 6.3.1 PLAN DE PRUEBAS PARA LA ESTRUCTURA .................................. DE SEPARACIÓN No. 1 ................................................................. 127 6.3.2 PLAN DE PRUEBAS PARA LA ESTRUCTURA .................................. DE SEPARACIÓN No.2 .................................................................. 128 6.4 RESULTADOS OBTENIDOS ................................................................ 129 6.4.1 CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES DEL FLUJO .............................. EN LA ESTRUCTURA DE SEPARACIÓN TIPO No. 1 ....................... CON LAS MODIFICACIONES PROPUESTAS .............................. 129 6.4.2 CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES DEL FLUJO .............................. EN LA ESTRUCTURA DE SEPARACIÓN TIPO No. 2 ........................ CON LAS MODIFICACIONES PROPUESTAS .............................. 142 6.5 ANÁLISIS DE LOS CAUDALES SEPARADOS .................................... 151 XII 6.5.1 CAUDALES SEPARADOS EN LA ESTRUCTURA ............................. DE SEPARACIÓN TIPO No. 1 ........................................................... CON MODIFICACIONES .............................................................. 151 6.5.2 CAUDALES SEPARADOS EN LA ESTRUCTURA ............................. DE SEPARACIÓNTIPO No. 2 ............................................................ CON MODIFICACIONES .............................................................. 161 6.6 RESULTADOS EXPERIMENTALES..................................................... 164 6.6.1 ESTRUCTURA DE SEPARACIÓN TIPO No. 1 .............................. 164 6.6.2 ESTRUCTURA DE SEPARACIÓN TIPO No. 2 .............................. 166 6.7 CONCLUSIONES.................................................................................. 168 6.7.1 ESTRUCTURA DE SEPARACIÓN DE CAUDALES TIPO No. 1 .... 168 6.7.2 ESTRUCTURA DE SEPARACIÓN DE CAUDALES TIPO No. 2 .... 169 CAPÍTULO 7: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES............................... 171 7.1 CONCLUSIONES.................................................................................. 171 7.2 CONCLUSIONES ACERCA DEL ESTUDIO EXPERIMENTAL ............ 173 7.2.1 ESTRUCTURA DE SEPARACIÓN DE CAUDALES ............................ TIPO No. 1 ...................................................................................... 174 7.2.2 ESTRUCTURA DE SEPARACIÓN DE CAUDALES ............................ TIPO No. 2 ...................................................................................... 177 7.3 RECOMENDACIONES PARA EL DIMENSIONAMIENTO ......................... DE LAS ESTRUCTURAS DE SEPARACIÓN ............................................ DE CAUDALES TIPO OPTIMIZADAS .................................................. 181 7.3.1 ESTRUCTURA DE SEPARACIÓN DE CAUDALES ............................ TIPO No. 1 ...................................................................................... 181 7.3.2 ESTRUCTURA DE SEPARACIÓN DE CAUDALES ............................ TIPO NO. 2 ..................................................................................... 184 XIII ANEXOS ............................................................................................................ 190 ANEXO No. 1: PLANOS DE LAS ESTRUCTURAS DE .......................................... SEPARACIÓN DE CAUDALES ...................................................... CON DISEÑO ORIGINAL .......................................................... 191 ANEXO No. 2: PLANOS DE LOS MODELOS FÍSICOS DE ................................... LAS ESTRUCTURAS DE SEPARACIÓN DE ................................. CAUDALES CON DISEÑO ORIGINAL Y ....................................... MODIFICACIONES ................................................................... 194 ANEXO No. 3: REGISTRO DE DATOS PARA LA CALIBRACIÓN ......................... DE VERTEDEROS DE LOS MODELOS FÍSICOS ......................... DE LAS ESTRUCTURAS DE SEPARACIÓN ................................. DE CAUDALES ......................................................................... 202 ANEXO No. 4: CÁLCULOS PARA LA VERIFICACIÓN .......................................... DE LA SIMILITUD RESTRINGIDA ............................................ 226 ANEXO No. 5: REGISTRO DE DATOS PARA PRUEBAS ..................................... CON DISEÑO ORIGINAL .......................................................... 230 ANEXO No. 6: REGISTRO DE DATOS PARA PRUEBAS ..................................... CON MODIFICACIONES .......................................................... 237 ANEXO No. 7: ANÁLISIS DIMENSIONAL DE LAS ................................................. ESTRUCTURAS DE SEPARACIÓN DE CAUDALES .................... CON GEOMETRÍA DEFINITIVA................................................ 256 XIV LISTA DE FIGURAS Figura No. 1.1: Implantación general del separador de caudales ...................... (tipo No. 1) dentro del sistema de alcantarillado de la parroquia ......................... San José Obrero. ............................................................................................... 7 Figura No. 1.2: Esquema de la Estructura de Separación de caudal ................. Tipo No. 1. Vista en planta. ................................................................................ 8 Figura No. 1.3: Esquema de la Estructura de Separación de caudal ................. Tipo No. 1. Corte lateral. .................................................................................... 8 Figura No. 1.4: Implantación general de la estructura de separación ................ dentro del sistema de alcantarillado de la Zona Conocoto Bajo. ...................... 12 Figura No. 1.5: Esquema de la estructura de separación de caudal .................. tipo No. 2 con orificio lateral de derivación. Vista en planta. ............................ 13 Figura No. 1.6: Esquema de la estructura de separación de caudal .................. tipo No. 2 con orificio lateral de derivación. Corte. ........................................... 13 Figura No. 2.1: Similitud en modelo para pérdidas de energía en ...................... modelos Froudianos con efectos de viscosidad y rugosidad. .......................... 31 Figura No. 3.1: Planta general del laboratorio CIERHI-EPN ........................... 42 Figura No. 3.2: Implantación de la Estructura de Separación Tipo No. 1 ........ 43 Figura No. 3.3: Implantación de la Estructura de Separación Tipo No. 2 ........ 44 Figura No. 3.4: Implantación de la estructura de entrada, .................................. uniformización y aforo del modelo de la Estructura No. 1 ................................ 45 Figura No. 3.5: Implantación de las estructuras de entrada, .............................. uniformización y aforo del modelo de la Estructura No. 2 ............................... 47 Figura No. 3.6: Esquema en planta del modelo de la Estructura ....................... de separación No. 1 ......................................................................................... 48 Figura No. 3.7: Esquema en corte del modelo de la Estructura ......................... de separación No. 1 ......................................................................................... 49 Figura No. 3.8: Sección transversal inicial y final de la transición ...................... de separación. Modelo de la Estructura No. 1.................................................. 52 Figura No. 3.9: Esquema en planta del modelo de la Estructura de .................. Separación Tipo No. 2 ...................................................................................... 56 XV Figura No. 3.10: Esquema en corte A-A longitudinal del modelo ....................... de la Estructura de Separación Tipo No. 2 ....................................................... 56 Figura No. 3.11: Esquema en corte transversal del modelo de la ...................... Estructura de Separación Tipo No. 2 ............................................................... 57 Figura No. 3.12: Vista en planta del colector de entrada y transición ................. curva. Estructura de Separación Tipo No. 2 ..................................................... 59 Figura No. 3.13: Vista en Planta de canales de descarga pluvial ....................... y sanitaria. Estructura Tipo No. 1 ..................................................................... 63 Figura No. 3.14: Vista en Planta de canales de descarga y restitución .............. de caudales en el Modelo de la Estructura Tipo No.2 ...................................... 64 Figura No. 3.15: Esquema de dimensiones del vertedero .................................. triangular de 90° ............................................................................................... 66 Figura No. 3.16: Esquema de dimensiones para vertedero rectangular ............ con contracciones asimétrico ubicado en el ingreso al Modelo de la .................. Estructura No. 2 ............................................................................................... 69 Figura No. 3.17: Esquema de dimensiones para vertedero rectangular ............. con contracciones simétrico. Modelo de la Estructura No. 2 ........................... 72 Figura No. 6.1: Vista lateral de la estructura No. 1. Modificación de .................. la transición por tubería con vertedero lateral. ............................................... 118 Figura No. 6.2: Sección transversal de tubería de caudal combinado ............... con vertedero lateral para derivación de caudal sanitario. .................................. Estructura No. 1. ............................................................................................ 122 Figura No. 6.3: Esquema de orificio rectangular de fondo en tubería de ........... caudal combinado. ......................................................................................... 122 Figura No. 6.4: Sección transversal de tubería de caudal combinado ................ con orificio de fondo para derivación de caudal sanitario. ................................... Estructura No. 1. ............................................................................................ 123 Figura No. 6.5: Vista en planta de la Modificación No. 2 propuesta ................... para la Estructura de Separación de Caudales Tipo No. 2 ........................... 126 XVI LISTA DE GRÁFICOS Gráfico No. 4.1: Curva de descarga experimental para ....................................... vertederos triangulares de pared delgada con ángulo θ = 90°. ........................... Modelo de la Estructura Tipo No. 1 .................................................................. 79 Gráfico No. 4.2: Curva de descarga del vertedero rectangular ............................ con contracciones laterales. Ingreso al modelo de la Estructura Tipo No.2 ..... 83 Gráfico No. 4.3: Curva de descarga del vertedero rectangular ............................ sin contracciones laterales. Canal de descarga sanitaria de la ........................... Estructura Tipo No.2 ........................................................................................ 83 Gráfico No. 4.4: Curva de descarga del vertedero rectangular ............................ con contracciones laterales. Canal de descarga pluvial de la ............................. Estructura Tipo No.2 ........................................................................................ 84 Gráfico No. 5.1: Gráfica de caudal sanitario vs caudal combinado ...................... para pruebas A y caudales de diseño teórico de la estructura No.1 .............. 107 Gráfico No. 5.2: Gráfica de caudal sanitario vs. caudal combinado ..................... para pruebas B y caudales de diseño previstos en la estructura No.2. .......... 110 Gráfico No. 6.1: Coeficientes de descarga Cq para una relación ........................ w/D= 0.24 y 0 £ Fr £ 2. ................................................................................... 121 Gráfico No. 6.2: Gráfica de caudal sanitario vs caudal combinado ...................... para pruebas A y caudales de diseño de la estructura No.1 ............................... con abocinado en transición y compuerta. ..................................................... 152 Gráfico No. 6.3: Gráfica de caudal sanitario vs. caudal combinado .................... para pruebas A y caudales de diseño de la estructura No.1 ............................... con vertedero lateral en tubería de caudal combinado. .................................. 155 Gráfico No. 6.4: Gráfica de caudal sanitario vs. caudal combinado ..................... para pruebas A y caudales de diseño en magnitud prototipo .............................. de la estructura No.1 con orificio de fondo en tubería de caudal ......................... combinado. ..................................................................................................... 159 Gráfico No. 6.5: Gráfica de caudal sanitario vs. caudal combinado .................... para pruebas B y caudales de diseño de la estructura No.2 ............................... con reubicación de orificio lateral y umbral de separación. ............................ 162 XVII Gráfico No. 6.6: Relación adimensional Cq vs hm/D ........................................... para el orificio de fondo de separación. Estructura de Separación ..................... de Caudales Tipo No. 1 con geometría definitiva. .......................................... 165 Gráfico No. 6.7: Relación adimensional Cq vs hm/a para ................................... el orificio de fondo de separación. Estructura de Separación de.......................... Caudales Tipo No. 1 con geometría definitiva. .............................................. 165 Gráfico No. 6.8: Relación entre parámetros adimensionales .............................. Cq vs. ((Qo/Qc)·(B/w)) para separación de caudales por medio ......................... de un orificio lateral de derivación y umbral transversal ...................................... Estructura de Separación de Caudales Tipo No. 2 con la .................................. geometría definitiva. ....................................................................................... 167 Gráfico No. 6.9: Relación entre parámetros adimensionales .............................. Cq vs a/hm para el orificio lateral de separación de caudales y .......................... umbral transversal de derivación. Estructura de Separación de ......................... Caudales Tipo No. 2 con la geometría definitiva. .......................................... 167 Gráfico No. 6.10: Relación entre parámetros adimensionales ............................ Cq vs. w/hm para el orificio lateral de separación de caudales y ........................ umbral transversal de derivación. Estructura de Separación de ......................... Caudales Tipo No. 2 con la geometría definitiva. .......................................... 168 Gráfico No. 7.1: Comparación entre caudal sanitario derivado vs. caudal .......... combinado para la Estructura de Separación de Caudales No.1 ........................ que incluye el comportamiento teórico, diseño original y .................................... modificaciones propuestas. ............................................................................ 175 Gráfico No. 7.2: Comparación entre caudal sanitario derivado vs. caudal .......... combinado para Estructura de Separación de Caudales No.2 para .................... comportamiento teórico, diseño original y modificación propuesta. ............... 179 Gráfico No. 7.3: Relación entre parámetros adimensionales hm/yn vs. Fr ........... para el orificio de fondo de separación. Estructura de Separación ..................... Tipo No.1 con geometría definitiva. ................................................................ 182 Gráfico No. 7.4: Relación adimensional Cq vs hm/D para .................................. el orificio de fondo de separación en la Estructura de Separación de ................. Caudales Tipo No. 1 con geometría definitiva. ............................................... 183 Gráfico No. 7.5: Relación adimensional Cq vs hm/a para el orificio ..................... XVIII de fondo de separación de caudales en la Estructura de Separación ................ de Caudales Tipo No. 1 con geometría definitiva. .......................................... 184 Gráfico No. 7.6: Relación entre parámetros adimensionales .............................. Cq vs. ((Qo/Qc)·(B/w)) para separación de caudales por medio ......................... de un orificio lateral de derivación y umbral transversal en la ............................. Estructura de Separación de Caudales Tipo No. 2 ............................................ con la geometría definitiva.............................................................................. 185 Gráfico No. 7.7: Relación entre parámetros adimensionales .............................. Cq vs. w/hm para el orificio lateral de separación de caudales ........................... y umbral transversal de derivación en la Estructura de Separación de ............... Caudales Tipo No. 2 con la geometría definitiva. .......................................... 186 Gráfico No. 7.8: Relación entre parámetros adimensionales .............................. Cq vs a/hm para el orificio lateral de separación de caudales y .......................... umbral transversal de derivación. Estructura de Separación de ......................... Caudales Tipo No. 2 con la geometría definitiva. .......................................... 187 XIX LISTA DE CUADROS Cuadro No. 1.1: Caudales de diseño de la estructura separadora ...................... de caudales Tipo No. 1. ..................................................................................... 9 Cuadro No. 2.1: Tipos de modelo físico en función de su ................................... similitud particular............................................................................................. 28 Cuadro No. 2.2: Escalas de magnitudes según criterio de .................................. similitud de Froude para agua. ......................................................................... 29 Cuadro No. 2.3: Selección de escala para la estructura No. 1 ......................... 36 Cuadro No. 2.4: Selección de escala para la estructura No. 2 ......................... 37 Cuadro No. 2.5: Magnitudes representativas con su equivalente ....................... en escala para la Similitud Restringida de Froude. .......................................... 38 Cuadro No. 2.6: Plan de pruebas para fase I y II de ........................................... investigación en estructura No. 1 ..................................................................... 40 Cuadro No. 2.7: Plan de pruebas para fase I y II de ........................................... investigación en estructura No. 2 ..................................................................... 41 Cuadro No. 3.1: Resumen de dimensiones en modelo para ............................... Estructura Tipo No.1 ........................................................................................ 55 Cuadro No. 3.2: Resumen de dimensiones en modelo para ............................... Estructura Tipo No.2 ........................................................................................ 62 Cuadro No. 3.3: Parámetros de diseño para vertederos triangulares. ................ Modelo de la Estructura No. 1 .......................................................................... 67 Cuadro No. 3.4: Parámetros de diseño para vertederos rectangulares. ............. Modelo de la Estructura No. 2 .......................................................................... 73 Cuadro No. 4.1: Resumen de puntos medidos para vertederos .......................... triangulares. Modelo Estructura No. 1 .............................................................. 78 Cuadro No. 4.2: Comparación entre curvas teórica y experimental .................... para vertederos triangulares. Modelo Estructura No. 1 .................................... 79 Cuadro No. 4.3: Resumen de puntos medidos en el aforo .................................. volumétrico del vertedero rectangular de ingreso. ............................................... Modelo Estructura No. 2 ................................................................................... 80 Cuadro No. 4.4: Resumen de puntos medidos en el aforo .................................. XX volumétrico del vertedero rectangular de descarga sanitaria. .............................. Modelo Estructura No. 2 ................................................................................... 81 Cuadro No. 4.5: Resumen de puntos medidos en el aforo .................................. volumétrico del vertedero rectangular de descarga pluvial. ................................ Modelo Estructura No. 2 ................................................................................... 81 Cuadro No. 4.6: Resumen de ecuaciones teóricas adoptadas para la ................ descarga de los vertederos rectangulares del Modelo Estructura No. 2 .......... 82 Cuadro No. 4.7: Verificación de continuidad. Estructura Tipo No. 1................. 85 Cuadro No. 4.8: Verificación de continuidad. Estructura No. 2......................... 85 Cuadro No. 4.9: Dimensiones medidas en modelo físico y ................................. en prototipo. Modelo Estructura Tipo No. 1 ...................................................... 86 Cuadro No. 4.10: Elevaciones medidas en modelo físico y ................................ en prototipo. Modelo de la Estructura Tipo No. 1 ............................................ 87 Cuadro No. 4.11: Dimensiones medidas en modelo físico y ............................... en prototipo – Modelo de la Estructura Tipo No. 2 ......................................... 88 Cuadro No. 4.12: Elevaciones medidas en modelo físico ................................... y en prototipo – Modelo de la Estructura Tipo No. 2 ...................................... 89 Cuadro No. 4.13: Coeficientes de fricción λ para modelo ................................... y prototipo. Estructura No.1 .............................................................................. 90 Cuadro No. 4.14: Comparación entre coeficientes de fricción λ .......................... para modelo y prototipo. Estructura No.2 ......................................................... 91 Cuadro No. 4.15: Relación entre el número de Reynolds y ................................ Weber en estructura No. 1 ............................................................................... 92 Cuadro No. 4.16: Relación entre el número de Reynolds y ................................ Weber en estructura No. 2 ............................................................................... 92 Cuadro No. 5.1: Plan de Pruebas para el análisis del funcionamiento ................. hidráulico de la estructura de separación No. 1 con su diseño original ........... 95 Cuadro No. 5.2: Plan de Pruebas para el análisis del funcionamiento ................ hidráulico de la estructura de separación No. 2 con su diseño original ............ 95 Cuadro No. 5.3: Valores de caudal para pruebas A para la ............................... estructura No. 1 en modelo físico. .................................................................. 105 Cuadro No. 5.4: Valores de caudal para pruebas A para la ................................ estructura No. 1 en prototipo. Tr = 5 años. ..................................................... 105 XXI Cuadro No. 5.5: Caudales de diseño (prototipo) para la ..................................... estructura separadora No.1 ............................................................................ 106 Cuadro No. 5.6: Caudales en prototipo vs caudales de modelo .......................... físico para la estructura separadora No.1 ...................................................... 108 Cuadro No. 5.7: Valores de caudal para pruebas B del plan de .......................... pruebas para el análisis de la estructura No. 2. ............................................. 109 Cuadro No. 5.8: Valores de caudales combinado, sanitario y pluvial .................. en prototipo para pruebas B. .......................................................................... 109 Cuadro No. 5.9: Caudales prototipo para la estructura separadora No.2 ...... 110 Cuadro No. 5.10: Caudales previstos en el diseño vs Caudales ......................... registrados experimentalmente para la operación de la ...................................... Estructura de Separación No.2 ...................................................................... 111 Cuadro No. 6.1: Descripción de las modificaciones geométricas ........................ propuestas para la Estructura de Separación tipo No. 1 ................................ 116 Cuadro No. 6.2: Descripción de las modificaciones geométricas ........................ propuestas para la Estructura de Separación tipo No. 2 ................................ 117 Cuadro No. 6.3: Dimensiones adoptadas para vertedero lateral ......................... de separación en Estructura Tipo No. 1 ......................................................... 120 Cuadro No. 6.4: Parámetros de diseño para vertedero lateral ............................ en estructura No. 1 ......................................................................................... 120 Cuadro No. 6.5: Dimensiones de orificio y umbral de ......................................... separación para la modificación No. 2 en la estructura Tipo No. 2 ................ 125 Cuadro No. 6.6: Plan de Pruebas para el análisis del funcionamiento ................. hidráulico de la estructura de separación No. 1 con modificaciones .................. propuestas No. 1 y No. 2. ............................................................................... 127 Cuadro No. 6.7: Plan de Pruebas para el análisis del funcionamiento ................ hidráulico de la estructura de separación No. 1 con ............................................ modificaciones propuestas No. 3. .................................................................. 128 Cuadro No. 6.8: Plan de Pruebas para el análisis del funcionamiento ................ hidráulico de la estructura de separación No. 2 con ............................................ modificación propuesta No. 2. ........................................................................ 128 Cuadro No. 6.9: Valores de caudal para pruebas A en ...................................... modelo físico con abocinado en transición y compuerta. .................................... XXII Estructura No. 1 ............................................................................................. 151 Cuadro No. 6.10: Valores de caudal para pruebas A en prototipo ...................... con abocinado en transición y compuerta. Estructura No. 1 .......................... 152 Cuadro No. 6.11: Caudales en prototipo vs caudales de modelo ........................ físico para la estructura separadora No.1 con abocinado en .............................. transición y compuerta. .................................................................................. 153 Cuadro No. 6.12: Valores de caudal para pruebas A en modelo ........................ con vertedero lateral en tubería de caudal combinado. Estructura No. 1 ....... 154 Cuadro No. 6.13: Valores de caudal para pruebas A en ..................................... prototipo con vertedero lateral en tubería de caudal combinado. ........................ Estructura No. 1 ............................................................................................. 155 Cuadro No. 6.14: Caudales en prototipo vs. caudales de modelo ....................... físico para la estructura separadora No.1 con vertedero lateral .......................... en tubería de caudal combinado. ................................................................... 156 Cuadro No. 6.15: Valores de caudal para pruebas A en modelo ....................... con orificio de fondo en tubería de caudal combinado. ....................................... Estructura No. 1 ............................................................................................. 157 Cuadro No. 6.16: Valores de caudal para pruebas A en prototipo ..................... con orificio de fondo en tubería de caudal combinado. Estructura No. 1 ....... 158 Cuadro No. 6.17: Caudales en prototipo vs caudales de .................................... modelo físico para la estructura separadora No.1 con orificio ............................. de fondo en tubería de caudal combinado. .................................................... 160 Cuadro No. 6.18: Valores de caudal para pruebas B en modelo ......................... con orificio lateral y umbral de separación. Estructura No. 2 ......................... 161 Cuadro No. 6.19: Valores de caudal para pruebas B en prototipo ...................... con orificio lateral y umbral de separación. Estructura No. 2 ......................... 162 Cuadro No. 6.20: Caudales en prototipo vs. caudales de modelo ....................... físico para la estructura separadora No.2 con reubicación de ............................. orificio lateral y umbral de separación. ........................................................... 163 XXIII LISTA DE FOTOGRAFÍAS Fotografía No. 3.1: Replanteo y ubicación de ejes para ...................................... implantación de modelos físicos....................................................................... 44 Fotografía No. 3.2: Tanque de Abastecimiento y tubería .................................... de ingreso (izq). Vertedero triangular de pared delgada (der). ............................ Estructura No. 1 ............................................................................................... 46 Fotografía No. 3.3: Tanque de entrada y vertedero rectangular (izq). ................. Tuberías de ingreso hacia el modelo (der). Estructura No. 2 ........................... 47 Fotografía No. 3.4: Modelo de la Estructura de separación ................................ de caudales No.1 ............................................................................................. 49 Fotografía No. 3.5: Moldeo de la tubería que conforma el tramo ........................ de aproximación hacia la estructura de separación de caudales No.1 ............. 50 Fotografía No. 3.6: Montaje de la tubería que conforma el tramo ....................... de aproximación hacia la estructura de separación de caudales No.1 ............. 51 Fotografía No. 3.7: Canal de transición (izq.). Instalación del canal .................... de transición en la caja separadora de caudales (der.). Estructura No.1 ......... 52 Fotografía No. 3.8: Moldeado de la tubería pluvial de la Estructura de ............... Separación de Caudales Tipo No.1 .................................................................. 53 Fotografía No. 3.9: Montaje de la tubería pluvial de la Estructura de .................. Separación de Caudales Tipo No.1 .................................................................. 53 Fotografía No. 3.10: Moldeado de la tubería sanitaria de la ................................ Estructura de Separación de Caudales Tipo No.1 ........................................... 54 Fotografía No. 3.11: Montaje de la tubería sanitaria de la estructura de ............. separación de caudales Tipo No.1 ................................................................... 54 Fotografía No. 3.12: Vista Superior (izq) y Vista Frontal (der). ............................ Estructura de Separación Tipo No. 2 ............................................................... 57 Fotografía No. 3.13: Construcción del colector combinado de ............................ aproximación (izq). Armado de tramo curvo (der) que permite ........................... el cambio de dirección en planta de Estructura Tipo No.2 ............................... 58 Fotografía No. 3.14: Montaje del tramo de colector combinado .......................... de aproximación. Estructura No.2 .................................................................... 59 XXIV Fotografía No. 3.15: Orificio de derivación lateral en el modelo .......................... de la Estructura Tipo No.2 ................................................................................ 60 Fotografía No. 3.16: Montaje de umbral transversal. Estructura No.2.............. 61 Fotografía No. 3.17: Montaje del colector de salida. Modelo de la ...................... Estructura Tipo No.2 ....................................................................................... 61 Fotografía No. 3.18: Construcción de canales de descarga pluvial ..................... y sanitaria. Estructura Tipo No.1 ...................................................................... 63 Fotografía No. 3.19: Construcción del canal de descarga pluvial. ....................... Modelo de la Estructura Tipo No.2 ................................................................... 65 Fotografía No. 3.20: Construcción del canal de descarga y restitución ................ del caudal sanitario separado. Modelo de la Estructura Tipo No.2 ................ 65 Fotografía No. 3.21: Vertedero triangular de pared delgada θ=90° en ................ tanque de entrada, uniformización y aforo. Modelo de la Estructura No.1 ....... 68 Fotografía No. 3.22: Vertedero triangular de pared delgada θ=90° para ............ aforo del caudal de descarga de caudal pluvial (izq) y del caudal ....................... sanitario (der). Modelo de la Estructura No.1 .................................................. 68 Fotografía No. 3.23: Vertedero rectangular de pared delgada ubicado ............... en el tanque de abastecimiento. Estructura No.2 ............................................. 70 Fotografía No. 3.24: Vertedero rectangular de pared delgada ubicado ............... en el canal de descarga y restitución del caudal sanitaria. ................................. Modelo de la Estructura No. 2 .......................................................................... 71 Fotografía No. 3.25: Vertedero rectangular con contracciones, ......................... ubicado en canal de descarga y restitución del caudal pluvial. ........................... Modelo de la Estructura No. 2 .......................................................................... 72 Fotografía No. 3.26: Limnímetro ubicado en ....................................................... tubería de caudal combinado. Modelo de Estructura No. 1 (izq), ........................ y colector de caudal pluvial. Modelo de Estructura No. 2 (der). ...................... 74 Fotografía No. 3.27: Reglas y cintas métricas .................................................. 74 Fotografía No. 3.28: Probeta de medida de 2 y 1 litros .................................... 75 Fotografía No. 4.1: Aforo volumétrico para vertederos de pared ......................... delgada con ángulo de escotadura de 90°. Modelo de la .................................... Estructura Tipo No. 1 ...................................................................................... 77 Fotografía No. 4.2: Aforo volumétrico para vertederos rectangulares ................. XXV de pared delgada. Modelo de la Estructura Tipo No. 2 .................................... 77 Fotografía No. 5.1: Vista lateral del flujo en la estructura .................................... separadora No. 1 con funcionamiento para caudal sanitario. .............................. Q prototipo = 17.46 l/s. ..................................................................................... 96 Fotografía No. 5.2: Prueba A-1 para estructura de separación No.1. ................. Vista en planta de la transición y vertederos laterales. .................................... 96 Fotografía No. 5.3: Prueba A-2 para estructura de separación No.1. ................. Vista lateral de la estructura con tuberías de caudal sanitario y pluvial. ............. Q prototipo = 286.90 l/s. ................................................................................... 97 Fotografía No. 5.4: Prueba A-2 para estructura de separación No.1. ................. Vista en planta de la transición y vertederos laterales con impacto .................... de flujo en la pared frontal de la caja. ............................................................... 97 Fotografía No. 5.5: Prueba A-3 para estructura de separación No.1. ................. Vista lateral de la estructura con tuberías de caudal sanitario y pluvial. ............. Q prototipo = 459.52 l/s. ................................................................................... 98 Fotografía No. 5.6: Prueba A-3 para estructura de separación No.1 .................. Vista en planta de la transición y vertederos laterales con impacto ..................... y vertido de flujo. .............................................................................................. 98 Fotografía No. 5.7: Vista superior con flujo a través del orificio de ...................... derivación sin descarga de caudal hacia colector pluvial. ................................... Q prototipo = 75.28 l/s. ..................................................................................... 99 Fotografía No. 5.8: Prueba B-1 para estructura de separación No.2. ................. Vista lateral del flujo con formación de resalto hidráulico en ............................... el colector de ingreso. ...................................................................................... 99 Fotografía No. 5.9: Prueba B-1 para estructura de separación No.2. ................. Vista frontal del orificio de descarga con contracción de flujo ............................. provocado por el cambio de dirección del flujo y la ............................................. geometría de la arista viva. ............................................................................ 100 Fotografía No. 5.10: Vista lateral del flujo al ingreso de la estructura ................. con formación de resalto hidráulico en tramo de inicio. ....................................... Q prototipo = 422.47 l/s. ................................................................................. 101 Fotografía No. 5.11: Prueba B-2 para estructura de separación No.2. ............... Vista lateral de la estructura con flujo a través del orificio de .............................. XXVI descarga y umbral de separación .................................................................. 101 Fotografía No. 5.12: Prueba B-2. Vista frontal del flujo descargado .................... por el orificio lateral con caudales combinados medios. ..................................... Se observa una fuerte contracción del flujo hacia el extremo izquierdo ............. del orificio con una separación importante del contorno del orificio. .............. 102 Fotografía No. 5.13: Vista lateral del flujo de ingreso hacia ................................ la Estructura de separación. Se observa la formación del resalto ....................... hidráulico, Q prototipo = 684.46 l/s. ................................................................ 103 Fotografía No. 5.14: Prueba B-3. Vista frontal del flujo descargado .................... por el orificio lateral. Se observa contracción del flujo hacia el ........................... contorno izquierdo del mismo......................................................................... 103 Fotografía No. 5.15: Prueba B-3. Vista lateral del flujo en la ............................... estructura de separación No. 2. Q prototipo = 684.46 l/s. ............................. 104 Fotografía No. 6.1: Modificación No. 1 con abocinado y compuerta ................... sobre los vertederos laterales en tramo final del canal de transición. ................. Modelo Estructura No. 1 ................................................................................. 117 Fotografía No. 6.2: Corte de vertedero lateral (izq) e instalación de ................... tubería pluvial (der) en la estructura de separación. ...................................... 119 Fotografía No. 6.3: Vista en planta (izq.) y lateral (der.) del ................................ orificio de fondo. Chequeo para caudal sanitario. .......................................... 123 Fotografía No. 6.4: Remoción de umbral de separación y sellado ...................... de orificio de derivación en la Estructura tipo No. 2 ....................................... 124 Fotografía No. 6.5: Vista Superior de la Estructura de Separación ..................... de Caudales Tipo No. 2 con el umbral de separación y orificio ........................... ubicado en margen izquierda. ........................................................................ 125 Fotografía No. 6.6: Prueba A-1. Vista frontal del flujo con abocinado ................ en transición para caudal sanitario (izq.) y vista lateral del canal ........................ de transición donde se observa la eliminación del vertido de caudal .................. sanitario (der). Q prototipo = 17.74 l/s. ........................................................... 129 Fotografía No. 6.7: Prueba A-2 con compuerta de regulación al inicio ............... de la tubería sanitaria y abocinado en tramo final de la transición. ...................... Vista lateral de la estructura No. 1 con impacto de flujo en la pared ................... frontal de la cámara de separación. Q prototipo = 289.65 l/s. ........................ 130 XXVII Fotografía No. 6.8: Prueba A-2 con compuerta y abocinado en tramo ............... final de la transición. Vista frontal (izq.) y superior (der) de la ............................. estructura No. 1 con impacto de flujo en la pared frontal de la cámara. ......... 130 Fotografía No. 6.9: Prueba A-3 con compuerta y abocinado en tramo ............... final de la transición. Vista superior de la estructura No. 1 con impacto ............. de flujo en la pared frontal de la caja. Q prototipo = 455.98 l/s. ..................... 131 Fotografía No. 6.10: Prueba A-3 con compuerta y abocinado en tramo ............. final de la transición. Vista frontal de la estructura No. 1 con impacto ................ de flujo en la pared frontal de la caja. ............................................................. 131 Fotografía No. 6.11: Vista superior del flujo a través de vertedero lateral ........... en tubería de caudal combinado (izq.) Vista lateral de tubería pluvial ................ con vertido de caudal (der.).Se observa que para un caudal inferior al .............. sanitario existe derivación pluvial. Q prototipo = 1.06 l/s. ............................... 132 Fotografía No. 6.12: Vista en planta del flujo a través del vertedero ................... lateral (izq.) y vista lateral del flujo a través del vertedero lateral (der). .............. Se observa derivación de caudal hacia la tubería pluvial. ................................... Q prototipo = 17.35 l/s. ................................................................................... 133 Fotografía No. 6.13: Vista lateral del flujo en la estructura Tipo No. 1. ............... Se observa la derivación de caudal sanitario hacia la cámara de ...................... separación y hacia la tubería de caudal pluvial. Q prototipo = 295.34 l/s. ...... 133 Fotografía No. 6.14: Vista lateral del flujo en la estructura Tipo No. 1. ............... Se observa la derivación de caudal sanitario hacia la cámara de ....................... separación y hacia la tubería de caudal pluvial. Q prototipo = 468.36 l/s. ...... 134 Fotografía No. 6.15: Vista lateral del flujo en la estructura No. 1 ........................ con orificio rectangular de fondo. Se observa la separación de .......................... caudal sanitario. Q prototipo = 17.16 l/s. ........................................................ 135 Fotografía No. 6.16: Vista superior del flujo en orificio rectangular ..................... de fondo. Se observa que el caudal sanitario ingresa completamente ............... en la cámara de separación. .......................................................................... 135 Fotografía No. 6.17: Vista posterior de la estructura No. 1 (izq.) y ...................... vista superior de la cámara de separación (der.) ................................................ con arrastre de sólidos en caudal sanitario. Prueba A-1 ................................ 136 Fotografía No. 6.18: Vista lateral del flujo en la estructura No. 1 ........................ XXVIII con orificio rectangular de fondo. Se observa la separación de caudales ........... sanitario, que cae a la cámara de separación y pluvial que continúa ................ por la tubería de descarga pluvial. Q prototipo = 114.39 l/s. .......................... 137 Fotografía No. 6.19: Vista superior (izq.) y lateral (der) del flujo en .................... el orificio de fondo para prueba A-2. .............................................................. 137 Fotografía No. 6.20: Vista lateral del flujo en el orificio rectangular ..................... de fondo. Se observa el arrastre de sólidos hacia la cámara de ......................... separación y tubería de caudal pluvial. .......................................................... 138 Fotografía No. 6.21: Vista lateral del flujo en la estructura No. 1 ........................ con orificio rectangular de fondo. Se observa la separación de .......................... caudales sanitario y pluvial. Q prototipo = 206.47 l/s. .................................... 138 Fotografía No. 6.22: Vista lateral del flujo en la estructura No. 1 ........................ con orificio rectangular de fondo. Se observa la separación de .......................... caudales sanitario y pluvial. Q prototipo = 289.00 l/s. .................................... 139 Fotografía No. 6.23: Vista lateral del flujo en el orificio rectangular ..................... de fondo. Se observa el arrastre de sólidos hacia la cámara de ......................... separación y tubería de caudal pluvial. .......................................................... 139 Fotografía No. 6.24: Vista lateral del flujo en la estructura No. 1 ........................ con orificio rectangular de fondo. Se observa la separación de .......................... caudales sanitario y pluvial. Q prototipo = 457.36 l/s. .................................... 140 Fotografía No. 6.25: Vista lateral del flujo en el orificio rectangular ..................... de fondo. Se observa el arrastre de sólidos hacia la cámara de ......................... separación y tubería de caudal pluvial. .......................................................... 140 Fotografía No. 6.26: Vista lateral del flujo en la estructura No. 1 ........................ con orificio rectangular de fondo. Se observa la separación de .......................... caudales sanitario y pluvial. Q prototipo = 691.07 l/s. .................................... 141 Fotografía No. 6.27: Vista posterior del flujo en la estructura No. 1 .................... con orificio rectangular de fondo. Se observa el impacto del chorro ................... en la pared frontal dela caja. .......................................................................... 141 Fotografía No. 6.28: Vista superior del flujo en el tramo de ingreso y ................. cambio de alineación. Se observa las líneas de flujo. Estructura No. 2 .............. sin umbral y sin orificio de descarga sanitaria. ............................................... 142 Fotografía No. 6.29: Vista superior del flujo en la Estructura de ......................... XXIX Separación de Caudales Tipo No. 2 sin umbral ni orificio de .............................. separación. Operación con el caudal sanitario. Se observa la ............................ presencia de una zona muerta en el contorno interior de la curvatura ................ y de una zona de concentración de flujo en el contorno ..................................... externo de la curva. ........................................................................................ 143 Fotografía No. 6.30: Vista superior del flujo en el tramo de ingreso .................... y cambio de alineación. Se observa el comportamiento del flujo ........................ con material sólido. Se identifican zonas de depósito del material ..................... sólido con el caudal sanitario. Estructura de Separación de Caudales ................ Tipo No. 2 sin umbral y sin orificio de descarga sanitaria. ............................ 143 Fotografía No. 6.31: Vista lateral del flujo en la Estructura de ............................ Separación de Caudales Tipo No. 2 con la Modificación No. 2. ......................... Q prototipo = 72.10 l/s. ................................................................................... 144 Fotografía No. 6.32: Vista frontal del flujo en el orificio de .................................. derivación (izq) y Vista superior de la estructura con arrastre de ........................ sedimentos (der). ........................................................................................... 145 Fotografía No. 6.33: Vista lateral del flujo en la Estructura de ............................. Separación Tipo No. 2 con la Modificación No. 2. ............................................... Q prototipo = 257.90 l/s. ................................................................................. 145 Fotografía No. 6.34: Vista frontal del flujo en orificio de ..................................... derivación (izq) y Vista superior de la estructura en donde ................................. se observa el flujo con material sólido (der). .................................................. 146 Fotografía No. 6.35: Vista lateral del flujo en la Estructura de ............................. Separación Tipo No. 2 con la Modificación No. 2. ............................................... Q prototipo = 421.31 l/s. ................................................................................. 146 Fotografía No. 6.36: Vista frontal de orificio de derivación (izq) y ....................... vista lateral de flujo sobre umbral de separación (der) ........................................ con modificación No. 2. Prueba B-3. .............................................................. 147 Fotografía No. 6.37: Vista superior de la estructura No. 2 .................................. con reubicación de orificio de separación. .......................................................... Prueba B-3 con arrastre de sedimentos. ........................................................ 147 Fotografía No. 6.38: Vista lateral del flujo en la Estructura de ............................. Separación Tipo No. 2 con la Modificación No. 2. ............................................... XXX Q prototipo = 560.13 l/s. ................................................................................. 148 Fotografía No. 6.39: Vista frontal de orificio de derivación (izq) y ....................... vista lateral de flujo sobre de umbral de separación (der) con ............................ modificación No. 2. Prueba B-4. ..................................................................... 148 Fotografía No. 6.40: Vista superior del flujo en la estructura No. 2 ..................... con reubicación de orificio de separación. Prueba B-4 con arrastre ................... de sedimentos. ............................................................................................... 149 Fotografía No. 6.41: Vista lateral del flujo en la Estructura de ............................. Separación Tipo No. 2 con la Modificación No. 2. ................................................ Q prototipo = 685.22 l/s. ................................................................................. 149 Fotografía No. 6.42: Vista frontal de orificio de derivación (izq) y ....................... vista lateral de flujo sobre de umbral de separación (der) ................................... con modificación No. 2. Prueba B-5. .............................................................. 150 Fotografía No. 6.43: Vista lateral de la estructura No. 2 con ............................... reubicación de orificio de separación. ................................................................. Prueba B-5 con arrastre de sedimentos. ........................................................ 150 Fotografía No. 7.1: Vista lateral del flujo en la Estructura de Separación ........... Tipo No. 1 con diseño original. Se observa el impacto en la ............................... pared frontal de la cámara y la separación de caudales sanitario y ................... pluvial para un Q prototipo de 459 l/s. ........................................................... 174 Fotografía No. 7.2: Vista lateral del flujo en la Estructura de Separación ........... Tipo No. 1con geometría definitiva correspondiente al orificio de ....................... fondo en una proyección de la tubería de ingreso de caudal combinado. ........... Se observa la separación de caudales sanitario y pluvial para un ...................... Q prototipo de 691 l/s sin impacto de flujo en la estructura. .......................... 177 Fotografía No. 7.3: Vista superior del flujo en la Estructura de ........................... Separación Tipo No. 2 con diseño original. ......................................................... Se observa la acumulación de sólidos en la curvatura interna ............................ y umbral con separación de caudales ................................................................. sanitario y pluvial para un Q prototipo de 684 l/s........................................... 178 XXXI Fotografía No. 7.4: Vista lateral del flujo en la Estructura de Separación ........... Tipo No. 2 con geometría definitiva correspondiente a la reubicación ................ del orificio lateral y aumento de altura del umbral. Se observa la ....................... separación de caudales sanitario y pluvial para un ............................................. Q prototipo de 685 l/s. ................................................................................... 181 XXXII LISTA DE PLANOS (ANEXOS) EPN-CIERHI-MF-SC01-P-001 Diseño Original Prototipo Estructura de Separación de Caudales No. 1. CONTENIDO: Vista en planta. Corte transversal A-A. Corte transversal B-B. EPN-CIERHI-MF-SC01-P-002 (1/2) Diseño Original Modelo Estructura de Separación de Caudales No. 1. CONTENIDO: Vista en planta. Corte transversal B-B. EPN-CIERHI-MF-SC01-P-002 (2/2) Diseño Original Modelo Estructura de Separación CONTENIDO: de Caudales Corte No. transversal 1. A-A. Detalles. EPN-CIERHI-MF-SC01-P-003 Modificaciones Estructura de Separación de Caudales No. 1. CONTENIDO: Vista lateral modificación No. 2. Vista lateral modificación No. 3. Detalles. EPN-CIERHI-MF-SC02-P-001 Diseño Original Prototipo Estructura de Separación de Caudales No. 2. CONTENIDO: Vista en planta. Corte transversal A-A. Corte transversal B-B. EPN-CIERHI-MF-SC02-P-002 Diseño Original Modelo Estructura de Separación de Caudales No. 2. CONTENIDO: Vista en planta. Corte transversal A-A. Corte transversal B-B. XXXIII EPN-CIERHI-MF-SC02-P-003 Modificaciones Estructura de Separación de Caudales No. 2. CONTENIDO: Vista en planta. Corte transversal A-A. Corte transversal B-B. EPN-CIERHI-MF-SC-P-001 Detalle de implantación de estructuras de separación de caudales No. 1 y 2 con diseño original. longitudinales CONTENIDO: con Cortes tanques de abastecimiento y tanques de descarga. EPN-CIERHI-MF-SC-P-002 Detalle de Implantación Estructuras de Separación de Caudales. CONTENIDO: Vista en planta del laboratorio CIERHI. Zona de Estructuras de Separación de Caudales. XXXIV SIMBOLOGÍA eL Escala de longitud eT Escala de tiempo eV Escala de velocidad ea Escala de aceleración eF Escala de fuerzas Fr Número de Froude Re Número de Reynolds We Número de Weber Ma Número de Mach Δp Diferencia de presión ρ Densidad del agua Eu Número de Euler g gravedad Frm Número de Froude en modelo ϒ Peso específico del agua XXXV eR Escala de Reynolds λ Coeficiente de pérdidas por fricción v Velocidad de flujo σ Viscosidad cinemática del agua a 20°C Q Caudal C Coeficiente de descarga de vertederos h Valor de la carga de agua sobre vertederos Qs Caudal sanitario medido experimentalmente Qp Caudal pluvial medido experimentalmente Qc Caudal combinado medido experimentalmente a Ancho del orificio de fondo en tubería de caudal combinado Estructura Tipo No. 1. Ancho del orificio lateral Estructura Tipo No. 2 L Largo del orificio de fondo en tubería de caudal combinado para Estructura Tipo No. 1. Alto del orificio lateral para Estructura No. 2. D Diámetro de la tubería de caudal combinado en estructura Tipo No. 1 Vt Velocidad de aproximación del flujo en tubería de caudal sanitario para Estructura No. 1 XXXVI Qo Caudal de derivación por el orificio de fondo o caudal sanitario en la Estructura Tipo No. 1. Caudal de derivación por el orificio lateral o caudal sanitario en la Estructura Tipo No. 1. hm Calado medido físicamente en la tubería de ingreso o de caudal combinado para estructura No. 1. Calado medido físicamente en la zona de aproximación hacia orificio lateral para Estructura Tipo No. 2 yn Calado normal teórico de aproximación en la tubería de caudal combinado de ingreso para la Estructura de Separación Tipo No. 1 π Parámetro adimensional w Altura del umbral transversal para estructura de Separación No. 2 B Ancho del colector en donde se ubica el umbral de separación para la Estructura de Separación Tipo No. 2 qc Caudal unitario de entrada en Estructura Tipo No. 2 XXXVII RESUMEN El presente proyecto de titulación presenta el análisis en modelo físico a escala 1:2 de dos estructuras de separación de caudales tipo, diseñadas e implementadas por la EPMAPS en los sistemas de alcantarillado combinado del Distrito Metropolitano de Quito. El objetivo de la investigación es analizar la eficiencia, optimizar el diseño y el dimensionamiento hidráulico de dichas estructuras. Los modelos físicos de las dos estructuras de separación de caudales reproducen el comportamiento del flujo tridimensional que permite la separación del caudal combinado de aproximación en caudales sanitario y pluvial. Mediante la aplicación de los principios teóricos para modelación física y el análisis e interpretación de resultados experimentales, se obtienen modificaciones y parámetros de diseño expresados en ábacos adimensionales que se relacionan directamente con el comportamiento tridimensional de las estructuras analizadas. La investigación experimental se realiza en tres fases: (i) construcción y validación de los modelos físicos, (ii) análisis del comportamiento hidráulico de los diseños originales y (iii) optimización de la geometría para garantizar un adecuado funcionamiento de las estructuras de separación de caudales tipo, con flujos supercríticos de aproximación. En el presente estudio se determinan experimentalmente los coeficientes de descarga adecuados para el orificio de separación de fondo con flujo supercrítico en una sección transversal circular (Estructura Tipo No. 1) así como para el orificio lateral de separación con control de un umbral transversal ubicado en la sección de separación (Estructura Tipo No. 2). Los resultados obtenidos permiten establecer criterios de diseño y curvas adimensionales de aplicación simple que permiten la implementación de las optimizaciones experimentales alcanzadas para cada una de las estructuras analizadas. XXXVIII ABSTRACT This dissertation project presents the physical modelling analysis of two flow diversion structures at 2:1 scale, designed and employed by EPMAPS in combined sewage systems of Metropolitan District of Quito. This research aims to analyze the efficiency, optimize the design and size of such hydraulic structures. The physical models of such flow diversion structures reproduce a threedimensional flow behavior which allows the diversion of the total incoming combined flow in the corresponding sanitary and storm flows. Through the application of theoretical principles regarding physical modelling and the interpretation and analysis of experimental results, we obtain modifications and design parameters expressed in dimensionless abacuses which are directly related to the three-dimensional flow behavior of the analyzed structures. The experimental research is carried out in three phases: (i) construction and ratification of physical models, (ii) analysis of the hydraulic behavior of the original designs and (iii) a geometry optimization in order to guarantee the proper performance of the flow diversion structures, with supercritical approaching flows. In this present project the suitable discharge coefficients for the bottom diversion hole with a supercritical flow passing through a circular section are experimentally obtained (Structure No. 1) as well as the lateral diversion hole with a transversal crest control which is located on the diversion section (Structure No. 2). The obtained results allow us to establish simple design criteria and dimensionless graphs, enabling the use of the experimental optimizations achieved in each of the analyzed structures. XXXIX PRESENTACIÓN Con este Proyecto de Titulación se contribuye a la verificación de la aplicabilidad de los modelos físicos para el análisis del flujo real en estructuras hidráulicas, específicamente aquellas de separación de caudales, comparados con la aplicación de la teoría de flujo unidireccional utilizadas generalmente en la hidráulica y cuyas restricciones son conocidas porque no necesariamente reflejan la complejidad del flujo en la realidad. Mediante el diseño óptimo de estructuras de separación de caudales, se garantizará la separación de los caudales sanitarios que incluyen la mayor cantidad de carga orgánica dentro del caudal combinado para que sea tratado eficientemente y descargado posteriormente a los cauces de los ríos, evitando así su contaminación. El problema de la contaminación de los cuerpos hídricos se debe, en mayor parte, a que los diseños existentes de las estructuras de separación, no funcionan con la eficiencia requerida, debido a problemas de geometría o dimensionamiento con referencia al tipo de flujo de aproximación. En consecuencia, es una necesidad urgente optimizar la geometría de estas estructuras para garantizar la recuperación de los cursos receptores. Este Proyecto de Titulación se realiza con el fin de mejorar el conocimiento teórico y el entendimiento de los fenómenos de flujo en este tipo de estructuras hidráulicas y de presentar a la comunidad técnica los resultados obtenidos, aportando con criterios de diseño útiles, que permitan mejorar el funcionamiento observado hasta la fecha y que sean considerados dentro de las estrategias de planificación de las diferentes entidades a cargo del servicio de recolección y disposición final de los desechos líquidos. CAPÍTULO 1 1 INTRODUCCIÓN 1.1 DESCRIPCIÓN GENERAL DE LAS ESTRUCTURAS DE SEPARACIÓN DE CAUDALES EXISTENTES EN SISTEMAS DE ALCANTARILLADO COMBINADO EN CIUDADES ANDINAS Las ciudades andinas del país y de la región se han caracterizado por haber desarrollado a lo largo del tiempo sistemas de alcantarillado combinado, con el fin de aprovechar la topografía natural del terreno y evacuar conjuntamente, con un solo sistema, tanto las aguas residuales como las lluvias. El área del DMQ (Distrito Metropolitano de Quito) y sus cabeceras parroquiales están servidas prácticamente con redes de alcantarillado combinado, las mismas que descargan hacia los cauces, quebradas y ríos del Distrito.1 Hace muchos años, la capacidad natural de depuración de estos cuerpos hídricos permitía el tratamiento de los vertidos crudos. Sin embargo, conforme ha aumentado la densificación de las ciudades, las descargas directas sobre los ríos han generado graves problemas de contaminación ambiental y por ende de salud pública, restringiendo drásticamente la disponibilidad del recurso hídrico para posteriores aprovechamientos y transformando a los cuerpos receptores en cloacas que amenazan la salud y la seguridad de los habitantes. En consecuencia, la legislación actual2 ha priorizado la construcción de obras que permiten la recuperación y descontaminación de los ríos, implementado plantas de tratamiento de aguas servidas, emisarios y colectores perimetrales así como las estructuras de separación de caudales cuyo objetivo principal es lograr que las 1 EPMAPS. (2011). “Estudios de Actualización del Plan Maestro Integrado de Agua Potable y Alcantarillado para el DMQ - Resumen Ejecutivo”. Quito. Ecuador. 2 SENAGUA. “Normas para estudio y diseño de sistemas de Agua Potable y Disposición de Aguas residuales para Poblaciones Mayores a 1000 Habitantes”. Quito. Ecuador. 2 aguas residuales sean conducidas hacia plantas de tratamiento previa su descarga final en los ríos, mientras que los importantes caudales de aguas lluvias sean evacuados directa y adecuadamente hacia los cauces naturales. Los Estudios de Actualización del Plan Maestro Integrado de Agua Potable y Alcantarillado para el DMQ, demuestran que la capacidad hidráulica de las redes de recolección existentes, es insuficiente para conducir los caudales producidos por la lluvia de diseño con periodo de retorno de 25 años3, especialmente en los tramos principales o de descarga. Esto ha provocado inundaciones, colapso de las redes e imposibilidad de separar los caudales sobrecargando las plantas de tratamiento. En resumen, estos eventos que ocurren cada vez con mayor frecuencia, afectan la infraestructura urbana, la propiedad privada y sobre todo amenaza la salud pública de la población vecina. Un aporte significativo para enfrentar esta problemática es mejorar las características de la separación de caudales, garantizando un adecuado funcionamiento hidráulico de las estructuras requeridas para conducir y disponer los caudales de aguas lluvias directamente en los cuerpos hídricos, mientras que los caudales sanitarios sean llevados hacia las plantas de tratamiento, en condiciones que permitan recuperar su calidad previa su descarga final. Una estructura de separación de caudales debe cumplir funciones importantes en el manejo de los caudales combinados previa la disposición final en los ríos: la primera, consiste en dirigir los caudales sanitarios hacia los colectores perimetrales y plantas de tratamiento, antes de ser evacuados hacia los cauces naturales. Así se garantiza el saneamiento y recuperación de los cursos hídricos, gravemente contaminados en la actualidad por las descargas directas. La segunda función consiste en dirigir y evacuar los caudales pluviales hacia los cursos naturales, eliminando impactos descontrolados del flujo en las propias estructuras y permitiendo que previa la descarga pueda disponerse de una adecuada disipación de energía que asegure la estabilidad de las márgenes y del 3 EPMAPS. (2011). “Estudios de Actualización del Plan Maestro Integrado de Agua Potable y Alcantarillado para el DMQ - Resumen Ejecutivo”. Quito. Ecuador. 3 tramo que recibe la descarga. Paralelamente se logra una disminución importante en el costo de los emisarios porque los caudales de cada tramo o entre estructuras de separación se encuentran optimizados. El caudal de agua lluvias se entrega lo más pronto y en forma regulada a los cursos naturales más cercanos. Las estructuras de separación, por lo tanto son muy importantes para alcanzar un manejo adecuado de las aguas servidas, evitando la sobrecarga de las plantas de tratamiento de aguas residuales lo que optimiza su operación. Adicionalmente, el número requerido de este tipo de estructuras es siempre muy importante, pues debe ubicarse estratégicamente en los tramos medios o finales que sean parte del sistema de alcantarillado combinado. En conclusión el correcto funcionamiento de una estructura de separación es de gran importancia para alcanzar el objetivo técnico de recuperación de calidad y estabilidad de los cuerpos receptores y también para alcanzar el objetivo económico de optimizar las inversiones municipales exigidas para este fin. En las ciudades andinas como Quito, caracterizadas por una topografía abrupta, los tramos finales de las redes de recolección normalmente presentan fuertes pendientes. Por lo tanto, las estructuras de separación de caudales deben trabajar con flujos de aproximación supercríticos que normalmente arrastran material sólido y flotante, y deben asegurar un adecuado funcionamiento hidráulico para una amplia gama de caudales de operación. Sin embargo, los diseños existentes de estructuras de separación no reflejan la consideración de estos aspectos fundamentales para garantizar un cumplimiento aceptable de los objetivos que se buscan con la operación de estas obras. Normalmente se adopta la hipótesis de que el flujo de aproximación es lento o subcrítico, y se desprecia la importante característica tridimensional del flujo en estas estructuras aplicando en su dimensionamiento las ecuaciones unidimensionales de la hidráulica básica propuestas para flujos en donde los 4 cambios de las condiciones dinámicas del movimiento se producen predominantemente en la única dirección del flujo principal. La base de diseño aplicada para las estructuras de separación de caudales en tramos finales o medios con flujos supercríticos, por lo tanto, no corresponde a las características físicas predominantes del flujo. 1.2 OBJETIVO GENERAL DEL PROYECTO DE TITULACIÓN Analizar la eficiencia y optimizar el diseño y dimensionamiento hidráulico de dos tipos de estructuras de separación de caudales, aplicables a sistemas de alcantarillado combinado en ciudades andinas. 1.3 OBJETIVOS ESPECÍFICOS I. Ampliar y profundizar el análisis y diseño teórico de las estructuras tipo, propuestas para garantizar la separación de caudales sanitarios de los combinados en sistemas urbanos. II. Aplicar los principios teóricos de la similitud dinámica de un flujo a superficie libre para identificar con ayuda de la modelación física los principales problemas en el funcionamiento de las estructuras analizadas. III. Construir el modelo físico adecuado para el estudio experimental. IV. Definir la serie de pruebas requeridas para garantizar la eficiencia esperada en toda la gama de caudales a ser derivados. 5 V. Analizar los resultados obtenidos en el modelo físico, con la ayuda de parámetros adimensionales, que permitan su inmediata aplicación a las estructuras analizadas. VI. Recomendar, sobre la base de los resultados experimentales, las modificaciones y/o adecuaciones pertinentes al diseño de las estructuras analizadas. VII. Demostrar la utilidad de la modelación física para la solución de los problemas cotidianos en el dimensionamiento hidráulico de obras de infraestructura. 1.4 DESCRIPCIÓN Y ESTRUCTURAS ANÁLISIS DE DE DOS SEPARACIÓN DE TIPOS DE CAUDALES UTILIZADAS EN EL DMQ El presente proyecto de titulación toma como referencia la geometría y el dimensionamiento de dos tipos de estructuras de separación o derivación de caudales, con flujos supercríticos de aproximación. El diseño original de estas estructuras corresponde al diseño utilizado e implementado en el DMQ. La selección de estos dos tipos de estructuras cumple con la recomendación y autorización de la EPMAPS. Estas estructuras tienen una aplicación frecuente en los tramos finales o medios de la red combinada existente. La información relativa al diseño y dimensionamiento ha sido proporcionada por el Departamento de Estudios y Diseños de la Empresa Pública Metropolitana de Agua potable y Saneamiento EPMAPS de Quito. Para el análisis del comportamiento hidráulico de las estructuras de separación de caudales, utilizadas para la presente investigación, se consideran las 6 características geométricas de las estructuras propiamente dichas así como las condiciones de operación adoptadas en el respectivo diseño. 1.4.1 ESTRUCTURA DE SEPARACIÓN DE CAUDALES TIPO No. 1: BARRIO SAN JOSÉ OBRERO, PARROQUIA EL CONDADO4 Los parámetros y criterios de diseño adoptados para el dimensionamiento de la Estructura Tipo No. 1, cumplen con la normativa propuesta por la EPMAPS, actualizada en 2009. El funcionamiento hidráulico real en los colectores obedece a flujo no permanente y gradualmente variado, sin embargo, como simplificación para el diseño de alcantarillado se supone que el flujo es permanente y uniforme a lo largo de los conductos. El barrio San José Obrero en general se ubica entre las altitudes de 3116 m.s.n.m. a 3041 m.s.n.m. Presenta una topografía con inclinaciones promedio del 15% hasta pendientes bastante pronunciadas del orden del 45%. Los colectores implementados son del tipo combinado, diseñados para la evacuación de aguas residuales y de escorrentía superficial durante épocas de lluvias. Los interceptores a construirse transportan los caudales sanitarios hasta las plantas de tratamiento siguiendo las márgenes de las quebradas. El diseño de los colectores combinados permite que estos recepten y conduzcan solamente las aguas residuales mientras no existan lluvias, sin embargo, durante las precipitaciones los colectores también recibirán el escurrimiento superficial que proviene de las vías a través de los sumideros ubicados en las mismas; razón por la cual el caudal incrementa considerablemente. 4 EPMAPS. (2013). “Memoria Técnica para el diseño definitivo del sistema de alcantarillado para el barrio san José Obrero”. Quito. Ecuador. 7 Para aliviar el caudal pluvial que circula por los colectores, se realiza la descarga hacia una de las quebradas existentes en la zona (Quebrada Chiquita). Se requiere entonces la separación de caudales sanitarios de los pluviales con una estructura de derivación. Esta estructura consta con dos salidas de flujo; la primera continúa hacia el alcantarillado (por la vía Nono) para descargar en una red existente y, la otra descarga el exceso de caudal proveniente de las precipitaciones hacia el curso superficial (río). La implantación de esta estructura se presenta en la siguiente figura. Figura No. 1.1: Implantación general del separador de caudales (tipo No. 1) dentro del sistema de alcantarillado de la parroquia San José Obrero. Quebrada Chiquita Descarga de Caudal pluvial Caudal combinado Descarga de Caudal sanitario Separador de caudales Tipo No. 1 Fuente: EPMAPS. (2013). “Diseño definitivo del sistema de alcantarillado para el barrio san José Obrero, parroquia el condado” Quito. Ecuador. En este caso, el tramo de aproximación de colector combinado presenta una pendiente fuerte del 5%, que continúa con una transición convergente que disminuye el rango de la pendiente longitudinal que el tramo combinado. La transición se inicia con un ancho igual al del colector combinado y finaliza con un ancho igual al diámetro del colector sanitario, que continúa en la misma dirección 8 de flujo. El desarrollo longitudinal de la transición es relativamente corto y en cada extremo lateral se han dispuesto vertederos cuya altura de paramento garantiza que no existirá vertido cuando circule únicamente el caudal de aguas servidas en tiempo seco. La siguiente figura presenta un esquema de la estructura de derivación con vertedero lateral, denominada Tipo No. 1. Figura No. 1.2: Esquema de la Estructura de Separación de caudal Tipo No. 1. Vista en planta. Vertederos laterales Caudal combinado Descarga de Caudal pluvial Descarga de Caudal sanitario Fuente: EPMAPS. (2013). “Diseño definitivo del sistema de alcantarillado para el barrio san José Obrero, parroquia el condado” Quito. Ecuador. Figura No. 1.3: Esquema de la Estructura de Separación de caudal Tipo No. 1. Corte lateral. Caudal combinado Vertederos laterales Descarga de Caudal pluvial Descarga de Caudal sanitario Descarga de Caudal pluvial Fuente: EPMAPS. (2013). “Diseño definitivo del sistema de alcantarillado para el barrio san José Obrero, parroquia El Condado” Quito. 2013. 9 La pendiente de la tubería por la cual circula el caudal sanitario separado garantiza la capacidad de auto limpieza. Dentro de la cámara de separación se ubica al canal de transición, con los vertederos laterales. El diseño supone que el exceso de caudal pluvial será evacuado sobre los vertederos laterales y recolectado en la parte inferior de la cámara de separación para finalmente ser evacuado por la tubería de salida (Q pluvial) hacia el río. La memoria de cálculo presenta que el caudal derivado por el vertedero de excesos se obtiene en función de la carga sobre el mismo definida como la diferencia entre la profundidad de flujo que transita por la transición y la altura del vertedero. Los caudales de diseño, de conformidad con las hipótesis de flujo unidimensional, permanente y uniforme se presentan en el siguiente cuadro. Cuadro No. 1.1: Caudales de diseño de la estructura separadora de caudales Tipo No. 1. Denominación Caudal de diseño (l/s) Observaciones Combinado en tramo de aproximación 739.93 Flujo supercrítico Pluvial 656.0 Sanitario en tiempo seco 17.65 Sanitario en tiempo húmedo 84.0 Evacuado sobre vertederos laterales Dato de diseño en función de la población de aporte Se adopta una dilución admisible correspondiente al de 10% de Qcombinado Fuente: EPMAPS. (2013). “Diseño definitivo del sistema de alcantarillado para el barrio san José Obrero, parroquia El Condado” Quito. Ecuador. Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. Los planos en planta, así como los perfiles para la estructura Tipo No. 1, se presentan en el Plano EPN-CIERHI-MF-SC01-P-001 del anexo No. 1 y detallan las características geométricas de las estructuras y sus correspondientes datos de operación hidráulica. 10 1.4.2 ESTRUCTURA DE SEPARACIÓN DE CAUDALES TIPO No. 2: INTERCEPTOR CONEXIÓN DÁVALOS IZQUIERDO, HUASIPUNGO Y GUAGUACU (TRAMO 1)5 El estudio y diseño de esta estructura forma parte del diseño definitivo del sistema de alcantarillado que sirve a la parroquia de Conocoto y de aquellos tramos requeridos de las quebradas Guaguacu, Davalos, y Huasipungo, en el Barrio Santo Domingo de Conocoto Bajo. Según la EPMAPS (2012): “En los distintos sitios en los que se proyectaron colectores combinados, así como las márgenes adyacentes a las quebradas en las que se efectuó el diseño de interceptores, el terreno presenta una morfología con ondulaciones suaves y declives moderados inferiores a un 20%”. Los cauces receptores de los caudales pluviales en el área de influencia corresponden los tramos de las quebradas Guaguacu, Dávalos y Huasipungo, mientras que los caudales sanitarios deben ser derivados hacia el colector perimetral previsto según los Estudios y Diseños Definitivos de los Sistemas de Alcantarillado de los Interceptores Conocoto Bajo6. Debido a la progresiva densificación poblacional, los tramos de quebradas antes mencionados necesitan ser preservados del potencial incremento de la contaminación. De conformidad con la información existente, el diseño del sistema de alcantarillado incluye la ubicación y dimensionamiento de las estructuras de derivación de caudales sanitarios y tramos de empate de los distintos subsistemas combinados, de manera que se consiga la continuidad del flujo del agua residual hasta llegar a los interceptores principales. Las descargas de los sistemas combinados existentes, se mantienen para el alivio de los caudales de escorrentía pluvial. 5 EPMAPS. (2012). “Estudios y Diseños Definitivos de los Sistemas de Alcantarillado de los Interceptores Conocoto Bajo – Informe Técnico Fase III”. Quito. Ecuador. 6 EPMAPS. (2012). “Estudios y Diseños Definitivos de los Sistemas de Alcantarillado de los Interceptores Conocoto Bajo – Informe Técnico Fase III”. Quito. Ecuador. 11 Los criterios de diseño y la normativa aplicada en el caso de la Estructura Tipo No. 2 se resumen a continuación7 : · Para el diseño geométrico y definición de las condiciones hidráulicas del flujo, se considera el modelo de flujo uniforme y permanente. · Para conductos que requieran una capacidad hidráulica mayor a la correspondiente a una tubería de D=1200mm, se proyectarán colectores de hormigón armado, de sección rectangular (preferiblemente cuadrada), de las dimensiones requeridas. El sistema de alcantarillado está diseñado para conducir altos caudales combinados, por lo tanto los colectores y las estructuras especiales deberán garantizar su evacuación. La estructura de separación de interés se denomina separador DH.02, y se ubica continua al pozo de revisión No. 39, como se observa en la siguiente figura y recibe caudales sanitarios por medio de tuberías desde otras estructuras ubicadas en la cercanía y sirve como alivio de exceso de caudal pluvial del interceptor Guaguacu Izquierdo. Dicho separador envía el caudal sanitario hacia la continuación de la red. 7 EPMAPS. (2012). “Estudios y Diseños Definitivos de los Sistemas de Alcantarillado de los Interceptores Conocoto Bajo – Informe Técnico Fase III”. Quito. Ecuador. 12 Figura No. 1.4: Implantación general de la estructura de separación de caudales dentro del sistema de alcantarillado de la Zona Conocoto Bajo. Descarga de Caudal pluvial Caudal combinado Separador de caudales Tipo No. 2 Descarga de Caudal sanitario Fuente: EPMAPS. (2012). “Estudios y Diseños Definitivos de los Sistemas de Alcantarillado de los Interceptores Conocoto Bajo – Informe Técnico Fase III”. Quito. Ecuador. El tramo de aproximación hacia la estructura DH.02 recibe caudales sanitarios y pluviales aliviando los excesos de caudal pluvial del interceptor Guaguacu Izquierdo. El caudal sanitario es separado y conducido aguas abajo hacia un interceptor. Las siguientes figuras presentan un esquema de la estructura derivadora de caudales con orificio lateral. 13 Figura No. 1.5: Esquema de la estructura de separación de caudal tipo No. 2 con orificio lateral de derivación. Vista en planta. Descarga de Caudal pluvial Orificio lateral de derivación Descarga de Caudal sanitario Caudal combinado Fuente: EPMAPS. (2012). “Estudios de Actualización del Plan Maestro Integrado de Agua Potable y Alcantarillado para el DMQ, Resumen Ejecutivo FASE III”. Quito. Ecuador. Figura No. 1.6: Esquema de la estructura de separación de caudal tipo No. 2 con orificio lateral de derivación. Corte. Descarga de Caudal sanitario Descarga de Caudal sanitario Caudal combinado Fuente: EPMAPS. (2012). “Estudios de Actualización del Plan Maestro Integrado de Agua Potable y Alcantarillado para el DMQ, Resumen Ejecutivo FASE III”. Quito. Ecuador. 14 La información disponible plantea que “se adopta un diseño que simplifica la construcción y operación de la estructura de separación”8, según se indica a continuación: · La estructura de derivación tiene dos compartimentos: la cámara principal a la cual llegan el o los colectores combinados y de la cual sale el colector de descarga de excesos de aguas combinadas hacia la quebrada, y una cámara adyacente a la cual se deriva el agua residual. · El caudal sanitario afluente a la cámara principal, es derivado a la cámara adyacente a través de una abertura de sección rectangular cuyas dimensiones son las mínimas requeridas para que a través de ella pase el caudal sanitario de diseño. De esta manera, se restringe el caudal combinado derivado al interceptor durante las precipitaciones. · La tubería principal de evacuación de excesos de escurrimiento pluvial, parte de una cota igual o ligeramente superior a la de la clave de la abertura rectangular por el que se deriva el agua residual, con lo cual se evita su descarga directa a los cuerpos superficiales en tiempo seco. En esta estructura de control se dispone un umbral transversal el cual cumple con el objetivo anterior. · Para efectos de calcular los caudales derivados, se considera que dicha abertura opera como un vertedero rectangular de descarga libre, hasta un calado igual a su altura (caso de derivación de aguas residuales solamente); y como una compuerta sumergida para calados mayores a su altura (derivación de aguas combinadas durante las precipitaciones). 9 8 EPMAPS. (2012). “Estudios y Diseños Definitivos de los Sistemas de Alcantarillado de los Interceptores Conocoto Bajo – Informe Técnico Fase III”. Quito. Ecuador. 9 EPMAPS. (2012). “Estudios y Diseños Definitivos de los Sistemas de Alcantarillado de los Interceptores Conocoto Bajo – Informe Técnico Fase III”. Quito. Ecuador. 15 El caudal combinado de diseño corresponde a 3.12 m 3/s y el caudal sanitario mínimo que debe circular por la estructura, sin que sea derivado hacia el colector pluvial en ausencia de lluvias, corresponde de igual forma a 89.4 l/s10 El análisis de la memoria de cálculo permite concluir que el diseño de esta estructura se realizó aplicando las ecuaciones y teoría simplificada del flujo unidimensional permanente y uniforme, como se indica en el informe Estudios y Diseños Definitivos de los Sistemas de Alcantarillado de los Interceptores Conocoto Bajo – Informe Técnico Fase III. Los planos en planta, así como los perfiles, se presentan en el Plano EPNCIERHI-MF-SC02-P-001 del anexo No. 1 y detallan las características geométricas de las estructuras y sus correspondientes datos de operación hidráulica. 1.5 ALCANCE DE LA INVESTIGACIÓN El presente Proyecto de Titulación pretende analizar, evaluar y optimizar la geometría de las dos estructuras de separación de caudales tipo que han sido seleccionadas y descritas en el numeral anterior. La optimización se iniciará con la identificación de las características principales del flujo en cada una de las estructuras analizadas con su geometría original así como la obtención de las respectivas curvas experimentales de derivación, para el rango de caudales de operación considerado en el dimensionamiento. El análisis del dimensionamiento original y de la gama de caudales de operación previstos en cada uno de los diseños analizados permitirá definir las escalas 10 EPMAPS. (2012). “Estudios y diseños definitivos de los sistemas de alcantarillado combinado para varias calles de la parroquia Conocoto, Sector Azblan”. Quito. Ecuador. 16 adecuadas y los materiales que serán empleados en la construcción de los respectivos modelos físicos. Se determinará a continuación el plan de pruebas que permita la evaluación del funcionamiento o desempeño hidráulico de las estructuras con su geometría original, tanto en épocas de estiaje (caudales exclusivamente sanitarios) como en épocas de invierno (caudales combinados). Se definirán los principales problemas en la operación hidráulica de cada una de las estructuras de separación tipo que han sido analizadas. A base de esta última información se plantearán modificaciones geométricas que permitan mejorar el desempeño hidráulico de cada estructura. Se construirán e instalarán las modificaciones seleccionadas y se evaluará el efecto de las mismas en función de los objetivos que debe cumplir cada estructura de separación tipo analizada. Se obtendrán recomendaciones de diseño basadas en el análisis experimental, que serán expresadas como curvas adimensionales y que faciliten la consideración de las características reales separación tipo que se analizan en de flujo la en las estructuras de presente investigación. Las recomendaciones de diseño permitirán lograr un ajuste en el dimensionamiento de este tipo de estructuras, que favorezca el cumplimiento de los objetivos propuestos para las mismas. De esta forma se contribuye con una investigación útil para la práctica profesional y que satisface tanto con los requerimientos de la formación del ingeniero civil como con las metas propuestas en el plan de acción de la EPN. CAPÍTULO 2 2 ANÁLISIS DIMENSIONAL Y MODELACIÓN FÍSICA 2.1 INTRODUCCIÓN ACERCA DE LOS MODELOS HIDRÁULICOS11 Los fenómenos que ocurren dentro del campo de la hidráulica, y que se presentan en la operación de estructuras son en términos generales tridimensionales y complejos. En casos particulares, esta complejidad del flujo puede impedir su tratamiento con la aplicación de análisis matemáticos simplificados, como es el caso de los dos tipos de estructuras de separación de caudales con flujos de aproximación supercríticos, que se analizan en el presente proyecto. Es entonces necesario recurrir al empleo de técnicas experimentales como herramienta para la obtención de soluciones. La modelación hidráulica permite en primer lugar identificar los parámetros fundamentales que intervienen en cada fenómeno de flujo y en base a ellos plantear una serie de pruebas y análisis de alternativas que identifiquen conclusiones y recomendaciones válidas para un tipo de estructura individualizada o para un complejo de estructuras que definen un sistema hidráulico. En la actualidad, a pesar de que el entendimiento de los fenómenos que se presentan dentro del campo de los fluidos se ha desarrollado en las últimas décadas, se sigue marcando una brecha entre la teoría y la realidad cuando se trata de las técnicas ingenieriles que se aplican para el diseño de estructuras o sistemas hidráulicos. Esta brecha se produce principalmente por la complejidad del fenómeno hidráulico y su carácter tridimensional. 11 Hidalgo, M. “Introducción a la teoría de modelos hidráulicos y aplicaciones básicas”. Quito. Departamento de Hidráulica. Escuela Politécnica Nacional. 18 Las ecuaciones o relaciones funcionales empleadas en los métodos matemáticos, que se establecen en el marco moderno de la Hidromecánica, presentan serias dificultades de aplicación en muchos problemas hidráulicos. Por esta razón, frecuentemente se requiere adoptar hipótesis simplificadas que restringen la validez y rigurosidad de las soluciones obtenidas para un determinado problema planteado. En consecuencia, el diseño hidráulico de estructuras normalmente introduce un “riesgo calculado”, el cual debe procurarse sea el mínimo posible. La valoración mediante ensayos experimentales, sometiendo cualquier diseño realizado normalmente con hipótesis simplificadas del fenómeno de flujo es la única herramienta que garantiza la consecución de los objetivos planteados para la estructura y la minimización del denominado riesgo calculado. La teoría existente no siempre es aplicable para todos los casos debido a las particularidades propias de sus medios que generan problemas para los que la teoría desarrollada difícilmente brinda una solución única. A su vez, en el campo especifico de los fenómenos hidráulicos existen tantas variables y parámetros interviniendo, lo que hace necesario que se tenga que empezar a incursionar en la investigación científica propia que permita establecer resultados y poder interpretarlos siempre apegándose a la realidad del caso. Dentro del estudio de los fenómenos físicos en la hidráulica, el número de parámetros que intervienen es considerable, por lo tanto, es necesario establecer un proceso ordenado y metódico que permita interpretar adecuadamente los resultados que se obtienen en una investigación. El método desarrollado en el campo de investigación de la hidráulica se basa en la “Teoría de Semejanza” por medio de la similitud mecánica, la cual permite establecer sistemas o fenómenos mecánicamente semejantes. Uno de ellos es el modelo, sujeto de investigación en laboratorio, a través de la cual se establecen las leyes o relaciones funcionales que lo gobiernan y permite llegar a obtener los valores de las magnitudes físicas, movimiento, o fenómenos mecánicamente semejantes en un sistema homólogo que es el prototipo. 19 La definición más básica de un modelo es: “la representación de un sujeto, estado o evento”.12 Existen modelos similares, en donde todos los parámetros del modelo presentan una determinada relación con sus homólogos en el prototipo, y los modelos asimilares, en los cuales lo anterior no se cumple o solo se cumple parcialmente. Los modelos hidráulicos corresponden a los primeros, y se definen como: “cualquier modelo físico para la simulación del proceso, estado y eventos del flujo, que se refiere a problemas de ingeniería hidráulica o hidromecánica técnica.”13 En consecuencia, un modelo hidráulico corresponde a una reproducción a pequeña escala de la naturaleza, construido en un laboratorio y que tiene su marco teórico en el principio de semejanza mediante la similitud mecánica. Es necesario de todos modos un proceso de investigación que permita establecer una correcta síntesis de resultados. Un criterio básico de la modelación hidráulica es el hecho de que las observaciones realizadas en un modelo a escala deben poder ser transferidas a las condiciones naturales o al menos mostrar una similitud en relación a los problemas de la hidráulica. 2.1.1 CLASIFICACIÓN DE LOS MODELOS HIDRÁULICOS14 Básicamente los modelos hidráulicos pueden ser: · Modelos físicos · Modelos matemáticos El presente proyecto de titulación tiene como finalidad el análisis en modelo físico de las estructuras separadoras de caudal previamente mencionadas, para lo cual es necesario explicar la teoría de modelación física. 12 Kobus, H. (1978). “Hydraulic Modeling”. DVWW. Mitteilungsheft No. 4. Germany. Kobus H. (1978). “Hydraulic Modeling”. DVWW. Mitteilungsheft No. 4. Germany. 14 Hidalgo, M. “Introducción a la teoría de modelos hidráulicos y aplicaciones básicas”. Quito. Departamento de Hidráulica. Escuela Politécnica Nacional. 13 20 2.1.1.1 Modelos físicos Son la representación reducida de sistemas prototipos, que en el campo de la hidráulica comprenden estructuras como presas, vertederos, captaciones, etc. y se clasifican en: Modelos con geometría similar: todas las dimensiones del modelo corresponden a la misma escala, en relación con las dimensiones homólogas del prototipo. Modelos distorsionados: el modelo guarda diferentes relaciones de escala, la relación de longitudes es diferente a la relación de profundidades entre el prototipo y el modelo. Modelos disímiles: no existe semejanza física entre los dos sistemas (prototipo y modelo). 2.2 TEORÍA DEL ANÁLISIS DIMENSIONAL15,16,17 En todo fenómeno hidráulico intervienen las denominadas magnitudes físicas. Estas magnitudes deben ser determinadas para cada fenómeno en particular, sin embargo, se debe destacar a las más útiles o de influencia primordial en el desarrollo de dicho fenómeno. Para poder realizar este análisis es importante conocer al fenómeno propiamente dicho y como influencian las magnitudes en el mismo, y a su vez las dimensiones que tiene cada una de ellas. 15 Alberro G, Almandoz J, Jimenez R, Mogelos M, Pellejero I. “Apuntes mecánica de fluidos”, España. Departamento de Ingeniería Nuclear y Mecánica de fluidos. Universidad del País Vasco 16 Quintanar, L. “El teorema pi y la modelación”. México. Instituto Superior de Matemática (INSUMA). 17 Martínez de Azagra, A., Pando, V., & delRío, J. (2007). “Generalizaciones al teorema pi de Buckingham con algunas aplicaciones”. España. Escuela Técnica Superior de Ingenierías Agrarias. 21 El análisis dimensional es la herramienta que ayuda a analizar el fenómeno y simplificarlo de una manera lógica, permitiendo plantear el problema que se requiere estudiar reduciendo las variables que intervienen. Este método es válido ya que se determinan los parámetros adimensionales que relacionan a las magnitudes físicas que intervienen en el fenómeno, y que inclusive permiten representarlo de mejor manera. 2.2.1 MAGNITUDES FISICAS FUNDAMENTALES, DERIVADAS Y SUS DIMENSIONALES En el campo físico de la hidráulica son las magnitudes MASA (M), LONGITUD (L) Y TIEMPO (T) las magnitudes fundamentales, expresadas en el Sistema Internacional (SI); constituyen una propiedad o característica de la masa de agua y de todo fenómeno relacionado con su movimiento. A partir de estas magnitudes fundamentales que se definen y se expresan las magnitudes derivadas. La interdependencia que se presenta entre las magnitudes físicas que intervienen en un fenómeno forma leyes físicas que describen tal fenómeno, y se expresan por medio de ecuaciones homogéneas de manera que todos sus términos deben tener la misma ecuación de dimensiones. Es decir deben ser homogéneos en sus unidades, y equivalentes en su valor numérico. Si se entiende como Q a una magnitud derivada que depende de las magnitudes fundamentales q1, q2, …, qm, se plantea entonces la función Q=f(q1, q2, …,qm) lo cual a su vez puede ser expresado como un monomio de potencias da las variables fundamentales q; la magnitud derivada se puede expresar entonces como ܳ ൌ ܿ ൈ ݍଵ భ ൈ ݍଶ మ ൈ ǥ ൈ ݍ . Los exponentes a1, a2, …, am a los que están elevados las magnitudes fundamentales, definen el dimensional de la magnitud derivada. 22 Para determinar las dimensiones de cualquier magnitud derivada se debe cumplir con el principio de homogeneidad dimensional que establece que, en cualquier ecuación deducida analíticamente que represente un fenómeno físico todos sus términos deben tener la misma dimensión, es decir deben ser homogéneos. La ecuación debe satisfacer cualquier sistema de unidades. 2.2.2 TEOREMA Π O DE BUCKINGHAM El teorema de π se considera como el teorema fundamental del análisis dimensional, en este teorema se establece que si existe un fenómeno o una relación física en la que se puedan expresar variables o magnitudes físicas en términos de cantidades físicas que sean dimensionalmente independientes entre sí, se puede determinar una ecuación o función adimensional que represente dicho fenómeno. El teorema π es usado como un proceso matemático que permite por medio de la reducción de variables o magnitudes que intervienen en un fenómeno físico, cambiar la percepción inicial de cómo es observado. Se busca expresar la relación funcional que describe un fenómeno natural mediante una función que involucra una cantidad de parámetros adimensionales denominados monomios adimensionales π. En un fenómeno físico en el que intervienen (r) magnitudes Q, ya sean fundamentales o derivadas, y considerando que se tienen las tres magnitudes fundamentales (m) del sistema SI, se plantea al fenómeno fisco como una función ݂ ൌ ሺܳଵ ǡ ܳଶ ǡ ǥ ǡ ܳ ሻ; en donde cada magnitud Qj debe ser expresada en función de las magnitudes fundamentales y con las que se estructura una matriz de orden (m x r) por medio de la cual se determinan los (r - m) monomios adimensionales formados por los productos de potencias de las variables Q, y que permiten expresar a la función inicial de tal forma que ߮൫ߨଵ ǡ ߨଶ ǡ ǥ ǡ ߨሺିሻ ൯ ൌ Ͳ. 23 2.3 TEORÍA DE LA SEMEJANZA MECÁNICA18 Generalmente la semejanza mecánica se plantea dentro del marco de los medios continuos y de los campos físicos. Dentro del alcance de esta investigación, el medio continuo corresponde al agua y el campo físico corresponde al de la hidráulica. 2.3.1 SIMILITUD MECÁNICA Establece que “Dos sistemas son mecánicamente semejantes (prototipo y modelo) cuando a más de serlo geométricamente, las magnitudes físicas referentes a puntos homólogos están en relaciones fijas y acordes”; es decir semejanza entre un modelo y un prototipo implica semejanza geométrica, cinemática y dinámica. 2.3.1.1 Similitud geométrica La similitud geométrica se cumple cuando todas las magnitudes geométricas en el prototipo (lp) están en una relación constante con las correspondientes longitudes en el modelo (lm). Esta relación se denomina como número de escala o escala de longitud (eL) ൌ 18 ୮ ൌ ୫ ( 2.1) Hidalgo, M. “Introducción a la teoría de modelos hidráulicos y aplicaciones básicas”. Quito. Departamento de Hidráulica. Escuela Politécnica Nacional. 24 2.3.1.2 Similitud cinemática La similitud cinemática requiere que los fenómenos dependientes del tiempo se desarrollen en el modelo, de tal manera que siempre se guarde una relación constante entre los intervalos de tiempo en el modelo y el prototipo. Esta relación se denomina escala de tiempo (eT) ൌ ୮ ൌ ୫ ( 2.2) Una vez conocidas las escalas de longitud y tiempo, se pueden derivar las escalas de velocidad y aceleración: ൌ ୮ ୮ Τ ୮ ൌ ൌ ൌ ୫ ୫ Τ ୫ ୮ Τ ଶ୮ × ୟ ൌ ൌ ൌ ൌ × ୫ Τ ଶ୫ ଶ ( 2.3) ( 2.4) 2.3.1.3 Similitud dinámica Esta similitud se presenta cuando todas las fuerzas que intervienen en el estado inercial del flujo actúan tanto para el prototipo y el modelo manteniendo una relación constante o escala de fuerzas inerciales. De esta forma se obtiene la escala de fuerzas e F, la cual está basada en el principio de la física que indica que la fuerza es igual a la masa por la aceleración de la gravedad. 25 La relación se define como escala de fuerzas eF: ൌ ൌ ൌ ୫ ሺ Τଶ ሻ ( 2.5) La similitud dinámica es necesaria para garantizar que en un modelo geométricamente similar de eventos dependientes del tiempo ocurra la similitud cinemática. Esto está implícito debido a la relación existente entre las fuerzas actuantes y el campo de flujo expresado en la ecuación de movimiento. 2.3.2 SEMEJANZA HIDRÁULICA Las variables o magnitudes físicas en el estudio del fenómeno hidráulico mantienen una relación funcional, y matemáticamente se expresa por: ൌ ൬ ǡ ǡ ǡ ୰ ǡ ୣ ǡ ୣ ǡ ୟ ൰ ටȟ୮ Τɏ ͳͻ ( 2.6) En donde: V: Velocidad del flujo Φ: Parámetro adimensional a, b, c: Magnitudes genéricas de la geometría de cualquier estructura hidráulica d: Longitud característica, magnitud geométrica propia del fenómeno Fr: Número de Froude Re: Número de Reynolds We: Número de Weber Ma: Número de Mach Δp: diferencia de presión entre dos puntos ρ: densidad del fluido 19 Hidalgo, M. “Introducción a la teoría de modelos hidráulicos y aplicaciones básicas”. Quito. Departamento de Hidráulica. Escuela Politécnica Nacional. 26 Para satisfacer la teoría de la semejanza mecánica, ésta ecuación se cumple para el sistema prototipo (Vp) como también para el sistema modelo (Vm) permitiendo establecer relaciones entre las magnitudes físicas o escalas eL, eM, eF, eT, eV, ea, etc. Partiendo de la ecuación (2.6) se obtiene una expresión que considera la escala de fuerzas, de longitud, tiempo y masa. ൌ ଶ୫ ή ή ଶ ଶ ୮ ( 2.7) Como se observa en la ecuación (2.7), se alcanza la semejanza mecánica si Τ୮ ൌ ͳ y se cumple la identidad de los parámetros geométricos así como también de los números adimensionales de Froude, Reynolds, Weber y Mach tanto en el modelo como en el prototipo. Se concluye entonces que la estricta semejanza hidráulica de un fenómeno sólo se puede alcanzar en su totalidad en el prototipo. En la práctica no se puede obtener este modelo ideal ya que es utópico, es así que se conceptualiza al modelo como el “sistema semejante que más se aproxima a la representación del fenómeno hidráulico que ocurre en el prototipo.”20 La ecuación (2.6) muestra todos los parámetros que intervienen en un fenómeno físico, introduciendo la influencia dinámica del peso específico, la viscosidad, la tensión superficial y la elasticidad para caracterizar el fluido por medio de los números característicos convencionalmente ocupados en la mecánica de fluidos, que son definidos como aquellas relaciones correspondientes a los varios tipos de fuerzas que actúan en un elemento fluido. Por ejemplo el parámetro Eu (número de Euler) es una proporción adimensional, que caracteriza la relación entre la fuerza inercial del fluido y las fuerzas de 20 Hidalgo, M. “Introducción a la teoría de modelos hidráulicos y aplicaciones básicas”. Quito. Departamento de Hidráulica. Escuela Politécnica Nacional. 27 presión actuantes; sin embargo en fluidos incompresibles y en la ausencia de otras fuerzas como viscosidad o gravedad, etc., Eu es exclusivamente una función de la geométrica del contorno del flujo. El número de Reynolds es también uno de los más importantes parámetros de la hidromecánica. Números de Reynolds muy pequeños caracterizan flujos en los que las fuerzas de viscosidad dominan y las fuerzas de inercia son despreciables; por otro lado, números de Reynolds muy altos describen flujos en los que la fuerza viscosa es despreciable en comparación con las fuerzas de inercia. 2.4 SIMILITUD DINÁMICA RESTRINGIDA21 En el campo de la modelación, la similitud dinámica requiere que se cumpla en primer lugar, la similitud según el criterio de Euler, que en este caso hace referencia únicamente a la geometría entre modelo y prototipo. Por otra parte, para representar las fuerzas que intervienen en el prototipo, se debe identificar y dar preponderancia a la fuerza más importante que condicione el fenómeno hidráulico, para así poder representarla en el modelo mediante los diferentes parámetros adimensionales (Fr, Re, We, Ma). De esta forma, y debido a que no es posible alcanzar la similitud hidráulica perfecta, lo que se aspira alcanzar es una similitud restringida o particular. Esta similitud depende de la fuerza predominante en el fenómeno y se puede clasificar en un principio en el siguiente cuadro. 21 Hidalgo, M. “Introducción a la teoría de modelos hidráulicos y aplicaciones básicas”. Quito. Departamento de Hidráulica. Escuela Politécnica Nacional. 28 Cuadro No. 2.1: Tipos de modelo físico en función de su similitud particular FUERZA SIMILITUD TIPO DE IDENTIDAD PREDOMINANTE PARTICULAR MODELO Fg gravitacional Froude Frp=Frm Froudiano Fμ viscosa Reynolds Rep=Rem Viscoso Fσ tensión superficial Weber Wep=Wem FE elástica Mach Map=Mam Elástico Fg, Fμ Froude-Reynolds Frp=Frm Grávico-viscoso Fuente: Hidalgo, M. “Introducción a la teoría de modelos hidráulicos y aplicaciones básicas”. Quito. Departamento de Hidráulica. Escuela Politécnica Nacional. Pág. 33. Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. 2.4.1 SIMILITUD DINÁMICA RESTRINGIDA DE FROUDE22 La similitud de Froude solo puede ser aplicable a fenómenos hidráulicos donde predominan las fuerzas gravitacionales (Fg), y donde se presente una similitud geométrica e igualdad del número de Froude en modelo y prototipo. En este caso la función Ȉ (ecuación 2.6) puede depender solamente del número de Froude y de la geometría del contorno, y por ende las demás fuerzas pueden ser despreciadas. Como se señala antes, se debe verificar la identidad del número de Froude en prototipo y modelo, de tal manera que Frp = Frm, o su relación sea igual a 1: ଶ ൌ ͳ× ൌͳ ୫ ୫ ଶ ( 2.8) Si se desarrolla la relación entre los números de Froude se llega a una expresión en la que la escala de tiempos está en función de L, ϒ, ρ. 22 Hidalgo, M. “Introducción a la teoría de modelos hidráulicos y aplicaciones básicas”. Quito. Departamento de Hidráulica. Escuela Politécnica Nacional. 29 ൌ ξ ( 2.9) ɀ Τɀ ඨ ୫ ɏ Τɏ୫ Considerando que el fluido en el prototipo y en el modelo es el mismo, es decir agua, se plantea que ρm = ρp, por lo tanto ϒp =ϒm; además el campo gravitatorio de la tierra rige tanto al modelo como al prototipo entonces g p = gm.; de esta forma la escala de tiempos queda expresada por: ൌ ଵൗ ଶ ( 2.10) Según el criterio de similitud de Froude, en el siguiente cuadro, se tienen las escalas de magnitudes más utilizadas para el fluido agua. Cuadro No. 2.2: Escalas de magnitudes según criterio de similitud de Froude para agua. MAGNITUD SÍMBOLO EQUIVALENCIA Longitud eL eL Tiempo eT eL1/2 Velocidad ev eL1/2 Aceleración eA 1 Caudal eQ eL Presión eP eL Energía eE eL Fuerza eF eL3 5/2 4 Fuente: Hidalgo, M. “Introducción a la teoría de modelos hidráulicos y aplicaciones básicas”. Quito. Departamento de Hidráulica. Escuela Politécnica Nacional. Pág. 38. Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. 30 2.4.2 EFECTOS DE LA TENSIÓN SUPERFICIAL Y VISCOSIDAD23,24,25 En flujos de superficie libre, la similitud de restringida de Froude se debe cumplir para alcanzar una reproducción geométricamente similar de la superficie del agua. Esto significa que en los modelos hidráulicos el número de Reynolds es siempre menor que el de prototipo: ୖ ൌ ଷȀଶ 26 ( 2.11) Esta relación indica que en un modelo Froudiano de escala pequeña, las fuerzas viscosas siempre tienen una importancia más grande que en el prototipo. Esta observación no tiene consecuencias, siempre y cuando el flujo esté en la región hidráulicamente rugosa tanto en la naturaleza (prototipo) como en el modelo. De esta manera un cambio en el número de Reynolds no ejerce ningún cambio sobre el coeficiente de pérdidas por fricción como se puede observar en la figura No. 2.1 23 Hidalgo, M. “Introducción a la teoría de modelos hidráulicos y aplicaciones básicas”. Quito. Departamento de Hidráulica. Escuela Politécnica Nacional. 24 Castro, M. “Análisis Dimensional y modelación física en hidráulica”. Quito. Departamento de Hidráulica. Escuela Politécnica Nacional. 25 Kobus H. (1978). “Hydraulic Modeling”. DVWW. Mitteilungsheft No. 4. Germany. 26 Kobus H. (1978). “Hydraulic Modeling”. DVWW. Mitteilungsheft No. 4. Germany. 31 Figura No. 2.1: Similitud en modelo para pérdidas de energía en modelos Froudianos con efectos de viscosidad y rugosidad. Fuente: Kobus H. (1978). ”Hydraulic Modeling”. DVWW. Mitteilungsheft No. 4. Germany. Generalmente las condiciones de flujo en el modelo de pequeña escala no caen dentro de la región hidráulicamente rugosa. Por lo tanto, la influencia de la viscosidad no está escalada correctamente. Este efecto puede ser compensado con la correcta elección de una rugosidad para el modelo. La rugosidad del modelo es escogida para poder alcanzar el mismo coeficiente de pérdidas por fricción λ tanto en el modelo como en el prototipo. A partir de esta relación: ɉൌ ୦౬ ή ଼୦౯ ୴మ ୦ ଼ ൌ ቀ ౬ቁ మ ୰ 27 ( 2.12) Con una apropiada selección de la rugosidad del modelo es posible simular correctamente los efectos combinados de la viscosidad y la rugosidad del 27 Kobus H. (1978). “Hydraulic Modeling”. DVWW. Mitteilungsheft No. 4. Germany. 32 contorno, aunque ninguno puede ser simulado correctamente por separado. Esta es la idea base de la similitud de modelos hidráulicos con influencia de la fuerza de gravedad y la viscosidad. Los modelos hidráulicos deben tener ciertas dimensiones, que se limitan por las posibilidades existentes en el laboratorio y por las condiciones de similitud que se deben cumplir. En general, el requerimiento es que el número de Reynolds en el modelo siempre debe permanecer lo suficientemente grande para garantizar un flujo con turbulencia totalmente desarrollada. Por lo tanto, para cumplir con la similitud restringida de Froude se debe por un lado garantizar que las fuerzas de viscosidad no lleguen a ser relevantes en los fenómenos en el modelo, para esto, se debe asegurar que el flujo alcanzado en el modelo sea turbulento y esté completamente desarrollado. Un número de Reynolds en modelo mayor a 2x104 garantiza el cumplimiento de este requerimiento. Otra limitación está dada por la influencia de la tensión superficial. En los problemas hidráulicos que se presentan en la naturaleza el número de Weber es tan grande que fácilmente la tensión superficial puede ser despreciada, sin embargo esto no necesariamente sucede en los modelos a escala reducida. Generalmente en el prototipo la tensión superficial tiene una influencia despreciable y por ende en todas las formulaciones para diseño de ingeniería no se la toma en cuenta. Sin embargo, para su estudio en modelo, el efecto de esta fuerza es agrandado en relación a la escala de geometría; es decir la fuerza de tensión superficial es más representativa cuando el modelo a escala es más pequeño. Para alcanzar el objetivo de la teoría de los modelos hidráulicos, el cual establece que las desviaciones en la semejanza mecánica entre el prototipo y el modelo 33 sean mínimas, se debe conseguir que el efecto de la fuerza de tensión superficial sea despreciable en prototipo y en modelo. Para ello se establecen los siguientes criterios: a) La escala geométrica no debe ser tal que el modelo se reduzca demasiado, se recomienda que sea menor a 100. ൏ ͳͲͲ b) El efecto de tensión superficial en los bordes de vertederos o paredes se reduce si es suficiente y si no lo es, puede reducirse empleando aerosoles o agua jabonosa en la estructura para reducir el efecto. c) En la literatura técnica se mencionan recomendaciones para disminuir el efecto de la tensión superficial en relación a los calados sobre vertederos los cuales no deben ser menores a 3 cm. Al cumplir la siguiente relación en función de los números de Reynolds y Weber, se asegura que los efectos de tensión superficial y viscosidad sean despreciables. Ǥଶ ൈ Ǥ ͻͲͲʹͺ Donde el número de Weber corresponde a: ൌ ඥɐΤɏ ʹͻ ( 2.13) Y el número de Reynolds corresponde a: 28 Ranga, Raju K.G. (1997). “Flow THrough Open Channels”. Tata Mc Graw Hill. Hidalgo, M. “Introducción a la teoría de modelos hidráulicos y aaplicaciones básicas”. Quito. Departamento de Hidráulica. Escuela Politécnica Nacional. 29 34 En donde: ൌ Ͷ ͵Ͳ ɋ ( 2.14) V: Velocidad (m/s) ρ: Densidad del agua (1000 kg/m3) σ: Tensión superficial del agua (7.39x10-3 kg/m )31 d: Longitud característica, se toma como longitud característica al Rh (m) Rh: Radio hidráulico (m) ߥ: Viscosidad cinemática del agua (1x10-6 m2/s)32 2.5 SELECCIÓN DE LA ESCALA 2.5.1 CRITERIOS DE SELECCIÓN DE ESCALA Para seleccionar una escala adecuada en el modelo físico, en el que se pueda cumplir con la Ley de Similitud que se ha escogido y los fenómenos que en él ocurren, es necesario tener en cuenta también la facilidad de operación de los modelos y que tan factible es la medición de los fenómenos a ser representados. Por lo tanto, para el presente proyecto, los elementos de las estructuras prototipo que se interesan reproducir para su estudio son: ESTRUCTURA No. 1: San José obrero · Tubería de entrada para caudal combinado, tubería de salida para caudal sanitario y tubería de salida de caudal pluvial derivado. · 30 Canal de transición y vertederos laterales Hidalgo, M. “Introducción a la teoría de modelos hidráulicos y aplicaciones básicas”. Quito. Departamento de Hidráulica. Escuela Politécnica Nacional. 31 Sotelo, G. (1997). “Hidráulica General”. México. Editorial Limusa. 32 Sotelo, G. (1997). “Hidráulica General”. México. Editorial Limusa. 35 ESTRUCTURA No. 2: Guaguacu Dávalos · Colector de entrada con caudal combinado, colector de salida con caudal pluvial derivado. · Orificio y umbral de separación. Una vez definidos los elementos que se modelan para el estudio, se consideran también los aspectos que rigen el laboratorio del CIERHI: · Espacio físico disponible · Capacidad de las bombas centrífugas · Disponibilidad de materiales a utilizarse en el modelo físico · Instrumentación disponible para mediciones · Costo de construcción Si el modelo es bastante grande se incurrirán en costos de construcción también elevados, lo que ocurre en caso contrario para un modelo pequeño, la diferencia principal entre estos dos modelos radica en la exactitud con la que se puedan realizar las mediciones. Es decir, mientras más grande sea el modelo las medidas se tomarán con una mayor precisión, mientras que en un modelo pequeño puede ocurrir que las medidas a ser reportadas no se aprecien de la mejor manera para el observador.33 2.5.2 SELECCIÓN DE ESCALA GEOMÉTRICA EN EL MODELO En el cuadro No. 2.3 y No. 2.4 se comparan los resultados de las diferentes dimensiones y caudales escalados que intervienen en cada modelo hidráulico de 33 Hidalgo, M. “Introducción a la teoría de modelos hidráulicos y aplicaciones básicas”. Quito. Departamento de Hidráulica. Escuela Politécnica Nacional. 36 las estructuras de separación de caudales. Estos cuadros resultan de la selección de dos escalas probables que podrían aplicarse al modelo de cada estructura. Cuadro No. 2.3: Selección de escala para la estructura No. 1 ESTRUCTURA No. 1 ESCALA 1:2 1:5 Longitud 2 5 5.66 55.90 Caudal MODELO MAGNITUDES PROTOTIPO CAUDAL (l/s) 1:1 1:2 1:5 Entrada 739.93 130.80 13.24 Sanitario máx. 83.93 14.84 1.50 Sanitario mín. 17.65 3.12 0.32 Pluvial 656.00 115.97 11.73 CALADO (m) 1:1 1:2 1:5 Entrada 0.27 0.14 0.03 Sanitario 0.10 0.05 0.01 Pluvial 0.25 0.13 0.03 LONGITUD (m) 1:1 1:2 1:5 Caja Derivadora Alto 1:1 0.02 0.01 1.20 0.60 0.24 Ancho Largo 2.00 1.00 0.40 Canal transición Largo 1.20 0.60 0.24 Entrada 0.50 0.25 0.10 Salida 0.30 0.15 0.06 Tuberías T. entrada 0.50 0.25 0.10 T. sanitario 0.30 0.15 0.06 T. pluvial 0.50 0.25 0.10 Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. 37 Cuadro No. 2.4: Selección de escala para la estructura No. 2 ESTRUCTURA No. 2 ESCALA 1:2 1:5 2 5 Longitud 5.66 55.90 Caudal MODELO MAGNITUDES PROTOTIPO CAUDAL (l/s) 1:1 1:2 1:5 Entrada 3117.9 551.17 55.77 Sanitario mín. 89.40 15.80 1.60 CALADO (m) 1:1 1:2 1:5 Entrada 0.37 0.19 0.04 Pluvial 0.54 0.27 0.05 LONGITUD (m) 1:1 1:2 1:5 Colector de entrada Alto 1.60 0.80 0.32 1.40 0.70 0.28 Ancho 1.60 0.80 0.32 Largo 6.22 3.11 1.24 Colector de salida Alto 1.60 0.80 0.32 Ancho 1.60 0.80 0.32 Largo 3.48 1.74 0.70 Orificio Derivador Alto 0.20 0.10 0.04 Ancho 0.60 0.30 0.12 Largo Dique 1.60 0.80 0.32 Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. El criterio de selección para la escala 1:1 es descartado debido a la restricción relativa a los caudales disponibles en el laboratorio para la simulación del rango de operación en cada caso. La escala 1:5 de igual forma es descartada, debido a que a pesar de reducir los caudales prototipo a caudales modelo manejables que si están dentro del rango de funcionamiento de las bombas del laboratorio, en el modelo por ser reducido, el efecto viscoso y de la tensión superficial es más importante. 38 Por las razones expuestas, y debido a que las dimensiones obtenidas con una escala 1:2 son adecuadas para observar el funcionamiento de la estructura, se selecciona esta escala de longitudes para los dos modelos físicos. En el cuadro No. 2.5 se muestra el valor numérico al que se escala cada magnitud que interviene en la modelación según el criterio de la similitud restringida de Froude, partiendo de la escala 1:2 seleccionada. Cuadro No. 2.5: Magnitudes representativas con su equivalente en escala para la Similitud Restringida de Froude. MAGNITUD SÍMBOLO EQUIVALENCIA VALOR NUMÉRICO Longitud eL eL 2 Tiempo eT eL1/2 1.41 Velocidad ev eL1/2 1.41 Aceleración eA 1 1 Caudal eQ eL5/2 5.66 Presión eP eL 2 Energía eE 4 eL 16 Fuerza eF eL 3 8 Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. 2.6 FASES DE LA INVESTIGACIÓN Las fases que definen el proceso de investigación son tres. En la primera fase se busca verificar la similitud dinámica según el criterio de Euler, así como también se debe verificar el cumplimiento de la similitud restringida de Froude mediante la calibración del modelo. En la segunda fase se analiza el comportamiento hidráulico de las estructuras de separación de caudales con diseño original mediante los modelos construidos a 39 escala. Se realizan observaciones del comportamiento del flujo y mediciones de parámetros como caudales y calados. En la tercera fase se plantean las modificaciones que permitan el correcto funcionamiento de las estructuras, se analiza su comportamiento mediante un plan de pruebas y se realizan mediciones de los parámetros fundamentales de flujo. Los objetivos planteados en la Fase I (CALIBRACIÓN DE MODELO) son: · Comprobar la similitud geométrica de Euler mediante la verificación de las dimensiones entre prototipo y modelo. · Verificar que se cumpla la similitud de Froude en el modelo mediante la verificación de los números característicos de Reynolds y Weber. Los objetivos planteados en la Fase II (ANALISIS DE DISEÑO ORIGINAL) son: · Evaluar experimentalmente la separación de caudales con el diseño original de cada una de las estructuras analizadas. · Analizar comparativamente los valores de caudales separados obtenidos experimentalmente en modelo físico con los propuestos en el diseño original de cada una de las estructuras tipo analizadas. · Observar el comportamiento del flujo en cada una de las estructuras tipo analizadas identificando la presencia de impactos o choques del flujo, separación de flujo, presencia de ondas, etc. · Evaluar cuantitativamente el funcionamiento de las estructuras mediante la obtención de las curvas experimentales que definen caudales sanitarios y pluviales en función de los caudales combinados. Los objetivos planteados en la Fase III (MODIFICACIÓN Y OPTIMIZACIÓN DEL DISEÑO ORIGINAL) son: 40 · Plantear modificaciones geométricas en las estructuras de separación para garantizar su correcto funcionamiento. · Comprobar experimentalmente dichas modificaciones. · Obtener curvas adimensionales de diseño que permitan ajustar los parámetros disponibles en la literatura técnica a las condiciones específicas del flujo tridimensional y complejo que ocurre en cada una de las estructuras analizadas. · Plantear recomendaciones generales que permitan complementar y mejorar las bases de diseño simplificadas que se manejan a nivel general para este tipo de obras. 2.7 PLAN DE PRUEBAS En las fases de investigación I y II correspondientes a la Calibración del modelo y Análisis de su funcionamiento hidráulico con el diseño original, se trabaja con la serie de caudales que se presentan en el cuadro No. 2.6 para la Estructura de Separación Tipo No. 1 y en el cuadro No. 2.7 para la Estructura de Separación Tipo No. 2. Cuadro No. 2.6: Plan de pruebas para fase I y II de investigación en estructura No. 1 Prueba ESTRUCTURA No. 1 Q Q prototipo modelo Observaciones (l/s) (l/s) A-1 16.97 3 A-2 282.84 50 A-3 452.55 80 Caudal mínimo que circula por la red Caudales intermedios en el funcionamiento de la estructura Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. 41 Cuadro No. 2.7: Plan de pruebas para fase I y II de investigación en estructura No. 2 Prueba ESTRUCTURA No. 2 Q Q prototipo modelo Observaciones (l/s) (l/s) B-1 73.54 13 B-2 424.26 75 B-3 678.82 120 Caudal mínimo medido sin vertido hacia colector pluvial Caudales intermedios en el funcionamiento de la estructura Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. El plan de pruebas para fase III correspondiente a la modificación y optimización del diseño original se presenta en el capítulo 6, una vez realizadas las pruebas con diseño original, y definidas las modificaciones que solucionen los problemas que se presenten en las diferentes estructuras. CAPÍTULO 3 3 CONSTRUCCIÓN E INSTRUMENTACIÓN DEL MODELO 3.1 CONSTRUCCIÓN DEL MODELO FÍSICO Los modelos físicos de las dos Estructuras Separadoras de Caudal tipo que se analizan en la presente investigación se ubican en el Laboratorio del Centro de Investigación y Estudios en Recursos Hídricos - C.I.E.R.H.I. – de la Escuela Politécnica Nacional, cuya planta general se presenta en la siguiente figura. Figura No. 3.1: Planta general del laboratorio CIERHI-EPN Proyecto Hidroeléctrico Toachi Pilatón Captación Presa Canal Hidrodinámico de pendiente variable ESTRUCTURA TIPO No. 1 ESTRUCTURA TIPO No. 2 Sistema de Recirculación Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. 43 La máxima capacidad de bombeo del laboratorio del CIERHI – EPN es de 800 l/s cuando operan simultáneamente las 4 bombas centrifugas existentes. El agua recircula a través de un canal que bordea perimetralmente al área del laboratorio, en donde existen distintas tomas de agua de las cuales se usan dos para la alimentación de los dos modelos físicos; una hacia el tanque de entrada del modelo de la Estructura de Separación Tipo No. 1 y, la segunda hacia el tanque de entrada del modelo de la Estructura de Separación Tipo No. 2. En las siguientes figuras se presenta con mayor detalle la implantación de los dos modelos físicos de las Estructuras de Separación Tipo No. 1 y No. 2. Figura No. 3.2: Implantación de la Estructura de Separación Tipo No. 1 Tanque de abastecimiento y uniformización de flujo Vertedero Triangular de entrada Limnímetro Canal de descarga pluvial MODELO ESTRUCTURA No. 1 Canal de descarga pluvial Estructura No. 2 Canal de descarga sanitaria Limnímetro Limnímetro Vertedero triangular Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. Vertedero triangular 44 Figura No. 3.3: Implantación de la Estructura de Separación Tipo No. 2 Vertedero rectangular de entrada Tanque de carga y uniformización de flujo Limnímetro Tanque de abastecimiento y uniformización de flujo Estructura No. 1 MODELO ESTRUCTURA No. 2 Tanque de carga y uniformización de flujo Vertedero rectangular Limnímetro Canal de descarga sanitaria Canal de descarga pluvial Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. 3.1.1 REPLANTEO Para la construcción de los modelos físicos en el interior del laboratorio, en primer lugar se realizó el replanteo de los puntos y vértices respectivos. Fotografía No. 3.1: Replanteo y ubicación de ejes para implantación de modelos físicos. 45 3.1.2 ZONA DE INGRESO A LOS MODELOS Cada uno de los dos modelos físicos están conformados por tres zonas: (1) Tanque de ingreso, uniformización y aforo, (2) Modelo propiamente dicho y (3) Canales de salida, estructuras de aforo y restitución de caudales hacia el canal de recirculación del laboratorio del CIERHI-EPN. 3.1.2.1 Tanque de ingreso, uniformización y aforo. Modelo de Estructura No. 1 Las estructuras de entrada, uniformización y aforo del modelo físico de la Estructura No. 1, se aprovecha uno de los tanques existentes en el laboratorio del CIERHI34, como se observa en la figura No. 3.4. Se garantiza la estanqueidad en todas las estructuras de ingreso al modelo. Figura No. 3.4: Implantación de la estructura de entrada, uniformización y aforo del modelo de la Estructura No. 1 Tanque de abastecimiento y uniformización de flujo TUBERÍA DE ENTRADA AL MODELO No. 1 Pantalla de uniformización Vertedero Triangular de entrada Limnímetro Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. 34 Pallares, D & Maldonado, L. (2012) “Análisis en modelo hidráulico de la estructura de interconexión de las centrales Sarapullo y Alluriquín”.Quito Ecuador. 46 El aforo del caudal de ingreso al modelo se realiza con un vertedero triangular con ángulo central de 90°. Aguas abajo del vertedero se ha colocado una pantalla de uniformización que mejora las condiciones del flujo al ingreso del modelo. Fotografía No. 3.2: Tanque de Abastecimiento y tubería de ingreso (izq). Vertedero triangular de pared delgada (der). Estructura No. 1 Vertedero triangular de entrada Tubería de presión Tanque de abastecimiento Pantalla de uniformización 3.1.2.2 Tanque de ingreso, uniformización y aforo – Modelo de Estructura No. 2 Las estructuras de entrada, uniformización y aforo del modelo físico de la Estructura No. 2 aprovechan otro tanque existente en el laboratorio del CIERHI35, como se observa en la figura No. 3.5. 35 Pallares, D & Maldonado, L. (2012). “Análisis en modelo hidráulico de la estructura de interconexión de las centrales Sarapullo y Alluriquín”.Quito. Ecuador. 47 Figura No. 3.5: Implantación de las estructuras de entrada, uniformización y aforo del modelo de la Estructura No. 2 Vertedero rectangular de entrada Pantalla de uniformización Limnímetro Pantalla de uniformización COLECTOR DE ENTRADA AL MODELO No. 2 Tanque abastecimiento y uniformización de flujo Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. Fotografía No. 3.3: Tanque de entrada y vertedero rectangular (izq). Tuberías de ingreso hacia el modelo (der). Estructura No. 2 Tubería de presión Tanque de abastecimiento Vertedero rectangular de entrada Pantalla de uniformización 48 Previo a la operación de las estructuras de entrada, uniformización y aforo del modelo de la Estructura No. 2 se realizó un mantenimiento total para garantizar la estanqueidad y estabilidad de las mismas. 3.1.3 MODELOS FÍSICOS PROPIAMENTE DICHOS 3.1.3.1 Modelo Estructura Tipo No.1 La escala geométrica selecciona para el modelo de la Estructura No. 1 es 1:2. Para garantizar la similitud restringida de Froude se escogió el acrílico de espesor 6 mm para la construcción del modelo propiamente dicho, que consta de las siguientes partes: (i) tramo de aproximación, conformado por la tubería de caudal combinado; (ii) cámara de separación de caudales en cuyo interior se dispone de la transición con vertederos laterales; y, (iii) tramos de salida, que incluyen al tramo de colector sanitario, a continuación de la transición de separación y al tramo de colector pluvial que descarga desde el fondo de la cámara derivadora. En la siguiente figura se presenta el esquema en planta y corte del modelo de la Estructura No. 1 y sus principales dimensiones. Figura No. 3.6: Esquema en planta del modelo de la Estructura de separación No. 1 Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. 49 Figura No. 3.7: Esquema en corte del modelo de la Estructura de separación No. 1 Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. La siguiente fotografía muestra una vista general del modelo de la Estructura. Fotografía No. 3.4: Modelo de la Estructura de separación de caudales No.1 Tubería de caudal combinado Canal de Transición Tubería sanitaria Cámara de separación Tubería pluvial 50 3.1.3.1.1 Tramo de aproximación de tubería de caudal combinado El tramo de aproximación hacia la cámara de separación de caudales está conformado en el modelo por una tubería de diámetro interno constante e igual 250 mm. La longitud de este tramo representada en el modelo es de 2.40 m, lo que equivale a una longitud mínima de 10 veces el diámetro. La pendiente del tramo corresponde a 4.5% que se conserva del diseño original. El tramo de aproximación conduce el caudal de operación de la estructura desde el tanque de entrada hasta la cámara separadora. El fondo de la cámara separadora se ubica a 0.60 m por debajo del nivel donde se inicia la transición de separación de caudales. Para la construcción y montaje del modelo se utilizó acrílico líquido en las uniones y silicona líquida para impermeabilizar todas las uniones. El tramo de aproximación nace en la pared del tanque de entrada y mantiene la pendiente del 4.5% en la dirección del flujo. El plano EPN-CIERHI-MF-SC01-P-002 del modelo a escala de la estructura No. 1, con el diseño original se presenta en el anexo No. 2. Fotografía No. 3.5: Moldeo de la tubería que conforma el tramo de aproximación hacia la estructura de separación de caudales No.1 51 Fotografía No. 3.6: Montaje de la tubería que conforma el tramo de aproximación hacia la estructura de separación de caudales No.1 3.1.3.1.2 Canal de transición y separación de caudales El canal de transición se inicia a continuación del tramo combinado. Por él circula el caudal total que debe ser separado. Su longitud total en modelo es de 60 cm. El ancho inicial corresponde a 40 cm y el final a 30 cm. La transición se desarrolla con una pendiente del 1.5% de acuerdo al diseño original. En cada extremo lateral de la transición se ha dispuesto un vertederos de pared gruesa con una altura de 5 cm, un ancho de 7.5 cm; la cresta tiene una geometría con esquinas redondeadas con un radio de 2.5 cm. La cámara de separación se construyó en acrílico, al igual que la base de la transición. Los vertederos laterales fueron hechos en madera lacada como se observa en las fotografías No. 3.7 (izq.) 52 Figura No. 3.8: Sección transversal inicial y final de la transición de separación. Modelo de la Estructura No. 1 Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. Fotografía No. 3.7: Canal de transición (izq.). Instalación del canal de transición en la caja separadora de caudales (der.). Estructura No.1 3.1.3.1.3 Tubería de salida pluvial La tubería para el caudal pluvial, que es evacuado sobre los vertederos laterales de la transición, se inicia en el fondo de la cámara de separación. Está construido en acrílico transparente de 6 mm de espesor y tiene un diámetro interno de 250 mm y una pendiente longitudinal del orden de 13%. En modelo se representa una 53 longitud de 82 cm. Esta tubería descarga hacia las estructuras de salida del modelo. Al igual que la tubería de ingreso principal, esta tubería fue moldeada, unida con acrílico líquido y sellada con silicona líquida para impermeabilizar después de ser nivelada para obtener la pendiente que indica el diseño original. Fotografía No. 3.8: Moldeado de la tubería pluvial de la Estructura de Separación de Caudales Tipo No.1 Fotografía No. 3.9: Montaje de la tubería pluvial de la Estructura de Separación de Caudales Tipo No.1 Inicio de la tubería sanitaria Tubería de caudal combinado Cámara de separación Inicio de la tubería pluvial 54 3.1.3.1.4 Tubería de salida del caudal sanitario separado por la transición de separación La tubería que de acuerdo con el diseño original recibe el caudal sanitario se inicia inmediatamente aguas debajo de la sección transversal final de la transición de separación. Está construida en modelo en acrílico transparente de 6 mm de espesor y tiene un diámetro interno constante de 150 mm, con una pendiente del 10%. La longitud representada en el modelo es de 3.32 m y descarga en las estructuras de descarga del modelo. Fotografía No. 3.10: Moldeado de la tubería sanitaria de la Estructura de Separación de Caudales Tipo No.1 Fotografía No. 3.11: Montaje de la tubería sanitaria de la estructura de separación de caudales Tipo No.1 55 En el siguiente cuadro se resumen las dimensiones en modelo y prototipo de la Estructura de Separación Tipo No. 1. Cuadro No. 3.1: Resumen de dimensiones en modelo para Estructura Tipo No.1 DIMENSIONES ESTRUCTURA No.1 DIMENSIÓN UNIDAD MAGNITUD Tubería de entrada Longitud m 2.40 Diámetro interno mm 250 Cámara principal Alto m 1.10 Largo m 1.00 Ancho m 0.60 Canal de transición Largo m 0.60 Ancho ingreso m 0.25 Ancho salida m 0.15 Altura vertederos m 0.05 Ancho vertederos m 0.075 Tubería pluvial Longitud m 0.82 Diámetro interno mm 250 Tubería sanitaria Longitud m 3.32 Diámetro interno mm 150 Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. 3.1.3.2 Modelo Estructura de Separación de Caudales Tipo No. 2 El modelo físico está construido en acrílico transparente de 6 mm de espesor y planchas de madera triplex de 18 mm de espesor. La escala seleccionada para este modelo corresponde a 1:2, por lo que las dimensiones de esta estructura en modelo corresponden a la mitad de las respectivas dimensiones del prototipo. En la siguiente figura se presenta el esquema del modelo de la Estructura No. 2 y sus principales dimensiones en planta y en corte. 56 Figura No. 3.9: Esquema en planta del modelo de la Estructura de Separación Tipo No. 2 Colector pluvial Colector de entrada Caudal combinado Umbral Desviación de caudal sanitario Margen izquierda Orificio de derivación Margen derecha Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. Figura No. 3.10: Esquema en corte A-A longitudinal del modelo de la Estructura de Separación Tipo No. 2 Umbral Colector pluvial Orificio de derivación Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. 57 Figura No. 3.11: Esquema en corte transversal del modelo de la Estructura de Separación Tipo No. 2 Umbral Orificio de derivación Desviación de caudal sanitario Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. En la Fotografía siguiente se observan las características generales del modelo de la Estructura No. 2 en el laboratorio del CIERHI. Fotografía No. 3.12: Vista Superior (izq) y Vista Frontal (der). Estructura de Separación Tipo No. 2 Tanque de abastecimiento Estructuras de descarga Canal de descarga sanitaria 58 3.1.3.2.1 Colector combinado de aproximación hacia la Estructura de Separación Tipo No. 2 El modelo se inicia con colector de aproximación de sección rectangular de 0.7 m x 0.76 m cuya pendiente es de 5.6%. La longitud representada en modelo desde el tanque que entrega el flujo aforado y uniformizado es de 1.22 m. El tramo de canal de aproximación se une a la zona de separación de caudales con un cambio de dirección en planta, mediante una transición curva de tres radios: R1 = 1.61 m, R2 = 1.44 m y R3 = 1.21 m. Al iniciar este cambio de dirección en planta la pendiente se reduce a la mínima de 1‰. Esta transición permite que el ancho del colector combinado cambie de 0.7 m a 0.8 m en el tramo del colector de descarga del caudal pluvial, aguas abajo de la zona de separación de caudales. En la siguiente figura se presenta el detalle de la configuración en planta de la estructura de separación No. 2 y en el plano EPN-CIERHI-MF-SC02P-002 del anexo No. 1 se observa la configuración total del modelo. Fotografía No. 3.13: Construcción del colector combinado de aproximación (izq). Armado de tramo curvo (der) que permite el cambio de dirección en planta de Estructura Tipo No.2 59 Figura No. 3.12: Vista en planta del colector de entrada y transición curva. Estructura de Separación Tipo No. 2 Colector pluvial Zona de separación de caudales Colector de entrada Transición Curva Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. Fotografía No. 3.14: Montaje del tramo de colector combinado de aproximación. Estructura No.2 60 3.1.3.3 Orificio de derivación El orificio lateral de derivación se encuentra ubicado en la margen derecha de la cámara de separación de caudales, inmediatamente por encima del fondo. El orificio tiene una sección rectangular con altura de 0.10 m y ancho de 0.30 m, en modelo. Este orificio permite la derivación del caudal sanitario, mientras que el caudal pluvial continúa en la dirección principal del flujo. Para garantizar la derivación del caudal sanitario en época seca el diseño original ha previsto la colocación de un umbral en todo el ancho de la cámara como se observa en la fotografía No. 3.16. Fotografía No. 3.15: Orificio de derivación lateral en el modelo de la Estructura Tipo No.2 Orificio de derivación lateral Orificio de derivación lateral 3.1.3.4 Umbral El umbral se encuentra ubicado transversalmente en el extremo de aguas abajo del orificio lateral que corresponde a la sección inicial del tramo de colector de salida del caudal pluvial. El umbral tiene una sección transversal rectangular de 0.10 m de alto y 0.10 m de ancho con una longitud de 0.8 m. 61 Fotografía No. 3.16: Montaje de umbral transversal. Estructura No.2 Umbral transversal Umbral transversal Orificio lateral de derivación Orificio lateral de derivación 3.1.3.5 Colector de salida El colector de salida que descargará el caudal pluvial se inicia a continuación del tramo curvo; en modelo tiene un ancho y una longitud de 0.80 m y 1.74 m respectivamente. Su pendiente es del 1.28%. Fotografía No. 3.17: Montaje del colector de salida. Modelo de la Estructura Tipo No.2 En el siguiente cuadro se resumen las dimensiones en modelo y prototipo de la Estructura de Separación Tipo No. 2. 62 Cuadro No. 3.2: Resumen de dimensiones en modelo para Estructura Tipo No.2 DIMENSIONES ESTRUCTURA No.2 DIMENSIÓN UNIDAD MAGNITUD Colector de entrada Longitud m 1.22 Altura m 0.76 Ancho m 0.70 Transcisión curva Altura m 0.76 Radio 1 m 1.61 Radio 2 m 1.44 Radio 3 m 1.21 Orificio Altura m 0.10 Ancho m 0.30 Dique Ancho m 0.10 Altura m 0.10 Longitud m 0.80 Colector salida Longitud m 1.74 Altura m 0.76 Ancho m 0.80 Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. 3.1.4 ZONA DE SALIDA (CANALES DE DESCARGA) 3.1.4.1 Canales de descarga estructura Tipo No. 1 Para recibir los caudales descargados por el modelo de la estructura No. 1 se han construido dos canales de sección rectangular, para la descarga pluvial y sanitaria, respectivamente. Previa la restitución de estos caudales al sistema de recirculación del laboratorio se ha dispuesto en cada canal un vertedero triangular de pared delgada con ángulo central de 90°, que permiten aforar los caudales a la salida del modelo. 63 Figura No. 3.13: Vista en Planta de canales de descarga pluvial y sanitaria. Estructura Tipo No. 1 Canal de descarga pluvial Modelo Estructura No.1 Canal de descarga sanitaria Tubería pluvial Tubería sanitaria Impactador de madera Pantalla de uniformización Pantalla de uniformización Limnímetro Vertedero triangular Limnímetro Vertedero triangular Hacia canal de recirculación Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. Fotografía No. 3.18: Construcción de canales de descarga pluvial y sanitaria. Estructura Tipo No.1 Canal de descarga pluvial Canal de descarga sanitaria 64 3.1.4.2 Canales de descarga Modelo de la Estructura Tipo No. 2 Las estructuras de descarga y restitución previstas para el Modelo de la Estructura No. 2 incluyen un canal de sección rectangular a continuación del tramo de colector pluvial, para recibir su descarga; y un canal de madera Triplex de 18 mm de espesor, el cual recibe el caudal sanitario separado por el orificio de derivación. Los dos canales tienen en sus respectivas secciones finales estructuras de aforo correspondientes a vertederos rectangulares, para registrar los caudales que son restituidos al sistema de recirculación del laboratorio del CIERHI. Figura No. 3.14: Vista en Planta de canales de descarga y restitución de caudales en el Modelo de la Estructura Tipo No.2 Modelo Estructura No.2 Limnímetro Canal de descarga sanitaria Hacia canal de recirculación Limnímetro Canal de descarga pluvial Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. Hacia canal de recirculación 65 Fotografía No. 3.19: Construcción del canal de descarga pluvial. Modelo de la Estructura Tipo No.2 Fotografía No. 3.20: Construcción del canal de descarga y restitución del caudal sanitario separado. Modelo de la Estructura Tipo No.2 3.2 INSTRUMENTACIÓN DE LOS MODELOS 3.2.1 VERTEDERO TRIANGULAR DE PARED DELGADA Θ = 90° Los caudales de ingreso y de descarga de la estructura No. 1 son medidos mediante vertederos triangulares de pared delgada normalizada con un ángulo de escotadura de 90°. 66 Las dimensiones de cada vertedero se calculan en base a un rango de caudales dispuestos para el estudio del comportamiento del modelo físico, de conformidad con lo definido en el plan de pruebas para el análisis experimental de la Estructura No. 1. El diseño de los vertederos de aforo considera al caudal sanitario como parámetro mínimo y al caudal combinado como el máximo que será medido con esta estructura. Los vertederos de aforo garantizan la cresta de pared delgada normalizada y son construidos con tabla triplex de 18 mm de espesor, la misma que es sellada y lacada para prolongar su vida útil ya que estarán en contacto permanente con agua. Figura No. 3.15: Esquema de dimensiones del vertedero triangular de 90° Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. La ecuación para determinar el caudal con ayuda de los vertederos triangulares está dada por: ൌ ή ହȀଶ 36 36 Sotelo, G. (1997). “Hidráulica General”. México. Editorial Limusa. ( 3.1) 67 En donde: Q: caudal (m3/s) C: ଼ ଵହ ඥʹɊ , coeficiente que depende de θ, μ y la gravedad μ: coeficiente que considera la contracción de la lámina vertiente sobre el vertedero h: altura de agua sobre la cresta del vertedero (m) Atendiendo a los rangos de operación así como a los límites de aplicación que se reportan en la literatura técnica se adopta la fórmula experimental propuesta por Hegly (1921)37 para determinar el coeficiente adimensional de gasto μ. ଶ ͲǤͲͲ͵ͷ ଶ Ɋ ൌ ͲǤͷͺͳʹ ൨ ൝ͳ ቈ ൡ ሺ ሻ ( 3.2) La ecuación 3.2 es válida para un ángulo de escotadura θ=90°; 0.10 m ≤h≤ 0.50 m y profundidades w pequeñas. En el cuadro No. 3.3 se pueden observar las dimensiones de los tres vertederos diseñados para aforar los caudales de ingreso y salida de la Estructura No. 1. Cuadro No. 3.3: Parámetros de diseño para vertederos triangulares. Modelo de la Estructura No. 1 CAUDAL θ (°) Combinado 90 Sanitario 90 Pluvial 90 B (m) 1.00 1.00 0.82 w (m) hmin (m) hmax (m) 0.87 0.09 0.41 0.30 0.93 0.35 0.20 0.96 0.37 Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. 37 Sotelo, G. (1997). “Hidráulica General”. México. Editorial Limusa. 68 Fotografía No. 3.21: Vertedero triangular de pared delgada θ=90° en tanque de entrada, uniformización y aforo. Modelo de la Estructura No.1 Para uniformizar el flujo de aproximación se ha dispuesto aguas arriba de cada vertedero una pantalla conformada por malla plástica fina que cubre todo el ancho del flujo hacia el vertedero. La medición de la carga se realiza en la zona de flujo uniformizado, a una distancia máxima de 4 veces la carga 38, aguas arriba del vertedero. Fotografía No. 3.22: Vertedero triangular de pared delgada θ=90° para aforo del caudal de descarga de caudal pluvial (izq) y del caudal sanitario (der). Modelo de la Estructura No.1 38 Sotelo, G. (1997). “Hidráulica General”. México. Editorial Limusa. 69 3.2.2 VERTEDERO RECTANGULAR DE PARED DELGADA Para el aforo de caudales en la estructura No. 2 se utilizan vertederos rectangulares; en la sección de aforo del caudal de ingreso a la estructura se tiene un vertedero rectangular asimétrico con contracciones39, en el canal de descarga pluvial se construye un vertedero rectangular con contracciones simétricas, y en la descarga sanitaria se coloca un vertedero rectangular sin contracciones. El vertedero existente en el tanque de abastecimiento de la estructura No. 2 se utiliza para medir los caudales de ingreso y está construido en madera de 18 milímetros de espesor sellada y lacada, tiene un ancho “b” de 0.67 m, la altura desde la cresta del vertedero hasta el fondo del tanque “w” es de 2.33 m como se puede observar en la siguiente figura. Figura No. 3.16: Esquema de dimensiones para vertedero rectangular con contracciones asimétrico ubicado en el ingreso al Modelo de la Estructura No. 2 Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. 39 Pallares, D & Maldonado, L. (2012). “Análisis en modelo hidráulico de la estructura de interconexión de las centrales Sarapullo y Alluriquín”.Quito. 70 Fotografía No. 3.23: Vertedero rectangular de pared delgada ubicado en el tanque de abastecimiento. Estructura No.2 La ecuación de descarga de los vertederos rectangulares es la expresión siguiente: ൌ ή ή ଷȀଶ 40 ( 3.3) En donde: Q: Caudal (m3/s) C: Coeficiente que depende de μ, C= 2.952 μ μ: Coeficiente que considera la contracción de la lámina de agua sobre la cresta del vertedero h: Altura del agua sobre la cresta del vertedero (m) b: Ancho del vertedero (m) Para el cálculo de caudal en el vertedero de entrada existente, ubicado en el tanque de abastecimiento, debido a su geometría compleja y asimétrica se adopta en primera instancia la fórmula experimental de Hamilton-Smith para calcular el coeficiente μ, el cual se define en la ecuación No. 3.4 40 Sotelo, G. (1997). “Hidráulica General”. México. Editorial Limusa. 71 ߤ ൌ ͲǤͳ ሺͳ െ ܾ ሻͶͳ ͳͲܤ ( 3.4) Para realizar el aforo del caudal sanitario que se descarga a través del orifico de derivación, se construye un vertedero rectangular sin contracciones del ancho del canal que corresponde a 1.18 m y un alto de 0.35 m. Fotografía No. 3.24: Vertedero rectangular de pared delgada ubicado en el canal de descarga y restitución del caudal sanitaria. Modelo de la Estructura No. 2 De igual forma, otro vertedero de pared delgada y contracciones laterales simétricas se instala en el canal de descarga pluvial, tiene un ancho total de 0.82 m y una altura de 0.40 m desde el fondo del canal hasta la cresta. 41 Sotelo, G. (1997). “Hidráulica GeneralL”. México. Editorial Limusa. 72 Figura No. 3.17: Esquema de dimensiones para vertedero rectangular con contracciones simétrico. Modelo de la Estructura No. 2 Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. Fotografía No. 3.25: Vertedero rectangular con contracciones, ubicado en canal de descarga y restitución del caudal pluvial. Modelo de la Estructura No. 2 Para determinar el valor del coeficiente adimensional de descarga μ en el caso de los vertederos rectangulares, colocados en los canales que reciben los caudales de descarga pluvial y sanitaria, se utiliza la ecuación experimental propuesta por 73 Hegly (1921)42, tomando en cuenta que en el caso de contracciones B es al ancho del canal y b el ancho efectivo del vertedero. Ɋ ൌ ͲǤͲͷ െ ͲǤͲͶͷ ൬ െ ͲǤͲͲͶͳ ଶ ଶ ൰ ൰ Ͷ͵ ൨ ൈ ቈͳ ͲǤͷͷ ൬ ൰ ൬ ( 3.5) En el cuadro No. 3.4 se presentan las dimensiones de los dos vertederos utilizados para aforar los caudales sanitario y pluvial del Modelo de la Estructura No. 2. Cuadro No. 3.4: Parámetros de diseño para vertederos rectangulares. Modelo de la Estructura No. 2 CAUDAL CONTRACCIÓN B (m) b (m) w (m) hmin (m) hmax (m) Sanitario no 1.18 1.18 0.35 0.03 0.12 Pluvial si 0.82 0.42 0.20 0.05 0.30 Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. 3.2.3 LIMNÍMETRO Este instrumento de medición se instala en los tanques de entrada a los dos modelos así como en los canales de descarga y restitución de los mismos. Se colocan aguas arriba de los vertederos y permiten medir la altura o calado para un determinado caudal circulante. El rango de alturas varía de 0 a 600 mm con una precisión de 0.1 mm. Dentro del proyecto se instalan 8 limnímetros, cada estructura está equipada con 4 de estos instrumentos los cuales se ubican aguas arriba de cada vertedero de medida, también se colocan en sectores específicos como en el tramo de aproximación del colector combinado en el Modelo de la Estructura No. 1 y en el colector de caudal pluvial en el Modelo de la Estructura No. 2. 42 43 Sotelo, G. (1997). “Hidráulica General”. México. Editorial Limusa. Sotelo, G. (1997). “Hidráulica General”. México. Editorial Limusa. 74 Fotografía No. 3.26: Limnímetro ubicado en tubería de caudal combinado. Modelo de Estructura No. 1 (izq), y colector de caudal pluvial. Modelo de Estructura No. 2 (der). 3.2.4 REGLAS Y CINTAS DE MEDIDA Todas las mediciones longitudinales que se realizan en los modelos físicos (alturas, anchos, calados) se toman con la ayuda de estos instrumentos. La precisión con la que se trabaja con este instrumente es de 1 mm y el rango de lecturas varía de 1 a 150 mm. Fotografía No. 3.27: Reglas y cintas métricas 75 3.2.5 PROBETA La probeta es un recipiente plástico graduado que permite medir volúmenes con precisión en el momento de realizar el aforo de los vertederos de las estructuras; tiene un litro de capacidad y su precisión es de 1 ml. Fotografía No. 3.28: Probeta de medida de 2 y 1 litros CAPÍTULO 4 4 CALIBRACIÓN DE LOS MODELOS FÍSICOS En este capítulo se presenta el análisis que permite validar los modelos físicos construidos en el laboratorio del CIERHI de las Estructuras de Separación de Caudales Tipo No. 1 y No. 2, para lo cual se presenta en primer lugar la comprobación de la similitud geométrica así como de la similitud restringida de Froude. Para verificar la continuidad y estanqueidad en cada uno de los modelos se presenta a continuación las curvas experimentales de descarga obtenidas para los vertederos de aforo tanto a la entrada a los modelos como a la salida de los mismos. 4.1 CALIBRACIÓN DE LOS VERTEDEROS DE MEDIDA La calibración de los vertederos de medida ubicados tanto a la entrada como a la salida de cada uno de los modelos construidos se realiza aforando volumétricamente el caudal que pasa a través de los mismos para los rangos de operación previstos en la investigación y midiendo simultáneamente la carga correspondiente sobre el vertedero. La sección de medición de la carga se ubica aguas arriba de la sección de la estructura, cumpliendo de esta forma la recomendación experimental de que la sección de medición de la carga sobre el vertedero debe estar alejada de la zona de aceleración de flujo, para lo que se ubica aproximadamente a una distancia igual a cuatro (4) veces la carga máxima esperada. El aforo volumétrico se realiza con un recipiente plástico y se mide con ayuda de una probeta plástica graduada de 1 litro de capacidad. Se registra el tiempo de 77 llenado con un cronómetro. Se obtiene el volumen descargado por el vertedero en la unidad de tiempo. La carga sobre el vertedero se determina con ayuda del limnímetro, en tres puntos en el ancho de la sección transversal. Se obtiene una curva experimental y se la compara con curvas teóricas aplicando expresiones empíricas reportadas en la literatura técnica válidas, para los coeficientes adimensionales de descarga del tipo de vertedero analizado. En las siguientes fotografías se presenta el proceso de obtención de la curva experimental de descarga de los vertederos de aforo instalados en el ingreso y salida de los modelos. Fotografía No. 4.1: Aforo volumétrico para vertederos de pared delgada con ángulo de escotadura de 90°. Modelo de la Estructura Tipo No. 1 Fotografía No. 4.2: Aforo volumétrico para vertederos rectangulares de pared delgada. Modelo de la Estructura Tipo No. 2 78 4.1.1 CURVA EXPERIMENTAL DE DESCARGA PARA VERTEDEROS TRIANGULARES DE PARED DELGADA CON ÁNGULO θ = 90° Para obtener la curva experimental se analizan todas las mediciones realizadas en vertederos triangulares de pared delgada con ángulo θ = 90°. En el siguiente cuadro se resumen los datos utilizados para obtener la curva de descarga. Cuadro No. 4.1: Resumen de puntos medidos para vertederos triangulares. Modelo Estructura No. 1 Caudal aforado Volumétricamente (l/s) 0.33 0.77 1.04 2.21 2.40 4.09 5.34 6.94 7.90 12.37 18.41 22.72 30.00 40.00 50.00 70.00 80.00 100.00 130.00 150.00 Carga sobre el vertedero (cm) 3.31 4.36 4.98 6.93 7.22 9.00 9.64 11.37 12.36 15.07 15.97 19.15 20.87 23.55 25.86 29.79 31.50 34.60 38.63 41.02 Observaciones A cargas mayores sobre los vertederos se complica el aforo; por lo tanto el caudal se lo determina mediante las correspondientes ecuaciones de tendencia que representan el comportamiento de los vertederos. Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. Las correspondientes hojas de registro de datos y el procesamiento de los mismos se presentan en el anexo No. 3. En el gráfico No. 4.1 se presenta la curva experimental de descarga para vertederos triangulares con ángulo θ = 90° que se utiliza en la presente investigación para aforo de caudales de ingreso y salida del modelo de la Estructura Tipo No. 1. La ecuación de ajuste corresponde a la 79 siguiente expresión: Q=0.0216h2.382 con un valor de coeficiente de ajuste R2 = 0.9987. Gráfico No. 4.1: Curva de descarga experimental para vertederos triangulares de pared delgada con ángulo θ = 90°. Modelo de la Estructura Tipo No. 1 CURVA DE DESCARGA EXPERIMENTAL PARA VERTEDEROS TRIANGULARES ESTRUCTURA No.1 Q = 0.0216·h2.382 R² = 0.9987 160.00 140.00 Q (l/s) 120.00 100.00 80.00 60.00 experimental 40.00 20.00 0.00 0.00 10.00 20.00 30.00 h (cm) 40.00 50.00 Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. Cuadro No. 4.2: Comparación entre curvas teórica y experimental para vertederos triangulares. Modelo Estructura No. 1 Q (l/s) COMPARACIÓN ENTRE CURVAS DE DESCARGA TEÓRICA Y EXPERIMENTAL PARA VERTEDEROS TRIANGULARES ESTRUCTURA No. 1 160.00 140.00 120.00 100.00 80.00 60.00 40.00 20.00 0.00 0.00 experimental Q = 0.0216h2.382 teórica Q = 0.015h2.4799 experimental teórica 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 h (cm) Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. 80 4.1.2 CURVAS EXPERIMENTALES DE DESCARGA PARA VERTEDEROS RECTANGULARES CON Y SIN CONTRACCIONES LATERALES Para obtener las respectivas curvas experimentales se analizan las mediciones registradas en los aforos tanto para el vertedero rectangular de pared delgada con contracciones laterales, instalado a la entrada del modelo de la Estructura Tipo No. 2 como para el ubicado en el canal de restitución de la descarga pluvial, así como para el vertedero rectangular sin contracciones laterales, ubicado a la salida de la descarga sanitaria. En los siguientes cuadros se resumen los datos utilizados para obtener las curvas de descarga. Cuadro No. 4.3: Resumen de puntos medidos en el aforo volumétrico del vertedero rectangular de ingreso. Modelo Estructura No. 2 Caudal aforado Volumétricamente (l/s) 2.46 Carga sobre el vertedero (cm) 1.33 5.66 3.88 26.17 9.99 19.04 12.20 4.83 1.83 12.77 5.45 11.79 5.45 23.68 10.01 16.56 7.14 12.51 7.14 Observaciones Para el aforo volumétrico del vertedero rectangular con contracciones de ingreso al modelo de la Estructura No. 2, se realizaron varias mediciones debido que se observó un inconsistencia entre los aforos realizados. Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. 81 Cuadro No. 4.4: Resumen de puntos medidos en el aforo volumétrico del vertedero rectangular de descarga sanitaria. Modelo Estructura No. 2 Caudal aforado Volumétricamente (l/s) 4.83 Carga sobre el vertedero (cm) 1.46 8.33 2.17 14.78 3.90 18.83 4.17 Observaciones No se pudo realizar aforos volumétricos para carga mayores debido a la dificultad de registrar los datos Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. Cuadro No. 4.5: Resumen de puntos medidos en el aforo volumétrico del vertedero rectangular de descarga pluvial. Modelo Estructura No. 2 Caudal aforado Volumétricamente (l/s) Carga sobre el vertedero (cm) 5.58 4.04 23.76 8.54 35.50 10.03 2.94 2.06 39.90 13.71 Observaciones No se pudo realizar aforos volumétricos para carga mayores debido a la dificultad de registrar los datos Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. Las correspondientes hojas de registro de datos y el procesamiento de los mismos se presentan en el anexo No. 3. En todos los casos de vertederos rectangulares con y sin contracciones laterales se adoptan las ecuaciones teóricas definiendo los coeficientes adimensionales de descarga con la expresión dada por: C= 2.952 μ, como válidas para realizar la medición de caudales tanto a la entrada como a la salida del modelo de la Estructura Tipo No. 2. En el siguiente cuadro se resumen las ecuaciones obtenidas. 82 Cuadro No. 4.6: Resumen de ecuaciones teóricas adoptadas para la descarga de los vertederos rectangulares del Modelo Estructura No. 2 Ubicación del vertedero rectangular Expresión empírica para definir el coeficiente adimensional de descarga Ecuación de Descarga Hamilton-Smith Entrada al Modelo No. 2 Salida Descarga pluvial Salida Descarga sanitaria ܾ ߤ ൌ ͲǤͳ ͳ െ ͳͲܤ Q = 1.1769 h 1.5 Hegly െ ͲǤͲͲͶͳ Ɋ ൌ ͲǤͲͷ െ ͲǤͲͶͷ ൈ ͳ ͲǤͷͷ ଶ Hegly െ ͲǤͲͲͶͳ Ɋ ൌ ͲǤͲͷ െ ͲǤͲͶͷ ൈ ͳ ͲǤͷͷ ଶ ଶ Q = 2.8878 h ଶ Q = 0.8724 h 1.405 1.4571 Observaciones Vertedero con contracciones asimétricas R2 = 1 Vertedero con contracciones dsimétricas R2 = 0.9996 Vertedero sin contracciones R2 = 0.9999 Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. Donde: Q: caudal (m3/s) h: altura del agua sobre la cresta del vertedero (m) μ: coeficiente que considera la contracción de la lámina de agua sobre la cresta del vertedero b: ancho efectivo del vertedero (m) B: ancho total del vertedero (m) W: altura del vertedero (m) En los siguientes gráficos se presentan las respectivas curvas de descarga. 83 Gráfico No. 4.2: Curva de descarga del vertedero rectangular con contracciones laterales. Ingreso al modelo de la Estructura Tipo No.2 Q (l/s) VERTEDERO RECTANGULAR DE INGRESO ESTRUCTURA No. 2 Ecuación teórica 140.00 120.00 100.00 80.00 60.00 40.00 20.00 0.00 0.00 Q = 1.1769h R² = 1 1.5 teórica experimetal 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 h (cm) Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. Gráfico No. 4.3: Curva de descarga del vertedero rectangular sin contracciones laterales. Canal de descarga sanitaria de la Estructura Tipo No.2 VERTEDERO RECTANGULAR DESCARGA SANITARIA ESTRUCTURA No. 2 Ecuación teórica 120.00 Q = 2.8878h1.405 R² = 0.9996 Q (l/s) 100.00 80.00 60.00 experimental teórica 40.00 20.00 0.00 0.00 5.00 10.00 15.00 h (cm) Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. 84 Gráfico No. 4.4: Curva de descarga del vertedero rectangular con contracciones laterales. Canal de descarga pluvial de la Estructura Tipo No.2 VERTEDERO RECTANGULAR DESCARGA PLUVIAL ESTRUCTURA No. 2 Comparación entre valores teóricos y experimentales 140.00 Q = 0.8724h1.4571 R² = 0.9999 120.00 Q (l/s) 100.00 80.00 60.00 experimental 40.00 teórica 20.00 0.00 0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 h (cm) Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. Como se observa en las gráficas 4.2, 4.3 y 4.4 los aforos volumétricos no arrojan resultados lo suficientemente confiables para elaborar una curva de descarga experimental ya que los valores aforados no mantienen una consistencia con la curva de descarga teórica. Por esta razón se desecha una posible curva de descarga experimental y se trabaja con la teórica. 4.1.3 VERIFICACIÓN DE CONTINUIDAD EN LOS MODELOS Para la verificación de la continuidad tanto en el modelo de la Estructura Tipo No. 1 como del modelo de la Estructura Tipo No. 2 se utiliza las mediciones realizadas en el Plan de Pruebas correspondiente, presentado en el numeral 2.7. En los siguientes cuadros se resume la información que presenta el caudal medido en el ingreso y a la salida de cada modelo. 85 Cuadro No. 4.7: Verificación de continuidad. Estructura Tipo No. 1 Prueba A-1 A-2 A-3 Q ingreso medido (l/s) 3.08 50.62 81.03 MODELO FÍSICO ESTRUCTURA No. 1 Q Q Q Q ingreso sanitario pluvial salida Desviación Q salida medido medido medido % (l/s) (l/s) (l/s) (l/s) 3.08 0.01 3.09 0.00 0.14 29.56 21.16 50.72 -0.09 0.18 43.39 37.84 81.23 -0.20 0.25 Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. Cuadro No. 4.8: Verificación de continuidad. Estructura No. 2. MODELO FÍSICO ESTRUCTURA No. 2 Q Q Q Q ingreso Q ingresosanitario pluvial salida Desviación Q salida Prueba medido medido medido medido % (l/s) (l/s) (l/s) (l/s) (l/s) B-1 9.34 13.31 0.00 13.31 -3.96 42.41 B-2 63.46 29.38 45.30 74.68 -11.22 17.68 B-3 114.12 32.38 88.61 121.00 -6.87 6.02 Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. En el modelo de la Estructura Tipo No. 1 existe una coincidencia entre los caudales registrados a la entrada y salida del mismo. Las desviaciones son menores al 1%. En el modelo de la Estructura Tipo No. 2 se observan desviaciones relativamente importantes, especialmente para los caudales menores. Luego de verificar que no existan fugas en el modelo, se explican los valores altos de desviación debido a la dificultad de medición que existe en el vertedero de entrada al modelo de la Estructura Tipo No. 2, por lo cual se decide utilizar la información registrada únicamente en los vertederos de salida del mismo. 86 4.2 VERIFICACIÓN DE LA SIMILITUD GEOMÉTRICA Para verificar el cumplimiento de la similitud geométrica se realiza el levantamiento topográfico del modelo, con estación total cuya precisión es de 2 segundos con una tolerancia de 1 mm. En los cuadros siguientes se muestra la comparación entre las dimensiones en planta y en elevación registradas en los modelos construidos con las dimensiones correspondientes de las estructuras en prototipo. Cuadro No. 4.9: Dimensiones medidas en modelo físico y en prototipo. Modelo Estructura Tipo No. 1 DIMENSIONES MEDIDAS EN MODELO FÍSICO ESTRUCTURA No.1 DIMENSIÓN UNIDAD Longitud Diámetro ingreso Diámetro salida m mm mm Alto Largo Ancho m m m Largo Ancho ingreso Ancho salida Altura vertederos Ancho vertederos m m m m m Longitud Diámetro ingreso Diámetro salida m mm mm Longitud Diámetro ingreso Diámetro salida m mm mm DISEÑO CONSTRUCCIÓN DESVIACIÓN Tubería de entrada 2.40 2.399 0.042% 250 252 -0.800% 250 250 0.000% Cámara principal 1.10 1.099 0.091% 1.00 0.999 0.100% 0.60 0.598 0.333% Canal de transición 0.60 0.60 0.000% 0.25 0.251 -0.400% 0.15 0.148 1.333% 0.05 0.050 0.000% 0.075 0.075 0.000% Tubería pluvial 0.82 0.819 0.122% 250 251 -0.400% 250 252 -0.800% Tubería sanitaria 3.32 3.331 -0.331% 150 152 -1.333% 150 152 -1.333% Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. Se observa que las desviaciones en las dimensiones son inferiores a ±1.5%, lo que se considera aceptable. 87 Cuadro No. 4.10: Elevaciones medidas en modelo físico y en prototipo. Modelo de la Estructura Tipo No. 1 COTAS MEDIDAS EN MODELO FÍSICO ESTRUCTURA No.1 DIMENSIÓN UNIDAD DISEÑO CONSTRUCCIÓN DESVIACIÓN Tubería de entrada Cota base entrada m 1.423 1.413 0.703% Cota base salida m 1.316 1.314 0.152% Cota clave entrada m 1.670 1.673 -0.180% Cota clave salida m 1.572 1.575 -0.191% Cámara principal Cota de fondo m 0.716 0.716 0.000% Canal de transición Cota de ingreso m 1.316 1.316 0.000% Cota de salida m 1.306 1.308 -0.153% cota cresta vertedero entrada m 1.366 1.369 -0.220% cota cresta vertedero salida m 1.356 1.360 -0.295% Tubería pluvial Cota base entrada m 0.716 0.716 0.000% Cota base salida m 0.616 0.612 0.649% Cota clave entrada m 0.973 0.975 -0.206% Cota clave salida m 0.869 0.860 1.036% Tubería sanitaria Cota base entrada m 1.306 1.308 -0.153% Cota base salida m 0.964 0.963 0.104% Cota clave entrada m 1.463 1.461 0.137% Cota clave salida m 1.122 1.118 0.357% Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. Se observa que las desviaciones en elevación son inferiores a ±1%, lo que se considera aceptable. 88 Cuadro No. 4.11: Dimensiones medidas en modelo físico y en prototipo – Modelo de la Estructura Tipo No. 2 DIMENSIONES MEDIDAS EN MODELO FÍSICO ESTRUCTURA No.2 DIMENSIÓN Longitud Altura ingreso Ancho ingreso Altura salida Ancho salida Altura ingreso ancho inicial ancho final Altura Salida altura ancho ancho altura Longitud Longitud Altura ingreso Ancho ingreso Altura salida Ancho salida UNIDAD DISEÑO CONSTRUCCIÓN DESVIACIÓN Colector de entrada m 1.22 1.223 -0.246% m 0.76 0.759 0.132% m 0.70 0.694 0.857% m 0.76 0.759 0.132% m 0.70 0.695 0.714% Transcisión curva m 0.76 0.76 0.000% m 0.70 0.695 0.714% m 0.80 0.796 0.500% m 0.76 0.758 0.263% Orificio m 0.10 0.10 0.000% m 0.30 0.301 -0.333% Dique m 0.10 0.101 -1.000% m 0.10 0.101 -1.000% m 0.80 0.796 0.500% Colector salida m 1.74 1.740 0.000% m 0.76 0.759 0.132% m 0.80 0.796 0.500% m 0.76 0.760 0.000% m 0.80 0.796 0.500% Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. Se observa que las desviaciones en dimensiones son inferiores a ±1%, lo que se considera aceptable. 89 Cuadro No. 4.12: Elevaciones medidas en modelo físico y en prototipo – Modelo de la Estructura Tipo No. 2 COTAS MEDIDAS EN MODELO FÍSICO ESTRUCTURA No.2 DIMENSIÓN Cota base entrada Cota base salida Cota de fondo ingreso Cota de fondo salida Cota de fondo ingreso Cota de la cresta Cota base entrada Cota base salida UNIDAD DISEÑO CONSTRUCCIÓN DESVIACIÓN Colector de entrada m 1.240 1.238 0.161% m 1.172 1.170 0.171% Transcisión curva m 1.172 1.170 0.171% m 1.170 1.170 0.000% Orificio m 1.168 1.165 0.257% Dique m 1.265 1.264 0.079% Colector salida m 1.170 1.170 0.000% m 1.148 1.149 -0.087% Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. Se observa que las desviaciones en elevación son inferiores a ±1%, lo que se considera aceptable. 4.3 VERIFICACIÓN DE LA SIMILITUD RESTRINGIDA De conformidad con lo expuesto en el numeral 2.4.1, los modelos de las Estructuras de Separación Tipo No. 1 y No. 2 operan bajo la similitud de Froude. Para garantizar la representatividad de las mediciones en modelo físico, es necesario verificar que los efectos combinados de la viscosidad y tensión superficial en éstos sean despreciables como ocurre en los prototipos. Para ello, los valores de los números adimensionales de Reynolds deben ser mayores al límite establecido de 2x104 con lo que se alcanza un flujo turbulento totalmente desarrollado así como garantizar que las profundidades de flujo sean mayores a 3 cm. 90 En el modelo de la Estructura Tipo No.1 se define el valor del número adimensional Reynolds con la expresión 2.14 mencionada en el Capítulo 2. La longitud característica adoptada es igual a 4 veces el radio hidráulico. En los cuadros No. 4.13 y 4.14 se presentan los valores de Reynolds obtenidos para el flujo de aproximación tanto para el modelo de la Estructura Tipo No. 1 como de la No. 2. Los cálculos respectivos para la obtención de los cuadros se encuentran en el anexo No. 4. Cuadro No. 4.13: Coeficientes de fricción λ para modelo y prototipo. Estructura No.1 PRUEBA A-1 A-2 A-3 Reynolds Modelo Prototipo 7.3E+04 2.3E+05 5.0E+05 1.6E+06 6.6E+05 2.1E+06 Coeficiente de fricción λ Modelo Prototipo Desviación % 1.9E-02 1.5E-02 -25.44 1.3E-02 1.1E-02 -21.31 1.3E-02 1.0E-02 -21.16 Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. En todos los casos se observa que el número de Reynolds en modelo sobrepasa el valor de 2x104. Sin embargo, debido a que en el prototipo de la Estructura No. 1, los colectores combinado, sanitario y pluvial son de PVC, por lo tanto lisos y que en el modelo no es posible disponer de un material más liso, el valor del coeficiente adimensional de fricción λ presenta variaciones relativamente importantes, en el orden del 21 % al 25 %. La pendiente de la línea de energía en modelo será mayor que la de prototipo. Sin embargo, al ser un modelo en donde el desarrollo longitudinal es relativamente corto y los cambios del vector velocidad son fundamentalmente originados por cambios geométricos, se considera aceptable este rango de desviación. 91 Cuadro No. 4.14: Comparación entre coeficientes de fricción λ para modelo y prototipo. Estructura No.2 PRUEBA B-1 B-2 B-3 Reynolds Modelo Prototipo 7.4E+04 2.1E+05 3.9E+05 1.1E+06 6.1E+05 1.7E+06 Coeficiente de fricción λ Modelo Prototipo Desviación % 1.9E-02 2.3E-02 16.81 1.4E-02 1.8E-02 21.71 1.3E-02 1.7E-02 22.87 Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. Para el modelo de la estructura No. 2, se observa que los valores del parámetro adimensional Reynolds son mayores a 2x10 4. En prototipo el colector combinado y toda la estructura es de hormigón, con una rugosidad absoluta de 0.16 mm, mientras que en modelo se tiene un material liso como es el acrílico con una rugosidad de 0.0015 mm. El rango de desviación para el coeficiente de fricción λ varía de 17 a 23% aproximadamente, lo que implica que las pérdidas de energía para esta estructura también son semejantes al modelo y se puede asegurar una reproducción adecuada del fenómeno. El efecto combinado de la viscosidad y tensión superficial en modelo se evalúa con la expresión recomendada para flujo sobre vertederos dada por Ranga Raju (1997): Re0.2·We0.6 > 900 Donde Re: Número adimensional Reynolds We: Número adimensional de Weber Otra recomendación experimental planteada es que las profundidades de flujo en modelo sean mayores a 3 cm44, para mantener despreciables el efecto combinado de la viscosidad y tensión superficial. Para los modelos de las Estructuras Tipo No. 1 y No. 2 se obtienen los siguientes resultados. 44 Ranga, Raju K.G. (1997). “Flow Through Open Channels”. Tata Mc Graw Hill. 92 Cuadro No. 4.15: Relación entre el número de Reynolds y Weber en estructura No. 1 PRUEBA A-1 A-2 A-3 Re 7.3E+04 5.0E+05 6.6E+05 We 3.0E+02 2.8E+02 3.1E+02 0.6 Re0.2·We 287.71 407.99 452.80 Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. Cuadro No. 4.16: Relación entre el número de Reynolds y Weber en estructura No. 2 PRUEBA B-1 B-2 B-3 Re 7.4E+04 3.9E+05 6.1E+05 We 5.5E+02 6.5E+02 6.8E+02 0.6 Re0.2·We 416.65 639.35 718.34 Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. Los valores reportados demuestran que no se cumple la relación Re 0.2·We0.6 ˃ 900, sin embargo como esta recomendación experimental se refiere a vertederos se adopta la otra recomendación manteniendo siempre las profundidades de flujo mayores a 3 cm. Para reducir el efecto de la tensión superficial se agrega una pequeña cantidad de jabón líquido en las pruebas con los caudales menores. 4.4 CONCLUSIONES La curva experimental de descarga obtenida para los vertederos triangulares de aforo en el modelo de la Estructura de Separación Tipo No. 1 demuestra que se cumple con la continuidad, es decir existe una buena aproximación entre los caudales medidos a la entrada y a la salida del modelo Los valores de caudales registrados en los vertederos de aforo instalados a la entrada y a la salida del modelo de la Estructura de Separación Tipo No. 2 no presentan un ajuste aceptable. Luego de comprobar en el laboratorio que no existen fugas en el modelo y de la extrema dificultad de aforar volumétricamente el vertedero rectangular con contracciones laterales asimétricas que está 93 instalado en el tanque de entrada al modelo, se decide medir los caudales únicamente con los vertederos instalados en los canales de restitución de la descarga pluvial y de la descarga sanitaria. Los modelos de la Estructura de Separación Tipo No. 1 y No. 2 cumplen con la similitud geométrica, pues las variaciones registradas en dimensiones y elevaciones son despreciables. Los valores del parámetro adimensional Reynolds obtenidos para los modelos de las Estructuras Tipo No. 1 y No. 2 muestran que son mayores a 2x10 4 para todo el rango de caudales de operación del modelo. Sin embargo, como el prototipo de la Estructura Tipo No. 1 tiene las tuberías de PVC, es decir material hidráulicamente liso, al igual que el modelo, se observa que el modelo es relativamente más rugoso. Sin embargo como el modelo analiza flujos cuyos vectores velocidad cambian fundamentalmente debido a los cambios geométricos, se considera que el modelo representa aceptablemente bien el patrón de flujo que se presentará en el prototipo. El modelo de la Estructura Tipo No. 2 presenta un funcionamiento ligeramente más rugoso que el prototipo. Sin embargo, se considera que el patrón de flujo observado en el modelo es suficientemente aproximado al que se espera en el prototipo. CAPÍTULO 5 5 ANÁLISIS EXPERIMENTAL DEL DISEÑO ORIGINAL 5.1 ANÁLISIS EXPERIMENTAL DE LA OPERACIÓN DE LAS ESTRUCTURAS SEPARADORAS DE CAUDALES CON SU DISEÑO ORIGINAL Los modelos de las estructuras de separación de caudales han sido construidos en laboratorio con la escala seleccionada 1:2. Para el análisis experimental de su funcionamiento hidráulico se ha considerado el rango de caudales de operación en cada caso, seleccionando tres escenarios: i. Operación con el caudal mínimo de tiempo seco, que corresponde al caudal sanitario. ii. Operación con un caudal combinado que incluye condiciones medias. iii. Operación con el caudal máxima combinado, que corresponde a las épocas de lluvia. 5.2 PLAN DE PRUEBAS PARA EL ANÁLISIS EXPERIMENTAL DE LA OPERACIÓN DE LAS ESTRUCTURAS SEPARADORAS DE CAUDALES CON SU DISEÑO ORIGINAL Para realizar el análisis del comportamiento hidráulico de las estructuras con su diseño original se ha definido un plan de pruebas para cada estructura de separación de caudales, atendiendo a los escenarios de operación antes 95 indicados. En los cuadros siguientes se presenta el plan de pruebas para cada estructura: Cuadro No. 5.1: Plan de Pruebas para el análisis del funcionamiento hidráulico de la estructura de separación No. 1 con su diseño original ESTRUCTURA DE SEPARACIÓN No. 1 CAUDAL COMBINADO Denominación Magnitudes Prototipo Modelo Observaciones de la Prueba Registradas (l/s) (l/s) Caudal de ingreso, Caudal sanitario Caudal sanitario, que circula por A-1 16.97 3 posible Caudal la red, sin lluvia. Pluvial Caudal Caudal de ingreso, intermedio en el A-2 282.84 50 Caudal sanitario, funcionamiento Caudal Pluvial de la estructura Caudal Caudal de ingreso, intermedio en el Caudal sanitario, A-3 452.55 80 funcionamiento Caudal Pluvial de la estructura Fotografías 5.1/ 5.2 5.3/ 5.4 5.5/ 5.6 Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. Cuadro No. 5.2: Plan de Pruebas para el análisis del funcionamiento hidráulico de la estructura de separación No. 2 con su diseño original ESTRUCTURA DE SEPARACIÓN No. 2 CAUDAL COMBINADO Denominación Magnitudes Observaciones Prototipo Modelo de la Prueba Registradas (l/s) (l/s) Fotografías B-1 73.54 13 Caudal que circula Caudal de ingreso, por el colector de Caudal derivado ingreso sin desborde por orificio lateral sobre umbral B-2 424.26 75 Caudal intermedio en Caudal de ingreso, el funcionamiento de Caudal sanitario, 5.10/ 5.11/ 5.12 la estructura Caudal pluvial B-3 678.82 120 Caudal intermedio en Caudal de ingreso, el funcionamiento de Caudal sanitario, 5.13/ 5.14/ 5.15 la estructura Caudal pluvial Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. 5.7/ 5.8/ 5.9 96 5.3 RESULTADOS OBTENIDOS 5.3.1 CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES DEL FLUJO EN LAS ESTRUCTURAS DE SEPARACIÓN CON SU DISEÑO ORIGINAL 5.3.1.1 Estructura de Separación de caudales No. 1 En las siguientes fotografías se presentan las principales características del flujo observadas para las pruebas descritas. Prueba A-1 Fotografía No. 5.1: Vista lateral del flujo en la estructura separadora No. 1 con funcionamiento para caudal sanitario. Q prototipo = 17.46 l/s. Pared frontal Formación de ondas Fotografía No. 5.2: Prueba A-1 para estructura de separación No.1. Vista en planta de la transición y vertederos laterales. Q sanitario vertido Formación de ondas Q sanitario vertido 97 Principales Observaciones: i. Los vertederos laterales en la transición cumplen el objetivo de guiar el caudal sanitario de ingreso hacia la tubería de caudal sanitario. ii. Existe un impacto del flujo en las paredes donde se inicia el colector sanitario que provoca formación de ondas y derrame de una pequeña parte del caudal sanitario (0.24%) hacia la cámara de caudal pluvial. iii. Formación de ondas en la transición convergente (fotografía No. 5.2), adquiriendo la forma de un vértice al entrar a la tubería de caudal sanitario. Prueba A-2 Fotografía No. 5.3: Prueba A-2 para estructura de separación No.1. Vista lateral de la estructura con tuberías de caudal sanitario y pluvial. Q prototipo = 286.90 l/s. Q combinado Q sanitario Q pluvial Fotografía No. 5.4: Prueba A-2 para estructura de separación No.1. Vista en planta de la transición y vertederos laterales con impacto de flujo en la pared frontal de la caja. Impacto de flujo Pared frontal Q sanitario 98 Principales Observaciones: i. La mayoría de caudal que ingresa a la estructura se deriva por la tubería de caudal sanitario (fotografía No. 5.3) ii. El choque del flujo mencionado en la prueba A-1 se incrementa de una manera brusca hacia la pared frontal de la caja (fotografía No. 5.4) iii. La derivación del caudal pluvial se realiza en su mayoría gracias al choque mencionado y no debido a los vertederos laterales. iv. El vertido de caudal por los vertederos laterales no se alcanza a desarrollar ya que la longitud de los vertederos no es suficiente para que el flujo cambie su dirección. Prueba A-3 Fotografía No. 5.5: Prueba A-3 para estructura de separación No.1. Vista lateral de la estructura con tuberías de caudal sanitario y pluvial. Q prototipo = 459.52 l/s. Q combinado Q sanitario Q pluvial Fotografía No. 5.6: Prueba A-3 para estructura de separación No.1 Vista en planta de la transición y vertederos laterales con impacto y vertido de flujo. Impacto de flujo Pared frontal 99 Principales Observaciones: i. Comportamiento similar a la prueba A-2, con mayor intensidad en el impacto del flujo debido netamente al incremento de caudal (fotografía No. 5.5). ii. De manera similar a la prueba A-2 los vertederos laterales no cumplen la función de diseño y el caudal logra derivarse en su mayoría gracias al impacto que ocurre en la pared de la caja. 5.3.1.2 Estructura de Separación de caudales No. 2 Prueba B-1 Fotografía No. 5.7: Vista superior con flujo a través del orificio de derivación sin descarga de caudal hacia colector pluvial. Q prototipo = 75.28 l/s. Q combinado Q sanitario Umbral Fotografía No. 5.8: Prueba B-1 para estructura de separación No.2. Vista lateral del flujo con formación de resalto hidráulico en el colector de ingreso. Resalto hidráulico 100 Fotografía No. 5.9: Prueba B-1 para estructura de separación No.2. Vista frontal del orificio de descarga con contracción de flujo provocado por el cambio de dirección del flujo y la geometría de la arista viva. Arista viva Separación de lámina de agua Principales Observaciones: i. El máximo caudal que ingresa en la estructura para evitar desbordes sobre el umbral de separación hacia el colector de caudal pluvial corresponde a 75.28 l/s en prototipo. ii. Se observa que el flujo ingresa a la estructura con régimen supercrítico cambia de régimen debido al efecto de control que ejerce el umbral ubicado inmediatamente aguas abajo del orificio lateral así como de la reducción de la pendiente en el tramo curvo de la estructura (fotografía No. 5.8). iii. El flujo que atraviesa el orificio de descarga presenta una separación de la lámina de agua con respecto a uno de sus lados debido a la presencia de una arista viva, esto disminuye la longitud efectiva del orificio lateral de derivación (fotografía 5.9). 101 Prueba B-2 Fotografía No. 5.10: Vista lateral del flujo al ingreso de la estructura con formación de resalto hidráulico en tramo de inicio. Q prototipo = 422.47 l/s. Resalto hidráulico Fotografía No. 5.11: Prueba B-2 para estructura de separación No.2. Vista lateral de la estructura con flujo a través del orificio de descarga y umbral de separación Umbral Q pluvial 102 Fotografía No. 5.12: Prueba B-2. Vista frontal del flujo descargado por el orificio lateral con caudales combinados medios. Se observa una fuerte contracción del flujo hacia el extremo izquierdo del orificio con una separación importante del contorno del orificio. Separación de lámina de agua Principales Observaciones: i. Se aprecia la formación del resalto hidráulico mencionado en la prueba B-1 que se forma debido al cambio de pendiente y el efecto de control que ejerce el umbral transversal que cierra la sección inmediatamente aguas abajo del orificio lateral (fotografía No. 5.10). ii. El orificio de descarga presenta la misma contracción de la lámina de agua con respecto a una de sus aristas de forma similar a la prueba B-1. iii. En el umbral de separación entre caudal sanitario y pluvial se observa que la lámina de vertido se adhiere completamente a éste y el perfil de flujo se asemeja al perfil que se forma en un umbral tipo Creager (fotografía No.5.11). 103 Prueba B-3 Fotografía No. 5.13: Vista lateral del flujo de ingreso hacia la Estructura de separación. Se observa la formación del resalto hidráulico, Q prototipo = 684.46 l/s. Resalto hidráulico Fotografía No. 5.14: Prueba B-3. Vista frontal del flujo descargado por el orificio lateral. Se observa contracción del flujo hacia el contorno izquierdo del mismo. Separación de la lámina de agua 104 Fotografía No. 5.15: Prueba B-3. Vista lateral del flujo en la estructura de separación No. 2. Q prototipo = 684.46 l/s. Umbral Q combinado Q pluvial Q sanitario Principales Observaciones: i. Se observa el mismo comportamiento del flujo que en las pruebas anteriores. Existe la formación de un resalto hidráulico en la sección de entrada del colector como se indica en la fotografía No. 5.13. ii. De igual forma, en el orificio de descarga de caudal sanitario el flujo presenta una separación en la arista de entrada (fotografía No. 5.14). iii. El umbral de separación de forma similar a la prueba B-2 presenta el mismo comportamiento (fotografía No. 5.15). 5.3.2 CAUDALES SEPARADOS 5.3.2.1 Estructura de Separación de Caudales No. 1 En el cuadro No. 5.3 se presentan los caudales sanitarios y pluviales registrados en el modelo físico que han sido separados, para la geometría del diseño original. En el cuadro No. 5.4 se presentan las magnitudes correspondientes en prototipo. 105 En el anexo No. 5 se presenta el registro de pruebas realizadas para esta estructura. Cuadro No. 5.3: Valores de caudal para pruebas A para la estructura No. 1 en modelo físico. Prueba MODELO FÍSICO ESTRUCTURA No. 1 Q Q Q % % sanitario pluvial combinado sanitario pluvial separado separado (l/s) separado separado (l/s) (l/s) Observaciones A-1 3.09 3.08 0.007 99.76 0.24 Caudal sanitario sin lluvia. A-2 50.72 29.56 21.16 58.28 41.72 A-3 81.23 43.39 37.84 53.41 46.59 Caudales intermedios en el funcionamiento de la estructura. Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. Cuadro No. 5.4: Valores de caudal para pruebas A para la estructura No. 1 en prototipo. Tr = 5 años. Prueba PROTOTIPO ESTRUCTURA No. 1 Q Q Q % % sanitario pluvial combinado sanitario pluvial separado separado (l/s) separado separado (l/s) (l/s) A-1 17.46 17.42 0.042 99.76 0.24 A-2 286.90 167.21 119.69 58.28 41.72 A-3 459.52 245.45 214.07 53.41 46.59 Observaciones Caudal sanitario sin lluvia. En tiempo seco existe una pequeña descarga hacia la tubería pluvial Caudales intermedios en el funcionamiento de la estructura. No se cumple con el criterio de separación del 10% para caudal sanitario. Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. En el siguiente cuadro se presentan los valores de caudal combinado, sanitario y pluvial que se proponen en el diseño original de la estructura No. 145. 45 EPMAPS. (2013). “Memoria Técnica para el diseño definitivo del sistema de alcantarillado para el barrio san José Obrero. Quito. Ecuador. 106 Cuadro No. 5.5: Caudales de diseño (prototipo) para la estructura separadora No.1 CAUDALES PROTOTIPO (DISEÑO ORIGINAL) Q combinado (l/s) Q sanitario (l/s) Q pluvial (l/s) % sanitario separado % pluvial separado Observaciones 17.65 17.65 0 100.00 0.00 Caudal sanitario sin lluvia que circula por la red 88.66 Caudal Combinado máximo. Tr= 5 años. El 11 % debe derivarse como caudal sanitario. 739.93 83.93 656 11.34 Fuente: EPMAPS. (2013). “Memoria Técnica para el diseño definitivo del sistema de alcantarillado para el barrio san José Obrero. Quito. Ecuador. Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. El análisis comparativo de los caudales propuestos en el diseño de la Estructura No. 1, con los registrados en modelo para la geometría original, permite concluir que para la operación con caudales mínimos no es posible garantizar la ausencia de caudales sanitarios en la descarga pluvial y que para la operación de caudales combinados medios y altos la estructura permite el paso de caudales sanitarios diluidos mucho mayores que los previstos en el diseño. En la siguiente figura se presenta el gráfico de los valores de caudal sanitario separado en modelo en función del caudal combinado de ingreso a la estructura No. 1 con su diseño original. En el mismo gráfico se ha colocado la variación de caudal sanitario separado previsto en el diseño. 107 Gráfico No. 5.1: Gráfica de caudal sanitario vs caudal combinado para pruebas A y caudales de diseño teórico de la estructura No.1 Caudal sanitario derivado vs. Caudal combinado Diseño Original 300.00 A -3 3 A-3 Q sanitario (l/s) 250.00 200.00 A-2 2 187.19 l/s 321.31% 150.00 experimental teórico 100.00 124.82 l/s 294.42% 50.00 0.00 0.00 Qs= 0.0918Qc + 16.03 A-1 200.00 400.00 600.00 Q combinado (l/s) 800.00 Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. El diseño de la Estructura No. 1 prevé que los caudales sanitarios separados tengan una variación línea con el caudal combinado de ingreso, que obedece a la expresión: Qs=0.0918·Qc+16.03 Donde: Qs es el caudal sanitario que se separa en la estructura, en l/s Qc es el caudal combinado que ingresa a la estructura, en l/s. En el cuadro No. 5.6 se presentan los caudales experimentales transpuestos al prototipo que han sido registrados en las pruebas A, así como el porcentaje de exceso del caudal sanitario realmente derivado con respecto al previsto en el diseño. 108 Cuadro No. 5.6: Caudales en prototipo vs caudales de modelo físico para la estructura separadora No.1 CAUDALES TEÓRICOS vs. MODELO FÍSICO Q Q Q Q experimental % combinado sanitario sanitario Q teorico sanitario experimental experimental teorico (l/s) exceso (l/s) (l/s) (l/s) 17.46 17.42 17.63 -0.22 -1.24 286.90 167.21 42.40 124.82 294.42 459.52 245.45 58.26 187.19 321.31 Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. Se observa que la sobrecarga en el caudal sanitario derivado es creciente con el incremento de caudal combinado de ingreso a la estructura No. 1 y alcanza valores mayores al 300% para el caudal de diseño. Esto significa que el colector perimetral, al que se descarga el caudal sanitario, tendrá seguramente graves problemas por la falta de capacidad hidráulica prevista y además el exceso de caudal sanitario derivado afectará, de igual manera, en la operación de la planta de tratamiento que recibirá un mayor caudal que el previsto. En conclusión, es necesario mejorar el funcionamiento de la Estructura No. 1 respecto de los valores de caudal sanitario separado así como las condiciones de flujo supercrítico que se observan en esta obra. 5.3.2.2 Estructura Separadora de Caudal No. 2 En los cuadros No. 5.7 y 5.8 se presentan los caudales combinado, sanitarios y pluviales registrados en modelo y sus correspondientes en prototipo, respectivamente durante la ejecución del Plan de Pruebas B para la Estructura de Separación No. 2. En el anexo No. 5 se presenta el registro de pruebas realizadas para esta estructura. 109 Cuadro No. 5.7: Valores de caudal para pruebas B del plan de pruebas para el análisis de la estructura No. 2. MODELO FÍSICO ESTRUCTURA No. 2 Q Q Q % % sanitario pluvial Prueba combinado sanitario pluvial separado separado (l/s) separado separado (l/s) (l/s) B-1 13.31 13.31 0.00 100.00 0.00 B-2 74.68 29.38 45.30 39.35 60.65 B-3 121.00 32.38 88.61 26.76 73.24 Observaciones Caudal admisible para evitar desborde hacia colector pluvial Caudales intermedios en el funcionamiento de la estructura Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. Cuadro No. 5.8: Valores de caudales combinado, sanitario y pluvial en prototipo para pruebas B. PROTOTIPO Q Q Prueba combinado sanitario (l/s) (l/s) Q pluvial (l/s) % % derivado derivado sanitario pluvial B-1 75.28 75.28 0.00 100.00 0.00 B-2 422.47 166.22 256.25 39.35 60.65 B-3 684.46 183.19 501.27 26.76 73.24 Observaciones Caudal admisible para evitar desborde hacia colector pluvial Caudales intermedios en el funcionamiento de la estructura Elaborado por: Andrea Albán Almeida. Gabriela Heredia Hidalgo En el cuadro No.5.9 se presentan los valores de caudal previstos en el diseño de la Estructura de Separación No. 246 . En este caso, se adopta el mismo criterio presentado en el diseño de la Estructura No. 1 para definir el valor máximo admisible para el Caudal sanitario separado, que debe corresponder a aproximadamente el 10% del caudal combinado de ingreso a la obra. 46 EPMAPS.(2012). “Estudios y diseños definitivos de los sistemas de alcantarillado combinado para varias calles de la parroquia Conocoto, Sector Azblan”. Quito. Ecuador. 110 Cuadro No. 5.9: Caudales prototipo para la estructura separadora No.2 CAUDALES PROTOTIPO (DISEÑO ORIGINAL) Q Q Q combinado sanitario pluvial (l/s) (l/s) (l/s) % % sanitario pluvial separado separado Observaciones 89.40 89.40 0.00 100.00 0.00 Caudal sanitario de diseño. Sin desborde hacia colector pluvial. 3017.90 301.79 2716.11 10.00 90.00 Caudal Combinado máximo.Tr = 25 años. Fuente: EPMAPS. (2012). “Estudios y diseños definitivos de los sistemas de alcantarillado combinado para varias calles de la parroquia Conocoto, Sector Azblan”. Quito. Ecuador. Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. Analizando comparativamente los valores presentados en los cuadros No. 5.8 y 5.9 se establece la siguiente gráfica que relaciona los caudales combinados y sanitarios tanto en pruebas realizadas como en el diseño de la estructura. Gráfico No. 5.2: Gráfica de caudal sanitario vs. caudal combinado para pruebas B y caudales de diseño previstos en la estructura No.2. Caudal sanitario derivado vs. Caudal combinado Diseño Original 200 B-3 180 B-2 Qs = 0.0725*Qc + 82.916 Q sanitario (l/s) 160 140 120 experimental 100 80 teórico B-1 60 52.68 l/s 46.39% 40 50.65 lt/s 38.21% 20 0 0 200 400 600 800 1000 Q combinado (l/s) Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. 111 La relación de caudales sanitarios separados en la estructura No. 2 vs caudales combinado de ingreso es lineal y está representada por la expresión: Qs=0.0725·Qc+82.916 En donde: Qs es el caudal sanitario que se separa en la estructura, en l/s. Qc es el caudal combinado que ingresa a la estructura, en l/s. En el cuadro No. 5.10 se presentan los caudales experimentales transpuestos al prototipo, que han sido registrados en las pruebas B, así como el porcentaje de exceso del caudal sanitario realmente derivado con respecto al previsto en el diseño. Cuadro No. 5.10: Caudales previstos en el diseño vs Caudales registrados experimentalmente para la operación de la Estructura de Separación No.2 CAUDALES TEÓRICOS vs. MODELO FÍSICO Q Q Q Q experimental % combinado sanitario sanitario Q teórico sanitario experimental experimental teórico (l/s) exceso (l/s) (l/s) (l/s) 75.28 75.28 88.37 -13.09 -14.82 422.47 166.22 113.55 52.68 46.39 684.46 183.19 132.54 50.65 38.21 Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. Se observa que para la operación con el caudal de tiempo seco (sanitario exclusivamente) la altura del umbral reduce el valor del caudal sanitario que es totalmente derivado por el orificio lateral. Es decir, para derivar la totalidad del caudal sanitario definido en el diseño, la altura del umbral debería ser mayor a la propuesta en el diseño. 112 Para las condiciones de geometría original se observa que los caudales sanitarios separados por el orificio lateral son mayores a los previstos en el diseño. Para caudales combinados medios, el porcentaje de exceso es mayor que caudales combinados altos. Sin embargo en esta estructura los porcentajes de exceso en la derivación de caudales sanitarios están alrededor del 46% como máximo. 5.4 CONCLUSIONES No se observa coincidencia entre los caudales previstos en el diseño de la Estructura de Separación No. 1 y los registrados en el modelo físico. El ecuacionamiento aplicado en las memorias de diseño de las estructuras de separación corresponde al unidimensional simplificado de la hidráulica básica, mientras que en los modelos físicos se observa claramente que los flujos a lo largo de las estructuras de separación tienen características tridimensionales, por lo que no sería justificable la hipótesis simplificadora de representar el fenómeno de flujo con un análisis en una sola dirección. Los criterios de diseño aplicados no toman en cuenta las características especiales típicas de flujos supercríticos como son la formación de ondas para cambios de geometría de secciones transversales así como cambios de alineación de las estructuras. De igual manera, el diseño teórico de las estructuras no ha considerado el efecto de las altas velocidades en el flujo sobre vertederos laterales o en el cambio de dirección del flujo principal, cuya principal incidencia es que las longitudes reales no corresponden a las longitudes efectivas de flujo, en el caso de los vertederos laterales en la transición de separación de la estructura No. 1, y en la dimensión del orificio lateral en la Estructura No. 2. En el dimensionamiento teórico no se ha considerado el efecto de cambios bruscos de geometría como el paso de un colector con sección circular y la transición de sección rectangular y aguas debajo de la sección rectangular a la sección circular nuevamente. En el análisis experimental se observa claramente 113 que en estos cambios se generan impactos importantes del flujo sobre las paredes de la estructura, cuya estabilidad puede ser afectada. En las pruebas A, para el análisis experimental de la Estructura de Separación Tipo No. 1, se observa que el cambio brusco de geometrías de las secciones transversales entre el colector combinado, la transición de separación y el colector sanitario provoca ondas y choques del flujo sobre las paredes de la estructura para toda la gama de caudales de operación. Estos efectos son totalmente desfavorables porque, en primer lugar, no permiten que la estructura diseñada alcance el objetivo para el cual fue construida; y en segundo lugar, se pone en riesgo la seguridad de la propia estructura. En las pruebas B para el análisis experimental de la Estructura de Separación Tipo No. 2, el porcentaje de excesos registrado en la separación del caudal sanitario con respecto al combinado de ingreso es relativamente menor al medido para la Estructura de Separación Tipo No. 1. En la estructura tipo No. 2 no se observan impactos de flujo importantes, el cambio de alineación, la disminución de la pendiente longitudinal y la presencia del umbral inmediatamente aguas abajo del orificio lateral obligan al cambio de régimen del flujo que llega desde el colector. Sin embargo, se observa que los resultados relacionados con los caudales de separación no son lo suficientemente cercanos a lo previsto en el diseño. El análisis experimental permite visualizar que el flujo en los dos tipos de estructuras de separación analizados es claramente tridimensional y no puede ser adecuadamente representado con las unidimensionales de la hidráulica básica. ecuaciones simplificadas y Para garantizar el correcto funcionamiento hidráulico de las estructuras donde los flujos no pueden ser tratados como unidimensionales, indispensable. la ayuda de la modelación física es 114 5.5 RECOMENDACIONES Para la estructura No. 1 Se recomienda suavizar el cambio de geometría entre las secciones del colector combinado y transición de separación, así como en el inicio del colector sanitario. Se recomienda introducir una modificación geométrica en el inicio del colector sanitario para reducir el caudal que ingresa hacia él, limitando así el alto porcentaje de exceso que se tiene para la operación de esta obra con su diseño original. Se recomienda eliminar o reducir el impacto del flujo rápido en la pared donde se inicia el colector sanitario. Se recomienda modificar la geometría en la transición de separación para favorecer el incremento del caudal que es evacuado sobre los vertederos laterales hacia el colector pluvial de descarga. Para la estructura No. 2 Se recomienda evaluar el comportamiento del flujo en la estructura sin la presencia del orificio lateral ni del umbral para visualizar el patrón de flujo que se presenta en el rango de caudales de operación y verificar si la ubicación del orificio lateral de separación es adecuada para cumplir con los objetivos de la estructura. Se recomienda colocar el orificio lateral sobre el extremo interno de la curva para favorecer la expulsión del material sólido que es transportado por el fondo así como reducir el caudal derivado como sanitario. CAPÍTULO 6 6 ANÁLISIS EXPERIMENTAL DE LAS MODIFICACIONES 6.1 ANÁLISIS EXPERIMENTAL DE LA OPERACIÓN DE LAS ESTRUCTURAS CON LAS MODIFICACIONES PROPUESTAS En base a las características de flujo y resultados obtenidos con el funcionamiento hidráulico de la geometría de las estructuras de separación de caudales con su diseño original, se proponen una serie de modificaciones con el objetivo de mejorar la proporción de caudal sanitario que es separado para todo el rango de operación de caudales combinados que ingresan a cada estructura tipo, así como eliminar choques de flujos que afectan la estabilidad de las mismas. Para el análisis experimental del funcionamiento hidráulico con las modificaciones implementadas se seleccionan los mismos tres ensayos utilizados con la geometría original de las estructuras: i. Operación con el caudal mínimo de aproximación correspondiente al de tiempo seco, es decir al caudal sanitario producido en la cuenca de aporte hasta la estructura de separación de caudales. ii. Operación con caudales combinados que incluyen condiciones normales o medias. iii. Operación con el caudal máximo combinado o de diseño, que corresponde a las épocas de lluvia. 116 6.2 DESCRIPCIÓN DE LAS MODIFICACIONES EN LAS ESTRUCTURAS DE SEPARACIÓN DE CAUDALES TIPO No. 1 Y No. 2 En los siguientes cuadros se resumen las modificaciones implementadas en las Estructuras de Separación de Caudales Tipo para ser analizadas en el presente Proyecto de Titulación. Cuadro No. 6.1: Descripción de las modificaciones geométricas propuestas para la Estructura de Separación tipo No. 1 MODIFICACIONES GEOMÉTRICAS No. 1 2 3 ESTRUCTURA DE SEPARACIÓN TIPO No. 1 Modificación Observaciones Se busca eliminar el vertido de Abocinado en el cambio de geometría entre caudal sanitario para el Q el canal de transición y la tubería de caudal mínimo de operación y regular sanitario. Colocación de una compuerta en el caudal que continúa por la la sección inicial de tubería sanitaria. tubería sanitaria. Reemplazo del canal de transición por un tramo de tubería de igual diámetro y Se invierten las salidas de la pendiente que la tubería de caudal separación; es decir el caudal combinado, en cuyo fondo se ha realizado sanitario será el que se un orificio rectangular ubicado descargue con el vertido lateral asimétricamente con respecto al eje de la hacia la cámara de separación tubería para permitir el vertido lateral de mientras que el caudal pluvial caudal sanitario. continúa por la tubería superior La tubería de descarga pluvial se ubica a ubicada aguas abajo del tramo continuación del tramo de separación y la de separación. sanitaria se inicia en el fondo de la cámara. Cambio del canal de transición por una prolongación de la tubería de ingreso de caudal combinado, con un orificio rectangular de fondo centrado con respecto al eje de la tubería. La tubería de descarga pluvial se ubica a continuación del tramo de separación y la sanitaria se inicia en el fondo de la cámara. Se invierten las salidas de la separación; el caudal sanitario será el que se descargue a través del orificio de fondo hacia la cámara de separación mientras que el caudal pluvial continúa por la tubería superior ubicada aguas abajo del tramo de separación. Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. Fotografías Figuras 6.1 - 6.2 6.1/ 6.2 6.3 6.3/ 6.4 117 Cuadro No. 6.2: Descripción de las modificaciones geométricas propuestas para la Estructura de Separación tipo No. 2 No. 1 2 MODIFICACIONES GEOMÉTRICAS ESTRUCTURA DE SEPARACIÓN TIPO No. 2 Modificación Observaciones Fotografías Figuras Se busca observar el patrón de flujo que se Sellado de orificio lateral 6.4 de derivación y remoción presenta en la estructura debido a la curvatura de umbral de separación. existente. Reubicación del orificio Se busca disminuir el lateral de derivación hacia caudal sanitario separado la margen izquierda del y mejorar en su totalidad 6.5 6.5 tramo curvo y la evacuación de sólidos redimensionamiento del que acarrea el caudal umbral de separación. sanitario. Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. 6.2.1 MODIFICACIONES PROPUESTAS PARA LA ESTRUCTURA DE SEPARACIÓN TIPO No. 1 Modificación No. 1 En la siguiente fotografía se observan los cambios propuestos en la Modificación No. 1 de la Estructura de Separación Tipo No. 1. Fotografía No. 6.1: Modificación No. 1 con abocinado y compuerta sobre los vertederos laterales en tramo final del canal de transición. Modelo Estructura No. 1 Abocinado Compuerta Inicio de tubería sanitaria 118 Modificación No. 2 Se reemplaza la transición del diseño original por una prolongación del colector combinado manteniendo su pendiente y diámetro. En el tramo de separación se ha implementado un vertedero lateral de altura cero, de menor longitud que la transición. El vertedero u orificio de separación se ubica desde el eje de la tubería hacia la izquierda permitiendo el vertido del flujo separado que corresponde al caudal sanitario por el contorno que coincide con el eje del tubo. El caudal pluvial se descarga por la tubería superior que continúa aguas abajo del tramo de separación. Se propone esta modificación tomando en cuenta que debido a la velocidad del flujo de aproximación es más factible derivar un porcentaje menor de caudal combinado hacia la cámara inferior, que obligar al flujo supercrítico a cambiar su dirección natural para que vierta lateralmente. Para permitir las descargas en las tuberías respectivas se realiza el cambio de posición de la tubería sanitaria en el lugar donde se ubicaba la tubería pluvial en el diseño original y viceversa. La modificación propuesta se puede observar en la siguiente figura. Figura No. 6.1: Vista lateral de la estructura No. 1. Modificación de la transición por tubería con vertedero lateral. Tubería de caudal combinado Tubería de caudal pluvial Vertedero lateral Tubería de caudal sanitario Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. 119 En la siguiente fotografía se aprecia la modificación realizada en el modelo de la estructura No. 1 con el cambio de tubería y el corte del vertedero lateral. Fotografía No. 6.2: Corte de vertedero lateral (izq) e instalación de tubería pluvial (der) en la estructura de separación. Tubería de caudal pluvial Vertedero lateral Tubería de caudal pluvial El diseño teórico del orificio en la tubería obedece a una aproximación de la teoría propuesta por UYUMAZ, MUSLU (1985) para el caso de vertederos laterales rectangulares en canales de sección transversal circular. En donde se describe el caudal Q que fluye por el vertedero que tiene una altura w y una longitud L como se observa en la ecuación 6.1. ܳൌ ଷ ʹ Ǥ ܥ Ǥ ඥʹ݃Ǥ ܮǤ ݄ଶ Ͷ ͵ ( 6.1 ) En donde: h: Altura de la lámina de agua sobre el vertedero. Cq: Coeficiente de descarga experimental que depende del número de Froude aguas arriba del vertedero y de la relación w/D. w: Altura de la cresta del vertedero D: Diámetro de la sección transversal L: Longitud del vertedero g: Valor de la gravedad (9.81 m/s2) 47 Naudascher, E. “Hidráulica de canales”. México. Limusa-Noriega Editores. 120 Para el caso de estudio se adopta una altura de vertedero igual a 0. Manteniendo las dimensiones previstas en el diseño original para la cámara de separación de caudales se definen las dimensiones principales que se presentan en el siguiente cuadro: Cuadro No. 6.3: Dimensiones adoptadas para vertedero lateral de separación en Estructura Tipo No. 1 Dimensión Longitud de vertedero de separación Altura de vertedero de separación Unidad Dimensión Prototipo Modelo m 1 0.5 m 0 0 Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. La longitud máxima del vertedero en el modelo no puede sobrepasar a la longitud de 0.60 m que posee la cámara, y se considera que la altura del vertedero w es cero para permitir que el caudal sanitario mínimo se derive hacia la cámara inferior, por lo tanto, los parámetros de diseño a ser usados en la ecuación 6.1 son: Cuadro No. 6.4: Parámetros de diseño para vertedero lateral en estructura No. 1 PARÁMETROS DE DISEÑO PARÁMETRO L (m) D (m) w/D Fr Qs (l/s) h (m) PROTOTIPO 1.00 0.50 0.00 3.42 17.65 0.046 MODELO 0.50 0.25 0.00 3.42 3.12 0.023 Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. 121 Para las condiciones de operación del vertedero de separación se adopta un valor de coeficiente de descarga Cq a partir del gráfico No. 6.1, obtenido de la literatura técnica para las condiciones más cercanas de funcionamiento. Gráfico No. 6.1: Coeficientes de descarga Cq para una relación w/D= 0.24 y 0 £ Fr £ 2. Fuente: Naudascher, E. “Hidráulica de canales”. México. Limusa-Noriega Editores. El valor de Cq adoptado para los valores de L/D y Fr1 para el mínimo valor de w/D reportado, es igual a 0.44. Utilizando los parámetros definidos en la ecuación 6.1 se determina el caudal descargado por el vertedero: ଷ ʹ ܳ ൌ Ǥ ͲǤͶͶǤ ඥʹ݃Ǥ ͲǤͷͲǤ ͲǤͲʹ͵ʹଶ ൌ ʹǤʹͻ݈Ȁݏ ͵ En consecuencia, el vertedero de altura muy pequeña y dimensiones indicadas descargará 2.29 l/s, lo que será verificado experimentalmente en el modelo. Las dimensiones seleccionadas para el vertedero de separación corresponden a la longitud de arco interceptada por el calado del caudal sanitario que se presenta en la tubería, es decir, una longitud de arco de 8.11 cm desde el eje inferior de la tubería como se observa en la siguiente figura. 122 Figura No. 6.2: Sección transversal de tubería de caudal combinado con vertedero lateral para derivación de caudal sanitario. Estructura No. 1. Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. Modificación No. 3 Se propone realizar un orificio rectangular de fondo en la tubería de caudal combinado, manteniendo el mismo diámetro y pendiente de forma similar a la modificación No. 2 como se observa en la siguiente figura. Figura No. combinado. 6.3: Esquema de orificio rectangular de fondo en tubería de caudal Tubería de caudal combinado Tubería de caudal pluvial Orificio rectangular de fondo Tubería de caudal sanitario Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. 123 Se realiza un corte simétrico en la base de la tubería de caudal combinado como se observa en la siguiente figura: Figura No. 6.4: Sección transversal de tubería de caudal combinado con orificio de fondo para derivación de caudal sanitario. Estructura No. 1. Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. Se considera que el ancho del orificio debe ser el necesario para que el caudal sanitario sea interceptado totalmente cuando se opere en tiempo seco. Experimentalmente se define el ancho del orificio de separación semejante al ancho de espejo de aguas correspondiente al tránsito del caudal sanitario. Posteriormente, se define la longitud del orificio considerando el alcance del chorro en la salida del orificio en base al movimiento parabólico para que éste no impacte en la tubería. Fotografía No. 6.3: Vista en planta (izq.) y lateral (der.) del orificio de fondo. Chequeo para caudal sanitario. Orificio de fondo Orificio de fondo Q sanitario 124 Una vez asegurado que el caudal sanitario se derive en su totalidad y no se presente derrame hacia la red pluvial, se realizan las pruebas mencionadas en el punto 6.3.1. En las siguientes fotografías se presentan las principales características del flujo observadas para las pruebas descritas. 6.2.2 MODIFICACIONES PROPUESTAS PARA LA ESTRUCTURA DE SEPARACIÓN TIPO No. 2 Modificación No. 1 Se remueve el umbral de separación y se sella el orificio de derivación ubicado en la margen derecha del tramo curvo, pertenecientes al diseño original de la estructura. Fotografía No. 6.4: Remoción de umbral de separación y sellado de orificio de derivación en la Estructura tipo No. 2 Remoción de umbral de separación Sellado de orificio de derivación 125 Modificación No. 2 Se plantea modificar la ubicación del orificio de separación en la margen izquierda del tramo curvo del colector. Se mantiene el umbral en todo el ancho de la estructura, aguas abajo del orificio lateral de separación, y de igual modo, se mantiene la forma rectangular del mismo y sus dimensiones se resumen en el siguiente cuadro: Cuadro No. 6.5: Dimensiones de orificio y umbral de separación para la modificación No. 2 en la estructura Tipo No. 2 ESTRUCTURA TIPO No. 2 Modificación No. 2 Orificio de derivación Umbral de separación Dimensiones Unidad Prototipo Modelo Alto m 0.2 0.1 Ancho m 0.29 0.145 Alto m 0.4 0.2 Ancho m 0.20 0.1 Largo m 1.6 0.8 Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. En la fotografía No.6.5 y figura No. 6.5 se observa la modificación realizada en la Estructura Tipo No. 2. Fotografía No. 6.5: Vista Superior de la Estructura de Separación de Caudales Tipo No. 2 con el umbral de separación y orificio ubicado en margen izquierda. Umbral Margen izquierda Orificio lateral 126 Figura No. 6.5: Vista en planta de la Modificación No. 2 propuesta para la Estructura de Separación de Caudales Tipo No. 2 Colector de caudal pluvial Desviación de caudal sanitario Umbral Colector de caudal combinado Margen izquierdo Desviación de caudal sanitario Orificio lateral Margen derecho Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. Se plantea que el canal que recibe el caudal separado por el orificio de derivación tenga una inclinación de 60° con respecto a la pared izquierda de la estructura (Rocha, 2005)48 para reducir la contracción del flujo de salida desde el orificio lateral. 48 Rocha, A. “Análisis del comportamiento de los sólidos en una bifurcación”, Facultad de Ingeniería Civil. Perú. 2005. 127 6.3 PLAN DE PRUEBAS PARA EL ANÁLISIS DE LAS ESTRUCTURAS CON LAS MODIFICACIONES PROPUESTAS Para realizar el análisis del comportamiento hidráulico de las estructuras con las modificaciones propuestas se utilizan los siguientes planes de pruebas: 6.3.1 PLAN DE PRUEBAS PARA LA ESTRUCTURA DE SEPARACIÓN No. 1 Cuadro No. 6.6: Plan de Pruebas para el análisis del funcionamiento hidráulico de la estructura de separación No. 1 con modificaciones propuestas No. 1 y No. 2. ESTRUCTURA DE SEPARACIÓN No. 1 CAUDAL COMBINADO Fotografías Denominación Magnitudes Observaciones Prototipo Modelo Modificación Modificación de la Prueba Registradas (l/s) (l/s) No. 1 No. 2 Caudal de Caudal sanitario que ingreso, Caudal A-1 16.97 3 6.6 6.12 circula por la red, sin sanitario, lluvia. posible Caudal Pluvial. Caudal de Caudal intermedio ingreso, Caudal en el funcionamiento A-2 282.84 50 6.7/ 6.8 6.13 sanitario, Caudal de la estructura. Pluvial. Caudal de Caudal intermedio ingreso, Caudal 6.9/ 6.10 6.14 en el funcionamiento A-3 452.55 80 sanitario, Caudal de la estructura. Pluvial. Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. 128 Cuadro No. 6.7: Plan de Pruebas para el análisis del funcionamiento hidráulico de la estructura de separación No. 1 con modificaciones propuestas No. 3. Denominación de la Prueba ESTRUCTURA DE SEPARACIÓN No. 1 CAUDAL COMBINADO Magnitudes Prototipo Observaciones Registradas Modelo (l/s) (l/s) A-1 16.97 3 A-2 113.14 20 A-2-1 197.99 35 A-3 282.84 50 A-4 452.55 80 A-5 684.48 121 Fotografías Modificación No. 3 Caudal de ingreso, Caudal sanitario 6.15/ 6.16/ 6.17 Calado en la tubería de ingreso. Caudal de ingreso, 6.18/ 6.19/ 6.20 Caudales intermedios Caudal sanitario, 6.21 en el funcionamiento de Caudal Pluvial, 6.22/ 6.23 la estructura. calados en la tubería de ingreso. 6.24/ 6.25 Caudal cercano al Caudal de ingreso, máximo en el Caudal sanitario, 6.26/ 6.27 funcionamiento de la Caudal Pluvial estructura. Caudal sanitario que circula por la red, sin lluvia. Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. 6.3.2 PLAN DE PRUEBAS PARA LA ESTRUCTURA DE SEPARACIÓN No.2 Cuadro No. 6.8: Plan de Pruebas para el análisis del funcionamiento hidráulico de la estructura de separación No. 2 con modificación propuesta No. 2. ESTRUCTURA DE SEPARACIÓN No. 2 CAUDAL COMBINADO Denominación Magnitudes Prototipo Modelo Observaciones de la Prueba Registradas (l/s) (l/s) Caudal que Caudal de ingreso, circula por el Caudal derivado por colector de B-1 73.54 13 orificio lateral, calado ingreso sin de aproximación derrame sobre hacia el orificio. umbral. B-2 254.56 45 B-3 424.26 75 B-4 565.69 100 B-5 684.48 121 Fotografías Modificación No. 2 6.31/ 6.32 6.33/ 6.34 Caudal de ingreso, Caudal sanitario, Caudales 6.35/ 6.36/ 6.37 Caudal Pluvial, intermedios en el calados de funcionamiento aproximación hacia el 6.38/ 6.39/ 6.40 de la estructura. orificio, calados en colector pluvial. 6.41/ 6.42/ 6.43 Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. 129 6.4 RESULTADOS OBTENIDOS 6.4.1 CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES DEL FLUJO EN LA ESTRUCTURA DE SEPARACIÓN TIPO No. 1 CON LAS MODIFICACIONES PROPUESTAS 6.4.1.1 Estructura de Separación de Caudales No. 1 con Modificación No. 1: Abocinado en el cambio de geometría entre el canal de transición y la tubería de caudal sanitario, y colocación de una compuerta sobre los vertederos laterales en el tramo final del canal de transición. En las siguientes fotografías se presentan las principales características del flujo observadas para las pruebas descritas. Prueba A-1 Fotografía No. 6.6: Prueba A-1. Vista frontal del flujo con abocinado en transición para caudal sanitario (izq.) y vista lateral del canal de transición donde se observa la eliminación del vertido de caudal sanitario (der). Q prototipo = 17.74 l/s. Eliminación de vertido lateral Principales Observaciones: i. Se observa que al suavizar el cambio de geometría entre las secciones del colector combinado y la transición de separación, se elimina el choque del 130 flujo y por lo tanto se elimina el vertido de caudal sanitario hacia la red pluvial cuando circule por el colector combinado el caudal mínimo de operación (caudal sanitario). ii. Se observa formación de ondas producidas en el cambio de geometría al inicio de la transición de separación con un patrón idéntico al observado con la geometría del diseño original. Prueba A-2 Fotografía No. 6.7: Prueba A-2 con compuerta de regulación al inicio de la tubería sanitaria y abocinado en tramo final de la transición. Vista lateral de la estructura No. 1 con impacto de flujo en la pared frontal de la cámara de separación. Q prototipo = 289.65 l/s. Fotografía No. 6.8: Prueba A-2 con compuerta y abocinado en tramo final de la transición. Vista frontal (izq.) y superior (der) de la estructura No. 1 con impacto de flujo en la pared frontal de la cámara. Compuerta Caudal sanitario Compuerta 131 Principales Observaciones: i. Se observa que el flujo impacta violentamente en la pared frontal de la cámara. ii. La longitud efectiva de vertido es mucho menor que la geométrica. El flujo requiere una mayor longitud para poder realizar el cambio de dirección y verter sobre los costados de la transición de separación. iii. El caudal que continúa por la tubería sanitaria es mucho mayor que el previsto en el diseño. Prueba A-3 Fotografía No. 6.9: Prueba A-3 con compuerta y abocinado en tramo final de la transición. Vista superior de la estructura No. 1 con impacto de flujo en la pared frontal de la caja. Q prototipo = 455.98 l/s. Caudal sanitario Caudal combinado Fotografía No. 6.10: Prueba A-3 con compuerta y abocinado en tramo final de la transición. Vista frontal de la estructura No. 1 con impacto de flujo en la pared frontal de la caja. Compuerta Compuerta 132 Principales Observaciones: i. Se observa que el flujo mantiene el mismo comportamiento que en las pruebas A-2 y A-3 con diseño original. ii. El flujo prácticamente no alcanza a girar para verter sobre los costados laterales de la transición de separación. iii. La compuerta de regulación instalada en el inicio de la tubería sanitaria hace que el impacto en la pared frontal de la cámara de separación sea más intenso y el vertido de caudal pluvial se deba únicamente al efecto de este impacto. 6.4.1.2 Estructura de Separación de Caudales No. 1 con Modificación No. 2: Cambio del canal de transición por una prolongación de la tubería de ingreso de caudal combinado con un vertedero lateral de separación. En las siguientes fotografías se presentan las principales características del flujo observadas para las pruebas descritas. Fotografía No. 6.11: Vista superior del flujo a través de vertedero lateral en tubería de caudal combinado (izq.) Vista lateral de tubería pluvial con vertido de caudal (der.).Se observa que para un caudal inferior al sanitario existe derivación pluvial. Q prototipo = 1.06 l/s. Vertedero lateral Q pluvial 133 Prueba A-1 Fotografía No. 6.12: Vista en planta del flujo a través del vertedero lateral (izq.) y vista lateral del flujo a través del vertedero lateral (der). Se observa derivación de caudal hacia la tubería pluvial. Q prototipo = 17.35 l/s. Q pluvial Vertedero lateral Q sanitario Prueba A-2 Fotografía No. 6.13: Vista lateral del flujo en la estructura Tipo No. 1. Se observa la derivación de caudal sanitario hacia la cámara de separación y hacia la tubería de caudal pluvial. Q prototipo = 295.34 l/s. Q pluvial Q sanitario 134 Prueba A-3 Fotografía No. 6.14: Vista lateral del flujo en la estructura Tipo No. 1. Se observa la derivación de caudal sanitario hacia la cámara de separación y hacia la tubería de caudal pluvial. Q prototipo = 468.36 l/s. Q pluvial Q sanitario Principales Observaciones: i. Los caudales medidos con la modificación propuesta no coinciden con los calculados teóricamente. Se observa que para un caudal menor al sanitario existe derivación hacia la tubería pluvial (fotografía No. 6.11) ii. Se observa en las pruebas A que el caudal sanitario se deriva en mayor proporción que el caudal pluvial. iii. Existe impacto de la lámina vertida sobre la pared frontal de la cámara de separación, lo que produce vibración e inestabilidad en la estructura. 135 6.4.1.3 Estructura de Separación de Caudales No. 1 con modificación No. 3: Cambio del canal de transición por una prolongación de la tubería de ingreso de caudal combinado con un orificio rectangular de fondo colocado simétricamente. Prueba A-1 Fotografía No. 6.15: Vista lateral del flujo en la estructura No. 1 con orificio rectangular de fondo. Se observa la separación de caudal sanitario. Q prototipo = 17.16 l/s. Q sanitario Fotografía No. 6.16: Vista superior del flujo en orificio rectangular de fondo. Se observa que el caudal sanitario ingresa completamente en la cámara de separación. Q sanitario Orificio de fondo 136 Fotografía No. 6.17: Vista posterior de la estructura No. 1 (izq.) y vista superior de la cámara de separación (der.) con arrastre de sólidos en caudal sanitario. Prueba A-1 Tubería de caudal combinado Arrastre de sedimento Inicio de tubería sanitaria Depósito de sólidos Principales Observaciones: i. Se observa que el caudal sanitario se deriva en su totalidad hacia la cámara de separación. ii. Se evalúa el comportamiento de la estructura incluyendo material sólido para identificar la capacidad de arrastre de sedimentos. iii. Se observa que los sólidos que acarrea el caudal sanitario tienden a depositarse en el fondo de la cámara de separación. Se recomienda que el fondo de esta cámara tenga una pendiente suficiente hacia el inicio de la tubería sanitaria que facilite la autolimpieza. 137 Prueba A-2 Fotografía No. 6.18: Vista lateral del flujo en la estructura No. 1 con orificio rectangular de fondo. Se observa la separación de caudales sanitario, que cae a la cámara de separación y pluvial que continúa por la tubería de descarga pluvial. Q prototipo = 114.39 l/s. Q pluvial Q sanitario Fotografía No. 6.19: Vista superior (izq.) y lateral (der) del flujo en el orificio de fondo para prueba A-2. Q combinado Orificio de fondo Q sanitario 138 Fotografía No. 6.20: Vista lateral del flujo en el orificio rectangular de fondo. Se observa el arrastre de sólidos hacia la cámara de separación y tubería de caudal pluvial. Acarreo de Sólidos Prueba A-2-1 Fotografía No. 6.21: Vista lateral del flujo en la estructura No. 1 con orificio rectangular de fondo. Se observa la separación de caudales sanitario y pluvial. Q prototipo = 206.47 l/s. Q pluvial Q sanitario 139 Prueba A-3 Fotografía No. 6.22: Vista lateral del flujo en la estructura No. 1 con orificio rectangular de fondo. Se observa la separación de caudales sanitario y pluvial. Q prototipo = 289.00 l/s. Q pluvial Q sanitario Fotografía No. 6.23: Vista lateral del flujo en el orificio rectangular de fondo. Se observa el arrastre de sólidos hacia la cámara de separación y tubería de caudal pluvial. Q sanitario Principales Observaciones: i. El impacto del flujo sobre la pared de la cámara de separación desaparece y el flujo continúa su curso natural sin afectar la estabilidad de la estructura. 140 ii. Se observa que el comportamiento de la estructura con acarreo de sedimentos para las pruebas A-1 hasta la prueba A-3 es satisfactorio y éstos son separados junto con el caudal sanitario hacia la cámara de separación. Prueba A-4 Fotografía No. 6.24: Vista lateral del flujo en la estructura No. 1 con orificio rectangular de fondo. Se observa la separación de caudales sanitario y pluvial. Q prototipo = 457.36 l/s. Q pluvial Q sanitario Fotografía No. 6.25: Vista lateral del flujo en el orificio rectangular de fondo. Se observa el arrastre de sólidos hacia la cámara de separación y tubería de caudal pluvial. Q pluvial Q sanitario 141 Prueba A-5 Fotografía No. 6.26: Vista lateral del flujo en la estructura No. 1 con orificio rectangular de fondo. Se observa la separación de caudales sanitario y pluvial. Q prototipo = 691.07 l/s. Q pluvial Q sanitario Fotografía No. 6.27: Vista posterior del flujo en la estructura No. 1 con orificio rectangular de fondo. Se observa el impacto del chorro en la pared frontal dela caja. Impacto de chorro en pared frontal Principales Observaciones: i. Se observa que no existen ondas en el flujo ni choques con las paredes de la estructura. ii. El caudal sanitario cae por el orificio de fondo derivando los materiales sólidos que se transportan por el fondo del colector combinado iii. El caudal pluvial continúa sin obstáculos hacia la descarga. 142 6.4.2 CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES DEL FLUJO EN LA ESTRUCTURA DE SEPARACIÓN TIPO No. 2 CON LAS MODIFICACIONES PROPUESTAS 6.4.2.1 Modificación No. 1: Remoción de umbral de separación y sellado del orificio de derivación para visualización del patrón de flujo de aproximación hacia la sección de separación en la estructura. Se busca visualizar el patrón de flujo de aproximación hacia la sección de separación en la estructura. Se busca aprovechar el cambio de alineación de la estructura para garantizar la separación del caudal sanitario con la mayor carga de material sólido. En las siguientes fotografías se presentan las principales características del flujo observadas para las pruebas descritas. Fotografía No. 6.28: Vista superior del flujo en el tramo de ingreso y cambio de alineación. Se observa las líneas de flujo. Estructura No. 2 sin umbral y sin orificio de descarga sanitaria. Colector de ingreso Tramo curvo de colector 143 Fotografía No. 6.29: Vista superior del flujo en la Estructura de Separación de Caudales Tipo No. 2 sin umbral ni orificio de separación. Operación con el caudal sanitario. Se observa la presencia de una zona muerta en el contorno interior de la curvatura y de una zona de concentración de flujo en el contorno externo de la curva. Zona Muerta Zona Muerta Fotografía No. 6.30: Vista superior del flujo en el tramo de ingreso y cambio de alineación. Se observa el comportamiento del flujo con material sólido. Se identifican zonas de depósito del material sólido con el caudal sanitario. Estructura de Separación de Caudales Tipo No. 2 sin umbral y sin orificio de descarga sanitaria. Tramo de salida Tramo de salida Margen izquierda Zona de azolve Material depositado Margen derecha 144 Principales Observaciones: i. Se observa la presencia de una zona muerta generada en el contorno izquierdo del tramo curvo de la estructura, donde tienden a quedarse los materiales sólidos arrastrados por el caudal sanitario. ii. El flujo que se concentra hacia la margen derecha presenta una mayor capacidad de arrastre, pues la totalidad del material sólido es arrastrado en poco tiempo. iii. La ubicación del orificio de separación en la margen derecha favorece que se derive mayor caudal sanitario para el rango de caudales de aproximación. 6.4.2.2 Modificación No. 2: Reubicación del orificio lateral de derivación en la margen izquierda del tramo curvo y redimensionamiento del umbral de separación. En las siguientes fotografías se presentan las principales características del flujo observadas para las pruebas descritas. Prueba B-1 Fotografía No. 6.31: Vista lateral del flujo en la Estructura de Separación de Caudales Tipo No. 2 con la Modificación No. 2. Q prototipo = 72.10 l/s. Colector Pluvial Umbral Q sanitario 145 Fotografía No. 6.32: Vista frontal del flujo en el orificio de derivación (izq) y Vista superior de la estructura con arrastre de sedimentos (der). Orificio lateral Sedimentos Q sanitario Principales Observaciones: i. Se observa que el flujo es controlado por la presencia del umbral de fondo cambiando de régimen a poca distancia de su ingreso a la estructura. ii. Se observa que el sedimento se acumula en la margen izquierda de la curvatura pero es expulsado por el orificio. Prueba B-2 Fotografía No. 6.33: Vista lateral del flujo en la Estructura de Separación Tipo No. 2 con la Modificación No. 2. Q prototipo = 257.90 l/s. Colector Pluvial Umbral Q sanitario 146 Fotografía No. 6.34: Vista frontal del flujo en orificio de derivación (izq) y Vista superior de la estructura en donde se observa el flujo con material sólido (der). Sedimentos Orificio lateral Prueba B-3 Fotografía No. 6.35: Vista lateral del flujo en la Estructura de Separación Tipo No. 2 con la Modificación No. 2. Q prototipo = 421.31 l/s. Colector Pluvial Umbral Q sanitario 147 Fotografía No. 6.36: Vista frontal de orificio de derivación (izq) y vista lateral de flujo sobre umbral de separación (der) con modificación No. 2. Prueba B-3. Umbral Orificio lateral Q pluvial Fotografía No. 6.37: Vista superior de la estructura No. 2 con reubicación de orificio de separación. Prueba B-3 con arrastre de sedimentos. Sedimentos 148 Prueba B-4 Fotografía No. 6.38: Vista lateral del flujo en la Estructura de Separación Tipo No. 2 con la Modificación No. 2. Q prototipo = 560.13 l/s. Colector Pluvial Umbral Q sanitario Fotografía No. 6.39: Vista frontal de orificio de derivación (izq) y vista lateral de flujo sobre de umbral de separación (der) con modificación No. 2. Prueba B-4. Orificio lateral Umbral Q pluvial 149 Fotografía No. 6.40: Vista superior del flujo en la estructura No. 2 con reubicación de orificio de separación. Prueba B-4 con arrastre de sedimentos. Sedimentos Prueba B-5 Fotografía No. 6.41: Vista lateral del flujo en la Estructura de Separación Tipo No. 2 con la Modificación No. 2. Q prototipo = 685.22 l/s. Colector Pluvial Umbral Q sanitario 150 Fotografía No. 6.42: Vista frontal de orificio de derivación (izq) y vista lateral de flujo sobre de umbral de separación (der) con modificación No. 2. Prueba B-5. Orificio lateral Umbral Q pluvial Fotografía No. 6.43: Vista lateral de la estructura No. 2 con reubicación de orificio de separación. Prueba B-5 con arrastre de sedimentos. Orificio de derivación Orificio de derivación Sedimentos Sedimentos Principales Observaciones: i. En las pruebas A-2 hasta la A-5 se observa que a medida que el caudal combinado de entrada incrementa, los sedimentos son evacuados con mayor rapidez por el orificio de derivación. ii. Se observa en la prueba A-5 que el sedimento depositado se deriva en su totalidad hacia el colector sanitario. 151 6.5 ANÁLISIS DE LOS CAUDALES SEPARADOS 6.5.1 CAUDALES SEPARADOS EN LA ESTRUCTURA DE SEPARACIÓN TIPO No. 1 CON MODIFICACIONES 6.5.1.1 Estructura de Separación de Caudales No. 1 con Modificación No. 1: Abocinado en el cambio de geometría entre el canal de transición y la tubería de caudal sanitario, y colocación de una compuerta sobre los vertederos laterales en el tramo final del canal de transición. En el cuadro No. 6.9 se presentan los caudales sanitarios y pluviales registrados en el modelo físico que han sido separados, para la modificación planteada. En el cuadro No. 6.10 se presentan las magnitudes correspondientes en prototipo. En el anexo No. 6 se presenta el registro de pruebas realizadas para esta estructura. Cuadro No. 6.9: Valores de caudal para pruebas A en modelo físico con abocinado en transición y compuerta. Estructura No. 1 Prueba A-1 MODELO FÍSICO ESTRUCTURA No. 1 Q Q Q % % sanitario pluvial combinado sanitario pluvial separado separado (l/s) separado separado (l/s) (l/s) 3.14 3.14 0.000 100.00 0.00 A-2 51.20 10.93 40.28 21.34 78.66 A-3 80.61 13.15 67.46 16.31 83.69 Observaciones Caudal sanitario sin lluvia. Caudales intermedios en el funcionamiento de la estructura. Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. 152 Cuadro No. 6.10: Valores de caudal para pruebas A en prototipo con abocinado en transición y compuerta. Estructura No. 1 PROTOTIPO ESTRUCTURA No. 1 Prueba Q combinado (l/s) Q sanitario (l/s) Q pluvial (l/s) % % sanitario pluvial separado separado A-1 17.74 17.74 0.000 100.00 0.00 A-2 289.65 61.81 227.84 21.34 78.66 A-3 455.98 74.38 381.60 16.31 83.69 Observaciones Caudal sanitario sin lluvia. Se elimina totalmente la descarga de caudal sanitario hacia la cámara de separación. Caudales intermedios en el funcionamiento de la estructura. No se cumple con el criterio de separación del 10% para caudal sanitario. Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. En la siguiente figura se presenta el gráfico de los valores de caudal sanitario separado en modelo en función del caudal combinado de ingreso a la estructura No. 1 con la modificación propuesta. En el mismo gráfico se ha colocado la variación de caudal sanitario separado previsto en el diseño original. Gráfico No. 6.2: Gráfica de caudal sanitario vs caudal combinado para pruebas A y caudales de diseño de la estructura No.1 con abocinado en transición y compuerta. Q sanitario (l/s) Caudal sanitario derivado vs. Caudal combinado Modificación No. 1 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 A-3 A-2 Qs = 0.0918Qc + 16.03 16.44 l/s 28.38 % teórico 19.17 l/s 44.94 % A-1 0 experimental 200 400 Q combinado (l/s) 600 800 Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. 153 Se observa que el comportamiento de la estructura en cuanto a separación de caudales mejora considerablemente en comparación a los resultados obtenidos con diseño original, los porcentajes de caudal sanitario en exceso no sobrepasan el 45%. En el siguiente cuadro se presentan los caudales experimentales transpuestos al prototipo que han sido registrados en las pruebas A con la modificación propuesta, así como el porcentaje de exceso del caudal sanitario realmente derivado con respecto al previsto en el diseño. Cuadro No. 6.11: Caudales en prototipo vs caudales de modelo físico para la estructura separadora No.1 con abocinado en transición y compuerta. CAUDALES TEÓRICOS vs. MODELO FÍSICO Q Q Q Q experimental combinado sanitario sanitario Q teórico experimental experimental teórico (l/s) (l/s) (l/s) (l/s) % sanitario exceso 17.74 17.74 17.66 0.08 0.48 289.65 61.81 42.65 19.17 44.94 455.98 74.38 57.93 16.44 28.38 Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. Se observa que la sobrecarga en el caudal sanitario derivado es creciente con el incremento de caudal combinado de ingreso a la estructura No. 1 y alcanza valores mayores para el caudal de diseño de hasta el 45%. Tomando en cuenta que la modificación representa una mejora en cuanto a separación de caudal sanitario y pluvial, se debe considerar que existe impacto del flujo contra la pared de la cámara, que podría afectar la estabilidad de la estructura. Las dimensiones del orificio lateral de separación con una altura de 10 cm en prototipo, son inconvenientes porque pueden obstruirse rápida y fácilmente. En consecuencia se requerirá mantenimiento constante. 154 La modificación No. 1 mejora la proporción de separación de caudales. Sin embargo se considera que las dimensiones del orificio son relativamente pequeñas y por lo tanto presenta facilidad para continuas o frecuentes obstrucciones. 6.5.1.2 Estructura de Separación de Caudales No. 1 con Modificación No. 2: Cambio del canal de transición por una prolongación de la tubería de ingreso de caudal combinado con un vertedero lateral de separación. En el cuadro No. 6.12 se presentan los caudales sanitarios y pluviales registrados en el modelo físico que han sido separados para la modificación planteada. En el cuadro No. 6.13 se presentan las magnitudes correspondientes en prototipo. Cuadro No. 6.12: Valores de caudal para pruebas A en modelo con vertedero lateral en tubería de caudal combinado. Estructura No. 1 MODELO FÍSICO ESTRUCTURA No. 1 Q Q % % sanitario pluvial sanitario pluvial separado separado separado separado (l/s) (l/s) Prueba Q combinado (l/s) A-1 3.07 2.90 0.1646 94.63 5.37 Caudal sanitario sin lluvia. A-2 52.21 31.10 21.11 59.56 40.44 A-3 82.79 36.52 46.27 44.11 55.89 Caudales intermedios en el funcionamiento de la estructura. Observaciones Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. 155 Cuadro No. 6.13: Valores de caudal para pruebas A en prototipo con vertedero lateral en tubería de caudal combinado. Estructura No. 1 PROTOTIPO ESTRUCTURA No. 1 Prueba Q combinado (l/s) Q sanitario (l/s) Q pluvial (l/s) % % sanitario pluvial separado separado A-1 17.35 16.42 0.931 94.63 5.37 A-2 295.34 175.92 119.42 59.56 40.44 A-3 468.36 206.61 261.75 44.11 55.89 Observaciones Caudal sanitario sin lluvia. Existe descarga de caudal sanitario hacia la cámara de separación. Caudales intermedios en el funcionamiento de la estructura. No se cumple con el criterio de separación del 10% para Qsanitario. Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. La comparación entre caudales teóricos de separación previstos en el diseño original con los correspondientes caudales experimentales se representa en la siguiente gráfica. Gráfico No. 6.3: Gráfica de caudal sanitario vs. caudal combinado para pruebas A y caudales de diseño de la estructura No.1 con vertedero lateral en tubería de caudal combinado. Caudal sanitario derivado vs. Caudal combinado Modificación No. 2 250 A-3 Q sanitario (l/s) 200 A-2 147.54 l/s 249.77% 150 100 experimental 132.75 l/s 307.49% 50 teórico Qs= 0.0918Qc + 16.03 0 A-10 200 400 600 Q combinado (l/s) 800 Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. 156 Se observa que el comportamiento de la estructura de separación con la Modificación No. 2 en cuanto a la proporción de separación de caudales no alcanza una mejora con respecto al funcionamiento observado con el diseño original. Los porcentajes de caudal sanitario en exceso sobrepasan el 300%. En el siguiente cuadro se presentan los caudales experimentales transpuestos al prototipo que han sido registrados en las pruebas A con la modificación No. 2 propuesta, así como el porcentaje de exceso del caudal sanitario realmente derivado con respecto al previsto en el diseño. Cuadro No. 6.14: Caudales en prototipo vs. caudales de modelo físico para la estructura separadora No.1 con vertedero lateral en tubería de caudal combinado. CAUDALES TEÓRICOS vs. MODELO FÍSICO Q Q Q Q experimental combinado sanitario sanitario Q teórico experimental experimental teórico (l/s) (l/s) (l/s) (l/s) % sanitario exceso 17.35 16.42 17.62 -1.21 -6.85 295.34 175.92 43.17 132.75 307.49 468.36 206.61 59.07 147.54 249.77 Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. La modificación No. 2 no mejora la proporción de caudal sanitario separado para el rango de operación de caudales previsto en la obra. Aun con la operación del caudal mínimo, existe descarga del caudal sanitario hacia el colector pluvial. Los porcentajes de derivación hacia la tubería sanitaria exceden el requerimiento a medida que aumenta el caudal combinado de ingreso. 157 6.5.1.3 Estructura de Separación de Caudales No. 1 con modificación No. 3: Cambio del canal de transición por una prolongación de la tubería de ingreso de caudal combinado con un orificio rectangular de fondo colocado simétricamente. En el cuadro No. 6.15 se presentan los caudales sanitarios y pluviales registrados en el modelo físico que han sido separados para la modificación planteada. En el cuadro No. 6.16 se presentan las magnitudes correspondientes en prototipo. En el anexo No. 6 se presenta el registro de pruebas realizadas para esta estructura. Cuadro No. 6.15: Valores de caudal para pruebas A en modelo con orificio de fondo en tubería de caudal combinado. Estructura No. 1 Prueba MODELO FÍSICO ESTRUCTURA No. 1 Q Q Q % % sanitario pluvial combinado sanitario pluvial separado separado (l/s) separado separado (l/s) (l/s) Observaciones A-1 3.03 3.03 0.00 100.00 0.00 Caudal sanitario sin lluvia. A-2 A-2-1 A-3 A-4 A-5 20.22 36.50 51.09 80.85 122.17 8.04 9.72 11.18 11.83 9.63 12.19 26.78 39.91 69.02 112.54 39.74 26.64 21.88 14.63 7.88 60.26 73.36 78.12 85.37 92.12 Caudales intermedios en el funcionamiento de la estructura. Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. 158 Cuadro No. 6.16: Valores de caudal para pruebas A en prototipo con orificio de fondo en tubería de caudal combinado. Estructura No. 1 PROTOTIPO ESTRUCTURA No. 1 Prueba Q combinado (l/s) Q sanitario (l/s) Q pluvial (l/s) % % sanitario pluvial separado separado A-1 17.16 17.16 0.00 100.00 0.00 A-2 114.39 45.46 68.94 39.74 60.26 A-2-1 206.47 55.00 151.47 26.64 73.36 A-3 289.00 63.22 225.77 21.88 78.12 A-4 457.36 66.93 390.44 14.63 85.37 A-5 691.07 54.47 636.61 7.88 92.12 Observaciones Caudal sanitario sin lluvia. No existe descarga hacia la cámara de separación. Caudales intermedios en el funcionamiento de la estructura. El pocentaje de separación de Qsanitario mejora. El porcentaje de separación del Qsanitario es menor al 10%. Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. En la siguiente figura se presenta el gráfico de los valores de caudal sanitario separado con la estructura No. 1 modificada en función del caudal combinado de ingreso a la misma. En el mismo gráfico se ha colocado la variación de caudal sanitario separado previsto en el diseño original. 159 Gráfico No. 6.4: Gráfica de caudal sanitario vs. caudal combinado para pruebas A y caudales de diseño en magnitud prototipo de la estructura No.1 con orificio de fondo en tubería de caudal combinado. Caudal sanitario derivado vs. Caudal combinado Modificación No. 3 90 Qs= 0.0918Qc + 16.03 80 A-4 Q sanitario (l/s) 70 A-3 60 25.07 l/s 31.52% A-2-1 50 8.86 l/s 15.27% A-2 40 30 20.00 l/s 57.13% A-5 experimental 20.64 l/s 48.45% teórico 20 10 A-1 18.92 l/s 71.27% 0 0 200 400 Q combinado (l/s) 600 800 Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. En el siguiente cuadro se presentan los caudales experimentales transpuestos al prototipo que han sido registrados en las pruebas A con la modificación propuesta, así como el porcentaje de exceso del caudal sanitario realmente derivado con respecto al previsto en el diseño. 160 Cuadro No. 6.17: Caudales en prototipo vs caudales de modelo físico para la estructura separadora No.1 con orificio de fondo en tubería de caudal combinado. CAUDALES TEÓRICOS vs. MODELO FÍSICO Q Q Q Q experimental % combinado sanitario sanitario Q teorico sanitario experimental experimental teorico (l/s) exceso (l/s) (l/s) (l/s) 17.16 17.16 17.61 -0.45 -2.54 114.39 45.46 26.54 18.92 71.27 206.47 55.00 35.00 20.00 57.13 289.00 63.22 42.59 20.64 48.45 457.36 66.93 58.06 8.86 15.27 691.07 54.47 79.54 -25.07 -31.52 Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. Se observa que el porcentaje del caudal sanitario separado en exceso es creciente con el incremento de caudal combinado de ingreso a la estructura No. 1 modificada. Sin embargo, este exceso es inferior al 70%, lo que ocurre cuando la estructura opera con caudales medios y bajos. Para el caudal combinado máximo se observa que el caudal sanitario separado es menor al previsto teóricamente, por lo que el porcentaje en exceso presenta un valor negativo e igual a -32%. Se considera que la reducción del caudal sanitario que se separa para los caudales combinados altos no es perjudicial para el correcto funcionamiento de la estructura de separación, pues los caudales sanitarios en estos escenarios estarán altamente diluidos. Sin embargo, siempre se separará los materiales sólidos preferentemente. La hipótesis de que el caudal sanitario sea igual o menor al 10% del caudal combinado se cumple. En conclusión se considera que la Modificación No. 3 favorece el cumplimiento de los objetivos planteados para la estructura de separación, en lo que corresponde a los caudales separados para el rango de operación de la estructura analizada. 161 6.5.2 CAUDALES SEPARADOS EN LA ESTRUCTURA DESEPARACIÓN TIPO No. 2 CON MODIFICACIONES 6.5.2.1 Modificación No. 2: Reubicación del orificio lateral de derivación en la margen izquierda del tramo curvo y redimensionamiento del umbral de separación. En el cuadro No. 6.18 se presentan los caudales sanitarios y pluviales registrados en el modelo físico que han sido separados, para la modificación planteada. En el cuadro No. 6.19 se presentan las magnitudes correspondientes en prototipo. En el anexo No. 6 se presenta el registro de pruebas realizadas para esta estructura. Cuadro No. 6.18: Valores de caudal para pruebas B en modelo con orificio lateral y umbral de separación. Estructura No. 2 Prueba MODELO FÍSICO ESTRUCTURA No. 2 Q Q Q % % sanitario pluvial combinado sanitario pluvial separado separado (l/s) separado separado (l/s) (l/s) B-1 12.75 12.75 0.00 100.00 0.00 B-2 45.59 16.75 28.84 36.73 63.27 B-3 74.48 18.23 56.25 24.47 75.53 B-4 99.02 19.32 79.70 19.51 80.49 B-5 121.13 20.54 100.59 16.96 83.04 Observaciones Caudal admisible para evitar desborde hacia colector pluvial. Caudales intermedios en el funcionamiento de la estructura. Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. En la figura No. 6.5 se presenta el gráfico de los valores de caudal sanitario separado en modelo en función del caudal combinado de ingreso a la estructura No. 2 con la modificación propuesta. En el mismo gráfico se ha colocado la variación de caudal sanitario separado previsto en el diseño original. 162 Cuadro No. 6.19: Valores de caudal para pruebas B en prototipo con orificio lateral y umbral de separación. Estructura No. 2 PROTOTIPO ESTRUCUTURA No. 2 Prueba Q Q combinado sanitario (l/s) (l/s) Q pluvial (l/s) % % derivado derivado sanitario pluvial B-1 72.10 72.10 0.00 100.00 0.00 B-2 257.90 94.74 163.16 36.73 63.27 B-3 421.31 103.10 318.21 24.47 75.53 B-4 560.13 109.30 450.83 19.51 80.49 B-5 685.22 116.20 569.02 16.96 83.04 Observaciones Caudal admisible para evitar desborde hacia colector pluvial. Caudales intermedios en el funcionamiento de la estructura. Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. Gráfico No. 6.5: Gráfica de caudal sanitario vs. caudal combinado para pruebas B y caudales de diseño de la estructura No.2 con reubicación de orificio lateral y umbral de separación. Caudal sanitario derivado vs. Caudal combinado Modificación No. 2 160.00 Qs = 0.0725·Qc + 82.916 140.00 Q sanitario (l/s) 120.00 100.00 80.00 60.00 40.00 16.04 l/s 18.20% 6.87 l/s 6.77% 10.36 l/s 9.13% 14.23 l/s 11.52% 16.39 l/s 12.36% teórico 20.00 0.00 0.00 200.00 400.00 600.00 Q combinado (l/s) experimental 800.00 Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. 163 En el siguiente cuadro se presentan los caudales experimentales transpuestos al prototipo de la estructura No. 2 que han sido registrados en las pruebas B con la modificación propuesta, así como el porcentaje de exceso del caudal sanitario realmente derivado con respecto al previsto en el diseño. Cuadro No. 6.20: Caudales en prototipo vs. caudales de modelo físico para la estructura separadora No.2 con reubicación de orificio lateral y umbral de separación. CAUDALES TEÓRICOS vs. MODELO FÍSICO Q Q Q Q experimental % combinado sanitario sanitario Q teórico sanitario experimental experimental teórico (l/s) exceso (l/s) (l/s) (l/s) 72.10 72.10 88.14 -16.04 -18.20 257.90 94.74 101.61 -6.87 -6.77 421.31 103.10 113.46 -10.36 -9.13 560.13 109.30 123.53 -14.23 -11.52 685.22 116.20 132.59 -16.39 -12.36 Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. Se observa que ya no existe el exceso de caudal sanitario separado durante la operación de la estructura con caudales combinados. Los valores de caudales separados son ligeramente inferiores al caudal teórico previsto evaluado como el 10% del caudal combinado. La mayor diferencia entre el caudal de separación previsto en el diseño original y el registrado experimentalmente se presenta para los valores menores de caudal combinado y su valor máximo está alrededor del 18 %. Considerando la capacidad para regular el caudal separado cuando la estructura No. 2 modificada opera con caudales medios y altos se plantea que esta modificación favorece el correcto funcionamiento de la obra. 164 6.6 RESULTADOS EXPERIMENTALES 6.6.1 ESTRUCTURA DE SEPARACIÓN TIPO No. 1 A base de las características observadas en el flujo así como de los resultados obtenidos experimentalmente para caudales sanitarios separados se propone que la geometría definitiva corresponde a la modificación No. 3. De acuerdo al análisis dimensional, que se presenta en el anexo No. 7 para la geometría definitiva de la Estructura de Separación de Caudales Tipo No. 1, garantizando que en el flujo del modelo al igual que en el prototipo se mantengan despreciables los efectos de la viscosidad y de la tensión superficial, se tiene que el coeficiente adimensional de descarga del orificio de fondo de separación se expresa como: ܸ௧ ܽ ܦ ܥ ൌ ݂ ቆ ǡ ǡ ቇ ඥ݄݃ ݄ ݄ ( 6.2) De acuerdo a esta expresión el coeficiente de descarga del orificio de separación es función del número adimensional de Froude del flujo de aproximación y de la geometría. Para el caso de análisis, los resultados obtenidos corresponden a flujos supercríticos de aproximación cuyos números adimensionales de Froude varían entre 2.3 a 3.4. En los siguientes gráficos se presenta las relaciones funcionales que expresan la variación del coeficiente adimensional de descarga en función de las relaciones geométricas adimensionales ǡ . 165 Gráfico No. 6.6: Relación adimensional Cq vs hm/D para el orificio de fondo de separación. Estructura de Separación de Caudales Tipo No. 1 con geometría definitiva. Cq Cq vs hm/D 0.50 0.45 0.40 0.35 0.30 0.25 0.20 0.15 0.10 0.05 0.00 0.00 Cq = -1.556(hm/D)2 + 1.3491(hm/D) + 0.1589 R² = 0.9896 0.20 0.40 hm/D 0.80 0.60 Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. Gráfico No. 6.7: Relación adimensional Cq vs hm/a para el orificio de fondo de separación. Estructura de Separación de Caudales Tipo No. 1 con geometría definitiva. Cq Cq vs hm/a 0.50 0.45 0.40 0.35 0.30 0.25 0.20 0.15 0.10 0.05 0.00 0.00 Cq = -0.5943(hm/a)2 + 0.8338(hm/a) + 0.1589 R² = 0.9896 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 hm/a Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. 1.20 1.40 166 6.6.2 ESTRUCTURA DE SEPARACIÓN TIPO No. 2 A base de las características observadas en el flujo así como de los resultados obtenidos experimentalmente para caudales sanitarios separados, se propone que la geometría definitiva para la estructura de separación de caudales Tipo No. 2 corresponde a la modificación No. 2. De acuerdo al análisis dimensional correspondiente, que se presenta en el anexo No. 7 para la geometría definitiva de la Estructura de Separación de Caudales Tipo No. 2, se garantiza que en el flujo del modelo al igual que en el prototipo se mantienen despreciables los efectos de la viscosidad y de la tensión superficial, por lo tanto, se tiene que el coeficiente adimensional de descarga del orificio lateral de separación se expresa como: ܥ ൌ ݂ ൬ ܳ ܽ ݓ ܤ ǡ ǡ ൰ ݄ ݄ ܳ ݓ ( 6.3) De acuerdo a esta expresión el coeficiente de descarga del orificio lateral de separación es función del número adimensional ொ ொ ௪ y de la geometría. El análisis experimental para determinar la variación del coeficiente de descarga Cq en función de los parámetros indicados en la ecuación 6.3 se realizó para la geometría definitiva definida para la Estructura de Separación Tipo No. 2. En los siguientes gráficos se presentan las variaciones del coeficiente adimensional Cq obtenidas para el orificio lateral de separación en función de los parámetros adimensionales definidos en la ecuación 6.3. 167 Gráfico No. 6.8: Relación entre parámetros adimensionales Cq vs. ((Qo/Qc)·(B/w)) para separación de caudales por medio de un orificio lateral de derivación y umbral transversal Estructura de Separación de Caudales Tipo No. 2 con la geometría definitiva. Cq vs (Qo/Qc)·(B/w) 1.20 1.00 Cq 0.80 Cq = 1.0431·((Qo/Qc)·(B/w))-0.099 R² = 0.9845 0.60 0.40 0.20 0.00 0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 (Qo/Qc)·(B/w) 3.00 3.50 4.00 4.50 Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. Gráfico No. 6.9: Relación entre parámetros adimensionales Cq vs a/hm para el orificio lateral de separación de caudales y umbral transversal de derivación. Estructura de Separación de Caudales Tipo No. 2 con la geometría definitiva. Cq vs a/hm 1.20 1.00 Cq 0.80 0.60 Cq = 0.7341·(a/hm)-0.307 R² = 0.9896 0.40 0.20 0.00 0.00 0.10 0.20 0.30 a/hm 0.40 Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. 0.50 0.60 168 Gráfico No. 6.10: Relación entre parámetros adimensionales Cq vs. w/hm para el orificio lateral de separación de caudales y umbral transversal de derivación. Estructura de Separación de Caudales Tipo No. 2 con la geometría definitiva. Cq vs w/hm 1.20 1.00 Cq 0.80 0.60 Cq = 0.908·(w/hm)-0.307 R² = 0.9896 0.40 0.20 0.00 0.00 0.20 0.40 0.60 w/hm 0.80 1.00 1.20 Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. 6.7 CONCLUSIONES 6.7.1 ESTRUCTURA DE SEPARACIÓN DE CAUDALES TIPO No. 1 La modificación No. 1 experimentada en la estructura de separación Tipo No. 1 no es adecuada puesto que, aunque el abocinado ayuda a reducir el cambio brusco de secciones entre el canal de transición y el inicio de la tubería de descarga de caudal sanitario, se mantiene el impacto del flujo para caudales mayores al mínimo o sanitario. Para caudales medios y altos el impacto es importante. Por otro lado, la compuerta instalada para regular el caudal derivado hacia la tubería sanitaria, cumple parcialmente con este objetivo. Genera en cambio un impacto violento del flujo sobre la pared del pozo de separación poniendo en 169 riesgo la estabilidad de la estructura. La compuerta reduce el área disponible para la descarga del caudal sanitario hacia la tubería correspondiente y por lo tanto hay mayor probabilidad de taponamientos, haciendo indispensable un mantenimiento muy frecuente. La modificación No. 2 no cumple el objetivo de eliminar la descarga de caudal sanitario hacia la descarga pluvial en tiempo seco. La proporción del caudal derivado es mucho mayor que la prevista en el diseño original. La modificación No. 3 para la Estructura Tipo No. 1 permite que ésta mejore su eficiencia respecto a la proporción de caudales sanitarios separados para todo el rango de operación. Adicionalmente se eliminan todos los impactos del flujo con las paredes de la cámara de separación. Se eliminan las ondas y flujos secundarios y se garantiza la autolimpieza. En consecuencia la geometría recomendada como definitiva para la Estructura Tipo No. 1, es la geometría ensayada como modificación No. 3. 6.7.2 ESTRUCTURA DE SEPARACIÓN DE CAUDALES TIPO No. 2 La modificación No. 1 implementada permitió visualizar la red del flujo de aproximación identificando la mejor ubicación para el orificio lateral de separación de caudales sanitarios, atendiendo a dos aspectos principales: · Proporción de caudales separados para todo el rango de operación de la estructura · Capacidad de evacuar la mayor parte de materiales sólidos arrastrados con el flujo combinado de aproximación. En función de la variación de caudales separados para el rango de operación de caudales combinados previsto para la Estructura de Separación Tipo No. 2, así como las favorables características de flujo y capacidad de autolimpieza se 170 recomienda que la geometría definitiva corresponda a la propuesta en la modificación No. 2, es decir el orificio lateral de separación se ubica en el contorno interno de la curva y sus dimensiones son similares a las propuestas en el diseño original. El canal que recibe la descarga sanitaria presenta un ángulo de inclinación de 60° con respecto a la pared para reducir el efecto de contracción del flujo que pasa a través del orificio de separación. CAPÍTULO 7 7 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 7.1 CONCLUSIONES Las estructuras de separación de caudales con flujos supercríticos de aproximación deben cumplir con un diseño optimo que garantice el direccionamiento del caudal sanitario en su totalidad, en épocas de estiaje, y que permita la separación de los caudales sanitarios, que incluyen la mayor cantidad de carga orgánica dentro del caudal combinado para que sea tratado eficientemente y descargado posteriormente a los cauces de los ríos, evitando así su contaminación. Estas estructuras tienen una gran importancia para garantizar el tratamiento de aguas sanitarias y evitar descargas con alta concentración de contaminación hacia los ríos; para alcanzar este objetivo se requiere de la construcción y correcta operación de un gran número de estructuras de separación, representando su diseño una importante fracción del costo que todo municipio deberá invertir en la recuperación de los cursos naturales. En los sistemas combinados de recolección que han sido construidos y están operando en todas las ciudades andinas de nuestro país se requiere implementar un sistema eficiente de separación de caudales que permita: (i) Eliminar toda descarga directa de agua residual hacia los cuerpos receptores en las épocas de verano, (ii) Separar la porción que corresponde al caudal sanitario en el tramo final de descarga combinada, antes de su descarga al cuerpo receptor. En esta separación incluye que: 172 a. El caudal separado corresponda al caudal sanitario producido en la cuenca de aporte con una dilución máxima adoptada como el 10% del caudal combinado. En caso contrario, el volumen de agua separada por unidad de tiempo será excesivo encareciendo innecesariamente todo el sistema de colectores perimetrales que conducen las aguas residuales hasta la planta de tratamiento y reduciendo drásticamente la eficiencia en los procesos de depuración previa la descarga a los cuerpos receptores. b. La porción de caudal separado debe arrastrar la mayor parte de material sólido que viene con el flujo combinado, cumpliendo así que la porción descargada directamente al río pueda ser adecuadamente tratada aprovechando la capacidad natural de depuración que tiene el cuerpo receptor. (iii) Garantizar la autolimpieza de la estructura de separación de caudales considerando todo el rango de operación de caudales combinados. El flujo observado en los dos tipos analizados de estructuras de separación de caudales, que reciben el caudal combinado en régimen supercrítico, es tridimensional y complejo, caracterizado por una inercia alta que dificulta el cambio de dirección del flujo y genera ondas, choques e impactos violentos sobre las paredes de las estructuras, poniendo su estabilidad en riesgo. El diseño y dimensionamiento de estas obras, que hasta la fecha se realiza con la aplicación de criterios fundamentados en la hidráulica básica y unidimensional, no es suficiente para representar de manera adecuada el comportamiento y desarrollo real del fenómeno de separación de caudales. En consecuencia los resultados de este diseño simplificado son obras que no alcanzan a cumplir los objetivos principales esperados de una estructura de separación y por lo tanto presentan funcionamientos inadecuados y hasta peligrosos para la propia red y para las vías o edificaciones ubicadas en su entorno. 173 Es indispensable por lo tanto, ajustar y optimizar el diseño bajo la consideración de las reales condiciones de operación a las que estará sujeta la estructura, mediante el análisis experimental en modelo físico de la misma, identificando claramente las deficiencias en el funcionamiento hidráulico, planteando alternativas o soluciones que permitan alcanzar la correcta operación que garantice alcanzar los objetivos planteados para esta estructura. Los resultados obtenidos en el presente proyecto de titulación contribuyen a la ampliación del conocimiento e información existente en relación al diseño y dimensionamiento de dos tipos clásicos de Estructuras de Separación de Caudales que operan con flujos supercríticos de aproximación y que son de frecuente implementación en las redes de recolección de las ciudades ecuatorianas. Se demuestra la utilidad de la modelación física para la solución de los problemas en el dimensionamiento hidráulico de importantes obras de infraestructura, presentando a la comunidad técnica los resultados experimentales como ábacos adimensionales de diseño. 7.2 CONCLUSIONES ACERCA DEL ESTUDIO EXPERIMENTAL El análisis experimental con el diseño original de las dos Estructuras de Separación Tipo muestra que no existe una coincidencia entre los caudales de derivación planteados en el diseño original con los realmente separados. No se cumple el objetivo buscado en las estructuras de separación de mantener el caudal separado en un rango de hasta 10% de caudal combinado, sino que éste es mucho mayor. 174 7.2.1 ESTRUCTURA DE SEPARACIÓN DE CAUDALES TIPO No. 1 El flujo que se observa durante la operación de la Estructura Tipo No. 1 con su diseño original no cumple con los objetivos previstos para esta estructura de separación de caudales y es inaceptable debido a los siguientes aspectos: (i) Existe descarga de una parte del caudal sanitario, aun en las épocas de ausencia de lluvias. (ii) Los caudales separados para el rango de operación de la estructura son mucho mayores a los previstos en el diseño. Para el rango de caudales combinados de ingreso medios y altos se han registrado caudales sanitarios separados mayores a 4 veces el máximo admisible. Es decir, se separa como caudal sanitario algo más que la mitad del caudal combinado de aproximación, provocando de esta forma una grave sobrecarga a los colectores perimetrales y una afectación importante a la eficiencia de los procesos de tratamiento en las plantas de depuración de aguas residuales. (iii) Los violentos choques que se presentan para toda la gama de caudales de operación, pone en riesgo la estabilidad de la cámara de separación y de toda la infraestructura y obras existentes en la zona cercana a la cámara de separación. Fotografía No. 7.1: Vista lateral del flujo en la Estructura de Separación Tipo No. 1 con diseño original. Se observa el impacto en la pared frontal de la cámara y la separación de caudales sanitario y pluvial para un Q prototipo de 459 l/s. 175 La investigación experimental ha planteado e implementado tres modificaciones geométricas para optimizar el inadecuado funcionamiento hidráulico de esta obra. En la gráfica No. 7.1, se presentan los resultados experimentales registrados para el diseño original así como para las modificaciones planteadas y la referencia del caudal teórico admisible definido como el 10% del caudal combinado de ingreso. Gráfico No. 7.1: Comparación entre caudal sanitario derivado vs. caudal combinado para la Estructura de Separación de Caudales No.1 que incluye el comportamiento teórico, diseño original y modificaciones propuestas. Caudal sanitario derivado vs. Caudal combinado Comportamiento Experimental y Teórico ESTRUCTURA TIPO No. 1 300 250 Q sanitario (l/s) Diseño original 200 Compuerta en inicio de tubería sanitaria 150 Vertedero lateral en tubería de ingreso 100 orificio rectangular de fondo diseño teórico 50 0 0 200 400 600 Q combinado (l/s) 800 Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. Se observa que respecto del caudal separado en función del caudal combinado de aproximación, existen dos modificaciones que logran que los caudales realmente separados estén cercanos a los valores teóricos previstos. Una de ellas corresponde a la instalación de la compuerta de regulación al inicio de la tubería sanitaria, conservando el canal de transición del diseño original. En este caso, el violento impacto del flujo sobre la pared frontal de la cámara, no 176 permite que esta modificación sea considerada como una solución efectiva. En consecuencia, la Modificación No. 3 que reemplaza la transición de separación por una prolongación del tramo final combinado en el que se ha implementado el orificio rectangular de fondo para separar el caudal sanitario hacia abajo, mientras el caudal pluvial continúa su descarga al nivel del plano de separación, es la que mejor cumple con los objetivos planteados para una estructura de separación de caudales. Se observa en este caso, que los caudales separados son cercanos a los previstos en el diseño teórico, notándose además que para los valores más altos de caudal combinado de aproximación, el porcentaje del caudal separado es inferior al 10% de Qcombinado, lo que es favorable para los objetivos del diseño. En este caso no existen ondas, ni choques de flujo que podrían afectar a la estabilidad de la estructura, por lo que se la selecciona como la mejor alternativa para optimizar la operación de la Estructura Tipo No. 1 para todo el rango de operación de la misma. Las modificaciones geométricas recomendadas a base del análisis experimental son las siguientes: (i) Mantener la cámara de separación así como el régimen supercrítico en el flujo combinado de aproximación hacia la estructura de separación de caudales. (ii) Reemplazar la transición de separación y sus vertederos laterales por un tramo con iguales diámetro y pendiente longitudinal que el tramo combinado de aproximación. (iii) Realizar la separación de caudales mediante un orificio de fondo en el tramo de separación cuyas dimensiones serán definidas en función de las características del flujo combinado de separación y del caudal sanitario producido en la microcuenca de aporte. De esta manera el caudal sanitario caerá hacia la cámara de separación y el caudal pluvial continuará hacia el colector de descarga, aguas abajo del tramo de separación. 177 (iv) Intercambiar la ubicación de las descargas separadas previstas en el diseño original, de tal manera que: la descarga sanitaria se realice desde el fondo de la cámara de separación, mientras que la descarga pluvial continúe inmediatamente al nivel del tramo de separación. (v) Implementar pendientes en el fondo del pozo de separación para favorecer la autolimpieza del mismo y evacuar hidráulicamente todo el material sólido que se separa junto con el caudal sanitario. Fotografía No. 7.2: Vista lateral del flujo en la Estructura de Separación Tipo No. 1con geometría definitiva correspondiente al orificio de fondo en una proyección de la tubería de ingreso de caudal combinado. Se observa la separación de caudales sanitario y pluvial para un Q prototipo de 691 l/s sin impacto de flujo en la estructura. 7.2.2 ESTRUCTURA DE SEPARACIÓN DE CAUDALES TIPO No. 2 El flujo que se observa durante la operación de la Estructura Tipo No. 2 con su diseño original no cumple con los objetivos previstos para esta estructura de separación de caudales y es inaceptable debido a los siguientes aspectos: (i) Existe descarga de una pequeña parte del caudal sanitario, aun en las épocas de ausencia de lluvias, debido a la altura del umbral transversal 178 que no es suficiente para que todo el caudal sanitario de tiempo seco sea evacuado a través del orificio lateral de separación. (ii) Los caudales separados para el rango de operación de la estructura son mayores a los previstos en el diseño. Para el rango de caudales combinados de ingreso medios se han registrado caudales sanitarios separados mayores a 1,5 veces el máximo admisible. En este caso, existe una sobrecarga de caudal derivado hacia el colector sanitario, que a pesar de no ser comparable con la registrada en la Estructura Tipo No. 1, es mayor a la teórica prevista. (iii) Los materiales sólidos arrastrados cercanos al fondo del colector desde su ingreso, son difícilmente evacuados junto con el caudal sanitario, pues al ubicarse el orificio en la pared externa de la curva no es posible aprovechar el flujo producido por el efecto bulle, que tiende a empujar los materiales sólidos en el fondo hacia la pared interior de la curva. En la Estructura Tipo No. 2 se privilegia la separación de caudal con menor concentración de material sólido, lo que dificulta su autolimpieza. Fotografía No. 7.3: Vista superior del flujo en la Estructura de Separación Tipo No. 2 con diseño original. Se observa la acumulación de sólidos en la curvatura interna y umbral con separación de caudales sanitario y pluvial para un Q prototipo de 684 l/s. 179 La investigación experimental plantea en este caso una sola modificación geométrica para optimizar el inadecuado funcionamiento hidráulico de esta obra. En la gráfica No. 7.2, se presentan los resultados experimentales registrados para el diseño original así como para la modificación planteada y la referencia del caudal teórico admisible definido como el 10% del caudal combinado de ingreso. Gráfico No. 7.2: Comparación entre caudal sanitario derivado vs. caudal combinado para Estructura de Separación de Caudales No.2 para comportamiento teórico, diseño original y modificación propuesta. Caudal sanitario derivado vs. Caudal combinado Comportamiento Experimental y Teórico ESTRUCTURA TIPO No. 2 200 180 Q sanitario (l/s) 160 140 diseño original 120 100 reubicación de orificio lateral 80 60 teórico 40 20 0 0 200 400 600 Q combinado (l/s) 800 Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. Se observa que respecto del caudal separado en función del caudal combinado de aproximación, la modificación implementada evita que el caudal sanitario en tiempo seco sobrepase el umbral y se descargue hacia el cuerpo receptor. A pesar de que el valor registrado de caudal sanitario derivado se ubica por debajo de la curva teórica, para valores de caudales combinados mayores al caudal sanitario de tiempo seco se observa que la modificación reduce el valor del caudal separado a rangos muy cercanos al valor teórico previsto que corresponde al 10% del Qcombinado, lo que es favorable para alcanzar los objetivos de diseño en esta 180 estructura de separación. En este caso no existen ondas, ni choques de flujo que podrían afectar a la estabilidad de la estructura. Se observa además que la operación de la Estructura Tipo No. 2 con las modificaciones propuestas tiene una alta capacidad de autolimpieza, pues se aprovecha eficientemente la presencia del efecto bulle en la curva para expulsar rápidamente los materiales sólidos arrastrados por el flujo combinado, hacia la margen izquierda donde se ha ubicado convenientemente el orificio lateral en el fondo para la descarga sanitaria. El comportamiento observado con la modificación implementada en la Estructura Tipo No. 2 es favorable para evacuar junto con el caudal sanitario la mayor parte de material sólido arrastrado, mejorando de esta forma las características de flujo observadas con el diseño original. Las modificaciones geométricas recomendadas a base del análisis experimental para la estructura de separación de caudales Tipo No. 2 son las siguientes: (i) Mantener la geometría de la estructura de separación en cuanto a su alineación y pendiente longitudinal, que favorece el cambio de régimen del flujo supercrítico que ingresa hacia la estructura de separación de caudales. (ii) Modificar la ubicación del orificio lateral de separación hacia la pared interna de la curva para regular con mayor eficiencia los caudales separados y favorecer la autolimpieza de la zona de separación. (iii) Incrementar la altura del umbral transversal para eliminar la posibilidad de que exista descarga de caudal sanitario hacia el cuerpo receptor, en tiempo seco. (iv) Reducir las dimensiones del orificio lateral de separación, manteniendo las dimensiones mínimas para evitar obstrucciones frecuentes. (v) Orientar el colector que recibe el caudal sanitario separado con un ángulo de 60⁰ con respecto a la alineación de la pared lateral de la estructura de separación, con el fin de reducir el efecto de contracción de flujo separado en su salida. 181 Fotografía No. 7.4: Vista lateral del flujo en la Estructura de Separación Tipo No. 2 con geometría definitiva correspondiente a la reubicación del orificio lateral y aumento de altura del umbral. Se observa la separación de caudales sanitario y pluvial para un Q prototipo de 685 l/s. 7.3 RECOMENDACIONES PARA EL DIMENSIONAMIENTO DE LAS ESTRUCTURAS DE SEPARACIÓN DE CAUDALES TIPO OPTIMIZADAS 7.3.1 ESTRUCTURA DE SEPARACIÓN DE CAUDALES TIPO No. 1 Como resultado de la investigación experimental se proponen a continuación los gráficos adimensionales que permiten definir el dimensionamiento del orificio de fondo requerido para la separación de caudales en función de parámetros adimensionales. Tomando en consideración que el diseñador no conoce a priori el valor experimental de la profundidad de flujo en la zona de aproximación cercana al tramo de separación, hm, se propone en primer lugar utilizar el gráfico adimensional No. 7.3 que relaciona el número de Fr del flujo combinado que 182 ingresa, con la profundidad adimensional continuación. ࢎ ൗࢅ , como se presenta a Gráfico No. 7.3: Relación entre parámetros adimensionales hm/yn vs. Fr para el orificio de fondo de separación. Estructura de Separación Tipo No.1 con geometría definitiva. Relación entre calado experimental (hm) y calado normal (yn) 1.6 1.4 1.2 hm/yn = -4.7942Fr2 + 43.189Fr - 95.829 R² = 0.6825 hm/yn 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 4.2 4.3 4.4 4.5 Fr 4.6 4.7 4.8 Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. En donde: hm: profundidad experimental del flujo de aproximación hacia el orificio de separación. yn: profundidad normal teórica en el tramo de colector combinado. Fr: Número de Froude del flujo teórico en el colector de caudal combinado. hm/yn: relación adimensional entre calados de aproximación experimental y teórico Nota: La presente investigación implica que los números de Froude a usarse en el ábaco del gráfico No. 7.3 corresponden a flujos supercríticos con valores entre 4.2 a 4.7. 183 Una vez que se ha definido el valor de la relación hm/yn con su respectivo Número de Froude, se determina el valor de la profundidad de flujo hm en la zona de aproximación hacia el orificio de fondo, con la que es posible determinar el valor del coeficiente de descarga aplicable para el orificio de fondo, mediante el gráfico adimensional No. 7.4. Gráfico No. 7.4: Relación adimensional Cq vs hm/D para el orificio de fondo de separación en la Estructura de Separación de Caudales Tipo No. 1 con geometría definitiva. Cq vs hm/D 0.50 0.45 0.40 0.35 Cq 0.30 Cq = -1.556(hm/D)2 + 1.3491(hm/D) + 0.1589 R² = 0.9896 0.25 0.20 0.15 0.10 0.05 0.00 0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 hm/D 0.50 0.60 0.70 0.80 Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. Con el valor de Cq y hm conocidos es posible determinar la dimensión ancho del orificio a con ayuda del gráfico adimensional No. 7.5. 184 Gráfico No. 7.5: Relación adimensional Cq vs hm/a para el orificio de fondo de separación de caudales en la Estructura de Separación de Caudales Tipo No. 1 con geometría definitiva. Cq vs hm/a 0.50 0.45 0.40 0.35 Cq 0.30 0.25 0.20 Cq = -0.5943(hm/a)2 + 0.8338(hm/a) + 0.1589 R² = 0.9896 0.15 0.10 0.05 0.00 0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 1.40 hm/a Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. Finalmente, y tomando en cuenta que por medio de la experimentación se establece que la relación geométrica entre el ancho (a) y la longitud (L) del orificio de fondo corresponden a la relación de L = 0.73·a, se tiene definido totalmente el tamaño del orificio de fondo para separar en su totalidad el caudal sanitario con un flujo de aproximación supercrítico en época seca. 7.3.2 ESTRUCTURA DE SEPARACIÓN DE CAUDALES TIPO NO. 2 A base de los resultados experimentales obtenidos se proponen a continuación los gráficos adimensionales que permitirán definir el dimensionamiento del orificio lateral de separación ubicado en la margen izquierda del tramo curvo en función 185 ࡽ de los parámetros adimensionales ቀࡽቁ ή ቀ࢝ቁ, que representa la relación de ࢉ separación de caudales, ࢝ൗࢎ , y ࢇൗࢎ . Como recomendación principal para el diseñador, se requiere conocer los datos correspondientes al caudal combinado en el colector que va a ser separado, el ancho del colector donde se ubica el umbral de separación manteniendo una relación B=4·w, donde B equivale al ancho del colector, además se debe conocer el caudal sanitario Qo que debe ser derivado. Se debe tomar en cuenta que el caudal Qo debe responder a un porcentaje de derivación del caudal combinado que sea similar a los que se observa en la gráfica que muestra el comportamiento del caudal sanitario derivado versus el caudal combinado (Gráfico No. 6.5) cuya ecuación se define como Qs=29.781·Qc0.2069. Una vez conocidos los datos anteriores, se determina el valor del coeficiente de descarga del orificio lateral Cq mediante el siguiente ábaco. Gráfico No. 7.6: Relación entre parámetros adimensionales Cq vs. ((Qo/Qc)·(B/w)) para separación de caudales por medio de un orificio lateral de derivación y umbral transversal en la Estructura de Separación de Caudales Tipo No. 2 con la geometría definitiva. Cq vs (Qo/Qc)·(B/w) 1.20 1.00 Cq 0.80 Cq = 1.0431·((Qo/Qc)·(B/w))-0.099 R² = 0.9845 0.60 0.40 0.20 0.00 0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 (Qo/Qc)·(B/w) 3.50 Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. 4.00 4.50 186 Conocido el coeficiente Cq así como el valor del alto w del umbral transversal, y mediante el manejo adecuado de los ábacos experimentales obtenidos en la presente investigación, se orienta al diseñador mediante la utilización del gráfico No. 7.7 a determinar el valor del parámetro hm que es de suma importancia para que se pueda prever en el diseño la altura adecuada de las paredes del colector, además que permite conocer profundidad del flujo de aproximación hacia el orificio de separación. Gráfico No. 7.7: Relación entre parámetros adimensionales Cq vs. w/hm para el orificio lateral de separación de caudales y umbral transversal de derivación en la Estructura de Separación de Caudales Tipo No. 2 con la geometría definitiva. Cq vs w/hm 1.20 1.00 Cq 0.80 Cq = 0.908·(w/hm)-0.307 R² = 0.9896 0.60 0.40 0.20 0.00 0.00 0.20 0.40 0.60 w/hm 0.80 1.00 1.20 Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. Por último se pretende que el diseñador obtenga el parámetro geométrico correspondiente al alto del orificio mediante la utilización del gráfico No. 7.8 para obtener un adecuado comportamiento respecto a la derivación, el cual además debe considerarse que se mantiene en una relación de L= 1.45·a donde a corresponde al alto del orificio y L corresponde al ancho del orificio. 187 Gráfico No. 7.8: Relación entre parámetros adimensionales Cq vs a/hm para el orificio lateral de separación de caudales y umbral transversal de derivación. Estructura de Separación de Caudales Tipo No. 2 con la geometría definitiva. Cq vs a/hm 1.20 1.00 Cq 0.80 Cq = 0.7341·(a/hm)-0.307 R² = 0.9896 0.60 0.40 0.20 0.00 0.00 0.10 0.20 0.30 a/hm 0.40 Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. 0.50 0.60 188 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Alberro G, Almandoz J, Jimenez R, Mogelos M, Pellejero I. Apuntes mecánica de fluidos. España. Departamento de Ingeniería Nuclear y Mecánica de fluidos. Universidad del País Vasco Castro, M. Análisis Dimensional y modelación física en hidráulica. Quito. Departamento de Hidráulica. Escuela Politécnica Nacional. EPMAPS. (2012). Estudios de Actualización del Plan Maestro Integrado de Agua Potable y Alcantarillado para el DMQ - Resumen Ejecutivo. Quito. Ecuador. EPMAPS. (2012). Estudios y Diseños Definitivos de los Sistemas de Alcantarillado de los Interceptores Conocoto Bajo – Informe Técnico Fase III. Quito. Ecuador. EPMAPS. (2012). Estudios y diseños definitivos de los sistemas de alcantarillado combinado para varias calles de la parroquia Conocoto, Sector Azblan. Quito. Ecuador. EPMAPS. (2013). Memoria Técnica para el diseño definitivo del sistema de alcantarillado para el barrio san José Obrero. Quito. Ecuador. Hidalgo, M. Introducción a la teoría de modelos hidráulicos y aplicaciones básicas. Quito. Departamento de Hidráulica. Escuela Politécnica Nacional. Kobus, H. (1978). Hydraulic Modeling. DVWW. Mitteilungsheft No. 4. Germany. Martínez de Azagra, A., Pando V,. & delRío, J. (2007). Generalizaciones al teorema pi de Buckingham con algunas aplicaciones. España. Escuela Técnica Superior de Ingenierías Agrarias. 189 Naudascher, E. (2002). Hidráulica de canales. México. Limusa-Noriega Editores. Pallares, D & Maldonado, L. (2012). Análisis en modelo hidráulico de la estructura de interconexión de las centrales Sarapullo y Alluriquín. Quito, 2012. Quintanar, L. El teorema pi y la modelación. México. Instituto Superior de Matemática (INSUMA). Rocha, A. (2005). Análisis del comportamiento de los sólidos en una bifurcación. Perú. Facultad de Ingeniería Civil. SENAGUA. Normas para estudio y diseño de sistemas de Agua Potable y Disposición de Aguas residuales para Poblaciones Mayores a 1000 Habitantes. Ecuador. Sotelo, G. (1997). Hidráulica General. México. Limusa-Noriega Editores. 190 8 ANEXOS 191 9 ANEXO No. 1 PLANOS DE LAS ESTRUCTURAS DE SEPARACIÓN DE CAUDALES CON DISEÑO ORIGINAL ESCALA 1:25 PLANTA ESCALA 1:25 CORTE A-A Corte transversal B-B CONTIENE : Vista en planta Corte transversal A-A ESCALA : Indicadas ANEXO: HOJA: 1/1 No. 1 FECHA: Abril 2015 EPN-CIERHI-MF-SC01-P-001 CÓDIGO: REVISADO POR: Diseño Original Prototipo Estructura de Separación de Caudales No.1 DISEÑO: EPN DIBUJO: M. G. H. H. A. J. A. A. PROYECTO EPN-PIMI-14-01 MODELACIÓN FÍSICA ESCALA 1:25 CORTE B-B ESCALA 1:50 PLANTA ESCALA 1:40 CORTE A-A Corte transversal B-B CONTIENE : Vista en planta Corte transversal A-A ESCALA : Indicadas ANEXO: HOJA: 1/1 No.1 FECHA: Abril 2015 EPN-CIERHI-MF-SC02-P-001 CÓDIGO: REVISADO POR: Diseño Original Prototipo Estructura de Separación de Caudales No.2 DISEÑO: EPN DIBUJO: M. G. H. H. A. J. A. A. PROYECTO EPN-PIMI-14-01 MODELACIÓN FÍSICA ESCALA 1:40 CORTE B-B 194 10 ANEXO No. 2 PLANOS DE LOS MODELOS FÍSICOS DE LAS ESTRUCTURAS DE SEPARACIÓN DE CAUDALES CON DISEÑO ORIGINAL Y MODIFICACIONES ESCALA 1:10 CORTE B-B ESCALA 1:10 PLANTA CONTIENE : Vista en planta Corte transversal B-B ESCALA : Indicadas MODELACIÓN FÍSICA ANEXO: HOJA: 1/2 No.2 FECHA: Abril 2015 EPN-CIERHI-MF-SC01-P-002 CÓDIGO: REVISADO POR: Diseño Original Modelo Estructura de Separación de Caudales No.1 DISEÑO: EPN DIBUJO: M. G. H. H. A. J. A. A. PROYECTO EPN-PIMI-14-01 ESCALA 1:10 DETALLE CAJA SEPARADORA ESCALA 1:10 DETALLE VERTDEROS LATERALES ESCALA 1:10 CORTE A-A Detalles CONTIENE : Corte transversal A-A ESCALA : Indicadas MODELACIÓN FÍSICA ANEXO: HOJA: 2/2 No.2 FECHA: Abril 2015 EPN-CIERHI-MF-SC01-P-002 CÓDIGO: REVISADO POR: Diseño Original Modelo Estructura de Separación de Caudales No.1 DISEÑO: EPN DIBUJO: M. G. H. H. A. J. A. A. PROYECTO EPN-PIMI-14-01 ESCALA 1:10 VISTA LATERAL MODIFICACIÓN No. 3 ESCALA 1:10 VISTA LATERAL MODIFICACIÓN No. 2 ESCALA 1:10 EPN-CIERHI-MF-SC01-P-003 CÓDIGO: REVISADO POR: CONTIENE: Vista lateral modificación No.2 FECHA: Abril 2015 Vista lateral modificación No.3 HOJA: 1/1 Detalles ANEXO: No. 2 ESCALA : Indicadas Modificaciones Estructura de Separación de Caudales No.1 DISEÑO: EPN DIBUJO: M. G. H. H. A. J. A. A. PROYECTO EPN-PIMI-14-01 MODELACIÓN FÍSICA DETALLE ORIFICIO DE FONDO ESCALA 1:10 DETALLE VERTEDERO LATERAL ESCALA 1:20 PLANTA ESCALA 1:20 CORTE A-A ESCALA 1:20 CORTE B-B Corte transversal B-B Corte transversal A-A CONTIENE : Vista en planta ESCALA : Indicadas MODELACIÓN FÍSICA ANEXO: HOJA: 1/1 No.2 FECHA: Abril 2015 EPN-CIERHI-MF-SC02-P-002 CÓDIGO: REVISADO POR: Diseño Original Modelo Estructura de Separación de Caudales No.2 DISEÑO: EPN DIBUJO: M. G. H. H. A. J. A. A. PROYECTO EPN-PIMI-14-01 ESCALA 1:20 PLANTA ESCALA 1:25 CORTE A-A Corte transversal B-B CONTIENE : Vista en planta Corte transversal A-A ESCALA : Indicadas ANEXO: HOJA: 1/1 No.2 FECHA: Abril 2015 EPN-CIERHI-MF-SC02-P-003 CÓDIGO: REVISADO POR: Modificaciones Estructura de Separación de Caudales No.2 DISEÑO: EPN DIBUJO: M. G. H. H. A. J. A. A. PROYECTO EPN-PIMI-14-01 MODELACIÓN FÍSICA ESCALA 1:20 CORTE B-B ESCALA 1:25 CORTE LONGITUDINAL ESCALA 1:25 CORTE LONGITUDINAL EPN-CIERHI-MF-SC-P-001 CÓDIGO: REVISADO POR: DISEÑO: EPN DIBUJO: M. G. H. H. A. J. A. A. Detalles Implantación Estructuras de Separación de Caudales No.1 y No.2 con Diseño Original FECHA: Abril 2015 CONTIENE : Cortes longitudinales con tanques de abastecimeinto y HOJA: 1/1 tanques de descarga ANEXO: No.2 ESCALA : Indicadas MODELACIÓN FÍSICA PROYECTO EPN-PIMI-14-01 EPN-CIERHI-MF-SC-P-002 CÓDIGO: REVISADO POR: Detalle de Implantación Estructuras de Separación de Caudales DISEÑO: EPN DIBUJO: M. G. H. H. A. J. A. A. CONTIENE: Vista en planta del laboratorio FECHA: Abril 2015 CIERHI. Zona de Estruturas HOJA: 1/1 de separación de caudales ANEXO: No.2 ESCALA : 1:100 MODELACIÓN FÍSICA PROYECTO EPN-PIMI-14-01 202 11 ANEXO No. 3 REGISTRO DE DATOS PARA LA CALIBRACIÓN DE VERTEDEROS DE LOS MODELOS FÍSICOS DE LAS ESTRUCTURAS DE SEPARACIÓN DE CAUDALES 203 VERTEDEROS DE LA ESTRUCTURA No. 1 El dimensionamiento del vertedero de pared delgada triangular θ=90⁰, ubicado en el tanque de abastecimiento del modelo de la Estructura de Separación de Caudales No.1, se realiza para asegurar su funcionamiento tanto para el caudal de pruebas mínimo como para el máximo. El dimensionamiento fue realizado para el siguiente rango de caudales. Cuadro No. 1: Rango de caudales de dimensionamiento vertedero triangular de ingreso. Modelo Estructura No. 1 CAUDAL (l/s) 3.12 l/s 15 l/s 50 l/s 75 l/s 100 l/s 130 l/s 150 l/s Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. En la siguiente figura se muestra la curva de descarga teórica obtenida. Gráfico No. 1: Curva de descarga y ecuación teórica vertedero triangular de ingreso. Modelo Estructura No. 1 VERTEDERO TRIANGULAR DE INGRESO ESTRUCTURA No. 1 Ecuación Teórica Q = 0.0157h2.4672 R² = 1 200 Q (l/s) 150 100 teórica 50 0 0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 h (cm) Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. 204 Para verificar que el funcionamiento del vertedero se cumpla según la teoría se realiza el aforo volumétrico para cuatro valores diferentes de carga medidos. Se realizó el proceso de aforo para cada carga tres veces, registrando valores semejantes en las lecturas del limnímetro, valores de tiempo y valores de volumen. Los valores de los calados medidos, volúmenes y tiempos registrados en el aforo volumétrico; así como los caudales calculados y sus respectivas cargas, se muestran a continuación. Cuadro No. 2: Registro de datos obtenidos en el aforo volumétrico vertedero triangular de ingreso. Modelo Estructura No.1 AFORO VOLUMÉTRICO VERTEDERO TRIANGULAR DE ENTRADA Valor cero vertedero (cm): 0.25 hm edido - cero hm edido (cm) Volumen (l) t (s) Q (l/s) h (cm) 7.18 6.93 3.6 1.4 2.57 h1 7.18 6.93 2.86 1.41 2.03 7.18 6.93 2.74 1.35 2.03 4.63 4.38 1.04 1.31 0.79 h2 4.63 4.38 1.14 1.48 0.77 4.57 4.32 1.12 1.53 0.73 12.61 12.36 8.22 1.03 7.98 h3 12.61 12.36 6.19 0.80 7.74 12.61 12.36 6.07 0.76 7.99 19.41 19.16 9.55 0.41 23.29 h4 19.40 19.15 10.68 0.49 21.80 19.40 19.15 10.61 0.46 23.07 Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. En el siguiente cuadro se muestran los resultados del aforo volumétrico para el vertedero triangular de ingreso en la Estructura No.1. 205 Cuadro No. 3: Resumen aforo volumétrico vertedero de ingreso. Modelo Estructura No.1 Prueba h prom edio (cm) Q prom edio (l/s) h1 6.93 2.21 h2 4.36 0.77 h3 12.36 7.90 h4 19.15 22.72 Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. Mediante los datos expuestos anteriormente se establece una línea de tendencia y una ecuación que representa el comportamiento del vertedero según el aforo volumétrico, como se muestra en la siguiente figura. Gráfico No. 2: Curva de descarga y ecuación de tendencia obtenida según el aforo volumétrico vertedero de ingreso. Modelo Estructura No. 1 AFORO VOLUMÉTRICO VERTEDERO TRIANGULAR INGRESO ESTRUCTURA No. 1 Ecuación de Tendencia 25.00 Q = 0.0266h2.279 R² = 0.9997 Q (l/s) 20.00 15.00 10.00 aforo volumétrico 5.00 0.00 0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 h (cm) Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. Utilizando la ecuación de tendencia que se obtiene mediante los datos del aforo volumétrico se calculan valores de caudal (Q) para valores de carga (h), para así poder realizar una comparación entre la curva de descarga teórica del vertedero triangular y el comportamiento real que tienen en el modelo. 206 En el siguiente cuadro se muestran los valores correspondientes y el porcentaje de desviación presente entre ambas curvas. Cuadro No. 4: Desviación porcentual existente entre valores teóricos y valores experimentales de caudal de descarga del vertedero triangular de ingreso. Modelo Estructura No.1 h (cm) 0.00 9.11 16.44 26.50 31.05 34.82 38.67 41.05 Qexperim ental (l/s) 0.00 4.09 15.70 46.60 66.87 86.81 110.27 126.33 Qteórico (l/s) 0.00 3.68 15.64 50.84 75.31 100.12 130.04 150.94 Desviación % 0.00 -11.05 -0.42 8.34 11.22 13.29 15.21 16.30 Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. Gráfico No. 3: Comparación entre curva de descarga teórica y experimental vertedero triangular de ingreso. Modelo Estructura No.1 Q (l/s) VERTEDERO TRIANGULAR INGRESO ESTRUCTURA No. 1 Comparación entre valores teóricos y experimentales 160.00 140.00 120.00 100.00 80.00 60.00 40.00 20.00 0.00 0.00 teórica experimental 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 h (cm) Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. El dimensionamiento del vertedero triangular θ=90⁰ ubicado en el canal de descarga sanitaria fue realizado para el siguiente rango de caudales. 207 Cuadro No. 5: Rango de caudales de dimensionamiento vertedero triangular descarga sanitaria. Modelo Estructura No. 1 CAUDAL (l/s) 3 l/s 15 l/s 30 l/s 45 l/s 70 l/s 100 l/s Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. La curva de descarga teórica que se obtuvo se muestra a continuación. Gráfico No. 4: Curva de descarga y ecuación teórica vertedero triangular descarga sanitaria. Modelo Estructura No. 1 120.00 VERTEDERO TRIANGULAR DESCARGA SANITARIA ESTRUCTURA No. 1 Ecuación teórica Q = 0.0158h2.4656 R² = 1 100.00 Q (l/s) 80.00 60.00 teórica 40.00 20.00 0.00 0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 h (cm) Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. Los datos registrados en el aforo volumétrico del vertedero triangular ubicado en la descarga sanitaria de la Estructura No.1 se muestran a continuación. 208 Cuadro No. 6: Registro de datos obtenidos en el aforo volumétrico vertedero triangular descarga sanitaria. Modelo Estructura No.1 AFORO VOLUMÉTRICO VERTEDERO TRIANGULAR DESCARGA SANITARIA Valor cero vertedero (cm): 11.39 hm edido - cero hm edido (cm) Volumen (l) t (s) Q (l/s) h (cm) 26.46 15.07 7.07 0.53 13.340 h1 26.46 15.07 6.927 0.6 11.545 26.47 15.08 6.48 0.53 12.226 27.36 15.97 9.261 0.49 18.900 h2 27.36 15.97 10.68 0.61 17.508 27.36 15.97 12.43 0.66 18.833 21.05 9.66 6.85 1.28 5.352 h3 21.05 9.66 4.94 0.96 5.146 21.00 9.61 7.25 1.31 5.534 18.59 7.2 2.73 1.10 2.482 h4 18.64 7.25 2.10 0.88 2.386 18.61 7.22 2.11 0.90 2.344 Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. Cuadro No. 7: Resumen aforo volumétrico vertedero descarga sanitaria. Modelo Estructura No.1 Prueba h prom edio (cm) Q prom edio (l/s) h1 15.07 12.37 h2 15.97 18.41 h3 9.64 5.34 h4 7.22 2.40 Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. 209 Gráfico No. 5: Curva de descarga y ecuación de tendencia obtenida según el aforo volumétrico vertedero descarga sanitaria. Modelo Estructura No. 1 AFORO VOLUMÉTRICO VERTEDERO TRIANGULAR DESCARGA SANITARIA ESTRUCTURA No. 1 Ecuación de Tendencia 20.00 Q = 0.0225h2.3799 R² = 0.9832 Q (l/s) 15.00 10.00 aforo volumétrico 5.00 0.00 0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 h (cm) Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. En el siguiente cuadro se observa la desviación en porcentaje que se presenta entre la curva teórica y la curva de tendencia obtenida mediante el aforo volumétrico. Cuadro No. 8: Desviación porcentual existente entre valores teóricos y valores experimentales de caudal de descarga del vertedero descarga sanitaria. Modelo Estructura No.1 h (cm) 0.00 9.26 16.21 21.51 25.25 30.28 34.81 Qexperim ental (l/s) Qteórico (l/s) Desviación % 0.00 0.00 0.00 4.52 3.83 -17.86 17.15 15.09 -13.62 33.68 30.35 -10.97 49.35 45.13 -9.35 76.13 70.90 -7.37 106.13 100.39 -5.72 Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. La grafica de comparación entre la curva de descarga teórica y la curva experimental obtenida del aforo volumétrico se muestra a continuación. 210 Gráfico No. 6: Comparación entre curva de descarga teórica y experimental vertedero descarga sanitaria. Modelo Estructura No.1 VERTEDERO TRIANGULAR DESCARGA SANITARIA ESTRUCTURA No. 1 Comparación entre valores teóricos y experimentales 120.00 Q (l/s) 100.00 80.00 60.00 teórica 40.00 experimental 20.00 0.00 0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 h (cm) Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. El dimensionamiento del vertedero triangular θ=90⁰ ubicado en el canal de descarga pluvial fue realizado para el siguiente rango de caudales. Cuadro No. 9: Rango de caudales de dimensionamiento vertedero triangular descarga pluvial. Modelo Estructura No. 1 CAUDAL (l/s) 4 l/s 15 l/s 30 l/s 45 l/s 70 l/s 100 l/s 115 l/s 125 l/s Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. En la siguiente figura se muestra la curva de descarga teórica obtenida. 211 Gráfico No. 7: Curva de descarga y ecuación teórica vertedero triangular descarga pluvial. Modelo Estructura No. 1 VERTEDERO TRIANGULAR DESCARGA PLUVIAL ESTRUCTURA No. 1 Ecuación teórica 120.00 Q = 0.0135h2.5103 R² = 0.9999 100.00 Q (l/s) 80.00 60.00 40.00 teórica 20.00 0.00 0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 h (cm) Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. En el siguiente cuadro se muestran los datos registrados en el aforo volumétrico del vertedero triangular ubicado en la descarga pluvial de la Estructura No.1. 212 Cuadro No. 10: Registro de datos obtenidos en el aforo volumétrico vertedero triangular descarga pluvial. Modelo Estructura No.1 AFORO VOLUMÉTRICO VERTEDERO TRIANGULAR DE ENTRADA Valor cero vertedero (cm): 15.03 cm hm edido - cero Volumen (l) t (s) Q (l/s) hm edido (cm) h (cm) 18.34 3.31 0.845 2.5 0.338 h1 18.34 3.31 0.88 2.71 0.325 18.34 3.31 0.845 2.6 0.325 20.01 4.98 0.807 0.73 1.105 h2 20.01 4.98 0.90 0.88 1.023 20.01 4.98 0.90 0.91 0.989 24.1 9.07 5.13 1.23 4.171 h3 24.0 8.97 5.39 1.33 4.053 24.0 8.97 6.312 1.56 4.046 26.4 11.37 9.13 1.25 7.304 h4 26.4 11.37 6.87 1.01 6.802 26.4 11.37 6.772 1.01 6.705 Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. Cuadro No. 11: Resumen aforo volumétrico vertedero descarga pluvial. Modelo Estructura No.1 Prueba h prom edio (cm) Q prom edio (l/s) h1 3.31 0.33 h2 4.98 1.04 h3 9.00 4.09 h4 11.37 6.94 Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. En la siguiente figura se muestra la ecuación y línea de tendencia que representa el comportamiento del vertedero triangular de descarga pluvial en la Estructura No. 1. 213 Gráfico No. 8: Curva de descarga y ecuación de tendencia obtenida según el aforo volumétrico vertedero descarga pluvial. Modelo Estructura No. 1 Q (l/s) AFORO VOLUMÉTRICO VERTEDERO TRIANGULAR DESCARGA PLUVIAL ESTRUCTURA No. 1 Ecuación de Tendencia 8.00 7.00 6.00 5.00 4.00 3.00 2.00 1.00 0.00 0.00 Q = 0.0186h2.4496 R² = 0.9978 aforo volumetrico 5.00 10.00 15.00 h (cm) Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. En el cuadro a continuación se muestra los valores de desviación en porcentaje entre la curva de descarga teórica y la curva de descarga experimental obtenida a partir del aforo volumétrico. Cuadro No. 12: Desviación porcentual existente entre valores teóricos y valores experimentales de caudal de descarga del vertedero descarga pluvial. Modelo Estructura No.1 h (cm) 0.00 9.64 16.29 21.67 25.31 30.12 34.70 Qexperim ental (l/s) Qteórico (l/s) Desviación % 0.00 0.00 0 4.79 4.00 -19.66 17.30 15.00 -15.30 34.83 30.00 -16.11 50.92 45.00 -13.16 78.03 70.00 -11.47 110.33 100.00 -10.33 Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. 214 Gráfico No. 9: Comparación entre curva de descarga teórica y experimental vertedero descarga pluvial. Modelo Estructura No.1 Q (lt/s) VERTEDERO TRIANGULAR DESCARGA PLUVIAL ESTRUCTURA No. 1 Comparación entre valores teóricos y experimentales 120.00 100.00 80.00 60.00 40.00 20.00 0.00 0.00 teórica experimental 10.00 20.00 30.00 40.00 h (cm) Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. Todos los vertederos de aforo diseñados para la estructura No. 1 son vertederos de pared delgada triangulares con un ángulo de escotadura θ=90⁰; por lo tanto se planta una ecuación y curva de descarga experimental única que represente el comportamiento de los vertederos. En la figura siguiente se observa dicha curva comparada con el comportamiento teórico de todos los vertederos expresados, de igual manera en una sola curva de descarga con su respectiva ecuación. 215 Gráfico No. 10: Comparación entre curvas teórica y experimental para vertederos triangulares. Modelo Estructura No. 1 COMPARACIÓN ENTRE CURVAS DE DESCARGA TEÓRICA Y EXPERIMENTAL PARA VERTEDEROS TRIANGULARES ESTRUCTURA No. 1 160.00 140.00 experimental Q = 0.0216h2.382 120.00 teórica Q = 0.015h2.4799 Q (l/s) 100.00 80.00 experimental 60.00 teórica 40.00 20.00 0.00 0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 h (cm) Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. 216 VERTEDEROS DE LA ESTRUCTURA No. 2 La curva de descarga teórica que se determina para las características geométricas del vertedero rectangular con contracciones que se encuentra ubicado en el tanque de abastecimiento del modelo de la Estructura de Separación de Caudales No.2 se muestra a continuación. Gráfico No. 11: Curva de descarga y ecuación teórica vertedero rectangular de ingreso. Modelo Estructura No. 2 VERTEDERO RECTANGULAR DE INGRESO ESTRUCTURA No. 2 Ecuación teórica 140.00 120.00 Q = 1.1769h1.5 R² = 1 Q (l/s) 100.00 80.00 60.00 teórica 40.00 20.00 0.00 0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 h (cm) Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. Los datos del aforo volumétrico realizado para corroborar el comportamiento teórico del vertedero se muestran a continuación. 217 Cuadro No. 13: Registro de datos obtenidos en el aforo volumétrico vertedero rectangular de ingreso. Modelo Estructura No.2 AFORO VOLUMÉTRICO VERTEDERO RECTANGULAR DE ENTRADA Valor cero vertedero (cm): 38.75 hm edido - cero Volumen (l) t (s) Q (l/s) hm edido (cm) h (cm) 40.09 1.34 2.65 1.07 2.48 h1 40.08 1.33 2.63 1.06 2.48 40.07 1.32 2.70 1.12 2.41 42.66 3.91 19.79 3.40 5.82 h2 42.62 3.87 4.89 0.88 5.56 42.62 3.87 6.51 1.16 5.61 48.67 9.92 13.77 0.54 25.50 h3 48.77 10.02 10.91 0.41 26.61 48.77 10.02 13.47 0.51 26.41 50.95 12.20 12.91 0.66 19.56 h4 50.96 12.21 6.37 0.33 19.30 50.95 12.20 7.49 0.41 18.27 40.57 1.82 5.08 1.05 4.84 h5 40.58 1.83 6.07 1.25 4.86 40.58 1.83 4.83 1.01 4.78 44.20 5.45 24.93 1.95 12.78 h6 44.20 5.45 17.30 1.37 12.63 44.20 5.45 19.85 1.54 12.89 44.20 5.45 13.91 1.18 11.79 h7 44.20 5.45 13.22 1.13 11.70 44.20 5.45 13.20 1.11 11.89 48.75 10.00 21.72 0.92 23.61 h8 48.76 10.01 20.02 0.85 23.55 48.76 10.01 30.10 1.26 23.89 45.89 7.14 18.23 1.10 16.57 h9 45.89 7.14 28.17 1.71 16.47 45.89 7.14 29.10 1.75 16.63 45.89 7.14 12.20 1.01 12.08 45.89 7.14 11.03 0.86 12.83 h10 45.89 7.14 29.05 2.30 12.63 Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. 218 Cuadro No. 14: Resumen aforo volumétrico vertedero de ingreso. Modelo Estructura No.2 Prueba h prom edio (cm) Q prom edio (l/s) h1 1.33 2.46 h2 3.88 5.66 h3 9.99 26.17 h4 12.20 19.04 h5 1.83 4.83 h6 5.45 12.77 h7 5.45 11.79 h8 10.01 23.68 h9 7.14 16.56 h10 7.14 12.51 Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. La línea de tendencia que más se acerca a los datos del aforo volumétrico es una curva exponencial con un coeficiente de correlación R2=0.82. Gráfico No. 12: Curva de descarga y ecuación de tendencia obtenida según el aforo volumétrico vertedero de ingreso. Modelo Estructura No. 2 Q (l/s) AFORO VOLUMÉTRICO VERTEDERO RECTANGULAR INGRESO ESTRUCTURA No. 2 Ecuación de Tendencia 35.00 30.00 25.00 20.00 15.00 10.00 5.00 0.00 0.00 y = 3.1535e0.1932x R² = 0.8253 aforo volumétrico 5.00 10.00 15.00 h (cm) Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. 219 En la siguiente grafica se muestra la comparación entre la curva de descarga teórica del vertedero rectangular de ingreso y los valores experimentales obtenidos en el aforo volumétrico. Gráfico No. 13: Comparación entre valores teóricos y experimentales vertedero rectangular de ingreso. Modelo Estructura No. 2 Q (l/s) VERTEDERO RECTANGULAR DE INGRESO ESTRUCTURA No. 2 Comparación entre valores teóricos y experimentales 140.00 120.00 100.00 80.00 60.00 40.00 20.00 0.00 0.00 teórica experimetal 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 h (cm) Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. El dimensionamiento del vertedero de pared delgada rectangular ubicado en el canal de descarga sanitaria de la Estructura de Separación de Caudales No.2 se realiza para el rango de caudales a continuación. Cuadro No. 15: Rango de caudales de dimensionamiento vertedero rectangular descarga sanitaria. Modelo Estructura No. 2 CAUDAL (l/s) 15 l/s 35 l/s 45 l/s 65 l/s 85 l/s 100 l/s Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. La curva de descarga teórica que se obtiene se muestra en la siguiente figura. 220 Gráfico No. 14: Curva de descarga y ecuación teórica vertedero rectangular descarga sanitaria. Modelo Estructura No. 2 VERTEDERO RECTANGULAR DESCARGA SANITARIA ESTRUCTURA No. 2 Ecuación teórica 120.00 y = 2.8878x1.405 R² = 0.9996 Q (l/s) 100.00 80.00 60.00 teórica 40.00 20.00 0.00 0.00 5.00 10.00 15.00 h (cm) Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. Los datos obtenidos mediante el aforo volumétrico se muestran a continuación. Cuadro No. 16: Registro de datos obtenidos en el aforo volumétrico vertedero rectangular descarga sanitaria. Modelo Estructura No.2 AFORO VOLUMÉTRICO VERTEDERO TRIANGULAR DESCARGA SANITARIA Valor cero vertedero (cm): 24.91 hm edido - cero Volumen (l) t (s) Q (l/s) hm edido (cm) h (cm) 26.37 1.46 5.08 1.05 4.84 h1 26.37 1.46 6.07 1.25 4.86 26.37 1.46 4.83 1.01 4.78 27.08 2.17 8.79 1.06 8.29 h2 27.08 2.17 6.51 0.75 8.68 27.08 2.17 6.66 0.83 8.02 28.81 3.90 21.02 1.42 14.80 h3 28.81 3.90 11.15 0.75 14.86 28.81 3.90 11.74 0.80 14.68 29.09 4.18 13.26 0.69 19.22 h4 29.08 4.17 14.00 0.74 18.92 29.08 4.17 16.33 0.89 18.34 Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. 221 Cuadro No. 17: Resumen aforo volumétrico vertedero descarga sanitaria. Modelo Estructura No.2 Prueba h prom edio (cm) Q prom edio (l/s) h1 1.46 4.83 h2 2.17 8.33 h3 3.90 14.78 h4 4.17 18.83 Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. La curva de tendencia que se obtiene a base del aforo volumétrico es la que se muestra a continuación. Gráfico No. 15: Curva de descarga y ecuación de tendencia obtenidas según el aforo volumétrico vertedero descarga sanitaria. Modelo Estructura No. 2 AFORO VOLUMÉTRICO VERTEDERO RECTANGULAR DESCARGA SANITARIA ESTRUCTURA No. 2 Ecuación de Tendencia 20.00 y = 3.1205x1.2099 R² = 0.986 Q (l/s) 15.00 10.00 aforo volumétrico 5.00 0.00 0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 h (cm) Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. En la siguiente figura se muestra la comparación entre la curva de descarga teórica del vertedero rectangular ubicado en la descarga sanitaria y los valores experimentales obtenidos del aforo volumétrico. 222 Gráfico No. 16: Comparación entre valores teóricos y experimentales vertedero rectangular descarga sanitaria. Modelo Estructura No. 2 VERTEDERO RECTANGULAR DESCARGA SANITARIA ESTRUCTURA No. 2 Comparación entre valores teóricos y experimentales 120.00 Q (l/s) 100.00 80.00 60.00 experimental 40.00 teórica 20.00 0.00 0.00 5.00 10.00 15.00 h (cm) Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. El dimensionamiento del vertedero de pared delgada rectangular ubicado en el canal de descarga pluvial de la Estructura de Separación de Caudales No.2 se realiza para el rango de caudales a continuación. Cuadro No. 18: Rango de caudales de dimensionamiento vertedero rectangular descarga pluvial. Modelo Estructura No. 2 CAUDAL (l/s) 10 l/s 25 l/s 45 l/s 65 l/s 85 l/s 100 l/s 125 l/s Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. La curva de descarga teórica que se obtiene se muestra en la siguiente figura. 223 Gráfico No. 17: Curva de descarga y ecuación teórica vertedero rectangular descarga pluvial. Modelo Estructura No. 2 Q (l/s) VERTEDERO RECTANGULAR CANAL DE DESCARGA PLUVIAL ESTRUCTURA No. 2 Ecuación teórica 140.00 120.00 100.00 80.00 60.00 40.00 20.00 0.00 0.00 y = 0.8724x1.4571 R² = 0.9999 teórica 10.00 20.00 30.00 40.00 h (cm) Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. Los datos obtenidos mediante el aforo volumétrico se muestran a continuación. 224 Cuadro No. 19: Registro de datos obtenidos en el aforo volumétrico vertedero rectangular descarga pluvial. Modelo Estructura No.2 AFORO VOLUMÉTRICO VERTEDERO TRIANGULAR DESCARGA PLUVIAL Valor cero vertedero (cm): 20.72 hm edido - cero Volumen (l) t (s) Q (l/s) hm edido (cm) h (cm) 24.76 4.04 4.65 0.82 5.67 h1 24.76 4.04 4.74 0.86 5.51 24.76 4.04 3.11 0.56 5.56 29.25 8.53 13.82 0.58 23.83 h2 29.28 8.56 13.96 0.59 23.66 29.25 8.53 11.42 0.48 23.79 30.73 10.01 13.76 0.39 35.28 h3 30.77 10.05 12.80 0.36 35.56 30.75 10.03 11.41 0.32 35.66 32.71 11.99 14.37 0.46 31.24 h4 32.65 11.93 16.46 0.52 31.65 32.67 11.95 17.24 0.55 31.35 22.79 2.07 2.58 0.88 2.93 h5 22.78 2.06 2.48 0.84 2.95 22.77 2.05 2.38 0.81 2.94 34.46 13.74 27.10 0.69 39.28 h6 34.37 13.65 32.84 0.81 40.54 34.46 13.74 24.32 0.61 39.87 Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. Cuadro No. 20: Resumen aforo volumétrico vertedero descarga pluvial. Modelo Estructura No.2 Prueba h prom edio (cm) Q prom edio (l/s) h1 4.04 5.58 h2 8.54 23.76 h3 10.03 35.50 h5 2.06 2.94 h6 13.71 39.90 Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. 225 Gráfico No. 18: Curva de descarga y ecuación de tendencia obtenida según el aforo volumétrico vertedero descarga pluvial. Modelo Estructura No. 2 AFORO VOLUMÉTRICO VERTEDERO RECTANGULAR DESCARGA PLUVIAL ESTRUCTURA No. 2 Ecuación de Tendencia 50.00 y = 0.8793x1.509 R² = 0.9727 Q (l/s) 40.00 30.00 20.00 aforo volumétrico 10.00 0.00 0.00 5.00 10.00 15.00 h (cm) Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. En la siguiente figura se muestra la comparación entre la curva de descarga teórica del vertedero rectangular ubicado en la descarga pluvial y los valores experimentales obtenidos del aforo volumétrico. Gráfico No. 19: Comparación entre valores teóricos y experimentales vertedero rectangular descarga sanitaria. Modelo Estructura No. 2 Q (l/s) VERTEDERO RECTANGULAR DESCARGA PLUVIAL ESTRUCTURA No. 2 Comparación entre valores teóricos y experimentales 140.00 120.00 100.00 80.00 60.00 40.00 20.00 0.00 0.00 experimental teórica 10.00 20.00 30.00 40.00 h (cm) Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. 226 12 ANEXO No. 4 CÁLCULOS PARA LA VERIFICACIÓN DE LA SIMILITUD RESTRINGIDA 227 VERIFICACIÓN DE LA SIMILITUD RESTRINGIDA PARA LA ESTRUCTURA DE SEPARACIÓN TIPO No. 1 Cuadro No. 21: Determinación del Número de Reynolds y coeficiente de fricción λ para el modelo físico PRUEBA ʋ (cm²/s) 20° C A-1 0.01000000 A-2 0.01000000 A-3 0.01000000 Q (l/s) 3.09 50.72 81.23 h (cm) 2.72 13.10 17.19 D (cm) 25.00 25.00 25.00 q 1.3 3.2 3.9 A (cm²) 28.91 260.35 359.95 Continuación del cuadro No. 21 Vt (cm/s) 106.75 194.81 225.68 P (cm) Rh (cm) Re 16.81 1.72 7.3E+04 40.46 6.43 5.0E+05 48.89 7.36 6.6E+05 ε/(4Rh) 2.2E-05 5.8E-06 5.1E-06 λ 0.019301 0.013236 0.012593 Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. Cuadro No. 22: Determinación del Número de Reynolds y coeficiente de fricción λ para el prototipo PRUEBA ʋ (cm²/s) 20° C A-1 0.01000000 A-2 0.01000000 A-3 0.01000000 Q (l/s) 17.46 286.90 459.52 h (cm) 4.64 22.72 29.47 D (cm) 50.00 50.00 50.00 A (cm²) 91.69 867.73 1204.09 q 1.2 3.0 3.5 Continuación del cuadro No. 22 Vt (cm/s) 190.39 330.63 381.63 P (cm) Rh (cm) Re 30.97 2.96 2.3E+05 73.97 11.73 1.6E+06 87.53 13.76 2.1E+06 ε/(4Rh) 1.3E-05 3.2E-06 2.7E-06 λ 0.01539 0.010911 0.010393 Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. Cuadro No. 23: Determinación del Número de Weber para el modelo físico PRUEBA σ (g/cm) a 20°C A-1 0.0739 A-2 0.0739 A-3 0.0739 Q (l/s) 3.09 50.72 81.23 h (cm) 2.72 13.10 17.19 D (cm) 25.00 25.00 25.00 q 1.3 3.2 3.9 228 Continuación del cuadro No. 23 A (cm²) 28.91 260.35 359.95 Vt (cm/s) 106.75 194.81 225.68 P (cm) Rh (cm) We 16.81 1.72 299.40 40.46 6.43 282.51 48.89 7.36 305.96 Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. VERIFICACIÓN DE LA SIMILITUD RESTRINGIDA PARA LA ESTRUCTURA DE SEPARACIÓN TIPO No. 2 Cuadro No. 24: Determinación del Número de Reynolds y coeficiente de fricción λ para el modelo físico PRUEBA ʋ (cm²/s) 20° C B-1 0.01000000 B-2 0.01000000 B-3 0.01000000 Q (l/s) 13.31 74.68 121.00 h (cm) 1.18 3.42 4.63 B (cm) 70 70 70 A (cm²) 82.60 239.40 324.10 Continuación del cuadro No. 24 P (cm) 72.36 76.84 79.26 V (cm/s) Rh (cm) Re 161.11 1.14 7.4E+04 311.96 3.12 3.9E+05 373.33 4.09 6.1E+05 ε/(4Rh) 3.3E-05 1.2E-05 9.2E-06 λ 0.019345 0.013928 0.012845 Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. Cuadro No. 25: Determinación del Número de Reynolds y coeficiente de fricción λ para el prototipo PRUEBA ʋ (cm²/s) 20° C B-1 0.01000000 B-2 0.01000000 B-3 0.01000000 Q (l/s) 75.28 422.47 684.46 h (cm) 2.50 7.40 10.10 B (cm) 140 140 140 A (cm²) 350.14 1036.00 1414.00 Continuación del cuadro No. 25 P (cm) 145.00 154.80 160.20 V (cm/s) Rh (cm) Re 215.00 2.41 2.1E+05 407.79 6.69 1.1E+06 484.06 8.83 1.7E+06 ε/(4Rh) 1.7E-03 6.0E-04 4.5E-04 Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. λ 0.02325 0.017790 0.016655 229 Cuadro No. 26: Determinación del Número de Weber para el modelo físico PRUEBA σ (g/cm) a 20°C B-1 0.0739 B-2 0.0739 B-3 0.0739 Q (l/s) 13.31 74.68 121.00 h (cm) 1.18 3.42 4.63 B (cm) 70 70 70 Continuación del cuadro No. 26 A (cm²) 82.60 239.40 324.10 Vt (cm/s) 161.11 311.96 373.33 P (cm) 72.36 76.84 79.26 Rh (cm) 1.14 3.12 4.09 We 554.70 650.14 679.14 Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. 230 13 ANEXO No. 5 REGISTRO DE DATOS PARA PRUEBAS CON DISEÑO ORIGINAL 231 PLAN DE PRUEBAS ESTRUCTURA No.1 DISEÑO ORIGINAL PRUEBA No. A-1 CAUDAL Q = 0.0216h2.3817 3 l/s VERTEDERO DE INGRESO 1 8.26 h medido (cm) cero (cm) h (cm) Q (l/s) 2 8.27 8.28 0.25 8.03 3.08 VERTEDERO CAUDAL SANITARIO 1 2 19.45 19.4 h medido (cm) 19.41 cero (cm) 11.39 8.023 h (cm) Q (l/s) 3.079 3 8.3 3 19.39 AFORO VOLUMETRICO CAUDAL PLUVIAL V (l/s) t (s) Q (l/s) 1) 0.1700 20.8700 0.0081 2) 0.1600 22.8700 0.0070 3) 0.1500 20.4500 0.0073 0.0075 Q promedio (l/s) TUBERIA DE INGRESO (CAUDAL COMBINADO) 1 2 3 20.09 20.12 20.07 h medido (cm) 20.09 cero (cm) 17.37 h (cm) 2.72 Q (l/s) 3.09 232 PLAN DE PRUEBAS ESTRUCTURA No.1 DISEÑO ORIGINAL PRUEBA No. A-2 CAUDAL Q = 0.0216h2.3817 50 l/s VERTEDERO DE INGRESO 1 26.26 h medido (cm) cero (cm) h (cm) Q (l/s) 2 26.23 26.25 0.25 26.00 50.62 VERTEDERO CAUDAL SANITARIO 1 2 32.12 32.11 h medido (cm) 32.13 11.39 cero (cm) h (cm) 20.74 Q (l/s) 29.56 VERTEDERO CAUDAL PLUVIAL 1 2 33.11 33.10 h medido (cm) 33.05 15.03 cero (cm) h (cm) 18.02 Q (l/s) 21.16 3 26.25 3 32.16 3 32.95 TUBERIA DE INGRESO (CAUDAL COMBINADO) 1 2 3 30.47 30.48 30.46 h medido (cm) 30.47 cero (cm) 17.37 h (cm) 13.1 Q (l/s) 50.72 233 PLAN DE PRUEBAS ESTRUCTURA No.1 DISEÑO ORIGINAL PRUEBA No. A-3 CAUDAL Q = 0.0216h2.3817 80 l/s VERTEDERO DE INGRESO 1 31.92 h medido (cm) cero (cm) h (cm) Q (l/s) 2 31.91 31.92 0.25 31.67 81.03 VERTEDERO CAUDAL SANITARIO 1 2 35.73 35.76 h medido (cm) 35.76 11.39 cero (cm) h (cm) 24.37 Q (l/s) 43.39 VERTEDERO CAUDAL PLUVIAL 1 2 38 38.05 h medido (cm) 38.04 15.03 cero (cm) h (cm) 23.01 Q (l/s) 37.84 3 31.94 3 35.78 3 38.06 TUBERIA DE INGRESO (CAUDAL COMBINADO) 1 2 3 34.5 34.61 34.56 h medido (cm) 34.56 cero (cm) 17.37 h (cm) 17.19 Q (l/s) 81.23 234 PLAN DE PRUEBAS ANÁLISIS DISEÑO ORIGINAL ESTRUCTURA No.2 PRUEBA No. B-1 CAUDAL 10 l/s VERTEDERO DE INGRESO 1 42.76 hm edido (cm) cero (cm) h (cm) Q (l/s) Q = 1.1769h1.5 2 42.73 42.73 38.75 3.98 9.34 VERTEDERO CAUDAL SANITARIO 1 2 27.89 27.90 hm edido (cm) 27.88 cero (cm) 24.91 2.97 h (cm) Q (l/s) 13.31 VERTEDERO CAUDAL PLUVIAL 1 2 0.00 0.00 hm edido (cm) 0.00 cero (cm) 20.72 0.00 h (cm) Q (l/s) 0.00 COLECTOR CAUDAL PLUVIAL 1 2 0.00 0.00 hm edido (cm) 0.00 cero (cm) 7.36 h (cm) 0.00 Q (l/s) 0.00 3 42.7 Q = 2.8878h1.405 3 27.84 Q = 0.8724h 3 0.00 3 0.00 1.4571 235 PRUEBA No. B-2 CAUDAL 65 l/s VERTEDERO DE INGRESO 1 53.03 hm edido (cm) cero (cm) h (cm) Q (l/s) Q = 1.1769h1.5 2 53.05 53.02 38.75 14.27 63.46 VERTEDERO CAUDAL SANITARIO 1 2 30.09 30.12 hm edido (cm) 30.12 24.91 cero (cm) h (cm) 5.21 29.38 Q (l/s) VERTEDERO CAUDAL PLUVIAL 1 2 35.77 35.79 hm edido (cm) 35.76 cero (cm) 20.72 15.04 h (cm) 45.30 Q (l/s) COLECTOR CAUDAL PLUVIAL 1 2 10.51 10.38 hm edido (cm) 10.38 7.36 cero (cm) 3.02 h (cm) 45.30 Q (l/s) 3 52.99 Q = 2.8878h1.405 3 30.16 Q = 0.8724h1.4571 3 35.72 3 10.26 236 PRUEBA No. B-3 CAUDAL 115 l/s VERTEDERO DE INGRESO 1 59.85 hm edido (cm) cero (cm) h (cm) Q (l/s) Q = 1.1769h1.5 2 59.85 59.86 38.75 21.11 114.12 VERTEDERO CAUDAL SANITARIO 1 2 30.52 30.48 hm edido (cm) 30.50 24.91 cero (cm) h (cm) 5.59 32.38 Q (l/s) VERTEDERO CAUDAL PLUVIAL 1 2 44.56 44.54 hm edido (cm) 44.56 cero (cm) 20.72 23.84 h (cm) 88.61 Q (l/s) COLECTOR CAUDAL PLUVIAL 1 2 12.87 13.62 hm edido (cm) 13.83 7.36 cero (cm) 6.47 h (cm) 88.61 Q (l/s) 3 59.87 Q = 2.8878h1.405 3 30.49 Q = 0.8724h1.4571 3 44.57 3 15 237 14 ANEXO No. 6 REGISTRO DE DATOS PARA PRUEBAS CON MODIFICACIONES 238 PLAN DE PRUEBAS MODIFICACIÓN PROPUESTA No. 1 ESTRUCTURA 1 MODIFICACIÓN ABOCINADO Y COMPUERTA PRUEBA No. A-1 CAUDAL 3 l/s VERTEDERO DE INGRESO 1 2 8.32 8.36 hm edido (cm) 8.34 cero (cm) 0.25 h (cm) 8.09 3.14 Q (l/s) VERTEDERO CAUDAL SANITARIO 1 2 19.46 19.52 hm edido (cm) 19.48 cero (cm) 11.39 8.09 h (cm) Q (l/s) 3.14 VERTEDERO CAUDAL PLUVIAL Qprom edio 3 8.33 3 19.45 0.00 TUBERÍA DE INGRESO (CAUDAL COMBINADO) 1 2 3 19.82 19.81 19.81 hm edido (cm) 19.81 cero (cm) 17.37 2.44 h (cm) Q (l/s) 3.14 Q = 0.0216h2.3817 239 PRUEBA No. A-2 CAUDAL Q = 0.0216h 50 l/s VERTEDERO DE INGRESO 1 2 26.38 26.34 hm edido (cm) 26.37 0.25 cero (cm) 26.12 h (cm) 51.18 Q (l/s) VERTEDERO CAUDAL SANITARIO 1 2 25.05 25.02 hm edido (cm) 25.05 11.39 cero (cm) h (cm) 13.66 10.93 Q (l/s) VERTEDERO CAUDAL PLUVIAL 1 2 38.7 38.60 hm edido (cm) 38.65 15.03 cero (cm) 23.62 h (cm) 40.28 Q (l/s) 3 26.38 3 25.07 3 38.64 TUBERÍA DE INGRESO (CAUDAL COMBINADO) 1 2 3 29.74 29.77 29.8 hm edido (cm) 29.77 17.37 cero (cm) 12.4 h (cm) 51.20 Q (l/s) 2.3817 240 PRUEBA No. A-3 CAUDAL Q = 0.0216h 80 l/s VERTEDERO DE INGRESO 1 2 31.85 31.88 hm edido (cm) 31.86 0.25 cero (cm) 31.61 h (cm) 80.63 Q (l/s) VERTEDERO CAUDAL SANITARIO 1 2 26.15 26.16 hm edido (cm) 26.15 11.39 cero (cm) h (cm) 14.76 13.15 Q (l/s) VERTEDERO CAUDAL PLUVIAL 1 2 44.37 44.35 hm edido (cm) 44.36 15.03 cero (cm) 29.33 h (cm) 67.46 Q (l/s) 3 31.84 3 26.14 3 44.35 TUBERÍA DE INGRESO (CAUDAL COMBINADO) 1 2 3 31.55 32.00 31.56 hm edido (cm) 31.70 17.37 cero (cm) 14.33 h (cm) 80.61 Q (l/s) 2.3817 241 PLAN DE PRUEBAS MODIFICACIÓN PROPUESTA No. 2 ESTRUCTURA 1 ORIFICIO LATERAL PRUEBA No. A-1 CAUDAL Q = 0.0216h 3 l/s VERTEDERO DE INGRESO 1 2 8.26 8.27 hm edido (cm) 8.26 cero (cm) 0.25 h (cm) 8.01 Q (l/s) 3.066 VERTEDERO CAUDAL SANITARIO 1 2 19.21 19.23 hm edido (cm) 19.22 cero (cm) 11.39 h (cm) 7.827 Q (l/s) 2.902 3 8.25 3 19.21 AFORO VOLUMÉTRICO CAUDAL PLUVIAL V (l/s) t (s) Q (l/s) 1) 0.5580 3.4500 0.162 2) 0.5100 3.1100 0.164 3) 0.5080 3.0200 0.168 0.1646 Qprom edio VERTEDERO CAUDAL PLUVIAL 1 2 17.47 17.40 hm edido (cm) 17.38 cero (cm) 15.03 h (cm) 2.35 Q (l/s) 0.165 3 17.26 TUBERÍA DE INGRESO (CAUDAL COMBINADO) 1 2 3 19.87 19.84 19.85 hm edido (cm) 19.85 cero (cm) 17.37 h (cm) 2.48 Q (l/s) 3.067 2.3817 242 PRUEBA No. A-2 CAUDAL Q = 0.0216h 50 l/s VERTEDERO DE INGRESO 1 2 26.58 26.60 hm edido (cm) 26.60 cero (cm) 0.25 26.35 h (cm) 52.28 Q (l/s) VERTEDERO CAUDAL SANITARIO 1 2 32.59 32.55 hm edido (cm) 32.58 11.39 cero (cm) 21.19 h (cm) Q (l/s) 31.10 VERTEDERO CAUDAL PLUVIAL 1 2 33.02 33.06 hm edido (cm) 33.04 cero (cm) 15.03 h (cm) 18.01 Q (l/s) 21.11 3 26.62 3 32.59 3 33.03 TUBERÍA DE INGRESO (CAUDAL COMBINADO) 1 2 3 29.97 30 29.99 hm edido (cm) 29.99 cero (cm) 17.37 h (cm) 12.62 Q (l/s) 52.21 2.3817 243 PRUEBA No. A-3 CAUDAL Q = 0.0216h 80 l/s VERTEDERO DE INGRESO 1 2 32.21 32.23 hm edido (cm) 32.22 cero (cm) 0.25 31.97 h (cm) 82.87 Q (l/s) VERTEDERO CAUDAL SANITARIO 1 2 34.07 34.02 hm edido (cm) 34.06 11.39 cero (cm) 22.67 h (cm) Q (l/s) 36.52 VERTEDERO CAUDAL PLUVIAL 1 2 40.09 40.04 hm edido (cm) 40.06 cero (cm) 15.03 h (cm) 25.03 Q (l/s) 46.27 3 32.23 3 34.08 3 40.06 TUBERÍA DE INGRESO (CAUDAL COMBINADO) 1 2 3 32.19 32.26 32.25 hm edido (cm) 32.23 cero (cm) 17.37 h (cm) 14.86 Q (l/s) 82.79 2.3817 244 PLAN DE PRUEBAS MODIFICACIÓN PROPUESTA No.3 ESTRUCTURA 1 ORIFICIO RECTANGULAR DE FONDO PRUEBA No. A-1 CAUDAL 3 l/s VERTEDERO DE INGRESO 1 2 8.24 8.23 hm edido (cm) 8.23 0.25 cero (cm) h (cm) 7.98 3.039 Q (l/s) VERTEDERO CAUDAL SANITARIO 1 2 19.42 19.35 hm edido (cm) 19.36 11.39 cero (cm) 7.973 h (cm) 3.033 Q (l/s) Q = 0.0216h2.3817 3 8.22 3 19.32 AFORO VOLUMÉTRICO CAUDAL PLUVIAL V (l/s) t (s) Q (l/s) 1) 2) 3) Q prom edio 0.00 VERTEDERO CAUDAL PLUVIAL 1 2 hm edido (cm) 11.70 cero (cm) h (cm) Q (l/s) 3 - TUBERÍA DE INGRESO (CAUDAL COMBINADO) 1 2 3 19.71 19.67 19.68 hm edido (cm) 19.69 17.37 cero (cm) h (cm) 2.32 3.033 Q (l/s) 245 PLAN DE PRUEBAS ESTRUCTURA 1 PRUEBA No. A-2 CAUDAL Q = 0.0216h2.3817 20 lt/s VERTEDERO DE INGRESO 1 2 17.94 17.92 h medido (cm) 17.90 0.25 cero (cm) 17.65 h (cm) 20.14 Q (lt/s) VERTEDERO CAUDAL SANITARIO 1 2 23.4 23.41 h medido (cm) 23.39 cero (cm) 11.39 12.00 h (cm) 8.04 Q (lt/s) VERTEDERO CAUDAL PLUVIAL 1 2 26.01 26.00 h medido (cm) 26.00 11.70 cero (cm) h (cm) 14.30 Q (lt/s) 12.19 3 17.85 3 23.37 3 25.98 TUBERIA DE INGRESO (CAUDAL COMBINADO) 1 2 3 23.91 23.93 23.9 h medido (cm) 23.91 17.37 h aguas abajo limnímetro cero (cm) h (cm) 6.54 6.8 Q (lt/s) 20.22 246 PLAN DE PRUEBAS ESTRUCTURA 1 Q = 0.0216h2.3817 PRUEBA No. A-2-1 CAUDAL 35 lt/s COMPROBACIÓN DE ABACOS FINALES VERTEDERO DE INGRESO 1 2 22.76 22.75 h medido (cm) 22.76 cero (cm) 0.25 h (cm) 22.51 Q (lt/s) 35.94 VERTEDERO CAUDAL SANITARIO 1 2 24.31 24.44 h medido (cm) 24.39 cero (cm) 11.39 h (cm) 13.00 Q (lt/s) 9.72 VERTEDERO CAUDAL PLUVIAL 1 2 32.1 32.15 h medido (cm) 32.12 cero (cm) 12.22 h (cm) 19.90 Q (lt/s) 26.78 3 22.78 -0.56 3 24.43 3 32.1 REVISAR NUEVO CERO TUBERIA DE INGRESO (CAUDAL COMBINADO) 1 2 3 26.3 26.34 26.33 h medido (cm) 26.32 cero (cm) 17.37 h aguas abajo limnímetro h (cm) 8.95 10 Q (lt/s) 36.50 247 PLAN DE PRUEBAS ESTRUCTURA 1 PRUEBA No. A-3 CAUDAL Q = 0.0216h2.3817 50 lt/s VERTEDERO DE INGRESO 1 2 26.33 26.34 h medido (cm) 26.34 0.25 cero (cm) 26.09 h (cm) 51.06 Q (lt/s) VERTEDERO CAUDAL SANITARIO 1 2 25.15 25.2 h medido (cm) 25.18 cero (cm) 11.39 13.79 h (cm) 11.18 Q (lt/s) VERTEDERO CAUDAL PLUVIAL 1 2 35.25 35.20 h medido (cm) 35.23 11.70 cero (cm) h (cm) 23.53 Q (lt/s) 39.91 3 26.35 3 25.18 3 35.23 TUBERIA DE INGRESO (CAUDAL COMBINADO) 1 2 3 28.49 28.5 28.51 h medido (cm) 28.50 17.37 h aguas abajo limnímetro cero (cm) h (cm) 11.13 13.3 Q (lt/s) 51.09 248 PLAN DE PRUEBAS ESTRUCTURA 1 PRUEBA No. A-4 CAUDAL Q = 0.0216h2.3817 80 lt/s VERTEDERO DE INGRESO 1 2 31.85 31.86 h medido (cm) 31.87 0.25 cero (cm) 31.62 h (cm) 80.69 Q (lt/s) VERTEDERO CAUDAL SANITARIO 1 2 25.44 25.59 h medido (cm) 25.51 cero (cm) 11.39 14.12 h (cm) 11.83 Q (lt/s) VERTEDERO CAUDAL PLUVIAL 1 2 41.37 41.3 h medido (cm) 41.31 11.7 cero (cm) h (cm) 29.61 Q (lt/s) 69.02 3 31.89 3 25.5 3 41.26 TUBERIA DE INGRESO (CAUDAL COMBINADO) 1 2 3 32.21 32.19 32.2 h medido (cm) 32.20 17.37 h aguas abajo limnímetro cero (cm) h (cm) 14.83 16.2 Q (lt/s) 80.85 249 PLAN DE PRUEBAS ESTRUCTURA 1 PRUEBA No. A-5 CAUDAL Q = 0.0216h2.3817 121 lt/s VERTEDERO DE INGRESO 1 h medido (cm) cero (cm) h (cm) Q (lt/s) 2 0.25 - VERTEDERO CAUDAL SANITARIO 1 2 24.3 24.35 h medido (cm) 24.34 cero (cm) 11.39 h (cm) 12.95 Q (lt/s) 9.63 VERTEDERO CAUDAL PLUVIAL 1 2 48 47.95 h medido (cm) 48.06 cero (cm) 11.7 h (cm) 36.36 Q (lt/s) 112.54 3 - vertedero ahogado 3 24.37 3 48.22 TUBERIA DE INGRESO (CAUDAL COMBINADO) 1 2 3 36.1 36.09 36.13 h medido (cm) 36.11 cero (cm) 17.37 h aguas abajo limnímetro h (cm) 18.74 18 Q (lt/s) 122.17 250 PLAN DE PRUEBAS MODIFICACIÓN PROPUESTA No. 1 ESTRUCTURA 2 LÍNEAS DE FLUJO SOLO PARA CAUDAL SANITARIO PRUEBA No. B-1 CAUDAL 10 l/s VERTEDERO DE INGRESO 1 42.67 hm edido (cm) cero (cm) h (cm) Q (l/s) Q = 1.1769h 2 42.69 42.67 38.75 3.92 9.15 VERTEDERO CAUDAL PLUVIAL 1 2 26.96 26.97 hm edido (cm) 26.96 20.72 cero (cm) h (cm) 6.24 Q (l/s) 12.57 1.5 3 42.66 Q = 0.8724h1.4571 3 26.95 251 PLAN DE PRUEBAS MODIFICACIÓN PROPUESTA No. 2 ESTRUCTURA No. 2 REUBICACIÓN DE ORIFICIO PRUEBA No. B-1 CAUDAL 13 l/s VERTEDERO DE INGRESO 1 43.03 hm edido (cm) cero (cm) h (cm) Q (l/s) Q = 1.1769h 2 43.1 43.08 38.75 4.33 10.59 VERTEDERO CAUDAL SANITARIO 1 2 27.3 27.35 hm edido (cm) 27.32 cero (cm) 20.80 6.52 h (cm) 12.75 Q (l/s) VERTEDERO CAUDAL PLUVIAL 1 2 0.00 0.00 hm edido (cm) 0.00 20.72 cero (cm) h (cm) 0.00 Q (l/s) 0.00 1.5 3 43.1 Q = 0.8982h1.4152 3 27.3 Q = 0.8724h 3 0.00 COLECTOR CAUDAL PLUVIAL SALIDA 1 2 3 0.00 0.00 0.00 hm edido (cm) 0.00 cero (cm) 7.97 h (cm) 0.00 Q (l/s) 0.00 limnímetro alineado a las cintas métricas COLECTOR CAUDAL COMBINADO CURVA 1 2 3 27.35 27.34 27.35 hm edido (cm) 27.35 7.29 cero (cm) 20.06 h (cm) 12.75 Q (l/s) 1.4571 252 PRUEBA No. B-2 CAUDAL 45 l/s VERTEDERO DE INGRESO 1 49.46 hm edido (cm) cero (cm) h (cm) Q (l/s) 2 49.45 49.44 38.75 10.69 41.13 VERTEDERO CAUDAL SANITARIO 1 2 28.75 28.6 hm edido (cm) 28.70 cero (cm) 20.80 h (cm) 7.90 Q (l/s) 16.75 VERTEDERO CAUDAL PLUVIAL 1 2 31.58 31.75 hm edido (cm) 31.75 cero (cm) 20.72 h (cm) 11.03 28.84 Q (l/s) Q = 1.1769h 1.5 Q = 0.8982h 1.4152 Q = 0.8724h 1.4571 3 49.41 3 28.76 3 31.93 COLECTOR CAUDAL PLUVIAL SALIDA 1 2 3 9.85 9.8 9.86 hm edido (cm) 9.84 cero (cm) 7.97 h (cm) 1.87 Q (l/s) 28.84 limnímetro alineado a las cintas métricas COLECTOR CAUDAL COMBINADO CURVA 1 2 3 34.94 35.32 35.48 hm edido (cm) 35.25 7.29 cero (cm) 27.96 h (cm) 45.59 Q (l/s) 253 PRUEBA No. B-3 CAUDAL 75 l/s VERTEDERO DE INGRESO 1 53.81 hm edido (cm) cero (cm) h (cm) Q (l/s) 2 53.82 53.83 38.75 15.08 68.92 VERTEDERO CAUDAL SANITARIO 1 2 29.18 29.19 hm edido (cm) 29.19 cero (cm) 20.80 h (cm) 8.39 Q (l/s) 18.23 VERTEDERO CAUDAL PLUVIAL 1 2 38.19 38.29 hm edido (cm) 38.17 cero (cm) 20.72 h (cm) 17.45 56.25 Q (l/s) Q = 1.1769h 1.5 Q = 0.8982h 1.4152 Q = 0.8724h 1.4571 3 53.86 3 29.2 3 38.03 COLECTOR CAUDAL PLUVIAL SALIDA 1 2 3 10.81 10.9 10 hm edido (cm) 10.57 cero (cm) 7.97 h (cm) 2.60 Q (l/s) 56.25 limnímetro alineado a las cintas métricas COLECTOR CAUDAL COMBINADO CURVA 1 2 3 38.85 38.37 39.05 hm edido (cm) 38.76 7.29 cero (cm) 31.47 h (cm) 74.48 Q (l/s) 254 PRUEBA No. B-4 CAUDAL 100 l/s VERTEDERO DE INGRESO 1 56.88 hm edido (cm) cero (cm) h (cm) Q (l/s) 2 56.93 56.93 38.75 18.18 91.23 VERTEDERO CAUDAL SANITARIO 1 2 29.49 29.6 hm edido (cm) 29.54 cero (cm) 20.80 h (cm) 8.74 Q (l/s) 19.32 VERTEDERO CAUDAL PLUVIAL 1 2 42.65 43.15 hm edido (cm) 42.88 cero (cm) 20.72 h (cm) 22.16 79.70 Q (l/s) Q = 1.1769h 1.5 Q = 0.8982h 1.4152 Q = 0.8724h 1.4571 3 56.98 3 29.54 3 42.85 COLECTOR CAUDAL PLUVIAL SALIDA 1 2 3 12.81 11.8 12.69 hm edido (cm) 12.43 cero (cm) 7.97 h (cm) 4.46 Q (l/s) 79.70 limnímetro alineado a las cintas métricas COLECTOR CAUDAL COMBINADO CURVA 1 2 3 40.68 41.38 41.61 hm edido (cm) 41.22 7.29 cero (cm) 33.93 h (cm) 99.02 Q (l/s) 255 PRUEBA No. B-5 CAUDAL 121 l/s VERTEDERO DE INGRESO 1 59.83 hm edido (cm) cero (cm) h (cm) Q (l/s) 2 59.88 59.85 38.75 21.10 114.07 VERTEDERO CAUDAL SANITARIO 1 2 29.91 29.95 hm edido (cm) 29.93 cero (cm) 20.80 h (cm) 9.13 Q (l/s) 20.54 VERTEDERO CAUDAL PLUVIAL 1 2 46.62 46.8 hm edido (cm) 46.72 cero (cm) 20.72 h (cm) 26.00 100.59 Q (l/s) Q = 1.1769h 1.5 Q = 0.8982h 1.4152 Q = 0.8724h 1.4571 3 59.84 3 29.93 3 46.75 COLECTOR CAUDAL PLUVIAL SALIDA 1 2 3 13.45 13.05 13.62 hm edido (cm) 13.37 cero (cm) 7.97 h (cm) 5.40 Q (l/s) 100.59 limnímetro alineado a las cintas métricas COLECTOR CAUDAL COMBINADO CURVA 1 2 3 42.72 43.15 43.49 hm edido (cm) 43.12 7.29 cero (cm) 35.83 h (cm) 121.13 Q (l/s) 256 1 ANEXO No. 7 ANÁLISIS DIMENSIONAL DE LAS ESTRUCTURAS DE SEPARACIÓN DE CAUDALES CON GEOMETRÍA DEFINITIVA 257 ANÁLISIS DIMENSIONAL DE LAS ESTRUCTURAS DE SEPARACIÓN TIPO CON MODIFICACIONES DEFINITIVAS Una vez definidas las modificaciones que optimizan el comportamiento de las estructuras de separación se realiza el análisis dimensional que permite definir las características del flujo. APLICACIÓN DEL TEOREMA CAUDALES POR UN π PARA EL CASO DE SEPARACIÓN DE ORIFICIO DE FONDO EN UNA SECCIÓN TRANSVERSAL CIRCULAR. ESTRUCTURA No. 1 Se usa el análisis dimensional para determinar las magnitudes que intervienen en el fenómeno de separación del caudal sanitario por medio de un orificio de fondo, y así poder establecer relaciones adimensionales entre estas magnitudes que expresen mediante ábacos adimensionales el coeficiente de descarga que se debe aplicar para el diseño de este tipo de estructuras. El desarrollo de estas relaciones funcionales debe obedecer a las condiciones dinámicas del movimiento y el principio de semejanza mecánica; y las magnitudes deben ser identificadas de manera acertada. Para el caso de la modificación No. 3 (orificio de fondo), se identifican las magnitudes influyentes geométricas, de flujo y del fluido. Como magnitudes geométricas se identifican el ancho del orificio de fondo (a), el largo de orifico (L) y el diámetro de la tubería de ingreso (D). Como magnitudes propias del flujo se identifican la velocidad de aproximación en la tubería de ingreso (Vt), el caudal combinado de entrada (Qc), el caudal de derivación por el orificio de fondo o caudal sanitario (Q o), el calado medido en la tubería de ingreso (hm) y la gravedad (g). 258 Como magnitudes propias del fluido se identifican la densidad (ρ), la viscosidad (ߤ), la tensión superficial (σ) y compresibilidad del fluido (E). No todas las magnitudes mencionadas anteriormente deben ser involucradas en el análisis; es así como en base a los siguientes criterios se han seleccionados las magnitudes que se consideran definitivamente influyentes en el comportamiento de la estructura. 1. No deben considerarse magnitudes que sean dependientes entre sí, en otras palabras cualquier magnitud que abarque a otra ya no debe ser considerada o viceversa, cualquier magnitud que sea abarcada por otra tampoco debe ser considerada. En este caso por ejemplo es innecesario tomar las dos magnitudes geométricas a y L, cuando bien se pueden incluir ambas en una magnitud A que representa el área, o mejor aún, como se ha realizado en este análisis, se puede seleccionar solo el ancho del orificio a y tomando en cuenta que mediante la experimentación se definió el largo L como L= 0.73·a. 2. Se deben seleccionar aquellas magnitudes para procurar obtener los números adimensionales de la Hidráulica; en base a este criterio se selecciona Vt en vez de Qc, para obtener una relación semejante al número de Froude y de esta forma poder relacionar el régimen que se presenta en este fenómeno. 3. Eliminar las magnitudes que no influyen o aquellas que son constantes en el fenómeno. En este caso se elimina la influencia de la tensión superficial y la viscosidad bajo el conocimiento de que el comportamiento del flujo se encuentra en régimen supercrítico, es decir con números de Froude de 2.3 a 3.4. 4. Para la resolución matemática por medio de la matriz de tercer grado (m x n) se deben seleccionar tres magnitudes cuyo determinante sea no nulo49. 49 Hidalgo, M. “Introducción a la teoría de modelos hidráulicos y aplicaciones básicas”. Quito. Departamento de Hidráulica. Escuela Politécnica Nacional. 259 Las magnitudes que intervienen en el análisis dimensional se muestran a continuación: Cuadro No. 27: Magnitudes influyentes en análisis dimensional para separación de caudales por medio de un orificio de fondo en una sección transversal circular. Estructura No. 1 Análisis dimensional de la Estructura de Separación No. 1 Magnitudes Geométricas Ancho del orificio de fondo Diámetro de la tubería de ingreso Calado medido en modelo fisico en la tuberia de entrada Magnitudes del flujo Velocidad de aproximación en la tubería de ingreso Gravedad Caudal de derivación o sanitario Magnitudes del fluido Densidad del fluido Denominación Dimensional a L D L L hm -1 vt g Qo LT LT -2 L3 T -1 ρ ML -3 Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. En base al cuadro No. 28 se determina el número de magnitudes que intervienen en el análisis y la cantidad de números π. Cuadro No. 28: Número de variables π para estructura No. 1 Número de magnitudes (r): Magnitudes fundamentales (m): Números π (r-m): 7 3 4 Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. ݂ሺܽǡ ܦǡ ݄ ǡ ܸ௧ ǡ ݃ǡ ܳ ǡ ߩሻ ൌ Ͳ (A. 1.1) ߮ሺߨଵ ǡ ߨଶ ǡ ߨଷ ǡ ߨସ ሻ ൌ Ͳ (A. 1.2) 260 La variables que se seleccionan como magnitudes repetitivas para generar la matriz cuyo determinante no debe ser nulo son vt, hm, ρ. La matriz se ilustra en el cuadro No. 29. Cuadro No. 29: Matriz característica para análisis dimensional en separación de caudales por medio de un orificio de fondo en una sección transversal circular. Estructura No. 1. L 1 1 -3 1 1 1 3 vt hm ρ g D a Qo M 0 0 1 0 0 0 0 T -1 0 0 -2 0 0 -1 Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. Determinación de los parámetros π Cuadro No. 30: Determinación del parámetro adimensional π1 π1 Magnitud fundamental M L T π1 α β γ g Resultados 0 1 -1 0 1 0 1 -3 0 0 1 -2 α= β= γ= -2 1 0 Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. ߨଵ ൌ ܸ௧ ඥ݄݃ (A. 1.3) 261 Cuadro No. 31: Determinación del parámetro adimensional π2 π2 π2 Magnitud fundamental α β γ D Resultados M L T 0 1 -1 0 1 0 1 -3 0 0 1 0 α= β= γ= 0 -1 0 Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. ߨଶ ൌ ܦ ݄ (A. 1.4) Cuadro No. 32: Determinación del parámetro adimensional π3 π3 π3 Magnitud fundamental α β γ a Resultados M L T 0 1 -1 0 1 0 1 -3 0 0 1 0 α= β= γ= 0 -1 0 Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. ߨଷ ൌ ܽ ݄ (A. 1.5) Cuadro No. 33: Determinación del parámetro adimensional π4 π4 π4 Magnitud fundamental α β γ Qo Resultados M L T 0 1 -1 0 1 0 1 -3 0 0 3 -1 α= β= γ= Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. -1 -2 0 262 ߨସ ൌ ܳ (A. 1.6) ܸ ݐή ݄ ଶ Reemplazando los resultados en la ecuación A.1.2 se obtiene una dependencia entre los monomios π determinados y el coeficiente de descarga del orificio de fondo Cq. Ͳ ൌ ݂ቆ ܸ௧ ܽ ܦ ܳ ǡ ǡ ቇ ଶ ඥ݄݃ ݄ ݄ ܸ ݐή ݄ ǡ (A. 1.7) Los números π obtenidos pueden ser objeto de ciertas operaciones aritméticas permitidas a voluntad50; aplicándose en este caso se tiene: ߨଵ ൈ ߨସ ൌ ߨସ ൊ ߨଷ ଶ ൌ ܳ ݄ଶ ඥ݄݃ ܳ ܽଶ ඥ݄݃ ൌ ߨସ (A. 1.8) ൌ ߨସ (A. 1.9) El monomio adimensional π4 determinado responde al coeficiente de descarga Cq para un orificio, por lo tanto se establece que: ܸ௧ ܽ ܦ ܥ ൌ ݂ ቆ ǡ ǡ ቇ ඥ݄݃ ݄ ݄ (A. 1.10) Es a partir de esta función de donde se establecen relaciones adimensionales entre el coeficiente de descarga (Cq) de un orificio de fondo, el diámetro (D) y la apertura del orificio (a) en función del calado de aproximación (hm) que se presenta en la tubería. 50 Castro, M. “Análisis Dimensional y modelación física en hidráulica”. Quito. Departamento de Hidráulica. Escuela Politécnica Nacional. 263 APLICACIÓN DEL TEOREMA π PARA EL CASO DE SEPARACIÓN DE CAUDALES POR UN ORIFICIO LATERAL CON UMBRAL TRANSVERSAL DE DERIVACIÓN. ESTRUCTURA No. 2. De igual forma que la aplicación del análisis dimensional y el teorema π en el fenómeno de separación de caudales de la estructura No 1, se plantea también un análisis semejante para determinar ábacos adimensionales que expresen el comportamiento de descarga de un orificio lateral en función ciertos de parámetros adimensionales. De todas las magnitudes que se pueden observar en el fenómeno de separación de la estructura No. 2, se escogen aquellas que permitan establecer relaciones útiles para el diseño de este tipo se separadores. A continuación se muestran las magnitudes que intervienen en este análisis dimensional: Cuadro No. 34: Magnitudes influyentes en análisis dimensional para separación de caudales por medio de un orificio lateral con umbral transversal de derivación. Estructura No. 2 Magnitudes Geométricas Denominación Dimensional Alto del orificio lateral a L Altura del dique transversal w L L Calado medido en modelo físico en la zona de aproximación hm Magnitudes del flujo -1 Caudal unitario de entrada qc LT 3 -1 Caudal de derivación o sanitario Qo L T -2 Gravedad g LT Magnitudes del fluido -3 Densidad del fluido ρ ML Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. 264 Cuadro No. 35: Número de variables π para estructura No. 2 Número de magnitudes (r): Magnitudes fundamentales (m): Números π (r-m): 7 3 4 Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. ݂ሺܽǡ ݓǡ ݄ ǡ ݍ ǡ ܳ ǡ ݃ǡ ߩሻ ൌ Ͳ (A. 1.11) ߮ሺߨଵ ǡ ߨଶ ǡ ߨଷ ǡ ߨସ ሻ ൌ Ͳ (A. 1.12) Las variables fueron seleccionadas bajo los mismos criterios que se señalan en el análisis dimensional de la estructura No. 1, con la leve diferencia de que la relación establecida en las magnitudes geométricas del orificio es a=1.45·L; además se decide trabajar con el caudal unitario qc debido a que esto permite tener una aplicación a cualquier ancho de colector de entrada. La matriz que se plantea se muestra en el cuadro No. 36 y cuyas magnitudes repetitivas que aseguran un determinante no nulo son qc, hm, ρ. Cuadro No. 36: Matriz característica. Estructura No. 2 qc hm ρ g w a Qo L 2 1 -3 1 1 1 3 M 0 0 1 0 0 0 0 T -1 0 0 -2 0 0 -1 Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. 265 Determinación de los parámetros π Cuadro No. 37: Determinación del parámetro adimensional π1 π1 π1 Magnitud fundamental α β γ g Resultados M L T 0 2 -1 0 1 0 1 -3 0 0 1 -2 α= β= γ= -2 3 0 Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. ߨଵ ൌ ݄ ଷ ݃ ݍ ଶ (A. 1.13) Cuadro No. 38: Determinación del parámetro adimensional π2 π2 π2 Magnitud fundamental α β γ w Resultados M L T 0 2 -1 0 1 0 1 -3 0 0 1 0 α= β= γ= 0 -1 0 Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. ߨଶ ൌ ݓ ݄ (A. 1.14) 266 Cuadro No. 39: Determinación del parámetro adimensional π3 π3 π3 Magnitud fundamental α β γ a Resultados M L T 0 2 -1 0 1 0 1 -3 0 0 1 0 α= β= γ= 0 -1 0 Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. ߨଷ ൌ ܽ ݄ (A. 1.15) Cuadro No. 40: Determinación del parámetro adimensional π4 π4 π4 Magnitud fundamental α β γ Qo Resultados M L T 0 2 -1 0 1 0 1 -3 0 0 3 -1 α= β= γ= -1 -1 0 Elaborado por: Andrea Albán Almeida, Gabriela Heredia Hidalgo. ߨସ ൌ ܳ ݍ ή ݄ (A. 1.16) Se establece entonces la función que relaciona los cuatro monomios adimensionales: ݄ ଷ ݃ ܽ ݓ ܳ Ͳ ൌ ݂ቆ ଶ ǡ ǡ ǡ ቇ ݄ ݄ ݍ ή ݄ ݍ (A. 1.17) El numero adimensional π1 puede expresarse como el coeficiente de descarga del orificio lateral de tal manera que: 267 ͳ ܳ ଶ ଶ ൈ ߨସ ൌ ൌ ߨଵ ݄ ହ ݃ ܳ ට݄ ହ ݃ ൌ ߨଵ (A. 1.18) Así mismo, el número adimensional π4 se puede expresar en función del porcentaje de derivación y la geometría por medio de la multiplicación aritmética con el número π2. ߨସ ൈ ͳ ܳ ൌ ൌ ߨସ ߨଶ ݍ ݓ ߨସ ൌ ܳ ܤ ܳ ݓ (A. 1.19) (A. 1.20) De esta forma se obtiene una relación entre tres números adimensionales y el coeficiente de descarga Cq. ܥ ൌ ݂ ൬ ܳ ܽ ݓ ܤ ǡ ǡ ൰ ݄ ݄ ܳ ݓ (A. 1.21) A partir de esta función se establecen relaciones adimensionales entre el coeficiente de descarga (Cq) de un orificio lateral, el caudal combinado de entrada (Qc), el caudal sanitario derivado (Qo), el ancho del colector (B), la altura del umbral de separación (w), y el alto del orificio (a) en función del calado de aproximación (hm) que se presenta en el colector.
