Diseño de redes de o de redes de alcantarillas (I)

Diseñ
Diseño de redes de
alcantarillas (I)
Referencias
• [1] Ingeniería de aguas residuales: redes de
alcantarillado y bombeo. Ed. McGraw-Hill.
• [2] Ingeniería de las aguas residuales. Tratamiento,
vertido y reutilización. Ed. McGraw-Hill.
• [3] Saneamiento y alcantarillado: vertidos de aguas
residuales. Aurelio Hernández. Ed. Paraninfo.
• [4] Fundamentos y cálculo de redes de distribución.
Osorio F. y E. Hontoria.
• [5] EMASESA. Instrucciones Técnicas para redes de
saneamiento
• [6] Cálculo de caudales en las redes de saneamiento.
Catalá, F. Ed. Paraninfo. Colección Seinor no. 5.
1
El agua residual urbana
Agua residual urbana
Doméstica o
sanitaria
Industrial
(zonas residenciales,
comerciales y públicas)
- Contaminación
orgánica (+sales
disueltas y S.S.
inorgánicos).
- Biodegradables
(DBO5/DQO ≈ 0,5)
- Nutrientes (N y
P)
- Sin productos
tóxicos
Infiltraciones
y aportaciones
incontroladas
-Contaminación
según el tipo de
industria
-Solamente se
podrán verter a
la red aguas
industriales que
sean
asimilables a
urbanas
Escorrentía
urbana (pluviales)
-Contaminación por S.S.,
óxidos de S y N, metales
pesados volátiles, papel,
vidrio, desgaste de
neumáticos, derrames de
combustibles, aceites y
grasas
-Composición = f
(duración de eventos de
lluvia y del tiempo entre
eventos)
El agua residual urbana
Agua residual urbana
Doméstica o
sanitaria
Industrial
(zonas residenciales,
comerciales y públicas)
Aguas ‘negras’
Caudales estables
Infiltraciones
y aportaciones
incontroladas
Escorrentía
urbana (pluviales)
Aguas ‘blancas’
Caudales altos,
que ocurren de
forma episódica
2
Tipos de redes
Agua residual urbana
Doméstica o
sanitaria
(fecales, limpieza, y
lavado)
Industrial
‘asimilable’
Infiltraciones
y aportaciones
incontroladas
Red separativa sanitaria
(por gravedad o a presión)
Escorrentía
urbana (pluviales)
… y de aguas pluviales
(por gravedad)
Red (o sistema) unitaria
(por gravedad)
Sistema unitario
3
Sistema separativo
1. Caudales de aguas negras
Se deben estimar los valores medios Qm y los
valores punta Qp (relacionados por un factor punta Cp)
Qp = Cp x Qm
• Redes ya existentes
Caudal de diseño
– series históricas
– aforos (vertederos, canales Parshall, trazadores,
molinetes, …)
• Redes de nueva construcción
– a partir de datos de abastecimiento de agua
– a partir de estimaciones/mediciones de caudales de
agua residual en poblaciones de características
similares
4
1.1. Qm a partir de datos de abastecimiento
Caudal medio de agua de abastecimiento (QmAA)
Uso doméstico
Industrial
Servicio público
(no doméstico)
(extinción de
incendios, riegos,
mantenimiento de
infraestructuras)
Caudal de agua utilizada
(contador) y un 90-100%
se incorpora a la red de
saneamiento
Pérdida en la
red y fugas
10-12 % en sistemas
modernos
15-30 % en sistemas
anticuados
hasta un 50%
QmAAx (0.6 - 0.85) = Caudal medio de agua residual (Qm)
1.2. Qm por estimaciones directas
Agua residual urbana
Doméstica o
sanitaria
Comercial
Industrial
Infiltraciones
y aportaciones
incontroladas
Escorrentía
urbana (pluviales)
Instituciones
Qm = Volumen / ha
Recreativo
Qm = Volumen / pers. día x Población
Residencial
día x Superficie
Caudal unitario
Valor extensivo
(Tablas y gráficos)
(Planificación)
Horizonte temporal = 10 años (zonas rurales); 20-30 años (zonas urbanas);
50 años (pasos subterráneos de tráfico y ferroviarios). Fuentes de información
organismos de planificación locales, regionales o estatales, o utilizando
métodos de estimación de la población
5
Caudales unitarios
• Industrial:
– Oscila entre 9-14 m3 / ha. d (en zonas de escaso desarrollo) y
14-28 m3/ha. d (en zonas con desarrollo medio) [2]
– Valor típico de proyecto ≈ 30 m3 / ha. d [1] ó 47 m3 / ha. d [3].
– 85-95% del consumo en industrias sin reutilización interna [1]
tablas de consumo según tipo de industria (ver [2] y [3]).
[4] Un orden de magnitud del consumo es de 50m3 /ha. d (p. I.93)
[4] La demanda anual en nuevos polígonos industriales es ≈ 4000
m3/ha (= 10m3/ha. d)
– EMASESA indica en sus normas que el caudal de diseño
Qp (l/s) = 0.7 x superficie (ha). Si Cp = 2-3 (ver más adelante) Caudal medio unitario ≈ 20 - 30 m3 / ha. d
• Comercial
– Oscila entre 14 y 15000 m3 / ha. d [1]
– Tablas ( [1], [2] )
¡Cuidado!
[3]
¿?
135,000 m3 /ha. d!!!!
6
[4]
O(1) l/s.ha 86 m3/ ha.d
O(102) m3/Tm, como en [2]
Caudales unitarios
• Industrial:
– Oscila entre 9-14 m3 / ha. d (en zonas de escaso desarrollo) y
14-28 m3/ha. d (en zonas con desarrollo medio) [2]
– Valor típico de proyecto ≈ 30 m3 / ha. d [1] ó 47 m3 / ha. d [3].
– 85-95% del consumo en industrias sin reutilización interna [1]
tablas de consumo según tipo de industria (ver [2] y [3]).
[4] Un orden de magnitud del consumo es de 50m3 /ha. d (p. I.93)
[4] La demanda anual en nuevos polígonos industriales es ≈ 4000
m3/ha (= 10m3/ha. d)
– EMASESA indica en sus normas que el caudal de diseño
Qp (l/s) = 0.7 x superficie (ha). Si Cp = 2-3 (ver más adelante) Caudal medio unitario ≈ 20 - 30 m3 / ha. d
• Comercial
– Oscila entre 14 y 15000 m3 / ha. d [1]
– Tablas ( [1], [2] )
7
[1]
Si usamos una densidad =
500 empleados / ha 20 m3/ha.d
([1] y [2])
EMASESA indica que el caudal de diseño debe ser calculado como
Qp (l/seg) = 0.017 x (nº de viviendas de la cuenca)
Si consideramos una sóla vivienda (4-5 personas) caudal unitario =
300-370 litros / pers. d [5].
8
([1] y [2])
([1] y [2])
9
Caudales unitarios (infiltración)
[1]
1.3. Variaciones del caudal de A.R.
El abastecimiento tiene poca capacidad de embalse y, por tanto, las
curvas de caudales de A.R. son parecidas a las de abastecimiento,
pero desfasada en el tiempo y algo más suaves.
Infiltraciones
** Las variaciones estacionales en zonas de turismo ó con industrias
agro-alimentarias (ej. conservas) son muy pronunciadas
10
1.4. Factores punta Cp y caudal de diseño Qp
Cp representa la razón entre el caudal máximo horario de A.R. en el día
de máxima producción y el caudal medio horario en un día promedio
Qp = Cp
x Qm
Agua residual doméstica
Valores guía [3]
Cp ≥ 2.4
1.8 ≥ Cp ≥ 2.4
1.4 ≥ Cp ≥ 1.8
Núcleos pequeños
> 100,000 hab
> 800,000 hab
x Caudal unitario
Cp = f(Qm)
Fórmulas empíricas [3]
Cp = 1+
14
4+ P
Harman
Cp =
18 + P
4+ P
Gráficas u otras
expresiones empíricas
Fair & Geyer
Nota: P = población (miles de hab.)
Factor punta para agua residual doméstica
[1]
ó podemos suponer que la curva Cp vs. log(Qm)
es lineal e interpolar entre los dos puntos que da
la gráfica, i.e. (log(5), 1.98) y (log(0.004),3.34)
11
1.4. Factores punta Cp y caudal de diseño Qp
Cp representa la razón entre el caudal máximo horario de A.R. en el día
de máxima producción y el caudal medio horario en un día promedio
Qp =
Cp
Agua residual doméstica
Industrial /
Comercial
Valores guía [3]
Cp ≥ 2.4
1.8 ≥ Cp ≥ 2.4
1.4 ≥ Cp ≥ 1.8
14
4+ P
Harman
Cp =
Infiltraciones
(gráficos) [1]
Cp ≈ 2-3
Núcleos pequeños
> 100,000 hab
> 800,000 hab
x Caudal unitario
Cp = f(Qm)
Fórmulas empíricas [3]
Cp = 1+
x Qm
18 + P
4+ P
Gráficas u otras
expresiones empíricas
Fair & Geyer
Nota: P = población (miles de hab.)
Caudales de diseño por infiltración (Qp)
[1]
Si comparamos la curva B con
la curva de caudales medios
Qm de infiltración Cp ≈ 1.6
40.5 ha, 14 m3/ha.d
5000 ha, ≈ 3.3 m3/ ha.d
12
Ejemplo
δ = 74 hab. / ha
δ = 38 hab. / ha
2000 estudiantes
Densidad de saturación δ = 124 hab. / ha
Usos del suelo
Caudales unitarios
1. Zona comercial
2. Polígono industrial
3. Escuela (2000 alumnos)
4. Viviendas unifamiliares
5. Apartamentos de baja altura
6. Pisos duplex
7. A-4 (residencial mixta)
20
30
75
300
225
280
268
m3 / ha. día
m3 / ha. día
l / estudiante. día
l / hab. día
l / hab. día
l / hab. día
l / hab. día *
* Promedio de 4, 5 y 6
Qm =
Caudal unitario x densidad x superficie (en zonas residenciales)
Caudal unitario x
superficie (en zona comercial e industr.)
Caudal unitario x No. estudiantes
(en la escuela)
Qp = Cp x Qm
f ( población y del uso del suelo )
13
Clasificación urbanística
Area
( ha )
Densidad Población Caudal unitario medio
(hab. / ha)
(hab)
Módulo
Valor
Unifamiliares
Residencial mixta
Apartamentos de poca altura
Escuela
Centro comercial
Comercial
Polígono industrial
324
114
178
16
48
110
110
Total
900
38
74
124
12312 l / ha.d
8436 l / ha.d
22072 l / ha.d
2000 l / pers.d
m3 / ha.d
m3 / ha.d
m3 / ha.d
Caudal medio
( m3 / d )
Cp
3694
2261
4966
150
960
2200
3300
Caudal punta
( m3 / d )
2.6
2.6
2.6
4
1.8
1.8
2.1
17531
Clasificación urbanística
Area
( ha )
300
268
225
75
20
20
30
9603
5878
12912
600
1728
3960
6930
41612
Densidad Población Caudal unitario medio
(hab. / ha)
(hab)
Módulo
Valor
Unifamiliares
Residencial mixta
Apartamentos de poca altura
Escuela
Centro comercial
Comercial
Polígono industrial
324
114
178
16
48
110
110
Total
900
38
74
124
12312 l / ha.d
8436 l / ha.d
22072 l / ha.d
2000 l / pers.d
m3 / ha.d
m3 / ha.d
m3 / ha.d
Caudal medio
( m3 / d )
3694
2261
4966
150
960
2200
3300
17531
Cp
300
268
225
75
20
20
30
Caudal punta
( m3 / d )
2.6
2.6
2.6
4
1.8
1.8
2.1
9603
5878
12912
600
1728
3960
6930
41612
14
2. Dimensionado hidráulico
‘Dado el caudal encontrar el diámetro’
• La red debe funcionar de modo general por
gravedad en régimen de lámina libre
(excepcionalmente funcionan a presión)
• Los conductos se dimensionan inicialmente
suponiendo que el agua circula a sección llena
con caudales pico.
• Un 15 ó 20% de la altura de la sección debe
quedar libre para permitir la circulación de aire,
de forma que se eviten condiciones anaeróbicas
Flujo uniforme por gravedad

 14.8 Rh 
f =  2 log

ε



L V2
hf = f
Dh 2 g
1/ 2
Flujo completamente turbulento
V=
8 g 1/ 2 1/ 2
S f Rh = CS 1f / 2 Rh1/ 2
f
Chezy
1/ 6
R
1
V = h S 1f / 2 Rh1/ 2 = S 1f / 2 Rh2 / 3
n
n
Manning
n = 0.013-0.015
15
Parámetros hidráulicos en alcantarillas
circulares parcialmente llenas
16
3. Criterios de diseño de redes
Velocidades mínimas, Vmin (deposición)
- Redes unitarias: 0.6 m/s (velocidad de arrastre de arenas)
- Redes separativas:
Conducto de aguas negras: 0.3 m/s (arrastre de S.S.)
Conducto de pluviales: 1 m/s.
- Sifones: 1 m/s
Velocidades máximas, Vmax (erosión)
- Para caudal punta de aguas negras: 2.5 - 3 m/s.
- Para caudal máximo en tiempo de lluvia: 5 m/s.
* Para velocidades mayores protección especial
(soleras, rápidos, zonas de enlace de tramos)
17
Diámetros mínimos, D (obturación)
•
•
•
En redes unitarias y separativas ≥ 300 mm
En acometidas ≥ 200 mm.
Conexión de imbornal con la red ≥ 200 mm
Pendiente, S = f ( V, D )
Por lo general, buscamos que las alcantarillas vayan
paralelas a la superficie Ss (i.e. S = Ss) por el menor
coste de excavación, con la coronación de los tubos a
una profundidad > 2 m y por debajo de los tubos de
abastecimiento.
- Pte. insuficiente Ss< Smin = f (Vmin, D) bombeos
- Pte. excesiva
Ss> Smax= f (Vmax,D) rápidos y/o
pozos de resalto
m/m
18
Diámetros mínimos, D (obturación)
•
•
•
En redes unitarias y separativas ≥ 300 mm
En acometidas ≥ 200 mm.
Conexión de imbornal con la red ≥ 200 mm
Pendiente, S = f ( V, D )
Por lo general, buscamos que las alcantarillas vayan
paralelas a la superficie Ss (i.e. S = Ss) por el menor
coste de excavación, con la coronación de los tubos a
una profundidad > 2 m y por debajo de los tubos de
abastecimiento.
- Pte. insuficiente Ss< Smin = f (Vmin, D) bombeos
- Pte. excesiva
Ss> Smax= f (Vmax,D) rápidos y/o
pozos de resalto
Criterios
Sistema separativo
Sistema
unitario
h≤ 500 mm
Conducto A.
Negras
0,5
Conducto A.
Pluviales
0,8 (0,9
h>500 mm
0,7
máximo)
máximo)
Vmáx (m/s)
3,0
5,0
5,0
Vmín (m/s)
0,3 (0,6)
1,0
0,6 (0,9)
ymáx/htotal
Dmín (mm)
300
Prof. mín (m)
2,0
0,8 (0,9
19
Pendientes recomendadas
Diámetro de la
conducción (mm)
Mínima
Máxima
Óptima
Acometidas
2:100
7:100
3:100
D200-D300
1:1000
7:100
2:100 / 7:1000
D300-D600
1:1000
4:100
1:100 / 5:1000
D600-D1000
1:1000
2:100
5:1000 / 2:1000
D1000-D2000
1:10000
1:100
3:1000 / 2:1000
Ejemplo de diseño de redes
20
21
Tabla de información básica (Tabla 1)
Clasificación urbanísticas
Unifamiliares
Residencial mixta
Apartamentos de poca altura
Escuela
Centro comercial
Comercial
Polígono industrial
Densidad
(hab. / ha)
38
74
124
Estudiantes Caudal unitario medio
Módulo
Valor
l / ha.d
300
l / ha.d
268
l / ha.d
225
2000
l / pers.d
75
m3 / ha.d
20
m3 / ha.d
20
m3 / ha.d
30
Cp
f ( Qm)
f ( Qm)
f ( Qm)
4
1.8
1.8
2.1
22
Tabla de cálculo en proyecto de colector
(1. Topología)
Tramo
Desde
Hasta
1
1
2
2
3
4
5
6
2
3
4
5
6
3
4
5
6
7
7
7
8
Cuenca
vertiente
A-1
A-2
A-10
A-9
A-3
A-8
A-4
A-7
A-5
A-6
Tabla de cálculo en proyecto de colector
(2. Caudales por tramos y usos)
Tramo
Desde
Hasta
1
1
2
2
3
4
5
6
2
3
4
5
6
3
4
5
6
7
7
7
8
Tramo
Desde
Hasta
1
1
2
2
3
4
5
6
2
3
4
5
6
3
4
5
6
7
7
7
8
100
112
Densidad
(pers./ha)
38
38
Qm unit.
(l/hab.d)
300
300
48
112
60
114
70
124
38
124
74
124
225
300
225
268
225
Caudales domésticos
Qm
Qm.acum
(m3/d)
(m3/d)
1140
1277
2417
1339
3756
1277
5033
1674
6707
2261
8968
1953
10921
10921
Cuenca
vertiente
A-1
A-2
A-10
A-9
A-3
A-8
A-4
A-7
A-5
A-6
Superf.
Cuenca
vertiente
A-1
A-2
A-10
A-9
A-3
A-8
A-4
A-7
A-5
A-6
Superf.
Qm unit.
(m3/ha.d)
48
20
960
110
20
2200
Cp
Qp.acum
(m3/d)
2.9
2.8
2.7
2.7
2.6
7009
10517
13589
18108
23316
2.6
2.6
28394
28394
Cp
Qp.acum
(m3/d)
960
960
960
960
960
1.8
1.8
1.8
1.8
1.8
1728
1728
1728
1728
1728
3160
3160
1.8
1.8
5688
5688
Caudales comerciales
Qm
Qm.acum
(m3/d)
(m3/d)
23
Tabla de cálculo en proyecto de colector
(3. Caudales totales y DISEÑO)
Tramo
Desde
Hasta
Cuenca
Superficie
vertiente
(ha)
1
1
2
A-1
100
A-2
112
A-10
48
2
2
3
A-9
48
3
3
4
A-3
112
4
4
5
A-8
60
5
5
6
A-4
130
6
6
7
A-7
70
A-5
110
7
7
8
A-6
110
¡¡ Valores de caudal y velocidad a sección llena
Diámetro
mm
DISEÑO DEL COLECTOR
Pendiente
Caudal ¡¡
m/m
(m3/s)
Velocidad ¡¡
(m3/d)
450
525
600
675
750
0.0019
0.0015
0.0012
0.0011
0.001
0.124
0.167
0.210
0.265
0.339
0.780
0.770
0.750
0.780
0.800
900
900
0.0007
0.0009
0.450
0.533
0.750
0.850
24