CAPITULOS aass

1
CAPITULO 1
1. ANTECEDENTES
1.1
Introducción General
La construcción de sistemas
de alcantarillados se remonta a la
época del Imperio Romano. Muchos de dichos sistemas siguen en
servicio, debido a que fueron realizados sobre roca. Desde esa
fecha, no se experimentó ningún progreso notable en el proyecto y
construcción de redes de saneamiento hasta la década de 18401850. Según la historia el cambio comenzó en Hamburgo,
Alemania, en 1842, donde se diseñó un nuevo y completo sistema
de evacuación de aguas residuales de acuerdo con las nuevas
teorías de la época.
Los sistemas del Alcantarillado son importantes ya que influyen
significativamente en la salubridad de los asentamientos humanos.
2
1.2
Justificación
La Escuela Superior Politécnica del Litoral tiene como meta
contribuir al desarrollo de las comunidades peninsulares dentro del
marco del Plan de Desarrollo de la Península.
Entre esas comunidades se encuentran San Pedro y Valdivia, dos
comunas que fueron seleccionadas como sitios de estudio de la
presente tesis.
Estas comunas no cuentan con sistemas de alcantarillados, uno de
los factores que impide su desarrollo económico. Por lo tanto, la
presente tesis ayuda a solucionar parte del problema de dichas
comunas.
Para la realización de la tesis, se realizaron varias visitas de campo
a las comunas para recorrer el sitio de estudio y obtener muestras
de suelo. Adicionalmente, se entrevistó a varias personas y
directivos de cada una de las comunas, quienes muy gentilmente
colaboraron con los datos necesarios relacionados a los aspectos
sociales de la zona. De igual forma colaboró en todo lo necesario
el director del Plan de desarrollo de la Península ESPOL, MSc
Kléber Moran.
3
1.3. Objetivos
1.3.1 Objetivo General
El objetivo general de esta tesis es incentivar a los
estudiantes al empleo de herramientas informáticas para el
diseño de redes de alcantarillado.
Estas herramientas informáticas simplifican los cálculos
repetitivos, optimizando recursos económicos y humanos,
siendo así más competitivos, además que se pueden obtener
demos gratis en internet
1.3.2 Objetivos Específicos.
Dentro de los objetivos específicos tenemos:
Diseño del sistema de alcantarillado sanitario de San Pedro y
Valdivia.
Evaluación del software PCSWMM 2003 como herramienta de
diseño de redes de AASS.
Desarrollo
de
una
metodología
herramienta informática.
de
aplicación
de
la
4
1.4
Descripción general del sitio de Estudio
1.4.1 Ubicación.-
Las comunas de San Pedro y Valdivia pertenecen a la
Parroquia Manglaralto, Cantón Santa Elena, Provincia de
Santa Elena.
La comuna San Pedro limita al norte con la comuna Valdivia,
al sur y al este con el Cerro San Pedro y al oeste con el
Océano Pacífico.
La comuna Valdivia tiene por limites, al norte el río Valdivia al
sur la comuna San Pedro al este el cerro San Pedro y al oeste
el Océano Pacífico.
Ambas comunas están limitan al oeste con el Océano Pacífico
y están ubicadas alrededor del Km.41 en la vía Santa Elena –
Montañita en la denominada Ruta del Sol. Tal como se puede
apreciar en la figura 1.1 y en la figura 1.2
5
Figura 1.1 Ubicación de las comunas
Figura 1.2 Coordenadas de las comunas
Fuente: Hoja topográfica de Manglaralto
6
1.4.2 Comuna San Pedro de Manglaralto.
Esta comuna fue fundada en 1950. La dirige la directiva la
misma que funciona en la casa comunal y esta encabezada
por el presidente de la comuna. En la actualidad la comuna
cuenta con un subcentro de salud, una academia, tres
escuelas, y el seguro social campesino. Desde el año 2000
la mayor parte de la población cuenta con servicio de agua
potable. Sin embargo no tienen
alcantarillado ni calles
pavimentadas. Se ha iniciado la reforestación del cerro para
ayudar a su estabilización, además en el cerro se ha creado
chancheras comunitarias para evitar así los malos olores que
producía el estiércol de
los cerdos que andaban por las
calles.
Entre las Instituciones que apoyan a esta comuna tenemos al
MIDUVI, CENAIM - ESPOL, Plan Internacional y La Alcaldía
de Santa Elena.
Su cercanía al mar hace que gran parte de los moradores se
dediquen a la pesca además de la artesanía. Sus manzanas
7
no son ordenadas lo que muestra la falta de planificación de
las autoridades.
En la actualidad, existen planes para desarrollar y ubicar a la
nueva comuna. La Tabla 1 muestra un resumen comparativo
de las fortalezas y debilidades encontradas en la comuna de
San Pedro que pueden ayudar en el desarrollo del turismo de
la misma.
Tabla 1 Fortalezas y debilidades de la Comuna San Pedro
FORTALEZAS
DEBILIDADES
La pesca es la principal actividad
económica.
Una parte de la población se dedica
a la artesanía y ebanistería.
Tienen Seguro Social Campesino
Tiene un Subcentro de salud,
dispensario
La agricultura de invierno (sandía,
maíz, yuca)es una fuente
alternativa de ingresos.
La ubicación del
CENAIM-ESPOL
Faltan artes de pesca como redes,
pangas y capacitación; los pescadores
no están organizados
Falta de apoyo a la microempresa
La atención médica no es regular
No hay visión futuro sobre la
agricultura.
Falta de promoción turística
Poseen playas para el turismo.
Sus moradores están motivados en
mejorar la imagen de la comuna
Fuente: Plan de Desarrollo de la Península
8
1.4.3 Comuna Valdivia de Manglaralto
Valdivia fue fundada en el año 1937 y solo eran unas pocas
familias. En la actualidad, se estima que la población es de
4500 habitantes. Desde el año 1951 funciona la escuela
“Francisco de Miranda”, y el colegio “Valdivia” fue fundado en
el año 1978. La comuna tiene un subcentro de salud (desde
1984) dando servicio médico 3 días a la semana. Además la
comuna cuenta con un parque, el acuario (desde 1966), el
museo (creado en 1978) y la playa los mismos que atraen el
turismo. Generalmente la gente se dedica a la artesanía y a
la pesca.
La comuna
tiene un síndico y su respectiva directiva los
mismos que anualmente cambian. Las calles no son
pavimentadas, pero sus manzanas son organizadas
a
diferencia de San Pedro. El suelo es por lo general arenoso y
en época de lluvia se inunda sobre todo las partes bajas. A
continuación se muestra un cuadro comparativo de las
fortalezas y las debilidades que caracterizan a la comuna de
Valdivia en la Tabla 2, las mismas que fueron obtenidas
luego de un estudio que realizó el Plan de Desarrollo de la
Península de Santa Elena de la Espol.
9
Tabla 2 Fortalezas y debilidades de la Comuna Valdivia
FORTALEZAS
A los comuneros les gusta la
pesca.
DEBILIDADES
El pescador es explotado en la
comercialización pesquera.
No cuenta con recursos
La agricultura es una
económicos.
alternativa de ingreso, ya que
cuentan con suficiente área
No consta con sistema de riego.
para el cultivo.
Poseen acuario, playas.
Hay fábricas como
TORDASCO Y
BONDELMAR.
La comunidad tiene deseos
de superación.
Hay centro de salud.
No consta con albarradas.
No tiene cobertura turística.
Desagüe del eviscerado.
Contaminación del río.
Falta servicios básicos.
Desnutrición materna infantil.
Fuente: Plan de Desarrollo de la Península
1.4.4 Extensión del Sitio de Estudio
Cabe mencionar que en lo que se refiere a San Pedro, su
área de extensión es de 17Ha. y esta comuna solo puede
crecer hacia el sur ya que hacia el cerro es peligroso. Razón
por la que se ha planificado la ubicación del Nuevo San
Pedro a 1.4Km al sur de San Pedro para lo cual ya se han
designado 4Ha. de terreno. En el caso de Valdivia esta
10
comuna tiene una extensión de 30Ha. Y su crecimiento es
hacia el norte.
1.4.5 Geología del sitio de estudio
De acuerdo al Proyecto de Investigación PI-320,01 (1985)
realizado por la Escuela Superior Politécnica del Litoral
ESPOL y el Consejo Nacional de Universidades y Escuelas
Politécnicas CNUEP, en los alrededores de las comunas de
San Pedro y Valdivia. Existe un afloramiento de areniscas,
que cubre un área aproximada de 25 Ha. Estas rocas pueden
ser consideradas dentro de la Formación Dos Bocas. La
edad atribuida a estas areniscas corresponde al Mioceno
Inferior. Además en la figura 1.3 se puede apreciar que la
zona de estudio está en el Cuaternario QA2, de la época
del Holoceno los mismos que son gravas, arenas, limos y
arcillas no consolidadas, es decir, Deposito Aluvial y el
Terciario Mioceno (Mioceno inferior-Mioceno medio, M1-2),
también
conocido
como
Miembro
Dos
Bocas
esta
conformado por lutitas chocolates, suaves laminadas con
vetas de yeso.
11
Figura 1.3 Geología de las comunas
Fuente: Proyecto de Investigación PI-320,01 (1985) , MS. Eugenio Nuñez del Arco
1.4.6 Servicios Públicos Existentes
1.4.6.1 Agua Potable.
En el año 2000, el CENAIM realizó el estudio para
el diseño de las redes de agua potable (AAPP) para
las dos comunas. En el año 2002 se llevó a cabo el
proyecto instalando las acometidas a cada una de
las casas, el servicio abastece todos los días la
parte baja de las comunas. En el caso de la parte
12
alta,
la más cercana al cerro,
es abastecida
solamente los Lunes y Jueves.
1.4.6.2 Aguas Residuales
En lo referente a la evacuación de las aguas
residuales ninguna de las dos comunas cuenta con
una red de alcantarillado sanitario. La evacuación
de las aguas servidas de las viviendas se lo hace a
través de pozos sépticos.
1.4.6.3 Aguas Lluvias
Estas
comunas
tampoco
tienen
una
red
de
alcantarillado pluvial. Por tal motivo, las calles que
están en las partes bajas (las que están cerca al
mar) se inundan en época lluviosa.
1.4.6.4 Pavimentación
En lo se refiere a pavimentos ninguna de las dos
comunas cuentan con calles pavimentadas. La
13
única vía pavimentada es la carretera Santa ElenaOlón (Ruta del sol). La calle 10 de Junio de Valdivia
es adoquinada.
La falta de pavimentación favorece al proyecto de
alcantarillado ya que implica una disminución en el
costo de la construcción de la red de alcantarillados
sanitario y pluvial.
1.4.6.5 Energía Eléctrica
En lo se refiere a los servicios de energía eléctrica
hay que mencionar que las dos comunas cuentan
con este
servicio de manera regular. El servicio
proviene del sistema Interconectado Nacional.
14
CAPITULO 2
2. HIDRAULICA DE SISTEMAS DE ALCANTARILLADO
2.1
Generalidades
Para poder efectuar el diseño de un sistema de alcantarillado
sanitario, se requiere conocer los principios de hidráulica que se
aplican al transporte a gravedad de líquidos en conductos cerrados
o abiertos.
Hidráulicamente, la captación de aguas residuales difiere de la
distribución de agua en tres aspectos:
Los
conductos
no
fluyen
circunstancias especiales.
bajo
presión,
excepto
en
15
El flujo es casi siempre inestable y frecuentemente no
uniforme.
Las aguas
transportan cargas de materiales flotantes,
suspendidos y solubles.
Los mismos principios hidráulicos se aplican al flujo en las
alcantarillas y al flujo en tuberías llenas. Sin embargo, las
alcantarillas rara vez trabajan a tubo lleno; y para cualquier
alcantarilla circular, el área, la velocidad de flujo, y la descarga
varían con la altura del agua en el interior de la tubería.
Por lo general la tubería se diseña como flujo a canal abierto, en
condiciones parcial o totalmente
llena. El diseño contempla
condiciones de flujo uniforme. Adicionalmente el criterio de
velocidad de diseño considera condiciones de autolimpieza.
2.2 Tipos de Redes de Alcantarillado
Existen 3 tipos de redes de alcantarillado:
Acometida domiciliaria: se conectan con la red de desagües
de las casas y su finalidad es transportar las aguas residuales a las
alcantarillas secundarias o a cualquier otra alcantarilla, excepto a
otra acometida
16
Laterales o secundarias: constituyen el primer elemento de la
red de alcantarillado y suelen disponerse en las calles o en zonas
especiales de servidumbre.
Principales o colectores: se usan para transportar el agua
residual procedente de una o varias alcantarillas secundarias al
cuerpo receptor.
Las aguas servidas se colectan de las casas particulares por medio
de tubos de diámetro pequeño generalmente de 4 ó 6 pulgadas,
que descargan a las redes laterales. El tubo que recibe el gasto de
dos o más redes laterales se conoce como ramal.
Cada cierta distancia, es necesario instalar pozos de revisión para
permitir
el
acceso
y
poder
hacer
limpieza
e
inspección.
Generalmente los sistemas de alcantarillado se diseñan a
gravedad, y las alcantarillas deben tenderse con una pendiente que
permita una velocidad de flujo razonable.
A lo largo del tiempo se han desarrollado
tipos de sistemas,
denominados como:
Sistemas Separativos: son aquellos que transportan las aguas
servidas en tuberías independientes de las aguas pluviales.
17
Sistemas Unitarios o combinado: son aquellos en que se
transportan tanto las aguas servidas como las pluviales.
Cada uno de estos sistemas posee ventajas y desventajas que
deben tomarse en cuenta para resolver cada caso particular. En el
caso de aguas lluvias se necesitan alcantarillas de gran diámetro
para evacuar el agua obtenida de las precipitaciones. Por lo que, en
la actualidad los sistemas combinados ya no se recomiendan
debido a la subutilización de las tuberías durante la época seca.
Adicionalmente, los tipos, tamaños y longitudes de las tuberías en
las redes de alcantarillado dependen de las características de la
población y de la ubicación de la estación depuradora.
En la presente tesis, se diseñará el sistema de alcantarillado hasta
la entrada del potencial sitio de tratamiento. El diseño de la planta
de tratamiento esta fuera del alcance de esta tesis.
2.3
Conceptos hidráulicos
Flujo es el movimiento de un fluido con respecto a un sistema
inercial de coordenadas, generalmente ubicado en un contorno
18
sólido. En un canal o tubería el flujo se determina mediante los
siguientes parámetros físicos:
Desplazamiento de una partícula de fluido
Velocidad de una partícula de fluido en un punto del campo de
flujo
Aceleración de una partícula en un punto del campo de flujo
Estas cantidades pueden permanecer constantes o variar con el
espacio y/o tiempo. El flujo puede ser uniforme y no uniforme (con
respecto al espacio), y permanente y no permanente (con respecto
al tiempo). Estos cuatro tipos de flujo se combinan como se indica a
continuación:
Flujo uniforme permanente: ninguna de las características del flujo
(presión y velocidad) varían en el espacio y/o tiempo.
Flujo uniforme no permanente: las características no varían con el
espacio pero si con el tiempo.
Flujo variado
permanente: las características varían con el
espacio pero no con el tiempo. Tiene dos subtipos, el gradualmente
variado y rápidamente variado.
Flujo variado no permanente: las características varían con el
espacio y con el tiempo. Debido a que el flujo uniforme no
19
permanente no existe, este se conoce como flujo no permanente.
2.3.1. Flujo uniforme
Se llama flujo uniforme aquel en que la altura, sección
transversal y demás elementos del flujo se mantienen
sustancialmente constantes de una sección a otra. Si la
pendiente, sección transversal y velocidad cambian de un
punto a otro de la conducción, el flujo se dice no uniforme.
2.3.2. Ecuación de Saint Venant
En un canal los caudales y los niveles varían forzosamente
con el tiempo, pues las condiciones del flujo así lo exigen. Las
ecuaciones que rigen el movimiento del agua son las dos
ecuaciones de Saint-Venant.:
Una obliga a la conservación del caudal del agua (ni se crea
ni se destruye)
y
t
v* y
x
0
La otra a la conservación de la cantidad de movimiento,
teniendo en cuenta que este valor no viene afectado solo por
20
la variación de velocidad, sino también por variación de la
masa de agua contenida en el tramo en estudio.
v
t
v
v
t
g
y
x
g * (s s f )
El sistema de ambas ecuaciones debe cumplirse en todos los
puntos y en todo momento. Por lo tanto, la solución de estas
ecuaciones es un proceso iterativo que puede ser fácilmente
resuelto con la ayuda de programas de computadora.
2.3.3. Fórmulas de Chezy y Manning.-
La fórmula de Chezy (1775) representa la estimación de la
perdida de carga debida a la fricción en las tuberías. La
fórmula se calculó originalmente para canales abiertos. Darcy
modificó más tarde su forma para aplicarla a tuberías.
La
formula es:
V
C R*S
Chezy supuso que el coeficiente C era una constante, pero
luego comprobó que era una variable dependiente de la
21
rugosidad del tubo, de la velocidad y del radio medio hidráulico
(área mojada dividida por el perímetro mojado). Por tanto la
fórmula de Chezy no expresa con precisión la ley de la fricción
de los fluidos.
Basándose en trabajos realizados a finales de siglo pasado,
Robert Manning dio a conocer su famosa formula para flujo en
lámina libre. Aunque esta formula fue originalmente concebida
para el proyecto de canales abiertos, actualmente se utiliza
también para conductos cerrados:
V
1 2/3
R * S 1/ 2
n
El radio hidráulico se define como la relación entre el área
mojada y el perímetro de la sección mojada, para tubería a
sección llena el
R
D
4
A finales del siglo pasado y principios de este se desarrollaron
diversas
formulas
experimentales
para
determinar
los
caudales en canales abiertos, como las propuestas por Chezy,
Ganquillet-Kutter, Manning y Scobey. De ellas sólo la formula
de Manning sigue siendo de uso generalizado hoy en día
22
debido a su simplicidad y por el considerable volumen de
datos experimentales disponibles para estimar el coeficiente
de rozamiento.
Por lo tanto en la mayoría de los problemas que se presentan
al proyectar las alcantarillas es necesario estimar la velocidad
y el caudal cuando fluyen parcialmente llenas.
La siguiente figura 2.1. es sobre la relación entre altura y
diámetro versus cuatro parámetros hidráulicos como la V/Vllena,
Q/Qlleno, A/Allena, R/Rlleno, se puede notar que la velocidad y
radio hidráulico máximo ocurre cuando la relación de altura y
diámetro es aproximadamente 0.8 y que esta disminuye
rápidamente cuando la altura de flujo decrece por debajo de la
mitad del diámetro. Usualmente se necesita usar un tubo
pequeño con una pendiente fuerte para obtener la velocidad
mínima requerida para un caudal bajo.
23
Figura 2.1 Parámetros hidráulicos de las alcantarillas de
sección circular
1.000
0.900
0.800
a/A
r/R
0.700
q/Q
h/D
0.600
0.500
0.400
v/V
0.300
0.200
0.100
0.000
0.000
0.100
0.200
0.300
0.400
0.500
0.600
0.700
0.800
0.900
1.000
1.100
1.200
1.300
a/A; r/R; v/V; q/Q
a/A
r/R
v/V
q/Q
Fuente: Metcalf & Eddy, Redes de alcantarillado y bombeo
En la bibliografía existe mucha confusión respecto al valor del
coeficiente de Manning para diversos materiales, ya que se
presentan datos poco consistentes. Generalmente, los valores
mostrados varían de observaciones de laboratorio bajo
condiciones ideales y controladas a cifras con un margen de
seguridad aplicables a los diseños. Inclusive cuando el
coeficiente es calculado a partir de mediciones de terreno,
debe tenerse en cuenta que el promedio aritmético no
necesariamente la cifra más adecuada. Aproximadamente la
24
mitad de las observaciones tendrá valores más altos que el
promedio. Lo que se necesita es un valor que cubra
razonablemente,
al menos la gran mayoría de los valores
observados.
Sin embargo para las condiciones reales de trabajo el valor de
«n» debe incrementarse para tener en cuenta factores tales
como:
Discontinuidad producida por las juntas y por fallas en el
alineamiento, causadas por errores de construcción o
asentamientos del terreno.
Acumulación de detritos y sedimentos en el fondo de las
alcantarillas.
Recubrimiento de grasas y otras sustancias en las paredes
interiores de las tuberías.
Penetración de raíces de árboles que alteren el flujo
Disturbios en el flujo principal, causados por los caudales
laterales, provenientes de las conexiones domiciliarias.
Recubrimiento de suciedades y fango que afecta a la
superficie mojada de prácticamente la totalidad de las
alcantarillas.
Debido a tales factores, el valor de n a ser utilizado en el
25
diseño, debe incluir un margen de seguridad suficiente para
tener en cuenta las circunstancias adversas que se pueden
presentar durante la vida útil de los alcantarillados. La
Sociedad de Ingenieros Civiles de los Estados Unidos,
textualmente dice: «Generalmente el valor del coeficiente de
Manning para un alcantarillado dado, después de cierto tiempo
de servicio, se aproxima a una constante que no es función del
material del tubo pero que representa la acumulación de
detritos y crecimiento de suciedades en las paredes del
mismo. Este «n» será, del orden de 0.013». Más adelante
acota: «Por la naturaleza empírica de las fórmulas, un diseño
conservador es prudente». En el mismo manual se publica una
tabla de valores de «n» para distintos materiales que muestra
cifras idénticas para el gres, concreto u hormigón, asbesto
cemento, hierro dúctil y plásticos como el PVC o NovafortNovaloc .
Como resumen de lo anterior puede afirmarse que el valor
más recomendable del coeficiente de Manning para usar en
los diseños es 0.013. Para tuberías antiguas, cuando se
tengan dudas sobre la calidad de la construcción es
conveniente emplear un valor más alto, tal como 0.015.
26
2.3.4. Velocidades permitidas
Además se debe tener en cuenta las velocidades permitidas
para los diferentes diámetros de las tuberías. Si el agua
residual fluye por las alcantarillas a baja velocidad durante
periodos de tiempo prolongados, se producirá una deposición
de los sólidos en aquellas alcantarillas. También debe
procurarse que haya velocidad suficiente durante varias horas
al día, de manera que los sólidos depositados en periodo de
baja velocidad puedan ser arrastrados.
Velocidad mínima
De acuerdo al IEOS la velocidad del líquido en los colectores,
sean estos primarios, secundarios o terciarios, en cualquier
año del periodo de diseño, no sea menor que 0.45m/seg.
Velocidad máxima
Preferiblemente la velocidad debe ser mayor a 0.5m/seg para
impedir la acumulación de gas sulfhídrico en el líquido. Las
27
velocidades máximas admisibles en tuberías o colectores
dependen del material de fabricación como se ve en la Tabla 3
Tabla 3 Velocidad máxima según el material
Material
Hormigón simple:
con uniones de
mortero
con unión de neopreno
Asbesto cemento
m/seg
Coeficiente
de
rugosidad
4
3,5-4
4,5-5
0.13
0.013
0.011
Vmax
Teniendo en cuenta que la distancia máxima entre pozo de
visita será de 120 metros.
El escurrimiento de aguas negras por hora, es más importante
para el diseñador que el escurrimiento medio por día, ya que
el sistema debe tener la capacidad suficiente para tomar el
gasto máximo horario en el día de máximo caudal del año.
2.3.5. Pendiente de la solera (S).-
Otro parámetro importante en el diseño de alcantarillados es
la pendiente de la solera. Las aguas que circulan por los
alcantarillados contienen normalmente partículas que podrían
sedimentarse y formar obstrucciones. Por tal motivo, se suele
28
especificar que las pendientes sean superiores a un valor
mínimo para garantizar velocidades suficientemente altas que
produzcan el arrastre de los materiales en suspensión.
La pendiente mínima de diseño resulta de un diámetro que a
tubo lleno, produce una velocidad de autolimpieza requerida.
Tal velocidad se la conoce con el nombre de velocidad
mínima, y en la mayoría de las normas es de 0.60 m/s para el
caso de alcantarillados sanitarios, y 0.75 m/s cuando se trata
de sistemas pluviales o combinados. Se exige un mayor valor
para los alcantarillados que conducen aguas lluvias, ya que
tales estructuras pueden contener
partículas de mayor
tamaño que las usualmente contenidas en los sistemas
estrictamente sanitarios.
Cabe señalar que los factores
importantes que hay que
considerar durante el diseño, no deben limitarse a definir una
combinación de diámetro y pendiente que ofrezca una
capacidad suficiente para transportar determinado caudal.
Además de lo anterior es necesario tomar medidas para
prevenir la abrasión, corrosión y garantizar una adecuada
autolimpieza. Tener en consideración al mismo tiempo tantos
factores es una tarea compleja.
29
CAPITULO 3
3. CRITERIOS Y METODOS DE DISEÑO
3.1.
Período de diseño
El periodo al final del cual una obra trabaja a saturación se conoce
como periodo de diseño. El sistema debe garantizar la rentabilidad
de la obra durante el período de diseño escogido.
Según normas del IEOS
1
(1993), en ningún caso se proyectará
obras definitivas con periodos menores que 15 años.
Además las obras complementarias de los sistemas de
1
El Instituto Ecuatoriano de Obras Sanitarias IEOS fue substituido por la
Subsecretaria de Saneamiento Ambiental. Sin embargo, su ley todavía sigue vigente.
30
alcantarillado se diseñaran en lo posible, para sus periodos óptimos
de diseño. El periodo óptimo de una obra de ingeniería es una
función del factor de economía de escala. El diseño de obras
definitivas podrá prever la construcción por etapas, las mismas que
no serán más de tres.
Generalmente, las redes colectoras se proyectan para un periodo
de duración o vida útil de 20 a 30 años. En la presente tesis, se
considera un periodo de diseño de 30 años.
3.2.
Datos Poblacionales
Para poder elaborar el diseño del sistema de alcantarillado, primero
se requiere conocer cuantos habitantes tiene cada una de las
comunas. Para ello, se contó con datos existentes generados por el
Plan de Desarrollo de la Península (ESPOL, 2001). Adicionalmente
al número de habitantes de Valdivia, los estudiantes del colegio de
San Pedro realizaron una contabilización de casas en su comuna.
Dicho trabajo fue verificado durante la realización de la topografía.
Otra fuente de información fue el documento de los cálculos del
diseño del Agua Potable para las dos comunas. Los datos
poblacionales se resumen en la siguiente tabla:
31
Tabla 4 Datos de población
COMUNA
SAN PEDRO
VALDIVIA
POBLACION
1519
1665
1860
2527
AÑO
1974
1978
1985
2001
2612
3000
1518
1653
1913
3216
3990
2002
2007
1974
1978
1985
2001
2007
FUENTE
IEOS
INEC
Censo estudiantil
(653 casas * 4
hab/casa)
INEC
IEOS
INEC
INEC
3.2.1. Población Futura
El proyecto de alcantarillado esta basado en condiciones
futuras. Es necesario, por lo tanto estimar la población al
termino del periodo de diseño.
3.2.2. Métodos de proyección de población
No se han desarrollado métodos exactos para la predicción del
crecimiento de la población y debido a los muchos factores
que afectan el crecimiento de una comunidad no se puede
obtener exactitud. La población crece por nacimientos,
decrece por muertes, crece o decrece por migración. Cada
32
uno de estos elementos está influenciado por factores sociales
y económicos, algunos de los cuales son inherentes a la
comunidad. Cabe señalar que, los índices de natalidad y
mortalidad se mueven hacia valores más o menos estables y
las conexiones o extensiones de servicios pueden ser
anticipadas. Sin embargo, el elemento más importante y
menos previsible del cambio de población es la actividad
comercial e
aumentos
industrial.
bruscos,
Dicha actividad
crecimiento
puede producir
lento,
condiciones
estacionarias, o aun marcadas declinaciones de población. Si
no fuese por estas múltiples y variables influencias, las
poblaciones seguirían la curva característica del crecimiento
de los seres vivos dentro de un espacio limitado. Hay varios
métodos de proyección poblacional. Aquí se citan los
más
comunes:
Método Gráfico.-
Se utiliza la representación gráfica de las curvas de
crecimiento previo de la población para estimar el crecimiento
futuro. Consiste en extrapolar toda la información disponible
de censos a través del tiempo. Es decir, es la prolongación
gráfica de la curva de crecimiento correspondiente al pasado.
33
Figura 3.1 Esquema del método gráfico
Método de la Tasa de crecimiento decreciente
La población se estima a partir del supuesto de que a medida
que la ciudad tiene mayor población la tasa de crecimiento
disminuye cada año. Tomando datos de población conocidos:
%=
P2 - P1
x 100%
P1
Entonces graficamos los porcentajes versus años y del gráfico
extrapolamos el porcentaje correspondiente al año deseado.
34
Figura 3.2. Esquema del método decreciente
Método de los Componentes
Se estima la población basándose en un análisis detallado de
los componentes que constituyen el crecimiento, la migración,
y el crecimiento resultante del exceso de nacimientos frente al
de muertes.
Método Aritmético
35
Es un método que predice la población a corto plazo, usando
progresión aritmética y se basa en un incremento constante de
la población. Se recomienda a poblaciones pequeñas.
Partiendo de que
dP
k=
dT
Tenemos que:
Pf = Pa + k(Tn - Ti)
Método Geométrico
Se basa en tasas de crecimiento con porcentajes constantes
Pf = Pa (1 + i) n
3.2.3. Método Seleccionado
Luego de haber revisado varios
métodos de proyección
poblacional, se determino que el más apropiado para las
comunas estudiadas es el método geométrico.
36
De acuerdo a un estudio anterior de diseño de la red de agua
potable, la tasa de crecimiento poblacional (i) es del 2% al
año. Y el diseño se lo hará para n=30 años.
Entonces tenemos que para:
San Pedro: Pf = 3000 (1 + 2%) 30 = 5434 Hab
Valdivia: Pf = 3990 (1 + 2%) 30 = 7228Hab
3.3. Datos Topográficos
En las dos comunas se había hecho un estudio para la
pavimentación de las calles que contaba con los datos topográficos
de las calles de San Pedro y Valdivia. La información obtenida
correspondió a las cotas de terreno natural como se puede ver en el
Plano 1.
3.4. Datos de Suelos
Debido a que no existía información del tipo de suelo en las
comunas de San Pedro y Valvidia, se procedió a tomar muestras de
suelo para realizar los ensayos correspondientes que se detallaran
a continuación.
37
Los ensayos realizados en el laboratorio de suelos de la Facultad
de Ingeniería en Ciencias de la Tierra (FICT) son:
Análisis granulométrico,
consiste en determinar la proporción
relativa en peso de los diferentes tamaños de granos presentes en
una muestra de suelo. En la práctica, se trabaja con rangos de
tamaños. El análisis granulométrico permite así obtener la cantidad
de suelo que pasa una serie de mallas o tamices normalizados.
(Según la norma ASTM)
Los límites de Atterberg, son ensayos de laboratorio normalizados
que permiten obtener los límites del rango de humedad dentro del
cual el suelo se mantiene en estado plástico. Con ellos, es posible
clasificar el suelo en la Clasificación Unificada de Suelos (Unified
Soil Classification System, USCS) cuando se trata de suelos finos e
igualmente de suelos con cierto contenido de finos. Constituyen una
de las denominadas propiedades índices de estos suelos. (Según la
norma ASTM)
El ensayo Proctor, es un ensayo de compactación de suelo que
tiene como finalidad obtener la humedad óptima de compactación
de un suelo para una determinada energía de compactación. La
humedad óptima de compactación es aquella humedad (%de agua)
38
para la cual la densidad del suelo es máxima, es decir que cantidad
de agua le hemos de añadir a un suelo para poderlo compactar la
máximo con una energía concreta. (Según la norma ASTM)
En San Pedro se tomaron 9 muestras en 6 puntos a diferentes
profundidades y se las identificó como SP y en Valdivia también se
tomó 9 muestras en 5 puntos y se las identificó como V, como se
puede apreciar en la tabla 3 y en la figura 3.3. En las dos comunas
colaboraron los comuneros haciendo los huecos para la obtención
de las diferentes muestras
Tabla 5 Muestras de suelo tomadas en las dos comunas
VALDIVIA
SAN PEDRO
LUGAR
#
MUESTRAS
IDENTIFICION
PROFUNDIDAD
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
SP1-1
SP1-2
SP2-1
SP3-1
SP4-1
SP4-2
SP5-1
SP5-2
SP6-1
V1-2
V1-3
V2-1
V3-1
V4-1
V4-2
V5-1
V5-2
V5-3
0.80 m
2.00 m
1.50 m
1.80 m
1.00 m
1.90 m
0.90 m
2.00 m
1.00 m
1.00 m
2.00 m
1.80 m
2.00 m
1.00 m
2.00 m
0.80 m
1.40 m
2.00 m
39
Figura 3.3 Ubicación de las muestras de suelo tomadas
V5
V3
V4
V1
5
SP
M1
M3
SP
6-1
SP
2
4
SP
Can
cha
SP
3
Es
Julcuela
io G
onza
lez
SP
M2
V2
3.4.1. Clasificación de suelos S.U.C.S.
El sistema unificado de clasificación de suelos (SUCS) cubre
los suelos gruesos y los suelos finos, distinguiéndose ambos
por el cribado a través de la malla N°200. La nomenclatura es
la siguiente:
1-1
40
Tabla 6 Clasificación se suelos SUCS
SIMBOLOGÍA
SM
SC
SM – SC
SP – SC
SP O SW
ML
TIPO DE SUELO
ARENA LIMOSA
ARENA ARCILLOSA
DOBLE SIMBOLOGIA
DOBLE SIMBOLOGIA
ARENA POBREMENTE
ARENA BIEN GRADADA
LIMO
INORGANICO
GRADADA
DE
O
BAJA
PLASTICIDAD
ARCILLA INORGANICA DE BAJA A MEDIA
CL
PLASTICIDAD
CL – ML
DOBLE SIMBOLOGIA
LIMO INORGANICO
MH O OH
PLASTICIDAD
ORGANICOS
O
DE
COMO
ARCILLA
INORGANICA
PLASTICIDAD
CH
CH – OH
DOBLE SIMBOLOGIA
LIMOS ORGANICOS
OL
LIMOSAS
ORGANICAS
PLASTICIDAD
DE
Y
BAJA
LIMOS
ALTA
ARCILLAS
DE
BAJA
3.4.2. Clasificación de suelos AASHTO
Esta Clasificación divide a los suelos en dos clases, una
formada por los suelos granulares y otra por los suelos de
granulometría fina.
41
Tabla 7 Clasificación de suelos AASHTO
% FINOS
IP
≤ 15
≤6
Arena
Gravas y arenas
Con limo
Gravas y arenas
Con arcilla
≤ 25
≤6
≤ 10
A-3
Arena fina
Malla Nº 200
A-4
Limos
A-5
A-6
Arcillas
A - 7 A - 7 - 5 IP ≤ WL - 30
A - 7 - 6 IP > WL - 30
≤ 10
FINOS (>35%)
GRUESOS ( ≥ 65 %)
GRUPO
A-1
PREDOMINA
A - 1a Grava
A - 1b
A-2-4
A-2-5
A-2
A-2-6
A-2-7
≤ 35
PASANTE
ACUMULADO
Nº 10 Nº 40
≤ 50
≤ 30
≤ 50
≤ 11
NP
≥ 51
≤ 10
> 35
≥ 11
La identificación de los finos se hace en la Carta de Plasticidad AASHTO
A continuación se presenta los resultados obtenidos en
laboratorio de suelos, para cada muestra excepto las arenas
se obtuvo los límites de Atterberg, es decir, los limites líquidos
y los limites plásticos para así
obtener el índice plástico
(IP=LL-LP) y poder clasificar los suelos con la tabla 4.
También se realizo las respectivas granulometrías a las
muestras para sacar el porcentaje de finos y el contenido de
humedad (WL) y poder clasificar los suelos mediante la tabla
5, además se realizó 3 ensayos Proctor para obtener las
42
densidades del suelo y saber si el material sirve para usarlo
como relleno de las zanjas en la instalación de las tuberías
Tabla 8 Resultados obtenidos de muestras de suelo
VALDIVIA
SAN PEDRO
LUGAR
ID
H
IP
WL
SP1-1
SP1-2
0,80
2,00
19,54
42,11
SP2-1
SP3-1
SP4-1
SP4-2
SP5-1
1,50
1,80
1,00
1,90
0,90
21,34
SP5-2
2,00
18,43
34,77
SP6-1
1,00
18,7
48,65
V1-2
V1-3
V2-1
1,00
2,00
1,80
24,5
27,93
50,78
59,29
V3-1
V4-1
V4-2
2,00
1,00
2,00
11,74
V5-1
0,80
20,25
40,36
V5-2
1,40
21,93
40,98
V5-3
2,00
21,23
41,35
40,02
DENSIDAD
TIPO DE SUELO
1414,37
ARCILLA INORGANICA DE
BAJA PLASTICIDAD
1532,44
ARENA BIEN GRADADA
ARCILLA INORGANICA DE
BAJA PLASTICIDAD
ARENA BIEN GRADADA
ARENA BIEN GRADADA
ARENA BIEN GRADADA
ARENA BIEN GRADADA
ARCILLA INORGANICA DE
BAJA PLASTICIDAD
ARCILLA INORGANICA DE
BAJA PLASTICIDAD
ARCILLA INORGANICA DE
ALTA PLASTICIDAD
1257,76
34,25
LIMO INORGANICA
ARENA BIEN GRADADA
ARCILLA INORGANICA DE
BAJA PLASTICIDAD
ARENA BIEN GRADADA
ARENA LIMOSA
ARCILLA INORGANICA DE
BAJA PLASTICIDAD
ARCILLA INORGANICA DE
BAJA PLASTICIDAD
ARCILLA INORGANICA DE
BAJA PLASTICIDAD
3.5 Zonificación y densidades para el diseño
No siempre es posible predecir la dirección en que crecerá una
comunidad, ni tampoco es fácil predecir la extensión de ella
después de 30 años; debido al mejoramiento de medios de
transporte la población tiende a alejarse hacia zonas suburbanas
que demandan los mismos servicios que en la zona urbana
43
quedando a veces extensiones enormes que se van llenando
paulatinamente. Estas extensiones de superficie que pueden ser
habitadas deben tomarse en cuenta al hacer el proyecto sobre
alcantarillado si es que tienen que descargar en el futuro en los
mismos colectores que se construyeron inicialmente.
La densidad de población puede medirse en habitantes por
hectárea. Se aconseja que en poblaciones pequeñas de hasta
25000 habitantes y que no sean industriales se considere una sola
densidad para el cálculo de aportación de aguas servidas.
Densidades poblacionales de:
San Pedro : 5434 Hab / 33 Ha = 164.67 Hab/Ha
Valdivia :7246 Hab / 30 Ha = 241.53 Hab/Ha
La Dotación es:
80% * 180 litros/Hab*día =144 litros/Hab*día
3.6 Cálculo de Caudales
Con los datos de población futura ya podemos proceder a realizar
cálculos de caudales. En un sistema de alcantarillado siempre se
tiene agua de infiltración, la cantidad depende de varios factores
como:
1.
Cuidado que se tiene en la construcción del sistema
44
2.
Tipo del suelo
3.
Altura del nivel freático
4.
Dimensiones del colector
5.
Parte del conducto que queda sumergida en el agua
En ausencia de datos fiables de caudales, pueden utilizarse los
valores de infiltración de la figura 3.4.
Figura 3.4 Curva para obtener factor de caudal de infiltración
Curva para alcantarillas nuevas
Caudal medio de infiltración
m3/Ha*día
100
10 ; 15
40,5 ; 15
10
5000 ; 2,06
1
10
100
1000
10000
Superficie servida Ha
Fuente: Libro Metcalf- Eddy, Redes de alcantarillado y bombeo
De acuerdo a este gráfico el valor es de 15m3/ha*día, pero debido
a que es un factor para alcantarillas de nueva construcción donde
45
las juntas son de aro de goma, y recomendare la junta flexible y
además en nuestro medio las tuberías que tenemos no garantizan
tanto la permeabilidad, entonces, tomare el valor de 20m 3/Ha*día
que es igual a 0.231litros/Ha*seg.
Es decir para nuestro caso la cantidad de infiltración depende del
área servida en Hectáreas.
En alcantarillado sanitario el caudal de diseño es la suma del
caudal de infiltración y el caudal máximo.
El caudal máximo es el resultado de multiplicar el caudal promedio
por un coeficiente de punta M,
Factor de Mayoración M.
En toda red existe una hora en un día al año en que la aportación
es máxima. El gasto medio se usa como parámetro para obtener el
gasto máximo, afectándolo de un coeficiente (M), depende en
general del número de habitantes servidos (P) y existen varias
formulas empíricas para determinarlo como las siguientes:
Fórmula de Babbit:
M=
5
1/5
P
46
Fórmula de Harmon:
M=
1+
14
1/2
4+P
Como podemos observar en la tabla siguiente tenemos que para
P=5.4 (para San pedro) nos da un promedio de 3.39 y para Valdivia
P=7.2 nos da aproximadamente 3.23, por lo que tomare M=3 para
el cálculo de caudal.
Tabla 9 Valores del factor de Mayoración
P
Miles
1
2
3
4
5.4
6
7.2
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
M
Babbitt
5
4.35
4.01
3.79
3.57
3.49
3.37
3.30
3.22
3.15
3.10
3.04
2.99
2.95
2.91
2.87
2.84
2.80
2.77
2.75
Harmon
3.8
3.59
3.44
3.33
3.21
3.17
3.09
3.05
3.00
2.95
2.91
2.88
2.84
2.81
2.78
2.75
2.72
2.70
2.67
2.65
47
Entonces, teniendo el valor de M se puede calcular el caudal
máximo con la siguiente formula:
Q max
M * A * Dotación* Densidad
86400
Qmax: lt/seg
1 día = 86400 seg
A: Ha
Dotación: lt/Hab*día
Densidad: Hab/Ha
Y teniendo ya el caudal máximo se procede a calcular el caudal
total (Qt), que es la suma del caudal de infiltración (Qi) y del
máximo:
Qi=0.231 * A: lt/seg
Qt=Qi + Qmax
48
CAPITULO 4
4. HERRAMIENTAS INFORMATICAS PARA EL
DISEÑO DE REDES DE SANEAMIENTO AMBIENTAL
BASICO.
4.1
Generalidades
Existen
en
el
mercado
muchas
herramientas
informáticas
(programas de computadora) que son muy útiles para el diseño de
redes de saneamiento ambiental básico. Las mismas que difieren
entre sí por su costo, que va variando de acuerdo a la capacidad y
facilidad de uso. A continuación se describen algunas de los tantos
programas que existen:
SewerGems: creado por Haestad Methods, se usa para planes
maestros, alternativas de rehabilitación y diseño de nuevos
49
sistemas de alcantarillado sanitarios interactúa con AutoCad y
ArcGis, se lo puede comprar desde 1500 dólares, idioma inglés
www.haestad.com/spanish/softwre/
Infoworks: creado por Wallingford Software Ltd, tiene tres módulos,
diseño para AAPP, AALL, AASS, idioma inglés
www.buildngtalk.com/news/wal/wal110.html
Hydra: creado por PIZER Incorporated, optimiza el diseño de
drenaje, calcula diámetros, es fácil de usar se integra con GIS y
CAD, costo aproximado 1250 dólares, idioma inglés
www.pizer.com/spanish.html
Infraestructuras Urbanas.
Alcantarillado: creado por CYPE,
empresa española de software técnico con certificación ISO 9001,
las redes funcionan a gravedad, genera perfiles longitudinales, se
puede adquirir demo gratis.
www.alcantarillado.cype.es
PCSWMM: Program Computer Storm Water Management Model
tiene ocho módulos, idioma inglés
www.pcswwmm.com
50
4. 2 PCSWMM 2003
El PCSWMM, es un programa que esta en el mercado desde 1984,
desarrollado por la Universidad de Guelph en Ontario, Canadá. Su
primera versión fue desarrolladla por la Agencia Ambiental de los
Estados Unidos (Environmental Protection Agency -EPA),
que
desde 1969 es conocida como SWMM y desde ahí el SWMM ha
tenido muchas versiones que con el paso del tiempo superan las
versiones antiguas. Es un modelo muy usado en los estados Unidos
y en Canadá.
El PCSWMM 2003 simula eventos reales de lluvia con la ayuda de
los hietogramas, además, modela la red de forma detallada y
predice su comportamiento con la ayuda del editor grafico GIS
permite hacer un análisis de la situación de la cuenca y de la red de
alcantarillado de forma rápida e intuitiva, ya que trabaja desde el
entorno Windows a diferencia de las otras versiones.
El PCSWMM comprende 4 módulos de servicio (sus datos de salida
pueden ser usados como datos de entrada en los módulos
hidráulicos) y 4 módulos de hidráulica e hidrología (estos módulos
son para diseño ya sea de aguas lluvias, servidas, o plantas de
tratamiento).
51
Figura 4.1 Diagrama del PCSWMM
PCSWMM
MODULOS HIDRAULICOSHIDROLOGICOS
MODULOS DE SERVICIO
RAIN
RUNOFF
TEMPERATURE
TRANSPORT
COMBINE
EXTRAN
STATISTICS
STORAGE
Fuente: Manual del SWMM
Módulos de servicio
RAIN.- genera interfaces de precipitación.
TEMPERATURE.- ingresa datos de evaporación, temperatura,
velocidad del viento y crea un archivo a ser usado en runoff.
COMBINE.-tiene diferentes usos, puede combinar y comparar
otros módulos.
STATISTIC.-realiza un análisis estadístico sobre los parámetros
de calidad y cantidad.
52
Módulos de hidráulica e hidrología
RUNOFF.- se usa para estimar la escorrentía del agua lluvia en
cada una de la subcuencas.
TRANSPORT.- calcula el flujo por la red mediante el método de la
onda cinemática.
EXTRAN.- se detallara más adelante.
STORAGE.- se lo usa para el diseño de plantas de tratamiento.
4. 3 Modulo EXTRAN
Por lo general este modulo(o subrutina) usa como datos de entrada
los datos de salida del modulo RUNOFF, ya que consiste en la
entrada de agua de escorrentía en la red de alcantarillado y se
encarga de modelar el flujo del agua a través de los conductos,
nodos. Debido a que la tesis solo trata de la red de alcantarillado
para aguas servidas solo se utilizará el modulo EXTRAN, por lo cual
se procederá a describir con mayor detalle dicho módulo.
EXtended TRANsport Module fue desarrollado en la ciudad de San
Francisco en 1973. En 1974 la EPA adquiere este modelo para
incorporarlo al paquete del SWMM.
53
EXTRAN es una mejora del modulo Transport que permite
considerar las condiciones del flujo aguas arriba, resolviendo las
ecuaciones completas de Saint Venant para flujo gradualmente
variado. Son dos las ecuaciones de Saint Venant
Ecuación de la conservación de la cantidad de movimiento:
Q
t
(Q 2 / A)
x
g*A
H
x
g * A* S f
0
Ecuación de continuidad:
A
t
Q
x
0
Este modulo utiliza una descripción de la red en nodos (junctions) y
conductos
(links),
para
representar
el
problema
físico
matemáticamente.
EXTRAN combina las ecuaciones de continuidad y conservación de
cantidad de movimiento en una sola, la misma que resuelve para
todos los conductos en cada intervalo de tiempo:
Q
t
2*v
A
A
v2
t
x
g*A
H
x
g * A* S f
0
54
EXTRAN resuelve las ecuaciones de Saint- Venant, en la hora de
calcular en los nodos (junctions)se aplica la ecuación de continuidad
y en los conductos(links) la ecuación de la conservación de la
cantidad de movimiento, además cuenta con la ventaja de reducir el
número
de
incógnitas.
Las
dos
ecuaciones
se
resuelven
secuencialmente para determinar el flujo en cada conducto para
cada intervalo de tiempo, mediante el método de Euler modificado.
EXTRAN solicita en la entrada de datos el tipo de tubería (si es
circular, o rectangular), sus dimensiones, la longitud, el nombre del
tramo,
la elevación de sus extremos, también el coeficiente de
rugosidad de Manning que en nuestro caso será de 0.013. Y de los
pozos (junctions) solicita su identificación, la cota de proyecto y la
cota de terreno.
En fin con la ayuda de este modulo modelaremos el colector
principal de San Pedro y Valdivia aclarando que no se necesita los
datos de salida del modulo Runoff ya que es diseño de
alcantarillado de aguas servidas.
55
4.4. MANUAL RESUMIDO DEL PROGRAMA
En esta tesis se describirá brevemente el manual del programa.
Para mayor detalle se debe consultar en la bibliografía respectiva
4.4.1. Como crear un nuevo proyecto
Abrir el programa PCSWMM, para crear un nuevo proyecto
clic en: File\New\Create new object, hay tres cuadros: en
name coloque el nombre del proyecto, en object type se elige
uno de los ocho módulos (el modulo Extran) del programa en
que se va a trabajar y en template elija blank, y de clic en
create object.
De acuerdo al modulo que se haya elegido se crea el icono
con una bandera roja, la misma que se quitará solo cuando
todos los datos estén ingresados correctamente.
4.4.2. Ingreso de datos
Para ingresar los datos hay dos formas, ya sea por edit input
file que a su vez tiene tres formas de ingresar datos, o por edit
56
gis que es un editor grafico a continuación se detalla los dos
editores:
Edit input file:
En este editor hay tres formas de ingresar datos los mismos
que son: Forms – Fields – ASCII.
Forms y Fields, tienen una forma similar de ingresar los datos,
en los dos modos al lado izquierdo están todos títulos de los
valores que necesitan ingresar, solo se diferencian si le da
doble clic a cada subtitulo, en el modo forms aparecerá un
cuadro en el que debe ingresar los valores, es más didáctico y
es el modo que se eligio para ingresar los datos de esta tesis,
y si elige el modo fields al dar doble clic en los subtítulos solo
se sombreara donde usted debe editar, para ingresar los datos
también puede escribir directamente en cada fila, pero debe
conocer del programa ya que un espacio de más o un
asterisco menos hará que no corra el programa, además antes
de empezar cualquier edición se debe haber configurado el
computador para que sea el punto el que marque los
decimales.
57
Hay 11 items que deben ser llenados en caso de aguas
lluvias, y si el diseño comprende solo agua servidas como es
el caso de está tesis, entonces, en el último item K3
hydrographs debe ser llenado con valores de cero.
ASCII, se recomienda que
use este modo solo si conoce
bastante sobre el programa, ya que no tendrá ayuda al
ingresar datos, debe escribir directamente en cada fila.
Siempre la fila empieza con un asterisco porque el programa
es creado con visual basic. Luego va el nombre del modulo
(en nuestro caso Extran) y en la siguiente fila va el nombre del
proyecto. Cada fila debe empezar con la letra que representa
cada uno de los ítems en fin. Para mayor información, se
debe consultar el manual del programa que solo se lo obtiene
al comprar el programa.
En el siguiente grafico 4.2 se pude apreciar el edit input file
con sus tres viñetas y también se puede ver los 11 items que
se menciono anteriormente, y que cada ítems contiene varios
subitems y
los datos de cada subitems van en una fila,
además en la parte inferior se puede apreciar que hay una
ayuda la misma que describe lo que significa el subitems que
58
esta ingresando (en idioma inglés).
Figura 4.2 Edit input file
59
Edit gis
Este editor se ayuda con un grafico, que puede ser el plano de
diseño. En la izquierda están los títulos de los datos que se
necesitan ingresar. Se va dando los nombres respectivos a los
pozos, las tuberías, así como las longitudes, cotas de terreno
e invert, tipo de tubería, rugosidad, caudal inicial, tal como se
puede apreciar en el grafico 4.3 que es un ejemplo de la red
de San Pedro.
Figura 4.3 Edit Gis
60
Si usted ingresó con el modo grafico, puede llevar los datos al
input file, seleccione todo el grafico y con la tecla F7 puede
exportar
los datos al edit input file, y de modo viceversa
también. Es decir que si ingresó con el edit input file usted
puede generar el grafico con la tecla F6 y llevarse los datos al
modo grafico.
Una vez que se ha ingresado todos los datos vamos al icono
Run SWMM para que corra el programa, se cierra el archivo y
si desaparece la bandera roja del icono del archivo entonces
los datos han sido ingresados correctamente. Pero que corra
el programa no quiere decir que todo esta bien, pues luego
debe realizar la simulación de los colectores para ver el
gradiente hidráulico y su comportamiento.
61
CAPITULO 5
5. DISEÑO DEL SISTEMA DE AGUAS SERVIDAS
UTILIZANDO EL PROGRAMA PCSWMM 2003
5.1
Generalidades
Una vez revisados los conceptos hidráulicos, los datos obtenidos,
las cotas, los caudales, el tipo de tubería que se va a usar en el
diseño, se puede proceder con el diseño del alcantarillado de las
aguas servidas de las comunas de San Pedro y Valdivia. El objetivo
de este capitulo es trazar la ruta del diseño para cada comuna,
donde se analizará los problemas que se presenten en el trazado
de la misma, el por qué se eligieron esas rutas, así como también
se analizará los problemas que se presentaron en la ejecución del
programa. Luego se detallará los resultados obtenidos, es decir los
planos del sistema, tablas, gráficos que se obtienen después de
62
correr el programa, teniendo en cuenta que el PCSWMM permite
predecir el comportamiento de la red de una manera rápida. Por
último en este capitulo se realizará el presupuesto del alcantarillado
de las comunas en estudio, utilizando precios referenciales en la
elaboración del presupuesto.
5.2
Selección de la ruta del trazado
Con el plano topográfico obtenido luego del levantamiento
topográfico, se empieza el trazado de la ruta de la tubería, teniendo
en cuenta que es natural y económico que estas sigan hasta donde
sea posible la pendiente del terreno con el objeto de tener
excavaciones mínimas. Se procede a localizar los pozos de visita,
estos deben ir en todos los cruces de calles; en todos los cambios
de pendiente obligada. Cabe mencionar que hubo varios problemas
en el trazado de la red que se especificaran a continuación.
San Pedro,
La distribución de las calles de San Pedro por lo general son a lo
largo del mar y siguiendo la pendiente como se puede ver en el
plano de la comuna. El diseño de la red de San Pedro contiene
ramales terciarios, tirantes y la red principal. Cada casa debe tener
63
una caja de registro pero en el plano se dibuja la caja solo al inicio
y al final de cada tramo, donde es necesario se coloca un pozo de
revisión. El colector principal es de tubería novafort el mismo que
va de sur a norte hasta un punto donde se colocará una estación de
bombeo. Los ramales terciarios son de
Ø160mm y los tirantes
también son de Ø200mm de NOVAFORT. En San Pedro el
problema principal en el trazado de la red es que las calles más
cercanas al cerro tienen cotas muy elevadas respecto a la calle
principal de la comuna. Casi toda la comuna tiene manzanas
alargadas de solo una casa entre una calle y otra, de la misma
manera va la tubería a lo largo de las calles hasta llegar a las
esquinas donde están los pozos. También se debe mencionar el
hecho favorable de que solo la vía principal es pavimentada por lo
que se abarata el costo del proyecto ya que no habrá rotura ni
reposición de pavimentos.
Valdivia,
Como en esta comuna las manzanas son ordenadas, es más fácil
realizar el trazado de la red, y además que favorece mucho las
cotas del terreno. Con el mismo criterio de San Pedro se traza las
terciarias de Novafort Ø160mm alrededor de todas las manzanas.
En cada casa se coloca una caja de registro y la tubería terciaria va
64
recogiendo las aguas de caja en caja. Para el caso del plano, en lo
que respecta a tuberías terciarias, solo se colocara la caja al inicio y
al final de cada tramo. En cada esquina se coloca un pozo de
revisión los mismos que son conectados por las tuberías de mayor
diámetro. Los tirantes serán de NOVAFORT Ø200mm los mismos
que conectan la caja con el pozo. Esto se puede apreciar en los
respectivos planos de diseño de la red. Al igual que en San Pedro
en Valdivia solo hay una calle adoquinada lo que facilita
la
instalación de la tubería.
El diseño de red de las dos comunas es un solo proyecto que ha
tratado de aprovechar al máximo las cotas de terreno y se ha
colocado tubería y pozos sólo donde es necesario y así abaratar el
costo del proyecto.
5.3
Dificultad en la ejecución del programa
Al igual que cualquier programa que se ejecuta por primera vez, se
tiene problemas normales como el usar una coma en vez del punto
en los valores decimales al ingresar los datos. Los problemas se
producen a medida que se elije la forma de ingresar datos como por
ejemplo: colocar un espacio de más, la falta de un asterisco, la
65
coma en vez de punto o que falte un dato. Esto hará que salga error
al momento de correr el programa. Ayuda mucho el hecho de que
las comunas son pequeñas por lo que no son muchos los tramos
que hay que ingresar al programa. En esta tesis se ingresará los
datos de Valdivia con el editor grafico. Antes de correr el programa
se procede a la validación de los datos del modo gis a input file
para así no obtener un mensaje de error. Después de la ejecución
del programa,
la información se agrupa en archivos de varias
extensiones, tales como *.out, *.dat,
*.int,
*.pfl
y
*.mdb. Estos archivos se los puede abrir en Excel y también en
ArcGis.
5.4
Resultados obtenidos
Una vez que los datos han sido ingresados al programa y este ha
corrido sin ningún inconveniente se procede a realizar la simulación
para ver el comportamiento de los conductos. Esto se lo hace
porque puede ser que en algunos de los tramos el gradiente
hidráulico sea muy alto o que se estén rebosando los pozos y se
tenga que hacer algún cambio en el diseño. Una vez que se está de
acuerdo con la simulación, se procede a purgar los archivos antes
mencionados para presentar las tablas de resultados, gráficos de
66
caudal, velocidad, perfiles,
y
los planos de diseño. Todos los
resultados obtenidos los podemos ver en los anexos respectivos.
5.5 Costos aproximados del diseño
Con las tablas de los resultados y los planos de diseño se procede
a cuantificar las cantidades de tubería por diámetro y material. Esto
se puede hacer con la ayuda del Gis. Adicionalmente, se puede
obtener los volúmenes de excavación y de relleno para formar la
tabla de cantidades y así elaborar el presupuesto aproximado del
proyecto. En el anexo 5 se presenta la tabla de cantidades y precios
del proyecto, que comprende el presupuesto del alcantarillado de
las dos comunas. Cabe indicar que el presupuesto esta hecho sin
costos indirectos.
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CAPITULO 6
6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
6.1.
Conclusiones
1.
Después de varios días de estadía en las dos comunas y
haber dialogado con los moradores de las mismas, se logró
establecer los aspectos sociológicos que ayudaron a entender las
diferentes necesidades que tienen ambas comunas por la falta de
los servicios básicos.
2.
Mediante
los diferentes ensayos realizados
en el
Laboratorio de Suelos de la Facultad, se determinó que los tipos de
suelo que predominan en las comunas corresponden a arcillas y
68
arenas. Dicho resultado concuerda con los datos generales que se
obtuvieron del estudio del Proyecto de investigación PI-320,001
(Pagina 10).
3.
Para calcular la población futura se utilizó el método
geométrico ya que produjo los resultados más verosímiles.
4.
El PCSWMM 2003 esta creado para el diseño de aguas
lluvias. Sin embargo, se pudo adaptar al diseño de aguas servidas
al asignarle un valor de cero a los histogramas requeridos para el
cálculo.
5.
datos
Ya que el módulo Extran tiene distintas formas de editar los
hay que tener mucho cuidado al elegir su ingreso. Una
equivocación puede hacer que el programa no corra.
6.
Se creó un manual resumido para el usuario, que sirve de
gran ayuda para aquél
que por primera vez va a utilizar el
programa.
7.
Se tuvo que aumentar los diámetros del colector principal de
San Pedro ya que al hacer la simulación del gradiente hidráulico
con el diseño original, se rebosaron los pozos.
69
8.
Se decidió utilizar tubería NOVAFORT y NOVALOC porque
tienen una vida útil de 50 años, mayor capacidad de conducción
hidráulica, fácil limpieza y menor peso lo que hace que su
instalación sea mas fácil sin necesitar equipo pesado.
9.
El modulo Extran del PCSWMM 2003 es una herramienta
informática que resultó ser de gran ayuda en el diseño sanitario. Se
pudo visualizar las partes criticas del comportamiento del caudal, el
comportamiento de los tramos de tubería, la acción de rebose de
los pozos y la línea del gradiente hidráulico. Hay que tener muy en
cuenta que este modulo resuelve las ecuaciones de Saint Venant,
es decir que considera el flujo gradualmente variado que es lo
contrario a los diseños tradicionales que consideran el flujo
uniforme, razón por la que este programa se acerca más a la
realidad. Además se puede obtener los resultados en tablas y
gráficos exportándolas a Excel.
10.
Terminado el diseño de alcantarillado de las comunas se
procede a realizar la tabla de cantidades y precios para así obtener
el presupuesto del proyecto .
70
11.
A partir de los resultados obtenidos se puede decir que se
cumplieron todos los objetivos de la tesis.
6.2.
Recomendaciones
1.
Se debe configurar apropiadamente el computador para que
los decimales se escriban con punto y no con la coma. De ese
modo, se evitará errores en los valores de los datos.
2.
Para usuarios principiantes, se
grafico para ingresar
recomienda usar el modo
los datos ya que es más didáctico y se
entiende mejor. Luego con la ayuda de la tecla F7 se exporta los
datos ingresados al input data file.
3.
Es muy importante leer el manual del usuario que viene con
el programa, ya que así se entenderá mejor los conceptos básicos
que usa este programa.
4.
Si al correr el programa se presenta una bandera roja, es
recomendable abrir el view output file. Este es un archivo de texto
(*.out) en el que se puede leer en donde esta el error y ayuda a
orientarse en la ubicación de dicho error y en la explicación de su
generación.
71
5.
Es
recomendable usar programas en el diseño de
alcantarilladlo ya que ayuda a visualizar el comportamiento del
colector.
6.
Para la instalación de la tubería se debe seguir las
recomendaciones del fabricante para evitar molestias futuras.
7.
Se recomienda que se use los otros módulos del PCSWMM
en otras tesis puede ser con el alcantarillado pluvial y el diseño de
la planta de tratamiento de las comunas de estudio.