Analisis alcant

Análisis de alcantarillado
COMISION NACIONAL DEL AGUA
SUBDIRECCION GENERAL DE OPERACION
SUBGERENCIA REGIONAL DE OPERACION
PLAN MAESTRO PARA EL MEJORAMIENTO DE LOS SERVICIOS DE AGUA POTABLE,
ALCANTARILLADO Y SANEAMIENTO EN
MIGUEL ALEMAN, TAMAULIPAS.
ANALISIS DEL ALCANTARILLADO ACTUAL
MEDIANTE UN MODELO PROGRAMADO
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Análisis de alcantarillado
ALCANTARILLADO SANITARIO
INTRODUCCION
El objetivo de todo sistema de alcantarillado sanitario y tratamiento es el de
colectar las aguas negras de diversos puntos de la población para conducirlas,
de una manera rápida y segura para que una vez transformadas en un residuo
líquido se pueda evacuar sin perjuicios, evitando en el mayor grado posible la
contaminación de las corrientes superficiales y subterráneas.
Para el análisis hidráulico de la red se aplicó un modelo programado en turbo
Pascal, plataforma MS-DOS, para computadora el cual aplica para su solución,
las fórmulas de Harmon y Manning para resolver el comportamiento hidráulico
(velocidades en las tuberías trabajando llenas y parcialmente llenas), así como el
gasto medio total, obtenido a partir de la población proyectada para 1999.
El modelo no fue programado para diseñar redes, sino para ayudar al ingeniero
a revisar la hidráulica del alcantarillado existente, aumentando los diámetros
cuando no son suficientes, con lo cual se diagnostica una deficiencia en el
tramo, proporcionando los gastos en el tramo, (mínimo, medio, máximo y
máximo extraordinario), analizando a tubo lleno el gasto y la velocidad y para el
gasto máximo y mínimo proporciona el tirante y la velocidad.
El modelo se alimenta con una serie de datos ya codificados, esto quiere decir
que para la revisión hidráulica se debe tener toda la información de la red, como
son: gasto medio, coeficiente de Harmon, número de tramos, longitudes
acumuladas, la pendiente y el diámetro de cada tramo.
CONSIDERACIONES GENERALES
En las consideraciones generales del análisis, se aplicó el "Manual de Diseño de
Agua Potable, Alcantarillado y Saneamiento" de la Comisión Nacional del Agua.
Aportación de aguas negras
Al tomar en consideración que el Alcantarillado Sanitario es reflejo del servicio
de agua potable y que se ha desarrollado el proyecto para introducir el servicio
de agua potable, se aplica el criterio en el cual se considera que el 25% del agua
de la dotación se pierde antes de llegar a los conductos de desalojo por lo que
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la aportación será el 75% de la dotación.
Coeficientes de variación
- Variación máxima instantánea M, (Coeficiente de Harmon).
14
M = 1 + ----------------4 + (P)^0.5
P = población en miles.
Cuando la población excede a los 63,454 habitantes el coeficiente de Harmon
se considera constante con valor de 2.17.
En este caso, la ciudad de Miguel Alemán, tiene una población actual de
proyecto de 30,543 habitantes, por lo que el coeficiente de Harmon resulta de
1.080.
- Variación máxima extraordinaria
Para cubrir los excesos en las aportaciones por aguas pluviales domiciliarias se
utiliza un coeficiente de seguridad de 1.50.
CUANTIFICACION DE CAUDALES
- Gasto medio diario
El gasto medio diario se obtiene a partir de multiplicar la población por la
aportación y dividir el resultado entre los segundos de un día.
Pob. Actual x Aport.
Q med. = -------------------------; en l/s
86,400
- Gasto mínimo
El gasto mínimo total a conducir es el 50% del gasto medio.
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Q mín = 0.50 x Q med; en l/s
Las normas de Alcantarillado, definen que el número de descargas simultáneas
de alcantarillado para el diámetro mínimo que es de 20 cm, (aunque en este
caso es de 15 cm) es de una, lo que proporciona un gasto mínimo de 1.5 l/s,
por lo tanto este valor será el caudal mínimo probable por conducir en las
atarjeas.
- Gasto máximo instantáneo
El cálculo del gasto máximo instantáneo se obtiene al multiplicar al gasto medio
por el coeficiente de Harmon:
Qmáx inst = M Qmed; en l/s
- Gasto máximo extraordinario
Este gasto se obtiene multiplicando el gasto máximo instantáneo por el
coeficiente de seguridad.
Qmáx ext = C.S (Qmáx inst); en l/s
En función de este gasto se determina si el diámetro instalado de las atarjeas,
colectores y subcolectores es el adecuado, revisando que el agua escurra sin
presión a tubo lleno y con un tirante mínimo que permita arrastrar las partículas
sólidas en suspensión.
En la etapa del análisis y revisión de alternativas, se analizará que es más
recomendable, si modificar las pendientes o aumentar los diámetros de las
tuberías.
- Tirantes mínimos
Para el caso de pendientes mínimas, se revisa que el tirante sea mayor o igual a
1.50 cm.
Para el caso de pendientes máximas, el tirante se revisa que sea mayor o igual a
1.00 cm.
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CALCULO HIDRAULICO DE LA RED
Para el cálculo hidráulico de los conductos, se aplicó un programa de
computadora, el cual uttiliza para su solución la fórmula de Harmon y Manning
con las siguientes restricciones:
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
n = 0.013 (Coeficiente de rugosidad del concreto)
Velocidad a gasto mínimo = 0.60 m/s
Velocidad a gasto máximo = 3.00 m/s a tubo parcialmente lleno.
Tirante mínimo de 1.50 cm
Para realizar el análisis hidráulico de la red, el programa toma el gasto medio
total y lo divide entre la longitud total por analizar para obtener un gasto
unitario o densidad de usuarios por metro de tubería.
Para obtener el caudal medio que circula en el tramo de colector o atarjea, se
multiplica el gasto unitario por la tubería acumulada en ese tramo.
Una vez calculado el gasto medio del tramo, se obtienen los gastos mínimo,
máximo y máximo extraordinario.
Con las características propias del tramo (diámetro y pendiente), se determinan
el gasto a tubo lleno y su velocidad, así como el tirante y velocidad de los
gastos mínimo y máximo extraordinario.
NOTA:
El programa requiere de los siguientes datos:
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
Número de tramos
Coeficiente de Harmon
Gasto medio
Longitud total
Coeficiente de Manning
ƒ Datos particulares de cada uno de los tramos:
9 Longitud acumulada hasta ese tramo, en metros.
9 Pendiente, en milésimas.
9 Diámetro, en metros.
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ƒ Obteniéndose como resultado del proceso lo siguiente:
9 Listado de datos en forma tabular (datos de entrada).
9 Cálculo hidráulico de la red.
¾ No. de tramo
¾ Longitud acumulada del tramo, en metros.
¾ Diámetro de la tubería, en centímetros.
¾ Caudal que escurre por el tramo, en litros por segundo.
gasto mínimo.
gasto medio.
gasto máximo instantáneo.
gasto máximo extraordinario.
¾ Pendiente en miles.
¾ Condiciones a tubo lleno.
gasto, en litros por segundo.
velocidad, en metros por segundo.
¾ Condiciones a gasto máximo extraordinario.
tirante, en centímetros.
velocidad, en metros por segundo.
¾ Condiciones a gasto mínimo.
tirante, en centímetros.
velocidad, en metros por segundo.
El análisis del alcantarillado de la ciudad Miguel Alemán, se dividió en 7 (siete)
redes, partiendo de las descargas de las redes, hacia cada uno de los cárcamos
de la ciudad.
Por lo que existirán 11 análisis, que serán:
1.
2.
3.
4.
De
De
De
De
red
red
red
red
1
2
3
4
a
a
a
a
Cárcamo
Cárcamo
Cárcamo
Cárcamo
1.
2.
3.
4.
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Red1-carc1.dat
Red2-carc2.dat
Red3-carc3.dat
Red4-carc4.dat
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5. De red 5 a Cárcamo 5 dividido en dos secciones:
6. De red 6 a Cárcamo 6 dividido en dos secciones:
Red5.S1-carc5.dat
Red5.S1-carc5.dat
Red6.S1-carc6.dat
Red6.S1-carc6.dat
RedG-CGENERAL.dat
7. De red general a Cárcamo general.
8. De red general y cárcamos 1, 3 y 4 a Cárcamo general.
9. De cárcamo 2 a Cárcamo general.
RC134-CGENERAL.dat
C2-CGENERAL.dat
Y red de atarjeas y de cárcamos 2-4, a cárcamo general, junto con cárcamo 1 a
cárcamo general.
Cabe mencionar que el cárcamo 5 descarga al Arroyo El Buey, por lo que éste
queda fuera de la aportación al cárcamo general.
En el plano N° xxxxxxxx, Red de Alcantarillado Actual, se presentan los
números de los tramos utilizados para el análisis.
DIAGNOSTICO Y PROBLEMATICA ENCONTRADA
Revisión de la red de atarjeas 1, a cárcamo 1:
Consta de 81 tramos la red de atarjeas hacia el cárcamo 3, el diámetro mínimo
es de 20 cm y el máximo es de 30 cm y la longitud total acumulada es de 5,704
m.
El 50 % de estos tramos tienen pendientes menores a las mínimas, mismos que
sus velocidades no son las recomendadas por las normas.
En los tramos 36, 43, 44 y 46, se presenta insuficiencia de diámetro
cambiándolos respecto al real de 20 cm a 38 cm.
En los siguientes tramos 4, 8, 10-13, 21, 28, 35, 36, 40, 43, 44, 46, 67 y 68, se
presenta insuficiencia de diámetro cambiándolo de 20 cm de diámetro por 38
cm de diámetro. Así como a los tramos 73 y 80, los cambia el programa de 25
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cm de diámetro por 38 cm de diámetro, así como el tramo 81, lo modifica de 30
cm a 38 cm. Por las mismas razones anteriores.
Físicamente, los tramos 35 y 36 presentan contrapendiente. Una
contrapendiente, obliga a trabajar a la tubería con carga hidráulica y cuando no
hay movimiento del agua, se presenta septicidad, azolves, etc.
Revisión de la red de atarjeas 2, a cárcamo 2:
La red que descarga hacia el cárcamo 2, consta de 43 tramos con diámetros que
van de 15 cm hasta 30 cm y tiene una longitud de 2,680.0 m.
Se observa que más del 30 % de los tramos analizados tienen pendientes
menores a las recomendadas por las normas, lo que significa que las
velocidades a tubo lleno, son también menores para evitar azolves en las
tuberías.
Por otro lado, en los tramos 8 y 10, se presenta insuficiencia de diámetro
cambiándolo respecto al real, de 15 cm a 38 cm, en los tramos 6, 11-13, 15,
16, y 27, de 20 cm a 38 cm, lo mismo sucede en los tramos 17, 19, 20, 22, 23,
29, 36-38, 42 y 43, cambiándolos de 30 cm a 38 cm.
Revisión de la red de atarjeas 3, a cárcamo 3:
Esta red, consta de 71 tramos y una longitud total de 5,139 m, su diámetro
mínimo es de 15 cm y máximo de 30 cm.
El 33 % de estos tramos, tienen pendientes menores a las mínimas, por lo que
sus velocidades también lo son.
En los tramos 15-18, 24, 30, 34, 38, 63-65, 70, 71, el programa modifica el
diámetro existente de 30 cm por 38 cm, y en el tramo 41 lo cambia de 20 cm a
38 cm.
Revisión de la red de atarjeas 4, a cárcamo 4:
A este cárcamo, sólo le llegan 13 tramos como red de atarjeas, teniendo
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diámetros de 20 cm y una longitud de 753 m.
En los tramos 3, 4, 7, 8, 11-13, el programa cambia el diámetro de 20 a 38 cm,
considerándolo insuficiente.
Revisión de la red de atarjeas 5, a cárcamo 5:
La red de atarjeas hacia este cárcamo se llegan dos secciones, por lo que se
analizó de esta manera.
La primera consta de 40 tramos que tienen un diámetro de 20 cm y una
longitud de 2,822 m. El 35 % de estos, tienen pendientes menores a las mínimas
recomendables, por lo que sus velocidades se ven afectadas.
Para el caso de los tramos 9, 11-13, 17, 18, 23, 25, 31, 33-37 y 40, su
diámetro de 20 cm, es modificado en el análisis.
De la segunda parte del análisis hacia el cárcamo 5, son 12 tramos con una
longitud total acumulada de 1,089.5 m, con diámetros de 20 cm y 25 cm.
Presenta diámetros insuficientes en los tramos: 8, 10, 11 y 12.
Revisión de la red de atarjeas 6, a cárcamo 6:
La red de atarjeas hacia este cárcamo se encuentra en dos secciones, por lo que
se analizó de esta manera.
La primera consta de 12 tramos que tienen diámetros de 20 cm y 30 cm. y una
longitud total de 450.5 m. Menos del 1 % de estos, tiene pendientes menores a
las mínimas recomendables para sus diámetros, sin embargo son insuficientes
al modificarles el diámetro en los siguientes tramos:2-9, 11 y 12.
De la segunda parte del análisis hacia el cárcamo 6, la longitud total acumulada
es de 964.5 m, con diámetros de 20 cm siendo 18 tramos. El 50 % de estos
tramos presentan insuficiencia de diámetro cambiando de 20 cm a 38 cm.
Revisión de la red de atarjeas, a cárcamo general:
Al cárcamo general, le llegan las aportaciones por parte de una red de atarjeas,
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que descargan directamente a éste. También los cárcamos 1, 3 y 4, se van
incorporando sus gastos a lo largo de esta red de atarjeas.
Primeramente se revisó la descarga de la red de atarjeas y posteriormente con
los demás cárcamos.
La red de atarjeas tiene 509 tramos con diámetros desde 15 cm. hasta 91 cm en
algunos casos. Su longitud total acumulada es de 38,108.5 m
El 26 % del total de los tramos, tienen pendientes menores a las mínimas
recomendables, por lo que sus velocidades en esta medida, se ven afectadas.
Sin embargo los siguientes tramos presentan diámetros insuficientes:68, 92,
93, 170, 201, 206, 207, 358 y 367, lo que representa el 1.8 % del total de los
tramos, pudiéndose decir que en la mayoría no presenta el análisis hidráulico,
variación alguna en relación con los diámetros actuales.
Revisión conjunta de la red de atarjeas y de los cárcamos 1, 3 y 4, al cárcamo
general:
El gasto propio de los cárcamos 1, 3 y 4, se incorpora a la red de atarjeas
durante su trayectoria hasta la descarga final, en el cárcamo general.
Los tramos en donde se agregan estos gastos son:
Las aportaciones del cárcamo 3, se incorporan a la red en el tramo 321, del
cárcamo 1, en el tramo 404 y del cárcamo 4 sus gastos se incorporan en el
tramo 465.
El número total de tramos que tiene el análisis hasta el cárcamo general,
considerando los tramos a partir de cada cárcamo y hasta su punto de
encuentro con la red principal de atarjeas es de 566 y la longitud total
acumulada es de 42,124.5 m.
El 29 % de estos tramos presentan pendientes mínimas a las recomendables,
afectando en esta medida las velocidades en la tubería.
Sin embargo los siguientes tramos presentan diámetros insuficientes:33, 93,
201, 206, 207, 330, 411, 420 y 422, lo que representa un 1.6 % del total de los
tramos, pudiéndose decir que en la mayoría no presenta el análisis hidráulico,
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variación alguna en relación con los diámetros actuales.
Revisión del cárcamo 2, al cárcamo general:
De manera independiente y paralela al tramo principal de la red de atarjeas
hacia el cárcamo general, tiene su recorrido la descarga del cárcamo 2, hasta
este mismo.
Consta de 70 tramos y de una longitud acumulada de 5,412.5 m, los diámetros
que tiene son, mínimo 15 cm y máximo 61 cm. El 16 % de estos tramos
presenta pendientes menores a las recomendables, siendo en algunos casos
ligeras.
Por otro lado a partir del tramo 58 y hasta el 66, así como en el tramo 70, el
análisis modifica el diámetro, por lo que se deberá considerar en estos tramos,
un cambio de los mismos.
El resto de la red, no presenta problemática.
NOTA: Para todos los análisis que se realizaron, existe la posibilidad de analizar cambios de
pendientes en estas tuberías para moderar las velocidades, o bien de otro modo cambiar los
diámetros de las tuberías de ser necesario. Esto se verá más a detalle en el planteamiento de
alternativas.
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PROCEDIMIENTO DE CALCULO HIDRAULICO
Este programa realiza el cálculo hidráulico, considerándolo como un canal de
sección circular, utilizando la fórmula de Manning con un coeficiente de 0.013,
recomendado para tubería de concreto, en el cálculo de las velocidades del flujo
de agua.
2/3 S1/2
V= R
Donde:
n
Q=AV
A=
π D2
4
V = Velocidad
RH = Radio Hidráulico
A = Area de la sección
S = Pendiente del tubo
Q = Gasto
Los elementos hidráulicos son dados por las siguientes expresiones:
(
)
2
A = D π θ sen θ
4
P=
360
2
πDθ
360
D(
RH =
14
0
r
360 sen )θ
2π θ
D
θ
Y
θ es el ángulo central
El programa, parte del diámetro, con el cual se propone un tirante de un
centímetro y con el diámetro, pendiente y tirante calcula el gasto que compara
con el gasto del tramo, si este gasto es menor, aumenta el tirante en proporción
de un centímetro y repite nuevamente el procedimiento iterativamente hasta
alcanzar el gasto del tramo y ser igual o ligeramente mayor a éste.
Si el tirante propuesto es igual al diámetro, entra a la base de datos y toma el
diámetro inmediato superior, repitiendo este procedimiento hasta agotar los
diámetros de la base de datos.
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