Redes de saneamiento (II): Diseño de conducciones en redes

Redes de saneamiento (II):
Diseño de conducciones en redes
separativas sanitarias
Agua residual urbana
Doméstica o
sanitaria
(zonas residenciales,
comerciales y públicas)
Industrial
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)
1
Agua residual urbana
Doméstica o
sanitaria
Industrial
(zonas residenciales,
comerciales y públicas)
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)
Objetivos del tema
Aprender a determinar el diámetro de alcantarillas y
colectores (conducciones) en redes separativas
sanitarias
A. ¿Cómo estimamos caudales de proyecto en redes
separativas sanitarias?
B. Procedimiento para el dimensionado de colectores,
teniendo en cuenta criterios hidráulicos (pendientes,
diámetros y velocidades mínimos y máximos, …)
2
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] EMASESA. Instrucciones Técnicas para redes de
saneamiento
• [5] Cálculo de caudales en las redes de saneamiento.
Catalá, F. Ed. Paraninfo. Colección Seinor no. 5.
• [6] CEDEX. Guía Técnica sobre redes de saneamiento y
drenaje urbano.
A. 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
3
A. 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
Agua residual urbana
Doméstica o
sanitaria
Industrial
Infiltraciones
y aportaciones
incontroladas
Qm = Volumen / ha
Escorrentía
urbana (pluviales)
día x Superficie
Qm = Volumen / pers. día x Población
Qm = Volumen / viv.
día x Población
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
4
Caudales unitarios
Agua residual urbana
Doméstica o sanitaria
• Qu = 0.017 l/s/vivienda
(EMASESA)
• Qu = 200-400 litros /
pers. día [6]
Industrial
• Qu = 0.7 l/s/ha
(EMASESA)
• Qu = 4000 m3/año/ha
(Recomendaciones para
la elaboración de los
Planes de Cuenca, 1992)
2. Factores punta Cp y caudal de diseño Qp
Cp representa la razón entre el caudal máximo horario de ARU en el día
de máxima producción y el caudal medio horario en un día promedio
Qp = Cp
x Qm
Infiltraciones
El abastecimiento tiene poca capacidad de embalse y, por tanto, las
curvas de caudales de ARU son parecidas a las de abastecimiento,
pero desfasada en el tiempo y algo más suaves.
5
2. Factores punta Cp y caudal de diseño Qp
Cp representa la razón entre el caudal máximo horario de ARU en el día
de máxima producción y el caudal medio horario en un día promedio
Qp = Cp
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 Qm
Industrial /
Comercial
Cp ≈ 2-3
Fórmulas empíricas [3]
Cp = 1+
14
4+ P
Stanley & Kauffman (1953)
Nota: P = población (miles de hab.)
B. Dimensionado hidráulico
‘Dado el caudal encontrar el diámetro’
¿Cómo?
1) La red debe funcionar de modo general en lámina libre
(excepcionalmente en carga) y supondremos
condiciones permanentes y uniformes
2) Existen velocidades mínimas (pendientes o
diámetros mínimos) que restringen las opciones de
diseño.
3) ¿Cuál es el procedimiento de cálculo para poder
acomodar la condición que el 15 ó 20% de la altura de
la sección debe quedar libre?
6
Ecuaciones de flujo uniforme
estacionario por gravedad
L V2
hf = f
Dh 2 g

 14.8 Rh 
f =  2 log

 ε 

−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
= C (Chezy)
Manning
= 0.013-0.015
B. Dimensionado hidráulico
‘Dado el caudal encontrar el diámetro’
¿Cómo?
1) La red debe funcionar de modo general en lámina libre
(excepcionalmente en carga) y supondremos
condiciones permanentes y uniformes
2) Existen velocidades mínimas/máximas (pendientes
mínimas/máximas o diámetros mínimos) que
restringen las opciones de diseño.
3) ¿Cuál es el procedimiento de cálculo para poder
acomodar la condición que el 15 ó 20% de la altura de
la sección debe quedar libre?
7
Criterios
Sistema separativo
Sistema
unitario
D≤ 500 mm
Conducto A.
Negras
0,5
Conducto A.
Pluviales
0,8 (0,9
D>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)
h/D
Dmín (mm)
300
Prof. mín (m)
2,0
0,8 (0,9
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
Dimensionado hidráulico
‘Dado el caudal encontrar el diámetro’
¿Cómo?
1) La red debe funcionar de modo general en lámina libre
(excepcionalmente en carga) y supondremos
condiciones permanentes y uniformes Manning
2) Existen velocidades mínimas/máximas (pendientes
mínimas/máximas o diámetros mínimos) que
restringen las opciones de diseño.
3) Se debe cumplir que el 15 ó 20% de la altura de la
sección debe quedar libre (aireación).
8
Qp, Vp
D
Qll, Vll
D
h
h
h/D = 0.85
h/D = 1
h V
h
= f1  , p = f 2  
Qll
 D  Vll
D
Qp
Detalles en el capítulo 10.2 de White – Mecánica de Fluidos y
en la página web (procedimiento en EXCEL)
9
Ejemplo 1
Determina el calado y la velocidad del agua en
una alcantarilla parcialmente llena de 300 mm
de diámetro y 0.005 m/m de pendiente, con un
valor de n = 0.015, si descarga un caudal Q =
0.01 m3/s
10
Ejemplo 2
Determina el diámetro requerido para una
alcantarilla que transporta 0.15 m3/s, cuando
fluye un 65% llena. La pendiente es S0 = 0.001 y
n = 0.013.
11
Otras secciones
para alcantarillas
Circular
(llena)
A = 9.785 D2
P = 3.142 D
R = 0.25 D
A = área
P = perímetro
R = Radio hidráulico
Ovoidal
(llena)
A = 0.510 H2
P = 2.643 H
R = 0.193 H
Visitable
Analizamos por zonas
(1) Media caña (agua
residual)
(2) Zona visitable (agua
residual y pluvial)
(3) Bóveda semicircular
12
Ejemplo 3
Dimensiona un colector de sección ovoidal para
evacuar un caudal de 1350 l/s, con una
pendiente de 0.008 y n = 0.014, con un grado de
llenado del 80%. Una vez seleccionado el
tamaño comercial, se deberá calcular el calado
y la velocidad media.
13
0m
60
1500 mm
700 mm
250
Un colector visitable de una
alcantarilla unitaria es de
hormigón (n = 0.015) y tiene
una pendiente del 0.005.
Determina el calado y la
velocidad media cuando circula
un caudal punta Q = 3.5 m3/s.
m
Ejemplo 4
14
15