autoría - Universidad de Cuenca

UNIVERSIDAD DE CUENCA
FACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA DE INGENIERÍA CIVIL
Tema:
“DISEÑO DE SUMIDEROS Y CÁMARAS DE
INSPECCIÓN PARA ALCANTARILLADO PLUVIAL.”
Monografía previa a la obtención del título de Ingeniero Civil.
AUTORES:
Milton Alberto Antunish Kuja
Mauricio José Balladares Montero
TUTOR DE MONOGRAFÍA:
ING. MSC. RODRIGO ZEAS DOMÍNGUEZ
CUENCA – AZUAY – ECUADOR
2.006
DISEÑO DE SUMIDEROS Y CÁMARAS DE INSPECCIÓN PARA ALCANTARILLADO PLUVIAL
AUTORÍA:
Las ideas y contenidos expuestos en el presente informe de investigación, son de
exclusiva responsabilidad de sus autores.
f………………………………………
Milton Alberto Antunish Kuja
C.I 010365450-5
f………………………………
Mauricio José Balladares Montero
C.I 030166150-0
2
Milton Alberto
Mauricio José
DISEÑO DE SUMIDEROS Y CÁMARAS DE INSPECCIÓN PARA ALCANTARILLADO PLUVIAL
DEDICATORIA
A mi tío Juan Hugo, a mis abuelos, a mis hermanos, a mis
tíos por el apoyo incondicional y el cariño que me han
brindado durante mis años de estudio.
A mi madre Luz Elena, a mi hija Flor Elena y a mi esposa
las tres mujeres que más adoro.
Milton Alberto.
Este tema Monográfico lo he desarrollado con mucho
sacrificio, va dedicado a mis padres, quienes me han
sabido guiar y apoyar económicamente, a mis hermanos
por apoyarme en las buenas y malas, de manera especial
a mi Esposa, por ser el pilar firme en mi vida.
Mauricio José.
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Milton Alberto
Mauricio José
DISEÑO DE SUMIDEROS Y CÁMARAS DE INSPECCIÓN PARA ALCANTARILLADO PLUVIAL
AGRADECIMIENTO
A Dios por ser el gobernante de nuestros destinos y la
potencia espiritual del sentimiento humano.
A la Universidad de Cuenca, Facultad de Ingeniería y
Escuela de Ingeniería Civil por darnos la oportunidad de
auto
realizarnos
y
formarnos
profesionales
más
capacitados, al servicio de la comunidad afrontando los
retos del nuevo milenio.
A nuestros padres, esposas, hermanos, por compartir gran
parte de sus vidas proporcionándonos amistad, amor,
respeto, comprensión y la razón de nuestro vivir.
A nuestros profesores, a nuestro tutor: Ing. Msc. Rodrigo
Zeas D., al Ing. Horacio Taveccio, al Ing. Lenin Álvarez R. y
compañeros que de una u otra manera nos han apoyado a
seguir adelante.
Milton Alberto – Mauricio José.
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Milton Alberto
Mauricio José
DISEÑO DE SUMIDEROS Y CÁMARAS DE INSPECCIÓN PARA ALCANTARILLADO PLUVIAL
ÍNDICE
PORTADA
AUTORÍA
DEDICATORIA
AGRADECIMIENTO
INTRODUCCIÓN
CAPITULO I.
CÁLCULO HIDROLÓGICO.
Pagina
1.1.
IMPORTANCIA………………………………………………….……………………………………………………….11
1.2.
OBJETIVOS……………………………………………………….………………………………………………………11
1.3.
ESTUDIO HIDROLÓGICO EN EL ÁREA DE APORTACIÓN……………….……………………….12
a)
Análisis Estadístico de Frecuencias de Caudales Máximos………..…………….…….12
b)
Métodos Estadísticos de Carácter Regional……………………………………..…………….13
c)
Aplicación de un modelo de simulación hidrometeorológico
Lluvia - Escorrentía………………………………………………………………………………..……….13
1.4.
PRECIPITACIÓN…………………………………………………………………………………………… …………..13
1.4.1.
MEDICIÓN DE LA PRECIPITACIÓN………………… ……………………………………….……………….13
..
..
Pluviómetros…………………………………………………………….…………… ….…………………..14
….
Pluviógrafos……………………………………………………………………………..………… …………14
….
1.4.2.
APLICACIÓN DE RELACIONES LLUVIA–FRECUENCIA-DURACIÓN……….…………………14
Frecuencia………………………………………………………………………………………………………..15
Duración……………………………………………………………………………………………………………15
Intensidad………………………………………………………………………………………………….…….15
1.4.3.
DETERMINACIÓN Y APLICACIÓN DE CRITERIOS EMPÍRICAS REGIONALES……….…15
1.4.4.
MÉTODO DE DISTRIBUCIÓN DE EXTREMOS PARA CURVAS DE I. D. F.
APLICADOS EN LA CIUDAD DE CUENCA………………………………….…………………………….16
a)
Distribución Gumbel Tipo I…………………………………….……………………………………….19
b)
Distribución Frechet……………………………………………………………….……………………….20
c)
Distribución Gumbel - Ven Te Chow……………………………………………………………….21
d)
Prueba de Bondad de Ajuste de Smirnov-Kolmogorov………………………………….21
e)
Ajuste de las Curvas I.D.F. a Ecuaciones Pluviométricas por
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Milton Alberto
Mauricio José
DISEÑO DE SUMIDEROS Y CÁMARAS DE INSPECCIÓN PARA ALCANTARILLADO PLUVIAL
Mínimos Cuadrados……………………………………………………………….………………………….23
1.5.
DELIMITACION DE LA CUENCA DE APORTACIÓN………………… ……………………………….28
……
Con Infraestructura de Pavimento………………………………………………………………….29
Sin Infraestructura de Pavimento………………………………………………………… ……….29
.
1.6.
CALCULO DEL CAUDAL DE DISEÑO...…………………..….……………………………………… ..…30
……
METODO RACIONAL…………………………………………………………………………… ..…………30
1.6.1.
…
Tiempo de Concentración………………………………………………………………….…………….33
Tiempo de Escorrentía………………………………………………………………………….…… ……33
..
Tiempo de Recorrido………………………………………………………………………………….…….34
1.6.2.
CÁLCULO DEL CAUDAL HIDROLÓGICO………………………………………………………… …..……34
..
Caudales Máximos…………………………………………………………………………………… ………35
.
Selección de las Estaciones Pluviométricas…………………………………………………….36
Recolección de la Información Requerida……………………………………………………….36
Selección de Intensidades Máximas……………………………………………………………… .36
..
Ajuste de los Datos con una Función de Distribución de Probabilidad………….37
Determinación de las Curvas I. D. F. para Distintos Periodos de Retorno… …37
..
Ajuste por Mínimos Cuadrados………………………………………………………………………..37
Análisis de la Intensidad de Diseño………………………………………………………………..37
Área de Aportación…………………………………………………………………………………… …….38
…
Coeficiente de Escorrentía……………………………………………………………………………….38
Caudal de Diseño…………………………………………………………………………………………….38
1.7.
OBRA DE DRENAJE……….……………………………………………………………….…………………………39
1.7.1
ENTRADA A LA RED DE DRENAJE……………...……………………………………………………………39
Cunetas…………………………………………….………………………………….………………………… 39
Sumideros…………………………………………………………………………….………………………. 39
1.7.2.
CONDUCCIÓN DEL AGUA DE DRENAJE…………………………….….…………………………………39
Alcantarillas………………………………………………………………………….………………………….39
1.7.3.
ENTREGA AL DISPOSITIVO FINAL……………………………………………….…………………… ……40
….
CAPITULO II.
OBRAS DE DRENAJE.
Pagina
2.1
OBRAS COMPLEMENTARIAS DE DRENAJE ……………………………………………….……… ……41
2.2
TIPOS DE DRENAJE.…………………………………..…………………………………………………………….41
2.2.1
DRENAJE SUPERFICIAL………………………………………………… …………………………………………41
…
..
a)
Cunetas…………………………..……………………………………………..……………………………….42
6
Milton Alberto
Mauricio José
DISEÑO DE SUMIDEROS Y CÁMARAS DE INSPECCIÓN PARA ALCANTARILLADO PLUVIAL
2.2.2
b)
Contra Cunetas………………………………..………………………………………..…………………..43
c)
Bombeo…………………………………………….……………………………………………………………..43
d)
Zampeado…….…..…………………………….…………………………………………………………… 44
e)
Lavaderos………………………………………………………………………………………………………..44
..
DRENAJE TRANSVERSAL………….………………………………………………………………………………44
2.2.2.1. OBRAS DE DRENAJE MAYOR……………….…………………………………………………….44
a)
Bóvedas……….…………………………………………………………………………………………………45
b)
Vados……………………………………………….…………………………………………………………….45
c)
Puente – Vado……………….……………………………………………………………………………….45
d)
Puentes………………………………………………………………………….……………………………….45
2.2.2.2. OBRAS DE DRENAJE MENOR……………………….…………………………………………….46
a)
Alcantarillas……………………………………………………….…………………………………………..46
2.2.2.3. DRENAJE SUBTERRÁNEO………………….………….…………………………………………..46
CAPITULO III.
CALCULO DE SUMIDEROS.
Pagina
3.1.
IMPORTANCIA…..………………………………………………………………………………………………………48
3.2.
UBICACIÓN DE SUMIDEROS…………..……………………………………………………………………….48
3.3.
TIPOS DE SUMIDEROS………………….…………………………………………………………………………49
3.3.1.
TIPOS DE SUMIDEROS SEGÚN EL DISEÑO DE LA CAPTACIÓN……………………..………50
3.3.1.1. SUMIDERO DE VENTANA…………….…………………………………………………………….50
3.3.1.2. SUMIDERO DE CUNETA……………………………………….…………………………………….51
3.3.1.3. SUMIDERO MIXTO………………….………………………………………………………………….52
3.3.1.4. SUMIDEROS DE CALZADA………………………………………………………………………….52
3.3.1.5. SUMIDEROS DE ESPECIALES…….………………………………………………………………53
3.3.2.
TIPOS DE SUMIDEROS SEGÚN EL DISEÑO DE CAJA……….…………………………………….53
3.3.2.1. SUMIDEROS CON SELLO HIDRÁULICO Ó SIN EL………………………………………53
3.3.2.2. SUMIDEROS CON DESARENADOR O SIN EL………………… …………………………54
……
3.4.
HIDRÁULICA DE SUMIDEROS…………………………………..………………………..……………………55
3.4.1.
CAPACIDAD DE AGOTAMIENTO DE UNA BOCA DE TORMENTA……….…………………….55
3.4.2.
CALCULO DE LA CAPACIDAD DE CAUDAL DE UNA CUNETA……….…………..…………….56
3.4.3.
CARACTERÍSTICAS DE LOS SUMIDEROS……………….…………………………..………………….57
3.4.4.
DISEÑO DE SUMIDEROS DE VENTANA…………………..………………………..…………………….58
3.4.5.
DISEÑO DE SUMIDEROS DE CUNETA……………………………………….…..……………………….59
3.5.
UBICACIÓN DE SUMIDEROS Y ESPACIAMIENTO……………………….…………………..………61
3.6.
REFERENCIA RÁPIDA PARA EL CÁLCULO DE SUMIDEROS DE VENTANA CON
7
Milton Alberto
Mauricio José
DISEÑO DE SUMIDEROS Y CÁMARAS DE INSPECCIÓN PARA ALCANTARILLADO PLUVIAL
DEPRESIÓN…………………………………………………………………………………….………………………..61
3.7.
REFERENCIA RÁPIDA PARA SUMIDEROS DE REJA……………..…………….…………………..61
3.8
EJEMPLO DE DISEÑO DE SUMIDERO DE VENTANA……….……………………………………….63
3.9
EJEMPLO DE DISEÑO DE SUMIDERO DE CUNETA.….……………………………………………..66
CAPITULO IV
CÁMARA DE INSPECCIÓN.
Pagina
4. 1.
GENERALIDADES E IMPORTANCIA.…….…………………………….…………………………………….67
4.2.
COMPONENTES DE UNA CÁMARA DE INSPECCIÓN………………..………………………………68
4.3.
FORMAS TÍPICAS DE UNA CÁMARA DE INSPECCIÓN ………………..…….……………………69
4.3.1
CÁMARA CON FLUJO DIRECTO…………………………………………………………………………………69
4.3.2
CÁMARAS DE ARRANQUE………………………..………………………….…………………………………..71
4.3.3
CÁMARA CON FLUJO DIRECTO Y CONEXIÓN LATERAL………………………………..…………72
4.3.4
CÁMARA CON DOBLE CONEXIÓN…………………….………………………………………………………73
4.3.5
CÁMARA CON EXCENTRICIDAD…………….………………………………………………………………..74
4.4.
ASPECTOS CONSTRUCTIVOS DE UNA CÁMARA DE INSPECCIÓN…………….…………..75
4.5
CÁMARAS DE INSPECCIÓN CON CAÍDA……….……………………………………….……………….75
4.6
UBICACIÓN DE LAS CÁMARAS DE INSPECCIÓN…………………………….……………………...77
4.7
SIMPLIFICACIÓN ACTUAL EN LAS CÁMARAS DE INSPECCIÓN…..…………………..…….78
4.7.1
TERMINAL DE LIMPIEZA (TL) ………………………………………………………………………………….78
4.7.2
TUBOS DE INSPECCIÓN Y LIMPIEZA (TIL) ……………………………………..…………………….79
4.7.3
CAMBIOS DE DIRECCIÓN (CP) ………………………………………………………………………….……81
4.7.4
CAMBIOS DE PENDIENTE…………………………………………………………………………………… …..81
4.7.5
CAMBIOS DE DIÁMETRO…..……………………………………………………………………….……… ……82
4.8.
MÉTODOS DE DISEÑO DE UNA CÁMARA DE INSPECCIÓN……………………….……… ……83
4.8.1
EMPATE POR COTA SUPERIOR INTERNA DE LA TUBERÍA………………………………… …..83
4.8.2
EMPATE POR LÍNEA DE ENERGÍA PARA FLUJO SUBCRITICO…………………….……… …..84
..
..
.
..
..
4.8.2.1 PERDIDA POR CAMBIO DE DIRECCIÓN……………………….………………………… ….86
.
4.8.2.2 PERDIDA DEBIDA A LA UNIÓN DE TUBERÍAS …………………………………..………86
4.8.2.3 EMPATE POR LÍNEA DE ENERGÍA PARA FLUJO SUPERCRÍTICO
(NF>1.1) …………………………….………………………………………………………………………87
4.8.2.4 EMPATE PARA FLUJO SUPERCRÍTICO PARA ESTRUCTURAS
ALARGADAS SIN CAÍDA …………………………………………………………………………….....87
4.8.2.5 EMPATE PARA FLUJO SUPERCRÍTICO PARA ESTRUCTURAS
CON CAÍDA ……………………….…………………………………………………………………………….90
4.8.2.5.1.
ENTRADA NO SUMERGIDA……………………………….…………………………………93
8
Milton Alberto
Mauricio José
DISEÑO DE SUMIDEROS Y CÁMARAS DE INSPECCIÓN PARA ALCANTARILLADO PLUVIAL
4.8.2.5.2.
4.9.
ENTRADA SUMERGIDA……………………………………………………………………….94
EJEMPLO DE DISEÑO DE CÁMARAS DE INSPECCIÓN……………….……………………………95
RESUMEN……………………………………………………………………………………………………………………………………98
RECOMENDACIÓN……………………………………………………………………………………………………………………..99
CONCLUSIÓN……………………………………………………………………………………………………………………………100
BIBLIOGRAFÍA………………………………………………………………………………………………… ……………………..101
..
ANEXOS
ÍNDICE DE TABLAS.
Pagina
1.4.4.1
PROFUNDIDADES MÁXIMAS DE LA ESTACIÓN MATADERO SAYAUSI
DE 1998 – 2005……………………………………………………………………………………………………..18
1.4.4.2
VALORES DE AJUSTE MEDIANTE EL TEST DE SMIRNOV-KOLMOGOROV…………….22
1.4.4.3
ECUACIONES Y VALORES DE AJUSTE A LA CURVA I. D. F. EN LA ESTACIÓN
MATADERO SAYAUSI…………………………………………………………………………………………….25
1.4.4.4
INTENSIDADES (mm/H) POR METODO DE GUMBEL-VEN TE CHOW SIN AJUSTE
PARA LA ESTACIÓN MATADERO SAYAUSI DE LA CIUDAD DE CUENCA………………27
1.4.4.5
INTENSIDADES (mm/H) POR METODO DE GUMBEL-VEN TE CHOW CON AJUSTE
PARA LA ESTACIÓN MATADERO SAYUSI DE LA CIUDAD DE CUENCA………………..27
1.6.1.1
COEFICIENTES DE ESCORRENTÍA PARA DISTINTAS ÁREAS URBANAS………………32
1.6.1.2
PERIODO DE RETORNO PARA ESTRUCTURAS MENORES…………………………………….33
2.1.
COEFICIENTE DE RUGOSIDAD “n” DE MANING PARA SUELOS…………………………..42
3.4.2.
COEFICIENTE DE RUGOSIDAD “n” DE MANING PARA SUELOS…………………………..57
3.5.
VALORES DE PENDIENTE Y ESPACIAMIENTO PARA SUMIDEROS……………………….61
3.6
REFERENCIA RÁPIDA PARA SUMIDEROS DE VENTANA……………………………………….61
3.7.
RELACIÓN PENDIENTE CAPACIDAD DE SUMIDERO……………………………………………..62
4.2.1
DIÁMETRO DE LA CÁMARA SEGÚN EL DIÁMETRO DE LA TUBERÍA DE SALIDA….68
4.8.2.1
PERDIDA DE ENERGÍA POR CAMBIO DE DIRECCIÓN………………………………………….86
4.8.2.4
MÁXIMO ANGULO DE INTERSECCIÓN DE LAS TUBERÍA PRINCIPALES………………89
4.8.2.5.1
COEFICIENTES DE “K” EN CÁMARAS DE UNIÓN CON CAÍDA……………………………..93
9
Milton Alberto
Mauricio José
DISEÑO DE SUMIDEROS Y CÁMARAS DE INSPECCIÓN PARA ALCANTARILLADO PLUVIAL
INTRODUCCIÓN.
El estudiar las precipitaciones y conocer su distribución temporal es motivo
de interés para diversos fines, por ejemplo meteorológicos y edafológicos, como
también hidrológicos, al tiempo de lo cual se pueden proporcionar índices para
realizar estudios de crecidas o permitir la alimentación de modelos precipitaciónescorrentía que permitan mejorar la información disponible, para un adecuado
diseño y dimensionamiento de las obras civiles, casos como el alcantarillado pluvial.
Para esto, es necesario conocer las intensidades de precipitación, para distintos
períodos de retorno.
Ahora bien, la disponibilidad de datos de caudal es imprescindible para el
diseño y planificación de actividades físicas. No obstante, muchas veces no se
dispone de registros de caudales, o éstos no tienen la suficiente duración como para
hacer los análisis de frecuencia requeridos; debe entonces usarse la información
pluviométrica para estimar crecidas de cierta frecuencia. Es, por lo tanto, muchas
veces necesario presentar la información pluviométrica correspondiente a una
tormenta o lluvia en formas de intensidades, a partir de los registros de las
estaciones pluviográficas en estudio.
Parte del presente trabajo pretende analizar el diseño y construcción de las
curvas Intensidad-Duración-Frecuencia (IDF). Para ello, se necesitará conocer el
comportamiento de las precipitaciones a través de una curva que entrega la
intensidad media en función de la duración y la frecuencia, y cuya única finalidad
será la de aportar patrones de conductas de las lluvias, tal que permitan diseños
confiables y efectivos para la ingeniería, además de poner a disposición de los
ingenieros y personal técnico capacitado una herramienta de análisis y planificación
en el largo plazo.
10
Milton Alberto
Mauricio José
DISEÑO DE SUMIDEROS Y CÁMARAS DE INSPECCIÓN PARA ALCANTARILLADO PLUVIAL
CAPITULO I
CÁLCULO HIDROLÓGICO.
1.1.
IMPORTANCIA
Durante su vida sobre la tierra el hombre ha sido testigo, muchas veces sin
entenderlo, del desarrollo del ciclo del agua en la naturaleza. La distribución de los
climas, la formación de las nubes y su inestabilidad, la producción de las lluvias, la
variación de los niveles de los ríos, y el almacenamiento de agua en depósitos
superficiales o subterráneos son temas en cuyo estudio se ha venido profundizando
a lo largo de los años, conformando una rama de la física que se conoce como
Hidrología.
La Hidrología en su definición más simple es la ciencia que estudia la
distribución, cuantificación y utilización de los recursos hídricos que están
disponibles en el globo terrestre.
En la superficie la Hidrología estudia la distribución de las corrientes de agua
que riegan la superficie de la tierra y los almacenamientos en depósitos. Por último,
en
la
Hidrología
del
Agua
Subterránea
se
incluyen
los
estudios
de
los
almacenamientos subterráneos, ó acuíferos, en lo referente a localización, volumen,
capacidad de almacenamiento y posibilidad de recarga.
1.2.
OBJETIVOS.
Dentro de los objetivos de la hidrologia tenemos:
•
Recopilar, analizar, almacenar y mantener información sobre los recursos
hídricos superficiales de la zona.
•
Controlar cuantitativamente y cualitativamente los diferentes cuerpos
receptores de agua y su entorno.
•
Determinar el caudal de escorrentía que circula sobre la cuneta.
•
Realizar estudios que conduzcan a brindar información sobre las
variaciones del régimen hidrológico como resultado del cambio climático
de acuerdo a las prioridades de la zona.
11
Milton Alberto
Mauricio José
DISEÑO DE SUMIDEROS Y CÁMARAS DE INSPECCIÓN PARA ALCANTARILLADO PLUVIAL
•
Realizar los análisis correspondientes a fin de establecer el caudal de
diseño para el período de retorno adecuado.
•
Determinar las medidas estructurales y no estructurales a implementar
para la prevención y mitigación de grandes caudales de crecida.
Los estudios hidrológicos analizan los regímenes de caudales medios y
extremos de las corrientes de agua en los tramos de influencia de las obras viales,
en las zonas que requieren de alcantarillados de aguas lluvias, y en las zonas
inundables adyacentes a los cauces.
Los
caudales
de
creciente
y
las
avalanchas
que
se
generan
por
deslizamientos son las variables importantes en este tipo de proyectos. Estas
variables se relacionan luego con los niveles de inundación, con las velocidades de
flujo y con los procesos de socavación lateral y de fondo.
1.3.
ESTUDIO HIDROLÓGICO EN EL ÁREA DE APORTACIÓN.
Para la determinación del caudal para el periodo de retorno adecuado de
acuerdo a la importancia de la obra proyectada, debe llevarse a cabo utilizando
como primera alternativa los métodos siguientes:
a. Análisis Estadístico de Frecuencias de precipitaciones.- En el caso de
existir una estación hidrometeorológica cercana a la zona de estudio con
información
histórica
diaria
suficiente
de
precipitaciones
máximos
instantáneos. El análisis de frecuencias de las mismas se utiliza en los
diseños de alcantarillado pluvial. El procedimiento de cálculo tiene los
siguientes pasos:
Conformación de una serie histórica de precipitaciones máximos
instantáneos.
Análisis estadístico de la serie, y determinación del promedio,
desviación estándar y el coeficiente de asimetría.
Estimación de esperanza matemática, varianza y asimetría para
estudios de probabilidad.
Selección de una distribución de probabilidades.
Determinación de las precipitaciones de creciente para varios niveles
de probabilidad ó frecuencias.
12
Milton Alberto
Mauricio José
DISEÑO DE SUMIDEROS Y CÁMARAS DE INSPECCIÓN PARA ALCANTARILLADO PLUVIAL
b. Métodos Estadísticos de Carácter Regional.- Cuando en el sitio de
proyecto no están disponibles los datos, pero si están en sitios vecinos se
calculan los valores máximos de lluvia ó de crecida según metodologías de
regionalización de precipitación.
c. Aplicación de un modelo de simulación hidrometeorológico Lluvia –
Escorrentía.- Las técnicas de modelación pueden ser aplicadas cuando los
datos hidrométricos y de crecidas encontrados no sean suficientemente
extensos para poder aplicar las técnicas estadísticas de carácter regional
mencionadas anteriormente.
Para un análisis confiable y para la determinación de un caudal del
diseño de un proyecto de alcantarillado pluvial los métodos a y b son
recomendados, y en los cuales tiene mucha aplicabilidad.
Además es importante para realizar obras complementarias para
cualquier tipo de crecida o precipitación pluvial, mientras que el método c es
más aplicable para una modelación si no se tienen los datos estadísticos, o
de carácter regional.
1.4.
PRECIPITACIÓN.
Es cualquier agua meteórica recogida sobre la superficie terrestre, esto
incluye: lluvia, nieve, granizo.
1.4.1.
MEDICIÓN DE LA PRECIPITACIÓN.
El estudio de las precipitaciones es básico dentro del estudio hidrológico
regional para cuantificar los recursos hídricos,
puesto que constituya la principal
entrada de agua a una cuenca. También es fundamental en la previsión de
avenidas, diseño de obras públicas, estudios de erosión, y en nuestro caso para el
diseño de Sumideros y Cámaras de Inspección de alcantarillado pluvial.
Podemos cuantificar la precipitación en un punto mediante cualquier
recipiente de paredes rectas, midiendo después la lámina de agua recogida, estos
instrumentos se llaman pluviómetros.
Pluviómetros.- Recoge el agua en una bureta de sección menor a la boca
del pluviómetro. La lectura del registro se mide una vez por día. El máximo error
13
Milton Alberto
Mauricio José
DISEÑO DE SUMIDEROS Y CÁMARAS DE INSPECCIÓN PARA ALCANTARILLADO PLUVIAL
puede proceder de una ubicación defectuosa del pluviómetro, la norma fundamental
de ubicación es que tiene que estar alejada de árboles ó construcciones elevadas.
Pluviógrafos.- Funciona como un pluviómetro pero que registra la
evolución de la precipitación con el tiempo, bien con tinta y papel, o digitalmente.
En general sirve para la medición continua de un registro de precipitación.
En algunos modelos el pluviógrafo esta de un flotador que hace subir a una
plumilla que registra gráficamente el llenado del recipiente a lo largo del tiempo.
1.4.2.
APLICACIÓN DE RELACIONES LLUVIA–FRECUENCIA –DURACIÓN.
Los métodos que se basan en la interrelación lluvia-frecuencia-duración se
pueden aplicar en todos los casos. Para su correcta utilización se necesita suficiente
información cartográfica, hidrometeorológica, geológica y geográfica de la zona
donde se localiza el proyecto en estudio.
El aguacero de diseño es el evento que genera la creciente. Su valor es un
estimativo basado en estudios de probabilidad y está definido por Frecuencia,
Duración, Intensidad y Patrón temporal.
Frecuencia.- Es una medida de la probabilidad de que el aguacero de
diseño sea igualado o excedido por lo menos una vez en un año cualquiera. Así, el
aguacero de 100 años tiene una probabilidad del 1% de ser igualado o excedido por
lo menos una vez cada año.
Duración.- Se refiere al tiempo que dura el aguacero de diseño. En cuencas
pequeñas este tiempo es aproximadamente igual al Tiempo de Concentración (En
nuestro caso de estudio) de la cuenca. La duración del aguacero se divide en n
14
Milton Alberto
Mauricio José
DISEÑO DE SUMIDEROS Y CÁMARAS DE INSPECCIÓN PARA ALCANTARILLADO PLUVIAL
intervalos iguales; a cada intervalo le corresponde una parte de la precipitación y
una intensidad particular. Ver Figura 1. 4.2.
Figura 1. 4.2.
Intensidad.- La intensidad media es la relación que existe entre el total de
precipitación del aguacero de diseño y la duración del mismo. Si la duración se
divide en intervalos, cada intervalo tiene una intensidad propia.
Este valor depende del periodo de retorno considerado, generalmente se
establece un periodo decenal T= 10 años, en zonas pequeñas se adopta un periodo
de retorno de 2 – 5 años.
En aquellos casos donde existen inundaciones el período decenal puede
aumentar a 15, 25, 50 años, hasta incluso 100, 1000 si se previeran daños
catastróficos.
Patrón Temporal.- Es el hietograma del aguacero de diseño. En cuencas
pequeñas se acepta que la intensidad es constante a lo largo del aguacero.
1.4.3.
DETERMINACIÓN Y APLICACIÓN
DE CRITERIOS
EMPÍRICAS
REGIONALES.
Los criterios Empíricos permiten calcular los caudales de creciente en función
de algunas de las características físicas e hidrometeorológicas de cuencas que
tienen buena información y pertenecen a una región determinada. Mediante
procedimientos de Regionalización pueden utilizarse en cuencas no instrumentadas
15
Milton Alberto
Mauricio José
DISEÑO DE SUMIDEROS Y CÁMARAS DE INSPECCIÓN PARA ALCANTARILLADO PLUVIAL
de la misma región.
Cuando la cuenca está bien instrumentada las curvas Intensidad-DuraciónFrecuencia, se obtienen de análisis de frecuencias de lluvias máximas registradas
como en el presente caso de estudio (Ver Figura 1.4.4.1), pero en cuencas con
información escasa es necesario aplicar métodos empíricos con base en registros de
lluvias máximas diarias, que se obtienen de estudios regionales o mediante
transposición de lluvias de cuencas de características similares.
1.4.4.
MÉTODOS DE DISTRIBUCIÓN DE EXTREMOS PARA CURVAS DE
INTENSIDAD-DURACIÓN-FRECUENCIA (I.D.F.) APLICADOS EN LA
CIUDAD DE CUENCA.
Para el presente estudio monográfico se ha considerado tres métodos de
Distribución de Extremos: Distribución Gumbel Tipo I, Distribución Gumbel – Ven
Te Chow y Distribución de Frechet.
Previo a la aplicación de estos métodos se realiza un análisis de los días y
horas de mayor precipitación para graficar las curvas de masa de las diferentes
profundidades máximas diarias de los datos pluviométricos proporcionados por la
Red Hidrometeorológica Unificada de la Cuenca del Río Paute (Ver Anexo 10),
como se presenta en la Figura 1.4.4.1.
Figura 1.4.4.1: Códigos pluviométricos diarios
Fuente: Red Hidrometeorológica Unificada de la Cuenca del Río Paute.
16
Milton Alberto
Mauricio José
DISEÑO DE SUMIDEROS Y CÁMARAS DE INSPECCIÓN PARA ALCANTARILLADO PLUVIAL
Cada código representa una profundidad de 0.5mm, a continuación se
detalla esta descripción mediante un ejemplo:
Ejemplo:
DA 980109
151122
151239
Indica que hubo lluvia el día 09 de enero de 1998 a las 15 Horas 11 minutos
22 segundos con una profundidad de 0.5 mm y otro a las 15 Horas 12 minutos y 39
segundos con misma profundidad.
Para determinar las tormentas máximas se tabula los valores mencionados y
luego se grafica como se presenta en la Figura 1.4.4.2.
Figura 1.4.4.2: Curva de masas de Precipitación ocurrida en un día.
Este proceso se ejecutó analizando todos los días posibles de ocurrencia de
17
Milton Alberto
Mauricio José
DISEÑO DE SUMIDEROS Y CÁMARAS DE INSPECCIÓN PARA ALCANTARILLADO PLUVIAL
tormentas máximas con diferente rango de duración, para nuestro trabajo
investigativo se tomó como tiempo de duración 1, 2, 3, 6, 9, 12 y 24 horas. La
selección de la profundidad máxima para diferente rango se fue seleccionando en
las graficas como se presenta en la Figura 1.4.4.2. Todos los detalles y las
graficas respectivas de cada año se encuentran en el Anexo 1.
Además, por carencia de datos pluviométricos de años anteriores, y teniendo
conocimiento que los resultados tienen que ser más objetivos se seleccionó 3
tormentas máximas diarias dentro de cada año como se presenta en la Tabla
1.4.4.1, y adicionalmente se anotó las fechas respectivas de ocurrencia.
TABLA 1.4.4.1:
PROFUNDIDADES MÁXIMAS DE LA ESTACIÓN MATADERO-SAYAUSI DE 1998-2005
Nº
DURACIÓN EN HORAS
1
2
3
6
9
12
24
09/01/1998
1
31,5
16,75
11,17
5,58
3,72
2,79
1,75
26/05/1998
2
24,5
11,25
8,30
4,75
3,78
2,83
1,67
12/03/1998
3
18,3
12,25
7,67
4,17
2,78
2,13
1,39
12/06/1999
4
36,5
19,25
12,83
6,41
4,28
3,20
1,89
13/04/1999
5
15,5
9,25
6,17
3,42
2,23
1,71
1,10
08/08/1999
6
11,5
7,25
4,08
2,17
1,44
1,44
0,85
01/05/2000
7
18,5
9,50
6,17
3,17
2,11
2,21
1,10
18/12/2000
8
16,0
11,50
7,67
3,83
2,75
1,79
1,17
29/02/2000
9
10,5
7,50
4,17
2,50
2,06
1,58
0,90
29/12/2001
10
13,0
8,50
5,33
3,75
2,72
2,04
1,02
09/09/2001
11
16,5
9,00
5,83
2,91
1,94
1,67
0,92
21/02/2001
12
13,0
7,00
5,00
2,75
1,88
1,58
0,71
21/03/2002
13
19,0
10,75
7,50
3,83
2,56
2,75
1,44
22/10/2002
14
18,0
10,25
7,33
4,67
3,11
2,33
1,38
16/01/2002
15
15,5
10,75
7,17
3,67
2,44
1,83
1,19
12/04/2003
16
16,5
9,50
8,30
4,17
5,16
4,29
2,42
07/05/2003
17
16,0
8,75
6,50
6,50
3,05
2,29
1,15
22/11/2003
18
14,5
11,00
5,67
4,16
2,89
2,16
1,08
30/03/2004
19
37,0
19,50
13,00
6,50
4,33
2,25
1,13
15/05/2004
20
15,0
8,25
5,67
2,83
1,89
3,33
1,67
19/10/2004
21
11,5
8,00
4,50
2,25
1,05
2,00
1,00
21/10/2005
22
11,5
7,25
5,48
2,81
1,87
1,95
1,63
26/12/2005
23
11,0
6,75
4,47
2,20
1,46
1,12
1,46
05/06/2005
24
10,5
6,00
4,36
2,01
1,32
0,91
0,79
Fuente: Elaboración de los Autores.
Después de obtener los valores de las tormentas máximas para diferente
tiempo de duración, se ordena de forma descendente para proceder a la aplicación
de los métodos de distribución de extremos. Adicionalmente a cada distribución de
18
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extremos se realiza la prueba de bondad de ajuste de Smirnov-Kolmogorov para
comprobar la validez de la distribución.
Cada método de distribución presenta valores de intensidad para generar las
curvas de Intensidad-Duración-Frecuencia, con un período de retorno de 5, 10, 20,
30, 50, 100, 200 y 1000 años; luego se realiza el ajuste por mínimos cuadrados a
ecuaciones pluviométricas. Ver Anexo 6.
a. Distribución Gumbel Tipo I.
Se
aplica,
fundamentalmente,
a
valores
extremos
de
datos
hidrológicos. Su función de distribución viene dada por la siguiente
expresión:
F (x) = e−e
−α ( x − β )
Ecuación 1.1
La función de densidad es:
f (x) = α * e−α ( x −
β ) * e−e
−α (x − β )
Ecuación 1.2
Donde β y α, son parámetros a ajustar que se obtienen igualando los
momentos de primero y segundo orden para cada distribución, resultando
las relaciones siguientes entre la media Y , y la desviación típica σ:
1
α
= 0.7797σ
β = Y − 0.45σ
La ley de Gumbel tiene una ventaja respecto a la de Goodrich, que
radica en la facilidad de definirse sus coeficientes, pero presenta el
inconveniente de tener cierta rigidez al intervenir solamente dos parámetros.
Los valores negativos de la variable aleatoria, según Gumbel, aún
tendrían cierta probabilidad de suceder, lo que no es cierto para los
caudales, que no pueden ser negativos. En cambio, en varios casos, se
aplica esta ley con cierta precisión para valores elevados de la variable
aleatoria.
Aplicando logaritmos a la Ecuación 1.2 resulta:
19
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Y = β −
⎛
⎛
1
Ln ⎜ − Ln ⎜⎜ 1 −
⎜
Tr
⎝
⎝
⎞
⎟⎟
⎠
⎞
⎟
⎟
⎠
α
Ecuación 1.3
La Ecuación 1.3 determina los valores de la intensidad de los datos
pluviométricos anotados anteriormente, a partir del cual se crea las curvas
de Intensidad-Duración-Frecuencia. Estos cálculos se presentan con detalle
en el Anexo 3, incluidos toda la aplicación empírica y teórica del método.
b. Distribución de Frechet.
Leyes de distribución de este método en la práctica da buenos
resultados, principalmente porque las variables hidrológicas no se ajustan
muy bien a las leyes estadísticas.
Para eliminar la posibilidad de valores negativos se utiliza este
método. A la variable x de Gumbel se la cambia por la variable η para
Frechet aunque en realidad existen valores negativos en precipitaciones y
caudales menores el cual hace que el método fracase, como en realidad
ocurre en este trabajo (Ver Anexo 4) pues los valores generados varían en
relación a los otros dos métodos aunque la prueba de bondad de ajuste
presenta excelentes resultados.
ln η = x Gumbel
Pr ob (η ≤ y ) = Pr ob (ln η ≤ ln y )
Pr ob (η ≤ y ) = Pr ob ( x ≤ ln y )
Pr ob (η ≤ ln y ) = e − e
−α (ln y −U )
Ecuación 1.4
Donde U y α, son parámetros a ajustar que se obtienen igualando los
momentos de primero y segundo orden para cada distribución, resultando
las relaciones siguientes entre la media X , y la desviación típica σ:
1
α
= 0 . 7797 σ ln η
U = X ln η − 0 . 45 σ ln η
Aplicando logaritmos a la Ecuación 1.4, resulta.
20
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DISEÑO DE SUMIDEROS Y CÁMARAS DE INSPECCIÓN PARA ALCANTARILLADO PLUVIAL
ln y = U −
⎛
⎛
1 ⎞ ⎞⎟
ln ⎜ − ln ⎜⎜ 1 −
⎟
⎜
Tr ⎟⎠ ⎟⎠
⎝
⎝
α
A través de las expresiones anteriores se obtiene los valores de
intensidad que se presentan en el Anexo 4.
c. Distribución de Gumbel - Ven Te Chow.
Ven Te Chow modifica la distribución de Gumbel en donde propone que la
probabilidad de que la variable aleatoria supere un determinado valor
observado, se calcule con:
k
N +1
En donde se llega a:
k
F(x)= 1- N + 1
Siendo k el número de orden que corresponde al valor observado, y N
el número de observaciones, se llega a determinar que:
x =U −
1⎡ ⎛
N +1
⎢ln ⎜⎜ − ln
a ⎣⎢ ⎝
N +1− k
⎞⎤
⎟⎟ ⎥
⎠ ⎦⎥
Ecuación 1.5
A partir de la Ecuación 1.5 se obtiene los respectivos datos de
intensidad el cual se tomará como referencia para nuestros diseños. El
presente método se presenta en el Anexo 5, los resultados de las
distribuciones y el ajuste obtenido son los más cercanos a la realidad en
referencia a investigaciones hechas anteriormente.
d. Prueba de Bondad de Ajuste de Smirnov-Kolmogorov.
La prueba de bondad de ajuste de mayor aplicación en la hidrología
es el Test de Smirnov-Kolmogorov, la que considera la desviación de la
función de distribución de probabilidades de la muestra P(x) de la función de
21
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DISEÑO DE SUMIDEROS Y CÁMARAS DE INSPECCIÓN PARA ALCANTARILLADO PLUVIAL
Δ max = max P( x) − Po( x)
probabilidades teórica, escogida Po(x) tal que:
La prueba requiere que el valor ∆máx. calculado con la expresión
anterior sea menor que el valor tabulado ∆máx. para un nivel de
probabilidad requerido.
Esta prueba es fácil de realizar y comprende las siguientes etapas:
•
El estadístico ∆máx. es la máxima diferencia entre la función
de distribución acumulada de la muestra y la función de
distribución acumulada teórica escogida.
•
Se fija el nivel de probabilidad α, valores de 0.05 y 0.01 son
los más usuales.
•
El valor crítico ∆ο. de la prueba debe ser obtenido de tablas ya
establecidas en función de α y n.
•
Si el valor calculado ∆máx. es mayor que el ∆ο., la distribución
escogida se debe rechazar.
Cada detalle de estos calculos se ejecuta en los métodos de distribución
mencionados y se presentan en los Anexos 3-5, una muestra de los
resultados se indica en la Tabla 1.4.4.2, aplicados al método de distribución
de Gumbel-Ven Te Chow.
TABLA 1.4.4.2:
VALORES DE AJUSTE MEDIANTE EL TEST DE SMIRNOV-KOLMOGOROV
Duración
∆máx.
∆o
Observaciones
N=24 y
α=0,05
1
0,1926
0,27
Se acepta el ajuste
2
0,1349
0,27
Se acepta el ajuste
3
0,1147
0,27
Se acepta el ajuste
6
0,1257
0,27
Se acepta el ajuste
9
0,2411
0,27
Se acepta el ajuste
12
0,1061
0,27
Se acepta el ajuste
24
0,1366
0,27
Se acepta el ajuste
Fuente: Elaboración de los Autores.
22
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e.
Ajuste
de
las
Curvas
Intensidad-Duración-Frecuencia
a
Ecuaciones Pluviométricas por Mínimos Cuadrados.
Con la aplicación de los métodos de distribución se obtiene finalmente
la forma analítica de las curvas de Intensidad-Duración-Frecuencia (Ver
Anexos 3-5) para diferente valor de periodo de retorno de acuerdo al tipo
de diseño que se ha propuesto, como se dio en nuestro caso de 5, 10, 20,
30, 50, 100, 200 y 1000 años. Sin embargo, estas curvas analíticas generan
valores que no dan una correlación entre intensidad y la duración de una
lluvia correspondiente a una frecuencia para una aplicación práctica o
ejecución de un diseño. Para lograr este objetivo, éstas curvas se ajustan
por mínimos cuadrado a ecuaciones pluviométricas que tienen la siguiente
expresión:
i =
A
(d
+
C
)B
Ecuación 1.6
Donde:
A, B, C = Coeficiente que depende de la Frecuencia del
evento.
d =
Duración (min).
i =
Intensidad del aguacero.
La Ecuación 1.6 es aceptable para duraciones menores de 2 horas y
frecuencias menores de una vez en 100 años pero su análisis y su respectivo
ajuste a esta ecuación potencial no es aplicable directamente porque tiene
muchas variables por lo tanto lo que previamente se hace es transformar a
una ecuación lineal, de la siguiente forma:
i=
A
(d + C )B
⇒ i = A * (D + C )− B
ln I = ln A + B ln (D + C )
La ecuación transformada se grafica (ver Figura 1.4.4.3) mediante
una estimación lineal entre Ln(D+C) y Ln(I), el cual resulta un ecuación
23
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lineal, como:
I = A + Bx ⇒ Y = mx + b1
Ecuación 1.7
Para la aplicación de la Ecuación 1.7 las unidades de los valores de
duración de las tormentas máximas deben estar en minutos.
Una vez graficada genera los parámetros A y B correspondientes a la
ecuación potencial de intensidad a la que se esta ajustando, a través del
cual mediante un solucionador de Excel se procede a encontrar el valor de C
para completar todos los parámetros de la ecuación pluviométrica ajustada.
En el Anexo 6 se encuentran los cálculos detallados de los
parámetros para los períodos de retorno descritos anteriormente. Sin
embargo, una muestra de este proceso analítico se presenta en la Figura
1.4.4.3.
24
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Figura 1.4.4.3: Ajuste por mínimos cuadrados
A los parámetros encontrados se procede generar las ecuaciones
pluviométricas para cada curva.
Para nuestro caso en la Estación Matadero de Sayausi mediante la
aplicación del Método de Distribución de Extremos de Gumbel – Ven
Te Chow que es modelo escogido para realizar el cálculo de intensidad para
el caudal de diseño se encontró los valores que se presentan en la Tabla
1.4.4.3.
TABLA 1.4.4.3:
Ecuaciones y valores de Ajuste a las Curvas IDF en la Estación
Matadero de Sayausi.
Tr
C
R^2
5
-9,0116
0,9995
10
-9,7729
10,2909
12,6910
10,7199
11,0043
11,2321
11,6195
20
30
50
100
200
1000
Y = mx + b
m
b1
A
y = -0,8156x + 6,3846
-0,8156
6,3846
592,6607
0,9998
y = -0,819x + 6,5529
-0,8190
6,5529
701,2548
0,9999
y = -0,8216x + 6,6921
-0,8216
6,6921
806,0434
0,9999
y = -0,8171x + 6,7045
-0,8171
6,7045
816,0869
0,9999
y = -0,8245x + 6,85
-0,8245
6,8500
943,8809
0,9999
y = -0,826x + 6,9529
-0,8260
6,9529
1046,1443
0,9999
y = -0,8274x + 7,046
-0,8274
7,0460
1148,2854
0,9998
y = -0,8298x + 7,2339
-0,8298
7,2339
1385,5738
Fuente: Elaboración de los Autores
CUADRO DE VALORES PARA LAS ECUACIONES I.D.F.
Tr
A
B
C
5
592,6607
-0,8156
-9,0116
10
701,2548
-0,8190
-9,7729
20
806,0434
-0,8216
-10,2909
30
816,0869
-0,8171
-12,6910
50
943,8809
-0,8245
-10,7199
100
1046,1443
-0,8260
-11,0043
200
1148,2854
-0,8274
-11,2321
1000
1385,5738
-0,8298
-11,6195
Fuente: Elaboración de los Autores
25
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Los parámetros encontrados generaron las ecuaciones pluviométricas
como se muestra en la Figura 1.4.4.4 y nos ayudan a graficar las curvas
Intensidad-Duración-Frecuencia definitivas que se emplearán para el cálculo
de cualquier valor de caudal de diseño que servirá en los proyectos de obras
de alcantarillado pluvial puesto que tienen una mejor aproximación práctica
de la realidad, aunque cabe mencionar que no se aprecia una variación
significativa con la ecuaciones de ajuste.
Figura 1.4.4.4: Ecuaciones Pluviométricas de la Intensidad para la Estación
Matadero Sayausi de la Ciudad de Cuenca.
26
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Estos detalles descritos se presentan en las Tabla 1.4.4.4 y Tabla
1.4.4.5.
TABLA 1.4.4.4:
Intensidades (mm/h) por Método de Gumbel-Ven Te Chow sin Ajuste para
la Estación MATADERO-SAYAUSI de la ciudad de Cuenca
DURACIÓN EN HORAS
1
2
3
6
9
12
24
5
23,727
13,201
8,891
4,918
3,471
2,786
1,614
10
28,141
15,317
10,351
5,723
4,081
3,223
1,849
20
32,375
17,347
11,752
6,495
4,666
3,642
2,075
30
34,810
18,515
12,558
6,939
5,003
3,884
2,206
50
37,855
19,975
13,565
7,494
5,423
4,185
2,368
100
41,961
21,944
14,924
8,243
5,991
4,592
2,587
200
46,053
23,906
16,278
8,989
6,556
4,997
2,806
1000
55,531
28,451
19,413
10,717
7,866
5,936
3,312
Fuente: Elaboración de los Autores
TABLA 1.4.4.5:
Intensidades (mm/h) por Método de Gumbel-Ven Te Chow con Ajuste para
la Estación MATADERO-SAYAUSI de la ciudad de Cuenca
DURACIÓN EN HORAS
1
2
3
6
9
12
24
5
24,001
12,727
8,946
4,976
3,550
2,798
1,582
10
28,364
14,901
10,438
5,781
4,116
3,240
1,826
20
32,550
16,985
11,869
6,553
4,659
3,663
2,061
30
34,928
17,887
12,443
6,851
4,871
3,832
2,159
50
37,959
19,685
13,723
7,552
5,361
4,211
2,363
100
42,019
21,707
15,110
8,300
5,887
4,622
2,591
200
46,063
23,721
16,492
9,046
6,411
5,031
2,817
1000
55,431
28,386
19,694
10,773
7,625
5,978
3,341
Fuente: Elaboración de los Autores
27
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Encontrados los valores ajustados se grafica las curvas IDF (ver
Figura 1.4.4.5) para empezar a determinar el caudal de diseño de las obra
a diseñarse. Los calculos respectivos y los resultados finales se encuentran
en el Anexo 7.
Figura 1.4.4.5.: Curvas IDF de la Estación Matadero (Sayausi) de la ciudad
de Cuenca
1.5.
DELIMITACIÓN DE LA CUENCA DE APORTACIÓN.
Para la delimitación de la cuenca de aporte se determinará los parámetros
físicos de la misma, tales como: pendiente, longitudes del curso más largo, etc.
Se establecerá la distribución catastral dentro de las manzanas que
componen la cuenca, ello permitirá identificar la forma de aporte de cada una y
ajustar los límites de las cuencas y subcuencas en forma precisa. Se deben conocer
los elementos relativos a la urbanización de la cuenca de aporte, tales como:
1. Tipo de ocupación de las áreas, Planeamiento Urbano (residencial,
28
Milton Alberto
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DISEÑO DE SUMIDEROS Y CÁMARAS DE INSPECCIÓN PARA ALCANTARILLADO PLUVIAL
comercial).
2. Porcentajes de ocupación de los lotes.
Para ello se realizara un levantamiento topográfico, necesariamente de una
nivelación geométrica en todas las esquinas de la zona de trabajo que nos permita
identificar las líneas potenciales de escurrimiento y trazar la cuenca de aporte,
conociendo además y de ser posible las cuencas vecinas.
Estos datos topográficos que se deberán relevar tendrán básicamente dos
estructuras diferentes, dependiendo si el área de trabajo posee ó no infraestructura
de pavimento.
a) Con Infraestructura de Pavimento.- Será suficiente con acotar los puntos
que se indiquen en los planos respectivos y que a criterio del profesional que
realiza el relevamiento encuentre particularidades.
b) Sin Infraestructura de Pavimento.- El relevamiento topográfico tomará
las cotas en esquinas, centros de calles, veredas y fundamentalmente
deberá incluir cotas de los umbrales de las viviendas de la zona en estudio,
estas son las que condicionaran de alguna manera los niveles y cotas de los
elementos que se incluirán en el proyecto.
Dentro de este estudio monográfico se toma la infraestructura de pavimento
del sector de la Avenida Ordóñez Lazo cercana a la parroquia Sayausi, como se
indica en la Figura 1.5.1 y Anexo 11.
29
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Figura 1.5.1.
1.6.
CALCULO DEL CAUDAL DE DISEÑO.
Para el Proyecto de un sistema de Desagües Urbanos, requiere como
requisito preliminar establecer el criterio general con el que se encararan las
soluciones ó alternativas.
Cuando se trata de pequeñas cuencas los errores y desconocimientos de
establecer criterios no ponen en riesgo vidas humanas; pero por el contrario si se
trata de grandes extensiones de terreno un error y desconocimiento de criterios
pondría en riesgo las vidas humanas de la población y sus bienes.
Además se adoptara como criterio de diseño minimizar las afectaciones a las
viviendas que se encuentren en lugares topográficamente factibles y lógicos para su
construcción, y viviendas vecinas.
Para el calculo de caudal de diseño se utilizará el Método Racional porque la
cuenca de estudio es menor a 10 ha, que es lo más recomendable en este caso.
1.6.1.
MÉTODO RACIONAL.
Este Método es preconizado por la normativa francesa y se basa en el
intento de la aplicación de las fórmulas clásicas de la física y la hidráulica, y es
adoptado
por
los
países
sajones
en
base
a
una
larga
y
concienzuda
experimentación en cuyos resultados quedan absorbidos parámetros de tan difícil
ponderación matemática como son, entre otros, la simultaneidad de utilización de
aparatos, la interferencia de otros conductos y sobre todo en bajantes, la
interacción agua - aire en el descenso del líquido.
El Método Racional se aplica en cuencas homogéneas pequeñas, para 1300
Ha o menos, principalmente para drenajes de carreteras, patios, áreas rurales, etc.
Se representa con la siguiente expresión:
Q=
c*I * A
360
Ecuación 1.8.
Donde:
30
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DISEÑO DE SUMIDEROS Y CÁMARAS DE INSPECCIÓN PARA ALCANTARILLADO PLUVIAL
Q = Caudal máximo de diseño de la escorrentía, (m3/s)
A = Superficie de las zonas afluentes al punto considerado, (ha).
I = Intensidad máxima de duración igual al tiempo de concentración de la
cuenca, (mm/H).
c
= Es el coeficiente de escorrentía; depende de la morfometría de la
cuenca y del tipo de cobertura superficial, (0 – 1)
Las principales dificultades que se encuentran para el uso correcto de la
fórmula son dos:
1. La asignación de valores apropiados al coeficiente de escorrentía (C)
2. La determinación de la intensidad del aguacero (I).
La selección del coeficiente de escorrentía como se presenta en la Tabla
1.6.1.1 es subjetiva porque, aún cuando existen tablas y recomendaciones
generales, el criterio de ingeniero es definitivo.
Sin embargo, la tabla indicada puede ser como ayuda para tener mayor
criterio técnico en el proyecto o diseño que se va a ejecutar.
Los coeficiente de escorrentía están en función de la impermeabilidad del
terreno, el cual es un aspecto muy importante en el alcantarillado pluvial porque las
perdidas por infiltración disminuye con la duración de la lluvia debida a la
saturación paulatina de la superficie del suelo o la infiltración puede modificar de
manera importante la intervención del hombre en desarrollo de la ciudad mediante
acciones como tala de árboles y construcción de nuevos sectores residencial o
comerciales.
Por su parte, la intensidad del aguacero se deduce de análisis de intensidad,
duración y frecuencia. La aplicación del Método Racional induce a sobreestimar los
caudales de creciente.
La intensidad del evento obtenida a través del as curvas IDF corresponde a
un valor específico. Cuando el área de drenaje es muy extensa, la lluvia no se
presenta con la misma intensidad sobre toda la zona y, por tanto, la intensidad de
diseño es menor.
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TABLA 1.6.1.1:
COEFICIENTES DE ESCORRENTÍA PARA DISTINTAS ÁREAS URBANAS
Coeficiente
Viviendas
HECTÁREA
De
Escorrentía
Para Lluvias De Duración (c)
CORTA
LARGA
> 150
0.70 - 1
1.00
100 - 150
0.75 - 1.00
1.00
50 - 100
0.65 - 0.80
1.00
25 - 50
0.40 - 0.70
1.00
10 - 25
0.30 - 0.50
0.80 - 0.90
5 - 10
0.25 - 0.35
0.60 - 0.80
0-5
0.10 - 0.25
0.50 - 0.60
Céntrica
-
0.70 - 0.95
1.00
Periférica
-
0.50 - 0.70
1.00
Ligera
-
0.50 - 0.80
1.00
Pesada
-
0.60 - 0.90
1.00
DEPORTIVA
-
0.20 - 0.35
0.50
PARQUES Y JARDINES
-
0.10 - 0.25
0.40
Fuente: Ven Ten Chow – HIDROLOGIA APLICADA
En la tabla anterior es una estimación del coeficiente de correntia, pero en
realidad el agua lluvia que se precipita sobre la tierra, una parte discurre por la
superficie de los terrenos. Por tanto, el coeficiente de escorrentía es la relación que
existe entre el caudal que discurre y el caudal total precipitado que se da con la
siguiente forma:
c=
QE
QT
Ecuación 1.9.
Donde:
c
= Coeficiente de escorrentía.
QE = Caudal que discurre por la superficie de los terrenos.
QT = Caudal total precipitado.
El Coeficiente de escorrentía medio viene dado por la siguiente fórmula:
cm =
∑c * A
∑A
i
i
Ecuación 1.10.
i
Donde:
Cm = Coeficiente de escorrentía medio
32
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Ci = Coeficiente de escorrentía del área i
Ai = Superficie del área i
Dado que el método racional tiene sus limitaciones en cuanto a área de
aplicación y a que es un método empírico y no hidrometeorológico, no debe usarse
para el análisis hidrológico en zonas de inundación. Los períodos de retorno
recomendados para estructuras menores son los que se presenta en la Tabla
1.6.1.2.
TABLA 1.6.1.2:
PERIODO DE RETORNO PARA ESTRUCTURAS MENORES.
Periodo de
Retorno
Tipo de Estructura
(años)
Alcantarillas de Carretera
Volumen de Trafico Bajo
5 -
10
Volumen de Trafico Intermedio
10 -
25
Volumen de Trafico Alto
50 -
100
Sistema Secundario
10 -
50
Sistema Primario
50 -
100
2 -
25
25 -
50
5 -
10
Volumen Intermedio
10 -
25
Volumen Alto
50 -
100
Puente sobre Carretera
Drenaje Urbano
Alcantarillas en Ciudades Pequeñas
Alcantarillas en Ciudades Grandes
Drenaje de Aeropuertos
Volumen Bajo
Fuente: Ven Ten Chow – HIDROLOGIA APLICADA
Siguiendo con el cálculo del Método Racional, se debe evaluar el tiempo de
concentración como suma del tiempo de escorrentía más el tiempo de recorrido;
además se debe establecer el período de retorno. Para lo cual:
Tiempo de Concentración: Es el tiempo al pico, para que llegue a la
sección considerada el máximo caudal de la cuenca. El tiempo de concentración es
el intervalo de tiempo que tarda el agua caída en el lugar más alejado de la cuenca
en alcanzar el punto en el que se desea calcular el caudal.
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Tiempo de Escorrentía: Es el tiempo que tarda el agua caída en alcanzar
un curso de agua conocido o la red de alcantarillado.
Tiempo de Recorrido: Es el tiempo que tarda el agua, que discurre por un
curso conocido, o la red de alcantarillado, en alcanzar el punto en el que es estudia
el caudal. Este tiempo depende de las condiciones hidráulicas del cauce o de los
colectores. Por lo que se compone de dos sumandos:
Tiempo de concentración = Tiempo de escorrentía + Tiempo de recorrido
Tc = 5 min +
υ c1 =
R=
R
A
P
2/3
Lc1
υ c1
+
Lc 2
υc2
Ecuación 1.11.
* i1 / 2
n
i=
Ecuación 1.12.
ΔH
L
Ecuación 1.13.
Donde:
Lc1 = Longitud de recorrido, (m).
vc1 = Velocidad de recorrido, (m/min).
Lc2 = Longitud de traslado del conducto, (m).
vc2 = Velocidad de traslado del conducto, (m/min).
R
= Radio Hidráulico, (m).
A
= Área transversal del recorrido, (ha).
P
= Perímetro mojado del recorrido, (m)
i
= Pendiente del recorrido.
∆H = Diferencias de cotas, inicial y final, (m).
L
1.6.2.
= Longitud total acumulado, de recorrido, (m).
CÁLCULO DEL CAUDAL HIDROLÓGICO.
Para el diseño de una red de alcantarillado se tiene presentes algunos
parámetros, los cuales dependen de los métodos aplicados, y están en función de la
intensidad, frecuencia, tiempo, coeficiente de retorno, etc.
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El valor de cálculo pluvial en un punto dado se obtiene de la siguiente forma:
1. Determinar la cuenca afluente al punto considerado.
2. Definir el esquema general de la red o de los cauces afluentes a este
punto.
3. Calcular la superficie total de la cuenca afluente y las superficies
parciales de distintos coeficientes de escorrentía.
4. Definir estos coeficientes de escorrentía y calcular el coeficiente de
escorrentía medio.
5. Evaluar el tiempo de concentración como suma del tiempo de
escorrentía más el de recorrido.
6. Definir el período de retorno.
7. Obtener para la zona considerada la máxima intensidad media horaria
para un período decenal.
8. Calcular el caudal pluvial.
Para diseñar los elementos de una red de drenaje es necesario conocer el
origen y la magnitud de los caudales máximos que pueden llegar a la red. Para el
calculo del caudal Pluvial se toman en cuenta las calles que concurren en un punto,
además se realizara el calculo del caudal que ingresa dentro de los sumideros, y
serán transportados por una conducción.
Para la conducción se tienen diámetros comerciales; para su determinación
se impondrá un caudal comercial.
Caudales Máximos: Este Caudal Máximo depende del método más
apropiado, de acuerdo con la importancia del proyecto y con la calidad de la
información disponible.
Dentro del proceso de diseño de nuestro trabajo monográfico se determinó
como ejemplo una manzana de la Av. Ordóñez Lazo como indica la Figura 1.5.1,
donde se hará el diseño de un sumidero (ventana y cuneta) (Cap. III) y cámaras
de inspección (Cap. IV) mediante dos métodos posibles.
35
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Por lo tanto, para el cálculo del caudal de diseño se tomará en cuenta estas
consideraciones puesto que el objeto de este trabajo monográfico es tratar de
enfocar de manera general el alcantarillado pluvial a partir de datos pluviométricos
ya analizados anteriormente sin especificar una zona determinada en la ciudad de
Cuenca porque los diseños de este tipo de obras depende de la zona de
alcantarillado a ejecutarse.
Para obtener el caudal de diseño, se siguió el siguiente proceso que se
resume a continuación:
1
Selección de las Estación Pluviográfica.- En la Ciudad de Cuenca
existen varias estaciones pluviográficas. De todas éstas, se tomó como
referencia la estación Matadero ubicado en Sayausi. Puesto que esta
estación contaba con datos meteorológicos actuales. En dicha estación se
tomó como criterio el tipo, cantidad y periodicidad de los datos,
tomándose como referencia de análisis el período comprendido entre
1998 – 2005.
2
Recolección de la Información Requerida.- Los datos pluviométricos
e información necesaria para el desarrollo de esta investigación, fueron
aportados por la “Red Hidrometeorológica Unificada de la Cuenca Del Río
Paute”.
Los antecedentes facilitados por
dicha institución,
fueron
analizados y digitados en una hoja de calculo Excel, tomando como
referencia la profundidad del pluviógrafo en una constante de 0.5 mm, y
a cada dato de profundidad le corresponde una fracción de tiempo. Este
tiempo es registrado en segundos, minutos, horas y días; a la vez es
guardado y emitido desde dicha Estación hasta el centro de recepción de
datos ubicados en Ucubamba.
3
Selección de intensidades máximas.- En esta etapa se analizaron los
datos de registro del pluviógrafo, para lo cual se tomaron los tres datos
máximos anuales de profundidad. Se partió con mediciones de 12:00 pm
de la noche, hasta las 12:00 am. del día siguiente, para una duración de
24 horas; luego, fue necesario desplazarse en intervalos de tiempo de
forma discreta y estable, utilizando para ello precipitaciones diarias, con
el propósito de ir seleccionando para cada año los valores extremos de
precipitación para tiempos de 1, 2, 3, 6, 9, 12 y 24 horas, analizándose
alrededor de 2.880 datos diferentes observados entre los años 1998 y
2005. Posteriormente, se tomaron los valores de cada una de las series
36
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anuales, se dibujaron en una hoja electrónica
y se dividieron por su
profundidad
obteniéndose
(mm.)
y
su
duración
(Horas),
así
las
Distribución
de
intensidades en mm/ H.
4
Ajuste
de
los
datos
con
una
Función
de
Probabilidad.- Una vez calculadas las profundidades máximas horarias
anuales, se realiza una tabla para cada duración (1, 2, 3, 6, 9, 12, 24
Horas) y se coloca sus valores en forma descendente, fue necesario
asignar a cada duración de lluvia seleccionada un período de retorno,
para luego ajustar dichos valores a la Función de Distribución de
Probabilidad de valor extremo como la función Gumbel Tipo I, Frechet,
Gumbel-Ven te Chow.
5
Determinación de las Curvas IDF para distintos Periodos de
Retorno.- Una vez ejecutada la función de distribución de probabilidad
de Gumbel Tipo I, Frechet, Gumbel-Ven te Chow, se procedió a graficar
la intensidad de precipitación y la duración, de modo de obtener los
puntos de la curva asociada a un período de retorno de 10 años.
6
Ajuste por Mínimos Cuadrados.- En esta etapa se procedió a la
construcción de tablas de ecuaciones, encontrando para esto todos los
parámetros, A, B, C. de las ecuaciones pluviométricas.
7
Análisis
de
la
Intensidad
De
Diseño.-
Según
información
proporcionada por la “Red Hidrometerologica Unificada de la Cuenca del
Río Paute” la precipitación máxima que puede causar inundación en la
ciudad de Cuenca es de 2-3 horas de duración. Además, se determinó
un periodo de retorno para los diseños de alcantarillado pluvial de 10-20
años.
Es así que para nuestro diseño se asumió una duración de 2
horas, y un periodo de retorno de 10 años, los cuales fueron
remplazados en la ecuación pluviométrica ya obtenidas anteriormente,
dando como resultado lo siguiente:
i=
701,2548
( d - 9,77290 )0,8190
Si d = 120 min, entonces:
37
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i = 14,9mm / H
Este valor también puede obtenerse mediante las curvas I.D.F,
mencionadas en Figura 1.4.4.5, el cual se detalla en la Figura 1.6.2.
Figura 1.6.2: Calculo de Intensidad con curvas IDF
8
Área de Aportación.- Para obtener el Área de aportación de la Cuenca,
se visito el lugar de estudio (Anexo 11), dando como resultado lo
siguiente (Ver Figura 1.5.1):
A=
(B + b) * H
2
=
(200 + 100) * 50
= 7500m 2
2
A = 0.75Ha
9
Coeficiente de Escorrentía.- Para la estimación de este valor para la
ciudad de Cuenca se toma como referencia el parámetro de:
C = 0.8
10 Caudal de Diseño.- Según el método Racional se obtiene lo siguiente:
38
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Q=
C * I * A 0.8 * 14.9 mm / H * 0.75 Ha
=
360
360
Q = 0.025m3 / s = 25lit / s
Es así que finalmente se definió el caudal de diseño para el presente trabajo
monográfico el cual se emplearan en el Capítulo III y IV para el diseño de
Sumideros y Cámaras de Inspección.
1.7.
OBRAS DE DRENAJE.
En las Obras de Drenaje el objetivo es el de conducir las aguas de
escorrentía, o de flujo superficial, rápida y controladamente hasta su disposición
final. En su diseño existen tres componentes básicas:
1. Entrada a la red de drenaje.
2. Conducción.
3. Entrega al dispositivo final.
Las condiciones de diseño de estas componentes dependen de las
características propias de cada sistema de drenaje, que serán detallados en los
capítulos siguientes, estos son:
1.7.1. ENTRADA A LA RED DE DRENAJE.
Cunetas: Son canales superficiales pequeños que sigue una dirección y que
desembocan en el sumidero.
Sumideros: La localización de los sumideros limita las magnitudes de los
caudales en las cunetas, se utilizan en combinación con las alcantarillas en
los sistemas de drenaje de vías, aeropuertos, calles y patios.
1.7.2. CONDUCCIÓN DEL AGUA DE DRENAJE.
39
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Alcantarillas: Son conductos cerrados, parcialmente llenos, que reciben los
caudales de los sumideros en forma puntual a lo largo de su recorrido hasta
el sitio de entrega del sistema de alcantarillado. Estos son conducidos por
diversos materiales, dependiendo de su economía y su funcionalidad en el
proyecto.
1.7.3. ENTREGA AL DISPOSITIVO FINAL
Después de su conducción esta agua pluviales son depositadas en afluente,
estos son río, riachuelos, pero siempre y cuando no produzca ningún tipo de
contaminación para la vida acuática, se debe tomar precauciones y hacer análisis
de aguas, tales como: D.B.O, D.Q.O, Alcalinidad, Acidez, Cloración, etc.., en casos
de que el agua se considere que haya tenido una infiltración o conexión ilícita en
algún tramo del alcantarillado pluvial.
40
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CAPITULO II.
OBRAS DE DRENAJE.
2.1.
OBRAS COMPLEMENTARIAS DE DRENAJE.
Las obras de drenaje son elementos estructurales que eliminan
la
inaccesibilidad de un camino, provocada por el agua lluvia ó humedad.
Los objetivos primordiales de las obras de drenaje son:
1
Transportar el agua precipitada, ó que se llegue a acumular en la vía,
hacia un sumidero.
2
Reducir ó eliminar la cantidad de agua que se dirija hacia la vía camino.
3
Evitar que el agua provoque daños estructurales.
De la construcción de las obras de drenaje, dependerá en gran parte la vida
útil, facilidad de acceso y la vida útil de la vía.
2.2.
TIPOS DE DRENAJE.
Para lleva a cabo lo anteriormente citado, se utiliza el drenaje superficial y el
drenaje subterráneo.
2.2.1. DRENAJE SUPERFICIAL.
Se construye sobre la superficie de la vía ó terreno, con funciones de
captación, salida, defensa y cruce; sin embargo algunas obras de éstas cumplen
con otras funciones al mismo tiempo. En el drenaje superficial encontramos:
a) Cunetas.
b) Contra Cunetas.
c) Bombeo.
d) Lavaderos.
e) Zampeados.
41
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a)
Cunetas.- Las cunetas son zanjas que se hacen en uno ó ambos lados del
camino, con el fin de recibir y canalizar las aguas lluvias provenientes de la
corona y lugares adyacentes hacia un lugar determinado, donde no
provoque daños, su diseño se basa en los principios de los canales abiertos.
Para un flujo uniforme se utiliza la fórmula de Manning, como se muestra a
continuación:
Q=
A 5 / 3 * S 01 / 2
η * P2/3
Ecuación
2.1.
Donde:
Q = Caudal media, (m3/s).
A = Área de la sección transversal del Flujo, (m2).
S0 = Pendiente del canal (m/m)
η = Coeficiente de rugosidad de Manning.
P = Perímetro mojado (m)
A
continuación
se
menciona
algunos
valores
de
Manning,
dependiendo del tipo de material.
TABLA 2.2.1: Coeficiente de rugosidad “n” de Manning
TIPO DE MATERIAL
Valor de "n "
Tierra común, nivelada y aislada
0.025
Roca lisa y uniforme
0.035
Rocas con salientes y sinuosa
0.032
Lechos pedregosos y bordos enyerbados
0.030
Plantilla de tierra, taludes ásperos
0.022
Mampostería de piedra partida
0.025
Cemento limpio en la superficie
0.011
Cemento mortero
0.013
Piedra acomodada en mortero
0.017
Fuente: Apuntes de Clase Diseño Hidráulico, Ing. Msc. Patricio Cordero
Debido a la incertidumbre para la determinación del área hidráulica
en la práctica, las secciones de las cunetas, se proyectan por comparación
con otras en circunstancias comunes.
42
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Existen diversas formas para construir las cunetas, en la actualidad
las más comunes sean las triangulares. Ver Figura 2.2.1.
Figura 2.2.1: Tipo de cuneta triangular
Se evitará dar una gran longitud a las cunetas, mediante el uso de
obras de alivio. En algunos casos será necesario proteger las cunetas
mediante zampeados, debido a la velocidad provocada por la pendiente.
b)
Contracunetas.-
Las
contracunetas
son
zanjas
que
se
construyen
paralelamente al camino, de forma trapecial comúnmente, con plantilla de
50 cms y taludes adecuados a la naturaleza del terreno, su función es
prevenir que llegue al camino un exceso de agua ó humedad, aunque la
practica ha demostrado que en muchos casos no es conveniente usarlas,
debido a que como se construyen en la parte aguas arriba de los taludes,
provocan reblandecimientos y derrumbes.
Si son necesarias, deberá, estudiarse muy bien la naturaleza
geológica del lugar donde se van ha construir, alejándolas lo mas posible de
los taludes y zampeándolas en algunos casos para evitar filtraciones.
c) Bombeo.- Es la inclinación que se da ha ambos lados del camino, para
drenar la superficie del mismo, evitando que el agua se encharque
provocando reblandecimientos o que corra por el centro del camino
causando daños debido a la erosión.
El bombeo depende del camino y tipo de superficie, se mide su
43
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inclinación en porcentaje y es usual un 2 a 4 por ciento en caminos
revestidos., en calles coloniales de la ciudad de Cuenca el bombeo esta
alrededor de 2% a 5%. Ver Figura 2.2.2.
Figura 2.2.2.: Forma de bombeo usada en la calle Larga
d) Zampeado.- Es una protección a la superficie de rodamiento ó cunetas,
contra la erosión donde se presentan fuertes pendientes. Se realiza con
piedra, concreto ciclópeo o concreto simple.
e) Lavaderos.- Son pequeños encauzamientos a través de cubiertas de
concreto, lamina, piedra con mortero o piedra acomodada que se colocan en
las salidas de las alcantarillas o terrenos erosionables, eliminando los daños
que originaria la velocidad del agua.
2.2.2. DRENAJE TRANSVERSAL.
Su finalidad es permitir el paso transversal del agua sobre un camino, sin
obstaculizar el paso.
En este tipo de drenajes, algunas veces será necesario construir grandes
obras u obras pequeñas denominadas obras de drenaje mayor y obras de drenaje
menor, respectivamente.
2.2.2.1.
OBRAS DE DRENAJE MAYOR.
Requieren de conocimientos y estudios especiales, entre ellas podemos
mencionar:
a. Bóvedas
44
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b. Vados
c. Puente-vado
d. Puentes
Así con la comparación de varios lugares del mismo río o arroyo se elige el
lugar más indicado basándose en el ancho y altura del cruce, de preferencia que no
se encuentre en lugares donde la corriente tiene deflexiones y aprovechando las
mejores características geológicas y de altura donde vamos descendiendo o
ascendiendo con el trazo.
a. Bóvedas: Construidas con mampostería son adecuadas cuando requerimos
salvar un claro con una altura grande de la rasante al piso del río.
b. Vados: son estructuras muy pegadas al terreno natural, generalmente losas a
piso, tienen ventajas en cauces amplios con tirantes pequeños y régimen torrencial
por corto tiempo. La construcción de vados es económica y accesibles a los cambios
rurales por el aprovechamiento de los recursos del lugar, ya que pueden ser
construidos de mampostería, concreto simple, ciclópeo y hasta de lamina. Su
diseño debe evitar provocar erosión aguas arriba y aguas abajo, además de evitar
que se provoque régimen turbulento que también es causa de socavación.
c. Puente – vado: Es una estructura en forma de puente y con características de
vado, que permite el paso del agua a través de claros inferiores en niveles
ordinarios, y por la parte superior cuando se presentan avenidas con aguas
máximas extraordinarias. La altura de la obra debe permitir que cuando se
presenten avenidas en aguas máximas extraordinarias los árboles u objetos
arrastrados no dañen la estructura.
d. Puentes: son estructuras de más de seis metros de claro, se distingue de las
alcantarillas por el colchón que estas levan en la parte superior. La estructura de un
puente esta formada por la infraestructura, la subestructura y la superestructura.
La infraestructura se manifiesta en zapatas de concreto o mampostería,
cilindros de cimentación y pilotes.
La subestructura forma parte de un puente a través de pilas centrales,
estribos, columnas metálicas sobre pedestales de concreto, caballetes de madera,
etc.
45
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La superestructura integra la parte superior de un puente por medio de cables.
2.2.2.2.
OBRAS DE DRENAJE MENOR.
a. Alcantarillas: Son estructuras transversales al camino que permiten el
cruce del agua y están protegidas por una capa de material en la parte
superior, pueden ser de forma rectangular, cuadrada, de arco o tubular, se
construyen de concreto, lamina, piedra o madera.
Para canalizar el agua se complementan con muros o aleros en la entrada y
salida, podemos decir que actualmente en los caminos rurales, las mas usuales son
las alcantarillas laminares.
2.2.2.3
DRENAJE SUBTERRÁNEO.
El drenaje subterráneo es un gran auxiliar para eliminar humedad que
inevitablemente ha llegado al camino y así evitar que provoque asentamientos o
deslizamientos de material.
Son usuales los drenes ciegos que consisten en zanjas bajo las cunetas
rellenas con material graduado con una base firme que evite filtraciones mas allá
de donde se desea, dirigiendo el agua hacia un lugar donde se le pueda retirar de
manera superficial del camino, las dimensiones varían según las características
hidrológicas del lugar donde se van ha construir, son funcionales en varios tipos de
camino. La plantilla de estos es de 45 cm. y de 80 a 100 cm. de profundidad, el
material se graduará cuidadosamente en capas con tamaños uniformes. Ver Figura
2.2.2.
46
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Figura 2.2.2.
También se usan con el mismo fin drenes con tubos perforados que recogen
el agua de la parte inferior del camino bajo las cunetas, su construcción consiste en
la apertura de una zanja para colocar un tubo de barro o concreto que canalice el
agua.
El cuidado con que se coloquen los tubos, la determinación de su diámetro y
resistencia, influirá en la funcionalidad y duración del dren. El diámetro no será
menor a 15 cm con numerosas perforaciones, rellenando con material adecuado
para evitar taponamientos que junto con las roturas del tubo, son las principales
fallas de este tipo de drenaje.
Cualquier tipo de drenaje subterráneo, debe permitir una salida fácil del
agua con pendiente adecuada no menor del medio por ciento.
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CAPITULO III
CALCULO DE SUMIDEROS.
3.1.
IMPORTANCIA.
Los sumideros son las estructuras encargadas de recoger la escorrentía
superficial de la calles e introducirla a la tubería del alcantarillado pluvial o
combinado. Se ubican a lado y lado de la calle y en la esquina aguas debajo de
cada manzana antes del cruce peatonal. También deben colocarse en todos los
puntos bajos o depresiones de la red vial, en las reducciones de pendientes
longitudinales de las vías y antes de los puentes vehiculares.
La entrada de la escorrentía superficial a la red del alcantarillado debe
hacerse en los pozos de inspección. Cada sumidero estará conectado directamente
o a través de otro sumidero con el pozo respectivo por medio de una tubería cuyo
diámetro mínimo en de 200 mm, con pendiente no menor de 2% y una longitud
inferior a 15m.
El caudal de transferencia de la calle al alcantarillado debe ser consistente
con el caudal de diseño del colector respectivo, es decir, que el caudal de diseño del
colector pueda llegar a éste por medio de los sumideros.
3.2.
UBICACIÓN DE SUMIDEROS
Existe una serie de reglas y criterios para determinar la correcta ubicación
de sumideros (detalles en la figura 3.2) las mismas que se presentan a
continuación:
1. Ubicar sumideros en puntos bajos y depresiones.
2. En lugares donde se reduzca la pendiente longitudinal de las calles.
3. Justo antes de puentes y terraplenes.
4. Preferiblemente antes de los cruces de calles o de pasos de peatones.
5. Sitios fuera de las sendas peatonales.
También es necesario tener en cuenta un conjunto de recomendaciones que
deben llevarse a la práctica durante la etapa de la construcción, las cuales son:
a) Analizar el esquema geométrico de cada calle, particularmente su sección
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transversal en cuanto a conformación de cunetas de cruce de calles, de tal
forma de decidir si se debe o no construir un sumidero en cada lado, o solo
en el lado bajo.
b) En las intersecciones de calles y en especial cuando deba impedirse el flujo
transversal, pueden crearse pequeñas depresiones para garantizar la
completa captación de las aguas.
c) No se deben ubicar sumideros en lugares donde puedan interferir otros
servicios públicos como agua, cloacas, gas, electricidad y teléfonos.
Figura 3.2: Ubicación de sumideros
3.3.
TIPOS DE SUMIDEROS.
Los sumideros están constituidos por la estructura de captación en la
49
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superficie de la calle, por la caja de recolección situada debajo de la captación y por
el conducto nexo con el pozo de inspección. La selección del tipo de sumidero
apropiado es importante, pues de dicha selección depende la capacidad de
captación de caudal y en consecuencia el caudal que ingresa a los colectores.
3.3.1.
TIPOS DE SUMIDEROS SEGÚN EL DISEÑO DE LA CAPTACIÓN.
Se clasifican en:
1
Sumideros de ventana.
2
Sumideros de cuneta.
3
Sumideros mixtos.
4
Sumideros de calzada.
3.3.1.1.
SUMIDERO DE VENTANA.
Consiste en una abertura a manera de ventana practicada en el bordillo o
cordón de acera generalmente deprimida con respecto a la cuneta. El sumidero
posee, además de la ventana, un canal lateral de desagüe, una pequeña cámara de
recolección de sedimentos y una tubería de conexión con el colector público.
La ventana puede coincidir con la rasante de la cuneta o puede estar
deprimida, pero es más eficiente si esta deprimida. No es muy eficiente en calles de
lata pendiente longitudinal y por ello se limita su uso hasta pendientes de 3%. La
longitud de la ventana normalmente es de 1.50 m, y en el caso de tener depresión,
el ancho de zona de depresión debe ser entre 30 y 60 cm, con una pendiente
máxima del 8% hacia la ventana. El funcionamiento hidráulico de éste sumidero es
ineficiente, en especial cuando no existe la depresión o se encuentra ubicado en
calles de pendiente pronunciada. Ver figura 3.3.1.1.
Su mayor ventaja radica en su poca interferencia con el tránsito de
vehículos, al margen de esto son costosos y captan fácilmente sedimentos y
desperdicios (basuras), que perjudican su normal funcionamiento.
Son de utilidad las siguientes recomendaciones para decidir la utilización de
este tipo de sumidero.
1
Razones de tipo vial en función a una prioridad de la vía.
2
Es recomendable su uso en puntos bajos.
3
No deben ser utilizados cuando existe la posibilidad de acarreo cuantioso de
50
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sedimentos y desperdicios.
Figura 3.3.1.1: Sumidero de ventana con depresión
3.3.1.2.
SUMIDERO DE CUNETA
Consiste en la ejecución de una cámara donde penetran las aguas pluviales,
ésta se cubre con una reja para impedir la precipitación de vehículos, personas u
objetos de un cierto tamaño. Generalmente consta de una reja, la cámara de
desagüe y la tubería de conexión al colector. Ver Figura 3.3.1.2.
Existen numerosos tipos de rejas, tales como aquellas de barras paralelas a
la dirección de flujo (más común) en la calzada, de barras normales a dicha
dirección. Existen diferentes formas de barras siendo las más comunes las
rectangulares (pletinas) y las redondas.
La mayor ventaja de éste sumidero, es su capacidad hidráulica bastante
superior al de ventana, en especial en pendientes pronunciadas. Su mayor
desventaja son los inconvenientes que causa al tránsito y la facilidad de captación
de desperdicios que tapona el área útil de la reja, además del ruido que se produce
cuando pasa un vehículo sobre ella.
El análisis de sus ventajas y desventajas así como de sus propiedades
hidráulicas, permite efectuar las siguientes recomendaciones.
1
Utilizarlos preferentemente en calles o avenidas de pendientes pronunciadas
(de un 3 % ó más).
2
Las rejas de barras dispuestas en forma diagonal, por su uso generalizado y
por su ventaja para la circulación de bicicletas, es utilizada preferentemente.
3
No se deben utilizar sumideros deprimidos de rejas cuando éstos ocupen
parte o la totalidad de la calzada.
4
No se deben utilizar en puntos bajos, salvo cuando no sea posible colocar los
51
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de tipo ventana.
Figura 3.3.1.2
3.3.1.3.
Sumidero de cuneta sin depresión y con depresión
SUMIDERO MIXTO
Es una combinación de los dos anteriores, tratando de tomar de cada uno de
ellos lo más positivo, es decir, mejorando la eficiencia del sumidero de ventana y
reduciendo la ocupación de la calzada para el sumidero de cuneta. Ver figura
3.3.1.3.
Las recomendaciones prácticas para su utilización son las siguientes:
1
Utilizarlos en lugares donde sería en principio, preferibles los sumideros de
ventana, pero donde la eficiencia de captación de éstos sea menor del 75 %.
2
Es recomendable suponer un área efectiva del 67 % del área neta total de la
cuneta y la ventana.
Figura 3.3.1.3.: Sumidero mixto sin depresión y con depresión
3.3.1.4.
SUMIDEROS DE CALZADA
Consiste en una captación por el fondo con rejilla a lo ancho de la calzada de
la vía. Debido al mayor grado de interferencia con el tráfico vehicular, se presenta
con mayor frecuencia el daño de las rejillas.
Es conveniente su utilización cuando se espera un gran aporte de escorrentía
52
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superficial y de sedimentos. Ver figura 3.3.1.4.
Figura 3.3.1.4: Sumidero de calzada
3.3.1.5.
SUMIDEROS ESPECIALES
Son aquellos que tienen una configuración algo diferente a las anteriores.
Son utilizados en los siguientes casos:
1
Conexión de calles con canales abiertos o cauces naturales.
2
Colección de aguas superficiales de áreas extensas.
3
Conexión directa entre colectores y pequeñas calles naturales.
3.3.2.
TIPOS DE SUMIDEROS SEGÚN EL DISEÑO DE CAJA.
Se clasifican en:
1
Sumideros con sello Hidráulico ó sin el.
2
Sumideros con desarenador ó sin el.
3.3.2.1.
SUMIDEROS CON SELLO HIDRÁULICO Ó SIN ÉL.
El sumidero con sello hidráulico, se utiliza exclusivamente para alcantarillado
combinado y tiene como finalidad evitar la salida de los gases al ambiente, que
53
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puede producir malos olores y problemas sanitarios por la proliferación de
mosquitos. Ver figura 3.3.2.1.
El sumidero sin sello hidráulico se emplea en los sistemas de aguas lluvia en
donde no existen problemas de gases debido as la naturaleza del agua
transportada.
Figura 3.3.2.1: Sumidero con sello hidráulico o sin él
3.3.2.2.
SUMIDEROS CON DESARENADOR O SIN ÉL.
El sumidero con desarenador se utiliza cuando se espera que exista arrastre
de arenas o gravas, debido a la falta de pavimentación o a zonas aledañas sin
recubrimiento vegetal. Por otra parte, si la velocidad en la tubería de conexión al
pozo es menor a 0.6m/s, se debe colocar también desarenador.
El desarenador puede colocarse en un sumidero de ventana, cuneta, ó
calzada. Los sumideros con desarenador ó con sello hidráulico necesitan un
mantenimiento intensivo con el fin de evitar la descomposición del material
depositado dentro de la caja, problema que aun más critico en clima templado ó
54
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caliente. Este mantenimiento consiste en una limpieza periódica y la adición de
aceite quemado. Ver figura 3.3.2.2.
Figura 3.3.2.2: Sumidero con desarenador o sin él
3.4.
HIDRÁULICA DE SUMIDEROS
3.4.1.
CAPACIDAD DE AGOTAMIENTO DE UNA BOCA DE TORMENTA
La capacidad de una boca de tormenta/sumidero, cualquiera sea su tipo,
depende de la altura de agua en el tramo de acera aguas arriba del sumidero. Si
ésta estuviese ubicada en un tramo de pendiente uniforme, la altura de agua en la
cuneta dependerá de sus características como conducto libre. Tales características
incluyen la sección transversal, la pendiente y la rugosidad de la cuneta y de las
superficies del pavimento sobre el cual escurre el agua.
En la determinación de la capacidad del sumidero, la primera condición es
que las características de escurrimiento en conducto libre de la cuneta aguas arriba
sean conocidas.
55
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3.4.2.
CALCULO DE LA CAPACIDAD DE CAUDAL DE UNA CUNETA
El primer paso en el diseño de un sumidero es determinar la capacidad de
transporte de la cuneta aguas arriba del sumidero. Dicha capacidad se encuentra
definida por la pendiente longitudinal de la vía, del ancho de inundación permitido
sobre la calle y de la profundidad máxima permitida en el borde con la acera.
La cuneta puede considerarse un canal de sección triangular y su diseño se
puede acometer con la utilización de la ecuación de Manning, con la suposición de
flujo uniforme y permanente.
En realidad, el flujo en una cuneta se varia gradualmente, en la medida en
que los caudales se incrementan durante el desarrollo de la precipitación y cuando
las pendientes longitudinal de la cuneta son muy bajas (inferiores a 1%).
El error de suponer flujo permanente implica una sobrestimación del caudal
en la cuneta.
La ecuación de Manning ya descrita y adaptada a una sección triangular es:
⎛Z
Q = 0.375⎜⎜
⎝n
⎞ 8 / 3 1/ 2
⎟⎟Y
S
0
⎠
Ecuación
3.1.
Donde:
Q = Caudal en la cuneta (m3/s)
Yo = Profundidad máxima de aproximación al sumidero (m)
So = Pendiente longitudinal de la calle.
Z = Inverso de la pendiente transversal de la cuneta
n = Coeficiente de rugosidad de Manning
Para la determinación del coeficiente de rugosidad “n”, se deben tener en
cuenta la sección de flujo asimétrica (ver Figura 3.4.2) y los diferentes materiales
que conforman dicha sección.
Los valores del coeficiente "n" de Manning como se presenta en la Tabla 3.4.2.
56
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TABLA 3.4.2:
Coeficientes de Maning.
"n"
Cuneta de concreto con un buen
acabado (frotachado fino).
Pavimento Asfáltico.
Textura lisa.
Textura áspera
Cuneta de concreto con
pavimento asfáltico.
Textura lisa.
Textura áspera
Pavimento de concreto.
Acabado con plancha.
Acabado manual fino.
Acabado manual áspero.
0,012
0,013
0,016
0.013
0,015
0,014
0,016
0,02
Fuente: Apuntes de Clase Diseño Hidráulico, Ing. Msc. Patricio Cordero
Para cunetas con pendientes pequeñas donde es posible la acumulación de
sedimentos, los valores de "n" mencionados deben ser incrementados en 0,002 a
0,005.
Figura 3.4.2: Sección de flujo en una cuneta
3.4.3.
CARACTERÍSTICAS DE LOS SUMIDEROS
Los sumideros pueden tener o no una capacidad establecida para interceptar
el caudal que corre por la cuneta. Todos los tipos de sumideros captan más agua a
medida que aumenta la altura de agua en la cuneta, pudiendo parte del caudal,
sobrepasar el sumidero.
Un
sumidero
ubicado
en
un
punto
bajo
de
una
cuneta,
captará
eventualmente toda el agua que alcance (siempre que no quede completamente
ahogado), pero la altura de agua puede tornarse excesiva si el sumidero no tuviese
57
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una altura suficiente. En los casos más comunes, de cuneta con pendiente uniforme
en un único sentido longitudinal, las dimensiones significativas son el ancho de la
reja normal y el ancho de abertura libre paralela al sentido de escurrimiento en la
cuneta.
3.4.4.
DISEÑO DE SUMIDEROS DE VENTANA
El caudal interceptado por un sumidero de ventana se determina a partir de la
siguiente ecuación:
Q
L
=
0.39
Y
⎡
5 / 2 − a5 / 2 ⎤
⎢(Y + a )
⎥
⎣
⎦
Ecuación
3.2.
Donde:
Q= Caudal de aproximación en la cuneta (m3/s)
L= Longitud de la ventana (m)
Yo= Profundidad máxima de aproximación al sumidero (m)
a= Depresión de la cuneta (m)
Es posible diseñar la longitud de ventana de tal manera que entre el 5 y
15% del caudal aguas arriba continúe aguas abajo al siguiente sumidero. La
aplicación del criterio anterior resulta en una longitud de ventana bastante menor,
comparada con la longitud necesaria para captar el 100% del caudal aguas arriba y,
por tanto, en un diseño menos costoso.
Algunas recomendaciones de tipo práctico que resultan de investigaciones
experimentales deben ser consideradas:
•
La práctica ha demostrado que la eficiencia del sumidero de ventana, mejora
ostensiblemente si en su proyecto se especifica una depresión en un sector
adyacente a la abertura.
•
El efecto de las ondas superficiales que se generan en las alteraciones de los
contornos, si el régimen de aproximación es supercrítico.
•
La dispersión de datos y por lo tanto la dificultad en la selección del
coeficiente de descarga que interviene en la ecuación del flujo de descarga
lateral.
Para definir la longitud de ventana necesaria para captar menos del 100%
del caudal, se aplica la grafica indicada en la Figura 3.4.4. en donde:
58
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Q = Caudal efectivamente interceptado (m3/s)
Qa= Caudal de aproximación en la cuneta (m3/s)
L = Longitud de la ventana para la interceptación del 85 al 95% del caudal
en la cuneta (m)
La= Longitud de la ventana necesaria para la interceptación del 100%
Figura 3.4.4: Determinación del caudal interceptado con respecto al caudal
total de la cuneta en sumideros de ventana.
3.4.5.
DISEÑO DE SUMIDEROS DE CUNETA
La capacidad de captación de un sumidero de cuneta ó de rejilla puede
estimarse a partir de la siguiente ecuación:
Q = 2.96 Ao(Y + a )1/ 2
Ecuación
3.3.
Donde:
59
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Q = Caudal de aproximación en la cuneta (m3/s).
A0 = Área neta de flujo de la rejilla (m2).
Y = Profundidad máxima de aproximación al sumidero (m).
a = Depresión de la cuneta (m).
Se puede reducir el caudal en un
25% debido a la obstrucción de
desperdicios ocurridos en la cuneta.
La longitud de la rejilla en el sentido del flujo se define con el objeto de que
la lamina vertiente alcance a pasar por la rejilla sin golpear el extremo aguas
debajo de la misma. Para ello se puede aplicar la siguiente ecuación.
L = 0.94VH 1 / 2
3.4.
Ecuación
Donde:
L = Longitud libre de rejilla (m).
V = Velocidad media de aproximación de la cuneta (m/s).
H = Profundidad de aproximación al sumidero + Espesor de la rejilla (m).
En los puntos bajos ó áreas inundadas, el agua se estaca y la velocidad de
aproximación es despreciable. Para profundidades menores a 12 cm, el sumidero
de cuneta se comporta como un vertedero rectangular cuya longitud de cresta es el
perímetro de la rejilla. Con un coeficiente de descarga de 1.65, la ecuación del
vertedero es:
Q = 1 . 65 L e H 3 / 2
Ecuación
3.5.
Donde:
Q = Caudal captado por el sumidero de cuneta (m3/s).
Le = Perímetro de la rejilla (m).
H = Profundidad sobre la rejilla (m), menor a 12 cm.
En el caso de agua con profundidad mayor a 40 cm, el sumidero de cuneta
se comporta como un orificio y su capacidad se puede establecer a partir de la
siguiente ecuación:
Q = 0 .6 A0
2 gH
Ecuación
3.6.
Donde:
Q = Caudal captado por el sumidero de cuneta (m3/s).
60
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A0 = Área neta de flujo de la rejilla (m2).
H = Profundidad sobre la rejilla (m), mayor de 40 cm.
3.5.
UBICACIÓN DE SUMIDEROS Y ESPACIAMIENTO
Se establece como norma de referencia el espaciamiento máximo entre
sumideros en función a la pendiente de la calle según se indica en la Tabla 3.5.
TABLA 3.5.:
Valores de la Pendiente y Espaciamiento.
Fuente: Sistemas De Alcantarillado. Corcho F.
En calles mayores a 20 m. de ancho y pendientes mayores, la distancia máxima
será de 50,0 m.
3.6.
REFERENCIA RÁPIDA PARA EL CÁLCULO DE SUMIDEROS DE
VENTANA CON DEPRESIÓN
Fuente: Sistemas De Alcantarillado. Corcho F.
Estos valores fueron obtenidos para sumideros de ventana de 1,37 metros
de largo y 15 cm. de altura de ventana
3.7.
REFERENCIA RÁPIDA PARA SUMIDEROS DE REJA
Como una referencia rápida y práctica para el diseño de sumideros de rejas
Normalizados con dimensiones de 0,61 x 0,90., con una depresión de 5 cm. se
tiene la Tabla 3.7.
61
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TABLA 3.7.:
Relación Pendiente – Capacidad de Sumidero.
Fuente: Sistemas De Alcantarillado. Corcho F.
62
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3.8.
EJEMPLO DE DISEÑO DE SUMIDERO DE VENTANA.
Como ejercicio práctico se presenta el diseño de un sumidero que se ubicaría
en la Ave. Ordóñez Lazo, tomando como fuente de datos el caudal calculado según
las curvas de Intensidad-Duración-Frecuencia de la Estación Matadero ubicada en la
parroquia Sayausi, aplicada por diferentes métodos de distribución de extremos.
Ver Figura 1.4.4.5, y el Caudal es 25 lit/s.
DATOS:
Ancho vía: 12.0 m.
Pendiente longitudinal: 2%
Pendiente transversal: 1.5%
La calle es pavimentada: n=0.013
Caudal de diseño: 25 lts/seg
Área de aportación: 0.75 Ha
a. Calculo del caudal máximo en la cuneta.
T=
12.0 − 4.0
2.0
⎛Z
Qc = 0.375 * ⎜⎜
⎝n
= 4.0m
⇒
Y =T*
1
= 4.0 * 0.015 = 0.06m
Z
⎞ 83 1
⎛ 1 ⎞ ⎛ 1 ⎞
8
1
⎟⎟ * Y So 2 = 0.375 * ⎜⎜
⎟⎟ * ⎜⎜
⎟⎟ * (0.06) 3 * (0.02) 2
⎠
⎝ 0.015 ⎠ ⎝ 0.013 ⎠
Qc = 0.14m3 / s
b. Dimensionamiento de la ventana.
Suponiendo que capta todo el caudal transportado y sin depresión:
Para a= 0
5 ⎤ ⎛ 0.39 ⎞
⎛ 0.39 ⎞ ⎡
5
5
m
⎟⎟ * ⎢(Y + a ) 2 − a 2 ⎥ = ⎜⎜
⎟⎟ * (0.06) 2 = 0.0057
= ⎜⎜
L ⎝ Y ⎠ ⎣
m
⎦ ⎝ 0.06 ⎠
Q
Por lo tanto:
63
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L=
Qc ⎛ 0.024 ⎞
⎟ = 4.2m
=⎜
Q ⎜⎝ 0.0057 ⎟⎠
L
Considerando una depresión de a= 0.03 m, tenemos:
5 ⎤ ⎛ 0.39 ⎞ ⎛
⎛ 0.39 ⎞ ⎡
5
5
5 ⎞
m
⎟⎟ * ⎢(Y + a ) 2 − a 2 ⎥ = ⎜⎜
⎟⎟ * ⎜ (0.06 + 0.03) 2 − (0.03) 2 ⎟ = 0.01006
= ⎜⎜
L ⎝ Y ⎠ ⎣
m
⎠
⎦ ⎝ 0.06 ⎠ ⎝
Q
Resulta:
L=
Qc ⎛ 0.024 ⎞
⎟ = 2.39m
=⎜
Q ⎜⎝ 0.01006 ⎟⎠
L
Si se adopta una Ventana de 2 m de largo:
⎛ 2.00 ⎞
⎟ = 0.84
= ⎜⎜
La ⎝ 2.39 ⎟⎠
⎛ 0.03 ⎞
⎟ = 0.5
= ⎜⎜
Y ⎝ 0.06 ⎟⎠
a
L
Utilizando el ábaco de la figura 3.4.4, se obtiene:
Q
Qa
= 0.92
De donde resulta el caudal captado por la ventana de 2m, con una
depresión de 3cm, es de:
Q = 0.92 * Qa = 0.92 * 0.14 = 0.12
m3
seg
Sin embargo, el sumidero de ventana de 2m no es ejecutable en la
calle indicada y se rediseñara con el caudal obtenido de los calculos
pluviométricos de la Estación Matadero. Que es: Q = 25 lit/s.
c. Redimensionamiento de la ventana.
5 ⎤ ⎛ 0.39 ⎞ ⎛
5
5
5 ⎞
Q ⎛ 0.39 ⎞ ⎡
m
⎟⎟ * ⎢(Y + a ) 2 − a 2 ⎥ = ⎜⎜
⎟⎟ * ⎜ (0.06 + 0.03) 2 − (0.03) 2 ⎟ = 0.01006
= ⎜⎜
L ⎝ Y ⎠ ⎣
m
⎠
⎦ ⎝ 0.06 ⎠ ⎝
Resulta:
64
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L=
Qc ⎛ 0.025 ⎞
⎟⎟ = 2.48m
= ⎜⎜
Q
⎝ 0.01006 ⎠
L
Si se adopta una ventana de 1.50 m de largo:
⎛ 0.03 ⎞
⎟ = 0.5
= ⎜⎜
Y ⎝ 0.06 ⎟⎠
⎛ 1.50 ⎞
⎟ = 0.605
=⎜
La ⎜⎝ 2.48 ⎟⎠
a
L
Utilizando el ábaco de la figura 3.4.4, se obtiene:
Q
= 0.763
Qa
El caudal transportado seria:
Q = 0.763 * Qa = 0.763 * 0.024 = 0.018
m3
seg
Por lo tanto, se colocará un sumidero de ventana de 1.50m de largo.
65
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3.9.
EJEMPLO DE DISEÑO DE SUMIDERO DE CUNETA.
Se presenta el diseño del siguiente sumidero como posible modelo que
podría ejecutarse cuando en el sector indicado en el Anexo 11, de la Ave. Ordóñez
Lazo sea urbanizado. Los datos del caudal son el mismo aplicados en ejemplo
anterior.
DATOS:
Ancho vía: 12.0 m.
Pendiente longitudinal: 2%
Pendiente transversal: 1.5%
La calle es pavimentada: n=0.013
Caudal de diseño: 25 lts/seg
Área de aportación: 0.75 ha
Calculo de la sección del sumidero
5
Q=
1
A 3 * So 2
2
n*P 3
5
1
(3.b 2 ) 3 * (0.02) 2
⇒ 0.025 =
2
(0.013) * (6b + 2b) 3
Desarrollando la ecuación, obtenemos:
b= 9.5cm
h=28.5cm
Donde, h=3b, es decir entre la ancho/largo=1/3.
Los valores obtenidos se aproximan con los encontrados en la construcción;
los mismos que son de ancho=20cm y largo=60cm. En la Figura 3.9. se presenta
ejemplos típicos de sumideros construidos en las calles de la ciudad de Cuenca
Figura 3.9: Sumideros de Cuneta construida.
66
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DISEÑO DE SUMIDEROS Y CÁMARAS DE INSPECCIÓN PARA ALCANTARILLADO PLUVIAL
CAPITULO IV
CÁMARA DE INSPECCIÓN.
4.1.
GENERALIDADES E IMPORTANCIA
La necesidad de evitar curvas en el trazado de Redes, que dificultan la
limpieza, obligan a construir Cámaras de Inspección entre dos de las cuales, la
alineación debe ser forzosamente recta, tanto en planta como en perfil, lo cual
significa que también son necesarias en los cambios de pendiente, facilitando de
ésta manera, el acceso a los colectores para la extracción de los residuos de
limpieza. Los espaciamientos recomendables entre cámaras de inspección, son los
siguientes:
•
70 metros para colectores de pequeño diámetro 150 mm. a 400 mm,
•
100 metros para colectores visitables mayores a 700 mm. de diámetro,
•
150 metros para colectores visitables mayores a 1.000 mm. de diámetro.
Las cámaras de Inspección y limpieza, especiales para rejas, compuertas,
aliviaderos o puntos destinados a medición, deben ser fácilmente accesibles. Se
ubican sobre el eje de las alcantarillas o con ligera desviación y su diámetro debe
tener como dimensión mínima 0,60 m y 0,60 x 0,60 para el caso de cámaras
rectangulares.
El acceso a la cámara puede ser de forma cónica con un diámetro de 0,60 m
o cuadrada con dimensiones 0,60 x 0,60. Las Cámaras de Inspección de sección
circular, deberían tener 1,20 m de diámetro en su base inferior aunque actualmente
se puede aceptar hasta 1,0 m.
La base de las cámaras puede ser de concreto o de mampostería, en todo
caso, debe tener una altura mayor o igual a 15,0 cm. La base se apoya sobre capa
de hormigón pobre o gravilla con espesor de 5,0 cm. Los canales de conducción
construidos en la base, de sección semi-circular, deben ser, de manera que
permitan el flujo de las diferentes conexiones.
La superficie del fondo de la cámara debe tener una pendiente hacia los
canales de enlace no menor al 2 % para evitar acumulación de depósitos orgánicos
y no mayor al 10 % por razones de seguridad para el personal de limpieza.
67
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DISEÑO DE SUMIDEROS Y CÁMARAS DE INSPECCIÓN PARA ALCANTARILLADO PLUVIAL
4.2.
COMPONENTES UNA CÁMARA DE INSPECCIÓN
Una cámara de inspección generalmente consta de los siguientes elementos:
a. Tapa de acceso: Tiene como fin permitir el acceso para la realización de
las labores de limpieza y mantenimiento general de las tuberías, así como
prever al sistema de una adecuada ventilación, para lo cual tiene varios
orificios. Su diámetro es generalmente de 60cm y puede ser en hierro
fundido o concreto.
b. Cilindro: Es el cuerpo principal del pozo de una altura variable, según la
profundidad de las tuberías concurrentes. Las paredes tienen típicamente
un espesor de 20cm y puede alcanzar profundidades normales de hasta
4m. el diámetro del cilindro ha de ser mínimo de 1.20m y depende del
diámetro de la tubería de salida, según indica la Tabla 4.2.1. sin embargo,
debe comprobarse geométricamente el empalme de las tuberías y el pozo
con el objeto de evitar que se traslapen una sobre otra.
TABLA 4.2.1:
Diámetro de la Cámara según el diámetro de la tubería de salida.
DIÁMETRO DE TUBERÍA DE SALIDA
DIÁMETRO DE LA CÁMARA
200mm – 600mm
1.20m
660mm – 760mm
1.50m
800mm – 900mm
1.80m
Fuente: Elementos de Diseño para Acueductos Y Alcantarillado. 2º Edición
“Ricardo Alfredo López Cualla”.
c. Reducción cónica: Elemento ubicado entre la tapa y el cilindro, que
permite la conexión estructural de estos elementos de diámetro diferente.
En la Figura 4.2.1 se presenta diversas formas de conexión.
Figura 4.2.1: Formas típicas de Cámaras de Inspección
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d. Fondo: En la base del cilindros e localiza la cañuela, la cual es un canal
semicircular en concreto, encargado de hacer la transición de flujo entre las
tuberías entrantes y el colector saliente, de acuerdo con el régimen de flujo
en ellas y las perdidas de energía ocasionadas por la unión. En la Figura
4.2.2 se indican algunas de las posibles uniones que pueden presentarse.
Figura 4.2.2: Posibles formas de unión en fondo del pozo de
inspección
4.3. FORMAS TÍPICAS DE CÁMARAS DE INSPECCIÓN
La construcción de las cámaras de inspección dentro del alcantarillado
pluvial van ejecutadas de a cuerdo a las normas técnicas de cada institución local o
regional de cada país, basándose en criterios como: económicos, topográficos,
hidrológicos, geotécnicos, etc.
Basados en estos criterios se ha encontrado algunas de las formas típicas
que en la ciudad de Cuenca se han ejecutado. La mayoría de las cámaras de
inspección se construye in situ que pueden ser hormigón simple o mampostería. Sin
embargo, existen cámaras prefabricadas.
4.3.1. CÁMARA CON FLUJO DIRECTO
Este tipo de cámara de inspección se construye de mampostería o concreto
in situ, y sus dimensiones están ya estandarizadas. El flujo tiene un paso directo y
por lo general la base tiene la pendiente de 2 – 5% como se indica en la Figura
4.3.1.
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Figura 4.3.1.
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4.3.2. CÁMARAS DE ARRANQUE.
Este tipo de cámara de inspección se construye de mampostería o concreto
in situ. Usualmente es el inicio de la red de alcantarillado pluvial. Las medidas están
estandarizadas como se indica en la Figura 4.3.2.
Figura 4.3.2.
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4.3.3. CÁMARA CON FLUJO DIRECTO Y CONEXIÓN LATERAL.
Adicionalmente a las anteriores este tipo de cámara de inspección contiene
una conexión lateral que puede ser un tirante de un sumidero o una tubería de una
red secundaria. Un modelo típico de esta cámara se presenta en la Figura 4.3.3.
Figura 4.3.3.
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4.3.4. CÁMARA CON DOBLE CONEXIÓN
Sirven para construirse en intersecciones de calles en donde existan muchas
redes de tuberías, tanto principal como secundaria. Un ejemplo de diseño de esta
cámara se presenta en la Figura 4.3.4.
Figura 4.3.4.
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4.3.5. CÁMARA CON EXCENTRICIDAD
Se construyen en terrenos que no faciliten la construcción de una cámara
mencionadas anteriormente. Usualmente son suelen ser prefabricadas. Una de las
formas típicas de este modelo se presenta en la Figura 4.3.5.
Figura 4.3.5.
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4.4. ASPECTOS CONSTRUCTIVOS DE LAS CÁMARAS DE INSPECCIÓN
Las Cámaras de Inspección se construyen en hormigón simple y armado,
mampostería de piedra y mampostería de ladrillo, prefabricadas, PVC. Pueden ser
de sección circular o cuadrada. Las paredes en mampostería tendrán un espesor
mínimo de 20 a 25 cm., las juntas se realizarán con mortero de cemento y arena
fina en proporción 1:3 ó 1:4, las paredes internas deben ser enlucidas con una capa
de 2,0 cm de espesor con mortero de cemento-arena fina 1:2 ó 1:3.
Las paredes de concreto vaciadas en sitio, o prefabricadas mediante anillos
modulares, tendrán un espesor mínimo de 10,0 cm.
Las tapas de las Cámaras de Inspección, preferentemente serán de hierro de
fundición, sin embargo, por razones económicas pueden ser también de concreto
armado, debiendo ser el diámetro libre de 0,60 m como mínimo.
Existen diversos tipos de tapas de hierro de fundición que incluyen
variaciones con o sin articulación, su elección depende de la carga a la que estarán
sometidas, aspecto que se relaciona con la importancia de la vía o avenida donde
será instalada.
4.5. CÁMARAS DE INSPECCIÓN CON CAÍDA
Las Cámaras con caída son estructuras muy frecuentes en terrenos con
pendiente pronunciada con el objeto de evitar velocidades de flujo mayores a las
máximas estipuladas por reglamento que son erosivas al tipo de material de tubería
utilizada. Ver Figura 4.5.1
Los niveles entre 20 y 40 cm pueden solucionarse incluyendo los mismos en
los canales semicirculares. Para desniveles entre 40 y 80 cm, la cámara deberá ser
ampliada en el sector inferior del cuerpo de la misma. Para mayores desniveles se
procede a utilizar pozos con caída con accesorios de enlace.
Las Cámaras con caída son estructuras muy frecuentes en terrenos con
pendiente pronunciada con el objeto de evitar velocidades de flujo mayores a las
máximas estipuladas por reglamento que producen erosión en el tipo de material
de tubería utilizada.
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Figura 4.5.1: Cámaras con Caída para desniveles de 0.40 – 0.80m
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4.6. UBICACIÓN DE LAS CÁMARAS DE INSPECCIÓN
La ubicación, y en consecuencia el número de Cámaras de Inspección deben
ser objeto de un estudio especial ya que su costo incide en un porcentaje elevado
en la construcción del sistema, por ello es necesario tomar en cuenta lo siguiente:
a. En los arranques de la red, pudiendo servir a uno o más colectores. En
algunos casos pueden ser sustituidas por los tubos de limpieza TL.
b. En todos los cruceros o esquinas de las vías.
c. En todo cambio de dirección o de pendiente.
d. En todo cambio de diámetro.
e. En la unión de colectores.
f.
En los puntos donde se diseñan caídas en los colectores.
g. En los puntos de concurrencia de más de dos colectores.
h. En tramos largos, de modo que la distancia entre dos cámaras
consecutivas no exceda lo estipulado en los reglamentos.
La distancia entre Cámaras de Inspección, está directamente relacionada a
la utilización de equipos y métodos de limpieza, sean estos manuales o
mecanizados, por tal razón se debe tomar en cuenta lo siguiente:
a. Si se utiliza equipo manual como ser varillas flexibles y sus respectivos
accesorios, la distancia entre cámaras podrá ser de 50 a 70 m.
b. Si se utiliza equipo mecánico, la distancia entre cámaras puede llegar a
100 m. y avanzar aún hasta los 150 m.
c. Si los diámetros de los colectores son visitables y permiten una limpieza
directa por un operador, la distancia puede ampliarse a 150 ó 200 m.
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Figura 4.6.1: Localización de las cámaras
4.7. SIMPLIFICACIÓN ACTUAL EN LAS CÁMARAS DE INSPECCIÓN.
Debido a que el costo de las Cámaras de Inspección tiene una incidencia
importante y muy elevada en la construcción del sistema de alcantarillado, se han
propuesto simplificaciones que están condicionadas a la disponibilidad de un equipo
de mantenimiento y limpieza adecuado, sea éste mecánico o en especial de tipo
hidráulico (succión-presión).
Este sistema simplificado, además de reducir los costos por unidad de
inspección y limpieza, permite incrementar la longitud de inspección, lo que a su
vez incide en la reducción de los costos de la red de Alcantarillado.
Los accesorios simplificados de la red son los que se mencionan a continuación:
4.7.1. TERMINAL DE LIMPIEZA (TL)
En los casos de redes ubicadas en las aceras, calles sin salida o vías y calles
secundarias de tráfico liviano, las cámaras de arranque del alcantarillado pueden
ser sustituidas por terminales de limpieza. Este terminal deberá ser construido
utilizando dos Curvas de 45°. Ver Figura 4.7.1.
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Figura 4.7.1: Terminal de Limpieza.
4.7.2. TUBOS DE INSPECCIÓN Y LIMPIEZA (TIL)
Son utilizados en los tramos intermedios de la red y son elementos
generalmente prefabricados. Ver Figura 4.7.2.
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Figura 4.7.2: Tubos de Inspección y Limpieza
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4.7.3. CAMBIOS DE DIRECCIÓN (CP)
En casos de calles curvas, las Cámaras de Inspección situadas anteriormente
en los puntos de cambio de dirección, con hasta 45° de deflexión, pueden ser
eliminadas y sustituidas por cajas de paso sin inspección. Ver Figura 4.7.3.
La sustitución de Cámaras Inspección por cajas de paso, debe ser evitada en
tramos donde la pendiente de los colectores fuese inferior a 0,007 m/m (0,7 %)
para tubos de 6" (150 mm) y de 0,005 m/m (0,5 %) para tubos de 8" (200 mm).
Las cajas de paso curvas o rectas deben ser necesariamente catastradas.
Figura 4.7.3.: Cambio de Dirección
4.7.4. CAMBIOS DE PENDIENTE
En los casos de cambio de pendientes, y siempre que el colector no tenga
una altura de tapada mayor de 3.0m de profundidad, la Cámara de Inspección
puede ser sustituida por una caja de paso, que debe ser obligatoriamente
catastrada. Ver Figura 4.7.4.
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Figura 4.7.4.: Cambio de Pendiente
4.7.5. CAMBIOS DE DIÁMETRO
En los casos de cambio de diámetro en un tramo de colector, la Cámara de
Inspección puede ser sustituida por una caja de paso sin inspección. Esta solución
sólo puede ser adoptada para colectores con profundidad menor a 3,0 m y
necesariamente debe ser catastrada. Ver Figura 4.7.5.
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Figura 4.7.5: Cambio de Diámetro
4.8. MÉTODOS DE DISEÑO DE UNA CÁMARA DE INSPECCIÓN.
La unión de tuberías se realiza en las cámaras de inspección. Para realizar el
empate de las tuberías en las cámaras de inspección existen varios criterios, entre
los cuales tenemos los siguientes:
1. Empate por cota superior interna de la tubería.
2. Empate por la cota inferior interna de la tubería.
3. Empate por el 80% de los diámetros.
4. Empate por la línea de energía.
4.8.1. EMPATE POR COTA SUPERIOR INTERNA DE LA TUBERÍA.
Este tipo de empate puede emplearse en la unión de tuberías cuyo diámetro
sea inferior a 500mm y cuyo régimen de flujo sea subcrítico. Es un criterio
geométrico que consiste en igualar las cotas superiores internas de la tubería de
entrada y de salida; entonces, la caída en la cámara es la diferencia de los
83
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diámetros de las tuberías.
Al ser un criterio solamente geométrico y desconocer la hidráulica de la
unión en la cámara, es posible que la línea de energía saliente tenga una cota
superior a la línea de energía entrante y, por tanto, se producirá un remanso aguas
arriba de la unión. Para compensar de cierto modo lo anterior, es posible dejar una
caída en la cota superior interna, ∆Hc, igual a la mitad de la diferencia de los
diámetros. Una explicación grafica se encuentra en la Figura 4.8.1.
Para el diseño se aplica la siguiente ecuación:
ΔH p =
D 2 − D1
2
Ecuación 4.1
Figura 4.8.1: Empate por cota superior interna
4.8.2. EMPATE POR LÍNEA DE ENERGÍA PARA FLUJO SUBCRÍTICO.
Consiste en igualar la cota de energía del colector principal entrante al pozo,
con cota de energía del colector saliente. Planteando par esto la ecuación de
energía entre las tuberías entrante y saliente al centro del pozo. Ver Figura 4.8.2.
Para el diseño se considera la ecuación de Bernoulli:
v2
v2
1
Z 1 + d1 +
= Z 2 + d 2 + 2 + ΔH p
2g
2g
Ecuación 4.2
Donde:
84
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Z1 = Altura de posición de la tubería de entrada
d1 = Altura de la lamina de agua en la tubería de entrada
v1 = Velocidad de tubería de entrada.
Z2 = Altura de posición de la tubería de salida
d2 = Altura de la lamina de agua en la tubería de salida
v2 = Velocidad de tubería de salida.
∆Hp = Perdida de Energía ocurridas por el empate de las tuberías.
Figura 4.8.2.
La caída de la cámara corresponde al término
⎞ ⎛
⎛
v2 ⎟ ⎜
⎜
2
⎜
(Z1 − Z 2 ) = d 2 + ⎟ − ⎜ d1 +
2g ⎟ ⎜
⎜
⎟ ⎜
⎜
⎠ ⎝
⎝
(Z1 − Z 2 ) :
⎞
v2 ⎟
1 ⎟ + ΔH
p
2g ⎟
⎟
⎠
Ecuación 4.3
Simplificando estos términos tenemos:
(Z1 − Z 2 ) = (E 2 − E1 ) + ΔH p
Ecuación 4.4
Si la caída en la cámara resulta ser mayor a 0.75 m, debe proyectarse una
cámara de caída. Si la caída en la cámara resulta ser negativa la cota inferior de la
tubería saliente será igual a la cota inferior de la tubería entrante; en ninguna
circunstancia debe igualarse la cota inferior a la salida de la cámara.
Al realizar el empate de las tuberías de la cámara, se produce varias
perdidas de energías; las mas importantes son la perdida de energía por cambio de
dirección y la perdida por la unión o transición ocasionada por el cambio en la en la
altura de velocidad entre las tuberías de entrada y salida. Esta consideración se
considera en forma siguiente:
85
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ΔH p = ΔH d + ΔH t
Ecuación 4.5
Donde:
∆Hd = Perdida de Energía por cambio de Dirección.
∆Ht = Perdida de Energía por la unión ò transición.
4.8.2.1
PÉRDIDA POR CAMBIO DE DIRECCIÓN
La pérdida de energía
por cambio de dirección para el flujo subcritico ò
súper crítico se calcula en función de la relación entre el radio de curvatura de la
cámara y el radio de la tubería de salida. En la Tabla 4.8.2.1 se presenta los
valores de perdida de energía que deben ser usados para la relación rc/Ds > 1, por
que el porcentaje de energía cinética es bajo, para no aumentar el diámetro de la
cámara ò hacer un cambio de dirección menor a 90º.
TABLA 4.8.2.1:
Pérdida de Energía por Cambio de Dirección.
Fuente: Elementos de Diseño para Acueductos Y Alcantarillado. 2º Edición
“Ricardo Alfredo López Cualla”.
4.8.2.2
PERDIDA DEBIDAS A LA UNIÓN DE LAS TUBERÍAS
Las perdidas por unión se dan debido al aumento ò a la disminución de la
velocidad a partir de un cambio de diámetro, pendiente o adición de caudal. La
expresión siguiente calcula lo expuesto:
ΔH t = k
v2
v2
2 − 1
2g
2g
Ecuación 4.6
Donde:
K = 0.1 Para aumento de velocidad
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K = 0.1 Para disminución de velocidad
v1 = Velocidad de tubería de entrada.
v2 = Velocidad de tubería de salida.
4.8.2.3.
EMPATE POR LA LÍNEA
SUPERCRÍTICO (NF > 1.1)
DE
ENERGÍA
PARA
FLUJO
La conexión de tuberías en régimen supercrítico implica trabajar con una
energía cinética mayor (velocidades mayores), lo que ocasionaría la salida
tangencial del agua del fondo, proyectada según las condiciones de empate
expuestas en la Figura 4.8.2.3.
Figura 4.8.2.3: Radio del fondo en la Cámara de Inspeccion
Se presentan dos alternativas para el empate de las tuberías:
1. Se diseñan estructuras de conexión con radios de curvatura mayores
que los del caso de empate subcrítico.
2. Se disipa toda la energía cinética en la estructura de conexión y se
proyecta como una cámara de caída.
4.8.2.4.
EMPATE
PARA
FLUJO
SUPERCRÍTICO
EN
ESTRUCTURAS
ALARGADAS SIN CAÍDA
La primera alternativa, conexión con radios de curvatura grandes, requiere
estructuras alargadas, de gran tamaño y que, por tanto, necesitan un mayor
espacio, por lo que es una limitación dada por la planimetría de las manzanas de la
87
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ciudad.
La unión con este tipo de estructura implica que la lámina de agua de los
colectores afluente y efluente sean aproximadamente iguales. Cuando el caudal
afluente es menor del 10% del caudal efluente, puede permitirse que su lámina de
agua tenga una cota superior a la de los demás. La cota de energía del colector
efluente debe ser menor que la cota de energía de los afluentes para evitar la
formación de un resalto hidráulico. La principal pérdida de energía corresponde al
cambio de dirección calculada a partir de la Tabla 4.8.2.1, mientras que la caída
en la cota inferior entre la tubería principal entrante y la tubería de salida se calcula
según la Ecuación 4.5.
Figura 4.8.2.4.1:
En el caso de utilizar estructuras de cámaras de unión como indica la Figura
4.8.2.4.1, de manera similar al régimen subcrítico, no se recomienda perder más
del 40% de la energía cinética; por tanto, la condición para cumplir con lo anterior
es:
rc
=
D p
⎛α
2 D s tan ⎜⎜
⎝ 2
⎛α
D p ≥ 12 D s tan ⎜⎜
⎝ 2
Ds
⎞
⎟⎟
⎠
⎞
⎟⎟
⎠
≥ 6
Ecuación 4.7
El ángulo máximo recomendado para la intersección de las alcantarillas en
régimen supercrítico se presenta en la tabla siguiente:
TABLA 4.8.2.4.:
88
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Máximo ángulo de intersección de las tuberías principales
Diámetro del colector saliente Angulo
250 mm
90º
300 mm – 350 mm
75º
400 mm - 530 mm
60º
560 mm - 900 mm
45º
> 900 mm
15º
Fuente: Elementos de Diseño para Acueductos Y Alcantarillado. 2º Edición
“Ricardo Alfredo López Cualla”.
La unión de alcantarillas con diámetros superiores a 900 mm no se hace en
cámaras de inspección, sino por la unión de líneas en forma gradual que minimizan
las pérdidas de energía en estructuras similares a las mostradas en las Figura
4.8.2.4.1 y 4.8.2.4.2. En este caso el ángulo máximo de la intersección, según la
Tabla 4.8.2.4, es de 15°.
Figura 4.8.2.4.2: Unión de tapa plana para alcantarillas en flujo
supercrítico y diámetros > 900mm
La Ecuación 4.8 define la unión de las alcantarillas en estructuras para
diámetros superiores a 900 mm, la misma que se deduce a partir de la ecuación de
cantidad de movimiento, siendo "A" igual al área hidráulica mojada en la sección
respectiva, en tanto que los demás parámetros se definen en la Figura 4.8.2.4.3.
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Q2
b *Y 2
Y * b2
Q2
Q2
3 + 3 3 = 1 + 2 COS θ + 1 3
2
2
gA 3
gA1
gA 2
Ecuación 4.8
La Ecuación 4.8 se soluciona para Y3 adoptando valores de b3 que la
satisfagan y asegurando que el régimen de flujo no pase a ser subcrítico, puesto
que se produciría un resalto hidráulico en la estructura de conexión.
Figura 4.8.2.4.3: Unión de colectores para diámetros de salida > 900mm
4.8.2.5.
EMPATE PARA FLUJO SUPERCRÍTICO EN ESTRUCTURAS CON
CAÍDA
Este tipo de unión es aplicable cuando no se dispone del espacio necesario
para proyectar las estructuras anteriores y el caudal es inferior a 5 m3/s. Para
caudales superiores se pueden utilizar estructuras escalonadas o en rampa.
En este caso se busca disipar toda la energía cinética en la cámara, mientras
que la sección de control se establece en el orificio de salida de la cámara; esto
significa que la capacidad de transporte de la tubería saliente es superior a la
capacidad de entrada a la misma. Hidráulicamente, la cámara se analiza como un
tanque con un orificio de salida y se determina la altura necesaria (Hw) para
evacuar el caudal de diseño por el orificio de salida, de tal manera que la elevación
90
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del agua en la cámara no sea mayor que la elevación de la lámina de agua en las
tuberías concurrentes al mismo.
La altura o caída en la cámara, al ser función del área del orificio de salida,
puede ser relativamente alta y en estos casos es necesario construir una estructura
de boquilla a la salida de la pozo como se observa en la Figura 4.8.2.5.1.
La entrada a la tubería de salida puede realizarse de manera sumergida o
no, pero esto depende del diámetro y el caudal de la tubería de salida.
Figura 4.8.2.5.1: Determinación de Hw, debe afectarse por el factor K
4.8.2.5.1
ENTRADA NO SUMERGIDA
Este caso se presenta cuando:
Q
Ds2 * g * Ds
≤ 0.62
Ecuación 4.9
Donde:
Q = caudal de la tubería de salida (m3/s)
Ds = diámetro interno de la tubería de salida (m)
91
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Figura 4.8.2.5.1: Empate para flujo supercrítico para entrada no
sumergida.
La caída en la cámara, Hw, indicada en la Figura 4.8.2.5.1 se obtiene de la
Ecuación 4.10:
⎛H
Hw
H ⎞
= K⎜ c + e ⎟
⎜
Ds
Ds ⎟⎠
⎝ Ds
Ecuación 4.10
Donde:
Hc = Energía específica para las condiciones de flujo crítico
He = Incremento de altura debido a las pérdidas. Su valor se obtiene de la
ecuación empírica siguiente:
K = coeficiente que depende de la relación del diámetro del pozo con el
diámetro de la tubería saliente. Se indica en la Tabla 4.8.2.5.1.
El término de energía en condiciones de flujo crítico puede determinarse a
partir de la Ecuación 4.11, conocida también como el "factor de sección":
Q
g
=A H =
2 (θ − Senθ )1.5 2
D
⎛
⎞
0
.
5
32⎜ Sen(0.5θ )
⎟
⎝
⎠
Ecuación 4.11
La Ecuación 4.11 se resuelve para el valor de θc que la satisfaga y se procede
92
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luego a calcular:
D
(1 − Cos0.5θ )
2
Yc =
D2
(θ c − Senθ c )
8
Q
Vc =
Ac
Ac =
Ecuación 4.12
TABLA 4.8.2.5.1:
Coeficientes de K en cámaras de unión con caída
Dp/Ds
K
>2
1.2
1.6 – 2.0
1.3
1.3 – 1.6
1.4
< 1.3
1.5
Puede emplearse también la gráfica indicada en la Figura 4.8.2.5.1, en la
cual el valor obtenido de Hw/Ds debe multiplicarse por el coeficiente "K" de la Tabla
4.8.2.5.1 y por el diámetro de la cámara "Ds" para obtener finalmente la caída en
la cámara.
4.8.2.5.2
ENTRADA SUMERGIDA
La entrada a la tubería es sumergida si:
Q
Ds2 * g * Ds
> 0.62
Ecuación 4.13
Es decir:
0.319 * Q
D s2.5
> 0.62
Los términos de Q, Ds, se describieron anteriormente.
93
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Figura 4.8.2.5.2: Empate para flujo supercrítico para entrada sumergida.
La caída en la cámara se determina a partir de:
⎛
⎜
⎛
⎜
Hw
Q
⎜
= K ⎜ 0.70 + 1.91⎜
2
Ds
⎜ Ds * g * Ds
⎜⎜
⎝
⎝
⎞
⎟
⎟
⎟
⎠
2 ⎞⎟
⎟
⎟
⎟⎟
⎠
Ecuación 4.14
Alternativamente puede emplearse la gráfica indicada en la Figura 4.8.2.5.1 para
la determinación de Hw/Ds.
Como se indicó anteriormente, es posible reducir la altura de caída, Hw,
empleando una boquilla o ampliación del diámetro del orificio a la salida de la
cámara. La longitud de la boquilla necesaria se puede definir como:
Lboquilla = 6 x (Dboquilla - Ds)
Ecuación
4.15
94
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4.9. EJEMPLO DE DISEÑO DE CÁMARAS DE INSPECCIÓN.
Diseñar una Cámara con cambios de pendiente, sabiendo que la cota
superior es de 42.3m, la cota inferior de 42 m. Se asume un área de aportación de
(0.0625Ha+0.25Ha+0.75ha), Ver Figura 1.5.1. Aplicando el metodo Racional y
con una intensidad de 14.9 mm/H, obtenemos el Caudal de Diseño para la Cámara
de 33 lit/s.
DATOS:
Q
= 33 lit/s
n
= 0.013
S0
= 2%
De la Ecuación de Maning, tenemos:
Resolviendo esta ecuación y colocando en función del diámetro se tiene:
Se asume un diámetro comercial de 0.30m. Aplicando condiciones a tubo
lleno se obtiene:
Con el valor de Q/Q0 se obtiene las relaciones siguientes:
Donde el valor de la velocidad de arrastre es de:
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Como se puede apreciar no existe problemas con la velocidad de arrastre,
pues por norma la velocidad es de (0.5 m/s – 3.5 m/s)
Donde el valor de la cota superior interna es de:
La relación de los radios Hidráulicos a sección llena y al caudal de diseño se
tiene:
Finalmente para este diseño se calcula el Esfuerzo cortante que permite el
arrastre de la mayor parte de materiales es:
Aplicando nuevamente la ecuación de Maning, para calcular la altura de la
cota inferior aguas abajo, además sabiendo que la cámara tiene 1.20 m de
diámetro, se procede primeramente a calcular la pendiente de descenso:
Donde el área y perímetro mojado se toma para un triángulo, se tiene:
Para lo cual, el valor de m se tiene la pendiente de base de la cámara y esto
es en el orden del 2-5 %, se asume 5%
En donde, aplicando la Ecuación 4.3, se tiene:
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Aplicando Ecuaciones 4.5, observando para el valor de , y para el valor de
Finalmente este diseño se ha podido comprobar que la pérdida de energía
tanto para la ecuación de la energía, como las Ecuaciones 4.5 y Ecuación 4.3 son
parecidas, quedando definido el diseño.
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RESUMEN
La monografía realizada contiene un análisis de diferentes métodos de
distribución de extremos aplicados en la Hidrologia, el cual facilita el cálculo de la
Intensidad de la lluvia en cualquier zona de estudio. Esta aproximación se hace
mediante la obtención de curvas de Intensidad-Duración-Frecuencia con diferentes
periodos de retorno, a través del cual ayuda a determinar el caudal de diseño para
aplicarse en una obra civil como el caso de la ciudad de Cuenca, tomando una
duración de 2 horas (rango de inundación) se encontró un caudal de 25 lts/seg.
para un periodo de retorno de 10 años.
La flexibilización de los principales criterios y parámetros de diseño (tensión
tractiva, pendiente, diámetro, trazado y profundidad de instalación), tienen
influencia directa en la reducción de los costos de inversión, operación y
mantenimiento en el alcantarillado pluvial, básicamente en la construcción de
cámaras de inspección (Cap. IV) y sumideros (III).
Los sumideros son las estructuras encargadas de recoger la escorrentía
superficial de la calles e introducirla a la tubería del alcantarillado pluvial o
combinado. Se ubican a lado y lado de la calle y en la esquina aguas debajo de
cada manzana antes del cruce peatonal. También deben colocarse en todos los
puntos bajos o depresiones de la red vial, en las reducciones de pendientes
longitudinales de las vías y antes de los puentes vehiculares.
La necesidad de evitar curvas en el trazado de Redes, que dificultan la
limpieza, obligan a construir Cámaras de Inspección entre dos de las cuales, la
alineación debe ser forzosamente recta, tanto en planta como en perfil, lo cual
significa que también son necesarias en los cambios de pendiente, facilitando de
ésta manera, el acceso a los colectores para la extracción de los residuos de
limpieza.
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RECOMENDACIONES
En el estudio de los problemas de captación y evacuación de aguas pluviales en
áreas urbanas deberán considerarse los siguientes factores:
1
Tráfico peatonal y vehicular.
2
Valor de las propiedades sujetas a daños por inundaciones.
3
Elección entre soluciones con canales abiertos o conductos enterrados.
4
Profundidad de los colectores.
Es obligatorio en la elaboración del proyecto hidráulico de sistemas de
alcantarillado pluvial, la consideración de la economía. Con esta finalidad, la
elección del periodo de retorno (frecuencia) a adoptar en el proyecto será realizada
adecuadamente en función de la probabilidad de ocurrencia de lluvias, empleando
un factor de riesgo técnica y económicamente admisible. Será necesario, además
un balance económico entre el costo de estructuras y los costos directos e
indirectos debido a perjuicios a propiedades públicas o privadas.
Se deberá considerar también el efecto de crecimiento de la urbanización, de
ejecución de planes urbanísticos y hasta de cambios de opinión con relación al
mejoramiento del drenaje.
La elaboración de los proyectos deberá ser precedida por estudios de los
regímenes locales de precipitación de las lluvias intensas de la región.
Además, se recomienda dar un mantenimiento constante a los sumideros
porque estas obras al obstruirse pueden ser causa de inundaciones, epidemias o
accidentes de tránsitos con consecuencias fatales.
Dada la heterogeneidad de los suelos existentes en la ciudad y a las
investigaciones realizadas en años anteriores, se recomienda ejecutar previamente
pruebas "in situ" que avalen el sistema finalmente adoptado.
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CONCLUSIONES
Al finalizar este trabajo monográfico, encontramos que el método de
distribución de extremos que genera resultados más objetivos y prácticos es el
Gumbel-Ven Te Chow dando excelentes proyecciones a las curvas de IntensidadDuración-Frecuencia.
Básicamente el diseño de sumideros esta enfocado a un estudio hidrológico
de la zona del proyecto donde se va a ejecutar la obra, pues el caudal de diseño se
aplica de acuerdo a la intensidad de las precipitaciones pluviales obtenidas en el
campo.
Otro factor importante en el alcantarillado pluvial es la construcción de
cámaras de inspección las cuales deben ir ubicadas en las intersecciones de las vías
sin tener distancias mayores a 100 m. Con un estudio de cambios de pendientes
porque posibles conexiones ilícitas pueden afectar al estudio y al saneamiento.
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