captacion y conduccion

Captación y Conducción
Página 1
INDICE
1
INTRODUCCIÓN ........................................................................................................ 3
2
OBJETIVOS ................................................................................................................ 4
3
2.1
OBJETIVO GENERAL ........................................................................................... 4
2.2
OBJETIVO ESPECÍFICO ........................................................................................ 4
MARCO TEÓRICO ...................................................................................................... 5
3.1
LÍNEA DE CAPTACIÓN (BOCATOMA) .................................................................. 5
3.1.1
ELEMENTOS DE LA LÍNEA DE CAPTACIÓN .................................................. 6
3.1.2
IMPORTANCIA DE LA LÍNEA DE CAPTACIÓN............................................. 18
3.2
LÍNEA DE CONDUCCIÓN ................................................................................... 18
3.2.1
Canales...................................................................................................... 18
3.2.2
Tuberías .................................................................................................... 19
3.2.3
Conducción por bombeo .......................................................................... 26
3.2.4
Consideraciones especiales ...................................................................... 26
3.2.5
Dimensionamiento ................................................................................... 27
3.2.6
DISEÑO DE LA LÍNEA DE IMPULSION O BOMBEO .................................... 31
Página 2
1
INTRODUCCIÓN
Una de las necesidades humanas fundamentales es el agua, la cual es factor
determinante para usos públicos y privados, para el riego, la generación hidroeléctrica
y eventualmente para servicios de transporte y comunicaciones. De hecho, el agua es
un recurso natural renovable; sin embargo, su renovabilidad no responde, como otros
recursos, a su multiplicación a partir de magnitudes iniciales, sino que se trata de un
recurso natural circulante, dependiente de un ciclo de cambios de estado
condicionado por circunstancias climáticas, geológicas y paisajistas.
Para trasladar el agua desde su captación hasta la comunidad a la que va a abastecer
es necesario realizar ciertas obras hidráulicas, tal como es el caso de captaciones, estas
pueden ser de pozos, manantiales y ríos, siendo necesario realizar un adecuado
tratamiento del agua, cuidando así que los pobladores reciban agua de calidad
evitando enfermedades. Por tal motivo es importante diseñar las obras
complementarias tales como filtros, entre otros.
En la actualidad, uno de los problemas fundamentales en la planificación y operación
de los recursos hídricos es el manejo de los embalses. En consecuencia se debe lograr,
con un alto grado de seguridad, un balance óptimo en el uso del agua para los
periodos húmedos y secos, con el objetivo de satisfacer las demandas existentes y
futuras de energía eléctrica, del uso para riego, abastecimiento de agua potable e
industrial, y control de inundaciones.
Página 3
2
OBJETIVOS
2.1 OBJETIVO GENERAL
En el presente trabajo, con ayuda del docente, se proyecta como objetivo general que
cada uno de nosotros, tenga la capacidad y noción necesaria para el diseño y cálculo
de las obras de captación, conducción y la respectiva planta de tratamiento; de tal
manera de generar el conocimiento.
2.2 OBJETIVO ESPECÍFICO
-
Diseño de la línea de captación (Bocatoma, etc.).
-
Diseño de la línea de conducción (Tubería Forzada).
-
Diseño de la planta de tratamiento de agua.
-
Trazar las redes de distribución del agua y analizar las presiones y velocidades
en cada tramo, de tal manera que cumplan las condiciones establecidas R.N.E.
-
Mostrar el procedimiento y los métodos empleados para el diseño de cada una
de las líneas establecidas.
Página 4
3
MARCO TEÓRICO
3.1 LÍNEA DE CAPTACIÓN (BOCATOMA)
Elegida la fuente de agua e identificada como el primer punto del sistema de agua
potable, en el lugar del afloramiento se construye una estructura de captación que
permita recolectar el agua, para que luego pueda ser conducida mediante las tuberías
de conducción hacia el reservorio de almacenamiento.
El diseño hidráulico y dimensionamiento de la captación dependerá de la topografía de
la zona, de la textura del suelo y de la clase de manantial; buscando no alterar la
calidad y la temperatura del agua ni modificar la corriente y el caudal natural del
manantial, ya que cualquier obstrucción puede tener consecuencias fatales; el agua
crea otro cauce y el manantial desaparece.
MUROS DE
ENCAUSAMIENTO
BARRAJE
DISIPADOR DE
ENERGIA
BOCAL
VERTEDERO LATERAL
CA
NA
LD
E
LIM
PI
A
DESARENADOR
Las obras de toma o
bocatomas son las estructuras
hidráulicas construidas sobre
un río o canal con el objeto
de captar, es decir extraer,
una parte o la totalidad del
caudal
de
la
corriente
principal. Las
bocatomas
suelen
caracterizarse
principalmente por el Caudal
de captación, el que se
define como el gasto máximo
que una obra de toma puede
admitir.
FINALIDAD
La finalidad es uno de los muchos criterios que existen para la clasificación de las obras
de toma. Desde el punto de vista de su finalidad las obras de toma se clasifican en
función de las características del proyecto al que sirven. Es así como se tiene:
-
Obras de toma para abastecimiento público.
Obras de toma para irrigación.
Obras de toma para centrales hidroeléctricas
Obras de toma para uso múltiple.
Página 5
3.1.1 ELEMENTOS DE LA LÍNEA DE CAPTACIÓN
Una línea de captación, está compuesta por los siguientes elementos estructurales
e hidráulicos que se presentan y definen:
3.1.1.1 MUROS DE ENCAUSAMIENTO
Son estructuras que permiten
encauzar el flujo del río entre
determinados límites con el fin de
formar las condiciones de diseño
pre-establecidas (ancho, tirante,
remanso, etc.)
Estas estructuras pueden ser de
concreto simple a de concreto
armado. Su dimensionamiento está
basado en controlar el posible
desborde del máximo nivel del agua
y evitar también que la socavación
afecte las estructuras de captación y derivación.
En lo referente a la altura de coronación que estas estructuras deben tener, se
recomienda que su cota superior esté por lo menos 0.50 m por encima del
nivel máximo de agua.
3.1.1.2 BARRAJE
Es una represa construida a través del
río con el objeto de levantar el nivel de
agua del mismo, su altura debe ser tal
que permita una carga de agua
suficiente en la toma, para el ingreso
seguro del agua en esta, considerando
las pérdidas de carga que se producen
en los muros, rejillas y compuertas de
sección en la toma.
Página 6
Para el diseño del barraje se considera esta estructura como si fuera un
vertedero de pared gruesa, por lo que se tendrá en cuenta lo siguiente:
𝟐
𝑸 𝟑
𝒉=(
)
𝑴𝒃
De donde:
Q= caudal máximo o mínimo del rio.
M= 2.21 cuando la presa es perpendicular al rio (pared gruesa).
b= ancho del rio.
h= carga de agua máxima o mínima.
Según el In. NOSAKY, Una vez establecido un apropiado tirante “y “de agua en
el canal de conducción, se ubicara el vertedero del barraje a una elevación
sobre el fondo del rio, igual a:
P = 3y, cuando el caudal sea menor a 1 𝑚3 /𝑠𝑒𝑔.
P = 2.5y, cuando el caudal sea menor a 1 𝑚3 /𝑠𝑒𝑔 a 10 𝑚3 /𝑠𝑒𝑔.
P =2y, cuando el caudal sea mayor a 10 𝑚3 /𝑠𝑒𝑔.
El diseño y las dimensiones de un barraje, que responda a estas condiciones
de seguridad, se indican en la tabla siguiente:
TABLA PARA DIMENSIONAR LAS SECCIONES DEL BARRAJE
SEGMENTO
P=H=1
P=H=2
P=H=3
h=0
h=5
h=0
h=5
h=0
h=5
A
5,00
10,00
9,00
14,00
13,00
18,00
E
4,20
5,20
7,40
8,40
10,60
11,60
C
0,80
4,70
1,50
5,50
2,40
6,40
Página 7
D
1,80
2,80
3,50
4,50
5,20
6,20
F
1,00
1,00
1,50
1,50
1,90
1,90
B
0,70
0,70
0,90
0,90
1,20
1,20
G
0,25
0,50
0,40
0,60
0,50
0,70
J
0,50
0,50
0,60
0,60
0,70
0,70
K
0,40
0,40
0,50
0,50
0,60
0,60
2
V /2g
o
hmax
B
C
E
P
D
G
F
J
e
K
A
L'
Donde L’ se determinara mediante la siguiente ecuación matemática:
𝐿′ = 0.642 ∗ 𝐶 ∗ ℎ ∗ 𝑄𝑚𝑎𝑥
3.1.1.3 CURVAS DE REMANZO
 Se diseña con la finalidad de encauzar el agua en el rio cuando no tiene
una topografía que lo realice.
hmax
y
i-1
y
1
y
P
i
Página 8
 Se inicia el cálculo en una sección cuyas características de
escurrimiento sean conocidas (sección de control), luego se avanza
donde las secciones de control ejercen fluencia.
 Calcular en la sección de control la energía especifica.
H1  Y1 
1
2
V1
2g
;
2
V1 n 2
S1 
R
4
3
………Ecuación de Maning.
 Se asume un tirante y2 razonablemente de acuerdo a la tendencia del
eje hidráulico.
1
V2
H 2  Y2  2 ;
2g
2
S2 
V2 n 2
R
4
3
………..Ecuación de Maning.
 Determinar la pendiente promedio.
Sm 
S1  S 2
2
 Calcular la variación de x (∆x).
Sm 
H1  H 2
Sm  i
 Repetir los mismos pasos hasta llegar a la otra zona de control.
 Finalmente:
𝐿 = ∑∆𝑥.
3.1.1.4 COLCHÓN DE AGUA
Se realiza con la finalidad de evitar las erosiones y socavación del agua debajo
de la estructura.
Página 9
 Para su diseño se usan las siguientes formulas:
𝑉0
= 𝑄/𝐴
2
V
H  O  hmax
2g
q2
H  E0  Ycont 
,   0.9
 * 2 g *Y 2 cont
 De esta última ecuación se determina el Ycont .
Y2 

Ycont 
8q 2

1
 1

2 
g * Y 3cont

 Altura de muro:
hmax  y2  bl
 Cálculo de Profundidad:
𝑒 = 𝑦𝑛 − 𝑦2
 Longitud de colchón de agua:
𝐿 = 5∗𝑒
3.1.1.5 VERTEDERO
El vertedero, llamado también aliviadero, es el nombre de una estructura
hidráulica cuya finalidad es la de permitir que pase el agua a los
escurrimientos superficiales. El vertedero hidráulico cumple diferentes
funciones entre las que se encuentran las que se destacan, garantizar que la
estructura hidráulica ofrezca seguridad, pues impide que se eleve el nivel de
aguas arriba sobre el nivel máximo. Garantizar que el nivel de agua tenga poca
variación en el canal de riego aguas arriba. Componerse en una zona de una
sección de aforo que tenga el río o el arroyo.
El vertedero, se diseñara hidráulicamente, siguiendo los pasos que se
presentan a continuación:
 Determinación del Flujo
Página 10
𝐹𝑟 =
𝑄
𝐴√𝑔𝑦
De donde:
Q= Caudal del rio.
A= Área de canal de derivación.
y= Tirante de canal de derivación.
Fr= Número de Froude.
g= Gravedad (9.81 m/seg)
Consideraciones:
Fr =1 flujo crítico.
Fr >1 supercrítico (flujo rápido).
Fr <1 subcrítico (flujo lento).
 Cálculo Matemático
 h 52  h 52 
4
0  ……………………….…… Flujo Rápido
Q  C 2 g b 1
15
 h1  h0 


 h 52  h 52 
4
1  ……………………….…… Flujo Rápido
Q  C 2 g b 0
15
 h0  h1 


3.1.1.6 VENTANA DE CAPTACIÓN
Página 11
La captación de agua se realiza mediante una abertura llamada ventana de
captación debida a que se encuentra a una altura de 0.60 m del piso del canal
de limpia como mínimo. Sus dimensiones son calculadas en función del caudal
a derivar y de las condiciones económicas más aconsejables.
Para dimensionar la ventana de captación se debe tomar en cuenta las
siguientes recomendaciones:
Z: altura para evitar ingreso de material de arrastre; se recomienda 0.60 m.
como mínimo.
H: altura de la ventana de captación; es preferible su determinación por la
fórmula de vertedero:
Q = c. L .h3/2
Dónde:
Q: caudal a derivar más caudal necesario para operación del sistema de purga.
C: coeficiente de vertedero, en este caso 1.84
L: longitud de ventana que por lo general se asume entre 3 a 4 m.
3.1.1.7 CANAL DE DERIVACIÓN
En el cálculo de la sección de un canal debe partirse del hecho siguiente:
desde el punto de vista hidráulico hay, en principio, un número infinito de
soluciones. En el caso de un canal que va a ser construido, el gasto o caudal
está dado por las condiciones de diseño; no proviene de un cálculo hidráulico,
sino de la función del canal, de la naturaleza del servicio que presta y por
cierto del análisis que se ha hecho de las disponibilidades de agua. El caudal
de diseño es un dato impuesto al que debe adecuarse al cálculo de la sección
del canal.
Página 12
 Determinación de Sección
Página 13
Q
2
3
AR S
n
1
2
Donde:
Q=caudal a conducir en m3/s.
N=coeficiente de rozamiento de Manning.
S=pendiente longitudinal del canal (m/m).
R=radio hidráulico m.
A= sección transversal m2.
Valores de rugosidad “n” de Manning
Relación plantilla vs tirante para máxima eficiencia, mínima infiltración
y el promedio de ambas
Página 14
De todas las secciones trapezoidales, la más eficiente es aquella donde el
ángulo que forma el talud con la horizontal es 60º, además para cualquier
y
sección de máxima eficiencia debe cumplirse: R 
2
Donde:
R: Radio hidráulico
y: Tirante del canal
3.1.1.8 DESARENADOR LONGITUDINAL
Su funcionamiento se basa en la reducción de la velocidad del agua y de las
turbulencias, permitiendo así que el material sólido transportado en
suspensión se deposite en el fondo, de donde es retirado periódicamente.
Normalmente se construyen dos estructuras paralelas, para permitir la
limpieza de una de las estructuras mientras la otra está operando.
El desarenador se diseña, Según el Ing. Nozaky:
L= C (HTV)
Para:
V<0.3m/s
Φ =0.3mm
Tsed =25seg
C=< 1.5 - 2 >
Donde:
C= coeficiente de seguridad
Página 15
H= profundidad de sedimentación
T= tiempo de sedimentación
V= velocidad del agua
COMPUERTA
DE LIMPIA
v=m/s H
S=5%
3.1.1.9 DESARENADOR DE LIMPIA
Son el tipo más común y la operación de lavado se procura realizar en el
menor tiempo posible con el objeto de reducir al mínimo las pérdidas del
agua.
Para cumplir su función, el desarenador se compone de los siguientes
elementos:
 Transición de entrada, la cual une el canal con el desarenador.
 Cámara de sedimentación, en la cual las particular sólidas caen al
fondo, debido a la disminución de la velocidad producida por el
aumento de la sección transversal.
Según Dubuat, las velocidades límites por debajo de las cuales el agua
cesa de arrastrar diversas materias son:
Página 16
Arcilla 0.081 m/s
Arena fina 0.160 m/s
Arena gruesa 0.216 m/s
 Vertedero, al final de la cámara se construye un vertedero sobre el
cual pasa el agua limpia hacia el canal. Las capas superiores son las que
primero se limpian es por esto que la salida del agua desde el
desarenador se hace por medio de un vertedero, que hasta donde sea
posible debe trabajar con descarga libre. También mientras más
pequeña es la velocidad de paso por el vertedero, menos turbulencia
causa en el desarenador y menos materiales en suspensión arrastra.
Como máximo se admite que esta velocidad puede llegar a v = 1 m/s.
De la ecuación de un vertedero rectangular sin contracciones:
3
𝑄 = 𝐶 ∗ 𝐿 ∗ ℎ2
Donde:
Q = caudal (m3/s)
C = 1.84 (cresta aguda)
C = 2.0 (perfil Creaguer)
L = longitud de la cresta (m)
h = carga sobre el vertedero (m)
Si el área hidráulica sobre vertedor es: A=L*h, entonces la velocidad
será:
𝑉 = 𝐶 ∗ ℎ1/2
 Compuerta de lavado, sirve
para desalojar los materiales
depositados en el fondo. Para
facilitar el movimiento de las
arenas hacia la compuerta, al
fondo del desarenador se le da
una gradiente fuerte del 2% al
6%. El incremento de la
profundidad obtenido por
Página 17
efecto de esta gradiente no se incluye en el tirante de cálculo, sino que
el volumen adicional obtenido se lo toma como depósitos para las
arenas sedimentadas entre dos lavados sucesivos. Es necesario hacer
un estudio de la cantidad y tamaño de sedimentos que trae el agua
para asegura una adecuada capacidad del desarenador y no necesitar
lavarlo con demasiada frecuencias.
3.1.2 IMPORTANCIA DE LA LÍNEA DE CAPTACIÓN
Es importante que se incorporen características de diseño que permitan
desarrollar una estructura de captación que considere un control adecuado del
agua, oportunidad de sedimentación, estabilidad estructural, prevención de futura
contaminación y facilidad de inspección y operación. Estas características serán
consideradas en el desarrollo del presente capítulo, donde además se presentan
los tipos, diseño hidráulico y dimensionamiento de las estructuras de captación.
3.2 LÍNEA DE CONDUCCIÓN
Se entiende por línea de conducción al tramo de tubería que transporta agua desde la
captación hasta el reservorio, planta potabilizadora, o bien hasta el tanque de
regularización, dependiendo de la configuración de agua potable.
Una línea de conducción debe seguir, en lo posible, el perfil del terreno y debe
ubicarse de manera que pueda inspeccionarse fácilmente. Esta puede diseñarse para
trabajar por gravedad o bombeo.
Para que se utilice la distribución por gravedad, es necesario que la fuente de
suministro, sea un lago o un embalse, este situado en algún punto elevado respecto a
la ciudad, de manera que pueda mantenerse una presión suficiente en las tuberías
principales. Este método es el más aconsejable si la conducción que une la fuente con
la ciudad es de tamaño adecuado y está bien protegida contra roturas accidentales.
Cuando las condiciones de terreno o el gasto necesario del suministro de agua no
permiten el diseño de la línea de conducción por gravedad, se utiliza el bombeo.
3.2.1 Canales
 Las características y material con que se construyan los canales serán
determinados en función al caudal y la calidad del agua.
 La velocidad de flujo no debe producir depósito ni erosiones y en ningún caso
será menor de 0.60 m/s.
Página 18
 Los canales deberán ser diseñados y construidos teniendo en cuenta las
condiciones de seguridad que garanticen su funcionamiento permanente y
preserven la cantidad y calidad del agua.
3.2.2 Tuberías
 Para el diseño de la conducción con tuberías se tendrá en cuenta las condiciones
topográficas, las características del suelo y la climatología de la zona a fin de
determinar el tipo y calidad de la tubería.
 La velocidad mínima no debe producir depósitos ni erosiones, en ningún caso
será menor de 0.60 m/s.
 La velocidad máxima admisible será:
En tubos de concreto
= 3 m/s
En tubos de asbesto – cemento, acero y pvc = 5 m/s
Para otros materiales deberá justificarse la velocidad máxima admisible.
 Para el cálculo hidráulico de las tuberías que trabajen como canal, se recomienda
la fórmula de Manning, con los siguientes coeficientes de rugosidad:
Asbesto – cemento y PVC
Hierro fundido y concreto
= 0.010
= 0.015
Para otros materiales deberá justificarse los coeficientes de rugosidad.
 Para el cálculo de las tuberías que trabajan con flujo a presión se utilizaran
formulas racionales. En caso de aplicarse la fórmula de Hazen y Williams, se
utilizaran los coeficientes de fricción que se establecen en la tabla. Para el caso
de tubería son consideradas, se deberá justificar técnicamente el valor utilizado.
 Tuberías de acero:
Diámetros comerciales: Varían en 2” desde 4” hasta 24”, y cada 6” entre 30” y
72”.
Ventajas: Tienen una vida útil prolongada cuando se instala, protege y
mantiene correctamente. Se recomiendo cuando se requiera diámetros
grandes y presiones elevadas.
Desventajas: Daños estructurales debido a corrosión son mayores que en fiero
fundido, debido a las paredes más delgadas de esta tubería. El acero se
expande ¾” por cada 100 ft de largo cuando la temperatura se aproxima a los
40ºC.
Página 19
 Tubería de fierro fundido
Diámetros comerciales: 3”, 4” en incrementos de 2” hasta 20”, 24” y en
incrementos de 6” hasta 48”.
Largos comerciales: El largo estándar es de 12 ft (4 m), pero también pueden
obtener largos hasta de 20 ft (6m).
Presión: Fabricada para soportar presiones de hasta 350 psi (2500 kN/m2).
Una tubería de fierro fundido puede durar más de 100 años en servicio bajo
condiciones normales de operación (previniendo corrosión).
 Tubería de fierro galvanizado
Tubería de fierro fundido recubierta con zinc.
Diámetros comerciales: 2.5, 3, 3.5, 4, 5, 6, 8, 10 pulgadas.
 Tubería de concreto
Tubería destinada a servir en líneas de alta presión estática de hasta 400 psi
(2700 kN/m2). Disponibles en diámetros de hasta 72” (2m).
 Tubería de asbesto cemento
Diámetros comerciales: 4” hasta 36” (0.1 m – 1 m).
Largos comerciales: Largo estándar de 13 ft (4m).
Presión: Se fabrica en diferentes “grados” para soportar presiones de hasta 200
psi (1500 kN/m2).
Ventajas: Ligera, de fácil instalación, resistente a la corrosión.
Desventajas: El asbesto es cancerígeno cuando las fibras son inaladas, es frágil.
Los criterios para seleccionar el material adecuado son:





Factores hidráulicos (gastos, presiones y velocidades de diseño).
Costo.
Diámetros disponibles.
Calidad del agua y tipo de suelo.
Se recomienda PVC o polietileno para diámetros menores a 150 mm.
Página 20
Valores del coeficiente n para usarse
Coeficientes d fricción C en la fórmula de Hazen y Williams
3.2.2.1 ALTURA DINÁMICA TOTAL (Ht)
El conjunto elevador (motor-bomba) deberá vencer la diferencia de nivel
entre el pozo o galería filtrante del reservorio, más las pérdidas de carga en
todo el trayecto (pérdida por fricción a lo largo de la tubería, pérdidas locales
debidas a las piezas y accesorios) y adicionarle la presión de llegada.
Ht = Hg + Hftotal + Ps
𝑯𝒔 = Altura de aspiración o succión, esto es, altura del eje de la bomba sobre
el nivel inferior.
𝑯𝒅 = Altura de descarga, o sea, la altura del nivel superior con relación al eje
de la bomba.
Página 21
Hg = Altura geométrica, esto es la diferencia de nivel; (altura estática total)
𝑯𝒔 + 𝑯𝒅 = 𝑯𝒈
𝑯𝒇𝒕𝒐𝒕𝒂𝒍 = Pérdida de carga (totales).
𝑷𝒔 = Presión de llegada al reservorio (se recomienda 2 m).
𝑯𝒕 = Altura dinámica total en el sistema de bombeo.
3.2.2.2 CÁLCULO DEL FENÓMENO DE GOLPE DE ARIETE
Se calculará con las fórmulas y teorías de: Michaud, Vensano; de Spare;
Teoría Inelástica (Johnson, et al) y la de Allieve.
Puede calcularse mediante diversas metodologías; sin embargo, por su
simplicidad puede aplicarse la teoría de Allieve, que se resume a
continuación:
Datos requeridos para calcular el aumento de presión:
𝐷 = Diámetro de la tubería (m)
𝑒 = Espesor de la tuberia (m)
𝑔 = Aceleración de la gravedad (m/s2.)
𝐶 = Celeridad (m/s)
𝐿 = Longitud de la tubería (m)
Página 22
𝐻𝑜 = Carga Estática (m)
𝑉𝑜 = Velocidad en la línea (m/s)
Tiempo crítico (𝑇𝑐) =
2𝐿
𝑎
𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑞𝑢𝑒 𝑒𝑙 𝑐𝑎𝑢𝑑𝑎𝑙 𝑠𝑒𝑎 𝑛𝑢𝑙𝑜 (𝑇) = 1 + (𝑘 ∗ 𝐿 ∗ 𝑉 ∗
𝑎 =
𝐻𝑜
)
𝑔
9900
considerando a ≤ 1000 m/s
(48 + 0.5 𝑥 (𝐷 / 𝑒))1/2
k = Coeficiente experimental, donde 𝑘 = 2 − 0.0005 ∗ 𝐿 para valores de L
menores de 2000m
Constante K de la tubería: K = C ∗ Vo ⁄(2 ∗ g ∗ Ho)
Con K, Tc y T, se halla: 𝑁 = 𝑇 / 𝑇𝑐 (Tiempo relativo de maniobra).
En el Ábaco de Allieve en la intersección de K y N lleva las líneas diagonales
dan la relación (𝐻𝑜 + 𝑦) / 𝐻𝑜 donde “y” representa el aumento de presión .
Se determina la presión a la carga total en la línea producida por el Golpe de
Ariete y la clase de tubería adecuada.
Las medidas para evitar el Golpe de Ariete son:
a) Limitación de la velocidad en las tuberías.
b) Cierre lento de válvulas y registros, construcción de piezas que no permitan la
obstrucción muy rápida.
c) Empleo de válvulas y dispositivos mecánicos especiales, válvulas de alivio.
d) Utilización de tuberías que puedan soportar sobrepresiones ocasionadas por
el golpe de ariete.
e) Construcción de pozos de oscilación capaces de absorber los golpes,
permitiendo la oscilación de agua. Esta solución es adoptadada siempre que
las condiciones topográficas sean favorables y las alturas geométricas
pequeñas. Los pozos de oscilación deben ser localizados tan próximos como
sea posible de la casa de máquinas.
Página 23
f) Instalación de cámaras de aire comprimidas que proporcionen el
amortiguamiento de los golpes. Los mantenimientos de estos dispositivos
requieren ciertos cuidados, para que se mantenga el aire comprimido en las
cámaras.
3.2.2.3 Accesorios
 Válvulas de aire
En las líneas de conducción por gravedad y/o bombeo, se colocarán
válvulas extractoras de aire cuando haya cambio de dirección en los tramos
con pendiente positiva. En los tramos de pendiente uniforme se colocaran
cada 2 km como máximo.
Si hubiera algún peligro de colapso de la tubería a causa del material de la
misma y de las condiciones de trabajo, se colocaran válvulas de doble
acción (admisión y expulsión).
El dimensionamiento de las válvulas se determinara en función del caudal,
presión y diámetro de la tubería.
Página 24
 Válvula de purga
Se colocara válvulas de purga en los puntos bajos, teniendo en
consideración la calidad del agua a conducirse y la modalidad de
funcionamiento de la línea. Las válvulas de purga se dimensionaran de
acuerdo a la velocidad de drenaje, siendo recomendable el diámetro de la
válvula sea menor que el diámetro de la tubería.
 Instalación
Página 25
Estas válvulas deberán ser instaladas en cámaras adecuadas, seguras y
con elementos que permitan su fácil operación y mantenimiento.
 Cámara rompe-presión
Al existir fuerte desnivel entre la captación y algunos puntos a lo largo de la
línea de conducción, pueden generarse presiones superiores a la máxima que
puede soportar la tubería. En este caso se sugiere la instalación de cámaras
rompe-presión cada 50 m de desnivel.
L
a
t
u
b
e
r
í
a
d
e
3.2.3 Conducción por bombeo
 Para el cálculo de las líneas de conducción por bombeo, se recomienda
el uso de la fórmula de Hazen y Williams. El dimensionamiento se hará
de acuerdo al estudio del diámetro económico.
 Se deberá considerar las mismas recomendaciones para el uso de
válvulas de aire y de purga de lo descrito anteriormente.
3.2.4 Consideraciones especiales
 En el caso de suelos agresivos o condiciones severas de clima, deberá
considerarse tuberías de material adecuado y debidamente protegido.
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 Los cruces con carreteras, vías férreas y obras de arte, deberán
diseñarse en coordinación con el organismo competente.
 Deberá diseñarse anclajes de concreto simple, concreto armado o de
otro tipo en todo accesorio o válvula, considerando el diámetro, la
presión de prueba y condición de instalación de la tubería.
 En el diseño de toda la línea de conducción se deberá tener en cuenta el
golpe de ariete.
3.2.5 Dimensionamiento
Para el dimensionamiento de la tubería, se tendrán en cuenta las siguientes
condiciones:
a. La Línea gradiente hidráulica (L. G. H.)
La línea gradiente hidráulica indica la presión de agua a lo largo de la tubería
bajo condiciones de operación. Cuando se traza la línea de gradiente
hidráulica para un caudal de descarga libremente en la atmosfera (como
dentro de un tanque), puede resultar que la presión residual en el punto de
descarga se vuelva positiva o negativa, como se ilustra a continuación.
 Presión residual positiva, que indica que hay exceso de energía gravitacional,
quiere decir que hay energía suficiente para mover el flujo.
 Presión residual negativa, que indica que no hay suficiente energía
gravitacional para mover la cantidad deseada de agua: motivo suficiente
para que la cantidad de agua no fluya y/o diámetro mayor de la tubería con
la finalidad de en toda la longitud de la tubería una carga operativa de agua
positiva.
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b. Pérdida de carga unitaria (hf)
Para el propósito de diseño se consideran:
Ecuaciones de Hazen y Williams para diámetros mayores a 2 pulgadas o hay
fórmulas diámetros menores a 2 pulgadas como la de Fair Whipple.
ℎ𝑓 = 𝐻𝑓 / 𝐿 (Hf: pérdida de carga por tramo, L: Longitud del tramo)
Ecuación de Hazen y Williams
𝑄 = 0.0004264 ∗ 𝐶 ∗ 𝐷2.63 ∗ ℎ𝑓 0.54
Donde:
𝐷 = 𝐷𝑖𝑎𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 (𝑝𝑢𝑙𝑔)
𝑄 = 𝑐𝑎𝑢𝑑𝑎𝑙 (𝑙/𝑠)
ℎ𝑓 = 𝑝𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑢𝑛𝑖𝑡𝑎𝑟𝑖𝑎 (𝑚/𝑘𝑚)
𝐶 = 𝐶𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 Hazen − Williams expresado en (pie)l/2/seg
MTERIAL
C
Fierro fundido
100
Concreto
110
Acero
120
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Asbesto Cemento
/ P.V.C
150
Ecuación de Fair Whipple
𝑄 = 2.8639 ∗ 𝐷2.71 ∗ ℎ𝑓 0.57
ℎ𝑓 = (
𝐷=(
𝑄
) 1.75
2.8639 ∗ 𝐷2.71
𝑄
) 0.37
2.8639 ∗ ℎ𝑓 0.57
Donde:
𝐷 = 𝐷𝑖𝑎𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 (𝑝𝑢𝑙𝑔)
𝑄 = 𝑐𝑎𝑢𝑑𝑎𝑙 (𝑙/𝑠)
ℎ𝑓 = 𝑝𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑢𝑛𝑖𝑡𝑎𝑟𝑖𝑎 (𝑚/𝑚)
c. Presión
En la línea de conducción, la presión representa la cantidad de energía
gravitacional contenida en el agua. Se determina mediante la ecuación de
Bernoulli.
𝑃1
𝑉12
𝑃2
𝑉22
𝑍1 +
+
= 𝑍2 +
+
+ 𝐻𝑓
𝛾
2𝑔
𝛾
2𝑔
Donde:
Z = Cota de cota respecto a un nivel de referencia arbitraria.
𝑃
𝛾
= Altura de carga de presión “P es la presión y γ el peso Específico del
fluido” (m)
V = Velocidad media del punto considerado (m/s).
Hf = Es la pérdida de carga que se produce de 1 a 2
Si V1 = V2 y como el punto 1 está a presión atmosférica, o sea P1 = 0.
Entonces:
𝑃2
= Z1 − Z2 – Hf (figura 6).
𝛾
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Combinación de tuberías
Es posible diseñar la línea de conducción mediante la combinación de tuberías,
tiene la ventaja de optimizar las pérdidas de carga, conseguir presiones dentro
de los rangos admisibles y disminuir los costos del proyecto.
Se define lo siguiente:
Hf = Pérdida de carga total (m).
L = Longitud total de tubería (m).
X = Longitud de tubería de diámetro menor (m).
L-X = Longitud de tubería de diámetro mayor (m).
hf1 = Pérdida de carga unitaria de la tubería de mayor diámetro.
hf2 = Pérdida de carga unitaria de la tubería de menor diámetro.
La pérdida de carga total deseada Hf, es la suma de pérdidas de carga
en los dos tramos de tubería (figura 7).
𝐻𝑓 = ℎ𝑓2 𝑥 𝑋 + ℎ𝑓1 𝑥 (𝐿 − 𝑋)
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d. Perfiles en U
En zonas donde la topografía obligue el trazo de la línea de conducción con un
perfil longitudinal en forma de U, las clases de tubería a seleccionarse serán
definidas de acuerdo a los rangos de servicio que las condiciones de presión
hidrostática le impongan.
3.2.6 DISEÑO DE LA LÍNEA DE IMPULSION O BOMBEO
3.2.6.1 CAUDAL DE DISEÑO
El caudal de una línea de impulsión será el correspondiente al consumo del
máximo diario para el periodo de diseño. Tomando en cuenta que no resulta
aconsejable ni práctico mantener períodos de bombeo de 24 horas diarias,
habrá que incrementar el caudal de acuerdo a la relación de horas de
bombeo, satisfaciendo así las necesidades de la población para el día
completo.
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𝐶𝑎𝑢𝑑𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑏𝑜𝑚𝑏𝑒𝑜 = 𝑄𝑏
= 𝑄𝑚𝑑 𝑥 24 / 𝑁
Donde:
𝑁 = Número de Horas de Bombeo
𝑄𝑚𝑑 = Caudal Máximo Diario
3.2.6.2 SELECCIÓN DE DIÁMETROS
Un procedimiento para la selección del diámetro es usando la fórmula de
Bresse.
𝐷 = 𝐾 ∗ 𝑋1/4 ∗ 𝑄𝑏 1/2
Donde:
𝑁º 𝑑𝑒 𝐻𝑜𝑟𝑎𝑠 𝐵𝑜𝑚𝑏𝑒𝑜
24
𝐾 = 1.3
𝐷 = 𝐷𝑖á𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑒𝑛 𝑚
𝑄𝑏 = 𝐶𝑎𝑢𝑑𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝐵𝑜𝑚𝑏𝑒𝑜 𝑒𝑛 𝑚3/𝑠.
𝑋 =
Determinado un D, se escogen dos (2) diámetros comerciales en torno
al valor de Bresse, con velocidades comprendidas entre 0,6 a 2,0 m/s y
se determina las pérdidas de carga y potencia de equipo requerido en
cada caso. El análisis de costos que involucra tuberías, equipo y costos
de operación y mantenimiento permitirá seleccionar el diámetro de
mínimo costo.
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