Abastecimientos de agua

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  • 1. 1 ABASTECIMIENTO DE AGUA Y ALCANTARILLADO CAPITULO I : GENERALIDADES 1.1. DEFINICIONES: 1. Abastecimiento de Agua y Alcantarillado: Es un curso de diseño que trata sobre los Sistemas de abastecimiento de Agua Potable y Evacuación de Aguas Residuales (servidas), empleando fundamentos básicos de hidráulica; del Reglamento Nacional de Edificaciones; las Normas del Ministerio de Salud en cuanto a Saneamiento Básico y las recomendaciones de la OMS (Organización Mundial de la Salud) y el CEPIS (Centro Panamericano de Ingeniería Sanitaria). 2. Agua Potable: La palabra se deriva de la voz latina POTABILIS, que significa que se puede beber. Para que el sea potable debe ser limpia, incolora, sin partículas en suspensión, sin olor alguno fresca y bien aireada; debe carecer también de Nitritos, Nitratos, Sulfuros, materias orgánicas, amoniaco y sobre todo no debe poseer algas blancas, infusorios y bacterias patógenas. Estos deben detectarse en los análisis Físico – Químico y bactereológicos. 3. Objetivos del Curso: Lograr el diseño adecuado de un sistema de Agua Potable y Desagüe y con ello: - Proporcionar el agua en cantidades suficientes. - Reducir las enfermedades y epidemias. - Mejoras las condiciones ambientales. 1.2. ACTIVIDADES Y RESPONSABILIDADES DE SANEAMIENTO: El fin principal es el de brindar a una población cualquiera, agua en optimas condiciones, así como también evacuar adecuadamente los desagües o aguas servidas: Corresponde a Saneamiento basico: 1. Diseñar adecuadamente el sistema de Abastecimiento de Agua Potable, eligiendo buena fuente y ubicando correctamente las diversas estructuras que forman parte del mismo.
  • 2. 2 Ejem: 2. Diseñar la evacuación de Aguas servidas de acuerdo a las Normas Vigentes y considerar la evacuación final previo tratamiento. 3. Garantizar el agua en calidad, volúmenes suficientes a una población específica y de este modo reducir las enfermedades y epidemias que se propagan a través del agua, esto implica garantizar la operación y mantenimiento permanente de todo el sistema. 4. Impulsar el mejoramiento de las condiciones ambientales, estimulando el desarrollo comercial de la zona servida ya que el agua es el principal componente generador de vida. P.T c.s. c.s. c.s. c.p. c.p. c.p. I I E EP.T. Captación Desarenador Válvula de Aire CRP Planta de Tratamiento Válvula de Purga Caseta de Válvulas Línea de Conducción Red de distribución Línea de Aducción Reservorio
  • 3. 3 CAPITULO II : SISTEMAS DE ABASTECIMIENTO DE AGUAS DATOS BASICOS PARA EL DISEÑO DE UN SISTEMA DE ABASTECIMIENTO DE AGUA POTABLE Antes de diseñar un sistema se requiere la siguiente información básica. 2.1. INFORMACION BASICA PARA FORMULAR UN PROYECTO. Se necesita conocer: - Características Generales. - Características Complementarias. - Evaluación del Sistema Actual de Abastecimiento. 2.1.1. Características Generales: Son datos e información sobre las características geográficas de la población: a) Ubicación: - Geográfica en Coordenadas UTM - Política - Localidad - Distrito - Provincia - Departamento - Región b) Altura sobre el Nivel del Mar: c) Clima, tipo de suelos, topografía. d) Vías de acceso y comunicación. e) Aspecto socio económico. f) Aspectos urbanísticos, incluidos el Nº de viviendas existentes. g) Interés de la población de contar con la obra. 2.1.2. Características Complementarias: a) Elección de la fuente de Abastecimiento: Debe cumplir con tener la cantidad suficiente y ser de buena calidad (Análisis Físico – Químico y bacteriológico), las posibles fuentes pueden ser: manantiales, canales, río y lagos, pozos, etc. b) Zonificación, identificar de acuerdo a los planos reguladores. c) Tipos de pavimentos. d) Precio de los terrenos donde se construirá las estructuras, hidráulicas o donación de los mismos.
  • 4. 4 e) Disponibilidad de energía eléctrica. f) Mano de obra, costos de mano de obra. g) Costo de materiales de construcción. h) Transporte de materiales de obra. i) Facilidades contra incendios. j) Industrias existentes. k) Ubicación posible de estructuras del sistema. l) Frecuencia e intensidad de lluvias. m) Características del Agua del Sub-Suelo. 2.1.3. Evaluación de un Sistema en Funcionamiento: a) Verificar el plano de Ubicación, dimensionamiento y características de las diversas partes del sistema. b) Verificar el diagrama de presiones de la Red. c) Evaluar la cantidad y calidad de la fuente de abastecimiento. d) Evaluar la eficiencia de la Planta de Tratamiento (Debe tener un Manual de Operación y Mantenimiento). e) Evaluar el sistema de bombeo. f) Evaluar las variaciones horarias y diarias del consumo. g) Nº de conexiones domiciliarías, Agua y Desagüe, tipo comercial y doméstico. h) Tarifas. i) Evaluar tratamiento de desagües. j) Tipo de administración y capacidad operativa.
  • 5. 5 2.2. DATOS BASICOS DE DISEÑO. 2.2.1. Periodo de Diseño: Es toda la vida útil del proyecto, desde que se inicia el servicio hasta que deje de funcionar. Para el Agua Potable es Recomendable: - 15 – 25 años cuando 2,000 < Pob. < 20,000 Hab. - 10 – 20 años cuando Pob. > 20,000 Hab. - 20 – 30 años cuando Pob. < 2,000 Hab. También el periodo de diseño puede calcularse por la siguiente fórmula: i d X 12.1 0 16.2 Ejemplo: Para una obra determinada se han determinado los siguientes valores y el costo de cada partida, se pide calcular la vida útil de todo el sistema. OBRA d i Costo $. - Captación - Línea de conducción. - Planta de tratamiento - Reservorio - Redes de distribución. 0.26 0.22 0.42 0.38 0.33 0.10 0.10 0.10 0.10 0.10 16,380 21,319 36,918 22,000 76,000 $. Total : 172,617 Solución : Como i d X 12.1 0 16.2 OBRA Costo % Costo Xº Ponderado - Captación - Línea de conducción. - Planta de tratamiento - Reservorio - Redes de distribución. 16,380 21,319 36,918 22,000 76,000 09.49 12.35 21.39 12.74 44.03 18.60 19.70 14.10 15.20 16.60 1.77 2.43 3.02 1.94 7.31 Vida útil = = 16.47 Vida útil de 16 años. Xº = Periodo de diseño económico óptimo en años. d = Factor de escala. i = Costo de oportunidad del capital.
  • 6. 6 También los periodos de diseños, dependen de: vida útil de las obras y/o equipo - Tub (FºG, HDPE, PVC, etc). - Equipos de bombeo. - Obras de construcción civil. Periodo de amortización del capital invertido. Dificultad de amplificación del servicio, las captaciones de agua deben tener > vida util que los reservorios, tuberías, etc. Ritmo de crecimiento de la población. 2.2.2. Consumo, Dotación y Variedades en Consumo: Consumo.- Es determinada cantidad de agua que se asigna a cualquier uso. El consumo va a depender directamente de : - Clima. - Nivel de vida de la población. - Costumbres. - Calidad de Agua suministrada. - Presiones disponibles, etc. TIPOS DE CONSUMO.- Pueden ser: - Consumo de uso público. - Consumo de uso comercial. - Consumo de uso industrial. - Consumo de uso doméstico. - Consumo de uso especial (Estación de ferrocarriles, etc). Consumo de Uso Público : Es aquel que considera, riego de jardines públicos, limpieza de calles y alcantarillado, limpieza de monumentos, etc. Consumo de Uso Comercial e Industrial : Es la cantidad de agua que se asigna a un comercio e industria y varía de acuerdo al tamaño del mismo.
  • 7. 7 Consumo Doméstico: Es la cantidad de agua destinada a la bebida, preparación de alimentos, limpieza personal y otros, lavado de ropa, riego de jardines, etc. El consumo doméstico se asigna por las Normas y Costumbres y se da por persona, por día y se llama Dotación. El cálculo de la DOTACION, se realiza dividiendo el consumo anual total de agua de una determinada población entre 365 días y entre el Nº de personas, obteniéndose de este modo el consumo unitario en Lit/Hab/Día. El Ministerio de Vivienda y Construcción, asignó dotaciones en función al clima y a los habitantes: Para Zonas Rurales: 1) Para Pob. < 500 Hab. 60 a 80 Lt/hab/día. 2) para 500 < Pob. < 1000 80 a 100 Lt/hab/día. 3) Para 1000 < Pob. < 2000 100 a 110 Lt/hab/día. Para Zonas Urbanas: Clima Frío Clima Templado 1) Para Pob. > 2,000 Hab. 120 150 2) 10,000 < Pob. < 50,000 150 200 3) Pob. > 50,000 200 250 VARIACIONES DE CONSUMO.- El consumo puede ser medido en forma horaria, diaria, mensual, etc, tiene mayor importancia la medición horaria y diaria. Variación diaria: Esta referido al coeficiente de variación diaria “K1” y es un factor del caudal promedio anual “QP”. Sirve para diseñar la línea de conducción, plantas de tratamiento, reservorio, etc. año.mismoalrelativodiariomedioConsumodeVol. año.unenRegistradoconsmoMáximodedíadelVolumen 1K
  • 8. 8 Por lo general se recomienda K1 = 1.30 Con K1 obtenidos Qmd = K1 QP 1.2 < K1 < 1.5 Donde : Qmd = caudal Máximo diario. QP = Caudal Promedio. K1 = Coeficiente de Variación diario. Variación Horaria : Es el factor que sirve para diseñar la línea de aducción, red de distribución, reservorio y otros de un sistema de agua potable. día.delHorarioMedioConsumodeVol. día.unenConsumoMáximodeHoraladeVolumen 2K Dia de max. Consumo Consumo Promedio Anual Volumen Días 365 Hora y Volumen maximo consumo Consumo Promedio Horario Volumen Hora 6 12 18 24
  • 9. 9 K2 = se puede calcular diariamente o anualmente. 1.8 < K2 < 2.5 Por lo general se recomienda : K = 1.8 ó 2.0 para Pob. < 2,000 Hab. También : Qmh = K2 QP Donde: Qmh = Caudal Máximo horario. K2 = Coeficiente de Variación horaria. QP = Caudal Promedio. Coeficiente de Refuerzo : K = K1 x K2 Es un coeficiente que se aplica al caudal promedio para aumentar el factor de seguridad en el diseño. Qmm = K1 K2 QP Donde: Qmm = Caudal máximo Maximorum K = Coeficiente de Refuerzo. QP = Caudal Promedio. 2.3. ESTUDIO DE DEMANDAS Se han identificado dos tipos de demandas adicionales al consumo normal: - Contra Incendios. - Industrial. Demanda contra Incendios : En casos de incendios la demanda de agua depende de la potencia de las instalaciones extintoras que sean precisas, generalmente están en función a la población:
  • 10. 10 Habitantes Especificación Pob. < 10,000 No se considera demandas contra incendio, salvo en casos especiales debidamente justificado. 10,000 <Pob. < 100,000 Se debe considerar un incendio como máximo en cualquier punto de la red. Pob. > 100,000 Debe considerar la ocurrencia de dos incendios simultáneos, como en zona residencial y otro en la zona comercial e industrial. Demanda Industrial: La demanda industrial se calcula por predio, de acuerdo al tipo de industria y tamaño del mismo, según el RNE. Contribución al Sistema de Alcantarillado : Generalmente se considera como contribución a los sistemas de alcantarillado al 80% del consumo de Agua Potable. También contribuirán por concepto de infiltración en función de los terrenos saturados de los niveles freáticos, la sensibilidad suelo y la clase de tubería a emplearse. En caso de tenerse un sistema de alcantarillado mixto, se debe considerar la contribución de las aguas pluviales. 2.4. ESTUDIO DE POBLACION : El estudio de la población a beneficiar en un proyecto de Agua Potable es muy importante, pues nos sirve para calcular el caudal que requiera la población futura. La población futura dependerá del periodo de vida útil del proyecto y para su cálculo existen métodos matemáticos y métodos gráficos. A) Método Comparativo: Consiste en calcular la población de una ciudad con respecto a otros que tengan las mismas características y es un procedimiento gráfico. B) Método Racional: Se basa principalmente en estudios socioeconómicos de la población, toman en cuenta el vegetativo que es en función de las defunciones, inmigraciones, emigraciones y población flotante. P = (N + I) – (D + E) Pf
  • 11. 11 Donde: N = Cantidad de Nacimientos. D = Cantidad de Defunciones. I = Inmigraciones, cantidad de personas que se han trasladado a vivir a la región estudiada. E = Emigraciones, cantidad de personas que dejan de residir en la región estudiada, trasladándose a otra región distinta. Pf = Población flotante o temporal, cantidad de personas que no residen en la región estudiada pero que ocasionalmente habitan en esta. P = Población a Calcular. C) Métodos Analíticos : Supone que la población de un lugar dado, se puede ajustar a una curva matemática, entre estos tenemos: - Método Aritmético, de interés simple. - Método Geométrico o de interés compuesto. - Método de incrementos variables, método de la parábola de 2do grado. - Método de la curva Normal Logística o Brasilera o Met. De Saturación. Método Aritmético Se asume que el crecimiento de la población varía linealmente. Pf = Pa + r t Donde: Pf = Pob. Futura. Pa = Pob. Actual o del último censo r = Razón de crecimiento promedio. t = Tiempo entre Pf y Pa Ejemplo: Para los datos mostrados de últimos censos de una población X, calcular la población futura para una vida útil de 10 años y 20 años. Censos Población 1959 9970 1965 11986 1973 15300 1984 26703 1993 33840 .#, 1 1 rden n r r tt PP r ii ii
  • 12. 12 Solución: Año Censo Hab. Variación Tiempo r = Variación/t 1959 1965 1973 1984 1993 9970 11986 15300 20703 33840 2016 3314 11403 7137 6 8 11 9 336.00 414.25 1036.64 793.00 .97.644 4 79364.103025.414336 añoHabr Pf = Pa + r t = 33840 + 644.97 (t) T = 2020 – 1993 = 27 años. Pf = 52,254 habitantes 2020 Método de Interés Simple Es el más usado por los diseñadores. Y es el método recomendado por el INEI Pf = Pob. Futura. Pf = Pa ( 1 + r t ) Pa = Pob. Actual. t = Intervalo de tiempo entre Pf y Pa iii ii ttP Pp r 1 1 = Razón de crecimiento, erresN r r º Si diseño el año 2010 Para un Periodo diseño=20añs habP años P f f 704,57 37 ?¿ 2029
  • 13. 13 Ejemplo: Con los mismos datos del ejemplo anterior, calcular las Pob. Del año 2020 y 2030 Año Censo Hab. Variación 1959 1965 1973 1984 1993 9970 11986 15300 20703 33840 r1 = 0.034 r2 = 0.035 r3 = 0.068 r4 = 0.030 Pf = 33840 (1 + 0.042 t) Pf 2020 = 72,215 hab. .86427 3719932030 201020 2030 habP años estamosyañosPdSi f Por lo general cuando no se tienen datos estadísticos de últimos censos el INEI, proporciona valores de r Pf = Pa (1 + r t), r en ‰ y t = 20 años. Método Geométrico o de Interés Compuesto Por lo general se emplea en poblaciones que están en su iniciación o en saturación y sus resultados son bastante conservadores. Pf = Pa ( 1+ r )t – t o Pa = Pob. Actual o inicial. t = Tiempo en el que se calcula la población. to = Tiempo inicial. r = Factor de cambio de la población. tn rttttttttt xrxrxrxrxrxrr 1 2 21 ..... 1 4 4 3 3 2 2 1 1 ......... 1 4321 n = Nº de ts n = Nº de rs 11 1 ii tt i i P P r 11986 - 9970 r1 = = 0.034 9970(1965-1959) Si PD = años t = 2020 - 1993 r = 0.042 , t = 27 años.
  • 14. 14 Ejemplo de cálculo con los mismos datos del ejemplo anterior. 2030?¿2020 ff PyP Año Censal Pob. Nº. t R 1959 1965 1973 1984 1993 9970 11986 15300 20703 33840 6 8 11 9 0.031 0.031 0.052 0.027 añost 2719932020 Pf = 33840 (1 + 0.0353)27 = 86,341 hab. .146,112 37199320302010,20 2030 HabP añoselendiseñaseañosPdSi f Método los Incrementos Variables Pf = Población Futura. Pf = Pa m ( 1P) + m ( m + 1 ) ( 2P) Pa = Pob. Del ultimo dato. 2 m = # de intervalos entre Pf y Pa expresado en décadas. Para aplicar este método se debe cumplir: - Tener cuatro datos de censos consecutivos. - La diferencia entre años de los censos debe ser un número de décadas constante. 1 34 r = (0.0316 x 0.0312 x 0.05211 x 0.0279 ) r = 0.0353
  • 15. 15 Ejemplo: Halla la Pob. Del 2020. m = 3 Año Pob. 1P 2P 1960 1970 1980 1990 3400 3796 4317 4819 396 521 502 125 -19 Pob. 2020 = Pf = 4819 + 3(373 ) + 3(4) (53) = 6546 Hab. 2 Método de Parábola de Segundo Grado Se calcula solamente con tres datos censales y generalmente se emplea cuando los periodos de censos son muy separados. Pf = + BX + CX2 Pf = Pob. Futura. X = Diferencie entre Pf y año del censo. A, B y C = Constantes. Ejemplo de aplicación. Hallar Pob. Del 2020. Año Pob. 1960 1970 1980 1990 3400 3796 4317 4819 Resolviendo 1 y 2 A = 3796 B = 53.05 C = - 0.095 Pf = 3796 + 53.05 X - 0.095X2 , 2020 – 1970 = 50 años Para el año 2020 Pf = 3796 + 53.05 (50) – 0.095 (50)2 Pf = 6211 Hab. 53 2 19125 473 3 502521396 2 1 P P T = X = 0 3796 = A + B(0) + C(0)2 A = 3796 T = X = 10 4317 = A + B(10) + C(10)2 1 T = X = 20 4819 = A + B(20) + C(20)2 2
  • 16. 16 Método Logístico ó Brasilero Se debe tener como dato 3 puntos equidistantes y en poblaciones que estén cerca del periodo de saturación. Este método para poblaciones mayores a 100,000 habitantes. Ps = Pob. de Saturación. Pf = Pob. futura. a y b = Constantes. 22 2 10 20 2 1210 PPP PPPPPP PS Condiciones a cumplir: P0 Pob. en T0 T = 0 P1 Pob. en T1 T1 = d P0 P2 < P1 P2 Pob. en T2 T2 = 2d P0 + P2 < 2 P1 Ejemplo: P(2,020) = ¿ 1973, 120,000 P0 1983, 198,000 P1 1993, 272,000 P2 primero verificamos si cumple las condiciones siguientes: P0 P2 < P1 120,000 x 272,000 < 198,0002 OK!. P0 + P2 < 2 P1 120,000 + 272,000 2(198,000) OK!. Ps = 2 P0 P1 P2 – P1 (P0 + P2) Reemplazando datos Ps = 372,110 Hab. P0 P2 – P1 742.01 000,120 100,372 Lna 2 2 2 2 2 Tiempo Pob . P1Sat. 0 0 P PP Lna S 01 101 PPP PPP Ln d b S S bta S f e P P 1
  • 17. 17 b = 0.0871 t = 47 años. tf e P 0871.0742.0 1 100,372 , Pf = 359,489 hab. 2.5. CAUDALES DE DISEÑO 2.5.1. Calculo de Caudales de Diseño Son aquellos caudales que intervienen directamente en el diseño de las diferentes partes de un proyecto de abastecimiento de Agua Potable, básicamente son: - Caudal promedio = Qp - Caudal máximo diario = Qmd - Caudal máximo horario = Qmh Qmd y Qmh se calculan a partir de Qp. DxPQ fP diahabltenpercápitaDotación futuraPoblacion D Pf PQ resulta en lt/dia, pero debe expresar en lt/seg, 1 día = 86,400 seg. SegLt DxP Q f P 400,86 PQKQmd 1 DiariaVaraciondeCoef.1K PQKQmh 2 horariaVaraciondeCoef.2K Qmd se usa para diseñar la L.C. y todas las estructuras que se encuentran en él. Qmh se usa para diseñar todas las estructuras y tuberías aguas abajo del reservorio.
  • 18. 18 CAPITULO III: OBRAS DE CAPTACION 3.1. Tipos de Fuentes de Abastecimiento : Existen diversos tipos de abastecimiento y pueden ser: 1) Aguas Superficiales. - Ríos. - Lagos, lagunas. - Embalses. 2) Aguas Subterráneas. - Manantiales. - Pozos. - Galerías filtrantes. 3) Aguas Atmosféricas. - Granizo. - Lluvias, etc. 3.2. Captación de Aguas Superficiales: Captación de Aguas de Ríos. Se debe tener en cuenta lo siguiente: - Realizar un riguroso análisis de la composición Química del Agua. - Volumen disponible o caudal del curso de Agua. - Selección del punto o lugar de captación o de la toma. - Construcción de la toma o de las obras de cabecera. Caudal del curso del Agua: Para el diseño debe comprobar siempre que el caudal de la fuente debe ser mayor al Qmd, y Qfuente debe ser el caudal de estiaje. Selección del Lugar de Captación: - Siempre se debe ubicar aguas arriba de la población beneficiaría de tal forma que la conducción sea por gravedad, si fuera aguas abajo se requeriría equipo de bombeo. - Se debe ubicar en zonas donde el cause sea inalterable o se debe estudiar la posibilidad de fijarlo por medio de obras de encauzamiento.
  • 19. 19 Clases de Toma o Bocatoma : Pueden darse los siguientes sistemas de captación practicas. 1) Toma a la orilla de un río: Para Ríos de Aguas Normales. 2) Toma en el Lecho de un Río: Buzón de Inspección Válvula de Control Concreto f'c=210 kg/cm2 Aguas Máximas Estiaje Aguas Ordinarias Aguas de Estiaje Malla Fina Grava Seleccionada Ríos de Aguas limpias Rieles A Linea de Conducción
  • 20. 20 3) Captación Típica
  • 21. 21
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  • 30. 30 Captación de las Aguas de Lagos: Características de las aguas: - por lo general son de composición química mas uniforme que la de los ríos. - Por lo general son bastante limpias debido a que las sustancias más dañinas que puede contener el agua son las bacterias patógenas y estas se encuentran en suspensión, entonces en los lagos mediante la sedimentación natural se purifiquen. Obras de Toma: En los lagos deben ubicarse lo más alejado en lo posible de los lugares donde descargan los ríos. Las obras de captación pueden ser visibles o sumergidas. La captación de los lagos es poco frecuente, debido a que se encuentran muy alejados de las zonas pobladas. 3.3. Captación de Aguas Subterráneas: Lo constituyen: - Manantiales. - Galerías filtrantes. - Pozo freático artesiano, etc. Manantiales: Son aquellos que por condiciones de la naturaleza el agua emana o aflora a la superficie terrestre. Existen manantiales de laderas, manantiales de fondo. Manantiales de Ladera.- Afloran por gravedad. Se puede definir u manantial como un lugar donde se produce un afloramiento natural de agua subterránea. El agua del manantial fluye por lo general a través de una formación de estratos con grava, arena o roca fisurada. En los lugares donde existen estratos impermeables, éstos bloquean el flujo subterráneo del agua que aflore a la superficie. El agua del manantial es pura, por lo general, se la puede usar sin tratamiento, a condición de que el manantial esté adecuadamente protegido con una estructura que impida la contaminación del agua. Se debe asegurar que e agua provenga realmente de un acuífero y que no se trate de un arroyo que se ha sumergido a corta distancia.
  • 31. 31 En el país, el Ministerio de Salud, clasifica los manantiales por su ubicación y su afloramiento. De acuerdo a lo primero, pueden ser de ladera o de fondo, y de acuerdo a los segundo, de afloramiento concentrado o difuso. Los manantiales generalmente se localizan en las laderas de las colinas y los valles ribereños. En los de ladera el agua aflora en forma horizontal; mientras que en los de fondo el agua aflora en forma ascendente hacia la superficie. Para ambos casos, si el afloramiento es por un solo punto y sobre un área pequeña, es un manantial concentrado y cuando aflora el agua por varios puntos en un área mayor, es un manantial difuso, tal como puede apreciarse en la figura. Manantiales de Fondo.- Son producidos por a presión de un estrato acuífero aprisionado, el agua aflora en condiciones análogas a la de un pozo artesiano. Captación Típica de un Manantial de Ladera:
  • 32. 32 Captación de Galerías Filtrantes: Vienen a ser zanjas de conductos perforados (Porozos) colocado a través de u estrato acuífero, de tal forma que el agua ingrese por un lado de la zanja. GRAVA SELECCIONADA ó Pozos: Pueden ser: - Freático. - Artesiano. Pozo Freático Son aquellos que penetran hasta las aguas freáticas y para su extracción requieren bombeo. Caja de Reunión
  • 33. 33 Pozo Artesiano Son los pozos freáticos en los cuales el agua se encuentra confinada por estratos de baja permeabilidad, haciendo de este modo que se comporten como tuberías. En la mayoría de los pozos la captación se lleva a cabo a través de sistema de bombeo, que consiste en instalar bombas con la finalidad de extraer el agua. El comportamiento de los niveles de agua en los pozos se estudia al detalle e la “Hidráulica de Pozos”. 3.4. Captación de Aguas Atmosféricas: Se refiere exclusivamente a las aguas de las lluvias y su empleo es muy restringido debido a que las lluvias son no constantes y su uso se da cuando no es posible contar con una mejor fuente de abastecimiento. Una aplicación practica se da en la ciudad de Iquitos, en la cual los techos reciben el agua, se conducen a través de una tubería a reservorios de apreciable capacidad. Se coloca la llave by-pass para eliminar el agua de la primera lluvia, que arrastra una gran cantidad de sustancias nocivas que se encuentran en los tejados. Acuífero Artesiano Estrato Confinante Pozo en el Nivel Freático Pozo Artesiano No Surgente Sup. de Terreno Nivel Pizometrico Pozo Artesiano Surgente Pozo en el Nivel Freatico N.F.
  • 34. 34 La válvula se abre durante el tiempo que haya seguridad de que el agua que ingresa al reservorio sea limpia. En caso que los reservorios sean cerrados deben tener tuberías de ventilación. El agua de las lluvias puede ser tratado mediante filtros sencillos que están constituidos por una caja de arena de unos 0.45 m de espesor colocada sobre otra de cascajo o grava de 0.30 m. El agua de las lluvias es muy blanda y por consiguiente muy ventajosa para la preparación de alimento y lavado de ropas, pero no es agradable al paladar. 0.45 m 0.30 m Filtros pequeños que tratan de 2200 a 3000 litros por día por m2 de superficie filtrante.
  • 35. 35 CAPITULO IV : OBRAS DE CONDUCCION 4.1. Sistemas de Conducción Son aquellas estructuras que transportan agua desde la captación, hasta el reservorio de regulación, según sean las características del proyecto. El diseño de la capacidad de conducción debe ser de tal forma que permita conducir el Qmd. La conducción puede ser por gravedad o bombeo. L.C. Por Gravedad Son aquellos que conduce exclusivamente usando la gravedad y pueden ser tuberías o canales. 1. Canales.- Se diseñaran con una velocidad tal que no produzca erosiones ni sedimentación, las paredes serán revestidas y todo el diseño se debe realizar usando la fórmula de Manning ó Chezy. Se recomienda el uso de canales solamente cuando se tengan planta de tratamiento Físico – Químico. 2. Tuberías.- Se diseñarán empleando la fórmula de Hazen – Willians para la cual se debe asumir los siguientes valores para segpieCH ó por la formula de Darcy. 140 , 120 , 100 , 100 0 CH SAPPVC CH Acero CH concreto CH FF Las velocidades limites según el RNE, deben ser dependiendo del material del que esta hecho el tubo: Material del Tubo Velocidad - Concreto 3 m/s - PVC, Acero, Hierro Ductil, HDPE 5 m/s Se recomienda: 1.0 < V < 1.5 m/sg.
  • 36. 36 4.2. Condiciones Importantes para el Diseño de la L.C. por Gravedad en Tuberías 1) Fórmulas de Hazen – Willians. Kmm L h S SDCHQó DCh QLi h ij ijijijji ijij ij ij 54.063.2 87.485.1 85.17 000246.0 813.5 10 Donde: hij = Pérdida por función entre el tramo i – j (m). Lij = Longitud en kilometros desde el punto i hasta j. Qij = Caudal en L/S del tramo i j. Dij = Diámetro del tramo en i j debe ser constante y estar expresado en pulgadas. CHij = Coef. de Hazen Willians, que depende del tipo de material. Sij = Pendiente pizometrico del tramo i j. Darcy : m g V D L fHfij 2 2 , scompatibleserdeben unidadeslasTodas L en metros V en m/s D en metros g en 2 sm f = adimensional 2) Tipos de Tuberías Comerciales de PVC ó Polietileno. TUBERIA PVC-SAP En el mundo generalmente se encuentra la siguiente tubería PVC: - Tubo PVC – SAP – Clase 5 ó Clase 75 [(Resiste hasta 75 lib/pulg2 ) = 53 m.c.a.] - Tubo PVC - SAP – Clase 7.5 ó Clase 105 [(Resiste hasta 105 lib/pulg2 ) = 74 m.c.a ] - Tubo PVC – SAP – Clase 10 ó CL = 150 [(Resiste hasta 150 lib/pulg2 ) = 106 m.c.a.] Adicionalmente a pedido del interesado a mayores precios se pueden fabricar tuberías clases 12.5 y CL = 15.
  • 37. 37 La tubería de PVC de Unión Flexible UNION RIEBER, es una tubería que a diferencia de los sistemas tradicionales de Unión Flexible, cuento con un anillo de caucho con alma de acero instalado en la campana, mediante un sistema de pre-compresión durante el proceso de fabricación de la tubería quedando completamente integrado y fijo en la campana lo que brinda un 100% de hermeticidad en las uniones ensambladas. Los fabricantes ofrecen al mercado la Línea de Tubosistemas para Presión con anillo incorporado RIEBER. Este revolucionado anillo elimina por completo los problemas de instalación por una mala colocación del anillo, reduciendo además el tiempo de ensamble en un 25%, con las consiguientes economías en los costos de instalación. De esta manera los fabricantes ofrecen al mercado peruano un producto de vanguardia acorde a las modernas exigencias y tendencias del mercado con la más alta calidad. Tipos de Empalme
  • 38. 38 Dimensiones de los Tubos DIAMETO LOG. DIAMETRO NOMINAL TOTAL EXTERIOR e PESO TUBO e PESO TUBO e PESO TUBO e PESO TUBO (mm) (m) (mm) (mm) (KG) (mm) (KG) (mm) (KG) (mm) (KG) 63 6.00 63 1.6 2.77 2.3 3.94 3.0 5.08 4.4 7.28 75 6.00 75 1.9 3.92 2.8 5.71 3.6 7.26 5.3 10.43 90 6.00 90 2.2 5.45 3.3 8.07 4.3 10.4 6.3 14.88 110 6.00 110 2.7 8.18 4.0 11.97 5.3 15.66 7.7 22.24 160 6.00 160 4.0 13.48 5.8 19.42 7.7 25.21 11.2 36.02 200 6.00 200 4.9 17.61 7.3 25.24 9.6 33.09 14.0 47.03 250 6.00 250 6.2 26.97 9.1 39.69 11.9 57.58 17.5 73.48 315 6.00 315 7.7 42.85 11.4 61.86 15.0 79.96 22.0 114.82 SERIE 20 CLASE 5 SERIE 13.3 CLASE 7.5 SERIE 10 CLASE 10 SERIE 6.6 CLASE 15 TUBERIAS DE POLIETILENO.- Las tuberías de polietileno (HDPE) son fabricadas con la más avanzada tecnología y el más estricto control de calidad que nos permite asegurar y garantizar una larga vida útil mayor a 50 años. La gran versatilidad de sus características técnicas así como su diseño permite plantear una diversidad de soluciones para propósitos generales en la industria, minera, pesquería, riego tecnificado, saneamiento, (Agua Potable, Alcantarillado), así como protección de cables eléctricos y de telecomunicaciones (fibra Óptica), entre otros. Duración El tiempo de vida útil estimado para las tuberías en redes subterráneas que conducen agua a 23°C es 50 años, lo que supera con creces a la de materiales tradicionales. Resistencia al Impacto No se tienen el riesgo de pérdidas de material por fracturas debidas a golpes en el manejo de carga, almacenamiento o instalación. Esto evita hacer gastos para excedentes por desperdicios. Uniones por Termofusión Las uniones de tuberías y conexiones HDPE se llevan a cabo por termofusión, esto es calentado simultáneamente, las dos partes por unir hasta alcanzar el grado de difusión necesario para que después, con una presión controlada sobre ambos elementos, se logre una unión monolítica más resistente que la tubería misma y 100% hermética.
  • 39. 39 Cuando sea necesario hacer una transición entre los sistemas Norma ISO o ITINTEC y otro tipo de materiales se dispone de uniones mecánicas como los adaptadores bridados y de compresión. Mantenimiento Nulo Las características de Uniones por termofusión, factores de flujo, resistencia química y durabilidad, eliminan la necesidad de mantenimiento en las redes instaladas por el fabricante y lo que es más importante no se tienen los problemas de pérdidas constantes de agua por las uniones o por fracturas de material, que afectan los pavimentos, como puede suceder con otras tuberías. Resistencia en Zonas Difíciles La tubería HDPE polietileno, se flexiona ajustándose al contorno natural del terreno y absorbe esfuerzo por impacto, por lo que no requiere de zanjas profundas. Solo en terreno rocoso se recomienda proteger la tubería del contacto directo de pierdas agudas. Absorbe esfuerzos por oleaje, vibración o movimientos de terreno, por lo que su aplicación resulta la opción ideal en cruce de ríos, lagos, pantanos o donde el terreno sea arenoso o inestable, absorbiendo con eficiencia esfuerzos provocados por movimientos sísmicos de mediana y baja intensidad. Control de Calidad Las tuberías de HDPE fabricadas por el fabricante son probadas en nuestro laboratorio de control de calidad, el único en el Perú que cuenta con equipos especializados para realizar pruebas hidráulicas. El control de calidad se realiza desde las materias primas, el proceso productivo, el producto final y hasta después de la instalación. Antes de iniciar el servicio del sistema, el fabricante realiza una prueba hidrostática normalmente 1.5 veces la presión de operación de la línea o del componente de menor resistencia. El tiempo oscila entre 2 a 3 horas, después de la cual se verifica que no existan fugas o variaciones significativas de presión. Con todo lo anterior el fabricante garantiza la más alta calidad de sus productos y servicios.
  • 40. 40
  • 41. 41 Diseño Contamos con una red internacional de ingenieros especializados en hidráulica, con vasta experiencia en pequeños y megaproyectos de Tubosistemas. Adicionalmente tenemos sofisticados sistemas de la más avanzada tecnología para el diseño asistido por computadora, así como equipos de Soldadura por Termofusión para tuberías de PE y Geomembranas. 3) Análisis de la Línea Piezométrica o Gradiente Hidráulica Se pueden presentar los siguientes casos: a)Cuando todo el perfil pasa por debajo de la línea Piezometrica. No existe problemas tiene flujo normal y permanente. X XX P h hCGCP , aguadecargametros presiondealturah GeometricaCotaCG aPizometricCotaCP b) El perfil de la tubería pasa por debajo de la horizontal de origen y por encima de L.P. El flujo es normal y permanente pero el caudal dependerá de h', aunque no considerablemente. 10.33 L.C.A.L.P. 10.23 H h'
  • 42. 42 c) El perfil de la tubería pasa por debajo de la horizontal de origen y corta a la línea de carga absoluta. Para reanudar el flujo se debe instalar una válvula de aire o ubicar un volumen de almacenamiento de paso. d) Parte del perfil de la tubería esta por encima de la horizontal de origen y corta a la línea de carga absoluta. En este caso el flujo se puede dar o no, se dará por gravedad si h < 10.33 y primero se bombea y luego se apaga el motor, es decir requiere este impulso hace que continúe el agua aunque en forma irregular. Si h > 10.33, definitivamente no hay flujo de agua y requiere bombeo permanente. 4.3. Accesorios Válvulas de Aire y Válvulas de Purga En los casos analizados anteriormente en las zonas más altas de se deben ubicar válvulas de aire con la finalidad de eliminar el aire atrapado en las zonas bajas de la línea de conducción se deben ubicar las válvulas de Purga. Válvulas de Aire o Ventosas Son accesorios que se ubican en la parte más alta de las líneas de conducción y cada 2.5 Km como máximo. De ser necesario en zonas que pueda existir peligro de colapso de la tubería a causa del material de misma se colocan válvulas de doble acción (Admisión y Expulsión). Q' N 10.33 10.33 L.P. L.C.A. h'M Cuando esto sucede queda aire atrapado en el tramo M N y el gasto que circula es muchicimo menor que el normal y depende directamente de h'. h L.C. 10.33 10.33 L.C.A. H H.O.
  • 43. 43 El dimensionamiento de la válvula se determinará en función del caudal y presión de la tubería. Funciones: 1) Expeler el aire dentro de la tubería durante su funcionamiento 2) Expulsar aire que tiende a acumularse en los puntos altos. 3) Admitir aire en caso de operación de una válvula de purga que pueda crear presiones negativas en la tubería.
  • 44. 44
  • 45. 45 Válvula de Purga Se instalaran e los puntos más bajos, teniendo en consideración la calidad de agua a conducir. - La finalidad es que a cierto tiempo de inspecciones para mantenimiento a través de ellos y eliminar las salidas que pueden haberse reunido en los puntos más bajos. - Estas válvulas por lo general no están instaladas en las mismas tuberías y se encuentran lateralmente o en el extremo.
  • 46. 46 Recomendaciones: Diámetro de la Tubería Diámetro de la Válvula de Purga Ø < 4” Mismo Ø de la tubería 4” < Ø < 16” 4” 16” < Ø Ø Tubería/4 Ó en los extremos de la tubería
  • 47. 47
  • 48. 48
  • 49. 49 Válvulas de Cierre y Control: Van ubicadas a la salida de captación y en cualquier punto de la red donde se requiera controlar el ingreso del agua. Por lo general se ubican C/1000 m., para aislar tramos de tubería en caso de rotura de esta. Válvulas Reductoras de Presión: Son aquellas que disminuyen la presión e un punto determinado. Válvula Check: Son aquellos que permiten el flujo en un solo sentido. Ejemplo de Diseño Nº 01: Determinada la población registra los siguientes censos oficiales, los mismos que se llevaron a cabo luego de varios años considerados muy separados. Censo Población 1940 1961 1981 625 824 1316 15 años únicamente si solamente se dispone de tuberías de 3" y 4", además tenga en cuenta que el año es que se esta diseñando es 2010. La captación esta en la cota 3181.70 m.s.n.m. y el reservorio se halla en la cota de 3148.20, L= 2435 m. Solución: Aplicamos el método de la parábola de 2do grado (Por tenerse datos muy distantes). Pf = A + BX + CX 2 1940 T = X = 0 625 = A+B (0) + C(0)2 A= 625. 1961 T = X = 21 824 = 625 + B (21) + C(21)2 (1). 1981 T = X = 41 1316 = 625 + B (41) + C(41)2 (2). Diseñar la L.C. con tubos PVC-SAP para una vida util de Calcular la población futura si D = 110 L/Hab/día, Qmd y Qmh si K1 = 1.3 y K2 = 1.8.
  • 50. 50 De (1) y (2) B = 1.730 y C = 0.369 Año 2010 + 15 = 2025 T = 2025 – 1940 = 85. Pf = 625 + 1.73 X + 0.389 X2 Pf = 625 + 1.73 (85) + 0.369 (85)2 Pf = 3438 Hab. slQQmh sLQQmdsLDxPfQ P PP 02.78.1 07.53.190.3 400,86 1104383 "16.3 140813.5 07.5435.210 5.33 87.485.1 85.17 D D hf Como solo se dispone de Tub. de 3” y 4”, debemos instalar en serie. 87.485.1 85.17 87.485.1 85.17 21 4140813.5 07.53435.210 3140813.5 07.510 5.33 Xx hfhf Resolviendo: X = 1.727 km de Ø 3" y 0.703 km de 4" Verificamos velocidades: OKsmV OKsmV 15.1 4075.0 00507.0 "3 .º65.0 410.0 00507.0 "4 2 2 3181.70 3148.20 35.5 m L = 2435 m
  • 51. 51 Ejemplo de Diseño Nº 02: Se tiene una Línea de Conducción como se muestra en el siguiente croquis, la misma que ha sido elegida como la mejor opción para su construcción; se tienen los siguientes datos: Año del Censo Población 1 = 1.3 2 = 2.0 1978 1993 2002 2008 6428 7824 8786 11,746 Se disponen solamente de tuberías PVC-SAP, CL=5 y CL=15, Considerar la presión de llegada al reservorio de 10 m.c.a. y el periodo de diseño de 15 años. a) Además con los conceptos teóricos dados en clases, el RNE, diseñar completamente el Sistema de Conducción, incluyendo los anclajes en los cambios de dirección A y B, si el factor de seguridad es 1.20. Dibujar también la Línea de Gradiente Hidráulica. Solución: Con los datos censales, calculamos la población futura por el método de interés simple, que es el más usado. = (1 + ) = ( ) = 7824 6428 6428 (1993 1978) = 1396 6428 15 = 0.0145 = 8786 7824 7824 (2002 1993) = 962 7824 (7)9 = 0.0176 = 11746 8786 8786 (2008 2002) = 2960 8786 (6) = 0.0561 MANANTIAL 90 m 0.5 km 180 m 1.5 km 60 m RESERVORIO CT=3326 m.s.n.m. A B 0.74 km
  • 52. 52 = 0.0145 + 0.0176 + 0.0561 3 = 0.0294 = 11746 (1 + 0294) Para un periodo de diseño de 15 años: = 2010 + 15 = 2025 = 2008 = 2025 2008 = 17 ñ ( ) = 11746 1 + 0.0294(17) ( ) = 17,617 . Y la dotación según el RNE, para zona fría (3326 m.s.n.m.) D = 150 lit/hab/día = 17,617(150) 86,400 = 30.59 / 30.6 / = 39.76 / = 61.18 / Primero verificamos el diámetro aproximado que tendría el sistema si fuera de un solo tramo, del manantial al reservorio. = 180 10 = 170 = 10 (2.89)(39.76) . 5.813(140) . ( ) . D = 2848.97 . = 5.12" elegimos un diámetro comercial de 6", pero como tenemos tuberías que soportarán la presión máxima de 180 + 60 = 240 m, se debe dividir en varios tramos la conducción. Según el perfil elegido en el croquis, por normas de RNE, el desnivel elegido entre CRPs es de 50 mts, debido a que se tendrían presiones muy altas en las zonas de mayor presión. 0.5 km 180 m 0.5 km 60 m 0.7 km CRP-01 CRP-020.5 km 0.5 km 1 2 3 50 m 50 m 50 m 30 m 10 m 70 m 150 m L.G.H.
  • 53. 53 Tramo 01 = 0.5 = 39.76 / 50 = ( . )( . ) . . ( ) . ( ) . = 1675.86 . = 4.6" Elegimos el mayor comercial de 6" 160 mm. Y recalculamos la presión de llegada antes de ingresar a la CRP 01 = ( . )( . ) . . ( ) . ( ) . = 13.60 la llegada a CRP01 = 50 - 13.60 = 36.40 m.c.a. La velocidad = . . ( . ) = 2.25 < 5 ! Se usaran tuberías clase 5. Tramo 02 = 0.5 = 39.76 / Por tener las mismas dimensiones en longitud, desnivel y caudal es idéntico al tramo 01. Tramo 03 = 1.89 = 39.76 / 70 = ( . )( . ) . . ( ) . ( ) . = 14524.83 . = 5.63" Elegimos el diámetro comercial de 6" 160 mm. Y como soportaran presiones hidrostáticas de hasta 80 + 60 = 140 m.c.a. en el tramo AB, se usaran tuberías clase 15. Velocidad = . . ( . ) = 2.25 < 5 La presión real de llegada al reservorio = ( . )( . ) . . ( ) . ( ) . = 51.40 . . . a reservorio = 70 – 51.40 = 18.60 m.c.a. > 10 m.c.a. OK!
  • 54. 54 Cálculo de la presión A y Volumen de Anclaje de Concreto = ( . )( . ) . . ( ) . ( ) . = 16.05 . . . = 140 16.05 = 123.95 . . . = 12.40 2 = + 2( ) = 12.40 2, = . ( ) = 176.72 2, = 0.03976 , = 2.25 = . (0.03976)(2.25) + 12.40 176.72 2 = 3111.87 . Asumiendo un factor de seguridad de 1.2 = 1.2(3111.87) = 3734.2 = 2400 3 = . = 1.56 Cálculo de la presión y volumen de anclaje en B = ( . )( . ) . . ( ) . ( ) . = 31.3 . . . = 80 = 48.7 . . . = 4.87 2 = . (0.03976)(2.25) + 4.87 176.72 2 = 1229.99 1230 . = 1.2(1230) = 1476 = 0.615
  • 55. 55 4.4. Líneas de Impulsión o Línea de Conducción por Bombeo: El dimensionamiento de las líneas de Impulsión se determina, teniendo en cuenta el costo inicial de las instalaciones más el costo anual de operaciones incluyendo el Equipo de Bombeo y su respectiva casita. Los cálculos hidráulicos se realizaran con la fórmula de Hazen – Willians. Valores que intervienen: - Q (L/S) caudal del día máximo consumo Qmd ó Qbombeo. - Longitud: L. - Hg desnivel geométrico. - Pérdidas de carga por fricción y locales. - Coeficiente de Rugosidad. - Altura manometrica de bombeo : Ht Para hallar el diámetro se emplea la fórmula de Bresse: QKD 1.1 < K < 1.3 , Q en m3 /s. K = Coef. que depende del líquido que bombea y el tipo de tubería. Hg B Donde: Ht = Altura Total = Peso específico. Q = Caudal de Bombeo n = Eficiencia 0.60 a 0.80 n1 = Constante que depende de las unidades de potencia que se desee obtener: n1 = 1 Potencia Kgf.m/s n1 = 75 Potencia en CV n1 = 76 Potencia en Hp, n1 = 102 en Kw Hg = Desnivel geometrico. 1 . nn QHt BPot
  • 56. 56 Procedimiento para Elegir el Diámetro Optimo de la línea de Impulsión: - Aplicar la fórmula de Bresse. - Tomar 2 ó 3 diámetros más próximos al encontrado. - Determinar Ht (Altura de Bombeo). - Conocer los consumos anuales de energía, su costo de instalación anual (expresado en amortización más intereses). - Realizar el gráfico de costos de instalación y sus costos de mantenimiento (consumos anuales de Energía). Se suman las dos curvas y se halla la curva c y se escoge el punto más bajo que da el Ø optimo. Ejemplo de Aplicación (Nº 1): Hallar el Ø más económico de una línea de impulsión de 1800 m, si Q = 32 L/S y debe salvar un desnivel geométrico de 37 m. Además tener en cuenta que: - Las pérdidas de carga locales suman 16 V2 /2g - Los costos de instalación de las tuberías y equipos son los mismos para cada diámetro. - Factor de amortización anual = 0.186. - Costos de tubería Costo de Equipo $./ml $. 6” 10.80 12,000 8” 24.30 8,000 10” 40.50 6,000 12” 62.80 4,200 - El costo de la energía es de $ 0.17 cada Kw. Hora. Ø económico escogido Costos de Instalación + Mantenimiento Instalación (Costo de Amortización Anual con Intereses) Mantenimiento (Gasto Anual de Energía) C
  • 57. 57 Solución: 1) Aplicamos la fórmula de Bresse "5.8032.02.120.1 QD 2) Elegimos diámetro 6”, 8”, 10” y 12”. 1) Según datos del problema, los costos de instalación (mano de obra y otros) son los mismos para tuberías y equipos. 2) El factor de amortización dato es 0.186. 3) Pérdidas de cargas locales = 16 V2 /2g 4) Potencia del motor de la bomba es 70.0, 102 n n tHQ kw 5) Costo de la tubería según dato. 6) Costo de la energía $ 0.17 Kw-hora. 7) Costo del equipo, según dato. 8) Los cálculos se muestran en el cuadro adjunto en la cual se calculan del siguiente modo: 1. Velocidad: A Q 2. hf (pérdida por fricción) 87.485.1 85.17 813.5 10 DC QL H 3. pérdidas locales g V hL 2 16 2 4. Pérdidas totales = Hf = hL + hf 5. Altura de Bombeo = Ht = Hg + Hf 6. Potencia de consumo 7.0102 HtQ 7. Potencia diaria = Pot. Consumo x 24 horas. 8. Gasto anual de la energía = Pot. Diaria x 365 x $ 0.17 = Gasto de Mantenimiento. 9. Costo total de las tuberías = ml x precio. 10. Costo del equipo, según dato. 11. Costo total (tuberías y equipos). 12. Amortización anual con intereses = (11) (0.186) = Gasto de Instalación. 13. Gasto anual total = (8) + (12). L = 1800B Hg = 37 m
  • 58. 58 DIAMETRO ITEM 6” 8” 10” 12” 1) Velocidad (m/s) 2) Pérdida por fricción hf (m) 3) Perdidas locales (hL (m) 4) Perdidas totales Hf (m) 5) Altura de Bombeo Ht = Hg + Hf 6) Potencia de consumo (n = 0.70) 7) Potencia diaria = Pot. Consumo x 24 (kw-h) 8) Gasto anual de energía = Pot. Diaria x 365 $ 0.17. 1.81 32.77 2.67 35.44 72.44 32.47 779.28 48,354.32 1.02 8.07 0.85 8.92 45.92 20.58 493.92 30,647.74 0.65 2.72 0.34 3.06 40.06 17.95 430.80 26,731.14 0.45 1.12 0.17 1.29 38.29 17.16 411.84 25,554.67 9) Costo de tuberías 10) Costo de equipo 11) Costo total ( tub. + Equipo) 12) Amortización anual con intereses 19,440.00 12,000 31,440 5,847.84 43,740.00 8,000 51,740 9,623.64 72,900.00 6,800 79,700 14,824.20 113,040 4,200 117,240 21,806.64 13) Gasto Anual (8) + (12) 54,202.16 40,271.38 41,555.34 47,361.31 Del cuadro escogen Ø económico 8”. En general para adquirir un sistema de bombeo se debe tener en cuenta: a) Naturaleza del equipo a bombear. b) Caudal necesario a bombear. c) Carga total. d) Periodo de funcionamiento de la bomba. e) Energía eléctrica disponible en la ciudad.
  • 59. 59 4.5. Obras Complementarias: 1) Anclajes: Son dados de concreto o diseños especiales que eliminan los esfuerzos que se presentan en la Línea de Conducción, debido a los cambios de dirección o instalación de accesorios; estos anclajes pueden ser: - Bloques de concreto. - Tirantes. 2) Cajas Intermedias: Pueden ser: a) Cámaras Rompe Presión: Son estructuras por lo general de concreto armado que tiene la función de Romper la presión en donde se le ubique. Por lo general se las ubica cada 50 m de desnivel geométrico y pueden en la L.C. ó Red de distribución, cuando esta en la L.C. generalmente son CPR-6 y cuando esta en la Red son CPR-7. Entrada Salida Rebose 0.10 0.60 0.10 A A Entrada Salida Variable 0.05 0.30 0.05 Ø ¼” 0.15 N.A. R CAPT. A L.G.H2 L.G.H1 L.G.H2 hfAB H - hfAB CPR H > 120 m
  • 60. 60 b) Volumen de Almacenamiento Intermedio Se emplea en los puntos más altos de L.C. con la finalidad de levantar la L.P. para evitar que corte el perfil de la tubería. c) Chimeneas. Son reservorios en transición, generalmente son usadas en las líneas de impulsión, con la finalidad de almacenar agua y luego pasar al reservorio son también llamadas STAND-PIPES. Chimenea R d) Otros. Puente Ducto. ó Pilares. De Cº Aº o Madera. Túneles. L.C. L.G.H2 L.G.H1 L.C.H2
  • 61. 61 Sifones
  • 62. 62 Trasbase Se emplea en el caso de Mayores luces. RIO TUBERIA TORRE DE CONCRETO TORRE DE CONCRETO SOLADO VISTA LATERAL SOLADO TUBERIA HDPE VISTA FRONTAL ESC: 1/75 Ø 250 MM Ø 250 MM TUBERIA HDPE VISTA FRONTAL ESC: 1/75 VISTA LATERAL SOLADO SOLADO TORRE DERECHA TORRE IZQUIERDA
  • 63. 63
  • 64. 64
  • 65. 65
  • 66. 66
  • 67. 67
  • 68. 68 4.6. Esfuerzos a los que Encuentran Sometidos los Conductos a Presión: a) Presión Interna del Líquido: Se encuentra hallando la distancia vertical en cada punto de la línea Piezometrica hasta la altura del tubo, en base a esto se recomienda el tipo de tubería a usarse. El esfuerzo interno o esfuerzo unitario de tracción o tensión en las paredes del tubo será: t DP ST 2 tubodelEspesort tubodelDiámetroD aguadelinternaPresionP b) Tensiones Longitudinales por Acción de la Variación de la Temperatura: Estos términos se producen generalmente en tuberías que estan en contacto con el medio ambiente y en aquellas cuyas uniones son muy rígidas. Se calcula según: S = ETC Donde: S = Tensión unitaria por variación de temperatura. E = Módulo de elasticidad del material que esta fabricado el tubo. T = Variación de temperatura. C = Coef. de dilatación lineal del material de la tubería. Para evitar rajaduras o colapsos de tuberías, diseñar juntas de dilatación capaces de soportar las tuberías obtenidas según la fórmula anterior. Las juntas de dilatación deben ir ubicadas según el espaciamiento calculado según la fórmula: M = L.C.T. Donde: M = Cambio de long. De tubería. L = Long. Total de la tubería. T = Condición de temperatura. C = Coef. de dilatación lineal. A B C D E F G 50 m 50 m 50 m Se usará Clase 5, ningún trazo Clase 10, Tramo AB, CD, DE y FG Clase 15, Tramo BC y EF
  • 69. 69 c) Esfuerzos Resultantes de la Energía del Movimiento: Son producidos por la energía del movimiento. ESPQVR cos12.8 Donde: R = Resultado en kgf. = Peso específico del líquido, 3 10002 m kgf OH g = Aceleración de a gravedad., Q = Caudal del Sistema. V = Velocidad media del flujo., P = Presión interna del líquido (Kgf/cm2). S = Área interna del tubo (m2 ), E = Curvatura en Grados sexagesimales. 2..90 SPQV g RESi Ejemplo de Aplicación (Nº 1): Se tiene la L.C. según muestra en las vistas, planta y perfil; para los datos que se muestran se pide diseñar el anclaje necesario para los cambios de dirección en los puntos B y C, si se sabe que todo el tendido era el descubrimiento. Qmd = 20 Lps Ø = 8” , F.S = 1.60 concreto = 2400 Kgf/m3 , CH = 140 Tubería considerar solo la fuerza debido a la energía del movimiento. 4 km B 20 Eº P Q R
  • 70. 70 PLANTA Solución: 2 2 323 16.314 4 ,"8,637.0 02.0,81.9,1000 cos12.. cm D Sdsm A Q V smQsmgmk ESPQV g R Cálculo de PB : Primero debemos hallar hfAB = .52.7 8120813.5 20410 87.485.1 85.17 m CPB = CPA – hfAB = 20 -7.52 = 12.48 Presión en B = CPB – CTB = 12.48 – 5 = 7.48 m = 0.748 kg/cm2 . Cálculo de PC : HfC = 87.485.1 85.17 8140813.5 20210 = 3.76 m CPC = CPB – 3.76 = 8.72 m Presión C = 8.72 – 5 = 3.72 m , 0.37 kg/cm2 . 3 3 11.0 2400 4.267 4.267 22.0 2400 7.534 7.5346.1.: 0.1672159.314372.0637.002.0 81.9 1000 16.3342159.314748.0637.002.0 81.9 1000 mkgR mkgRSFComo kgxxR kgxxR CONCRETOC CONCRETOB C B Ejemplo de Aplicación (Nº 2): Diseñar el anclaje necesario en una curva de 90º, cuyo diámetro interior es de 12” ( CH = 100) si por recomendaciones técnicas no será enterrada. Además se conoce el caudal = 73 Lps y a 1000 m. aguas arriba existe una presión disponible de 2.2 kg/m2 ,F.S = 1.5, c = 2400 kg/m3 . Solución: A' 8" 8" 2 km D D 0.00 B.C 5.0 m C CH = 120 CHBC = 140
  • 71. 71 º1 2º Q = 0.073 m3 /s ESPQVR cos12.. Debemos hallar la presión p en el punto de entrada a la curva. .67.1633.52233.5 12100813.5 73110 2 87.485.1 85.17 12 m P hf .7.730,1266.729667.11073.0 81.9 1000 1073.0/073.0 667.166.7294/)48.30(488.301416.3 34.1216 44.7 2 2 2 kgxxxR sm A Q V mkgPcmA Si F.S. = 1.5 R = 1730.7 x 1.5 = 2596 kg. = 2.596 Tn. Si se usa concreto el anclaje será de 3 08.1 400.2 596.2 m Se requiere 1.08 m3 de concreto para absorver dicha resultante. d) Esfuerzos Resultantes Producidos por Cargas Externas P = P0 + P1 + P2 Donde: P = Peso total P0 = Peso del material de relleno P1 = Cargas externas fijas P2 = Cargas externas móviles. P H De B' 1000 m
  • 72. 72 Puede darse el caso que no necesariamente actúen todas las cargas simultáneamente. 1) Peso del Material de Relleno (P0) Va a depender de: - Profundidad de la zanja (H). - Tipo de material de relleno - Ancho de la zanja de influencia, máximo a considerarse = 1.5 De. 2 10 BCP = Peso específico del material de relleno (Kg/m3 ) B = Ancho de influencia de la zanja 1.5 D. C1 = Coef. de la fórmula que depende de la relación B H P0 = Carga resultante en Kgf/ml. H/B 1 tipo suelo 1 2 4 6 8 10 Tierra ordinaria 0.80 1.50 2.20 2.6 2.8 2.9 Arena – Grava 0.8 1.5 2.6 2.8 3.1 3.2 Arcilla Saturada 0.8 1.5 2.6 3.3 3.8 4 Existe otra fórmula que nos permite hallar P0 HBHP 08.00 en Kgf/ml Donde: = Peso específico de la tierra. H = altura de recubrimiento. B = Ancho del fondo de la zanja = ancho de influencia mDe 20.0 3 4 2) Por la Acción de Cargas Exteriores Fijas: (P1) 121 WBCP Donde: P1 = Fuerza resultante (K /ml) B = Ancho de influencia de la zanja. W = Carga exterior fija. C2 = Coef. de la fórmula que depende del material de relleno y relación H/B, se encuentra tabulado para s tipo de material de relleno.
  • 73. 73 3) Por la Acción de Cargas Exteriores Móviles (P2) P2 = C3 W2 x Ic P2 = Fuerza resultante en Kgf/ml 3 W2 = Carga exterior móvil (Kg) C3 = Coef. de la fórmula que depende del diámetro exterior y de la profundidad de la zanja. IC = Coef. de Impacto de Velocidad 1.5 IC 2 , donde: IC = 1.5 cuando V = 20 millas/h IC = 2.0 cuando V = 80 millas/h 4.6.1. Tipos de Asentamiento o Instalación de las Tuberías: Va a depender directamente del diámetro de las tuberías, material, pendiente etc, y según los reglamentos se han definido tres tipos de asentamientos, asentamiento Ordinario, Asentamiento de Primera Clase y Asentamiento con Cama de Concreto, la elección de cualquiera de ellos dependerá de Factor de Carga: Factores de Carga: Los tipos de asentamientos han sido estudiados por la prueba de los tres filos, que establece que la carga de Rotura al ser multiplicada por los factores respectivos, se puede esperar que la tubería resista las cargas resultantes de dicho producto. F.C - Asentamiento Ordinario 1.5 - Asentamiento de primera Clase 1.5 - 1.87 - Asentamiento con cama en concreto 1.87 PRC = (F.C) PRL PRC = Carga de Rotura admitida en el campo. PRL = Carga de Rotura establecida por la prueba de los 3 filos. F.C = Factor de carga fijada por el tipo de asentamiento. Factor de Seguridad (F.S): Es el factor solicitado por el fabricante. PRC = (F.S) PTR PTR = Carga de trabajo real. Material F.S - Arcilla Verificada 1.5
  • 74. 74 - Concreto Simple 1.5 - Concreto Reforzado 1.25 - Acero y FºFº 1.0 - PVC_SAP 1.5 a) Asentamiento Ordinario: Se empleará este asentamiento cuando el factor de carga resulte 1.5. Se rellena con el mismo material extraído de la zanja y compactar por etapas de 15cm c/u. Cama de Apoyo Malla Nº 4 Ø 1" 6” 0.10 m Se da al terreno la forma de la tubería, compactando por etapas c/15 cm
  • 75. 75 b) Asentamiento de Primera Clase: Se emplea cuando el factor de carga esta entre 1.5 y 1.87. - Se realiza la limpieza total de las piedras. - Utilizar capas de 6” hasta por lo menos 12” encima del tubo de puro material escogido ( < malla Nº 4 ). - Para la parte superior se utiliza el mismo material extraído. Cama de Apoyo 15 cm Material seleccionado < malla NØ 04 Material extraído, compactado por etapas Ø < 4" 6" 6" c) Asentamiento con Cama de Concreto : Cuando FC está entre 1.87 y mayores. - Se vacea un solado de concreto de espesor 4 1 del diámetro (De) - Se orienta el tubo y se vacea otra capa de concreto de 4 1 De - Se rellena de forma similar al método de asentamiento de primera clase. Concreto f'c=100 kg/cm2 Cama de Apoyo Material compactado por etapas 6" 6"Material seleccionado < malla NØ 04 1 4 De 1 4 De
  • 76. 76 CAPITULO V : VOLUMEN DE ALMACENAMIENTO (RESERVORIOS) Ú OBRAS DE REGULACION 5.1. GENERALIDADES Un reservorio será requerido en base a las necesidades del Sistema de Abastecimiento de Agua Potable y siendo importante para garantizar el funcionamiento hidráulico del mismo, se clasifica como una “Estructura Hidráulica de Abastecimiento y Regulación”. El diseño hidráulico del reservorio consistirá en la determinación del Volumen de Almacenamiento, la selección del tipo de reservorio que se requiere, las dimensiones iniciales de sus componentes, su ubicación, la proyección de su caseta de válvulas, su operación inicial, y la elección de algunos componentes adicionales que pudiera requerir. El diseño hidráulico se desarrolla en base a las normas del Reglamento Nacional de EDIFICACIONES, Instituto de la Construcción y Gerencia, y textos especializados indicados en la Bibliografía. 5.2. CAPACIDAD DEL RESERVORIO La capacidad del reservorio o volumen de almacenamiento, es función de varios factores como son: - Requerimientos del Sistema y compensación de variaciones horarias: Volumen de Regulación. - Previsiones contra incendios: Volumen contra incendios. - Previsiones de Reserva: Volumen de Reserva. En resumen: º. INCENDIOSCRESREGALM 5.2.1. REQUERIMIENTOS DEL SISTEMA Un sistema de Abastecimiento de Agua Potable requerirá de un reservorio en dos casos: - Cuando el rendimiento admisible de la fuente sea menor que el caudal máximo horario (Qmh), lo cual es común cuando se realiza una captación de aguas subterráneas o atmosféricas. - Cuando el rendimiento admisible de la fuente es mayor que el caudal máximo horario (Qmh), pero resulta más económico usar tuberías de menor diámetro en la Línea de Conducción y construir un reservorio. Lo cual es común cuando se hace una captación de aguas superficiales, y se requiere grandes diámetros de conducción o cuando para la distribución se requieren grandes diámetros de aducción.
  • 77. 77 El reservorio debe permitir que las demandas máximas que se producen sean satisfechas totalmente, así como cualquier variación del consumo durante las 24 horas del día. A) VOLUMEN DE REGULACION Es el volumen para compensar las variaciones horarias de consumo, y se obtiene mediante el “Diagrama Masa”, el cual considera volúmenes acumulados obtenidos de la “Curva de Variación Horaria” del día de máximo consumo, y se elabora de la siguiente manera: a) Se cuenta con los datos de variaciones horarias de consumo durante un año o más, para una determinada población. b) Se determina el día máximo de consumo, por ejemplo con los datos del día de máximo consumo de la población “X”. Cuadro 2.1: Datos del día de máximo consumo (ejemplo) Hora Consumo (lps) Hora Consumo (lps) 0 22.00 13 44.00 1 21.00 14 49.50 2 20.00 15 49.85 3 23.88 16 48.00 4 38.19 17 38.19 5 60.00 18 35.00 6 62.33 19 29.00 7 53.00 20 24.00 8 50.00 21 23.00 9 49.50 22 22.00 10 47.00 23 20.00 11 48.50 24 22.00 12 50.00 c) Se elabora la “Curva de Variación Horaria”, par el día de máximo consumo, por ejemplo:
  • 78. 78 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00 70.00 0.00 K HORAS LPS Fig. 2.1: Curva de Variación Horaria (Ejemplo) d) En base a estos datos, se elabora el siguiente cuadro: Cuadro 2.2: Cálculo de Volúmenes Acumulados (ejemplo) 3 23,88 78,98 230,18 4 38,19 111,73 341,91 5 60,00 176,74 518,65 6 62,38 220,28 738,93 7 53,00 207,68 946,61 8 50,00 185,40 1132,01 9 49,50 179,10 1311,11 10 47,00 173,70 1484,81 11 48,50 171,90 1656,71 12 50,00 177,30 1834,01 13 44,00 169,20 2003,21 14 49,50 169,30 2172,51 15 49,05 178,83 2351,34 16 40,00 176,13 2527,47 17 30,19 155,14 2682,61 18 35,00 131,74 2814,35 19 29,00 115,20 2929,55 20 24,00 95,40 3024,95 21 23,00 84,60 3109,55 22 22,00 81,00 3190,55 23 20,00 75,60 3266,15 24 22,00 75,60 3341,75 Donde: (1): Hora de registro de caudal (Hrs) (2): Caudal consumido (lps) (3): Volumen consumido en el internalo de tiempo “t” (m3).
  • 79. 79 Segxt mxtx iii i ii i 360011 1000 1 2 22 3 1 31 (4): Volumen acumulado hasta la hora i. 1 34 i ii Y se obtiene el gráfico: “Volumen acumulado (m3) vs t (Hrs)”, denominado “Curva Masa”. Fig. 2.2 : Curva Masa e) Análisis de la Curva de Masa: - Sabiendo que el área bajo la “Curva de Variación Horaria”, es el volumen de agua consumido en el intervalo (t1, t2). 2 1 21 , t t i QdtV tt
  • 80. 80 Normalmente se considera rectángulos para hallar las áreas bajo la “Curva de variación Horaria”. La “Curva Masa”, se elabora con las sumas acumuladas de los volúmenes consumidos en intervalos de tiempo definidos (cada hora para el ejemplo dado). Analizando la fórmula dada anteriormente para el volumen consumido en el intervalo de tiempo it : 1000 1 2 22 3 1 xtxii i , se tiene como términos: (Área rectangular) (conversión a m3). - En la “Curva Masa”, la pendiente de la tangente en un punto representa el consumo en ese instante. - La pendiente de la recta ‘OO, representa el promedio de los consumos del día máximo consumo (Qmd). Para el ejemplo dado se tiene: QP = 23.88 lps Qmd = (3340.76/24) / (3600) = 38.67 lps Qmd = (38.67/23.88) x QP = 1.62 QP - Las tangentes trazadas en los puntos “B” y “C” de la curva, representan las horas coincidentes con el consumo promedio del día de máximo consumo, en las cuales el consumo de la población es igual al caudal de llegada al reservorio (Qmd), a través de la línea de Conducción. - Desde la hora 0 hasta la hora del primer punto de tangencia “B”, el agua que llega al reservorio es mayor que el consumo, permitiendo que se almacene la cantidad determinada por la ordenada AB. - A partir de “B”, el consumo aumenta siendo mayor que el caudal de ingreso, hasta el segundo punto de tangencia “C”, teniendo que considerar también el almacenamiento de la cantidad determinada por la ordenada CD. - Por lo tanto, gráficamente se puede calcular el Volumen de regulación como: 3 mCDABVREG
  • 81. 81 Donde: AB : Ordenada que presenta agua almacenada durante horas de bajo consumo (m3). CD : Ordenada que representa cantidad de agua que se requiere almacenar para cubrir horas de alto consumo (m3). Para el ejemplo dado: 3 3 23.206340.8688.2340.86 13.53000.45.2362.268118.23069.423 mxQPV mV P REG Se puede determinar que porcentaje representa el volumen de regulación respecto del volumen determinado del caudal promedio diario anual PQ : %69.2523.206313.530%VP f) En forma simplificada en base a deducciones hechas de la curva masa, similares a las anteriores, el volumen de regulación se puede obtener con cierto factor de seguridad (Ref. 3) como: diamQV PREG 3 40.86%3025 Donde: REGV : Volumen de Regulación (m3) 86.4 : Factor de conversión de días a segundos, que en este caso incluye también la conversión de Litros a m3. PQ : Caudal promedio Anual (lps). 5.2.2. PROVISIONES ANTE INCENDIOS O VOLUMEN CONTRA INCENDIOS De acuerdo al RNE y Normas de Saneamiento, se tiene: - Para áreas destinadas netamente a viviendas: 3 50MVCINCENDIO - Para áreas destinadas a uso comercial e industrial, se calcula mediante un gráfico adjunto a las Normas, considerando un volumen aparente de incendio de 3000 m3, y el Factor de apilamiento respectivo, obteniendo:
  • 82. 82 Factor de Apilamiento = 0.10 poco compacto: 3 145mVCINCENDIO Factor de Apilamiento = 0.50, medio: 3 195mVCINCENDIO Factor de Apilamiento = 0.90, compacto: 3 280mVCINCENDIO Indicando que independientemente de este volumen, los locales industriales y comerciales deberán tener su propia reserva contra incendios. Además de lo indicado anteriormente existen otros criterios basados en la población, y se indican a continuación: Cuadro 2.3: Volumen Contra Incendio en base a Población Población Extinción 3 mVCINCENDIO Pob. <10,000 hab. No se quiere volumen contra incendios 0 10,000 @ 100,000 hab 2 grifos, durante un tiempo mínimo de 2 horas, con Q = 15 lps 216 Pob.>100,000 hab 1 Zona Residencial 2 grifos, durante un tiempo mínimo de 2 horas, con Q = 15 lps 1 Zona Industrial 3 grifos, durante un tiempo mínimo de 2 horas, con Q = 15 lps 216 324 5.2.3. PROVISIONES DE RESERVA (VOLUMEN DE RESERVA) Ante la eventualidad de que en la línea de Conducción puedan ocurrir daños que mantendrían una situación de déficit en el suministro de agua, mientras se hacen las reparaciones pertinentes, es aconsejable un volumen adicional que de oportunidad de restablecer la conducción de agua hasta el reservorio. Se recomienda, considerar un periodo de interrupción de 2 a 4 horas y el gasto promedio de consumo anual para la determinación del volumen de Reserva; adicionalmente se añaden otros criterios, tales como:
  • 83. 83 CINCENDIOREGRESERVA ENTOALMACENAMIRESERVA RESERVA VVV VV HorasttxQPV %33 %25 42, Debiendo tomarse el mayor. 5.2.4. VOLUMEN DE ALMACENAMIENTO El volumen de almacenamiento o capacidad del Reservorio estará dado por: diamVVVV RESERVACINCENDIOREGENTOALMACENAMI 3
  • 84. 84 5.3. SELECCIÓN DEL TIPO DE RESERVORIO A) TIPO DE RESERVORIO El tipo se define en base a varios criterios como: el lugar de requerimiento, el volumen de excavación, las condiciones existentes y otros. Si se va ha proyectar en una zona con topografía plana, para cumplir con los requerimientos de presión, se elegirá un reservorio elevado. Si la topografía es accidentada con pendiente favorable, que facilite cumplir con los requerimientos de presión, se elegirá un reservorio apoyado o enterrado. Si el volumen de almacenamiento es grande, el volumen de excavación será también grande, por lo tanto será más factible elegir un reservorio apoyado, un reservorio enterrado. Así mismo, si se tiene un Sistema de Agua Potable existente, en el cual se requiere un reservorio para mantener la presión requerida, aún si se tiene una topografía con pendiente favorable, y solo se dispone de espacio en un sitio plano, se tendrá que elegir un reservorio elevado. B) FORMA DEL RESERVORIO La forma del reservorio se define en base al Volumen del almacenamiento de la siguiente manera: CircularSeccionmV gularrecocuadradaSeccionmV ALM ALM 3 3 100 tan100 C) MATERIAL DE CONSTRUCCION Un reservorio se puede construir utilizando diferentes materiales tales como: mampostería de concreto, acero, plástico, concreto simple, concreto armado, metálicos, etc. Se recomienda el uso del Concreto Armado como material de construcción debido al mayor conocimiento de sus propiedades. En general el concreto armado presenta las siguientes ventajas con respecto a otros materiales: - Se le puede dar la forma circular. - Es resistente al efecto del agua. - Resiste óptimamente cargas laterales. - Es durable. - Tiene gran resistencia a la compresión.
  • 85. 85 - Es un material económico con respecto a otros materiales como el acero, el cual tendrá que ser inoxidable para su aplicación al agua potable. - Su desventaja en el encofrado circular es compensado con la menor cantidad de material requerido que en el caso de reservorios cuadrados o rectangulares. 5.4. PREDIMENSIONAMIENTO HIDRÁULICO El predimensionamiento hidráulico consistirá en la determinación de las dimensiones del reservorio para poder almacenar el volumen requerido. A) ALTURA DE CARGA La altura de agua sobre la pared de reservorios circulares se determina utilizando el siguiente gráfico: Figura. 2.3: Altura Económica del Reservorio Obtenido de “Prestresed Concrete Cylindrical Tanks” (L.R. Gressy – 1961). Del cual se deduce la siguiente ecuación con la cual se puede aproximar los valores de forma analítica: 40.46926.00141.00001.0 2 VVVH
  • 86. 86 Donde: H : Altura de Agua sobre la pared cilíndrica (m) V : volumen de almacenamiento (en miles de m3). Formula utilizada el predimensionamiento de los reservorios circulares, excepto los de volumen de almacenamiento menor a 500 m3, para los que se obtuvo alturas excesivas, por lo cual se utilizó el criterio del Factor de Forma: H = D/2 Donde: D : Diámetro del reservorio (m) B) DIÁMETRO DEL RESERVORIO Una vez obtenida la altura económica de la pared cilíndrica, el diámetro del reservorio se obtiene como: m H V D 4 C) BORDE LIBRE La altura debe ser incrementada previniendo el posible movimiento del agua que puede causar problemas, sobre todo en reservorios abiertos. El borde libre se determina aproximadamente , como: BL = (0.05-0.10)H o BL min =0.10 (m) D) ALTURA DE LA PARED La altura de la pared de cara al agua será: mBLHHT E) CONTRA FLECHA DE LA CUPULA ESFERICA La contra flecha, de la cúpula esférica se determina, mediante el gráfico “Relación Optima f/D” (ACI SP-28 – Concrete Thin Shells).
  • 87. 87 D(m) Fig. 2.4 : Relación Optima f/D para Domos Esféricos F) PREDIMENSIONAMIENTO HIRÁULICO Fig. 2.5: Predimensionamiento Hidráulico
  • 88. 88 5.5. UBICACIÓN DEL RESERVORIO APOYADO La ubicación del reservorio apoyado esta determinada principalmente por la necesidad y Conveniencia de mantener las presiones en la red dentro de los límites de servicio, garantizando presiones mínimas en las viviendas más elevadas y presiones máximas en las viviendas más bajas. Las presiones máximas y mínimas, son determinadas por normas, las más importantes son: Cuadro 2.4: Presiones Admisibles de servicio Presión m.c.a. Presión estática máxima permisible (depende de la tubería) 70 Presión máxima en la red de distribución 50 Presión mínima en la red de distribución (4 a 6 pisos) 35 Presión mínima en la red de distribución (3 o menos pisos) 25 Presión mínima del punto más alto 15 Presión mínima en casos justificados 10 Agua en piletas públicas 3.5 Presión mínima de llegada al reservorio 15 Si se dispone de lugar y condiciones topográficas favorables, la ubicación central es la mas óptima, para reducir las perdidas de carga. Verificando las presiones máximas y mínimas, se decidirá si es factible la proyección de otros reservorios, para definir otras zonas de presión. 5.6. CASETA DE VALVULAS Todo reservorio debe ser proveído de los accesorios necesarios para su adecuado funcionamiento y operación, como son: tubería de llegada, tubería de salida, tubería de rebose, tubería de limpieza, y tuberías de ventilación~ así como válvulas, y medidores de caudal. A) TUBERIA DE LLEGADA Es la tubería que provee el agua al reservorio, y su diámetro esta definido por el diámetro de la Línea de Conducción, debiendo estar provista de una válvula de compuerta de igual diámetro antes de la entrada al reservorio, y un by-pass para atender situaciones de emergencia y limpieza total del reservorio. El tiempo de llenado del reservorio debe ser mayor de 2.5 horas , y menor de 6 horas, debiendo verjficarse en base al Caudal máximo diario.
  • 89. 89 hrs Qmd V thrs ENTOALMACENAMI LLENADO CONDUCCIONLLEGADA 6.5.2 B) TUBERIA DE SALIDA Es la tubería que provee agua a la red de distribución, y su diámetro esta definido por el diámetro de la Línea de Aducción, debiendo estar provista de una válvula de compuerta de igual diámetro que permita regular el abastecimiento de agua a la población. ADUCCIONSALIDA C) TUBERIA DE LIMPIEZA La tubería de limpieza deberá tener un diámetro tal que facilite la limpieza del Reservorio en un periodo no mayor de 2 horas, debiendo estar provista de una válvula de compuerta de igual diámetro, con una pendiente en el fondo no menor de 1% hacia la salida. No debe descargar directamente al colector de desagüe, debiendo prevenirse el riesgo de contaminación. .2 hrstVACIADOLIMPIEZA D) TUBERIA DE REBOSE La tubería de rebose se debe conectar a la descarga libre de la tubería de limpieza no siendo requerida ninguna válvula, permitiendo la descarga en cualquier momento. El diámetro de la tubería de rebose debe ser mayor o igual al diámetro de la tubería de llegada. LLEGADAREBOSE E) TUBERÍAS DE VENTILACIÓN Se debe proveer un sistema de ventilación para garantizar la presión atmosférica, este debe tener una protección adecuada que impida la penetración de insectos y otros materiales. Por lo general se utilizan tubos en "U" invertida, protegidos en la entrada con rejillas o telas metálicas y separados del techo una distancia mayor o igual a 30 cm, pudiendo colocarse mas de uno simétricamente en la cúpula del techo. "6"2 NVENTILACIO
  • 90. 90 F) BY-PASS Se debe instalar Una tubería con conexión directa entre la entrada y la salida, de nanera que cuando se tenga que cerrar la tubería de entrada al reservorio, el caudal ingresa directamente a la Línea de Aducción. Esta contará con una válvula compuerta que permita el control del flujo de agua con fines de mantenimiento y limpieza del reservorio. G) MEDIDORES DE CAUDAL Se debe instalar un medidor de caudal en la tuberia de salida para determinar las variaciones del gasto y los volúmenes de entrega a la red de distribución, el cual permitirá determinar las fallas en el servicio, perdidas en la red y usos no controlados, pudiendo planificarse las medidas correctivas correspondientes. H) DISTRIBUCION EN PLANTA Se presenta un esquema en planta de la Caseta de Válvulas, el cual puede variar dependiendo de varios factores como: zona de ingreso, ubicación de la zona de distribución, ubicación de la alcantarilla para descarga del rebose y limpieza, número de zonas de distribución, más válvulas, más medidores, etc. Disposición de la Caseta de Válvulas (Planta)
  • 91. 91 Disposición de la Caseta de válvulas (Elevación)
  • 92. 92 5.7. OPERACIÓN DEL RESERVORIO DE ALMACENAMIENTO El control de la operación del reservorio, consistirá en la determinación de los volúmenes de ingreso, de salida, y de almacenamiento. Así mismo, para programar el mantenimiento, se requiere conocer las horas hábiles, y tiempos disponibles. Para aclarar lo expuesto, se realiza un análisis inicial de la operación de un sistema de abastecimiento de agua en las condiciones más simples: Se tiene un reservorio de cabecera, el cual recibe la totalidad de las aguas a suministrar a través de la Línea de conducción con Caudal máximo diario (Qmd). La hora de inicio del llenado del Volumen de Regulación para compensar las variaciones horarias, como aquella donde se observa que: Consumo Qmd. Conocidos los volúmenes contra incendios y de reserva, se puede determinar el tiempo adicional requerido para su almacenamiento. Luego se puede determinar las horas disponibles para el mantenimiento, y las horas que se puede trabajar con by- pass. Continuando con el ejemplo iniciado en el punto anterior, se calcula el volumen de almacenamiento, para luego hacer un análisis simple acerca de la operación inicial del reservorio, bajo las consideraciones mencionadas anteriormente. Cuadro 2.5: Cálculo del Volumen de almacenamiento (ejemplo) Volumen (m3) Descripción Regulación 530.13 Variación horaria Contra incendios 50.00 Netamente viviendas Reserva 257.90 Reparaciones Total 838.03 Almacenamiento Elaborando el siguiente cuadro se pueden determinar los volúmenes de almacenamiento requeridos en determinadas horas:
  • 93. 93 Cuadro 2.6: Volúmenes de Almacenamiento (ejemplo) Hora Consumo Promedio (lps) Volumen de Consumo (m3) Volumen de Ingreso (m3) variacion Horaria (m3) 0 1 21.50 77.40 139.20 61.80 377.05 684.95 2 20.50 73.80 139.20 65.40 442.44 750.35 3 21.94 78.98 139.20 60.21 502.66 810.56 4 31.04 111.73 139.20 27.47 530.13 838.04 5 49.10 176.74 139.20 -37.54 452..59 800.49 6 61.19 220.29 139.20 -81.09 411.50 719.41 7 57.69 207.68 139.20 -63.49 343.02 660.92 8 51.50 185.40 139.20 -46.20 256.82 604.72 9 49.75 179.10 139.20 -33.50 256.91 564.82 10 48.25 173.70 139.20 -34.50 222.41 580.35 11 47.75 171.90 139.20 -32.70 189.71 497.62 12 49.25 177.30 139.20 -33.10 151.61 459.51 13 47.00 169.20 139.20 -30.00 12.16 429.51 14 46.75 168.30 139.20 -29.10 92.51 400.41 15 49.68 178.83 139.20 -39.63 52.87 360.78 16 48.93 176.13 139.20 -35.93 15.94 168.71 323.85 17 43.10 155.14 139.20 -15.94 0.00 307.90 307.90 18 36.60 131.74 139.20 7.46 7.46 315.36 19 32.00 115.20 139.20 24.00 31.46 339.36 20 26.50 95.40 139.20 43.80 75.25 383.16 21 23.50 84.60 139.20 54.60 129.85 437.76 22 22.50 81.00 139.20 58.20 188.05 495.95 23 21.00 75.60 139.20 63.60 251.65 559.55 24 21.00 75.60 139.20 63.60 315.25 623.15 Volumen de Almacenamiento (m3) Volumen de Regulacion (m3) Analizando el cuadro “volumen de almacenamiento”, se determina lo siguiente: Volumen de Regulación - Para satisfacer las variaciones horarias, se puede almacenar el volumen de regulación desde las 18:00 horas hasta las 5:00 a.m. del siguiente día, iniciado la operación al mismo tiempo. Volumen contra incendios de reserva: - Se determina que para almacenar ambos volúmenes se requiere de 2 horas y 13 minutos de llenado continuo, sin operación del sistema. - Es recomendable lograr el almacenamiento de ambos volúmenes durante las horas de bajo consumo, para garantizar el normal funcionamiento del sistema. Volumen de Almacenamiento: - Para satisfacer todas las demandas, así como, contar las provisiones contra incendios y el volumen de reserva, se debe lograr el almacenamiento del volumen total antes de las 5:00 a.m., cuando se inicia el aumento del consumo.
  • 94. 94 - Así mismo se puede restablecer el normal funcionamiento del sistema si se logra cualquier de los volúmenes de almacenamiento determinados para la respectiva hora, ya sea mediante restricciones del servicio, regulación de válvulas de control, u otras alternativas. - El control del volumen almacenado se realiza mediante un medidor del nivel de agua (regla cuadrada), y los datos geométricos del reservorio. By-pass: - Se puede operar mediante by-pass, sin afectar el servicio, cuando la demanda se satisface totalmente con el Qmd, en el ejemplo desde las 18:00 horas hasta las 5:00 a.m. Opciones para el Mantenimiento El mantenimiento se puede programar dentro de las horas de by-pass. Descripción (m3) t(hrs) Observaciones By-pass 11.00 Disponible A 18:00 hrs 307.90 0.55 Vaciado Mantenimiento 2.00 Limpieza y desinfección Almacenamiento 838.03 6.02 Llenado Total 8.57 Tiempos de Llenado y Vaciado - Manteniendo el tiempo de llenado de 2.5 a 6 horas, tiempo de vaciado menor a 2 horas, y los trabajos de mantenimiento en menos de 4 horas, se puede volver a llenar el reservorio con todo el volumen de almacenamiento, antes de que el consumo supere el caudal de ingreso. Reparaciones: - Para hacer reparaciones por problemas en la Línea de Conducción, se dispone del volumen de Reserva, y si fuera necesario también del volumen contra incendios. - Las reparaciones dentro de la red de distribución, se pueden aislar mediante válvulas.
  • 95. 95 5.8. COMPONENTES ADICIONALES DEL RESERVORIO Para poder acondicionar las tuberías, válvulas, y dar funcionalidad al reservorio, se debe proveer de estructuras y equipos adicionales, tales como: A) AGUJERO DE ACCESO Se debe proveer de un agujero de ingreso al reservorio mediante el cual se realizará inspecciones, limpieza y otros trabajos que fueran necesarios. Este debe de contar con una tapa que garantice total seguridad y con una escalera de acceso. Puede haber mas de un agujero de acceso, pero su colocación debe justificarse, debido a que demasiados agujeros, pueden causar variaciones en el comportamiento estructural de la cúpula del techo, variando la distribución de esfuerzos. B) ARTESA DE REBOSE Ya que por lo general en las paredes no se cuenta con el espacio suficiente, para colocar la tubería de rebose sobre el nivel máximo de agua, pudiendo comprometer estructuralmente el anillo de borde, se construye una artesa mediante la cual se puede colectar el rebose. Artesa de Rebose C) TOLVA Para realizar la correcta recolección de los sedimentos, el nivel de la tubería de limpieza deberá estar por debajo del nivel de la tuberia '(fe salida, así que por lo general se construye una tolva de recolección por debajo del nivel inferior de las paredes.
  • 96. 96 D) MEDIDOR DE NIVEL DE AGUA El control constante del volumen del reservorio se lleva a cabo de manera práctica mediante una regla graduada que por lo general es de madera. E) VÁLVULAS REDUCTORAS DE PRESION En el caso de realizarse un by-pass se requerirá de una válvula reductora de presión, cuando la presión estática total sea mayor que la presión admisible de la tubería, es decir: TuberiaAdmbajomásPuntoCRP PcalcEstCotaCota ...
  • 97. 97 CORTE : INSTALACIONES HIDRAULICAS ESC : 1/50
  • 98. 98
  • 99. 99
  • 100. 100 DETALLE DE ARMADURA DE MUROS Y LOSA DE TECHO ESC : 1/25
  • 101. 101 ESTRUCTURA DE CUPULA Y LOSA DE FONDO REFUERZO EN CARA INFERIOR 1/8 PLANTA ARMADURA DE CUPULA 1/8PLANTAARMADURADELOSAFONDO 1/8PLANTAARMADURADECUPULAREFUERZOENCARASUPERIOR ESC : 1/25 DETALLE DE ARMADURA DE MURO
  • 102. 102 JUNTA DE PISO ESC : 1/25 ESC : 1/25 JUNTA HORIZONTAL EN EL MURO JUNTA HORIZONTAL MURO - ZAPATA ESC : 1/25 DETALLE DE VENTILACION ESC : 1/25 ESC : 1/25 CORTE C-C ESC : 1/25 CORTE B-B SECCION : BUZON DE ACCESO ESC : 1/25
  • 103. 103 CORTE : INSTALACIONES HIDRAULICAS ESC : 1/50
  • 104. 104
  • 105. 105
  • 106. 106
  • 107. 107
  • 108. 108
  • 109. 109 CAPITULO VI: REDES DE DISTRIBUCIÓN 6.1.Definición: Es el conjunto de tuberías instaladas e serie y en paralelo con el objeto de distribuir el agua de una población. Nudo.- Es el punto de cruce de una o más tuberías; en el gráfico A, B, C, D, E, F, G, H, I son Nudos. Línea de Aducción.- Son los que conducen el agua desde el Reservorio hasta la bifurcación, puede darse casos en os que no exista. Redes Secundarias.- Tienen como función entrelazar las tuberías de la red principal. Redes Principales.- Son aquellos que encierran todo el circuito y son los que requieren mayor cuidado en el diseño se ubican en las zonas de mayor densidad poblacional, zonas industrial, etc, son BC, CF, FE, EB son tuberías principales del Circuito I. 1. Definiciones Previas: Malla de Circuito.- Parte de una Red unida a tuberías Troncales o principales. Tramo o Ramal.- Parte de malla o circuito. R A B E DC F H I G QAB QC QE QF QH QI QG QD Redes de Relleno Tuberías PrincipalesLínea de Alimentación o Aducción Circuito I Circuito II Circuito III
  • 110. 110 Gasto en Marcha.- Gasto que fluye por un tramo o ramal. Gasto de Salida o Gasto Hipotético.- Es el gasto concentrado que representa las necesidades de abastecimiento de uno o varios tramos. Punto o Nudo de Entrada.- Nudo por el cual ingresa total o parcialmente el gasto de diseño (A). Nudo o Punto de Equilibrio.- Nudo al cual concurren 2 ramales o tramos de una malla o circuito (D). Punto o Nudo más Desfavorable.- Es aquel que tiene la menor presión del Sistema (Nudo A). 2. Tipos de Redes.- Se van a clasificar en sistemas abiertos y cerrados. 1) Tipo Espina de Pescado o Distribución Ramificada. Este tipo de poblaciones que se desarrollan a lo largo de una vía principal, pues por el se tiende la red principal que va disminuyendo en diámetro a medida que va repartiéndose en ramales. QAB Qa QC QDQCD QB QBCQAC A B C D I R
  • 111. 111 Características: - Es adecuado para poblaciones pequeñas. - El sentido de flujo es único. - Los diámetros del tubo principal son únicos o decrecientes. - Cualquier interrupción afecta la distribución aguas abajo. - Se recomienda instalar en los puntos más bajos válvulas de purga para evitar acumulación de sedimentos y limpieza del sistema. Ejemplo: Circuito Abierto A Nº Viv = 89 CT = 3180A L = 1 km Nº Viv: 131 Viv. B CT = 3145B 2 5 25 %20 110 2 0 K VivhabVivPobDensidad añosT r diahablitD Pmin de salida del Reservorio = 5mca Solución: SeglitQmhseglit x Q habPf hab Viv hab xVivPa P 20.41,2 86400 1101650 .1650 1000 2520 11100 11005220 A Q = 4.20 L/SAB B q = 4.20 L/SB
  • 112. 112 15 mL=1 km hf AB5 m A 3180 mhf hf AB 25 15314553180 "6.2 140813.5 2.4110 25 87.485.1 85.17 AB AB D D Debemos elegir el diámetro comercial y verificar velocidad. Se elige sm A Q VØ 03.1,"3 OK! Recalcular para el diagrama de presiones: ...44.12 3140813.5 2.4110 87.485.1 85.17 Re acmhf alAB 56.3172Re alABAB hfCPCP ...56.27314556.3172 acmBenpresionA A 4.20 L/S B 4.20 L/S 3172.56 3045.00 27.56 3185.00 3180.00 5.00 DIAGRAMA DE PRESIONES
  • 113. 113 2) Tipo Parrilla. Es conveniente para poblaciones pequeñas no muy extendidas con calles principales en ejes paralelos. Características: - El diámetro es único o decreciente. - Sentido de flujo por partes. - Se interrumpe el flujo por partes. Sistema Cerrado.- Es un sistema donde conductos principales rodean un grupo de manzanas de las cuales parten tuberías de menos diámetro. Características: - Es la distribución más perfecta. - Las tuberías forman una malla. - Es apropiada para ciudades medianas y de gran tamaño. - Cada tramo puede recibir el agua por sus extremos. - Las tuberías principales con Ø4". - Las tuberías de Relleno con Ø 3" por lo general. R > Ø Tub. Secundarias Tub. PrincipalR L. Aducción
  • 114. 114 Circuitos de un Sistema Cerrado. a) Circuito Primario.- Es el formado por tuberías principales de mayor diámetro de la red (de 800 – 1000 m de separación).
  • 115. 115 b) Circuito Secundario.- Se enlaza al circuito primario por tuberías de diámetro intermedio, separados de 400 m a 600 m. c) Circuito de Relleno.- Es el sistema del cual salen las conexiones domiciliarias con un diámetro mínimo de 3", que en casos extremos podrá ser de 2" de diámetro. 6.2. Sistemas de Válvulas e Hidrantes. a) Válvulas.- Dentro de una red de distribución debe considerarse las siguientes funciones: - Permite aislar las tuberías en caso de Reparaciones sin necesidad de interrumpir el servicio de agua de una zona. - Permiten regular las presiones en la red. Recomendaciones Sobre Válvulas: - Cada tramo debe aislarse a lo más mediante el cierre de 4 válvulas. - Deben colocarse cerca de las instalaciones de las calles. - Colocarse las válvulas en las tuberías secundarias justamente en derivación de las principales. - Las válvulas mayores de 12" a más deben ir en casetas especiales accesibles mediante bocas de inspección. - En las tuberías mayores de 12" a más debe colocarse válvulas de purga en los puntos bajos y de aire en los puntos altos. - No debe aislarse más de 500 m de tubería
  • 116. 116 Válvula Red de distribución de acuerdo con la norma AWWA de los estados unidos. La disposición de las válvulas permite que se aíslen máximo 02 tramos de tuberías cerrando 4 válvulas. Las válvulas se deben localizar en los ramales de importancia en las intersecciones de las mallas principales. Red de distribución de acuerdo con la norma colombiana (Infopal). Con esta disposición de válvulas y tuberías se pueden aislar sectores sin interrumpir el servicio en el resto de la ciudad.
  • 117. 117 Red de distribución de acuerdo con la norma brasileña. El sistema está compuesto por tuberías de relleno sin interconexión, lo cual determina una gran economía de accesorios.
  • 118. 118 b) Hidrantes: - Se colocan cada 200 m cuando se quiere una descarga de 10- 16 L/S, usándose en este caso hidrantes de 4" con salidas de 2 ½”. - Se colocaran cada 100 m cuando la descarga necesaria sea de 32 L/S o más pudiéndose atacar un siniestro mediante ocho bocas con recorrido de manguera de 150 a 180 m. - En los lugares públicos de grandes aglomeraciones o gran valor comercial, se colocaran hidrantes especiales de 6" como mínimo con una boca de salida de 3 ½” y 2 de 2 ½”. - En aceras de más de 2 m de ancho los hidrantes serán tipo poste y en los menos será tipo flor de tierra. Puede ser de 1 ó 4 bocas. Matriz - La presión en la tubería cuando se use motobomba para dar presión, será más de 20 Lbs/pulg2 (14 m de columna de Agua), si el chorro se aplica directo debe ser de 75 lib/pulg2 (52.5 m de columna de Agua). PARQUE Principal
  • 119. 119 6.3.Criterios de Diseño. Se debe tener en cuenta los siguientes datos previos. 1) Área y Población del Proyecto: - Situación actual de la población, información demográfica. - Situación futura. - Areas de diferentes zonas de acuerdo al plano regular: Zona Industrial. Zona Comercial. Zona Residencial. Zona de Expansión Urbana. 2) Gasto de Diseño: - Para ciudades grandes se toma el 80% del Qmh. - En ciudades pequeñas se analiza: El Qmd + Dotación contra incendios. El Qmh. De ambos valores, se toma el mayor para el diseño. El caudal para necesidades de incendio depende del tamaño de la población. Recomendaciones Varias: - Identificar los caudales en marcha y caudales hipotéticos de acuerdo a la población beneficiada de cada tramo. VEREDA VEREDA Válvula de Control Hidrante (Contra Incendio) Tub. Secundaria
  • 120. 120 - Las presiones en la red deben tener: Como máximo 70 lib/pulg2 = 50 m de H2O Como mínimo 20 lib/pulg2 = 15 m de H2O - Ubicación de las tuberías. La profundidad de las tuberías debe ser de 0.80 m, desde la superficie hasta la parte superior del tubo. 0.80 En las calles de 20m de ancho o menores, debe ir una sola tubería y colocada hacia el lado de mayor demanda o en el centro de la misma. Las calles son > de 20 m. Las distancias mínimas entre tuberías de agua y desagüe. - Horizontales : 2.50 m - Verticales : 0.25 m Distancia mínima entre tubería de agua y conexiones eléctricas o telefónicas. - Horizontal : 1 m. - Vertical : 0.25 m. > 20 m 1.501.50 0.80 0.80
  • 121. 121 6.4.Selección de Diámetros, Selección de Redes y Métodos de Cálculo: 1. Para el caso de un Sistema Abierto. Se aplica directamente la fórmula de Hazen Willians. Q = 0.000426 CH D2.63 S0.54 Q en L/S, C ( pie/seg ) D en pulg., S( m/km ) 2. Para el caso de Circuitos Cerrados. a) Método de Hardy-Cross (Para verificación). 1) Método de Caudales Asumidos. Se asumen los caudales iniciales y debe satisfacer las siguientes condiciones: - EC. de continuidad en cada nudo. - hf en un circuito debe ser cero. - Caudal que ingresa a la red debe ser igual al caudal de salida. - Se puede aplicar H.W. ó Darcy. Usando H.W. se demuestra: Usando Darcy: 0 0 0 0 0 2 85.1 Qh hf Q Q hf hf Q f 2) Método de las Cargas Asumidas. Se asumen las cargas de presión en cada nudo, se demuestra. 00 0 00 0 0.285.1 hfQ Q hó hfQ Q h ff
  • 122. 122 Ejemplo: Resolver la siguiente Red., usando H.W. , CH = 100 tub. Q12 = 90 L/S, Pmin = 10m, hacer también diagrama a presiones: R Solución: sabemos que Q = , hf0 = Tramo L(km) Ø CH Q0 h0 hf0/Q0 Q1 Q1 h1 h1/Q1 Q2 Q2 Qf 2-5 1.5 14” 100 75 3.97 0.053 -1.4 73.6 3.84 0.052 +2.1 75.7 76.0 5-3 2.0 6” 100 10 7.89 0.789 -5.4 4.6 1.88 0.409 +2.4 7.0 5.5 3-2 1.0 6” 100 -15 -8.35 0.557 -1.4 -16.4 -9.85 0.601 +2.1 -14.3 -14.0 3.51 1.399 -4.13 1.062 3-5 2.0 6” 100 -10 -7.89 0.789 +5.4 -4.6 -1.88 0.409 -2.4 -7.0 -5.5 5-4 1.0 12” 100 35 1.37 0.039 +4.0 39.0 1.67 0.043 -0.3 38.7 40.5 4-3 2.0 10” 100 5 0.18 0.036 +4.0 9.0 0.54 0.060 -0.3 8.7 10.5 -6.34 0864 0.33 0.512 Hasta obtener AQ < 0.50 l/s en ambos circuitos. h0 1.85 h/Q0 107 L Q1.85 5.813 CH 1.85 D4.87 12” 10 5 5 15 75 1000 m 2 44 m 1000 16” 1000 m 6” 1500 - 14” 2000 - 10” 2000 - 6” 2.00 35 43 1.00 0.00 30 L/S 30 L/S 2.00 1 30 L/S
  • 123. 123 Entonces los caudales que resulta son: Cálculo de las Alturas disponibles hf1-2 = = 19.36 CP2 = 44 - 19.36 = 24.64 m. Alt. Presión 2 = CP2 – CG2 = 24.64 – 2 = 22.64 m. hf2-5 = = 4.07 CP5 = CP2 – hf2-5 = 24.64 – 4.07 = 20.57 m. Alt. Presión 5 = CP5 – CG5 = 20.57 – 2.0 = 18.57 m. hf2-3 = = 7.35 m. CP3 = CP2 – hf2-3 = 24.64 – 7.35 = 17.29 m. Alt. D. Presión 3 = CP3 - CG3 = 17.29 – 1 = 16.29 hf5-4 = = 1.79 m. CP4 = CP5 – hf5-4 = 20.57 – 1.79 = 18.78 m. Alt. D. Presión 4 = CP4 – CG4 = 18.78 – 0 = 18.78 m. 107 (10)(90)1.85 5.813 (100)1.85 (16)4.87 107 (1)(14)1.85 5.813 (100)1.85 (14)4.87 107 (1)(14)1.85 5.813 (100)1.85 (6)4.87 107 (1)(40.5)1.85 5.813 (100)1.85 (12)4.87 76 L/S 90 L/S 30 L/S 44 30 L/S30 L/S 40.5 L/S 5.5 L/S 10.5 L/S 14 L/S 1 2 3 4 5
  • 124. 124 1 24.64 20.57 2.0 18.57 2 5 17.29 16.29 1.00 0.00 3 4 3) Método de Linealización (Método de Verificación). Condiciones de aplicación: Hf = 0 (en cada Circuito) Qi = 0 (en cada Nudo) 2 3 4 1 q 1 q2 4 q 3 q 2 1 4 5 3 III Q3 Q1 2 Q Q 4 5 Q Convención de Signos: q (+) (-) caudales hipotéticos que entran o salen del nudo. Q (+) (-) caudales en marcha o internos de las Tuberías Ecuaciones de Nudo: q1 – Q1 – Q3 = 0 (1) - q2 + Q1 – Q2 – Q4 = 0 (2) - q3 + Q2 + Q3 – Q5 = 0 (3) Ecuaciones de Circuitos: h1 + h2 – h3 = 0 (4) - h2 + h4 –h5 = 0 (5) 2.00 22.64 18.78 18.78
  • 125. 125 Como. H = K Qn , n varía según Darcy o Hazen Willians. K1 Qn 1 + K2 Qn 2 – K3 Qn 3 = 0 (4') - K2 Qn2 + K4 Qn 4 – K5 Qn 5 = 0 (5') Se tienen 5 ecuaciones y 5 incógnitas, que indican que aparentemente el sistema se resolvería, pero no es posible por que estamos combinando ecuaciones lineales con ecuaciones de grado “n”. El procedimiento correcto es LINEALIZAR, la ecuación exponencial. Como H = KQn = K (Qn-1 ) Q Si K' = K(Qn-1 ) y H = K' Q linealizado. Las ec: (4') y (5') serán: K1 1 Q1 + K1 2 Q2 – K1 3 Q3 = 0 - K2 Q2 + K1 4 Q4 – K1 5 Q5 = 0 Entonces se formaría el siguiente sistema de ecuaciones: - Q1 – Q3 = q1 Q1 – Q2 – Q4 = q2 Q2 + Q3 –Q5 = q3 K1 1 Q1 + K1 2 Q2 – K1 3 Q3 =0 - K1 2 Q2 + K1 4 – K1 5 Q5 =0
  • 126. 126 En forma Matricial: Nudo 1 - 1 0 - 1 0 0 Q1 - q1 Nudo 2 1 -1 0 - 1 0 Q2 q2 Nudo 3 0 1 1 0 -1 Q3 = q3 Circuito 1 K'1 K'2 -K'3 0 0 Q4 0 Circuito 1 0 -K'2 0 K'4 -K'5 Q5 0
  • 127. 127 CAPITULO VII: TRATAMIENTO DEL AGUA 7.1. CRITERIOS BASICOS SOBRE CONTROL Y CALIDAD DE AGUA: 7.1.1- Calidad del Agua Cruda: Las aguas superficiales presentan características diferentes y se ven afectadas frecuentemente por los fenómenos naturales y artificiales, las aguas subterráneas por lo general son más claras y puras. Criterios de calidad para la selección de la fuente: Según las Guías Internacionales de Agua Potable de la OMS, se ha clasificado las aguas crudas en 5 grupos: GRUPO I: Agua que necesita solamente desinfección, tiene las siguientes características: A: Calidad Bacteriológica: - Densidad de Coliformes Totales: La media aritmética mensual deberá ser menor que 100 unidades por 100 ml de muestra. - Densidad de Coliformes Fecales: Su media deberá ser menor que 20 unidades por 100 ml de muestra. B: Calidad Física: Debe cumplir con las Guías para calidad de Agua Potable de la OMS con excepción a turbiedad y color que serán como sigue: Concentración Máxima deseada Máxima admisible Turbiedad 1 unidad (UT) 5 unidades Color 5 unidades (UTC) 15 unidades C: Calidad Química: Deberá constatarse el contenido de sustancias tóxicas de origen orgánico e inorgánico, muy especialmente pesticidas, hervicidas, etc. D: Calidad Radiología: Cumplir con las recomendaciones de la OMS. E: Tratamiento Adicional: Si la calidad del agua no es estable durante todo el año, según lo especificado en A,B,C,D; se requiere analizar en peores condiciones. GRUPO II: Aguas que Necesitan Tratamiento convencional, tales como Coagulación; Sedimentación, filtración Rápida y Desinfección, o Filtración Lenta y Desinfección.
  • 128. 128 A: Calidad Bacteriológica: Densidad de Coliformes Totales: La media geométrica mensual deberá ser menor a 3000 unidades por 100 ml de muestra de agua cruda. Densidad de Coliformes Fecales: La media geométrica deberá ser menor a 600 unidades por 100 ml. de muestra. B: Calidad Física: Elementos tales como color, turbiedad y olor contribuyen en forma significativa al tratamiento y potabilización del agua. 1.- Color: No se puede fijar un limite de color natural; se recomienda remover la mayor parte de color mediante coagulación a bajo PH. Luego de un tratamiento completo, el color real debe cumplir con las Guías Internacionales para el Agua Potable de la OMS. El color real del agua tratada será: - Máxima Deseada: 5 UC. - Máxima Permisible: 15 UC. 2.- Turbiedad: Los límites de turbiedad son variables y debe permanecer en un rango fácilmente tratable con medios convencionales. Se establece el agua tratada en: - Máxima Deseada: 1 UT - Máxima Permisible: 5UT. 3.- Olor: Debe ser de tal grado y naturaleza que su remoción por medios convencionales no sea imposible. La aireación es método convencional. C: Calidad Química: Puesto que el tratamiento convencional completo tiene poco efecto en la remoción de ciertos compuestos químicos, el agua cruda debe cumplir con los límites recomendados por la OMS. D: Calidad Radiología: Debe cumplir con lo indicado por la OMS. GRUPO III: Aguas que Necesitan Tratamiento Convencional como Coagulación, sedimentación, Filtración Rápida y Desinfección (pre y post cloración) A: Calidad Bacteriológica:
  • 129. 129 - Densidad de Coliformes Totales: La media geométrica mensual deberá ser menor a 20,000 por 100 ml de muestra. - Densidad de Coliformes Fecales: La media geométrica no deberá exceder de 4,000 por 100 ml. de muestra. B: Calidad Física: Elementos tales como color, turbiedad y olor contribuyen en forma significativa al tratamiento y potabilización del agua. 1. -Color: No se puede fijar un limite de color natural; se recomienda remover la mayor parte de color mediante coagulación a bajo PH. Luego de un tratamiento completo,el color real debe cumplir con las Guías Internacionales para el Agua Potable de la OMS. El color del agua tratada será: - Máxima Deseada: 5 UC. - Máxima Permisible: 15 UC. 2.- Turbiedad: Los límites de turbiedad son variables y debe permanecer en un rango fácilmente tratable con medios convencionales. Se establece el agua tratada en: - Máxima Deseada: 1 UT - Máxima Permisible: 5UT. 3.- Olor: Debe ser de tal grado y naturaleza que su remoción por medios convencionales no sea imposible. La aireación es método convencional. C: Calidad Química: Deberá constatarse el contenido de sustancias tóxicas de origen orgánico e inorgánico, muy especialmente pesticidas, hervicidas, etc. D: Calidad Radiología: Debe cumplir con lo indicado por la OMS. GRUPO IV: Aguas que no cumplen con los requisitos bacteriológicos expresados en los grupos anteriores ( las aguas tienen más de 20,000 coliformes totales o 4,000 Coliformes fecales en una muestra de 100 ml ). No se recomienda utilizar éstas aguas como fuente de abastecimiento ya que un tratamiento por métodos convencionales es inadecuado, sin embargo, de no existir una
  • 130. 130 fuente disponible y debido al avance de la tecnología podrían utilizarse después de un tratamiento adecuado en el que debe existir un control adecuado de la calidad bacteriológica. GRUPO V: Aguas que no cumplen con uno o más de los requisitos físicos, químicos, radiológicos o de contenido de contaminantes orgánicos indicados. No se recomienda utilizar éstas aguas como fuente de abastecimiento. En caso de usarse se recomienda dar el tratamiento adecuado para asegurar que su calidad cumpla en todo momento con las Guías Internacionales del Agua Potable de la OMS. Como ejemplos de tratamiento que pueden usarse tenemos: Remoción con Hierro y Manganeso, Ablandamiento,desalinisación, Fluorización o Defluorización y remoción de compuestos tóxicos y pesticidas. 7.1.2.- Calidad del Agua Tratada: Depende del uso que se le va a dar, por lo tanto es de vital importancia ara la salud pública que la comunidad cuente con un abastecimiento de agua seguro y satisfactorio, para cumplir con las necesidades domésticas; como consumo preparación de alimentos y la higiene personal, por lo tanto el agua tratada debe estar exenta de organismos capaces de originar enfermedades y de cualquier sustancia orgánica. Características Físicas Químicas y Microbiológicas: 1.- Características Físicas: son turbiedad, color, olor, sabor y temperatura. Se llaman físicas porque se pueden detectar con el sentido (vista, olfato, etc.) y esto implica que tienen directa incidencia sobre las condiciones estéticas del agua. a) Turbiedad: Es una forma de medir la concentración de las partículas Coloidales, suspendidas en un líquido. Afectan directamente la estética del agua y al presentarse pueden ocasionar rechazo de los consumidores; si las UT son mayor que 5 (UT>5) puede ser perceptible y por consiguiente desagradable para los consumidores. b) Color: El color de las aguas se debe a presencia de materia orgánica coloreada, metales como el Hierro, Manganeso provocando en consecuencia el rechazo de los consumidores. - Color Verdadero: Es el que presenta el agua después de remover la sustancia orgánica.
  • 131. 131 - Color Aparente: Color verdadero + unidades coloidales en suspensión. Se expresa en unidades de color UC. b) Olor y Sabor: Están muy relacionados. El olor del agua obedece fundamentalmente a la presencia de sustancias orgánicas (generado por el Plancton, compuestos orgánicos generados por la actividad de bacterias o algas) o vegetación en putrefacción y a desechos producto de actividades económicas. El cambio de sabor en un sistema de abastecimiento puede ser indicio de cambio de calidad de la fuente de agua natural o deficiencias de tratamiento. Por razones estéticas el agua de consumo humano debe estar exenta de olor y sabor La eliminación de olores puede realizarse con procesos como la Aireación, Adición de Carbón Activado, etc. d ) Temperatura: La temperatura se toma como naturalmente se presenta en el agua cruda, solamente en casos extremos se prevén medidas para regularla (generalmente bajarla). Agua fría es más agradable al paladar, pero influye negativamente en los procesos normales de tratamiento mayor ( > ) temperatura se incrementa el desarrollo de microorganismos, aumentan los problemas de olor, color y sabor. 2: Características Químicas: Como el agua es un solvente universal, se puede afirmar que cualquiera de los elementos podría estar presente en el agua, es por ello que se eligen los principales teniendo en cuenta su posible prevalescencia en el agua y los posibles efectos que pueda tener sobre la salud. - Aceites y Grasa: Producen problemas de olor, sabor, deterioran la calidad estética, por lo tanto deben estar ausentes en las aguas de consumo. - Agentes Espumantes: Generalmente producen espuma cuando el agua es agitada y además de causar imperceptibles masas de espuma, en la fuente como en los grifos domésticos, tienden a dispersar las sustancias insolubles o absorbidas, interfiriendo así en los procesos de coagulación, sedimentación y filtración.
  • 132. 132 - Alcalinidad: Es la medida de la capacidad del agua para neutralizar ácidos y por regla general está presente en las aguas naturales como un equilibrio de Carbonatos y Bicarbonatos; sí se tiene agua con baja alcalinidad se puede añadir Hidróxido de Calcio para incrementarla. - Amonio: Las cantidades deben ser menores a 0.1 mg/lt , mayores cantidades pueden generar contaminación. - Arsénico: Metaloide que se encuentra en muchos sitios de la naturaleza, tiene efecto acumulativo y puede ser agudo o crónicamente tóxico para el hombre, no debe exceder de 0.05 mg/lt. - Aluminio: Una muestra de agua Potable debe contener un valor máximo de 0.2mg/lt, mayores cantidades puede producir el mal de Alseimer ( Perdida de Memoria) - Bario: Elemento altamente tóxico para el hombre, causa serios trastornos, cardiacos, vasculares y nerviosos, una dosis de 0.8 a 0.9 gr de Cloruro de Bario se considera fatal. Se recomienda 2 mg/lt como máximo. - Boro: Existen muy pocos estudios sobre el efecto de este elemento en aguas de consumo humano, aunque si se cuenta con estudios sobre los efectos de este elemento esencial en el crecimiento de las plantas. - Cadmio: Desde el punto de vista biológico este elemento no resulta esencial ni benéfico pero en cantidades superiores a 0.01 mg/lt, es potencialmente tóxico, principalmente en el tejido del Hígado y los Riñones. - Cloruros: Su forma más frecuente es el Cloruro de Sodio o sal común, se ha establecido un límite de 250 mg/lt para aguas aptas para el consumo humano. - Cromo: Es un elemento muy raro de encontrar en aguas naturales, siendo su presencia un índice de contaminación por desechos o filtraciones o establecimiento de Cromado Electrolítico. La OMS, recomienda que no debe exceder de 0.05 mg/lt como Cromo total. - Cobre: Puede encontrarse en forma natural en las aguas, la OMS ha recomendado un límite de 2 mg/lt de Cobre en aguas destinadas al consumo humano. - Cianuro: Es un elemento tóxico para el hombre y se estima que una dosis de 50 a 60 mg puede ser fatal, pero si está por debajo de
  • 133. 133 10 mg no es nociva. La OMS recomienda no mayor de 0.2 mg/lt en aguas destinadas para el consumo público. - Dureza: Se define como la suma de los cationes polivalentes expresados como la unidad equivalente de carbonato de calcio y Magnesio. Hay indicios de que los índices de mortalidad de las enfermedades cardio vasculares se relacionan inversamente con la dureza del agua. Estas aguas consume más jabón. - Fenoles: Son los Hidroxiderivados del Benceno y su presencia esta relacionada con la contaminación de fuentes por desechos industriales - Fosfatos: Son compuestos esenciales para toda forma de vida acuática. Amanera de recomendación la OMS estipula que no se puede establecer un límite debido a la complejidad entre la concentración de fosfato en el agua. - Fluoruro: Se ha llegado a comprobar que el contenido natural de Flúor dentro de ciertos límites, puede resultar benéfico para los niños que están desarrollando el esmalte dental; por tal razón muchos países han adoptado programas de adición de flúor a las aguas de consumo. Recomendación de contenido de Flúor Promedio de temperatura Máxima del ambiente Flúor máximo ( mg/lt ) 10.00 – 12.20 12.70 –14.40 14.00 –17.70 18.30 –21.60 22.20 –26.10 26.60 –32.70 2.4 2.2 2.0 1.8 1.6 1.4 - Hierro: La presencia de Hierro en las plantas no tiene efectos de salubridad, pero afecta el sabor, produce manchas indelebles en los artefactos sanitarios y la ropa blanca, también se deposita en las redes de distribución, causando a veces obstrucciones y alteraciones en la turbiedad y el color, se recomienda no sobrepasar el límite de 0.8 mg/lt de Hierro soluble para aguas destinadas al consumo humano.
  • 134. 134 - Manganeso: Está muy frecuente y asociado con el Hierro y son raras las aguas que lo contienen en forma independiente. La OMS nos dice que el agua para consumo humano debe contener concentraciones inferiores a 0.05 mg/lt. - Mercurio: Es un elemento tóxico que no cumple ninguna función fisiológica útil para el hombre, en el agua potable se puede encontrar principalmente en forma inorgánica, las concentraciones no deben superar 0.03 mg/lt. - Nitrato: Cuando se presenta en cantidades excesivas son tóxicas y se dice que existe la posibilidad de ciertas formas de cáncer pueden asociarse con concentraciones elevadas. Para el agua de consumo humano debe existir menos o igual a 10 mg/lt. - Oxígeno Disuelto: Su ausencia a niveles bajos en el agua, puede indicar contaminación elevada, condiciones ópticas de materia orgánica y una actividad bacterial intensa. - Plaguicidas: Los efectos tóxicos sobre la salud humana difieren, dependiendo de su naturaleza química. Las contaminaciones se dan en la preparación de las soluciones que se apliquen a los cultivos, o de una manera indirecta mediante la escorrentía en épocas de lluvia. - P.H: No se puede afirmar que tiene efectos sobre la salud, pero afecta procesos importantes como la desinfección Cloro; PH óptimo =7, naturalmente las aguas son ácidas PH <7, pero mediante alcaliprimario (CAL) se puede elevar el PH para conseguir niveles óptimos de floculación. - Plata: Es uno de los más escasos en las aguas naturales, en aguas para el consumo humano no debe exceder en un microgramo por litro. - Plomo: Puede provocar en el hombre intoxicaciones agudas o crónicas y su concentración puede ser muy variable en fuentes naturales, para consumo humano la OMS recomienda límites de 0.05 mg/lt. - Selenio: Los efectos son similares a los del Arsénico, su ingestión puede ser crónicas y fatales, la OMS recomienda que el límite para consumo humano no debe pasar de 0.01 mg/lt. - Sulfato: Por lo general las aguas naturales no contienen cantidades altas de Sulfato, en caso que las contengan en mayores cantidades pueden actuar como laxantes, la OMS recomienda que el límite es de 250 mg/lt.
  • 135. 135 - Zinc: Es elemento esencial y benéfico para el consumo humano, pues regula la actividad de la insulina de muchos enzimas depende de él, el límite para aguas de consumo humano es de 5 mg/lt. 3: Características Microbiologicas: Se estudia a los microorganismos y sus actividades. Los principales factores que hacen inadecuada el agua, son los microorganismos, parásitos (Bacterias, virus, Protozoarios, helmintos), elementos tóxicos, elementos corrosivos, incrustaciones, etc, que hacen variar el olor, color, sabor y otros del agua. - Parasitismo: los parásitos patógenos más comunes son la Salmonella, Shiguella, Escherichia coli (E.Coli) virus protozoarios y helmintos, en la mayoría de casos el agua les sirve como vehículo de transmisión. - Toxicidad: Se produce por la actividad biológica de las algas, bacterias y plantas inferiores. 7.1.3. GUIAS PARA LA CALIDAD DEL AGUA POTABLE: La OPS/OMS ha preparado y recomienda el uso de las “Guías para el agua potable” que sirva como base para los países que elaboren normas que aseguren el suministro de agua para el consumo humano. Una de las más importantes es la calidad bacteriológica del agua de bebida la misma que debe estar libre de bacterias Coliformes Fecales, pero muchas veces son los países en desarrollo, especialmente en zonas
  • 136. 136 rurales donde este objetivo no es factible de alcanzar, por lo tanto también se da un tope de tolerancia interino. ORGANISMOS GUIAS a.- Todos los Tipos de Agua de Bebida - E.coli, Bacterias Coliformes Termotolerantes. - No deben ser detectadas en ninguna muestra de 100 ml b.- Agua Tratada Ingresando al Sistema de Distribución - E.coli, bacterias Coliformes Termotolerantes. - Bacterias coliformes Totales. - No deben ser detectadas en ninguna muestra de 100 ml. - No deben ser detectadas en ninguna muestra de 100 ml c.- Agua Tratada en el Sistema de Distribución - E.coli, Bacterias Coliformes Termotolerantes. - Bacterias Coliformes Totales - No deben ser detectadas en ninguna muestra de 100 ml. - No deben ser detectadas en ninguna muestra de 100 ml .En el caso de varios abastecimientos en donde se halla determinado un número suficiente de muestras no debe estar presente en el 95% de las muestras recolectadas en un periodo de 12 meses. Si se detectan bacteria E.coli o Coliformes Totales debe investigarse de inmediato. La mínima medida a tomar en el caso de Coliformes Totales, es repetir el muestreo; si esta muestra es detectada en la muestra repetida, debe determinarse de inmediato el origen de la contaminación, mediante una investigación más profunda. CALIDAD RADIOLOGICA DEL AGUA
  • 137. 137 Componente Unidad Valor Guía Observaciones Radiactividad Alfa global Radiactividad Beta global Bq/l Bq/l 0.10 1.0 a) Cuando se sobrepasan estos Valores, puede ser necesario un análisis radionúclidos más detallado. b) Los valores más elevados no implican necesariamente que el agua no sea apta para el consumo humano.
  • 138. 138 7.2. TIPOS DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE AGUA Una planta de tratamiento de agua es secuencia de operaciones o procesos unitarios, convenientemente seleccionados para potabilizar determinada calidad de agua cruda. Los P.T.A. se pueden clasificar bajo los criterios siguientes: - Por el tipo de procesos involucrados. - Por la clase de tecnología empleada en su concepción. 7.2.1 Por el Tipo de Procesos que Comprende: De acuerdo a este proceso se pueden clasificar en plantas de Filtración Rápida y plantas de Filtración Lenta. Plantas de Filtración Rápida: Se denomina así, porque los filtros funcionan con velocidades altas pero como consecuencia de esto se colmatan también muy rápidamente. Por lo general se lavan aplicando flujo ascensional de agua para expandir el lecho filtrante, método denominado de “RETROLAVADO” y que toma de 8 –15 ´ como máximo, por lo que ésta operación se puede ejecutar muy frecuentemente (cada 50 –70 hrs) . Un filtro rápido puede operar a un rango de velocidades de 80 –300 m3 /m2 /d (3.5-12.5 m/h) dependiendo de la tasa óptima de las características del lecho filtrante y de la suspensión, requiriendo áreas muy pequeñas en relación a un filtro lento. Los procesos que normalmente comprenden son: coagulación, sedimentación o decantación y filtración rápida: Coagulación: Consiste en añadir al agua una sustancia química que tiene propiedades coagulantes, la cual transfiere sus iones a la sustancia que se desea remover, neutralizando la carga eléctrica de los coloides para favorecer la formación de flóculos de mayor tamaño y peso. Los coagulantes más usados son: el Sulfato de Aluminio y el Sulfato Ferroso. El proceso de coagulación se realiza en dos etapas: una agitación rápida para la dispersión y homogeneización instantánea del coagulante, denominada mezcla rápida; enseguida una agitación lenta para facilitar la rápida aglomeración y crecimiento del flóculos, etapa de floculación.
  • 139. 139 Sedimentación: Consiste en proveer condiciones de reposo en el agua, para remover mediante la fuerza gravitacional las partículas en suspensión más densas que el agua. Este proceso se realiza en desarenadores, presedimentadores, sedimentadores y decantadores. La coagulación tiene la finalidad de mejorar la eficiencia de remoción de las partículas coloidales en el proceso de decantación (sedimentación de partículas floculentas ) Filtración Rápida. El proceso final de filtración está haciendo una labor de pulimento, usualmente no recibe mas de 10 UT, por tal razón puede operar a altas velocidades. Desinfección: Es un proceso común a los dos tipos de plantas, con el fin de completar la remoción de microorganismos patógenos presentes en las aguas crudas y dejar un residual presente en la masa de agua para que neutralice cualquier foco de contaminación posterior que se presente en la red de distribución. Estas plantas requieren un área de terreno que puede ser de 80 –100 veces menor que la necesaria para una filtración lenta; sin embargo, las altas tasas de velocidad con las que funcionan y el empleo de coagulación, proceso que demanda sumo cuidado en su operación, demandan de un recurso humano calificado y mayores recursos económicos y materiales para su operación y mantenimiento. Filtración Directa: Es una alternativa de filtración rápida, constituida solamente por los procesos de mezcla rápida y filtración. Se aplica cuando la fuente de abastecimiento no presenta más de 10 –20 UT el 80% del tiempo, no llegando a sobrepasar de 30 UT y 40 UC el tiempo restante. Este tipo de soluciones requieren de un buen estudio de la calidad de la fuente. En general, la secuencia típica de procesos de una planta de filtración rápida completa; es la siguiente: 1. Cernido o Cribado. 2. Presedimentación o Desarenación. 3. Micro Cernido. 4. Coagulación. 5. Floculación. 6. Sedimentación y/o Decantación.
  • 140. 140 7. Filtración. 8. Fluorización. 9. Desinfección. Filtración Lenta: La filtración lenta opera con tasas de 0.10-0.30 m/h, esto es entre 35 y 1000 veces menores que los empleados en la filtración rápida; por tal razón se denomina FILTRO LENTO. La filtración lenta simula los procesos de tratamiento que se realizan en la naturaleza en forma espontánea al percolar el agua proveniente de las lluvias, ríos, lagunas, etc, a través de los estratos de la corteza terrestre, atravesando capas de arcilla, arena y grava. Al igual que en la naturaleza se utilizan procesos cuyos mecanismos de remoción son solamente FISICOS Y BIOLOGICOS. Una planta de filtración lenta completa, comprende los procesos de desarrollo, sedimentación, presedimentación, pre-filtración en grava y filtración lenta propiamente dicha. Con los procesos indicados se puede remover hasta 500 UT, teniendo en cuenta que el contenido del material coloidal no debe ser mayor a 50 UT, es decir que la mayor parte de la turbiedad debe estar en suspensión. Por lo general involucran: - Captación Indirecta. - Cernido. - Desarenación. - Pre- sedimentación. - Sedimentación. - Pre- filtración gruesa. - Filtración lenta. - Desinfección. Como las tasas que se emplean en la filtración lenta son bajas, una planta de este tipo necesita grandes áreas de terreno para su construcción, siendo éste el mayor limitante para su uso. En cambio la operación y el mantenimiento de este tipo de plantas son sumamente económicos y sencillos de efectuar. Por éstas característica es que la filtración lenta en América Latina se utiliza exclusivamente en el medio rural. La filtración lenta en arena es muy eficiente en la remoción de la turbiedad y microorganismos patógenos (102 a 104 Coliformes fecales/100ml de muestra), por tal razón se ha usado desde hace más de un siglo en Europa (Inglaterra, Holanda, Alemania, etc.). Se puede utilizar para remover 1000 UT como máximo.
  • 141. 141 7.2.2 Por el tipo de tecnología usada Las características tecnológicas del sistema deben estar de acuerdo con los recursos humanos, económicos y materiales disponibles en la localidad, para que pueda cumplir con los objetivos de tratamiento previstos. Según el tipo de tecnología utilizada se pueden clasificar en: 1. Sistemas de tecnología convencional o local. 2. Sistemas de tecnología patentada o importada. 1.- Sistemas convencionales: Sistema Convencional Clásico o Antiguo: Es el más antiguo en nuestro medio (1910 a 1920), se caracterizan por la gran extensión que ocupan sus unidades, principalmente el Decantador Rectangular de flujo horizontal, el cual se diseña normalmente para tasas comprendidas entre 10 y 60 m3 /m2 /día. Debido al escaso conocimiento del tratamiento del agua, se diseñaban con formulas empíricas, por tal razón raras veces funcionaban eficientemente. Principales características: Carecían de mezcla rápida. Se usaban floculadores hidráulicos o mecánicos. Los decantadores eran rectangulares de flujo horizontal, siendo frecuente encontrar el decantador de vuelta en “U”. Los filtros son de altura y nivel constante, diseñados con tasas de 120m3 /m2 /día, con galería de tubos de retrolavado mediante tanque elevado a bombeo directo. Lo más lamentable es que aún se siguen diseñando este tipo de plantas con el mismo empirismo de inicios de siglo. Sistema Convencional Nuevo o Tecnología CEPIS: Esta tecnología recién se ha desarrollado con conocimiento teórico-cientifico desde hace 25 años atrás y tiene las siguientes principales características: La mezcla rápida generalmente se efectúa mediante un salto hidráulico. El floculador puede ser de pantallas o de medios porosos.
  • 142. 142 El decantador es de tasa alta (80-200m3 /m2 /día y ocupa un área que es el 25-30% de la que normalmente necesita un decantador rectangular de flujo horizontal. La reducción del área de decantación horizontal se debe al empleo de módulos de decantación o pantallas paralelas espaciadas de 5-10cm. e inclinadas a 60°, de tal modo que el área de decantación real es la suma de las áreas de todas las pantallas o modulares. Los filtros se diseñan para ser operados con tasa declinante y altura variable, es decir opera con velocidades decrecientes entre la primera y última unidad, debido a que se lavan en forma escalonada. El medio filtrante generalmente es mixto de Antracita y arena, que da al filtro mayor capacidad de deposito, además que permite tasas más altas de diseño, normalmente el doble de un filtro clásico (240m3 /m2 /día). Principales ventajas que ofrece esta tecnología: a) Es sumamente eficiente: A menudo se comete el grave error de pensar que por ser sencilla, barata y apropiada para países en desarrollo se trata de una tecnología mediocre. Esta tecnología ha sido concebida en base a las mejores investigaciones realizadas en los países desarrollados y tiene el mérito de encerrar procesos sumamente complejos y eficientes, por lo que realmente es una tecnología avanzada. b) Es fácil de construir, opera y mantener: El equipamiento ha sido reducido al mínimo imprescindible. Los procesos se generan mediante energía hidráulica, y el 100% de las estructuras son simplemente obras civiles; por lo tanto es fácil de construir con los recursos disponibles en nuestro medio, sencilla de operar por no tener ningún mecanismo o equipo complicado, y por consiguiente el mantenimiento es también fácil, económico y rápido.
  • 143. 143 c) Es muy Económica: La sencillez y el alto grado de compactación logrado en sus estructuras, hace que normalmente se utilice menos de la mitad del área que requiere una planta convencional, siendo el costo 1/3 o ½ de una planta patentada o importada. d) Es muy confiable: No requiere energía eléctrica para su funcionamiento, por lo tanto, puede trabajar en forma cotidiana a pesar de la escasez de este recurso, pudiendo garantizarse la meta de calidad y cantidad. DESVENTAJAS: - no es fácil de diseñar. - Demanda un mayor esfuerzo del contratista: la planta requiere ser diseñado hasta el mínimo detalle para que el comportamiento hidráulico sea casi perfecto y se obtenga la máxima eficiencia de remoción. - Debe compactarse el diseño para facilitar la labor del operador, economizar mano de obra, evitar errores humanos y negligencia operacional: para esto es necesario que el proyectista reciba adiestramiento específico y se mantenga permanentemente actualizado, dada la rapidez con que evoluciona la tecnología. - Diseñar solo en base a consultar literatura disponible es un error que lamentablemente se ha cometido con bastante frecuencia. 2.- SISTEMAS PATENTADOS O PLANTAS PAQUETE: Esta tecnología es importada de países desarrollados y se caracteriza por su gran equipamiento y alto grado de complejidad. Los sistemas totalmente mecanizados, por lo que necesariamente para cumplir sus objetivos de calidad y cantidad, requieren por lo menos de: - Personal calificado para la operación y mantenimiento. - Programa de mantenimiento preventivo para los equipos y existencia permanente de repuestos. - Alimentación constante de energía eléctrica. En nuestro medio es usual encontrar plantas con todos los equipos malogrados porque nunca se les pudo dar mantenimiento preventivo y finalmente tampoco el correctivo por carecer de los recursos necesarios. 7.3. DESCRIPCION GENERAL DE LAS PLANTAS DE TRATAMIENTO DE AGUA USANDO TECNOLOGIAS APROPIADAS( CEPIS)
  • 144. 144 7.3.1 Mezcladores: En estas unidades se realiza la dispersión del coagulante en toda la masa de agua y debe ser lo más homogéneo posible, con el objeto de desestabilizar el proceso de coagulación que se lleva a acabo en esta unidad. La Coagulación es el proceso más importante de una planta de filtración rápida, de este proceso depende la eficiencia de todo el sistema. La mezcla rápida debe realizarse aprovechando la turbulencia provocada por dispositivos hidráulicos mecánicos. Unidades Hidráulicas: Por su eficiencia en : - Canales con cambio de pendiente. - Canales Parshall. - Vertederos Rectangulares y Triangulares. - Difusores. - Inyectores. - Canales con cambio de Pendiente: Con sección rectangular Canales Rectángulares con cambio de pendiente. Un cambio de pendiente e un canal es uno de los medios más simple de producir un salto hidráulico con fines de mezcla. Para comprobar si se estan produciendo los valores recomendados de gradiente de velocidad y tiempo de retención una vez asumida la geometría del canal, es necesario calcular las alturas y velocidades conjugadas en las secciones (1) y (2) de la figura 2.3 - Canales Parshall: Sirve para medir el control y realizar la mezcla rápida. Secciones H0V0 hf h2 h1 N G K X E0 h1 d2 = h2 P2 P1 d1 V1 Wd2 Wdj cos W X L
  • 145. 145 - Vertedero Rectangular: Se ubica en un canal rectangular a todo lo ancho del canal. Se estudia el comportamiento hidráulico. ch p hc h 56.2 2 1 - Difusores: Se emplea en tuberías (conductos cerrados a presión). 1 Punto de aplicación 4 puntos de aplicación Tiempo de mezcla = T Tiempo de mezcla = T/4 7.3.2 Floculadores: Esta unidad proporciona a la masa de agua una agitación lenta que debe promover el crecimiento de los flóculos y su conservación, hasta que salgan de ella. La energía que produce la agitación del agua puede ser Hidráulica o mecánica. Los más comunes son: H P h1 Q h2 Q1 B Lm Lj -1 2 2 6 1 h COAGULANTE L L
  • 146. 146 - Floculadores Hidráulicos - Floculadores Mecánico
  • 147. 147 Recomendación de diseño: - Los gradientes de velocidad que optimizan el proceso normalmente varían entre 70 y 20 S-1 . - El gradiente de velocidad debe variar uniformemente en forma decreciente, desde la masa de agua que ingresa a la unidad hasta que sale. - El tiempo de retención debe variar de 10 –30´, dependiendo del tipo de unidad. - El paso del Mezclador al Floculador debe ser instantáneo evitando los canales o interconexiones largas. Floculadores Hidráulicos: - Son recomendables para agua de calidad mas o menos constante. - Funcionan independientemente sin riesgos de interrupción, debido a que sólo dependen de la energía hidráulica por lo que son confiables en su operación. - Por un bajo costo de construcción, operación y mantenimiento se les considera de tecnología apropiada para países en desarrollo. Floculadores Hidráulicos de Pantalla: - De flujo Horizontal - De flujo Vertical. De Flujo Horizontal: Parámetros y Recomendaciones del Diseño son: - Son adecuados para caudales menores 100 l/s (puede hacerse para un m3 /s si se dispone de un terreno suficiente). - Se recomienda utilizar pantallas removibles de madera, plásticos u otro material disponible que no constituya riesgo de contaminación; el de más confiabilidad es el de madera. - Ser pueden usar pantallas de concreto armado, siempre y cuando no se tengan aguas ácidas.
  • 148. 148 CORTE A-A PLANTA A Figura Nº 01 FLOCULADOR DE PANTALLAS DE FLUJO HORIZONTAL
  • 149. 149 De flujo Vertical: - Es recomendable para plantas de más de 100 l/s. - Se proyecta para profundidades de 3 – 4 m, por lo que ocupan un área menor que las unidades de flujo Horizontal. - Los Tabiques pueden ser de madera. - La gradiente velocidad en el conducto no deben ser menores de 20 S- 1 . PLANTA A CORTE A-A H e2 e1 h2 e2 h2 e2 + a + b FLOCULADOR DE PANTALLAS DE FLUJO VERTICAL FIGURA Nº 02
  • 150. 150 Unidades Mecánicas: En estas unidades el flujo de agua se hace circular por tanques revistos de agitadores animados mediante energía eléctrica y convenientemente compartimentalizado para evitar la formación de espacios muertos y corto circuitos. Los más usados son los de paletas , pero demandan una acción cuidadosa y un mantenimiento constante, por lo que no deben diseñarse en localidades donde se carezca de los recursos necesarios para este fin. 7.3.3. Decantadores o Sedimentadores: El parámetro del diseño más importante en las unidades de decantación es la velocidad de sedimentación de los flóculos, la cual depende fundamentalmente de las características del agua cruda y de la eficiencia del pre-tratamiento es por esta razón que la velocidad de diseño debe determinarse experimentalmente para cada caso. Existen principalmente: 1. El Decantador rectangular de flujo Horizontal o de tipo Convencional: - Partes: a- Zona de Decantación. b- Zona de Entrada. c- Zona de Salida. d- Zona de Lodos.
  • 151. 151 . SEDIMENTADOR FIGURA Nº 03 CORTE A-A PLANTA 0.80 L2 0.20 1.00 0.20 L B A COMPUERTA DE EVACUACION DE LODOS A B C VIADERO 0.50 0.10 0.30 0.60 0.50 H 0.30 H2 0.60 0.20 0 C VERTEDERO DE ALIVIO ORIFICIOS 10% ORIFICIO DE EVACUACION DE LODOS DE 0.10 x 0.30 DE SECCION H1
  • 152. 152 MADERA TRATADA DE 1" DE ESPESOR CON PERFORACIONES DE DIAMETRO Ø DISTRIBUIDAS EN N2 FILAS CON N1 ORIFICIOS CADA UNA B 1/5 H 0.30 1/5 H H 0.10 0.50 aa a a 5% Ø 15° 15° Ø DETALLE DE ORIFICIOS ABOQUILLADOS CORTE B-B FIGURA Nº 04 PANTALLA DIFUSORA a) Zona de Decantación: Características: - El periodo de retención se relaciona con la tasa de decantación. - La profundidad útil del (H) es función del periodo de retención y de la velocidad de arrastre de los flóculos.
  • 153. 153 - Son usuales una relación longitud/ancho de 2 –5 y una longitud/altura de 20/6. - La velocidad de escurrimiento deberá ser inferior a 0.75 cm/s, para no crear condiciones de arrastre de lodo depositado. b) Zona de Entrada: - El canal de distribución del agua floculada a los decantadores debe asegurar una distribución uniforme y equitativa a las unidades de decantación. - La mejor forma de distribución debe hacerse por u vertedero a lo largo y ancho de la unidad seguido de una pantalla difusora. - La cortina perforada tiene la función de distribuir uniformemente las líneas de flujo, por lo tanto debe diseñarse el máximo de orificios que la estructura permita. c) Zona de Salida: - La recolección del agua decantada puede hacerse a través de un vertedero en el extremo final del decantador y mediante canalitos longitudinales o transversales o tuberías perforadas. - Cualquiera que sea el sistema utilizado, el canal por metro lineal de recolección debe ser igual o inferior a 3 l/s. d) Zona de Lodos: - La remoción de los lodos puede hacerse en forma continua o periódica, dependiendo del tamaño de la planta así como de la concentración de turbiedad. - Cuando la limpieza es periódica, el fondo de la unidad debe tener una pendiente de 4% para facilitar la remoción de los lodos o disponer de una tolva con inclinación de 45 a 60°. - El 80% del volumen de los lodos se deposita en el primer tercio de la unidad por lo que en decantadores pequeños se recomienda ubicar la descarga junto a la entrada. 2. - Decantadores Laminares o de Alta Tasa: Mediante la colocación de placas paralelas o módulos de diferentes tipos en la zona de sedimentación, se obtiene en estas unidades una gran superficie de deposición para los lodos lográndose disminuir especialmente el área superficial de los tanques.
  • 154. 154 La principal diferencia entre decantadores convencionales y los Laminares de alta tasa reside en que estos últimos trabajan como su nombre lo dice con flujo laminar /NR<500) y los primeros con flujo turbulento (NR entre 10,000 y 250,000). Recomendaciones de Diseño: De acuerdo a las investigaciones realizadas en prototipos, se puede diseñar las unidades con (NR<500), sin que se obtengan disminuciones apreciables en la eficiencia. La velocidad longitudinal media (v0) en los elementos entre placas es comúnmente adoptado entre 10 a 25 cm/min. Dada la gran cantidad de módulos que se precisan, el material de los mismos debe ser de bajo costo unitario y resistente a la permanencia bajo el agua. Los materiales usados con éxito son el plástico y la madera. Inicialmente se usaron láminas de 10 mm de espesor, pero actualmente se emplea las de 6 y 8 mm. Ver Figura Nº 05 Posteriormente al verificar que no tenían un correcto funcionamiento debido a que las L.C. eran dispersas, se creo el decantador laminar con tres (3) ductos centrales: 1. Canal de descarga de lodo 2. Canal de distribución de agua floculada. 3. Canal de recolección de agua decantada. Ver figuras Nº 06 y 07
  • 155. 155 FIGURA Nº 05 DECANTADOR DE LA 1RA. GENERACION FLOCULADA CANAL DE AGUA CANAL DE AGUA DECANTADA PLACAS DE ASBESTO - CEMENTO 1 LODO AGUA DECANTADA AGUA FLOCULADA AGUA FLOCULADA 23 3 3 h (1) CANAL DE DESCARGA DE LODO (2) CANAL DE DISTRIBUCION DE AGUA FLOCULADA (3) CANAL DE RECOLECCION DE AGUA DECANTADA FIGURA Nº 06 DECANTADOR LAMINAR CON TRES DUCTOS CENTRALES
  • 156. 156 C = 10.00 m 2.40 ma/2 2.40 ma/2 ASBESTO-CEMENTO LAMINAS DE DISTRIBUCION DE AGUA FLOCULADA CANAL DE DE LODOS CANAL DE DESCARGA CANALETAS DE COLECCION DE AGUA DECANTADA CANAL DE AGUA DECANTADA 100 L/S DECANTADOR DE PLACAS CANALETAS LATERALES DE RECOLECCION DE AGUA DECANTADA FIGURA Nº 07
  • 157. 157 7.3.4. FILTROS Son las unidades más complejas de una planta de tratamiento de agua, su correcta concepción depende de la interrelación entre las características de la suspensión del afluente y las características de la suspensión efluente y las características del medio filtrante. Para optimizar el diseño del filtro debe tenerse un buen conocimiento del funcionamiento hidráulico de la unidad. El cálculo de un filtro es largo y complicado, siendo ésta una de las principales razones por las que éstas unidades no están siendo concebidas adecuadamente. Características generales de las unidades 1- Sistemas de lavado y limpieza: - Lavado con agua en sentido ascendente (es el más antiguo): La cantidad de agua empleada es elevada. No es eficiente para mantener el medio filtrante limpio. Posibilita la formación de lodos. - Lavado con agua en sentido ascendente y lavado auxiliar superficial: Se emplea con el fin de evitar la formación de bolas de lodo. - Lavado con aire y agua: Se hace uso de compresoras de gran potencia para inyectar el aire y bombas para el agua. 2.- Sistemas de drenaje: Esta relacionado con la constitución granulometría de la capa de soporte. Debe elegirse un sistema de drenaje que distribuya uniformemente el agua de lavado, que no produzca una pérdida de carga demasiado alta y que además sea económico. Esta pérdida de carga no debe ser menor de 0.30 m. 3.- Recolección de agua de lavado: En la mayor parte de los casos, la recolección de agua de lavado se hace a través de un canal principal, en el cual descargan canaletas recolectoras. Estas pueden ser de concreto o de materiales especiales, en general estas canaletas son construidas in situ.
  • 158. 158 4.- Tasa de filtración: Depende de varios factores como: Tipo de suspensión del afluente, granulometría y espesor del medio filtrante, método de operación de os filtros, eficiencia del lavado, uso del agua filtrada, etc. Ejemplo: En una filtración rápida descendente cuando el medio filtrante es único de arena con espesor inferior a 0.80 m –120-240 m3 /m2 /día.
  • 159. 159 7.3.5 Caseta o Cámara de cloración: Características principales que debe tener una caseta de cloración: - Debe estar aislada del resto de la casa de operaciones. - Debe tener la ventilación suficiente. - Las partes metálica deben llevar protección anticorrosiva (Balanza, cadenas, etc.)
  • 160. 160 - Los equipos protectores deben estar fuera de la caseta. - Los tubos, válvulas y accesorios deben ser de material plásticos. - Tanto los cilindros de reserva como los que están en uso, deben tener una cadena .protectora para prevenir el volcamiento. En general una Planta de Tratamiento de Filtración Rápida, debe quedar compactada según los esquemas adjuntos en las figuras Nº 10 y 11
  • 161. 161
  • 162. 162 FiguraNº11 PLANTADEINFILTRACIONPARACAUDALES
  • 163. 163 CAPITULO VIII: REDES DE ALCANTARILLADO 8.1. GENERALIDADES La instalación de sistema de agua potable trae consigo la necesidad de un Sistema de Evacuación de Aguas Servidas que toma el nombre de “Redes de Alcantarillado”, destinados a la recolección, transporte, tratamiento y disposición final de las aguas servidas de una determinada población. En caso de no contarse con una red de Alcantarillado se corre el riesgo de la contaminación de aguas superficiales, incluso de las aguas del Sub-suelo, constituyendo por lo tanto peligrosos focos de proliferación de enfermedades. Por lo general los materiales más comunes para los alcantarillados son de concreto, asbesto cemento, plástico PVC. En ciudades granes son bastante comunes los colectores de concreto colocados INSITU o en el lugar con diámetros de 10 pies o más. Por lo general el escurrimiento en las alcantarillas se diseñan como canales abiertos y van parcialmente llenos con velocidades que oscilan entre 0.60 m/s y 5 m/s según sea el tipo de material del conducto. Simple (Evacua el agua servida de los predios únicamente). Tipos de Alcantarillado
  • 164. 164 Combinado (se combinan aguas servidas y las aguas pluviales). 8.2. PARTES COMPONENTES DEL SISTEMA: g) Redes h) Sistemas complementarios. 1) REDES Es el conjunto de tuberías de diferente diámetro, ubicados bajo la superficie de las calles y en su recorrido recolectan las aguas servidas y/o pluviales. Una red por lo general esta constituida por: Tipo de Material: - PVC - Concreto - Asbesto - Otros Colectores Principales (C.P.). Colectores Secundarios (C.S.). Interceptores (C.I.). Emisores (E). Conexiones Domiciliarias (C.D.)
  • 165. 165 2) SISTEMAS COMPLEMENTARIOS - Pozos o cámaras de inspección (buzones). - Tanques de lavado. - Plantas de Bombeo. - Planta de tratamiento de Desagües. - Obras de disposición final o descarga. 8.3. CRITERIOS DE DISEÑO 8.3.1. Planteamiento de Diseño de un Sistema de Alcantarillado. 1) Reconocimiento de la ciudad. 2) Estudio de los planos curvas de Nivel y Replanteo del mismo. 3) Determinación del periodo de Diseño (30 – 50 años). - Para Poblaciones en Crecimiento Normal = 30 años. - Para Poblaciones en Crecimiento Rápido < 30 años. - Para Poblaciones en Crecimiento Lento 30 < pob. < 50 años. 4) Se hace un trazado esquemático del Sistema de Alcantarillado por calles. 5) Ubicación de buzones, según las recomendaciones establecidas. 6) Esquema de flujos. 7) Determinación de la contribución de cada tramo. 8) Diseño. - Por lo general los planos topográficos deberán estar a 1:1000 ó 1:2000 con curvas de nivel a cada metro. - Los planos de perfiles por calles: V = 1:100 ó 1:200 H = 1:1000 ó 1:2000
  • 166. 166 8.3.2. Cálculo Hidráulico. Recomendaciones: a) Se recomienda tomar como capacidad de diseño el 70 a 80% del Qmh correspondiente al agua potable, incrementándose de acuerdo a condiciones locales como caudales debido a infiltración, aguas de lluvias que ingresan a los buzones y por las conexiones domiciliarias en caso que se diseñe un sistema combinado. b) Diseñar el Sistema como si fuera un canal, por lo tanto se pueden usar las siguientes fórmulas: Manning. Chezy. Ganguillet – Kutter. Si se usa Manning o Kutter se pueden usar los siguientes coeficientes de rugosidad “n”. Asbesto Cemento n = 0.010 Cerámica Vitrificada n = 0.010 PVC – SAL n = 0.010 Concreto y F°F° n = 0.013 Acero n = 0.015 Manning: PendienteSManning.deCoef. HidraulicoRadioRArea,2132 n A n SAR Q Ganguillet – Kutter: ManningdenRSCV R n S nSC 00155.0 231 100155.0 23 c) El dimensionamiento del sistema se halla para la conducción de los caudales con una altura de 75% para emisores e interceptores y 50% para colectores.
  • 167. 167 d) Los diámetros mínimos para redes de desagüe urbano es de 8" y para zonas rurales es de 6". e) La velocidad mínima del escurrimiento, es de acuerdo al tipo de sistema. Para sistema Simple V = 0.60 m/s. Para Sistema Combinado V = 0.90 m/s. Las velocidades máximas dependen del tipo de material del tubo. Cerámica Vitrificada, F° F° y Acero 5 m/s. Asbesto Cemento, PVC – SAL, Concreto 3 m/s. f) Las pendientes mínimas para conductos de desagüe son: Ø Manning Chezy 8" 0.0033 0.0041 10" 0.0025 0.0028 12" 0.0019 0.0022 15" 0.0014 0.0016 18" 0.0011 0.0012 21" 0.00092 0.00095 24" 0.00077 0.00080 En todo inicio o arranque, hasta una longitud de 300 m se debe diseñar con pendientes de 1%. NUEVO DIMENSIONAMIENTO HIDRAULICO (RNE 2006) En todos los tramos de la red deben ser calculados los caudales inicial y final fQQ y1 . El valor mínimo del caudal a considerar, será de 1.5 l/s. Los diámetros nominales a considerar no deben ser menores de 100 mm. Cada tramo debe ser verificado por el criterio de tensión tractiva media t con un valor mínimo t Pa, calculada para el caudal inicial ¡Q , valor correspondiente para un coeficiente de Manning n = 0.013. la pendiente mínima que satisface esta condición puede ser determinada por la siguiente expresión aproximada:
  • 168. 168 47.0 ¡0 0055.0min QS Donde: mmmínimaPendienteS min0 slinicialCaudalQ¡ Para coeficientes de Manning diferentes de 0.013, los valores de tensión tractiva media y pendiente mínima a adoptar deben ser justificados. Los valores de diámetros y velocidad mínima podrán ser calculados con las fórmulas de Ganguillet – Kutter. Máxima pendiente admisible es la que corresponde a una velocidad final Vf = 5 m/s; las situaciones especiales serán sustentadas por el proyectista. Cuando la velocidad final (Vf) es superior a la velocidad crítica (Vc), la mayor altura de lámina de agua admisible debe ser 50% del diámetro del colector, asegurando la ventilación del tramo. La velocidad crítica es definida por la siguiente expresión: HC RxgxV 6 Donde: 2smgravedadladenAceleracióg mhidráulicoRadioRH La altura de la lámina de agua debe ser siempre calculada admitiendo un régimen de flujo uniforme y permanente, siendo el valor máximo para el caudal final fQ , igual o inferior a 75% del diámetro del colector. 8.3.3. Buzones o Cámaras de Inspección. Se construyen en los encuentros de las tuberías, cambios de dirección, cambios de diámetro y cambios de pendiente. Generalmente son de sección circular y vaceadas con concreto ciclópeo o Armado INSITU.
  • 169. 169 Para su construcción se debe tener en cuenta las siguientes recomendaciones, basadas en los reglamentos vigentes. También se ubicaran las Cámaras de Inspección en los cambios de material de las tuberías. 1) La profundidad mínima será de 1.20 m, su diámetro interior es de 1.20 m para tuberías hasta de 80 cm de diámetro y 1.80 para tubería Ø > 1.20 m. La inclusión de fierros en los muros del buzón dependerá del tipo de suelo, pues en suelos gravosos el terreno es inestable con ángulos de reposo del suelo pequeños y por el contrario en suelos arcillosos o limosos se vaceará únicamente concreto ciclópeo. Antes de los buzones de arranque se ubica la caja de lavados. Por lo general la parte superior del buzón tiene refuerzos de ½".
  • 170. 170 2) El espaciamiento máximo entre cámaras de inspección podrá ser hasta 80 m, en tuberías cuyo Ø sea 600 m y para tuberías de mayor diámetro podrá aumentarse hasta 250 m. 3) En las cámaras de inspección de más de dos metros de profundidad podrán aceptarse tuberías que no lleguen al nivel del fondo siempre y cuando su cota de llegada sea 0.50 m a más sobre el fondo de la cámara de inspección. Para estos casos cuando la caída sea mayor a 1 m, se pueden emplear dispositivos especiales. En casos de colectores y emisores el diseño de caída deberá estar basado en un estudio hidráulico del flujo. 4) En los cambios de diámetro, las tuberías en las cámaras de inspección deberán coincidir en un borde superior cuando el cambio sea a mayor diámetro y en sus fondos cuando se a menor diámetro. 8.3.4. Ubicación del Alcantarillado. Se tendrá en cuento los siguientes puntos: a) El alcantarillado de servicio local se proyectará a una profundidad tal que satisfaga la más desfavorable de las condiciones siguientes: - Un relleno mínimo de 1 m, sobre la superficie exterior del tubo. - Que permita drenar todos los lotes que dan al frente de la calle, considerando que por lo menos las 2/3 partes de cada una de ellas en profundidad pueda descargar por gravedad partiendo de 0.30 m por debajo del nivel del terreno y con una línea de conexión al sistema de alcantarillado de 15% de pendiente mínima.
  • 171. 171 b) En casos en que la inclinación del terreno obligara a profundizar exageradamente el sistema de alcantarillado para cumplir con las Normas, se permitirá el drenaje para los lotes de la parte baja pero a través de lotes vecinos. c) En las calles hasta 20 m de ancho se proyectará una Red de alcantarillado en el eje de la calle. En las calles de más de 20 metros de ancho se proyectará líneas de alcantarillado a cada lado de la calzada, salvo el caso de que el reducido número de conexiones prediales justifique una sola tubería. d) En casos en que no sea posible instalar la línea de alcantarillado en el eje de las calles se proyectará en la parte más baja del perfil transversal de las calles en una distancia mínima de 1 m de la propiedad. e) En los casos de colectores de más de 600, se podrá proyectar la instalación de ellos en alineamientos curvos, siempre y cuando la deflexión en cada tubo no afecte la seguridad, hermeticidad de la unión correspondiente. Debe entenderse que esta posibilidad no es aplicable a cambios bruscos de dirección. El ángulo aceptable debe ser menor que 5°.
  • 172. 172 Ejemplo de Diseño: En el siguiente croquis, se requiere añadir al interceptor aporte de 15 l/s, que llega al buzón “A”, proveniente de una nueva urbanización. Se pide rediseñar el interceptor y emisor respectivo, plano en planta y perfil longitudinal. Solución: La capacidad de diseño será Qd = 18.5 + 15 l/s = 33.5 l/s que correspondería al tramo AB y BC Para iniciar el diseño debemos definir las pendientes de las tuberías y cotas respectivas: 40.279860.12800ABUZONAABUZONAA hCTCFhCTCF La pendiente de la tubería debe escogerse similar a la pendiente natural del terreno siempre y cuando nos den velocidades mayores a 0.60 m/s y menores a 3 m/s. Pendiente del terreno = %33.8 120 27902800 AB BA L CTCT Escogemos pendientes 8.0% (nos daría buzón menos profundo 1.20 m) 8.5% (nos daría buzón más profundo) !20.18.27882790 8.278812008.040.27988.0%elegimosSi OKmCCh LSCFCF FBTBNBUZON ABABAB .80.12.27882790 2.2788120085.040.27988.5%elegimosSi mh CF BBUZON B Más profundo conviene elegir la alternativa que nos de menor movimiento de tierra y menor altura de buzón S = 8%. Supondremos ahora que trabaja a capacidad de 50% D.
  • 173. 173 mD D D 18.0 013.0 08.0 48 035.0 21 32 2 mØescogemos 20.0"8 !336.1025.02 4 18.0 2 OKsmsm A Q VmA
  • 174. 174
  • 175. 175 8.4. PAUTAS GENERALES SOBRE EL TRATAMIENTO DE AGUAS NEGRAS (ALCANTARILLADO). Las aguas servidas antes de ser evacuadas sea a los ríos, mares o cualquier otro lugar deben ser tratadas con la finalidad de estabilizarlas de manera que no produzcan olor ni molestias y sin poner en peligro la salud de la población. El grado necesario de tratamiento depende de las características y el contenido de la materia orgánica o concentración de las aguas negras y de sus instalaciones para la eliminación. En USA en 1925 el 80% de las ciudades con más de 100,000 habitantes no tenían plantas de tratamiento. - En 1962, gracias a una ley “Public Law 660” dada oportunamente, todas las ciudades tienen Planta de Tratamiento Adecuado. - A la fecha se están cambiando y mejorando con Plantas de Tratamiento cada vez mas sofisticadas. En el Perú, a la fecha ( 2007) el 90% de las ciudades, provincias y distritos no tienen plantas de tratamiento de desagüe. 8.4.1. El Ciclo de la Descomposición. La materia orgánica en las aguas negras es inestable y se descompone fácilmente por la acción química y bacteriana. Las aguas servidas nuevas por lo general contienen cerca de 2 a 4 mg/lt de oxigeno libre. En el proceso de descomposición aerobia este oxigeno libre es consumido rápidamente por la acción de las bacterias aerobias y facultativas de la materia orgánica. En el transcurso de 20 a 30 minutos el oxigeno libre se consume y las bacterias anaerobias empiezan a actuar sobre la materia orgánica. Durante el proceso de la descomposición anaerobia (Putrefacción) los compuestos orgánicos complejos se descomponen en forma simple y producen los gases tales como el sulfuro de hidrógeno (H2S), el amoniaco (NH3), el bióxido de carbono (CO2) y el metano (CH4). La etapa final de la descomposición de las aguas es la oxidación, en la cual el oxigeno absorbido del aire se combina para formar sulfatos, nitratos y otros compuestos estables y no inconvenientes. Este proceso lo representamos en forma simplificada y se llama el ciclo del nitrógeno.
  • 176. 176 Los ciclos de azufre y del carbono son similares, produciendo la formación de sulfatos y de bióxido de carbono al final de la fase de oxidación del ciclo. Los productos finales de la fase de oxidación son utilizados por las plantas para formar compuestos orgánicos y los finales finalmente son regresados a la fase de descomposición del ciclo. Por lo tanto las aguas bien tratadas contendrán nitratos, pero muy poco amoniaco o sulfuro de hidrógeno. El tratamiento bioquímico de aguas negras tiene un proceso que se basa en un ciclo de descomposición natural acelerada y el objetivo del diseño la planta de tratamiento es generalmente el de proporcionar un ambiente favorable a la unión de las bacterias aerobias y anaerobias que estabilizan a la materia orgánica de las aguas negras. 8.4.2. Métodos de Tratamiento de las Aguas Negras. Hay diversas formas de tratar las aguas negras; frecuentemente se clasifican como tratamientos primario, secundario y terciario. Tratamiento Primario.- Consiste en separar una porción de los sólidos en suspensión de las aguas negras, por lo general esto se consigue por colado (Usando Mallas) y sedimentación en tanque de depósito. Los sólidos separados se llevan a un tanque donde se descomponen por acción bacteriana y el líquido efluente es eliminado por riego o dilución. El líquido efluente, por lo común contendrá considerable materia orgánica y tendrá una DBO relativamente alta.
  • 177. 177 BDO: Demanda Bioquímica de Oxigeno; Mide la cantidad de oxigeno necesario para estabilizar la materia orgánica sujeta a descomposición en las aguas negras. Tratamiento Secundario o Segunda Fase.- Involucra el tratamiento posterior (y oxidación) del efluente de un proceso del tratamiento de la primera fase. En este tratamiento consiste en procesos biológicos usando filtros, aireación, tanques de oxidación y otros medios. El efluente del tratamiento secundario usualmente tendrá poca demanda de oxigeno y hasta puede contener varios miligramos por litro de oxigeno disuelto. Tratamiento Terciario.- Se consigue pasando el efluente del tratamiento secundario a través de un Filtro de arena fina. Por lo general, la relación de los métodos de tratamiento dependen de diversos factores incluyendo las instalaciones para la eliminación disponible. Principalmente estos factores son: - Disponibilidad de Fondos. - Calidad del efluente que se necesita para su eliminación. A continuación se presenta un resumen de los métodos básicos para tratamiento: 1) Preparación preliminar antes de los principales procesos de tratamiento. a) Rejillas, Coladores y tributadotes. b) Cámaras, Desarenadotes c) Eliminación de grasas 2) Procesos de tratamiento primario para eliminación de sólidos sedimentables. a) Tanques Sépticos para instituciones o casas privadas. b) Tanque IMHOFF para pequeñas municipalidades. c) Sedimentación simple o química con digestión separada de los lodos de grandes ciudades.
  • 178. 178 3) Procesos de tratamiento secundario, para oxidación parcial o completa. a) Filtros percoladores. b) Filtros intermitentes de arena. c) Procesos para lodos activados. d) Tanques de oxidación. 4) Tratamiento complementario para mejorar la calidad del efluente. a) Filtros pulidores. b) Clorinación. 8.4.3. Tipos de Disposición de las Aguas Negras. Existen dos métodos generales para la eliminación de las aguas negras: 1. Por Dilución o Eliminación con agua. 2. por Riego o Eliminación en el terreno. Eliminación por Dilución: Es el más común de los métodos, requiere de una cantidad suficiente de agua de dilución para mantener una cantidad adecuada de oxigeno disuelto debajo de la salida. Justamente debajo de la salida, el contenido de oxigeno disuelto depende de las cantidades relativas de aguas negras y de escurrimiento fluvial y del oxigeno disuelto en cada una de ellas. El oxigeno disuelto disminuirá a una cierta distancia hacia aguas abajo debido a la DBO de las aguas negras. El oxigeno mínimo permisible disuelto comúnmente se toma de 4 mg/lt. Eliminación por Riego: Se necesita un suelo abierto arenoso, una parte de los sólidos en suspensión en las aguas negras crudas debe quitarse antes de su eliminación en el terreno para evitar que el suelo se tape. Por lo general depende del drenaje natural, aunque este puede aumentarse con la construcción de drenes subterráneos. En este tipo de disposición el efluente se puede usar para regar el algodón, lino, viveros de diversos y otros cultivos mayores como árboles de eucalipto, etc. Algunas estructuras usadas para el tratamiento de aguas negras.
  • 179. 179 8.4.4. Tanque de Sedimentación. La sedimentación juega una parte importante en el tratamiento de las aguas negras, se usa para quitar arena de las aguas negras y con frecuencia disminuirá a la materia orgánica en suspensión en un 50%. Los conceptos básicos de la sedimentación mencionados para el agua potable se aplican también en el tratamiento de las aguas negras. Estas unidades de sedimentación son tanques simples de sedimentación, tanques de sedimentación química, tanques sépticos, tanques IMHOFF y otros dispositivos. Los tanques sépticos e IMHOFF combinan la digestión de los lodos con la sedimentación. 8.4.5. Tanques IMHOFF y Sépticos. Tanque Séptico. Un tanque séptico combina los procesos de sedimentación y digestión en una cámara simple con un periodo de retención de 8 – 12 horas. El efluente del tanque séptico es impuro contiene de 50 – 70% de los sólidos en suspensión y tiene una DBO alta. El fluente con frecuencia escurre a drenes subterráneos construidos con tubería de barro de extremos simples que permiten que las aguas negras se infiltren a través del suelo. El efluente también puede descargarse directamente a una masa o cuerpo de agua. Los tanques sépticos solo son convenientes para pequeñas comunidades instituciones y residencias privadas. El diseño se hará según el Reglamento Nacional de edificaciones
  • 180. 180 Tanque IMHOFF El tanque IMHOFF proporciona sedimentación y digestión de lodos. Las aguas negras crudas entran al compartimiento superior en donde se lleva a cabo la sedimentación. Los sólidos se deslizan hacia abajo por las paredes inclinadas del fondo del compartimiento superior y entran al compartimiento inferior de digestión. El lodo digerido se deposita en la pendiente suave del fondo del compartimiento inferior desde el cual puede sacarse por medio de la tubería de eliminación de los lodos. En el compartimiento superior queda suspendido un muro o tabique inclinado y el cual sobre sale del otro muro en una longitud de 6 pulg. ó 1 píe, con el objeto de que el gas producido en la cámara inferior no entre al compartimiento superior. El gas se escapa por ventilas colocadas a cada lado del compartimiento de sedimentación, el área de ventilación debe ser casi igual al 20% del área en planta del tanque. El compartimiento de sedimentación generalmente se diseña para tener un periodo de retención de 2 a 4 horas y la cámara de digestión debe tener una capacidad de 2 y 3 píes cúbicos per cápita. Capacidades mayores son necesarias en los climas fríos por la acción bacteriana más lenta con las bajas temperaturas, debido a que se aumenta el tiempo necesario para la digestión. Las profundidades totales de los tanques IMHOFF varían de 15 – 30 píes. Antes del desarrollo de la digestión separa de los lodos, los tanques IMHOFF se utilizaron en muchas plantas de tratamiento, pero muchos de ellos han sido sustituidos por procesos más modernos y eficientes. Salida del Efluente
  • 181. 181 Las tanques IMHOFF todavía se usan para capacidades o cargas de aguas negras menores de dpg sl /95.10 000,250 (1 galones por día) = sm38 3810.4 = 0.01095 m3 /s, y removerán aproximadamente al 60% de los sólidos en suspensión y acerca del 50% de la DBO de las aguas negras. Bajo optimas condiciones de sequedad y temperatura los lodos bien digeridos sobre un lecho reposo extendido de 8 – 12" quedarán en una o dos semanas sin dar problemas de olor (lechos de secado). 8.4.6. Lagunas de Oxidación: En lugares donde no se vaceará al río luego de ser tratada, para ciertas poblaciones se puede utilizar el almacenamiento de los desperdicios en una laguna artificial, en lo que toman lugar la sedimentación y oxidación. Estos almacenamientos reciben el nombre de lagunas de oxidación o lagunas de aguas negras. El mecanismo de tratamiento depende grandemente de la interacción entre bacterias y las algas. Las bacterias convierten la materia orgánica propia de la descomposición en productos más estables y al hacerlo liberan elementos nutritivos indispensables para el crecimiento de las algas. A las algas al utilizar estos productos nutritivos, produce un exceso de oxigeno mediante la fotosíntesis y por lo tanto crean y mantienen condiciones aerobias para las bacterias. La luz del sol es indispensable para la oxidación. Por lo general estas lagunas se ubican a 600 m de la población y previo estudio de la dirección de vientos.
  • 182. 182 CAPITULO IX: DOCUMENTACION TECNICA La documentación técnica que forma parte del proyecto definitivo es el siguiente: - Memoria Descriptiva - Especificaciones Técnicas - Metrados y Presupuestos - Planos del Proyecto Memoria Descriptiva: a) Información básica recopilada para la elaboración del proyecto. b) Objetivos alcances del proyecto. c) Alternativas investigadas (03) d) Justificación de las soluciones adaptadas. e) Criterios de diseño y cálculo de las diferentes partes del proyecto. Especificaciones Técnicas: En esta parte deben establecerse las características de materiales y equipos, así como de los procedimientos de instalación y ejecución de obras. Metrado y Presupuesto del Proyecto: a) En el metrado se debe detallar todas las partidas especificas de las obras generales y de las estructuras especiales, permitiendo con ello elaborar el presupuesto respectivo. b) El presupuesto deberá detallar los precios unitarios correspondientes a todas las partidas del metrado, consolidados totales parciales por partidas generales. c) Los montos correspondientes a leyes sociales, gastos generales, utilidades del contratista, deberán establecerse en forma independiente sobre el presupuesto total de la obra. Planos del Proyecto: a) Se deben incluir planos en planta y perfiles de la instalación. - Plano general de la Red. - Perfil Longitudinal b) Planos de las estructuras que intervienen en el sistema. Para Agua Potable: - Captación. - Cámaras rompe presión. - Válvulas de Purga. - Plantas de tratamiento.
  • 183. 183 - Caja de válvulas. - Reservorios. - Etc. Para Desagüe: - Buzones. - Caja de lavados. - Planta de tratamiento. - Disposición final. - Etc. c) Todos los planos del proyecto deberán tener las mismas dimensiones, recomendándose por el tamaño máximo no exceda a 1.10 x 0.65 m. d) Las escalas deben ser: Para planimetría 1:2000 ó 1:1000 Para perfiles H: 1:1000 ó 1:2000 V: 1:100 ó 1:200 Para los detalles de estructuras, se emplearán escalas adecuadas para cada caso.
  • 184. 184