1

ALCANTARILLADO PLUVIAL.-

DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA

Como se dijo anteriormente, el alcantarillado de aguas lluvias está conformado por el

conjunto de colectores y canales necesarios para evacuar la- escorrentía

superficial producida por la lluvia. Inicialmente el agua se capta a través de

los sumideros en las calles ylas conexiones domiciliarias, y se lleva a una red

de tuberías que van ampliando su sección a medida que aumenta el área de

drenaje. Posteriormente, estos colectores se hacen muy grandes y entre gan su

caudal a una serie de canales de aguas lluvias, los que harán la entrega a un

receptor final, como un río, un lago, un embalse o el mar.

EVALUACIÓN DEL CAUDAL DE DISEÑO.-

En general, puede emplearse cualquier modelo de lluvia-escorrentía. Para superficies

menores de 1.300 ha. se recomienda utilizar el método racional, dada su simplicidad:

Normas IEOS CAP. (PARTE OCTAVA – pág. 186)

5.1.5.2 El método racional se utilizará para la estimación del escurrimiento

superficial en cuencas tributarias con una superficie inferior a 100 ha.

5.1.5.3 Para cuencas con extensión superior a las 100 ha se utilizará el método del

hidrograma unitario sintético. Este mismo método se empleará para el análisis de los

vasos artificiales de regulación.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.1.5.9 Para la aplicación del método racional y del hidrograma unitario sintético, es

necesario disponer de las curvas, intensidad, duración y frecuencia. Estas relaciones

serán deducidas de observaciones de los registros de lluvia en el área de estudio, durante

un período lo suficientemente grande para poder aceptar las frecuencias como

probabilidades.

5.1.5.10 Cuando no exista en el área de estudio registros pluviográficos o el período de

registro existente sea insuficiente, se obtendrán las curvas intensidad, duración,

frecuencia a partir de las lluvias máximas de 24 h registradas en el sector y de relaciones

entre alturas pluviométricas para diferentes duraciones, para áreas de características

pluviográficas similares.

5.2.1.6 El diámetro mínimo que deberá usarse en sistemas de alcantarillado será

. . . . . . . . . . . . . . . . . 0,25 m para alcantarillado pluvial.

5.2.1.7 Las conexiones domiciliarias en alcantarillado tendrán un diámetro

mínimo de . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,15 m para sistemas pluviales y una pendiente

mínima de 1%.

5.2.1.10. d). En alcantarillado pluvial la velocidad mínima será de 0,9 m/s, para

caudal máximo instantáneo, en cualquier época del año.

2

TABLA 1. Velocidades máximas a tubo lleno y coeficientes de rugosidad recomendados

MATERIAL VELOCIDAD MÁXIMA

m/s

COEFICIENTE DE RUGOSIDAD

Hormigón simple:

Con uniones de mortero. 4 0,013 Con uniones de neopreno para nivel freático alto

3,5 – 4 0,013

Asbesto cemento 4,5 – 5 0,011 Plástico 4,5 0,011

5.2.1.13 El diseño hidráulico de las tuberías de alcantarillado puede realizarse

utilizando la fórmula de Manning. Se recomienda las velocidades máximas reales

y los coeficientes de rugosidad correspondientes a cada material, indicados en la

tabla 1.

5.2.1.14 Las velocidades máximas permisibles en alcantarillado pluvial pueden

ser mayores que aquellas adoptadas para caudales sanitarios continuos, pues los

caudales de diseño del alcantarillado pluvial ocurren con poca frecuencia.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.2.6.1 Para evitar la posibilidad de obstrucciones, los sifones invertidos tendrán un

diámetro mínimo de 200 mm, para alcantarillado sanitario, y, de 300 mm para

alcantarillado pluvial. La velocidad dentro del sifón invertido debe ser mayor que 0,9

m/s para aguas residuales domésticas y de 1,25 m/s para aguas lluvias. Se utilizará un

mínimo de dos tuberías en paralelo instalados a diferentes niveles de modo que se pueda

mantener una velocidad razonable bajo todas las condiciones de caudal.

Método racional

Este modelo establece que el caudal superficial producido por una precipitación es:

Q=Cx I x A IEOS ( Q = 0.00278 C I A )

en donde: Q = caudal superficial (L/s)

C = coeficiente de escorrentía (adimensional)

1= intensidad promedio de la lluvia (L/s.ha)

A = área de drenaje (ha)

Si la intensidad de la lluvia se expresa en mm/h, el factor de conversión a L/s.ha es de

2,78.

3

Área de drenaje (A)

Para determinar el área de drenaje dentro de la ciudad, se procede de manera similar

a como se determinaron las áreas para el diseño del alcantarillado sanitario, es decir,

trazando diagonales o bisectrices por las manzanas y planimetrando las respectivas

áreas aferentes a cada colector.

En la delimitación de las áreas respectivas hay que tener en cuenta el sistema de drenaje

natural, según la topografía de la población.

En los casos en que alrededor de la población exista una cuenca que aporte un

gran volumen de agua, se deberán diseñar canales interceptores con el fin de

evitar que los colectores iniciales resulten excesivamente grandes.

Intensidad de la lluvia (I)

Este valor se obtiene a través de un estudio hidrológico de la zona, analizando la

información pluviográfica a nivel local o regional, del cual se obtienen las curvas de

intensidad, duración y frecuencia (curvas IDF).

Es importante recordar que, de acuerdo-con estas curvas, la intensidad es

inversamente proporcional a la duración y directamente proporcional a la frecuencia

de la lluvia. Entonces, para obtener un valor de intensidad de la lluvia en la

aplicación del método racional es necesario definir la frecuencia de diseño de la

lluvia y su duración. En la siguiente figura, se indican, a manera de ejemplo, las

curvas de intensidad, duración y frecuencia para la zona de una ciudad.

La intensidad del evento obtenida a través de las curvas 1DF corresponde a un valor

específico. Cuando el área de drenaje es muy extensa, la lluvia no se presenta con la

misma intensidad sobre toda la zona y, por tanto, la intensidad de diseño es menor. Se

puede zonificar elárea o multiplicar el valor obtenido de las curvas por el factor de re-

ducción indicado en la tabla 16.1.

4

Figura Curvas de intensidad-duración-frecuencia

Tabla - Factores de reducción de la intensidad puntual

Área de drenaje (ha) Factor de reducción

50 100 0,99

100 200 0,95

200 - 400 0,93

400 800 0,90

800 1.600 0,88

Frecuencia de la lluvia.-

En general, las frecuencias utilizadas varían entre dos años, como mínimo, y

valores del orden de cien años. La selección de un valor dependerá de varios

criterios, tales como la importancia relativa de lazona, su uso, los perjuicios

potenciales que una inundación del sector pueda tener y el tamaño del área que se está

drenando.

De esta manera, en la siguiente tabla se indican algunos valores de frecuencias de

diseño que pueden emplearse como guías para esta determinación en las tuberías

del alcantarillado, teniendo un criterio adicional que es el grado de protección

5

establecido para la población. El grado de protección puede definirse en función

de la capacidad económica de la población y su tamaño.

Tabla Frecuencia de diseño en tuberías del alcantarillado pluvial

Área de drenaje Frecuencia de diseño (años)

Mínimo Aceptable Recomendado

Tuberías iniciales con área de drenaje inferior a 2 ha

— Zona residencial 2 2 3

— Zona industrial o comercial 2 3 5

Tuberías con área de drenaje entre 2 y 10 ha,

independientemente del uso

2 3 5

Tuberías con área de drenaje mayor de 10 ha 5 5 10

Las frecuencias de diseño para los canales de aguas lluvias son:

Canales con área de drenaje menor a 1.000 ha:

Sección revestida en concreto: 10 años

Sección mixta concreto 25 años

Canales con área de drenaje mayor de 1.000 ha:

Sección revestida en concreto: 10 años

Sección mixta concreto - grama: 50 años

Sección total (incluyendo el borde libre): 100 años

Los canales interceptores mencionados anteriormente, cuyo desbordamiento ponga

en peligro vidas humanas, deben diseñarse para un período de retorno de cien años.

Duración de la lluvia

Se puede demostrar que el caudal producido será máximo si la duración de la lluvia es

igual al tiempo de concentración del área drenadapara una superficie de pendiente

uniforme e impermeable. El tiempo de concentración es el tiempo que tarda el

aguaenllegar desde el punto más alejadode la cuenca hasta el colector o, enotros

términos, es el tiempo de recorrido desde el comienzo de la lluvia para que toda el

área contribuya al colector en cuestión.

6

El tiempo de concentración puede dividirse en dos: tiempo de concentración inicial

y tiempo de recorrido en el colector. El primero es el lapso transcurrido entre el

comienzo del evento y el momento de acceso de la escorrentía superficial al

sumidero, tiempo en el cual se presenta el recorrido en diferentes tipos de terreno,

como por ejemplo en montaña, terreno plano, zanjas, depresiones y cunetas.

Este tiempo inicial depende: de las características de la superficie, tales como

pendiente y tipo de superficie; y oscila entre 5 y 20 minutos. El tiempo de recorrido en

el colector dependerá de la velocidad y longitud del colector entre pozos.

Para la determinación del coeficiente C deberá considerarse los efectos de

infiltración, almacenamiento por retención superficial, evaporación, etc. Para

frecuencias entre 2 y 10 años se recomienda los siguientes valores de C.

TABLA 3. Valores del coeficiente de escurrimiento

TIPO DE ZONA VALORES DE

C

Zonas centrales densamente construidas, con vías

y calzadas pavimentadas 0,7 – 0,9

Zonas adyacentes al centro de menor

densidad poblacional con calles pavimentadas

0,7

Zonas residenciales medianamente

pobladas 0,55 – 0,65

Zonas residenciales con baja densidad 0,35 – 0,55

Parques, campos de deportes 0,1 – 0,2

5.4.2.3 Cuando sea necesario calcular un coeficiente de escurrimiento

compuesto, basado en porcentajes de diferentes tipos de superficie se podrá

utilizar los valores que se presentan en la siguiente tabla 4.

7

TABLA 4. Valores de C para diversos tipos de superficies

TIPO DE SUPERFICIE C

Cubierta metálica o teja vidriada 0,95

Cubierta con teja ordinaria o

impermeabilizada 0,9

Pavimentos asfálticos en buenas

condiciones 0,85 a 0,9

Pavimentos de hormigón 0,8 a 0,85

Empedrados (juntas pequeñas) 0,75 a 0,8

Empedrados (juntas ordinarias) 0,4 a 0,5

Pavimentos de macadam 0,25 a 0,6

Superficies no pavimentadas 0,1 a 0,3

Parques y jardines 0,05 a 0,25

5.4.2.4 Las suposiciones básicas del método racional, con respecto a la relación entre

la intensidad de lluvia de diseño, tiempo de concentración y el caudal de escorrentía, no

justifican la corrección de C con el tiempo, por lo tanto, en la aplicación del método

racional se utilizará un valor constante del coeficiente C.

5.4.2.5 La intensidad de la lluvia se la calculará a partir de las relaciones de intensidad,

duración y frecuencia, obtenidos conforme con lo expresado en los numerales 5.1.5.9 y

5.1.5.10 de esta parte.

5.4.2.6 Las frecuencias de diseño de los diversos componentes del sistema de drenaje

pluvial, se seleccionarán atendiendo lo indicado en los numerales 5.1.5.5; 5.1.5.6;

5.1.5.7 y 5.1.5.8 de esta parte.

5.4.2.7 Para los colectores de drenaje pluvial el tiempo de concentración es igual a la

suma del tiempo de llegada más el tiempo de escurrimiento por los colectores hasta el

punto en consideración. El tiempo de escurrimiento se lo obtendrá a partir de las

características hidráulicas de los colectores recorridos por el agua. El tiempo de

llegada es el tiempo necesario para que el escurrimiento superficial llegue desde el

punto más alejado hasta el primer sumidero. Este tiempo dependerá de la pendiente de

8

la superficie, del almacenamiento en las depresiones, de la cobertura del suelo, de la

lluvia antecedente, de la longitud del escurrimiento, etc. Se recomienda valores entre 10

min y 30 min para áreas urbanas. En cualquier caso el proyectista deberá justificar, a

través de algún método, los valores de los tiempos de llegada empleados en el cálculo.

5.4.3 El método del hidrograma unitario.

5.4.3.1 Se recomienda que para cuencas con un área superior a 5 km2 los caudales de

proyecto sean calculados aplicando hidrogramas unitarios sintéticos. El proyectista

justificará ante la SAPYSB el método utilizado, demostrando la bondad de sus resultados.

5.4.3.2 A partir de los hidrogramas unitarios y las tormentas seleccionadas, se

obtendrán los hidrogramas del escurrimiento superficial para las cuencas de

drenaje.

5.4.3.3 La verificación de la capacidad de los grandes colectores, se hará transitando

simultáneamente, a través de estos, los hidrogramas del escurrimiento superficial,

calculados para cada área aportante.

5.4.4 Métodos estadísticos.

5.4.4.1 Para grandes áreas de drenaje es recomendable calcular el escurrimiento a

partir del análisis estadístico de los valores registrados. Esto será posible únicamente

cuando exista un período de registro que haga confiable el análisis, y cuando el proceso

de urbanización no haya afectado o no vaya a afectar el régimen de escurrimiento en la

cuenca.

5.4.4.2 Los métodos recomendados para el análisis estadístico son el de

GUMBEL y el LOG-PEARSON TIPO III.

5.4.4.3 Como regla general, si no fuere posible aplicar los métodos estadísticos,

deberá utilizarse el método del hidrograma unitario sintético.

5.4.5 Cuadros de cálculo

5.4.5.1 Los cálculos hidráulicos se presentarán de acuerdo a lo especificado en

el numeral 5.3.2 de esta parte.

En el siguiente ejemplo se ilustra el concepto de tiempo de concentración:

Suponiendo un área de drenaje impermeable y de pendiente uniforme, que drena

hacia un colector central, se ha determinado que el tiempo que tarda el agua que cae

sobre la línea más alejada del colector es de quince minutos. Sobre esta área de

drenaje se determinan las isocronas (líneas de igual tiempo derecorrido) cada cinco

minutos.

9

Al caer sobre toda el área una lluvia de duración igual a cinco minutos, al término del

evento sólo estará drenando al colector el agua que cayó inicialmente sobre la línea de

la isocrona de cinco minutos, y se producirá el hidrograma mostrado en la siguiente

figura.

Figura .- Área de drenaje e hidrograma para una liuvia de cinco minutos de

duración.

- Al caer una lluvia de duración igual a diez minutos, el agua que cayó sobre la

isocrona de diez minutos estará evacuándose en el momento de finalizar el

evento. El hidrograma producido se indica en la siguiente figura.

Figura - Área de drenaje e hidrograma para lluvia de diez minutos de duración.

Finalmente, al caer una lluvia de quince minutos (igual al tiempo de concentración

de la cuenca), al término del evento toda el área de la cuenca estará contribuyendo

al caudal en el colector y se registrará el hidrograma máximo indicado en la

siguiente figura.

10

Figura - Área de drenaje e hidrograma para una lluvia de quince minutos de duración.

Si sobre la misma área ocurre una lluvia de mayor duración, por ejemplo de 20

minutos, no se incrementará el caudal pico del hidrograma:Q15, sino que se aumenta

el volumen de agua producido, área bajo la curva del hidrograma de la siguiente

figura.

Si el tiempo de recorrido en la tubería es de dos minutos, el necesario para

que la totalidad del área esté contribuyendo será de 17 minutos, ya que a los

quince minutos faltará todavía el recorrido en la tubería.

Con el ejemplo anterior queda demostrado que el caudal máximo producido por una

lluvia sobre una cuenca urbana es aquel que tiene una duración de la lluvia igual al

tiempo de concentración de la cuenca.

El tiempo de concentración total (inicial más recorrido en el colector) mínimo es de

diez minutos y el máximo de 20 minutos.

11

Cuando a un pozo concurran dos colectores con tiempos de concentración

diferentes, este tiempo debe corresponder al tiempo máximo, para el cual se

producirá el caudal máximo

Existen diversas ecuaciones empíricas para determinar el tiempo de concentración

inicial, Ti:

0.707 ( 1.1 -C ) L ½

S⅓Ti =

en donde: T = tiempo de concentración inicial (min)

C = coeficiente de escorrentía

L = distancia del recorrido (m)

S = pendiente media del terreno

La ecuación de Kerby:

L m0.467

S½

Ti = 1.44

en donde los términos de la ecuación se han definido anteriormente y el coeficiente de

retardo, m, se establece en la siguiente tabla:

Tabla

Coeficiente de retardo de la ecuación de Kerby

Tipo de superficie

Impermeable 0,02

Suelo sin cobertura, compacto y liso 0,10

12

Superficie sin cobertura moderadamente rugosa 0,20

Pastos 0,30

Terrenos arborizados 0,70

Pastos densos 0,80

La ecuación del SCS:

L

60 Vs

Ti =

en donde la velocidad superficial, Vs, puede estimarse como:

VS = a S½

L

60 a S½

Ti =

y la constante de la velocidad superficial, “a” se define en la siguiente tabla:

Constante de la velocidad superficial en la ecuación del SCS

Tipo de superficie a

Bosques con sotobosque denso 0,70

Pastos y patios 2,00

Áreas cultivadas en surcos 2,70

Suelos sin cobertura 3,15

Áreas pavimentadas y tramos iniciales de

quebradas

6,50

Para pozos iniciales dentro de la zona urbana, la distancia de recorrido se estima

según la topografía pero en ningún caso debe ser superior a 50 metros.

El tiempo de recorrido dentro del colector se determina a partir del conocimiento de la

velocidad media de flujo real en la tubería y la distancia entre pozos. Como el

colector debe diseñarse para el área de drenaje total, incluyendo el colector que

recibe el caudal aferente, se debe hacer una suposición inicial de velocidad o

13

tiempo de recorrido. Sumando el tiempo inicial y el de recorrido, se obtiene el

tiempo de concentración total que se iguala a la duración de la lluvia y con ella se

define la intensidad de diseño del colector. Utilizando el modelo de lluvia

escorrentía (método racional), se obtiene el caudal y con él se realiza el diseño

hidráulico de la tubería, incluyendo el cálculo de la velocidad real de flujo. La

velocidad de flujo define entonces un segundo tiempo de recorrido, que no debe

diferir en más de un 10% del valor supuesto inicialmente. En caso contrario, se

debe calcular nuevamente la intensidad con el último tiempo de recorrido y repetir

el proceso hasta cumplir con el límite del 10% de error.

Coeficiente de escorrentía (C)

El coeficiente de escorrentía tiene un significado similar al del coefi ciente de

retorno en el cálculo del alcantarillado sanitario. No toda el agua lluvia

precipitada llega. al sistema del alcantarillado, pues parte se pierde por factores

tales como evaporización, intercepción vegetal, detención superficial en cunetas,

zanjas o depresiones, y por infiltración. De todos los factores anteriores el de

mayor importancia es el de infiltración, el cual es función de la impermeabilidad

del terreno, por lo que en algunos casos se le llama coeficiente de impermea -

bilidad.

La determinación absoluta de este coeficiente es muy difícil, ya que existen hechos

que pueden hacer que su valor varíe con el tiempo. Por una parte, las pérdidas por

infiltración disminuyen con la duración de la lluvia debido a la saturación

paulatina de la superficie del suelo y, por otra, la infiltración la puede modificar de

manera importante la intervención del hombre en el desarrollo de la ciudad, me-

diante acciones tales como la tala de árboles y la construcción de nuevos sectores

residenciales y comerciales.

En la tabla que a continuación se incluye, se dan algunas guías para la selección del

coeficiente de escorrentía, según las normas para alcantarillados.

Tabla

14

Coeficientes de escorrentía típicos

Tipo de superficie Coeficiente

— Zonas comerciales 0,90

— Desarrollos residenciales con casas contiguas

y predominio de zonas duras 0,75

— Desarrollos residenciales multifamiliares con bloques

. contiguos y zonas duras entre ellos 0,75

— Desarrollo residencial unifamiliar con casas contiguas

y predominio de jardines 0,55

— Desarrollo residencial con casas rodeadas de jardines

o multifamiliares apreciablemente separados 0,45

— Áreas residenciales con predominio de zonas verdes

y cementerios tipo jardines 0,30

— Laderas desprovistas de vegetación 0,60

— Laderas protegidas con vegetación 0,30

Normalmente, las manzanas o los sectores no están constituidos por un valor único del

coeficiente de escorrentía y por tanto es necesario hacer un promedio ponderado,

teniendo en cuenta el porcentaje de área cubierto por cada tipo de superficie que se esté

drenando:

∑ C x A

∑ AC =

NORMAS. DE DISEÑO PARA ALCANTARILLADOS PLUVIALES

Además de cumplir con los requerimientos dados en el caso de los alcantarillados

sanitarios, se deben cumplir las siguientes normas particulares de los alcantarillados de

aguas lluvias.

Velocidad mínima

La velocidad mínima requerida en los alcantarillados pluviales se especifica con el

objeto de tener una tubería autolimpiante y depende de la norma exigida para el

proyecto. La norma típica establece una velocidad mínima real de 0.75 m/s para el

caudal de diseño.

15

Velocidad máxima

Para aguas con cantidades no significativas de sedimentos suspendidos, la velocidad

máxima es función del material de la tubería. En la medida en que el tamaño de los

sólidos aumenta, se debe reducir la velocidad a causa de la posible abrasión de la

tubería, como se indica en la tabla 16.6.

Tabla 16.6

Velocidad máxima para tuberías de alcantarillado, m/s

Material de la tubería Agua con sedimentos

coloidales

Agua con fragmentos

de arena y grava

Ladrillo común

Ladrillo vitrificado y gres

3,0

5,0

2,0

3,3

Concreto de: 140 kg/cm2 3,0 2,0

210 kg/cm2 5,0 3,3

250 kg/cm2 6,0 4,0

280 kg/cm2 6,5 4,3

315 kg/cm2 7,5 5,0

Concreto reforzado mayor de

280 kg/cm2y curado al vapor

y rado al vapor

10,0 6,6

Cloruro de polivinilo (PVC) 10,0 10,0

Esfuerzo cortante

Al igual que en los alcantarillados sanitarios, se debe asegurar un esfuerzo cortante

mínimo que, combinado con una velocidad mínima, garantice un flujo auto limpiante

en la tubería para el caudal de diseño.

Para el caso de la lluvia de diseño, se especifica un esfuerzo cortante mínimo de 3,0

N/m2 (0,3 kg/m

2). Debido a que la condición anterior se obtiene de valores extremos, es

conveniente especificar un esfuerzo cortante para caudales con una mayor ocurrencia y

por tanto se especifica que para el 10% de la capacidad a tubo lleno, el esfuerzo cortante

sea superior a 1,5 N/m2 (0,15 kg/m

2).

Diámetro mínimo

16

Para la red de tuberías del alcantarillado pluvial convencional, se especifica el diámetro

mínimo de 10" (250 mm). Sin embargo, con ladebida justificación, es posible reducir el

diámetro mínimo a 8" (200 mm) en los tramos iniciales de poblaciones pequeñas.

Borde libre en los colectores

A diferencia del alcantarillado sanitario, en el cual hay que tener en cuenta el coeficiente

de utilización de la sección de flujo en la tubería, el colector debe estar en capacidad de

evacuar el caudal a tubo lleno igual o mayor que el caudal de diseño.

Tiempo de concentración

El tiempo de concentración, mínimo o máximo, lo puede definir cada entidad

prestadora del servicio. Se recomienda que el tiempo de concentración total o duración

de la lluvia de diseño para los tramos iniciales (arranques) sea superior a diez minutos e

inferior a 20. En este caso, el tiempo de concentración inicial o de acceso al sistema de

evacuación debe ser superior a cinco minutos.

EJEMPLO DE DISEÑO DEL ALCANTARILLADO PLUVIAL

El ejemplo desarrollado a continuación corresponde a la misma población

utilizada en el ejemplo de diseño del alcantarillado sanitario. Se han cambiado

las cotas de terreno de los pozos 10 y E, de manera que se pueda ilustrar el

cálculo en flujo supercrítico.

Para este sector se tienen los siguientes datos:

Para el régimen de lluvias se utilizarán las curvas IDF para la zona 1 de la figura 16.1. A

través de un proceso de ajuste por regresión multivariada, se encuentra la ecuación

representativa de las curvas IDF, la cual es más conveniente para el uso con programas

de computador.

404.58 x Tr(años)0.1577

D(min)0.6043

I(mm/h) =

En el Plan Maestro de alcantarillado de Quito, los caudales de lluvia están calculados a

partir de la ecuación IDF obtenida en la Estación DAC AEROPUERTO a ser usada

para el norte y norocidente de la ciudad, cuya expresión es:

55.6656 * T 0.0922

t1.6567

I = * [ln(t + 3)]4.1647

*(ln T)0.0985

17

en donde:

I = Intensidad en mm/H

T = Período de retorno 10 años.

t = Tiempo de concentración inicial 12 minutos.

Ln = Logaritmo natural

En la que:

t = tiempo de concentración (minutos)= (tc + tf)

tc=tiempo de concentración inicial o calculado con la fórmula. tf=tiempo de recorrido.

tc= (0.0195*L1.155

)/(Dif.nivel)0.385

tf= (1/60)*∑(Li/Vi)

donde :

L=Li= Longitud del colector

Vi= Velocidad del colector.

18

3

Figura 1 - Ejemplo de diseño del alcantarillado de aguas lluvias.

Toda la zona tiene un coeficiente de escorrentía compuesto de 0.45, con

excepción de las áreas aferentes a los tramos 4-7, 7-8, 8-9 y 9-10, lascuales tienen un

coeficiente igual a 0.60.

La definición del área de drenaje aferente a cada colector y su correspondiente

coeficiente de escorrentía se presentan en la figura 2. El cálculo del coeficiente de

escorrentía compuesto para el diseño de cada colector se presenta en la tabla 1. cuyo

procedimiento se describe columna por columna a continuación:

Columna [1]: Numeración del tramo.

Columna [2]: Área parcial (hectáreas)

Corresponde al área de drenaje aguas arriba del colector. Por ejemplo, para el

colector 8-9 se tiene:

19

Ai = ∑Aaguas arriba

[2] 8-9 = [7] 7-8 + [7] 5-8 = 0.917 + 2.0 = 2.917 ha

Fig. – Áreas aferentes y Coeficiente de escorrentía

Tramos 7-8, 8-9 y 9-10 C = 0.60; resto de tramos: C = 0.45

Columna [3]: Coeficiente de escorrentía parcial

Es el coeficiente ponderado del área definida anteriormente.

Para el colector 8-9 se tiene:

∑ A x C

∑ A

[7]7-8 X [8]7-8 + [7]5-8 X [8]5-8 0.917 X 0.491 + 2.00 X 0.45

[7]7-8 X [7]7-8 X [7]7-8 X [7]7-8 X= 0.463

C =

[3]8-9 = =

20

Columna [4]: Incremento del área de drenaje (hectáreas)

Corresponde al área aferente a cada colector, según lo indicado en la figura relativa a las

áreas aferentes y Coeficientes de escorrentía.

Columna [5]: Coeficiente de escorrentía del área de drenaje Corresponde al

coeficiente de escorrentía del área aferente a cada colector, según lo indicado en la

figura correspondiente.

Columna [6]: Sumatoria del producto: A x C

Es el producto del área aferente y parcial con su correspondiente coeficiente de

escorrentía.

Para el colector 8-9:

[6]8-9 = [2] 8-9 x [3] 8-9+ [4] 8-9x [5] 8-9= 2.197 x 0.463 + 0.25 x 0.6 = 1.5

Columna [7]: Área total (hectáreas)

Es el área total de drenaje del colector, calculada como la suma del área aferente y el

área drenada aguas arriba.

Para el colector 8-9:

[7]8-9 = [2] 8-9+ [4] 8-9= 2.197 + 0.25 = 3.167

Columna [8]: Coeficiente de escorrentía promedio

Calculado como el coeficiente de escorrentía ponderado del áreaaferente y el

área drenada aguas arriba.

Para el colector 8-9:

∑ A x C

∑ AC =

[6]8-9 1.5

[7]8-9 3.167=[8]8-9 = = 0.474

21

CALCULO DEL COEFICIENTE DE ESCORRENTÍA

Pozo Area aferente C parc. Δ Area C AxC Area Tot Cprom

De-A Ha (ha) tramo ha ha

[1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8]

1-2 0.167 0.450 0.075 0.167 0.450

2-4 0.167 0.450 0.250 0.450 0.188 0.417 0.450

4-7 0.417 0.450 0.250 0.600 0.338 0.667 0.506

7-8 0.667 0.450 0.250 0.600 0.450 0.917 0.491

1-3 0.167 0.450 0.075 0.167 0.450

2-3 0.417 0.450 0.188 0.417 0.450

3-5 0.584 0.450 0.417 0.450 0.450 1.001 0.450

4-5 0.500 0.450 0.225 0.500 0.450

5-8 1.501 0.450 0.500 0.450 0.900 2.001 0.450

8-9 2.918 0.463 0.250 0.600 1.501 3.168 0.474

3-6 0.167 0.450 0.075 0.167 0.450

5-6 0.417 0.450 0.188 0.417 0.450

6-9 0.584 0.450 0.417 0.450 0.450 1.001 0.450

9-10 4.169 0.468 0.167 0.600 2.051 4.336 0.473

6-10 0.167 0.450 0.075 0.167 0.450

10-E 4.503 0.472 0.450 2.126 4.503 0.472

Para la determinación del tiempo inicial de concentración, se adopta el criterio

de la SCS:

L

60 Vs

Ti =

VS = a S½ ; luego:

L

60 a S½

Ti =

y la constante de la velocidad superficial, “a” se define en la siguiente tabla:

Constante de la velocidad superficial en la ecuación del SCS

Tipo de superficie a

en donde la velocidad superficial, Vs,

puede estimarse como:

V

S

=

a

S½

V

S

22

Bosques con sotobosque denso 0,70

Pastos y patios 2,00

Áreas cultivadas en surcos 2,70

Suelos sin cobertura 3,15

Áreas pavimentadas y tramos iniciales de

quebradas

6,50

Y, la aplicamos con las siguientes condiciones:

Recorrido en sotobosque denso:

Longitud = 120 m

Pendiente = 10%

De la tabla SCS:a = 0.7

Vs = a S½ = 0.7 x (0,10)

½ = 0.22 m/s

L 120

60 Vs 60 x 0.22T = = 9.04 min=

Recorrido en superficie con prado corriente:

Longitud = 40 m

Pendiente= 1%

De la tabla:a= 2.0

VS = a S½ = 2.0 x (0.01)½ = 0.20 m/s

L 40

60 Vs 60 x 0.20T = = = 3.33 min

Recorrido en cuneta:

Longitud = 50 m

Pendiente = 2%

De la tabla:a = 6.5.

VS = a S½ = 6.5 x (0.02)½ = 0.92 m/s

L 50

60 Vs 60 x 0.92minT = = = 0.91

Por tanto, el tiempo de concentración inicial es:

Tci = 9.04 + 3.33 + 0.91 = 13.27 min

El material de la tubería es concreto con un coeficiente de rugosidad de Manning

igual a 0.014.

Al igual que en el alcantarillado sanitario, se adopta como trazado principal el indicado

por los pozos 1-2-4-7-8-9-10-E.

23

El diseño hidráulico del alcantarillado pluvial se presenta en la siguiente tabla, en la cual se

hace una descripción, columna por columna, de los cálculos diferentes de los descritos en el

diseño del alcantarillado sanitario.

Es importante aclarar que, al igual que en el alcantarillado sanitario, los cálculos se

realizan por medio de un programa que toma ocho decimales, de manera que en algunos

casos no coinciden los valores escritos con los resultados reales.

Columna [1]: Numeración del tramo.

Columna [2]: Área total de drenaje (ha) Columna [7] de la tabla 16.7.

Columna [3]: Coeficiente de escorrentía ponderado

Columna [8] de la tabla 16.7.

Columna [4]: Tiempo total de concentración (minutos)

Tiempo de concentración del área de drenaje aguas arriba del colector. Para los tramos

iniciales, corresponde al tiempo de concentración inicial más el tiempo de recorrido en

el colector (pág. 29).

Para los demás tramos, es igual al máximo valor entre la suma de los tiempos de

concentración aguas arriba de los colectores concurrentes al pozo y su correspondiente

tiempo de recorrido en el colector.

Por ejemplo, para el colector 8-9:

[4] = máx. { [4] + [6]}aguas arriba

[4]8-9 = máx{([4]7-8 + [6]7-8 ), ( [4]5-8 + [6]5-8) }

[4]8-9= máx.{(19,4 + 2,1), ( 18,4 + 1,3) }= máx. {21,5 ;19,7}= 21,5 min

Columna [5]: Tiempo supuesto de recorrido en el colector (minutos). Es el tiempo de

recorrido en el colector asumiendo una velocidad, que para el ejemplo actual se adopta

como 0,8 m/s. Cuando el error entre la velocidad asumida y la calculada posteriormente

es mayor de 10%, la columna [5] es el tiempo obtenido con la última velocidad,

calculada según el diseño hidráulico del colector.

[5] =[12]

60 V

Columna [6]: Tiempo real de recorrido en el colector (minutos)

Es el tiempo calculado con la velocidad real (columna [26]), obtenida del diseño

hidráulico del colector.

Columna [7]: Error en la adopción de tiempos de recorrido (%)

Es la diferencia porcentual entre el tiempo de recorrido asumido y calculado. Esta

diferencia no debe ser mayor del 10%. En caso de sermayor, la columna [5] se calcula

nuevamente con la última velocidad obtenida.

24

Columna [8]: Frecuencia de diseño (años)

Se adopta el criterio establecido en la tabla 16.2, (pág. 6) en función del uso del suelo, el

tamaño del área drenada y con el nivel de protección “recomendado".

Columna [9]: Intensidad de diseño (mm/h)

Es la intensidad de precipitación obtenida de las curvas IDF o como en este caso, a la

aplicación de la ecuación definida en los datos iniciales del ejemplo:

[ 9 ] = 404.58 x [8] 0.1577

([4]+[5])0.6043

Columna [10]: Intensidad de diseño (l/s.ha)

Es la intensidad anterior multiplicada por el factor de conversión de unidades de 2,78.

Columna [11]: Caudal de diseño (l/s)

Caudal de la escorrentía superficial, definido según el método racional (ecuación 16.1):

Q =C I A

[11]= [3]x [10] x [2]

Columna [12]: Longitud del tramo (m)

Obtenida del plano topográfico.

Columna [13]: Pendiente de diseño

En los colectores iniciales se ha dejado 0,80 m de profundidad a la clave en el pozo

inicial y 1,20 m como mínimo en los demás pozos. El criterio general, es mantener el

alcantarillado lo más superficial posible, por lo que la pendiente, en una primera

aproximación, se obtiene manteniendo la profundidad mínima a la clave de 1,20 m.

Dicha pendiente puede modificarse, dependiendo del cumplimiento de los parámetros

de diseño como velocidad real mínima, esfuerzo cortante mínimo y unión de colectores

en el pozo por línea de energía. Por ejemplo, para el colector 4-5:

([39] - 0.80) - ([40] - 1.20 ) (41.75 - 0.80) - ( 41.74 - 1.20 )=[13] =

[12]x 100

[12]x 100 = 0.41%

Columnas [14] a [34]:

Los valores indicados en estas columnas ya se explicaron en el cálculo del

alcantarillado sanitario, con excepción de las columnas [21] y [29]:

25

Columna [14]: Diámetro teórico de la tubería (m)

Se calcula de acuerdo con la ecuación de Manning(ecuación 14.5):

Q = v x A

12/3 1/2

n

8/3S

1/2

3/8

S

Q =

Rv =

0.312D

n

1.548n

S 1/2

QD =

Columna [15]: Diámetro teórico de la tubería (pulgadas).

Columna [16]: Diámetro nominal de la tubería. (pulgadas)

El diámetro nominal mínimo es de 8" (200 mm), pero para sistemas de alcantarillado

en pequeñas comunidades con recursos económicos limitados o para sistemas

condominiales, puede adoptarse 6" (150 mm) como diámetro mínimo.

Columna [17]: Diámetro interno real de la tubería (m)

Debe ser mayor o igual que el diámetro teórico calculado en la columna [14].

26

Columna [18]: Caudal a tubo lleno (1/s)

Es la capacidad máxima de la tubería, calculada para la sección de flujo máxima (con el

diámetro interno real) según la ecuación:

8/3 S 1/2 8/3x [4]1/2

0.312[8]

0.013Q = 0.312

D

n=

Columna [19]: Velocidad a tubo lleno Vo(m/s)

Calculada por la ecuación de continuidad:

[18]

Qo 1000

AVo = =

x 4

π x [8]2

Columna [20]: Relación entre el caudal de diseño y el caudal a tubo lleno Puede

utilizarse para definir el borde libre requerido, en cuyo caso el valor máximo se define

en la siguiente tabla:

Tabla 5

Borde libre en función de la relación Q/Qo máxima permitida

Diámetro de la tubería Q/Qo máxima

200 mm - 600 mm 0,6

600 mm - 1200 mm 0,7

> 1.200 mm 0,9

Q = [11] Qo [18]

Columna [21]: Relación hidráulica de caudales

27

Para el 10% de la capacidad a tubo lleno, el coeficiente de utilización de la sección

(Q/Q0) es siempre de 0,1.

Columna [22]: Relación entre velocidad real y velocidad a tubo lleno, encontrada en la

tabla 8.2.

Columna [23]: Relación entre lámina de agua y diámetro interno de la tubería,

encontrada en la tabla 8.2.

Columna [24]: Relación entre radio hidráulico de la sección de flujo y radio hidráulico

a tubo lleno (D/4), encontrada en la tabla 8.2.

Columna [25]: Relación entre profundidad hidráulica de la sección deflujo y diámetro

interno de la tubería, encontrada en la tabla 8.2. La relación máxima es de 85%.

H/D

Columna [26]: Velocidad real en la sección de flujo (m/s)

La velocidad real mínima recomendada es de 0.45 m/s.

V

VoV = X = [12] X [10] Vo

Columna [27]: Radio hidráulico para la sección de flujo (m)

R D [17]

Ro 4 4XR = X = [24]

Columna [28]: Esfuerzo cortante medio (N/m2).

El esfuerzo cortante mínimo para las condiciones iniciales de operación es de 1.5 N/m2

(en el presente diseño no se calcula el caudal inicial). Es posible diseñar para

velocidades reales menores de 0.45 m/s, siempre y cuando el esfuerzo cortante sea

superior a 1.2 N/m2 y así garantizar la condición de tubería autolimpiante.

τ = γ R S = 9.810 x [27] x [13]

Columna [29]: Esfuerzo cortante para el 10% de la capacidad a tubo lleno (kg/m2)

28

Para una relación de caudales de 0,1, la relación de radios hidráulicos (R/Ro) es

constante e igual a 0,586. Por tanto, el esfuerzo cortante correspondiente es:

R D

Ro 4

[17]

4

Sτ = γ R S = γ

x [13]x[29] = 1000 x 0.586

Columna [30]: Altura de velocidad (m)

V2

[16]2

2 g 2g=

Columna [31]: Altura de la lámina de agua (m)

d =

d x D = [23] x [17]

D

Columna [32]: Energía específica (m)

Suma de alturas de velocidad y lámina de agua.

V2

2 gE = + = [31] + [30]d

Columna [33]: Profundidad hidráulica en la sección de flujo (m)

H

D[25] x [17]H = x D =

Columna [34]: Número de Froude

NF< = 0.9: régimen de flujo subcrítico

NF> = 1.1: régimen de flujo supercrítico

29

v [ 26 ]

√gH √g x [ 33 ]NF = =

Columna [35]: Pérdidas de energía en el pozo por transición (m) Las pérdidas por

transición se calculan como un porcentaje de la diferencia de energía cinética entre la

entrada y salida del pozo, según la ecuación :

V22

V12

2g 2gΔt = k -

[35] = k |Δ [30]entre afluente y efluente |

Siendok = 0,1 si la velocidad aumenta y 0,2 si la velocidad disminuye.

El valor de la pérdida anotada en cada tramo corresponde al pozo del extremo aguas abajo.

Por ejemplo, la pérdida de 1 mm para el tramo 7-8 ocurre en la unión del colector 7-8 con

8-9, y la pérdida de 9 mm indicada para el tramo 5-8 es ocasionada por la unión del

colector 5-8 con 8-9.

Columna [36]: Relación del radio de curvatura con el diámetro de la tubería saliente.

Para establecer dicha relación es necesario tener en cuenta que el diámetro del pozo se

selecciona de acuerdo con el diámetro de la tubería de salida, según la tabla:

Tabla 14.1*

Diámetro del pozo según el diámetro de la tubería de salida

Diámetro de la tubería de salida Diámetro del pozo

8" - 24" (200 mm - 600 mm) 1,20 m

26" - 30" (660 mm - 760 mm) 1,50 m

32" - 36" (800 mm - 900 mm) 1,80 m

Y,queel radio de la curva se obtiene de las ecuaciones:

Dp

α2

2

rc =

2 tan

Dp rc =como tg 45o = 1,

si α = 90o, =>

Adicionalmente, se recomienda que dicha relación no sea inferior a 1,0.

30

Columna [37]: Pérdida de energía por cambio de dirección (m) Corresponde a la

pérdida calculada según la ecuación definida en la tabla 14.4, teniendo en cuenta la

energía cinética promedio entre elcolector entrante y el saliente. No todas las uniones

tienen pérdidas por cambio de dirección.

Tabla 14.4

Pérdida de energía por cambio de dirección

Régimen de flujo rclDs

AHd

Subcrítico 1,0 - 1,5

1,5 - 3,0

> 3,0

0,40 V2/2g 0,20 V2/2g 0,05 V2/29

Supercrítico 6,0 - 8,0

8,0 - 10,0

> 10,0

0,40 V2/2g 0,20 V2/2g 0,05 V2/2g

No se recomienda trabajar con relaciones de "rps" menores que 1,0,

Columna [38]: Pérdida de energía total en el pozo (m)

Es igual a la pérdida por transición (columna [35]) más la pérdida por cambio de

dirección (columna [37]). Todas las pérdidas se han calculado mediante la

metodología establecida para la unión de colectores en régimen subcrítico (columna

[34] < 0,9). La unión del tramo 9-10 con 10-E se realiza siguiendo el método descrito

para el régimen supercrítico (columna [34] > 1,1), cuyo cálculo se presenta de

manera separada de la tabla 16.5 (pág. 17).

El cálculo de las cotas de las columnas [39] a [48] se realiza con las medidas al eje del

pozo y el procedimiento es igual al empleado en el alcantarillado sanitario.

Columna [39]: Cota de rasante del pozo inicial del tramo

Columna [40]: Cota de rasante del pozo final del tramo

Columna [41]: Cota de clave del pozo inicial del tramo

Para los tramos iniciales, esta cota corresponde a la cota de rasante menos la

profundidad a la clave de 0,8 m:

[41] = [39] - 0,8

Para los tramos aguas abajo, es igual a la cota de batea (determinada en una columna

posterior) más el diámetro interno de la tubería:

31

[41] = [43]+[17]

Columna [42]: Cota de clave del pozo final del tramo

Es igual a la cota de clave inicial menos la caída en el tramo debida a la pendiente del

colector, observando siempre el cumplimiento de la profundidad mínima a la cota de

clave:

[42] = [41] - [13] x [12]

Columna [43]: Cota de batea del pozo inicial del tramo

Para los tramos iniciales, es igual a la cota de clave menos el diámetro interno de la

tubería:

[43] = [41] - [17]

Para los tramos aguas abajo, se calcula como la cota de energía a la salida del pozo

menos la energía específica en el colector saliente. Cabe recordar que la cota de batea

saliente tiene que ser inferior a la cota de batea de todos los colectores entrantes. En

caso contrario, se debe rediseñar el tramo entrante que no cumple con dicha condición

oempatar por la cota de batea (igualar la cota de batea entrante con la saliente).

[43] = [47] — [32]

Columna [44]: Cota de batea del pozo final del tramo

Es igual a la cota de batea inicial menos la caída en el tramo debida a la pendiente del

colector:

[44] = [43] — [13] x [12]

Columna [45]: Cota de lámina de agua del pozo inicial del tramo

Es la correspondiente cota de batea más la altura de la lámina de agua en la tubería.

[45] = [43] + [31]

Columna [46]: Cota de lámina de agua del pozo final del tramo

Es la correspondiente cota de batea más la altura de la lámina de agua en la tubería.

[46] = [44] + [31]

Columna [47]: Cota de energía del pozo inicial del tramo

Para los tramos iniciales, es igual a la cota de batea correspondiente ás la energía

específica del colector:

[47] = [43] + [32]

32

Para los tramos aguas abajo, es la cota de energía que gobierna el empate de los

colectores en el pozo. Su cálculo en régimen subcrítico se realiza tomando de entre

los colectores entrantes al pozo el menor valor de la cota de energía, descontándole la

pérdida de energía en el pozo, es decir, que se define el colector que gobierna la unión

o empate en el pozo. Los demás tramos que lleguen a una cota de energía superior

pueden diseñarse nuevamente con el objeto de aprovechar la energía sobrante

(obligarlos a llegar a la misma cota de energía, descontada la pérdida) y así, por

ejemplo, aumentar pendientes, con la consiguiente mejora en las condiciones

hidráulicas de flujo.

[47] = mínimo {[48] afluentes al pozo — [38]}

Las profundidades a la clave se determinan restando la cota de rasante y clave.

En la siguiente tabla se presenta el cálculo de las cotas constructivas reales a la entrada

y salida del pozo, las cuales se obtienen corrigiendo las cotas medidas al eje del pozo

por la caída o alzada, según la pendiente del colector y el diámetro del pozo. Todos los

pozos tienen un diámetro de 1,20 m, con excepción de los pozos 8, 9, 10 y E, que tienen

un diámetro de 1,50 m.

33

COTAS CONSTRUCTIVAS A LA ENTRADA Y SALIDA DE CADA POZO

Pozo L S (orig.) S (correg.) Diam

De-A De A De A De A De A De A (m) % %

[1] [39] [40] [41] [42] [41] [42] [43] [44] [49] [50]

1-2 42.55 42.20 41.750 41.00 41.745 40.985 41.545 40.785 0.805 1.215 100.0 0.7500 0.7600 0.200

2-4 42.20 41.75 41.000 40.55 41.002 40.557 40.702 40.257 1.198 1.193 100.0 0.4500 0.4450 0.300

4-7 41.75 41.60 40.530 40.20 40.527 40.241 40.177 39.891 1.223 1.359 100.0 0.3300 0.2860 0.350

7-8 41.60 41.58 40.180 39.89 40.214 39.967 39.814 39.567 1.386 1.613 100.0 0.2900 0.2470 0.400

1-3 42.55 42.10 41.750 40.83 41.746 40.877 41.546 40.677 0.804 1.223 141.4 0.6506 0.6146 0.200

2-3 42.20 42.10 41.400 40.82 41.397 40.903 41.097 40.603 0.803 1.197 100.0 0.5800 0.4940 0.300

3-5 42.10 41.74 40.770 40.51 40.843 40.537 40.443 40.137 1.257 1.203 100.0 0.2600 0.3060 0.400

4-5 41.75 41.74 40.950 40.54 40.948 40.542 40.648 40.242 0.802 1.198 100.0 0.4100 0.4060 0.300

5-8 41.74 41.58 40.530 39.93 40.534 40.010 40.034 39.510 1.206 1.570 100.0 0.6000 0.5240 0.500

8-9 41.58 41.68 39.910 39.75 40.052 39.835 39.352 39.135 1.528 1.845 100.0 0.1600 0.2170 0.700

3-6 42.10 41.72 41.300 40.04 41.296 40.427 41.096 40.227 0.804 1.293 141.4 0.8911 0.6146 0.200

5-6 41.74 41.72 40.940 40.04 40.937 40.443 40.637 40.143 0.803 1.277 100.0 0.9000 0.4940 0.300

6-9 41.72 41.68 39.980 39.72 40.351 39.720 40.001 39.370 1.369 1.960 100.0 0.2600 0.6310 0.350

9-10 41.68 39.81 39.770 39.64 39.804 38.543 39.104 37.843 1.876 1.267 100.0 0.1300 1.2610 0.700

6-10 41.72 39.81 40.660 39.64 40.223 38.613 40.023 38.413 1.497 1.197 141.4 0.7214 1.1386 0.200

10-E 39.81 36.55 39.630 39.49 38.108 35.035 37.408 34.335 1.702 1.515 100.0 0.1400 3.0730 0.700

Cota Clave correg Cota batea Prof. A ClaveCo ta Ra s a n te Cota Clave orig.

TABLA: COTAS CONSTRUCTIVAS A LA ENTRADA Y SALIDA DE CADA POZO

34

Unión de los colectores 9-10 y 10-E en régimen supercrítico

A continuación se presenta la unión de los colectores 9-10 y 10-E en el pozo 10, que se

encuentran en régimen supercrítico; por tanto, la metodología empleada es diferente de la

indicada en la descripción del cálculo de la tabla 16.8.

Relación del diámetro del pozo al diámetro de la tubería de salida (Dp/Ds): (ver pag. 12 de archivo

general de alcantarillado: documento completo-alc ).

Coeficiente K:

De la siguiente tabla:

tabla: COEFICIENTE K EN POZOS DE UNIÓN

Dp / Ds K

> 2.0 1.2

1.6 - 2.0 1.3

1.3 - 1.6 1.4

< 1.3 1.5

y con la relación anterior de diámetros, se define el valor de la constante K:

K = 1.2

Número de sumergencia:

De la siguiente figura, dado el número de sumergencia, se obtiene:

35

Por tanto, la caída desde la lámina de agua entrante hasta la batea de la tubería saliente (al

eje del pozo) es:

Las cotas de entrada al pozo 10 se definen anteriormente y según la tabla que define los

coeficientes de escurrimiento típicos para diferentes tipos de superficies, son:

Cota de batea a la entrada = 37,834

Cota de clave a la entrada = 38,534

Cota de lámina de agua a la entrada = 38,205

Cota de energía a la entrada = 38,425

El cálculo de las cotas a la salida del pozo, referidas al eje del pozo, es el siguiente:

Cota de batea a la salida = Cota lámina entrada - Hw =38,205- 0,773 = 37,432

Cota de clave a la salida = Cota de batea a la salida + DS = 37,432 + 0,700 = 38,132

Cota de lámina de agua a la salida =

Cota de batea a la salida + altura de lámina de agua = 37,432 + 0,292 = 37,724

Cota de energía ala salida =

= Cota de batea a la salida + energía específica = 37,432 + 0,704 = 38,136

36

Unión de colectores 9 -10 y 10 – E por la línea de energía en régimen supercrítico

Diseño final del alcantarillado pluvial: planta

SUMIDEROS DE AGUAS LLUVIAS

37

Los sumideros son las estructuras encargadas de recoger la escorrentía superficial de las

calles e introducirla a la tubería del alcantarillado pluvial o combinado. Se ubican a lado y

lado de la calle y en la esquina aguas abajo de cada manzana antes del cruce peatonal.

También deben colocarse en todos los puntos bajos o depresiones de la red vial, en las

reducciones de pendientes longitudinales de las vías y antes de los puentes vehiculares.

La entrada a la red del alcantarillado debe hacerse en los pozos de inspección. Cada

sumidero estará conectado directamente o a través de otro sumidero con el pozo respectivo

por medio de una tubería cuyo diámetro mínimo es de 200 mm (8"), con pendiente no

menor de 2% y una longitud inferior a 15 m.

El caudal de transferencia de la calle al alcantarillado debe ser consistente con el caudal de

diseño del colector respectivo, es decir, que el

Clasificación de los sumideros

Los sumideros están constituidos por la estructura de captación en la superficie de la calle

y por la caja de recolección situada debajo de la captación. El diseño del sumidero será

diferente, de acuerdo con el tipo de captación. Los sumideros se clasifican según estas

dos características, así:

Tipos de sumidero según el diseño de la captación Sumidero de ventana.- Consiste en

una captación lateral a través de una abertura vertical sobre el borde de la acera, a

manera de un vertedero lateral en la cuneta de la calle. Al ser una ventana abierta,

capta muchos sedimentos y basuras que pasan a la caja de recolección. Para remediar

este problema, se le puede colocar una rejilla a la ventana.

La ventana puede coincidir con la rasante de la cuneta o puede estar deprimida (a una cota

inferior a la de la rasante de la cuneta), pero es más eficiente si está deprimida. No es muy

eficiente en calles de alta pendiente longitudinal y por ello se limita su uso hasta pendientes

de 3%. La longitud mínima de vertimiento es de 1,5 m y, en el caso de tener depresión, el

(a) Localización de

sumideros en el

cruce de una

calle.

(b) Conexión del

sumidero al pozo

de inspección.

38

ancho de zona con depresión debe ser entre 30 y 60 cm, con una pendiente máxima del 8%

hacia la ventana.

Sumidero de ventana sin y con depresión

Sumidero de cuneta

Consiste en una captación con rejilla por el fondo de la cuneta de la calle. La

orientación de las rejillas debe ser paralela a la dirección del flujo en la cuneta, aun

cuando en algunos casos se orientan diagonalmente para facilitar el tránsito,

especialmente de bicicletas. Por su ubicación, interfiere con el tránsito y la acumulación

de basuras disminuye el caudal de captación. Es muy eficiente para la captación de

escorrentía en calles de alta pendiente. Su eficiencia de captación se puede incrementar

deprimiendo la cota de la rejilla con respecto a la rasante de la cuneta.

Sumidero de cuneta sin y con depresión

En esta figura, se presentan las dimensiones típicas de la rejilla horizontal para un sumidero

de cuneta, la cual se construye normalmente en hierro gris.

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Reja horizontal tipo cuneta

Sumidero mixto

Es la combinación de un sumidero de ventana y uno de cuneta. De esta manera se

incrementa la eficiencia de captación de la ventana (disminución de la longitud) y se reduce

el ancho de la rejilla del de cuneta. Se recomienda su uso cuando la eficiencia de captación

de un sumidero lateral es menor del 70%.

Sumidero mixto sin y con depresión

Sumidero de calzada con desarenador

40

Clasificación según el diseño de la caja Sumidero con sello hidráulico o sin él

El sumidero con sello hidráulico, mostrado en la figura de la izquierda del siguiente

gráfico, se utiliza exclusivamente para alcantarillados combinados y tiene como fi -

nalidad evitar la salida de gases al ambiente, que puede producir malos olores y

problemas sanitarios por la proliferación de mosquitos.

El sumidero sin sello hidráulico indicado en la figura de la derecha, se emplea en los

sistemas de aguas lluvias en donde no existen problemas de gases debido a la naturaleza

del agua transportada.

Sumidero con desarenador o sin él

El sumidero con desarenador se utiliza cuando se espera que exista arrastre de arenas o

gravas debido a la falta de pavimentación o a zonas aledañas sin recubrimiento vegetal. Por

otra parte, si la velocidad en la tubería de conexión al pozo es menor de 0.6 m/s, se debe

colocar también desarenador. El desarenador puede localizarse en un sumidero de ventana,

cuneta o de calzada.

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Los sumideros con desarenador o con sello hidráulico necesitan un mantenimiento

intensivo con el fin de evitar la descomposición del material depositado dentro de la caja,

problema que es aún más crítico en clima templado o caliente. Este mantenimiento consiste

en una limpieza periódica y la adición de aceite quemado.

Diseño hidráulico de los sumideros

Para el diseño hidráulico de los sumideros hay que tomar en cuenta que su capacidad de

captación debe ser consistente con el diseño hidráulico de la red de tuberías del

alcantarillado.

Capacidad de transporte de la cuneta

El primer paso en el diseño de un sumidero es determinar la capacidad de transporte de

la cuneta aguas arriba del sumidero. Dicha capacidad se encuentra definida por la

pendiente longitudinal de la vía, del ancho de inundación permitido sobre la calle y de

la profundidad máxima permitida en el borde con la acera.

La cuneta puede considerarse un canal de sección triangular y su diseño se puede acometer

con la utilización de la ecuación de Manning, con la suposición de flujo uniforme y

permanente. En realidad, el flujo en una cuneta varía gradualmente, en la medida en que los

caudales se incrementan durante el desarrollo de la precipitación y cuando las pendientes

longitudinales de la cuneta son muy bajas (inferiores al 1%). El error de suponer flujo

permanente implica una sobrestimación del caudal en la cuneta.

La fórmula de Manning, descrita anteriormente y adaptada a una sección triangular es:

en donde:

Q = caudal en la cuneta (m7s)

Y = profundidad máxima de aproximación al sumidero (m)

So = pendiente longitudinal de la calle

Z = inverso de la pendiente transversal de la cuneta

n = coeficiente de rugosidad de Manning

42

Los parámetros anteriores se ilustran en la siguiente figura. Para la determinación del

coeficiente de rugosidad, n, se deben tener en cuenta la sección de flujo asimétrica y los

diferentes materiales que conforman dicha sección. Para el caso de calles pavimentadas

en concreto asfáltico bien terminado, el coeficiente de rugosidad puede ser del orden de

0.015.

Figura: Sección de flujo en una cuneta.

Diseño de sumideros de ventana

El caudal interceptado por un sumidero de ventana se determina a partir de la siguiente

ecuación:

en donde:

Q = caudal de aproximación en la cuneta (m3/s)

L = longitud de la ventana (m)

Y = profundidad máxima de aproximación al sumidero (m) a = depresión de la

cuneta (m)

Es posible diseñar la longitud de ventana de tal manera que entre el 5 y 15% del caudal

aguas arriba continúe aguas abajo al siguiente sumidero. La aplicación del criterio

anterior resulta en una longitud de ventana bastante menor, comparada con la longitud

necesaria para captar el 100% del caudal aguas arriba y, por tanto, en un diseño menos

costoso.

43

Para definir la longitud de ventana necesaria para captar menos del 100% del caudal,

se aplica la gráfica indicada en la siguiente figura;

Figura: Determinación del caudal interceptado con respecto al caudal tetal de la cuneta en

sumideros de ventana.

en donde:

L = longitud de la ventana para la interceptación del 85 al 95% del caudal en la

cuneta (m)

La = longitud de ventana necesaria para la interceptación del 100%

Q = caudal efectivamente interceptado (m3/s)

Qa = caudal de aproximación en la cuneta (m3/s)

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Diseño de sumideros de cuneta

La capacidad de captación de un sumidero de cuneta o de rejilla puede estimarse a partir de

la siguiente ecuación:

Q = 2,96 Ao (Y + a)1/2

en donde:

Q = caudal de aproximación en la cuneta (m3/s)

Ao = área neta de flujo de la rejilla (m2)

Y = profundidad máxima de aproximación al sumidero (rn) a = depresión

de la cuneta (m)

El caudal dado por la ecuación anterior puede reducirse en cerca de 25% para tener en

cuenta la obstrucción de la rejilla por acumulación de desperdicios.

La longitud de la rejilla en el sentido del flujo se define con el objeto de que la lámina

vertiente alcance a pasar por la rejilla sin golpear el extremo aguas abajo de la misma. Para

ello se puede aplicar la siguiente ecuación empírica:

L=0,94 VH1/2

en donde:

L = longitud libre de rejilla (ni)

V = velocidad media de aproximación en la cuneta (m/s)

H = profundidad de aproximación al sumidero más el espesor de la rejilla (m)

En los puntos bajos o áreas inundadas, el agua se estanca y la velocidad de

aproximación es despreciable. Para profundidades menores de 12 cm (usualmente

menor que la altura del sardinel y no se presenta inundación de la acera o andén), el

sumidero de cuneta se comporta como un vertedero rectangular cuya longitud de

cresta es el perímetro de la rejilla. Con un coeficiente de descarga de 1,65, la ecuación

del vertedero es:

Q = 1,65 Le H3/2

en donde:

Q = caudal captado por el sumidero de cuneta (m3/s)

Le = perímetro de la rejilla (m)

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H = profundidad sobre la rejilla (ni), menor de 12 cm

En el caso de agua estanca con profundidad mayor a 40 cm, el sumidero de cuneta se

comporta como un orificio y su capacidad se puede establecer a partir de la ecuación:

en donde todos los términos se han definido previamente.

Entre 12 y 40 cm de agua estanca, el caudal captado por el sumidero de cuneta se define

como el más desfavorable del calculado por las dos ecuaciones anteriores.

Ejemplo de cálculo de un sumidero de ventana

Supóngase una calle de 7,0 m de ancho, pavimentada en concreto asfáltico (n = 0,015), con una

pendiente longitudinal de 1,5% y una pendiente transversal de 2,0%. De acuerdo con los

lineamientos de urbanismo, se debe mantener despejada una franja de 3,5 m sobre la calle.

Las fórmulas a utilizar son:

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Dimensionamiento de la ventana

Suponiendo inicialmente que se capta la totalidad del caudal transportado por la cuneta en

el sumidero de ventana sin depresión (a = 0):

Para a=0

Con los valores anteriores, se emplea la gráfica anterior. Para encontrar la eficiencia de la

ventana:

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y, por tanto, el caudal efectivamente captado por la ventana de 3 m de largo, con una

depresión de 1 cm, es de:

CANALES DE AGUAS LLUVIAS

Los canales se utilizan en combinación con las tuberías para la evacuación del agua lluvia.

Su sección puede ser rectangular o trapecial y pueden ser abiertos o cerrados.

Un canal típico de aguas lluvias es un canal trapecial abierto de dos secciones. La sección

inferior es revestida en concreto y la sección superior, en grama. Se debe dejar siempre el

acceso del equipo de limpieza a los canales.

Como se indicó anteriormente, según las normas de la EAAB, la sección revestida en

concreto se diseña para la escorrentía producida por un evento con frecuencia de diez

años, mientras que la sección revestida en grama se diseña para una frecuencia de 25

años si el área de drenaje es inferior a mil hectáreas. La sección revestida en grama se

diseña para una frecuencia de 50 años si el área de drenaje es superior a mil

hectáreas, dejando adicionalmente un borde libre, capaz de evacuar el caudal

producido con una frecuencia de cien años.

Figura: Canal de aguas lluvias. Sección de diseño para áreas de drenaje menores de 1.000 ha.

Sección hidráulica del canal

La sección hidráulica más eficiente es aquella que tiene la máxima capacidad para un área

dada y un perímetro mojado mínimo (menores costos).