DISEO DE SISTEMA DE ALCANTARILLADO Y DRENAJE PLUVIALIng. Alex Ayn SarmientoUNIVERSIDAD NACIONAL SAN LUIS GONZAGA DE ICAFACULTAD DE INGENIERIA QUIMICAESCUELA ACADEMICA PROFESIONAL DE INGENIERIA AMBIENTAL Y SANITARIAIca-2014

SISTEMA DE ALCANTARILLADO SANITARIO

SISTEMA DE ALCANTARILLADOUn sistema de alcantarillado esta constituido por un conjunto de tuberas, instalaciones y equipos destinados a colectar y transportar aguas residuales y/o aguas de lluvia a un sitio final conveniente, de forma continua y segura para el medio ambiente.

Un sistema de alcantarillado que conduce en forma conjunta aguas residuales y aguas de lluvia, se denomina sistema de Alcantarillado combinado o mixto, si el sistema tiene como objetivo transportar nicamente aguas residuales (domsticas e industriales) se denomina Alcantarillado Sanitario, y si slo transporta aguas de lluvia, se denomina Alcantarillado Pluvial.La conduccin de agua en los sistemas de alcantarillado pueden ser por gravedad o por impulsin mediante estaciones de bombeo, accionadas con sistemas de bombeo de aguas residuales.

COMPONENTES DE UN SISTEMA DE ALCANTARILLADO SANITARIOInstalacin sanitaria domiciliaria: Es el conjunto de tuberas de agua y alcantarillado, accesorios y artefactos sanitarios, que se encuentran dentro del lmite de una propiedad privada.Conexin domiciliaria: Es el colector que conduce las aguas residuales de una propiedad privada desde la caja de registro, hasta la red de alcantarillado sanitario.Colectores de alcantarillado: Son las tuberas, que reciben las aguas residuales provenientes de las viviendas.Cmara de inspeccin: Es el pozo o buzn de visita construido en la interseccin de dos o ms colectores, con acceso, a travs de una abertura en su parte superior, y cubierta por una tapa a nivel (rasante) de la calle. La cmara, tiene el objeto de permitir la inspeccin y la realizacin de las tareas de limpieza y mantenimiento.Sifn Invertido: Estructura construida con uno o ms colectores principales que trabajan a presin. Es utilizada para el cruce por debajo de ros, quebradas y en casos especiales de cruce con tuberas de otros servicios.Interceptor: Colector que recibe la contribucin de varios colectores principales, localizados en forma paralela y a lo largo de las mrgenes de quebradas y ros, o en la parte inferior de la cuencaEmisario: Colector de mayor dimetro, que recibe la contribucin de los interceptores y conduce las aguas hacia la planta de tratamiento de aguas residuales. Se caracteriza porque a lo largo de su recorrido no recibe contribucin alguna.Estacin de Bombeo: Cmara de bombeo de aguas residuales que incluye rejillas de retencin de basuras o material grueso, compuertas, bombas, tuberas de impulsin y succin y sistemas de mando y control.

COMPONENTES DE UN SISTEMA DE ALCANTARILLADO SANITARIO

COMPONENTES DE UN SISTEMA DE ALCANTARILLADO PLUVIALInstalacin pluvial domiciliaria: Es el conjunto de canaletas, tuberas, accesorios y artefactos, que se encuentran dentro del lmite de una propiedad privada.Conexin domiciliaria: Es el colector particular que conduce las aguas pluviales de una propiedad hasta la red de alcantarillado pluvial.Cuneta: Canal de seccin triangular o rectangular, que se forma entre el cordn de la acera y la calzada, destinado a conducir las aguas pluviales que escurren superficialmente, hacia los sumideros.Sumidero: Estructura hidrulica destinada a captar las aguas superficiales, consistente en una rejilla conectada a una cmara receptora, ubicada debajo de la acera o la cuneta. Los sumideros, generalmente, estn ubicados en las esquinas y cerca de las cmaras de inspeccin.Tuberas de conexin de sumideros: Son las tuberas que conducen las aguas captadas por los sumideros y se conectan directamente a las cmaras de inspeccin.Cmara de inspeccin: Es el pozo de visita construido en la interseccin de dos o ms colectores domiciliarios, con acceso a travs de una abertura en su parte superior, cubierta por una tapa a nivel (rasante) de la calle. Permite la inspeccin y la realizacin de las tareas de limpieza y mantenimiento.Colectores principales: Son las tuberas que reciben las aguas pluviales provenientes de los colectores secundarios domiciliarios, y que a su vez, reciben los aportes de los sumideros mediante las cmaras de inspeccin. Los colectores principales descargan las aguas en los cuerpos receptores ms cercanos de acuerdo a las caractersticas topogrficas del lugar.

CRITERIOS Y PARMETROS TCNICOS DE LAS REDES DE ALCANTARILLADO Poblacin.Se deber determinar la poblacin y la densidad poblacional para el periodo de diseo adoptado.La determinacin de la poblacin final para el periodo de diseo adoptado se realizar a partir de proyecciones, utilizando la tasa de crecimiento por distritos y/o provincias establecida por el organismo oficial que regula estos indicadoresCaudal de Contribucin al AlcantarilladoEl caudal de contribucin al alcantarillado debe ser calculado con un coeficiente de retorno (C) del 80 % del caudal de agua potable consumida.Caudal de DiseoSe determinarn para el inicio y fin del periodo de diseo. El diseo del sistema de alcantarillado se realizar con el valor del caudal mximo horario

CALCULO DE POBLACION DE DISEOMETODOS PARA EL CALCULO DE CRECIMIENTO POBLACIONALMETODO ARITMETICOEcuacin : Pf = Po ( 1 + r t ) METODO GEOMETRICOEcuacin : Pf = Po ( 1 + r ) ^ t METODO PARABOLICOEcuacin : Pf = A + B t + C t ^ 2 METODO DE CURVA EXPONENCIAL MODIFICADAEcuacin : Pf = A + B .t

TECNOLOGIAS DE ALCANTARILLADO Los sistemas convencionales de alcantarillado son el mtodo ms popular para la recoleccin y conduccin de las aguas residuales. Est constituido por redes colectoras que son construidas, generalmente, en la parte central de calles y avenidas e instaladas en pendiente, permitiendo que se establezca un flujo por gravedad desde las viviendas hasta la planta de tratamiento.Otro componente de este sistema son las conexiones domiciliarias que se conecta con la red de desage de las viviendas, con la finalidad de transportar las aguas residuales desde ellas a las alcantarillas ms cercanas.El componente complementario ms importante son los buzones de inspeccin, que se ubican principalmente en la interseccin de colectores, en el comienzo de todo colector y en los tramos rectos de colectores a una distancia hasta de 150 m. La principal funcin de estas cmaras es la limpieza de los colectores para evitar su obstruccin.Las principales desventajas de la aplicacin de este sistema son: Los colectores son instalados a grandes profundidades, demandando excavaciones muy profundas que incrementa notablemente los costos de construccin. Es necesario utilizar cmaras de inspeccin profundas de costo de construccin elevado, que se incrementan por mayor excavacin, mayor utilizacin de encofrados y/o empleo de bombeo para bajar el nivel fretico. Las viviendas situadas a una cota inferior que la calle tendrn dificultades para descargar sus aguas residuales por gravedad.ALCANTARILLADO CONVENCIONAL

ALCANTARILLADO CONVENCIONALEsquema de una red de alcantarillado convencional.

TECNOLOGIAS DE ALCANTARILLADOEl sistema de alcantarillado condominial se origina en Brasil en la dcada de los aos 80 como una alternativa de menor costo al sistema convencional. Las caractersticas bsicas de este sistema son las siguientes:Los colectores frecuentemente son tendidos interiormente a las viviendas, partiendo de las instalaciones sanitarias del lote, siguiendo el recorrido ms favorable de acuerdo a la pendiente del terreno y evitando excavaciones profundas. Las redes tambin podrn ser trazadas exteriormente a las viviendas, a travs de jardines y veredas. De esta manera es posible obtener ahorros sustanciales en cuanto a la longitud, el dimetro y la profundidad de las tuberas empleadas.El trazado de las redes debern hacerse siguiendo el criterio de servir a bloques urbanos vistos como una sola unidad, en lugar de servir a lotes de manera individual. Al conjunto de lotes que funcionan como unidad de servicio se le denomina condominio y se le define como el grupo de lotes (manzana) que es atendido por una misma red o tubera condominial (vase figura). Cada manzana es considerada como si fuera la proyeccin horizontal de un edificio. De esta manera, las redes condominiales dentro de una cuadra se construyen a lo largo de las propiedades privadas de sucesivas (lotes) con el permiso de los dueos.Los elementos de inspeccin y mantenimiento de redes son sencillos y de bajo costo de construccinALCANTARILLADO CONDOMINIAL

Para adoptar el modelo condominial es importante e imprescindible integrar el trabajo social y la participacin comunitaria con los aspectos tcnicos de ingeniera y diseo. El diseo definitivo del sistema se elaborar luego de la participacin de la comunidad beneficiaria. El diseo preliminar ser solamente referencial con los elementos necesarios para la definicin de los metrados principales y los correspondientes presupuestos para la contratacin de las obras.El modelo condominial implica, por lo tanto, un enfoque global no slo respecto del diseo de ingeniera y su puesta en funcionamiento, sino tambin desde el punto de vista de la participacin comunitaria o intervencin social en todas las fases del proceso as como en la adquisicin de conocimientos por los usuarios a travs de la educacin sanitaria y ambiental. Al involucrar al usuario en todo el proceso de planificacin y diseo, construccin y mantenimiento de las redes es posible lograr una reduccin aun mayor de los costos.Las aguas residuales recolectadas y transportadas por las redes condominiales sern descargadas a una red principal, la cual podr ser diseada bajo los criterios de una red convencionalALCANTARILLADO CONDOMINIAL

Las ventajas del sistema condominial respecto al sistema convencional se puede resumir en lo siguiente:En la construccin: Menor extensin de redes. Menores profundidades de excavacin. Menores dimetros de tuberas. Menor cantidad de elementos de inspeccin. Reduccin de prdidas para el operador, dado que hay un mayor control por parte de las organizaciones condominiales. En consecuencia, menor costo de inversin.En la operacin y mantenimiento: Independencia entre ramales y redes. Sistema sectorizado por condominios. Mayor facilidad para operacin y mantenimiento. Utilizacin de equipos ms sencillos para operacin y mantenimiento. En consecuencia, menores costos en operacin y mantenimiento.ALCANTARILLADO CONDOMINIAL

ALCANTARILLADO CONDOMINIALEsquema de una red de alcantarillado condominial.

ALCANTARILLADO CONDOMINIALEsquema de una red de alcantarillado condominial. Trazado de una red pblica

CRITERIOS Y PARMETROS TCNICOS DE LAS REDES DE ALCANTARILLADO Dimensionamiento Hidrulico.Los dimetros mnimos de las tuberas de alcantarillado o colectores, no solamente vienen definidos por el diseo hidrulico, sino tambin para evitar las obstrucciones y para facilitar las operaciones de limpieza y mantenimiento de las mismas.El dimetro mnimo establecido en el Reglamento Nacional de Edificacin (RNE) es de 100 mm tanto para los colectores de servicio y conexin domiciliaria.Las Pendientes de las tuberas deben cumplir la condicin de auto limpieza aplicando el criterio de tensin tractiva. Cada tramo debe ser verificado por el criterio de Tensin Tractiva Media (st) con un valor mnimo st = 1,0 Pa, calculada para el caudal inicial (Qi), valor correspondiente para un coeficiente de Manning n = 0,013. La pendiente mnima que satisface esta condicin puede ser determinada por la siguiente expresin aproximada:Somin = 0,0055 Qi0,47Donde: Somin=Pendiente MnimaQi = Caudal InicialPara coeficientes de Manning diferentes de 0,013, los valores de Tensin Tractiva Media y pendiente mnima a adoptar deben ser justificados. La expresin recomendada para el clculo hidrulico es la Frmula de Manning

CRITERIOS Y PARMETROS TCNICOS DE LAS REDES DE ALCANTARILLADO La mxima pendiente admisible es la que corresponde a una velocidad final Vf = 5 m/s; las situaciones especiales sern sustentadas por el proyectista. Cuando la velocidad final (Vf) es superior a la velocidad crtica (Vc), la mayor altura de lmina de agua admisible debe ser 50% del dimetro del colector, asegurando la ventilacin del tramo. La velocidad crtica es definida por la siguiente expresin: Donde:Vc = Velocidad crtica (m/s)g = Aceleracin de la gravedad (m/s2)RH = Radio hidrulico (m)La altura de la lmina de agua debe ser siempre calculada admitiendo un rgimen de flujo uniforme y permanente, siendo el valor mximo para el caudal final (Qf), igual o inferior a 75% del dimetro del colector.

DOTACIONES DE DISEOLa dotacin de diseo se fijar en base a un estudio de consumo tcnicamente justificado, sustentado en informaciones estadsticas comprobadasSi no existen estudios de consumos se considerara:180 lt/hab/da en clima fro220 lt/hab/da en clima templado y clido

Para programas de vivienda se considerar:hasta 90m2 120 lt/hab/da en clima frio150 lt/hab/da en clima templado y clidoPara abastecimiento indirecto:Mediante camiones cisterna : 30 lt/hab/daPiletas pblicas: 50 lt/hab/da Para industrias se determinara de acuerdo al proceso industrialPara habiitaciones tipo comercial se aplicar la norma IS.010

VARIACIONES DE CONSUMOLos coeficientes de variaciones de consumo referidos al promedio diario anual de la demanda debern ser fijados en base al anlisis de informaciones estadsticas comprobadasSi no existen estudios se considerara:Mximo anual de la demanda diaria: 1.3Mximo anual de la demanda horaria: 1.8-2.5

CAUDALES DE DISEOFactor de Retorno o Coeficiente de retornoLa cantidad de aguas residuales generada por una comunidad es menor a la cantidad de agua potable que se le suministra, debido a que existen prdidas a travs del riego de jardines, abrevadero de animales, limpieza de viviendas y otros usos externos. El porcentaje de agua distribuida que se pierde y no ingresa a las redes de alcantarillado, depende de diversos factores, entre los cuales estn: los hbitos y valores de la poblacin, las caractersticas de la comunidad, la dotacin de agua, y las variaciones del consumo segn las estaciones climticas de la poblacin. Es recomendable estimar este factor en base a informacin y estudios locales, sin embargo, cuando no puedan ser realizados es recomendable asumir el valores de 0,80

CAUDALES DE DISEOCaudales de InfiltracinEl caudal de infiltracin incluye el agua del subsuelo que penetra las redes de alcantarillado, a travs de las paredes de tuberas defectuosas, uniones de tuberas, conexiones, y las estructuras de los pozos de visita, cajas de paso, terminales de limpieza, etc.El caudal de infiltracin se determinar considerando los siguientes aspectos:

Altura del nivel fretico sobre el fondo del colector. Permeabilidad del suelo y cantidad de precipitacin anual. Dimensiones, estado y tipo de alcantarillas, y cuidado en la construccin de cmaras de inspeccin. Material de la tubera y tipo de unin.En el cuadro, se recomienda tasas de infiltracin en base al tipo de tubera, al tipo de unin y la situacin de la tubera respecto a las aguas subterrneas

CAMARAS DE INSPECCIONLas cmaras de Inspeccin podrn ser cajas de inspeccin, buzonetas y/o buzones de inspeccinLas Buzonetas se utilizaran en vas peatonales cuando la profundidad sea menor de 1.00 m sobre la clave del tubo. Se proyectarn solo para colectores de hasta 200 mm de dimetro.Los Buzones de inspeccin se usan cuando las profundidades sea mayor a 1.00 m sobre la clave de la tubera y sern proyectadas en todos los lugares donde sea necesario por razones de inspeccin, limpieza y en los siguientes casos:En el inicio de todo colector.En todos los empalmes de colectoresEn los cambios de direccinEn los cambios de pendienteEn los cambios de dimetroEn los cambios de material de tuberas .Los buzones sern diseados de manera que las tuberas coincidan en la clave cuando el cambio sea de menor a mayor dimetro y en el fondo cuando el cambio sea de mayor a menor.

Para tuberas de dimetro menor que 400 mm; si el tubo inmediato puede conducir un mismo caudal con menor dimetro no se usar este menor dimetro, se emplear el mismo dimetro del tramo aguas arriba.EL dimetro interior de los buzones ser de 1.20 m para tuberas de hasta 800 mm de dimetro y de 1.50 m para tuberas de hasta 1200 mm. Para tuberas de mayor dimetro sern de diseo especial.Los buzones podrn ser prefabricadas o construidas en obra. En el fondo se proyectarn canaletas en la direccin del flujo.La distancia mxima entre cmaras de inspeccin depende del dimetro de las tuberas segn se muestra en la siguiente tabla:

DISEO HIDRAULICO DE TUBERIASFormula para diseoLa frmula emprica de Manning es la ms prctica para el diseo de canales abiertos, actualmente se utiliza para conductos cerrados y tiene la siguiente expresin:

Donde: V = Velocidad (m/s)n = Coeficiente de rugosidad (adimensional)R = Radio hidrulico (m)S = Pendiente (m/m)

El Radio hidrulico se define como: Donde:Am = Area de la seccin Mojada (m2)Pm = Permetro de la seccin Mojada (m)

Para tuberas con seccin parcialmente llena :

El ngulo central (en grado sexagesimal)radio hidrulico es :

Radio Hidraulico:

Sustituyendo R, la frmula de Manning para tuberas de seccin parcialmente llenas es:

En funcin del Caudal

PARA TUBERAS CON SECCIN LLENA Y A MEDIO TUBO:El radio hidrulico es :

Donde:D = Dimetro (m)

Sustituyendo el valor de (R) , la frmula de Manning para tuberas a seccin llena es

En funcin del caudal, con: Q = VADonde: V = Velocidad (m/s), Area de la seccin circular

TENSION TRACTIVALa tensin tractiva o tensin de arrastre ()es el esfuerzo tangencial unitario ejercido por el lquido sobre el colector y en consecuencia sobre el material depositado. Tiene la siguiente expresin:

El objetivo es calcular la pendiente mnima del tramo, capaz de provocar la tensin suficiente para arrastrar el material que se deposita en el fondo.La pendiente mnima de la tubera, puede ser calculada con el criterio de la tensin tractiva, considerando que el transporte de sedimentos es proporcional a la tensin tractiva. De la ecuacin anterior, obtenemos la pendiente de la tubera a seccin llena

Sustituyendo el radio hidraulico, obtenemos la pendiente para tuberas para seccin parcialmente llena:

BOMBEO DE AGUAS RESIDUALES

EL bombeo de las aguas residuales se presenta cuando el sistema de alcantarillado no puede descargar por gravedad teniendo que vencer una determinada altura.

CAMARA DE BOMBEO DE AGUAS RESIDUALESConsideraciones de Diseo:Caudales de diseo: Qp, Qmd, Qmh, Qmin.Perodo de retencin igual o menor a 30 minutosNmero de Arranques de la bomba 10 como mximo en 01 hora, de modo que el perodo de una parada y del tiempo de funcionamiento de la bomba sea de 6 minutos.Capacidad de la bombaC = Qmax (lps) RR: factor de seguridad (%)Consideramos la operacin con una sola bomba C = C 1De acuerdo a las condiciones de descarga determinamos la potencia de la bomba, para lo cual calculamos el dimetro, velocidad y perdida de carga.Para el clculo del dimetro econmico utilizaremos la formula de Bresse:D = 1.5 QLa perdida de carga ser calculada mediante utilizar la formula de Hazzen & William.

FORMULA PARA EL CALCULO DEL DIAMETRO ECONOMICO

Existen otras formulas propuestas por distintos autores como: MELZER, VIBERT, etc

CAMARA DE BOMBEO DE AGUAS RESIDUALES

Calculamos la potencia de la Bomba mediante la siguiente ecuacin.Pot = Q Hdt 75 Donde: =Peso especfico del agua en Kgf/m3Q= Caudal de bombeo en m3/segHdt = Altura dinmica total en metrosPot = Potencia de bomba en HP = Eficiencia de la bomba

Dependiendo de la capacidad de la bomba seleccionamos el nmero de arranque (N) de la bomba:Determinamos el volumen mnimo de la cmaraVmin = 900 C N Verificamos el tiempo de retencin de la cmara (

CAMARA DE BOMBEO DE AGUAS RESIDUALES TIPICO

CAMARA DE BOMBEO CON BOMBA SUMERGIBLE

CAMARA DE BOMBEO CON BOMBA DE EJE VERTICAL

ALCANTARILLADO PLUVIAL

Red de Alcantarillado PluvialSon sistema de tuberas, sumideros e instalaciones que permita el rpido desalojo de aguas de lluvia para evitar inundaciones de viviendasSu importancia se manifiesta en zonas con altas precipitaciones y superficies poco permeables.

INTRODUCCINLos componentes principales de un sistema de alcantarillado se agrupan segn la funcin para la cual son empleados. a) Estructuras de captacin. Recolectan las aguas a transportar.

SumideroBocas de tormenta

b) Estructuras de conduccin. Transportan las aguas recolectadas por las estructuras de captacin hacia el sitio de tratamiento o vertido.c) Estructuras de conexin y mantenimiento. Facilitan la conexin y mantenimiento de los conductos que forman la red de alcantarillado, pues adems de permitir la conexin de varias tuberas, incluso de diferente dimetro o material.Buzones de Inspeccin

d) Disposicin final. Su importancia radica en que si no se define con anterioridad a la construccin del proyecto el destino de las aguas pluviales, se pueden provocar graves daos al medio ambiente e incluso a la poblacin servida o a aquella que se encuentra cerca de la zona de vertido.CONSIDERACIONES HIDRAULICAS EN DRENAJE PLUVIAL

1.- CAUDAL DE DISEOLos caudales de diseo deben ser calculados por:- El mtodo racional si el rea de la cuenca es igual o menor a 13 Km2 (Q = CiA)-Por el mtodo de hidrograma unitario o modelos de simulacin para reas de cuencas mayores a 13 km2 El perido de retorno deber considerarse de 2 a 10 aos

2.- CAPTACION DE AGUAS PLUVIALES EN EDIFICACIONESLas aguas de las edificaciones sern evacuadas a los jardines o suelos sin revestir a fin de garantizar su infiltracin al subsuelo. Si esto no es posible se deber realizar su evacuacin hacia el sistema de drenaje exterior.

3.- CAPTACION DE AGUAS EN ZONA VEHICULARSe deber tener en cuenta : a) Captacin de aguas que discurren sobre calzadas y aceras se realizar mediante cunetas (seccin, circular, triangular, trapezoidal, compuesta y en V) traque conducirn las aguas a los sumideros que captar el agua y lo conducir hacia las alcantarillas pluviales.b) Determinacin de la capacidad de la cuneta, para lo cual se utilizar la formula de Manning teniendo en cuanta los siguientes coeficientes de rugosidad

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