AUTORIDAD NACIONAL DEL AGUA

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Alcantarillas

1.1 Generalidades

Las alcantarillas son conductos que pueden ser de seccin circulares o de marco (cuadradas o rectangulares) usualmente enterradas, utilizadas en desages o en cruces con carreteras, pueden fluir llenas o parcialmente llenas dependiendo de ciertos factores tales como: dimetro, longitud, rugosidad y principalmente los niveles de agua, tanto a la entada como a la salida.Es as como desde el punto de vista prctico, las alcantarillas se han clasificado en funcin de las caractersticas del flujo a la entrada y a la salida de la misma.Segn las investigaciones de laboratorio, se dice que la alcantarilla no se sumerge si la

carga a la entrada es menor que un determinado valor crtico denominado H, cuyo valor vara de 1.2 D a 1.5 D siendo D el dimetro o altura de la alcantarilla.1.2 Tipos de alcantarilla por el flujo a la entrada y a la salida

Tipo I: Salida sumergida

Figura 1

La carga hidrulica H* a la entrada es mayor al dimetro D, y el tirante Yt a la salida, es mayor a D, en este caso la alcantarilla es llena:Luego: H* > D Yt > DAlcantarilla llena

Tipo II: salida no sumergida

Figura 2

H > H* 1.2 H* 1.5

Yt < D Alcantarilla llena

Tipo III: Salida no sumergida

H > H Yt < D Parcialmente llena

Tipo VI: Salida no sumergida

H < H* Yt > ycFlujo subcrtico en la alcantarilla

Tipo V: Salida no sumergida

H < H* Yt < YcFlujo subcrtico en la alcantarilla

Flujo supercrtico en la salida

Tipo VI: Salida no sumergida

H < H* Yt < YcFlujo supercrtico en la alcantarilla

Flujo supercrtico en la entrada

En diseos preliminares rpidos se recomienda usar H* = 1.5 DLos tipos I y II corresponden a flujo confinado en tuberas y los otros tipos a flujo en canales abiertos.1.3 Criterios de diseo

1. El diseo hidrulico de una alcantarilla consiste en la seleccin de su dimetro de manera que resulte una velocidad promedio de 1.25 m/seg., en ciertos casos se suele dar a la alcantarilla una velocidad igual a la del canal donde sta ser construida, slo en casos especiales la velocidad ser mayor a 1.25 m/seg.2. La cota de fondo de la alcantarilla en la transicin de entrada, se obtiene restando a

la superficie normal del agua, el dimetro del tubo ms 1.5 veces la carga de velocidad del tubo cuando ste fluye lleno o el 20% del tirante de la alcantarilla.3. La pendiente de la alcantarilla debe ser igual al a pendiente del canal.

4. El relleno encima de la alcantarilla o cobertura mnima de terreno para caminos parcelarios es de 0.60 m y para cruces con la panamericana de 0.9 m.5. La transicin tanto de entrada como de salida en algunos casos se conectan a la alcantarilla mediante una rampa con inclinacin mxima de 4:1.6. El talud mximo del camino encima de la alcantarilla no debe ser mayor de 1.5:1

7. En cruce de canales con camino, las alcantarillas no deben disearse en flujo supercrtico.8. Se debe determinar la necesidad de collarines en la alcantarilla.

9. Normalmente las alcantarillas trabajan con nivel del agua libre, llegando a mojar toda su seccin en periodos con caudales mximos.10. Las prdidas de energa mximas pueden ser calculadas segn la frmula:

Perd. = (Pe + Pf + Ps) Va 2 2 g

Donde los coeficientes de prdida pueden ser determinadas segn lo explicado anteriormente:Pe = Prdidas por entrada

Ps = Prdidas por salida

Pf = Prdidas por friccin en el tubo

Va = Velocidad en la alcantarilla

El factor f de las prdidas por friccin, se puede calcular mediante el diagrama de Moody o por el mtodo que ms se crea conveniente.

1.4 Tipos de alcantarillas por su capacidad a. Alcantarilla de un tuboPara caudales iguales o menores a 1.2 m3/seg

Q max = Di2 (m3/seg)62

Longitud de Transiciones

LP 4 Di

La transicin de entrada no lleva proteccin y la transicin de salida lleva una proteccin de enrocado con un espesor de la capa igual a 0.20m.Longitud de proteccinLP 3 Di

Dimetro interno mnimo

Di = 0.51

b. Alcantarilla de 2 tubos

Para caudales que oscilan entre 0.5 m3/s y 2.2 m3/s. Q max = 2 Di2 (m3/s)Longitud de las transicionesLt 5 Di

Las transiciones de entrada y salida llevan proteccin de enrocado con un espesor de la capa de roca de 0.25 m hasta una altura sobre el fondo del canal de 1.2 D.Longitud de proteccin en la entradaLp 4 Di

Longitud de proteccin en la salidaLp 5 Di

Dimetro interno mnimo

Di = 0.51 m

c) Alcantarilla de 2 ojos

Para caudales que oscilan entre 1.5 m3/s y 4.5m3/s

Seccin del ojo = Ancho x Altura

D x 1.25 D

Capacidad Mxima de la alcantarillaQ max = 3.1 D2 (m3/s)

Entrada y salida con proteccin de enrocado y con espesor de la capa de roca de 0.25 m. Longitud de las transicionesLt = D + b

b = plantilla del canal

Longitud de proteccin en la entrada

Lp = 3 D

Longitud de proteccin en la salida

Lp = 5 D

Dimetro interno mnimoDi = 0.80 m

D. Alcantarilla de 3 ojos

Para caudales que oscilan entre 2.3 m3/s y 10.5 m3/s

Seccin del ojo = ancho x altura

D x 1.25 D

Q max = 4.8 D2 (m3/s)

Entrada y salida con proteccin de enrocado y con un espesor de la capa de roca de 0.25 m. Longitud de las transicionesLt = D + b

b = Plantilla del canal

Longitud de proteccin de la entrada

Lp 3 D

Longitud de la proteccin de la salida

Lp 5 D

Dimetro interno mnimo

Di = 0.80 m

1.5 Collarines para los tubos

Estos se construyen cuando existe la posibilidad de una remocin de las partculas del suelo en los puntos de emergencia y exista peligro de falla de la estructura por tubificacin, debido al agua que se mueve alrededor de la superficie del tubo en toda su longitud.

FIG 3. COLLARINES PAR A T UBOS

DIMENSIONES

tuboh(m)e(m)182124273036424854601.521.601.681.902.132.602.823.003.503.650.150.150.150.150.150.150.150.150.150.15

1.6 Ejemplos de diseo

Ejercicio 1.

Disear la alcantarilla de la figura adjunta, que cruza un camino parcelario con ancho de 5.5 m.

Caractersticas del canal aguas arriba y aguas abajo

Q = 0.7 m3/s (Mximo) Z = 1.5S = 1 o/oo n = 0.025 b = 1.0 mY1 = Y2 = 0.59 m

V = 0.63 m/s

V 2= 0.02 m2 g

Soluc in

El diseo se har siguiendo los criterios recomendados en los tems descritos anteriormente1) Seleccin del Dimetro

Q max = Di2

Di = 0.70

Di = 0.836 escogemos: 36 Di = 36 = 0.9144 m

2) Cota del tubo en 2

rea = r 2 = 0.6567 m2

Va = 1.066 m/s

Va 21.5 = 0.0872 g

El nivel de carga aguas arriba = 100 + 0.59 = 100.59

Cota del tubo en 2 = 100.59 (D + 1.5 Va 2)2 g

3) Longitud de las transiciones entrada y salida

Lt = 4 Di

Lt = 3.66 3.70

Longitud de la tubera:

Cota del camino: 101.60 msnm

Cota del punto 2: 99.59 msnm

Long. = 2 (1-5 (101.60 99.59) ) + 5.50

Long. 11.53 11.60 m

Cota en 4:

Esta cota al igual que la del punto 1, se obtiene del perfil del canal, cota 4: 99.90 msnm.

4) Carga hidrulica disponible

Sera la diferencia de niveles entre el punto 1 y 4H = (100.00 + 0.59) (99.90 +0.59)

H = 0.10 (Debe ser a las prdidas de carga)

5) Inclinacin de la transicin de entrada

La inclinacin mxima recomendada es 4:1

LtCota1 Cota2 =3.70= 9100.0 99.59

La inclinacin sera 9:1 < 4:1; se acepta.6) Balance de energa entre 1 y 4

1 = E4 + Prdidas

Perdidas = Pe + Pf + Ps

Pe = Perdidas por entrada = 0.5

Ps = Perdidas por salida = 0.65 Va 22 g

Va 22 g = 0.029

= 0.038

Pf = Perdidas por friccin = f LVa 2xD2 g = 0.019

Donde:

f = 0.025 (comnmente asumido para casos prcticos) L = 11.60 (se puede redondear a 12)D = 0.9144 m

Los coeficientes de Pe y Ps: segn Fig. 2.15

Prdidas = 0.086 m

E1 = 100.0 + 0.59 + 0.02 = 100.61 mE4 = prdidas = 99.90 + 0.59 + 0.02 + 0.086 = 100.596 m

En la ecuacin (x) debe cumplirse la igualdad, o ser E 1 ligeramente mayor, en nuestro caso se tiene:E1 (E4 + prdidas) = 100.61 100.596 = 0.014 m

Lo que significa que no habr problema hidrulico, segn nuestro clculo la alcantarilla funcionar perfectamente.

Cota en 3

La pendiente del tubo es 2 o/oo

Luego: 12 x 0.002 = 0.024

Cota 3 = Cota 2 0.024 = 99.57 msnm

7) Inclinacin de la transicin de salida

3.7099.90 99.57 = 11.2

La inclinacin sera: 11.2 : 1 < 4:1

Se acepta

Altura de la coberturaCota 2 + Cota 3 = 99.58

101.60 (99.58 + 0.9144) = 101.60 100.49) = 1.10 m

1.10 > 0.60 (mnimo requerido) No existe problema

8) Longitud de proteccin

Es la longitud del enrocado en seco colocado a mano, entre la transicin y el canal de tierra y segn el tems 4.3.1.4 ser:Lp = 3 Di

Lp = 3 x 0.9144 = 2.74

Lp = 2.80 m

El enrocad se colocar solo en la salida y en un espesor de 0.2 m.

Ejercicio 2.

Cul ser el caudal mximo que evacua la alcantarilla de 36 de dimetro de la Fig. adjunta, para desaguar una quebrada que cruza un camino, si el nivel mximo de agua en laquebrada es de 3.02 m y a la salida la descarga es libre.

Soluc in

Establecimiento balance de energa entre 1 y 2E1 = E2 + Perdidas (A)

Perd. = Pe + P f

V 2Pe = Perdidas por entrada = Ke A2 g

Ke = 0.5 (comnmente adoptado para este caso)

V2 Perd. = 0.5 A2 g

+ 0.025 x 20V 2xA0.91442 gV2 Perd. = 1.047 A2 g

Reemplazando valores en la igualdad (A) se tiene:

V299.52 = 96.45 + 0.9144 + A2 g

VA = 4.55 m/seg V2+ 1.047 A2 g

D 2Q = VA x A = 4.55 x 4

Q = 2.99 m3/seg.

Ejercicio 3.

Calcular hidrulicamente la alcantarilla en el cruce del canal Batangrande con un camino parcelario, la pendiente del canal es de 4 o/oo y no es posible modificarlo, ni antes ni despus del cruce, puesto que el canal ya est construido, adems el lecho y los taludes son de material pedregoso (canto rodado medio).

Carac tersticas del canal en TierraQ = 5 m2 /seg b = 2.5 mn = 0.035

Z = 1.5

Y = 0.95 m

V = 1.34 m/seg

V 2= 0.0922 g

H = 1.30 (altura de caja del canal)ESQUEMA PRELIMINAR

Solucin:

Son muchos y diferentes los criterios que entran en juego cuando se disea hidrulicamente una obra de arte y a veces stos escapan a los ya establecidos, al fin y al cabo cualquiera que sea el criterio, ste tendr que ser comprobado de manea que se demuestre que la solucin adoptada satisface el problema planteado.

Criterios.

1. Este es un caso que comnmente se presenta en la prctica, despus de disear el perfil, se procede al diseo de las obras de arte cuando ya no se puede variar la rasante del canal.2. Nuestro punto de partida para iniciar el diseo, ser asumir una velocidad en la

alcantarilla igual o casi igual a la velocidad en el canal.

3. En este caso disearemos la alcantarilla para que trabaje a pelo libre, aun para el caudal mximo, debido a que ste ha sido calculado sin tener en cuenta los aportes por precipitacin, lo cual nunca debe omitirse.4. Segn el problema se tiene:

Velocidad de diseo = 1.34 m/sCaudal mximo = 5.0 m3/s

rea = Q =5V1.34 = 3.73m 2

Si asumimos una plantilla de 3 m nos resulta un tirante de: rea: Plantilla x tirante = 3.73 m2

Tirante = 3.73 m2

3.0 mTirante = 1.24 1.25 m

En consecuencia podemos asumir una alcantarilla d 2 ojos, cada ojo de seccin rectangular de: 1.5 x 1.5, con un borde libre de 0.25 que puede servir para los avenamientos y para caudales imprevistos o extraordinarios mayores a Qmx.

5. Longitud de transiciones

Lt = T1 T22Tg / 2

T1 = b + 2zy = 2.5 + 2 x 1.5 x 0.95 = 5.35 m

T2 = 3.20 m/2 = 45 (para asegurar una mayor capacidad de embalse en casos fortuitos)

Lt = 2.15 = 1.08m2.0

Como Lt = resulta demasiado corto se toma: Lt = D + b = 1.5 + 2.5 = 4.0 m

6. Cota de la plantilla de la alcantarilla en el Punto 2

Cota 1 = 100.0 msnm (del perfil del canal)

Nivel de agua en 1 = 100.0 + 0.95 = 100.95 m.s.n.m. Cota en 2 = 100-95 1.25 = 99.70 msnmNivel de agua en 2 = 99.70 + 1.25 = 100.95 m.s.n.m.

7. Longitud de la alcantarilla

Cota del camino = 102,00

Cota del punto 2 = 99.70

Dif. de cotas = 2.30 m

Longitud = 5.5 + 2 (1.5 x 2.30) = 12.40 m8. Cota de la plantilla de la alcantarilla en 3

22 Vn S = = 1=.34 x0.014 = 0.001r 2 / 3 2 / 3 1.875

S = 1 o/oo 4

Cota del punto 2 (0.001 x 12.40) = 99.70 0.0124

Cota de la plantilla en 3 = 99.688

Nivel de agua en 3 = 100.938 m.s.n.m.

9. Cota de la plantilla en el punto 4

Se obtiene del perfil del canal y esta equivale a: Longitud de alcant. + transiciones = 20.40 m Desnivel: 0.004 x 20.40 = 0.0816 mCota 1 0.0816 = 100.0 0.0816 = 99.92

Cota de la plantilla en 4 = 99.92

Nivel de agua en 4 = 99.92 + 0.95 = 100.87 m.s.n.m.

10. Chequeo o comprobacin hidrulicaE 1 = E4 + perdidas (A)

En este caso calcularemos las prdidas analticamente

Prdidas por Entrada

A122

Pog = f(1 A2 ) V22tg 45 2 2g

Segn las ecuaciones descritas:

A1 = (2.5 + 1.5 x 0.95) 0.95 = 3.73 m2

A2 = 2 (1.5 x 1.25) = 3.75 m2F1 = 2.5 2 x 0.95 1 + 1.52 = 5.93 m

F2 = 2 (1.25 x 2 + 1.5) = 8 m

R 1 = 0.63 m

R 2 = 0.47 m

R = 0.55 (promedio)

F = 0.037 (segn 2.5.2.3.) Reemplazando valores, se tiene: Pog = 0Prdidas por friccin

S = 0.001

Perdidas = 12.40 x 0.001

Perdidas = 0.0124 m

Prdidas por salida

24 V V Peg = 3 =V221= A4 4 2g A3 2g

TRazn de anchuras: 4T3 = 5.35 = 1.673.20

Con este valor y con /2 = 45 se obtiene:

= 0.8 (aprox.) A4 = 3.73 m2A3 = 3.75 m2

Reemplazando valores se obtiene: Pa = 011. Sumatoria de prdidas

Perd. = Pe + Pf + Ps = 0.0124 m

Se puede concluir que cuando se proyecta con velocidades iguales las perdidas de cargas se pueden despreciar.Reemplazando valores en la igualdad (A) E1 = E4 = Perdidas100.0 + 0.95 + 0.092 = 99.92 + 0.95 + 0.0124

101.042 = 100.974

DIF. = 0.068 m

Lo que significa que no habr problema hidrulico, puesto que la carga hidrulica en 1 es mayor que en 4.Inclinacin de las transiciones

Transicin de entrada

4= 13.3 o sea 13.3:1100.0 99.70

Transicin de salida

4= 14.6 sea 14.8:199.92 99.65

Ambas son ms planas que 4:1 luego se aceptan

ES Q UEM A DEF INITIVO

5.0 DISEO DEDESARENADORES