SISTEMAS DE ALCANTARILLADO PLUVIAL

UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN SIMN

INGENIERA SANITARIA II Memoria Tcnica

SISTEMAS DE ALCANTARILLADO PLUVIAL

Descripcin del sistema

El alcantarillado de aguas de lluvia est conformado por el conjunto de colectores y canales necesarios para evacuar la escorrenta superficial producida por la lluvia. Inicialmente el agua es captada a travs de los sumideros en calles y las conexiones domiciliarias, y llevada a una red de tuberas que van ampliando su seccin a medida que aumenta el rea de drenaje. Posteriormente estos colectores se hacen demasiado grandes y entregan su caudal a una serie de canales, los que harn la entrega final al ro.

Componentes de un sistema de alcantarillado pluvial

Un sistema de alcantarillado pluvial est constituido por los siguientes componentes.- Conjunto cordn cuneta.

- Boca de tormenta.

- Cmara de conexin.

- Tubera de conexin.

- Cmara de inspeccin.

- Colectores secundarios.

- Colector principal.

a) Cordn de acera.- Pieza de hormign destinada a separar la calzada de la acera conformando de esta manera la cuneta longitudinalmente.

b) Cuneta.- Canal de seccin triangular que se forma entre el cordn y la calzada, destinada a conducir las aguas superficiales hacia las bocas de tormenta.

c) Boca de tormenta.- Estructura hidrulica destinada a captar las aguas superficiales, que cosiste en una cmara de mampostera de piedra u hormign, ubicada bajo la acera o bajo la cuneta.

d) Cmara de conexin.- Cmara de mampostera de piedra u hormign que recibe las aguas pluviales captadas por la rejilla de la boca de tormenta.

e) Tubera de conexin.- Es la tubera destinada a conectar la boca de tormenta con una cmara de inspeccin.

f) Cmara de inspeccin.- Cmara de mampostera de piedra o concreto que une los diferentes tramos de colectores o recibe las tuberas de conexin de las bocas de tormenta.

g) Colectores secundarios.- Tuberas que conducen la contribucin del curso de agua afluente y queda ubicada en el fondo de un valle secundario de la cuenca de drenaje.

h) Colector principal.- Tuberas que conducen la contribucin del curso principal de agua y queda ubicada en el fondo de un valle principal de la cuenca de drenaje.

Evaluacin del caudal de diseo

En general, puede ser empleado cualquier modelo de lluvia escorrenta. Para superficies menores de 1000 Ha ( 10 Km2 ) se recomienda utilizar el Mtodo Racional, dada su simplicidad. Sin embargo, para reas mayores a 1000 Ha ( 10 Km2 ) se debera utilizar un modelo ms apropiado a las caractersticas de la cuenca, por ejemplo el mtodo del hidrograma unitario, el mtodo el Soil Conservation Service u otro mtodo similar.

Captulo V Sistemas de Alcantarillado Pluvial 86

Componentes de un sistema de alcantarillado pluvial

El mtodo racional

Este mtodo establece que el caudal superficial producido por una precipitacin es:

Donde:

Q = Caudal superficial (L/s)

C = Coeficiente de escorrenta ( adimensional )

I = Intensidad promedio de la lluvia (L/s Ha)

A = Area de drenaje (Ha)

El mtodo racional tiene como concepto bsico que el caudal mximo Q (caudal de proyecto) para una pequea cuenca de drenaje ocurre cuando toda la cuenca est contribuyendo y que ste es una fraccin de la precipitacin media bajo las siguientes hiptesis:

- El caudal mximo Q en cualquier punto, es una funcin directa de la intensidad media de la lluvia I, durante el tiempo de concentracin para aquel punto.

- La frecuencia del caudal mximo es la misma que la frecuencia media de la lluvia.

- El tiempo de concentracin Tc est implcito en la determinacin de la intensidad

media de la lluvia I en vista de la estipulacin antes mencionada cuando toda la cuenca est contribuyendo; as el tiempo de concentracin se iguala al tiempo de duracin de la lluvia.

La ecuacin del mtodo racional no siempre puede emplearse, debido a las siguientes limitaciones:

- Es una ecuacin emprica ya que fue desarrollada en una cuenca experimental, por esta razn, est limitado su uso a superficies menores a 10 Km2.

- No toma en cuenta la distribucin espacial de la lluvia, debido a que supone que llueve sobre toda la cuenca en forma uniforme.

- Supone que cuando comienza la lluvia la cuenca tambin comienza a contribuir, lo cual no es cierto.

Area de drenaje (A )

Para determinar el rea de drenaje dentro de la ciudad, se procede de manera similar a como se determinaron las reas para el diseo de alcantarillado sanitario, es decir, trazando diagonales o bisectrices por las manzanas y planimetreando las respectivas reas aferentes a cada colector. En los casos en que alrededor de la poblacin exista una cuenca que aporte un gran volumen de agua, se deberan disear canales interceptores con el fin de evitar que los colectores iniciales resulten excesivamente grandes.

Intensidad de lluvia

Este valor es obtenido a travs de un estudio hidrolgico de la zona, del cual se obtiene las curvas de intensidad, duracin y frecuencia.

Es importante recordar que, de acuerdo con estas curvas, la intensidad es inversamente proporcional a la duracin y directamente proporcional a la frecuencia de la lluvia. Para poder, entonces, obtener un valor de intensidad de lluvia en la aplicacin del mtodo racional, es necesario definir la frecuencia de la lluvia y su duracin.

La ecuacin de intensidad, frecuencia duracin en forma generalizada1, tiene la siguiente expresin:

Donde:

c, m, n = valores correspondientes a las caractersticas regionales de la

precipitacin.

f = Frecuencia en aos

t = Tiempo de duracin. (min.)

La intensidad de lluvia que se adopta en el clculo del caudal para los proyectos, se determinar con el tiempo de concentracin ( Tc ).

La informacin extractada de los registros de las bandas pluviogrficas debe ser procesada mediante mtodos estadsticos para determinar las curvas Intensidad, Duracin y Frecuencia (I.D.F.). Estas curvas sirven como dato de entrada en la generalidad de los modelos lluviacaudal para estimar caudales de diseo en las obras hidrulicas.

Como referencia se presentan las ecuaciones de las intensidades de lluvia , en mm/h, desarrolladas para las ciudades: La Paz, El Alto, Sucre, Oruro, Trinidad, Santa Cruz2.

A continuacin nos referiremos a las curvas I.D.F desarrolladas para la ciudad de

Cochabamba3, las cuales servirn como referencia en la elaboracin de proyectos.

La determinacin de las curvas I.D.F para la Estacin AASANA-COCHABAMBA, fue elaborado por la Divisin de Hidrologa Aplicada de la Empresa Nacional de Electricidad

ENDE, con los siguientes datos disponibles:

- Bandas pluviogrficas (copiadas de las originales del SENAMHI) del periodo 1987 a 1993.

- Valores interpretados de intensidades mximas anuales de los siguientes periodos:

- 1972/73 a 1978/79 (fuente: SEMAPA)

- 1972/73 a 1975/76 (fuente: GEOBOL-PIRH-C)

- 1972/73 a 1979/80 y 1981/82 a 1983/84 (fuente: Ing. G. Miranda T.)

En base al anlisis realizado, y considerando el coeficiente de correlacin ms alto, se adopt la siguiente ecuacin:

Donde:

i = intensidad (mm/h)

d = duracin (min.)

T = periodo de retorno (aos)

Obteniendo los parmetros A, B, C :

3Proyecto elaborado por la Divisin de Hidrologa Aplicada de la Empresa ENDE.

Fuente: Proyecto elaborado por la Divisin de Hidrologa Aplicada de la Empresa de Electricidad, ENDE

a) Frecuencia de lluvia

La frecuencia de las precipitaciones es el tiempo en aos en que una lluvia de cierta intensidad y duracin se repite con las mismas caractersticas.

Siendo la frecuencia un factor determinante de la capacidad de las redes de alcantarillado pluvial en su relacin con la prevencin de inundaciones, en vas, reas urbanas y plazas y por tanto de riesgos y daos con la propiedad, daos personales y al trfico vehicular. La eleccin de los perodos de retorno de un precipitacin est en funcin a las caractersticas de proteccin e importancia del rea en estudio.

El escoger un valor depender de varios criterios tales como la importancia relativa de la zona y el rea que se est drenando. En la tabla 5.2 se indican algunos valores que pueden ser utilizados como guas para esta determinacin en los tramos o tuberas del alcantarillado.

Las frecuencias de diseo para los canales de aguas pluviales son:

- Canales que drenen reas menores a 1000 Ha:

Seccin revestida en concreto: 10 aos

Capacidad total: 25 aos

-Canales que drenen reas mayores a 1000 Ha:

Seccin revestida en concreto: 10 aos

Capacidad total: 50 aos

Borde libre: 100 aos

- Canales interceptores de lluvia:

Los canales interceptores, cuyo desbordamiento ponga en peligro vidas humanas, deben disearse para un periodo de retorno de 100 aos.

Captulo V Sistemas de Alcantarillado Pluvial

Frecuencias de diseo

Fuente: Norma Tcnica de diseo de sistemas de alcantarillado.

b) Duracin de lluvia

Se puede demostrar que el caudal producido ser mximo si la duracin de la lluvia es igual al tiempo de concentracin del rea drenada. El tiempo de concentracin es el tiempo que tarda el agua en llegar desde el punto ms alejado de la cuenca hasta el colector o, en otros trminos, es el tiempo requerido desde el comienzo de la lluvia para que toda el rea est contribuyendo al colector en cuestin.

El tiempo de concentracin ( Tc ) puede ser dividido en dos: 1) Tiempo de entrada ( Te ) y 2) Tiempo de recorrido en el colector ( Tp ). El tiempo de entrada es considerado como aquel de recorrido en montaas, terreno plano, cunetas, zanjas y depresiones. Este tiempo depende de las caractersticas de la superficie tales como pendiente y tipo de superficie, y oscila entre 5 y 10 minutos. El tiempo de recorrido en el colector depender de la velocidad y la longitud del colector entre pozos. Para calcular de ste tiempo, al comienzo, es conveniente asumir una velocidad real en el colector de 1 m/s.

Tc = Te + Tp Donde:

Tc = Tiempo de concentracin ( min )

Te = Tiempo de entrada ( min )

Tp = Tiempo en el colector ( min )

Coeficiente de escorrenta ( C )

El coeficiente de escorrenta tiene un significado similar al del coeficiente de retorno en el clculo del alcantarillado sanitario. No toda el agua de lluvia precipitada llega al sistema del alcantarillado; parte se pierde por factores tales como evaporacin, intercepcin vegetal, detencin superficial en cunetas, zanjas o depresiones, y por infiltracin. De todos los factores anteriores, el de mayor importancia es el de infiltracin, el cual es funcin de la impermeabilidad del terreno y es por esto que en algunos casos se le llama coeficiente de impermeabilidad.

La determinacin absoluta de este coeficiente es muy difcil ya que existen hechos que pueden hacer que su valor vare con el tiempo. Por una parte, las prdidas por infiltracin disminuyen con la duracin de la lluvia debido a la saturacin paulatina de la superficie del suelo y, por otra parte, la infiltracin puede ser modificada de manera importante por la intervencin del hombre en el desarrollo de la ciudad, por acciones tales como la tala de rboles y la construccin de nuevos sectores residenciales y comerciales.

El coeficiente de escurrimiento se obtendr de la siguiente formula:

Donde:

Ci = coeficiente de escurrimiento superficial de cada sector.

Ai = rea de cada sector (Ha)

A = rea total de la cuenca de drenaje (Ha)

En la tabla se dan algunas guas para la seleccin del coeficiente de escorrenta segn la Norma Tcnica de Diseo para Sistemas de Alcantarillado y Tratamiento de aguas Residuales NB 688.

La Norma Boliviana recomienda adoptar valores del coeficiente de escurrimiento C = 0.40 y 0.60, en poblaciones rurales.

Coeficientes de escurrimiento superficial

Fuente: Norma Tcnica de diseo de sistemas de alcantarillado.

Tipos de seccin admitidos

Para conductos de dimensin interna hasta 1.20 m, es recomendable el empleo de una seccin circular.

Para conductos de dimensiones internas mayores a 1.20 m, las uniones rectangulares son las ms recomendadas pudiendo ser adoptada con preferencia la seccin cuadrada. Se debe cuidar que los lados verticales de las secciones rectangulares no sobrepasen los 3.0 m.

Altura de tirante de agua

Las tuberas sern normalmente dimensionadas para funcionar como conductos libres sin presin.

En caso de secciones rectangulares, el funcionamiento de los colectores a seccin plena ser siempre como conductos libres, dejando un colchn de aire de 0.10 m de altura, encima del nivel mximo de la lmina de agua.

Interconexin entre tramos de colectores

La interconexin se har siempre mediante la instalacin de una cmara de inspeccin, bajo las siguientes condiciones:

- Las dimensiones de los colectores no deben disminuir en la direccin aguas abajo.

- En la unin de colectores de dimetros diferentes, las claves deben mantener el mismo nivel.

- La cada mxima aceptable en una cmara de inspeccin no debe exceder de 2.5m.

- En caso de que sea necesaria la adopcin de una cada mayor a 2.50 m de altura, se deber estudiar la disipacin de energa existente.

Pendientes de los colectores

Como se indic en el Captulo 3, a tensin tractiva mnima es de 0.10 Kg/m2, con objeto de permitir la auto limpieza de colectores.

La fuerza tractiva debe ser suficiente para transportar el 90% del material granular que se estima entra al sistema de alcantarillado.

La condicin de auto limpieza para determinar la pendiente mnima debe calcularse con el 10% de la capacidad a tubo lleno.

La pendiente de los colectores, siempre que sea posible, deber ser igual a la del terreno. No obstante, para emplear secciones de menores dimensiones, pueden ser adoptadas inclinaciones mayores que la del terreno.

Clculos hidrulicos.

Los clculos hidrulicos de dimensionamiento de los colectores sern realizados empleando la frmula de Chezy:

La ecuacin de continuidad:

Donde el valor del coeficiente C de Chezy se representa por la frmula de Manning:

Donde:

Q = Caudal (m3/s)

V = Velocidad media (m/s)

A = seccin mojada (m2)

Rh = Radio hidrulico (m)

S = Pendiente longitudinal (m/m)

n = Coeficiente de rugosidad adimensional

Clculo hidrulico de sumideros

Los sumideros son las estructuras encargadas de recoger la escorrenta de las calles. Se ubican a lado y lado de la calle y en la esquina aguas debajo de cada manzana.

Clasificacin de los sumideros

En general los sumideros se dividen en cuatro tipos:

- Sumideros de ventana o acera

- Sumideros de reja o calzada

- Sumideros mixtos o combinado

Capacidad de agotamiento de un boca de tormenta

La capacidad de una boca de tormenta / sumidero, cualquiera sea su tipo, depende de la altura de agua en el tramo de acera aguas arriba del sumidero. Si esta estuviese ubicada en un tramo de pendiente uniforme, la altura de agua en la cuneta depender de sus caractersticas como conducto libre. Tales caractersticas incluyen la seccin transversal, la pendiente y la rugosidad de la cuneta y de las superficies del pavimento sobre el cual escurre el agua.

En la determinacin de la capacidad del sumidero la primera condicin es que las caractersticas de escurrimiento en conducto libre de la cuneta aguas arriba sean conocidas.

Calculo de la capacidad de caudal de una cuneta

Cuando la seccin transversal de la cuneta consiste esencialmente de un pavimento con pendiente uniforme, el caudal puede ser rpidamente calculado usando el nomograma de IZZARD para escurrimiento en un canal triangular (ver Anexo 5.2). Este nomograma es tambin aplicable a secciones compuestas de dos o mas partes de secciones diferentes.

El nomograma de IZZARD, permite calcular la altura de agua en el bordillo de acera para un caudal dado o viceversa. En estos clculos se debe tener presente que la altura de agua obtenida es para una longitud de cuneta suficiente para establecer un escurrimiento uniforme, siendo esta longitud probablemente 15m. Invariablemente, una cuneta va gradualmente acumulando agua de modo que el caudal no es constante a lo largo de su longitud.

Para el calculo del caudal en cunetas es posible el empleo de la formula de Manning considerando una seccin triangular.

Los valores del coeficiente n de Manning adoptados, son los que se muestran en la tablaPara cunetas con pendientes pequeas donde es posible la acumulacin de sedimentos, los valores de

n mencionados en la tabla deben ser incrementados en 0.002 a 0.005.

Coeficientes de rugosidad de Manning.

Fuente: Reglamento Tcnico de diseo de sistemas de alcantarillado.

Capacidad de drenaje de los sumideros

El nomograma de IZZARD fue construido para la siguiente ecuacin:

donde:

Q = Caudal de drenaje de la cuneta ( L / s )

Y = Profundidad mxima ( cm.)

Z = Inverso de la pendiente transversal.

n = Coeficiente de Manning.

S = Pendiente longitudinal

Se recomienda utilizar el nomograma de Izzard para valores de Z > 8. Para valores de Z < 8 utilizar la frmula de Manning.

1.- Sumideros de ventana

1.a) Clculo de la capacidad

La capacidad de un sumidero de ventana depende principalmente de los siguientes factores:

1. Condiciones de flujo de aproximacin. Expresada por el caudal y la altura de agua en el cordn de acera, a su vez interrelacionados por la geometra de la va, su pendiente longitudinal y su rugosidad n.

2. Longitud L de la ventana

3. Para un mismo caudal y en relacin a un sumidero de longitudinal L, su capacidad de captacin Q1 disminuye con la pendiente longitudinal de la va, puesto que la altura se hace menor y por lo tanto se reducen las cargas hidrulicas que inducen al ingreso lateral del agua.

4. La capacidad de los sumideros de ventana aumenta con incrementos de la pendiente transversal de la va SX.

Algunas recomendaciones de tipo practico que resultan de investigaciones experimentales deben ser consideradas.

- La practica ha demostrado que la eficiencia del sumidero de ventana, mejora ostensiblemente si en su proyecto se especifica una depresin en un sector adyacente a la abertura.

- El efecto de las ondas superficiales que se generan en las alteraciones de los contornos, si el rgimen de aproximacin es supercritico.

- La dispersin de datos y por lo tanto la dificultad en la seleccin del coeficiente de

descarga que interviene en la ecuacin del flujo de descarga lateral.

1.b) Mtodo de clculo del sumidero de ventana normalizado.

Las limitaciones establecidas4 en cuanto a las caractersticas de este tipo de sumidero se indican a continuacin:

- Deber tener una longitud mnima de 1.50 m.

- La depresin transversal en la calzada con un ancho mnimo de 0.30 m y un mximo de 0.60 m. La pendiente de esta depresin ser hasta 8 %, con un valor mnimo de 2.5 cm de abertura para un ancho de depresin de 0.30 m.

- La alturea mxima de la ventana, ser de 0.15 m.

- El fondo del sumidero, deber tener pendiente mnima de 2 % hacia la salida.

Para el clculo de la capacidad de los sumideros normalizados se requiere usualmente la magnitud del caudal que sobrepasa el sumidero, correspondiente a un caudal de aproximacin establecido. Se recomienda el empleo de sumideros de ventana preferiblemente para pendientes longitudinales de calles menores al 3 %.5

2.- Sumidero de reja normalizado.

2.a) Clculo de la capacidad

Para determinar la capacidad de las rejas, se requiere conocer tanto la pendiente transversal como la pendiente longitudinal de las calles, adems de las caractersticas de la reja.

La lnea que limita la aplicabilidad de los grficos se refiere al mximo caudal que puede ser interceptado por una reja de cierta longitud, en una calle de pendiente conocida. Tal como se puede observar en los grficos, el caudal mximo interceptado disminuye al aumentar la pendiente longitudinal de la calle.

La Reja Tipo Calzada tiene 1.50 m x 0.90 m pero sus dimensiones tiles son 1.32 m x 0.72 m; el rea neta de ranuras es de 0.68 m2, que representan un 72 % de la superficie de la cmara.

La Reja Tipo Cuneta es mas pequea y tiene 0.66 m de ancho por 0.96 m de largo y 10 ranuras con un rea neta de 0.27 m2, que representa casi el 50 % del rea de la cmara.

Para ambos casos:

QI = Caudal interceptado por el sumidero ( L / s )

So = Pendiente longitudinal de la calle.

Y = Altura de inundacin de la calzada ( cm)

n = Coeficiente de Manning.

SX = Pendiente transversal.

Reja tipo calzada y reja tipo cuneta

3.- Sumideros mixtos o combinados

Es una combinacin de reja y ventana. Para calcular la capacidad combinada de estos sumideros, hay que considerar la ubicacin relativa delos mismos y las variables determinantes de la capacidad de cada uno. La metodologa consiste en sumar juiciosamente los caudales de entrada, es decir, calcular por separado y sumar los Q1 obtenidos. El clculo debe hacerse con condiciones de aproximacin

diferentes; rara vez se puede determinar la capacidad sin recurrir a factores de seguridad.

Planilla de calculo

Se elige una planilla de clculo, que identifique los datos bsicos, incorpore los clculos hidrulicos, e incluya los regmenes de funcionamiento y las caractersticas geomtricas de las alcantarillas.

El procedimiento del clculo se explicar mediante un ejemplo, con los siguientes datos:

- Tiempo de entrada al colector = 10 min.

- El clculo de la Intensidad con la ecuacin: - Frecuencia de la lluvia = 2 aos

- Coeficiente de escorrenta = 0.30

- Coeficiente de rugosidad n = 0.013

Sobre el plano topogrfico, se hace el trazado de la red de colectores, se enumeran y se ubican las cmaras de inspeccin teniendo en cuenta la topografa del terreno. Planilla Clculo para sumideros

Para el ejemplo propuesto anteriormente, se disearn sumideros de rejas normalizados con los siguientes datos :

- Pendiente transversal de la calle Sx = 5 %

- Coeficiente de rugosidad n = 0.016

- Coeficiente de escorrenta C = 0.3- Tiempo de entrada Te = 10 min.

- Frecuencia de duracin de lluvia F = 2 aos

- Intensidad de la lluvia I = 46.32 mm/h (Calculada con la ecuacin 5.4 )

Se supondr que las caractersticas hidrulicas son iguales en ambos lados de la calle, por tanto el diseo se realizar para el lado de la calle donde el rea de aporte sea mayor.