Presentado a: Ing. Daniel Agudelo Q. Andrs Danilo Castillo Cd. 215286 Lisa Lorena LosadaCd. 214919 David Alejandro CarantnCd. 215134 Grupo 1, Subgrupo 9 Q=

Universidad Nacional de Colombia. Bogot, 16 de Enero de 2014. Diseo del Sistema de Abastecimiento de Agua Potable. Diseo del Sistema de Abastecimiento de Agua Potable. 1 Tabla de contenido 1INTRODUCCION ............................................................................................................ 7 2OBJETIVOS .................................................................................................................. 8 2.1Objetivo General .................................................................................................... 8 2.2Objetivos Especficos. ............................................................................................ 8 3ESTIMACION DE POBLACIN. ....................................................................................... 9 3.1MTODO ARITMETICO. ......................................................................................... 10 3.2CRECIMIENTO GEOMTRICO. ............................................................................... 12 3.3METODO LOGARITMICO. ...................................................................................... 13 3.4MTODO VARIACIN LOGARTMICA ...................................................................... 14 4POBLACIN Y DOTACIN FUTURA ............................................................................... 15 5CAPTACIN. ............................................................................................................... 17 5.1Diseo de la Presa ................................................................................................19 5.2Rejilla ................................................................................................................. 20 5.3Canal colector ...................................................................................................... 21 5.4Cmara de Recoleccin ....................................................................................... 22 5.5Vertedero de excesos. ........................................................................................... 23 6ADUCCIN. ............................................................................................................... 25 6.1DISEO DE LA ADUCCIN. .................................................................................. 26 6.1.1Conduccin no Forzada. ................................................................................ 26 6.1.2Conduccin Forzada. .....................................................................................30 7DESARENADOR .......................................................................................................... 31 7.1ZONA DE ENTRADA .............................................................................................. 32 7.2ZONA DE SEDIMENTACIN ...................................................................................34 7.2.1FILAS Y COLUMNAS DEL TABIQUE DE ENTRADA ............................................38 7.3ZONA DE LODOS ................................................................................................. 39 7.4ZONA DE SALIDA ................................................................................................. 40 8CONDUCCIN ............................................................................................................. 41 Diseo del Sistema de Abastecimiento de Agua Potable. 2 8.1Canales Abiertos. .................................................................................................. 41 8.1.1Velocidad Mxima en canales. ....................................................................... 42 8.1.2Velocidad Mnima en Canales ........................................................................ 42 8.1.3Rugosidad en Canales. ...................................................................................43 8.1.4Taludes en Canales. .......................................................................................43 8.1.5Infiltracin .................................................................................................... 44 8.1.6Borde Libre en Canales ................................................................................. 44 8.1.7Radios de curvatura mnimo. ......................................................................... 45 8.1.8Transicin de las Secciones. ......................................................................... 45 8.2DISEO DE CONDUCCION ABIERTA. ..................................................................... 45 8.2.1Velocidad en el canal. ................................................................................... 46 8.2.2rea de la seccin. ....................................................................................... 46 8.2.3Base del Canal ............................................................................................... 47 8.2.4Profundidad til del agua. .............................................................................. 48 8.2.5Borde libre ................................................................................................... 48 8.2.6Velocidad Mnima. ........................................................................................ 48 8.2.7Ancho libre de la seccin: ............................................................................. 48 8.2.8Profundidad Hidrulica. ................................................................................. 48 8.2.9Numero de Froude, ....................................................................................... 49 8.2.10Ancho de la seccin...................................................................................... 49 8.2.11Radio Hidrulico ........................................................................................... 49 8.2.12Pendiente. .................................................................................................... 49 8.3Conductos cerrados a presin o forzado. ............................................................... 49 8.3.1Longitud equivalente de accesorios. ............................................................... 50 8.3.2Pendiente. ..................................................................................................... 51 8.3.3Dimetro. ...................................................................................................... 51 8.3.4Pendiente de cada tramo. .............................................................................. 52 8.3.5Longitud para cada dimetro. ........................................................................ 52 Diseo del Sistema de Abastecimiento de Agua Potable. 3 8.3.6Clculo de la velocidad, V. .............................................................................. 53 8.4CONDUCCIN EN CONDUCTOS CERRADOS SIN PRESION ...................................... 53 8.5ACCESORIOS EN LA CONDUCCIN A PRESIN ..................................................... 59 8.5.1Vlvula de Ventosa........................................................................................ 59 8.5.2VLVULAS DE PURGA .................................................................................. 62 8.5.3GOLPE DE ARIETE ........................................................................................ 63 8.5.4CODOS ........................................................................................................ 64 8.5.5ANCLAJES .................................................................................................... 67 8.5.6CODOS EN SENTIDO VERTICAL SUPERIOR .................................................... 68 9COAGULACION ........................................................................................................... 73 9.1CAMARA DE AQUIETAMIENTO .............................................................................. 73 9.2CANALETA PARSHALL MODIFICADA Y CANAL DE RESALTO .................................. 75 9.3DISEO DEL CANAL ENTRE LA COAGULACION Y LA FLOCULACION....................... 84 10FLOCULACIN ........................................................................................................... 86 10.1TIPOS DE FLOCULADOR ...................................................................................... 86 10.1.1Floculacin Peri cintica. ............................................................................... 86 10.1.2Floculacin Orto cintica. .............................................................................. 86 10.1.3Floculacin por sedimentacin diferencial. ...................................................... 86 10.2DISEO SECTOR III ............................................................................................... 87 10.2.1Diseo 1. ..................................................................................................... 88 10.2.2Diseo 2. ..................................................................................................... 90 10.2.3Diseo 3. ......................................................................................................91 10.3DISEO SECTOR II............................................................................................... 93 10.3.2Diseo caso 2. ............................................................................................. 95 10.3.3Diseo caso 3. ............................................................................................. 96 10.4DISEO SECTOR I ............................................................................................... 98 10.4.1Diseo caso 1. ............................................................................................. 98 10.4.2Diseo caso 2. ............................................................................................ 100 Diseo del Sistema de Abastecimiento de Agua Potable. 4 10.4.3Diseo caso 3. ............................................................................................ 101 10.4.4Resumen. ................................................................................................... 103 11SEDIMENTACION ...................................................................................................... 105 11.1TIPO DE SEDIMENTADOR ................................................................................... 105 11.2DATOS GENERALES ........................................................................................... 105 11.3ZONA DE ENTRADA ............................................................................................106 11.4ZONA DE SEDIMENTACIN ................................................................................. 108 11.5ZONA DE SALIDA ................................................................................................ 112 11.6ZONA DE LODOS ................................................................................................ 112 12FILTRACION ............................................................................................................. 115 12.1Condiciones Iniciales de Diseo. .......................................................................... 115 12.2Nmero de filtros. ............................................................................................... 115 12.3rea del filtro. ..................................................................................................... 116 12.3.1DIMENSIONES DE LOS FILTROS ............................................................... 116 12.4Granulometra y espesor de los lechos filtrantes. ................................................... 117 12.5Velocidad Mnima de Fluidizacin: ........................................................................ 119 12.6Velocidad de Lavado: .......................................................................................... 120 12.7Sistema de drenaje. ............................................................................................ 121 12.7.1rea del orificio. .......................................................................................... 121 12.7.2Nmero de niples. ........................................................................................ 121 12.7.3rea total d orificios. .................................................................................... 121 12.7.4Canaletas de Lavado: ................................................................................... 122 12.8Prdidas en la filtracin. ...................................................................................... 123 12.8.1Para flujo laminar: ........................................................................................ 123 12.9Para Flujo turbulento. .......................................................................................... 125 12.9.1Prdidas durante el lavado. ........................................................................... 125 12.10Niveles y Tasas de Filtracin (Mtodo Di Bernardo). ........................................... 126 12.11Expansin ....................................................................................................... 129 Diseo del Sistema de Abastecimiento de Agua Potable. 5 13DESINFECCION. ........................................................................................................ 132 13.1Cloro como desinfectante: ................................................................................... 133 13.2Resumen de diseo: Desinfeccin. ...................................................................... 133 13.2.1Determinacin de la dosis. ........................................................................... 133 13.2.2Calculo del flujo de masa. ............................................................................ 134 13.2.3Forma de aplicacin. .................................................................................... 134 13.2.4Flujo de aplicacin. ...................................................................................... 135 13.2.5Tanques de almacenamiento. ....................................................................... 135 13.2.6Volumen del tanque de desinfeccin ............................................................. 135 13.2.7Dimensiones del tanque: .............................................................................. 136 14TANQUE DE ALMACENAMIENTO. ............................................................................... 137 14.1Clasificacin de los tanques de almacenamiento ................................................... 137 14.2Accesorios del tanque de almacenamiento ........................................................... 137 14.3Sntesis de Diseo: ............................................................................................. 137 14.3.1Volumen para compensar la variacin de consumo. ....................................... 138 14.3.2Nmero de hidrantes .................................................................................... 138 14.3.3Tiempo de duracin del incendio. .................................................................. 138 14.3.4Volumen adicional para incendios. ................................................................ 138 14.3.5Volumen tanque de almacenamiento. ............................................................ 139 14.3.6Profundidad total del tanque: ........................................................................ 139 14.3.7Borde libre .................................................................................................. 139 14.3.8Profundidad til. .......................................................................................... 140 14.3.9rea superficial del tanque: ........................................................................... 140 14.3.10Dimensiones. ........................................................................................... 140 14.3.11Desague .................................................................................................. 141 14.3.12Longitud total de la tubera. ....................................................................... 141 14.3.13Coeficiente de descarga: ........................................................................... 142 14.3.14Area de la tubera: .................................................................................... 142 Diseo del Sistema de Abastecimiento de Agua Potable. 6 14.3.15Tiempo de desage: ................................................................................. 142 14.3.16Accesorios del montaje de tanque de almacenamiento. ............................... 143 15CONCLUSIONES ....................................................................................................... 144 16BIBLIOGRAFIA .......................................................................................................... 145 Diseo del Sistema de Abastecimiento de Agua Potable. 7 1INTRODUCCION Elaguaesunelementoindispensableparalavidahumanayparaeldesarrollode sociedades y poblaciones. Es necesaria para procesos industriales, generacin de energa, produccin agrcola, limpieza, entre otras muchas cosas. Tener acceso al agua es casi tan importante como el elemento como tal, para esto, el ser humano, a travs de los aos, ha desarrolladotcnicas,cadavezmsprecisas,paraconducirelaguaapoblacionesdela manera ms econmica y tcnicamente adecuada. Famosos son los acueductos romanos, quedesdeelao312a.C.conelacueductoAquaAppiade16.561kmdelongitud,han llevado a la humanidad a disear cada vez mejor estas obras indispensables. Elpresentetrabajotienecomopropsitodisearunsistemadeabastecimientodeagua potableaunapoblacincuyanecesidadfuturaserde110litrosporsegundo.Parael presente diseo se realiz un estudio de poblacin y se trata de estimar, mediante varios mtodos, la poblacin futura, para la cual se diseara el acueducto. Laimportanciadelasoperacionesunitariasenelmanejodelapurificacindelaguaha revolucionado notoriamente su proceso y su obtencin.Elpresentedocumentocontieneeldiseodetodosloscomponentesdeunaplantade tratamiento deagua potable PTAP, desde surecoleccin en la bocatoma del ro hasta el tanque de almacenamiento en donde se almacenar el agua limpia, lista para el consumo humano. Son diseos importantes las estructuras que llevan el fluido desde el ro hasta la planta, estas son, la bocatoma, la cual debe disearse para recibir el caudal necesario para alimentarlapoblacinydevolverelcaudalexcedenteala fuente.Eldesarenadoresuna estructura que hace una limpieza previa al agua, esta estructura no es indispensable pero ayudaaqueelaguaqueesconducidaporlastuberasocanalesdeconduccinestcon un menor porcentaje de partculas, evitando problemas en dichas estructuras. Seguido de estosedesarrollanoperacionesunitariasindispensablescomolacoagulacinyla floculacin,acompaadasdelprocesodesedimentacinnecesarioparallevaracabola obtencin delosresiduosquesealberganen el aguaaliniciodesutratamiento,parasu evacuacin.Elprocesodefiltracinesindispensableenlaplanta,puestoqueesteesel procesoquelimpiaelaguademaneramsefectiva;sinesteprocesonopodra garantizarse la potabilidad del agua, es tan importante este proceso que la planta podra trabajareficientementesloconfiltros.Enelprocesodedesinfeccinseaseguraqueel aguaestlibredemicroorganismosquepuedenllegaraserpotencialmentepeligrosos paralasaludhumana,esteprocesodebeasegurarqueeldesinfectantenoslotenga efectoeneltanquedealmacenamientosinoenelprocesodedistribucin,llegandosu Diseo del Sistema de Abastecimiento de Agua Potable. 8 efecto incluso despus de pasar por la poblacin. 2OBJETIVOS 2.1Objetivo General Mediantelaasignacindeuncaudalmximodiariode110lt/s,disearunsistemade abastecimientodeaguapotableconelfindecumplirdelamejormaneraposiblelas condicionestcnicas,econmicasydebienestarparalapoblacinquevaabeneficiarse de su construccin. 2.2Objetivos Especficos. Realizar la proyeccin de la poblacin a diferentes aos para conocer la influencia que tendr el proyecto en el futuro. Estimarladotacinfuturaquelogrecomplacerlasnecesidadesdelapoblacin proyectadaparaellugardeubicacindelsistemadeabastecimientodeagua potable. Disearlasdiferentesetapasdelsistema,teniendoencuentacadaunadelas recomendacionesestudiadasenlateorayloconsignadoenlaRAS2000, reglamento tcnico del sector de agua potable y saneamiento bsico. Crear un sistema que logre abastecer a la poblacin sin importar las condiciones de clima que trae consigo la ubicacin del terreno seleccionado para la construccin del sistema. Diseo del Sistema de Abastecimiento de Agua Potable. 9 3ESTIMACION DE POBLACIN. Pararealizarelestudiodelsistemadeabastecimientodeaguapotableesnecesario conocer cules son los factores poblacionales que dependern en el futuro del diseo que se realiza. Se tendrn en cuenta las recomendaciones que se presentan en la RAS 2000-v reglamento tcnico del sector de agua potable y saneamiento bsico. Como primera medida se defini el nivel de complejidad que se emplear para el sistema adisear.EnlaTabla1seenuncianlosmtodosaemplearparalaproyeccinde poblacinparaelniveldecomplejidad;paraestecasoenparticularelnivelescogidoes medioaltoenelcualdebenestudiarseMtodoscomoelAritmtico,elgeomtrico,el exponencial y otro. Tabla 1. Mtodos de clculo mnimos permitidos segn la complejidad del sistema. Fuente: RAS 2000 Enfuncinaelniveldecomplejidadseleccionado,setieneencuentauncoeficientede consumo mximo diario, el cual se encuentra tabulado en laTabla 2 y que para el uso de este ejercicio tendr un valor de k1=1,2. Tabla 2.Coeficiente de consumo mximo diario, K1, segn el nivel de complejidad del sistema. Fuente: RAS 2000 Una vez definido el coeficiente mximo de consumo diario, se debe revisar la Tabla 3 con el fin de conocer la dotacin neta mnima del sistema en lt/habitante*dia para el sistema que va a disearse. Diseo del Sistema de Abastecimiento de Agua Potable. 10 Tabla 3.Dotacin neta segn el nivel de complejidad del sistema. Fuente: RAS-2000. Teniendoencuentaloanterior,secomenzarporestudiarcadaunodelosmtodos analizados para la proyeccin de la poblacin dada la exigencia del sistema a disear. 3.1MTODO ARITMETICO. Asumiendo que la poblacin crece demanera lineal a una tasa constante decrecimiento anual, se puede usar este mtodo. Con los valores de censos anteriores se obtiene una nube de puntos que permite conocer la poblacin como a crecido durante el tiempo censado. Para este caso se tienen los datos decensosenColombia(ExactamentelaciudaddeManizales)delosaos1951,1964, 1973, 1985, 1993 y 2005. Luegodeubicarlarectaconmejorajusteentreestospuntos,usandoelmtododelos mnimoscuadrados,seobtieneunalneadetendenciaquecorrespondealaproyeccin de poblacin al 2013 cuya ecuacin es: ()

()Dondemcorrespondealatasadecrecimientoanualqueesasumidacomoconstante. Debidoaquesehacenecesarioproyectarlapoblacina30aosdesdeelpresente,se hace necesario corregir la poblacin inicial tomando como ano base el 2005, ya que es el ltimocensoencontrado,ademsseconcluyequeentremsrecienteseaelcenso,se asegura una mejor calidad en la toma de informacin. Diseo del Sistema de Abastecimiento de Agua Potable. 11 Tabla 4 Censos Ciudad de Manizales, Colombia AO CENSO TIEMPO (AOS) POBLACION TOTAL 19510696.543 196413,167712.916 197322,417745.681 198534,417790.453 199342,417838.571 200554,417898.490 201362,417204392,417Fuente: DANE Tabla 5. Poblacin Proyectada mediante el mtodo Aritmtico. AO CENSO TIEMPO (AOS) POBLACION CENSADAPROYECTADA 20050898.490898.490 20138 931.650 204338 1.055.998 Fuente: Elaboracin Propia. Grfico 1. Crecimiento Aritmtico para el ao 2013. Fuente: Elaboracin Propia. Diseo del Sistema de Abastecimiento de Agua Potable. 12 Grfico 2. Crecimiento Aritmtico para el ao 2043. Fuente: Elaboracin Propia. Estaproyeccinesunaestimacinyesmuyraroqueelcrecimientosedaunatasa constante,esusadocomoreferentenicamenteypuedellegarasubestimarlosvalores poblacionales reales 3.2CRECIMIENTO GEOMTRICO. Asumiendoqueelcrecimientopoblacionalsedaaunatasaquecrecedemanera geomtrica (Aumentando a una tasa anual constante) como se muestra: ()( )

Donde r es la tasa de crecimiento, que se asemeja a la frmula de inters compuesto. Este valor de r es calculado mediante la expresin(

)(

) Donde el censo inicial se toma como 1951 y el ltimo censo el del 2005. Obteniendo as: Comoseobserva,estevaloresmuypequeoloqueesmsaproximadoal comportamientoreal,aunquesepuedellegarasobreestimarlapoblacinproyectadasi Diseo del Sistema de Abastecimiento de Agua Potable. 13 se trata de poblaciones o cascos urbanos pequeos, se recomienda el uso de este mtodo en ciudades grandes, con fenmenos de crecimiento constantes en los ltimos aos. Grfico 3 Estimacin de la poblacin mediante el mtodo de crecimiento geomtrico Fuente: Elaboracin propia 3.3METODO LOGARITMICO. Para la realizacin del mtodo Logartmico fue necesaria la bsqueda de una constante k que se obtiene de la siguiente ecuacin:

(

) (

)

La obtencin de esta constante k para cada uno de los mtodos nos permiti obtener un valor medio de k el cual ser utilizado para calcular las proyecciones de la poblacin a los aos requeridos mediante la expresin,

(

) La Tabla 6 presenta el resultado obtenido para las proyecciones de poblacin en los aos 2013 y 2043 mediante este mtodo. y = 3856,8x + 674316 R = 0,9578 0120 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100POBLACION Millones TIEMPO (Aos) POBLACIONCENSADAPOBLACIONPROYECTADATENDENCIACENSOSDiseo del Sistema de Abastecimiento de Agua Potable. 14 Tabla 6. Proyeccin Mediante Mtodo Logartmico. AO CENSO TIEMPO (AOS) POBLACIONCENSADA POBLACION PROYECTADA k (CONSTANTE METODO) 19510696.543 0,00178724 196413712.916 0,0049927 197322745.681 0,00485903 198534790.453 0,00738663 199342838.571 0,00575136 200554898.490898.490201362 947061204392 1030300 k (PROMEDIO)0,004955391 Fuente: Elaboracin Propia. 3.4MTODO VARIACIN LOGARTMICA Parallevaracaboelmtododelavariacinlogartmicatomamoscomobasetresdatos depoblacionesligadasatresfechasdetomadedatos,semuestranlosdatos poblacionalescompletosseguidosdelosdatosescogidosparalaaplicacindelmtodo. Hay que tener en cuenta que los intervalos en este mtodo no necesariamente deben ser iguales. Tabla 7. Datos poblacionales AO CENSO POBLACION TOTAL 1951696,543 1964712,916 1973745,681 1985790,453 1993838,571 2005898,490 Fuente: Elaboracin Propia. Diseo del Sistema de Abastecimiento de Agua Potable. 15 Tabla 8. Datos poblacionales escogidos, Variacin logartmica AOPOBLACIN 1985790,453 1993838,571 2005898,490 Fuente: Elaboracin Propia. LosdatosescogidosseintroducenenlaTabla9,hallandoprimerotodoslosvalores conocidossiguiendoelordendelatabla,yluegohallandolosvaloresennegritaen sentido contrario, hasta finalmente llegar al valor de la poblacin del ao en inters.Tabla 9. Clculo de la poblacin futura, Mtodo Variacin Logartmica FECHAINTERVALOPOBLACIN LOG POBLACIN VARIACIN DE LOG VARIACIN DE LOG POR AO VARIACIN DE VARIACIONES 1985-7904535.897876052--- -8--0.0256637870.003207973- 1993-8385715.923539839---0.000710189 -12--0.0299734090.0024977842005-8984905.953513248-0.000710189 -38--0.0679285990.001787595- 2043-10506106.021441846--- Fuente: Elaboracin Propia. 4POBLACIN Y DOTACIN FUTURA Teniendoencuentaqueelcaudaldediseo(Caudalmximodiario delfuturo) esde110 litrosporsegundo,podemoshallarlosvaloresdecaudalmediodiarioycaudalmximo horarioparalapoblacinfuturadeldiseoacpresentado.Estosvaloressondevital importancia, puesto que dependiendo de estos haremos el diseo de todos los elementos componentes del sistema de abastecimiento para la poblacin.Paralaobtencindelcaudalmediodiario,debemoshacerusodeunfactorK1,elcual depende del tamao de la poblacin, puesto que a mayor tamao, la variacin del caudal mximo diario con respecto al medio es ms pequea, en contraste, las poblaciones ms pequeastienenmayordiferenciaenestosvalores.ElfactorK1seleccionadoes1.2, dejando el clculo como sigue: Diseo del Sistema de Abastecimiento de Agua Potable. 16

Demanerasimilar,hallamoselcaudalmximohorariodelapoblacinfutura estimando un factor K2, que en este caso ser 1.55.

HallamosentonceslaDotacinunitariadelfuturo,lacualestenfuncindela dotacin unitariaactual,delatasadecrecimientogeomtricoanualyelnmerodeaosenel futuroadondeestarreferidoeldiseo.Latasadecrecimientogeomtricoanualac utilizada ser de 0.30%. La dotacin unitaria actual de la poblacin ser de 200 Litros por segundo y ser proyectada a 30 aos como sigue:

( )

Teniendo ahora la dotacin de la poblacin futura, podemos hallar el valor de la poblacin futura, la poblacin que ser base del diseo ac presentado. Estando este en funcin del caudal medio diario del futuro antes calculado. Se calcula este valor como sigue:

Procedemos,teniendocalculadalapoblacinfutura,acalcularlapoblacininicialporel Diseo del Sistema de Abastecimiento de Agua Potable. 17 mtodo del crecimiento geomtrico, cuya frmula es la que se presenta a continuacin.

( )

Dnde:

Poblacin futura.

Poblacin inicial. Factor que determina la tasa de crecimiento de la poblacin, vara entre 2 a 5 %Periodo que se desea estimar. La tasa de crecimiento poblacional ser tomada en el diseo como 3% e, igual que antes, el periodo a estimar ser de 30 aos.

( )

5CAPTACIN. Eslaestructuraencargadadetomarelcaudalnecesarioparaalimentarelsistemade abastecimientodeaguapotable.Seencuentra ubicadoenla fuente(Caucenatural)ysu diseoobedeceaunestudiohidrolgicodelacorrientedetomaodelacuenca hidrolgicaalaqueperteneceelcaucegarantizandoporlomenoselcaudalmximo diario ms las prdidas que ocurran en el sistema. Lacaptacindeunacueductosepuederealizarmediantediferentesmetodologas,una de las ms usadas debido a la gran cantidad de corrientes naturales presentes en el pas, es la bocatoma de fondo, que presenta la captacin del fluido en el nivel ms bajo de una corriente. Estconformadapordiferentesestructurashidrulicasquepermitenconducirelflujo hacia la aduccin (Tabla 10). Diseo del Sistema de Abastecimiento de Agua Potable. 18 Tabla 10. Estructuras que conforman la bocatoma de fondo ESTRUCTURA HIDRAULICAPROPOSITO PresaAsegurarelpasodelflujoporlarejilladetoma,adems,alser unaseccingeomtricamenteconstantepermiteuncontroldel flujopermanente.Permitequeelfondocercanoalatomano presente socavacin. RejillaPermite captar el agua que se usara en el sistema de acueducto, permiteunprimerfiltradodematerialcontamaos considerables,quegeneraranatascamientosenlaspartes siguientes. Canal ColectorEntrega el agua captada por la rejilla a la cmara de recoleccin. Cmara de recoleccinPermitegenerarlacotanecesariaparaconducirelflujoenel sistemahastaeldesarenador,adems, permitetenerun primer control de excesos mediante un vertedero, retornando el caudal sobrante al cauce. Fuente: Elaboracin propia en base a Lpez (2003). Comodatosinicialessehaceindispensablerealizarunestudiohidrolgicodelafuente natural,queconfirmequeelcaucepuedesuplirlasnecesidadesdecaudaldediseo (Caudalmximodiariodefuturo)aunenlosperiodossecossinpresentargraves afectaciones ambientales. Adems,esnecesariounlevantamientotopogrficoquepermitaconocerlas caractersticasgeogrficasdelazonaylasdimensionesquetendrnlasestructuras diseadas, para el caso en estudio se consignan en la Tabla 11. Tabla 11. Caractersticas obtenidas de la visita en campo. CARACTERSTICAMAGNITUD Caudal Mximo del Cauce

Caudal Promedio del Cauce

Caudal Mnimo del Cauce

Velocidad Media del Cauce

Ancho del Cauce en la zona de Captacin

Fuente: Elaboracin Propia. Diseo del Sistema de Abastecimiento de Agua Potable. 19 5.1Diseo de la Presa EstasediseacomounvertederorectangulardedoblecontraccinconanchoL=2,0m, con el fin de generar una mayor carga hidrulica sobre la rejilla (Elevacin de la lmina de agua), garantizando que el caudal de diseo seacaptado. La ecuacin correspondiente a este tipo de verteros se muestra a continuacin.

Paradeterminarlaprofundidaddelalminadeaguasobreelvertederoseusaelcaudal de diseo (Qmx d) aumentado entre 2 y 3 veces, teniendo que. (

)

Debido a la presencia de contracciones laterales en la presa, el ancho del vertedero tiene quesercorregidomediantelaecuacinquesemuestraacontinuacin,dondenesel nmero de contracciones. Una vez corregido el ancho del vertedero, se calcula la velocidad con el caudal de diseo ylascotasdelalminadeaguaporencimadelvertederoenlosdiferentescasosdeflujo (Mn., Promedio, Mx., Diseo) (Tabla 12).

La velocidad del flujo en la rejilla se encuentra dentro de los lmites recomendados por la RAS donde la velocidad debe estar entre 0,3 m/s y 3 m/s. Tabla 12. Profundidades de la lmina de agua en diferentes casos de flujo. Alturas Lamina de agua MagnitudCota Fondo Presa-1000 m H mn.0,2293 m1000,229 m H prom.0,3004 m1000,300 m H mx.0,4223 m1000,422 m H diseo0,1845 m1000,184 m Fuente: Elaboracin Propia. Diseo del Sistema de Abastecimiento de Agua Potable. 20 5.2Rejilla Para definir el ancho de la rejilla y del canal de aduccin se usa la ecuacin definida por la Figura 1. Figura 1. Alcance del chorro en el canal de aduccin. Fuente: Elementos de Diseo de Acueductos y Alcantarillados Ricardo Lpez - 2005

(

)

( )

(

)

( )

Se asume una velocidad entre barras de 0,15 m/s con el fin de evitar que material grueso ensuspensinseaarrastradoalcanaldeaduccin,unaseparacinde10cmentre barrotes.Sedefinequeseusaracerocondimetro(pulgada0,0127m)parael diseo de la rejilla, donde las barras irn en el sentido del flujo en la presa. Para hallar el valor de rea de la rejilla se calcula con la expresin.

( ) Recalculandoelreaconlalongitudaproximadaaunamedidadeconstruccinypor consiguiente la velocidad entre barras, tenemos. Diseo del Sistema de Abastecimiento de Agua Potable. 21

El nmero de orificios de la rejilla es de.

Aproximando a 14 orificios con una separacin de 0,1m entre cada barra, recalculando los valores anteriores tenemos.

( )

Tabla 13. Resumen Diseo rejilla de captacin rea Neta (An)

Vel. entre barras (Vb)

Largo rejilla (Lr) Separacin entre barrotes (a) Longitud de los Barrotes (B) Dimetro Barrotes (b)

Numero de orificios Fuente: Elaboracin Propia. 5.3Canal colector Se asume que la seccin transversal del colector se diseara de forma rectangular, debido a que es la ms sencilla para construir. Para calcular los niveles de agua en el canal de aduccin se debe cumplir que la entrega a la cmara de recoleccin se debe dar en condicin de flujo libre, teniendo. Diseo del Sistema de Abastecimiento de Agua Potable. 22 Aguas abajo: Teniendo he igual al hc (Profundidad Crtica) se calcula.

(

)

((

)

()

)

Aguasarriba:Bajolasuposicindequetodoelcaudalescaptadoporelcanal colectoryunespesordelosmurosdelabocatomade0,15mconunapendiente de i=3% en el fondo del canal colector se tiene.

(

(

)

)

(()

(

)

)

Paracalcularlaalturatotaldelosmurosdelcanalcolectorseasumeunbordelibrede 0,15m por encima de la altura aguas arriba y se calcula como se muestra (Aproximndolas a medidas constructivas).

La velocidad del agua al final del canal es

EstavelocidadseencuentradentrodeloslmitesrecomendadosenlaRASloscuales, indican que la velocidad se debe encontrar entre 0,3 m/s y 3,0 m/s. 5.4Cmara de Recoleccin Se diseara una estructura de forma rectangular, que se construir en concreto reforzado conunespesorde0,15m,laalturadeestacmaraserigualalaalturadelosmuros lateralesdelaestructuradecaptacin,sernecesariodisearunvertederodeexcesos Diseo del Sistema de Abastecimiento de Agua Potable. 23 lateral y una escalera de acceso para el mantenimiento de la cmara. Con el fin de encontrarel lugar aproximado de cada del flujo desde el canal de captacin alacmaraderecoleccinseusanlasmismasformulasusadasenelclculodelalcance del chorro de cada en el canal de captacin.

(

)

( )

(

)

( )

Con el fin defacilitar el acceso del personal de mantenimiento, se define que el ancho de la cmara deber ser de 1,5m y 2m de largo, por consiguiente se tiene un rea de la base de la cmara de 3m2. El borde libre de la cmara se define como 0,15my el fondo de esta se definir una vez se disee la aduccin (Como la cota clave de salida a flujo no forzado ms el dimetro de la tubera de aduccin finalmente diseado). Tabla 14. Resumen diseo de cmara de recoleccin Base cmara de recoleccin (Bcam) Largo cmara de recoleccin (Lcam)

rea fondo cmara de recoleccin (Acam)

Fuente: Elaboracin Propia. 5.5Vertedero de excesos. Conelfindeevacuarelcaudaldeexcesoquesepresenteenlacmaraderecoleccin, debido a aumentos de los niveles de la fuente en pocas hmedas, se disea un vertedero que regresara al cauce el agua que sobra en el proceso de recoleccin. En el proceso se debe calcular la altura de los muros de contencin, con el fin de hallar la alturadelacmaraderecoleccin.Sedebecalcularlaalturadelalminadeaguaenla garganta de la bocatoma cuando se presenta el caudal mximo en la fuente (1000 L/s). Diseo del Sistema de Abastecimiento de Agua Potable. 24 (

)

(

)

Dejando un borde libre de 0,381 m, la altura de los muros ser de 0,80 m. Esta medida se asumeenunamagnitudtanaltacondosobjetivos,debidoaquesebuscadisearuna estructura segura, que estpreparada para efectos climticos adversos decrecidasdela fuente no calculadas en el estudio hidrolgico y con el fin de que la cmara de recoleccin presenteunasdimensionesaceptablesconelfindequeselepuedarealizarun mantenimiento constante. Para el clculo del caudal deexcesos setoma el caudal promedio en la fuente (0,6 m3/s), delaTabla12,setienequelaalturadelalminadeaguasobrelagargantadela bocatoma para el caudal promedio del cauce (600 L/s - 0,6 m3/s) es de 0,3004 m, entonces el caudal captado es.

Cabe resaltar que el caudal de diseo se aumenta 2,5 veces, debido a la suposicin inicial dequesepresentanprdidasconsiderablesdecaudaldebidoafiltracionesenla conduccin y perdidas en las dems estructuras del sistema (Desarenador, planta). Entonces las condiciones del vertedero de excesos resultan.

(

)

(

)

(

)

()

Basedelacmararecolectoradelcaudaldeexcesosseobtienecomo(Aproximandoa medidas constructivas. Diseo del Sistema de Abastecimiento de Agua Potable. 25

Entonces,elvertederodeexcesosestarubicadoa1mdelapareddelacmarade recoleccin. 6ADUCCIN. Laestructuraencargadadelaconexinentrelacaptacinyeldesarenadoseconoce comoAduccin.Estapuedeestarregidaporuncanalabiertoocerrado.Esimportante mencionar que para efectos de diseo el transporte del agua depende directamente de la calidaddelamismaylascondicioneshidrulicasenlasquesellevaracabodicho transporte.En el caso de transportar agua cruda, el proceso se conoce como aduccin; como en este caso, todo transporte que no haya pasado an por un proceso de purificacin. El proceso cuandoelaguaseencuentratratadaseconocecomoConduccinyseestudiarms adelante. Eltransporteenestaetapadeldiseodelsistemadeaguapotable,puederealizarsea flujo libre o presin. Debido a que la aduccin tiene una menor longitud en proporcin a la conduccin,porlanecesidaddequeeldesarenadorseencuentrolomscercanoala estructuradecaptacinposible,sedefinirlalongituddelalneadeaduccincomo 200m,loscualessernsometidosaunacorreccinenlongitudequivalentedebidaalas prdidas por accesorios ser del 3% donde tenemos que:

( )

()

Los valores iniciales que se tendrn en cuenta para el diseo de la aduccin, en trminos de materiales, condiciones iniciales de diseo y condiciones del terreno se presentan en la Tabla 15 15. Tabla 15. Condiciones de Diseo para la aduccin. Caudal Mximo Diario (m^3/s)0,11 Longitud Inicial (m)200 Longitud Equivalente (m)206 N de Manning (PVC)0,009 Diseo del Sistema de Abastecimiento de Agua Potable. 26 Cota de llegada al desarenador998 Nivel Mximo1000,41 Nivel Mnimo 1000,22 Fuente: Elaboracin Propia. 6.1DISEO DE LA ADUCCIN. Para el diseo delalnea deaduccin nos centraremos en disear dos tipos: Conduccin noforzadayconduccinforzada.Finalmentesedefinirlaqueserusadaeneldiseo definitivo. 6.1.1Conduccin no Forzada. Este es el caso para en el que el flujo se encuentra sometido a la gravedad.Comoprimeramedidaesnecesarioconocerelvalordelapendientequepresentarla lnea de aduccin, para ello se requieren las cotas de llegada al desarenado y la cota clave desalida.Estaltimaserrecalculadaunavezconocidaslasdemscondicionesparael diseo de esta lnea.

Se obtiene que S es,

AcontinuacinyteniendoencuentaqueelmaterialautilizaresPVCconuncoeficiente derugosidaddeManningdel0,009seprocedeacalculareldimetrorequeridoenla aduccin.Lasiguienteecuacinfueobtenidadedespejareldimetroenlaecuacinde Manning que nos permite calcular la velocidad, [

]

[

() ()

]

Diseo del Sistema de Abastecimiento de Agua Potable. 27 Debido a que el valor obtenido en la ecuacin anterior no representa un valor de dimetro comercial es necesario aproximar este a 12 pulgadas, lo que equivale a 0,3048 m. De esta maneraprocedemosacalcularlacotaprecisadesalidamediantelaecuacinquese enuncia a continuacin,

Apartirdeestoserecalculadeigualmaneralavelocidadquesepresentaenlalneade aduccin cuando el conducto se encuentra lleno donde se utiliza la ecuacin de Manning, la cual quedar en trminos de la pendiente (s),

()

Posteriormentesecalculaelcaudal,tambinenfuncindelapendienteelcualestar dado por,

()

()

Acontinuacindeberealizarseuncomparacinentreelcaudalmximodiariocuandola tuberaseencuentraparcialmentellenaycuandoestcompletamentellena,comose muestra a continuacin:

Tambinesnecesarioconocerlavelocidadcuandolatuberaseencuentraparcialmente llena, por esta razn se realiza la siguiente relacin, Diseo del Sistema de Abastecimiento de Agua Potable. 28 (

) Antesderealizarelprocesofinalparaconocerlacotaclavedesalida,sedebenteneren cuenta las prdidas deenerga que seproducen en la lneadeaduccin. Los valores ms representativos en las prdidas se encuentran consignados en la Tabla 16. Tabla 16. Valores de Prdidas. Coeficiente de Prdidas (K) Coladeras4,5 Entrada1 Velocidad1 Total6,5 Fuente: Elaboracin Propia. La ecuacin se presenta a continuacin,

Finalmente la siguiente expresin nos permitir calcular la cota de salida insertando las variables anteriormente obtenidas las cuales se encuentran en funcin de la pendiente, la relacin de (d/D) que ya est tabulada puede obtenerse de laDiseo del Sistema de Abastecimiento de Agua Potable. 29 Tabla 17 y son necesarios para la ecuacin siguiente.

[(

)]

[(

)] Diseo del Sistema de Abastecimiento de Agua Potable. 30 Tabla 17. Relaciones hidrulicas de un canal circular. Fuente: Elementos de Diseo para Acueductos y Alcantarillados, LOPEZ CUALLA. Despusderealizarunprocesoiterativo(vertablaiterativaenanexos)hastallegarala convergenciadelasvariablesaencontrar,seobtienequex=999,504Deestamanerase recalculanlasvariablesqueantesseencontrabanexpresadasenfuncindeS,lascuales se consignan en la Diseo del Sistema de Abastecimiento de Agua Potable. 31 Tabla 18. Resultados del diseo del Conducto no Forzado. Pendiente 0,73% Velocidades (m/s) 1,723 Caudal (m^3/s) 0,134 Relacin de Caudales 0,8 Fuente: Elaboracin Propia. 6.1.2Conduccin Forzada. Para este caso el flujo se encuentra sometido a la presurizacin de la tubera. Pararealizarlaconduccinforzadasetendrnencuentanuevamentelosdatosquese presentan en la Tabla 15. En esta ocasin la cota a ser usada ser la que corresponde a la crestadesalida,ynuevamentelacotaquecorrespondealallegadaaldesarenador.La primera ecuacin a usar en este tipo de conducciones est dada por,

Lahencontradapermitircalcularlacabezadevelocidadentrminosdealgunas variables an desconocidas,

Mediante la frmula de Hazen Williams se obtiene que,

De donde es necesario despejar S en trminos de lo conocido y el caudal, [

]

Con el dimetro obtenido en la Conduccin no forzada y teniendo que C es un coeficiente predefinidodemaneraexperimentalquedependedelmaterialenelqueesthechala tubera que en este caso es PVC, el coeficiente es de c= 150. Se encuentra que, Diseo del Sistema de Abastecimiento de Agua Potable. 32 [

]

Posteriormente se calcula la velocidad que tambin se muestra en trminos del caudal,

()

Reemplazandolasdosecuacionesinmediatamenteanterioresenlaecuacinquenos define la cabeza de velocidad se tiene que,

()

(

)

Tabla 19. Elemento encontrados para conduccin forzada. Velocidad (m/s) 1,727 Caudal (m^3/s) 0,135 Relacin de Caudales 0,814 El caudal mximo de captacin usando una conduccin forzada en tuberas de PVC de 12 pulgadas es de 0,135

. El sobrepaso del caudal encontrado deber tenerse en cuenta a la hora de calcular el veredero de excesos del desarenador. 7DESARENADORUndesarenadorconvencionalesuntanqueconstruidoconelpropsitodesedimentar partculasensuspensinporlaaccindelagravedad.Esmuyconvenientesituarel desarenador cerca a la bocatoma, con el fin de evitar problemas de obstruccin en la lnea de aduccin. Diseo del Sistema de Abastecimiento de Agua Potable. 33 Losmaterialesquesontransportadosporelaguaprincipalmentesonarcilla,arenao gravafina.Lafinalidaddeldesarenadoresladeprotegerlastuberasdeconducciny evitar que la arena llegue al tanque de almacenamiento y a la planta de tratamiento.Un desarenador est dividido en varias zonas: ZonadeAquietamiento.Enestazona,debidoalaampliacindelaseccin,se disipa el exceso de energa de velocidad en la tubera de llegada Entradaaldesarenador:Constituidaentrelacmaradeaquietamientoyuna cortina, la cual obliga a las lneas de flujo a descender con rapidez, de manera que el material ms grueso es sedimentado inicialmente. Zonadesedimentacin:Eslazonaendondesesedimentantodaslaspartculas restantes y en donde se cumple en rigor con las leyes de sedimentacin. Salidadeldesarenador:Constituidaporunapantallasumergida,elvertederode salida y el canal de recoleccin. AlmacenamientodeLodos:comprendeelvolumenentrelacotadeprofundidad til en la zona de sedimentacin y el fondo del tanque. 7.1ZONA DE ENTRADA Paraladistanciadelaentradaescogemosunadistanciade60cmydefinimoslas condicionesdeoperacinquesemuestranacontinuacin.Teniendoencuentaqueel caudalesgrande,sedisearlaobraparatrabajarcondosdesarenadoresenparalelo, con el fin de que siempre se est trabajando en caso de que se necesite detener alguno de losdesarenadores.Enesteordendeideas,sedividirelCaudalmximodiarioentrelos dos desarenadores, quedando: Caudal Mximo Diario para cada desarenador = 110/2 L/s = 55 L/s y Caudal mximo de captacin para cada desarenador es 135/2 L/s = 67.5 L/s Caudal mximo Captacin =67.5 L/s

= 0.10m ParahallarlaLongitudL,usamoslafrmulamostradaacontinuacin,donde

esla altura lateral del vertedero.

Diseo del Sistema de Abastecimiento de Agua Potable. 34

Aproximando el valor de la longitud a un valor constructivo (1.15m), recalculamos

(

)

Paracalcularelreadeparalosorificiosdeltabique,elegimosunavelocidaddelpaso normal, de0.15m/s. Teniendo esta velocidad, calculamos el reatotal deorificios conla siguiente ecuacin:

Tenemos, ya teniendo el rea total de los orificios, que elegir una forma para estos. Para el diseo ac presentado, tomaremos orificios circulares de una pulgada.

El rea de cada uno de los orificios del tabique es:

()

Habiendo calculado el rea de cada uno de los orificios, y con el rea total de los orificios, pasamos a calcular el nmero de orificios necesarios.

Aproximamos el nmero de orificios a 80. Como cambiamos el nmero de orificios debemos recalcular el rea total y la velocidad.

Diseo del Sistema de Abastecimiento de Agua Potable. 35

7.2ZONA DE SEDIMENTACIN Losdesarenadoressoncomnmentecanalesrectangularesqueestablecenunproceso basado en la teora de sedimentacin la cual indica que la velocidad de sedimentacin de partculas en un fluido se obtiene considerando las fuerzas que actan sobre ella, es decir una fuerza de empuje y la fuerza debida a la gravedad. Podemos determinar la velocidad desedimentacin para un flujo de rgimen laminar con nmero deReynolds bajo (Re