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• Yony Baez Villafuerte

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Sistemas de agua potable y saneamiento

Programa Nacional de Saneamiento Rural

Memoria de Cálculo – Expediente Técnico

Consorcio AGUA NORTE

ÍNDICE

1

INTRODUCCIÓN ...........................................................................................................2

2

SISTEMA DE AGUA POTABLE.........................................................................................3

2.1

DATOS DE DISEÑO .................................................................................................3

2.2

COEFICIENTE DE VARIACIÓN DE CONSUMO ............................................................3

2.3

CONSTRUCCION DE CAPTACIONES .........................................................................3

2.4

CÁLCULO DE LA LÍNEA DE CONDUCCIÓN.................................................................3

2.5

DISEÑO DEL SISTEMA DE CLORACIÓN POR GOTEO..................................................5

2.6

CÁLCULO DE LA RED ..............................................................................................5

2.7

DISEÑO DE CÁMARAS ROMPE PRESIÓN TIPO 7.......................................................7

3

SISTEMA DE SANEAMIENTO ARRASTRE HIDRAULICO ....................................................8

3.1

DISEÑO DE LAS UNIDADES BÁSICAS DE SANEAMIENTO ..........................................8

3.2

CAUDALES Y CARACTERIZACIÓN GENERAL .............................................................8

3.3

CAUDAL EFLUENTE DOMÉSTICO .............................................................................9

3.4

TRATAMIENTO MEDIANTE BIODIGESTOR ............................................................. 10

3.5

DISPOSICIÓN FINAL MEDIANTE POZO PERCOLADOR ............................................. 10

3.6

COMPOSTERA SIMPLE. ........................................................................................ 11

Consorcio Agua Norte

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INTRODUCCIÓN

El Programa Nacional de Saneamiento Rural – PNSR, como Entidad Estatal que financia la ejecución de Proyectos, priorizados por las autoridades y población de las localidades beneficiarias y en su afán de dotar y mejorar la infraestructura sanitaria de los diferentes pueblos de su jurisdicción; ha creído por conveniente considerar dentro su programa de inversiones, financiar la ejecución del Proyecto: "MEJORAMIENTO Y AMPLIACIÓN DEL SERVICIO DE AGUA POTABLE Y SANEAMIENTO BÁSICO EN EL CENTRO POBLADO SANTO DOMINGO, DISTRITO DE SAN LUIS DE LUCMA - CUTERVO - CAJAMARCA" El Centro Poblado de Santo Domingo, perteneciente a la jurisdicción del Distrito de San Luis de Lucma, cuenta con un sistema de agua potable construido por FONCODES. Comprende un sistema con su respectiva captación y reservorio, redes de distribución y conexiones domiciliarias que brindan cobertura limitada. En cuanto al saneamiento, el centro poblado no cuenta con una adecuada infraestructura de servicios higiénicos. La población pose letrinas de hoyo seco en mal estado de mantenimiento. De acuerdo a la situación actual de la población existe la necesidad de mejorar las condiciones de saneamiento básico. Con el presente estudio se ha previsto solucionar el problema sanitario de esta ciudad, dotándole de un adecuado sistema de agua potable y saneamiento, para lo cual se tendrá que demoler, construir y ampliar la infraestructura existente, así como también construir nueva infraestructura. La presente Memoria de Cálculo muestra algunos aspectos generales, explicando a grandes rasgos la manera en que se dimensionaron los componentes que conforman al proyecto; sin embargo, este documento es complementado con los Sustentos de Cálculo particulares, donde se detallan los cálculos hidráulicos y estructurales de cada componente, sustentados con otros documentos como lo son el Estudio de Suelos y el Análisis Físico Químico del agua.

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SISTEMA DE AGUA POTABLE

2.1

DATOS DE DISEÑO

Para los datos de partida de cálculo de demandas se han utilizado los siguientes valores de consumo, según información proporcionada por la Guía para la Elaboración de Proyectos de Agua Potable y Saneamiento del Programa Nacional de Saneamiento Rural (Anexo K1): Cuadro 2.1 - Consumos según Región y Tipo de UBS ámbito Rural Zona Geográfica

TIPO DE UBS UBS Arrastre Hidráulico

UBS Compostera

UBS de Hoyo Seco Ventilado

COSTA

110

80

60

SIERRA

100

70

50

SELVA 120 90 70 Fuente: Guía para elaboración de Proyectos de Agua y Saneamiento del PNSR Dado que para la deposición de excretas se propone un sistema del tipo UBS con arrastre Hidráulico y compostera con Humedales, según el cuadro anterior el consumo de diseño será de 120 litros por habitante por día, considerando la zona geográfica de selva. 2.2

COEFICIENTE DE VARIACIÓN DE CONSUMO

A partir de la demanda promedio neta de agua calculada por cada año, se calculan los consumos máximos diarios y horarios aplicando factores de consumo representativos al centro poblado. Los coeficientes establecidos son recomendados en la Guía para la Elaboración de Proyectos de Agua Potable y Saneamiento del Programa Nacional de Saneamiento Rural (Anexo K1):  Coeficiente diario que caracteriza el consumo máximo anual: K1=1.3  Coeficiente horario que caracteriza el consumo máximo del día: K2=2.0 2.3

CONSTRUCCION DE CAPTACIONES

De acuerdo a la evaluación de estructuras existentes, las captaciones no cumplen una adecuada función hidráulica y estructural, por lo tanto amerita su demolición y reconstrucción. 2.4

CÁLCULO DE LA LÍNEA DE CONDUCCIÓN

Para el diseño de las líneas de conducción se ha utilizado la fórmula de Hazen – Williams. Esta fórmula tiene la siguiente expresión:

Q  hf  10.674    C

1.852



L D

4.871

Dónde: hf: pérdida de carga en la conducción (m) C: Coeficiente Hazen – Williams, de valor 150 para tuberías de PVC y 140 para HDPE Q: Caudal de la línea de conducción (m 3/s) D: Diámetro interior de la tubería (m) L: Longitud de la tubería (m) Para la determinación de los diámetros interiores de las conducciones se ha utilizado la siguiente tabla:

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Cuadro 2.2 – Diámetros internos de conducciones DIÁMETROS COMERCIALES EN TUBERÍAS PVC Sector

Nominal

Tipo de Empalme

Diámetro Interno (mm)

Diámetro Interno (pulgadas)

Clase

Presión Trabajo (mca)

Sector 01

1''

Espiga

29.4

1.1575

10

75

Sector 02

1"

Espiga

29.4

1.1575

10

75

Sector 03 1 1/2" Espiga 43.4 1.7087 10 75 Las tuberías de PVC mostradas en el cuadro, están de acuerdo a la norma técnica NTP 399.002. La Línea de Conducción del proyecto contempla 1 tramo en cada sector. SECTOR 01: MANANTIAL 01 – RESERVORIO 01 Este tramo fue diseñado con tubería de 1” PVC SP Clase 10 con diámetro interno de 29.40mm, donde la presión estática máxima fue de 13.64 mca, siendo la presión dinámica de llegada en el Reservorio 02 de 10.57 mca. La velocidad calculada fue de 0.68 m/s. SECTOR 02: MANANTIAL 02 – RESERVORIO 02 Este tramo fue diseñado con tubería de 1” PVC SP Clase 10 con diámetro interno de 29.40mm, donde la presión estática máxima fue de 6.83 mca, siendo la presión dinámica de llegada en el Reservorio 02 de 6.42 mca. La velocidad calculada fue de 0.27 m/s. SECTOR 03: CAPTACION SANTO DOMINGO – RESERVORIO SANTO DOMINGO Este tramo fue diseñado con tubería de 1” PVC SAP Clase 10 con diámetro interno de 29.40mm, donde la presión estática máxima fue de 6.41 mca, siendo la presión dinámica de llegada en el Reservorio 02 de 5.57 mca. La velocidad calculada fue de 0.18 m/s. En los diseños, se está considerando la resistencia de la tubería de tal modo que cumplan con la presión máxima de operación (o de trabajo)

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Cuadro 2.3 – Clase de tuberías de PVC y presiones máximas

Los resultados se encuentran en el Sustento de Cálculo “DISEÑO DE LA LÍNEA DE CONDUCCIÓN” 2.5

DISEÑO DEL SISTEMA DE CLORACIÓN POR GOTEO

El diseño del sistema de cloración por goteo, consistió en determinar la cantidad de Hipoclorito de Sodio a utilizarse en cada reservorio, la cual está determinada por el caudal de ingreso así como por el volumen de cada reservorio. SECTOR 01.- El Reservorio 01 de 10.00 m3 se necesita un volumen de 5 litros de Hipoclorito de sodio y 5 litros de agua en un balde de 10 litros (1/2 de balde con lejía, el resto con agua). SECTOR 02.- El Reservorio 01 de 5.00 m3 se necesita un volumen de 2.5 litros de Hipoclorito de sodio y 7.5 litros de agua en un balde de 10 litros (1/4 de balde con lejía, el resto con agua). SECTOR 03.- El Reservorio Santo Domingo de 5.00 m3 se necesita un volumen de 2.5 litros de Hipoclorito de sodio y 7.5 litros de agua en un balde de 10 litros (1/4 de balde con lejía, el resto con agua). 2.6

CÁLCULO DE LA RED

Se realizó el modelamiento hidráulico mediante el Software Watercad Watercad, es un programa que realiza simulaciones en periodo extendido del comportamiento hidráulico en redes de distribución a presión. En general, una red consta de tuberías, nudos (conexiones entre tuberías), bombas (no es el caso), válvulas y reservorios. Watercad determina el caudal que circula por cada una de las conducciones, la presión en cada uno de los nudos, el nivel de agua en el reservorio a través de la red durante un determinado periodo de simulación analizado en diferentes intervalos de tiempo. Para el diseño de las redes y demás componentes, que en conjunto interactúan en el modelamiento hidráulico, se han tomado las siguientes consideraciones:

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Cuadro 2.4 – Parámetros para diseño de redes Parámetros Presión Estática Máxima Dinámica Mínima

Valor del Estudio

Comentarios

50 m.c.a. 5 m.c.a.

3.5 m.c.a. La norma OS.050, si el abastecimiento de agua se realiza por piletas (o lavaderos) la presión mínima será 3.50m.

Velocidad Máxima 3 m/s Rugosidad C de Hazen Williams Tuberías de PVC 150 Coeficiente de variación de consumo K1 (Qmd) 1.3 K2 (Qmh) 2.0

Valor establecido Reglamente Nacional de Edificación Norma OS.100

Fuente: Reglamento Nacional de Edificaciones (Norma OS.100) Las tuberías empleadas están fabricadas de acuerdo a las normas: NTP 399.002 (Empalme Espiga – Campana), para diámetros inferiores a 2”, y la norma NTP ISO 1452 (Unión Flexible) para diámetros desde 2” en adelante. Cuadro 2.5 – Tuberías PVC Normas 399.002 e ISO 1452 DIÁMETROS COMERCIALES EN TUBERÍAS PVC

Nominal

Tipo de Empalme

Diámetro Interno (mm)

Diámetro Interno (pulgadas)

Clase

Presión Trabajo (mca)

1/2 ''

Espiga

17.4

0.6850

10

75

3/4 ''

Espiga

22.9

0.9016

10

75

1

''

Espiga

29.4

1.1575

10

75

1 1/2 ''

Espiga

43.4

1.7480

10

50

''

UF

58.4

2.2992

7.5

50

2 1/2 ''

UF

69.4

2.7323

7.5

50

3

UF

83.4

3.2835

7.5

50

2

''

Los diámetros utilizados en el presente proyecto varían desde 1/2” hasta 2”, el tipo y la clase de las tuberías desde 1/2” hasta 1 1/2" son PVC SP C-10 fabricados de acuerdo a la norma NTP 399.002; y la tubería de diámetro 2” es de PVC UF C-7.5 fabricadas de acuerdo a la norma NTP ISO 1452 - 2. MODELAMIENTO HIDRÁULICO El modelamiento hidráulico de las redes de distribución se ha realizado teniendo en cuenta el método de simultaneidad; para lo cual se utilizó un caudal de 0.12 L/s a cada vivienda para modelar la red y así asegurar el buen funcionamiento del sistema de agua en el caso de lavaderos simultáneos. En todos los sectores las presiones son menores a 50 mca.

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La elección del diámetro se encuentra relacionada en forma directa a la velocidad y a la presión que se produzca en el conducto. Cuando no se ha logrado cumplir con las velocidades mínimas recomendadas (0.60m/s), debido a diámetros comerciales mínimos y caudales pequeños, se establecieron válvulas de purga al final de los ramales principales. Los resultados del Modelamiento Hidráulico se encuentran anexados a los Sustentos de Cálculo respectivos, los cuales se reflejan en el Plano de Modelamiento Hidráulico.

2.7

DISEÑO DE CÁMARAS ROMPE PRESIÓN TIPO 7

Las CRP7 son cámaras que sirven para reducir a “0” las presiones, las cuales no deben pasar a las máximas señaladas en el ítem anterior. Su dimensionamiento está sujeto al caudal de cada cámara, pero además las dimensiones deben ser las adecuadas a fin de que puedan contener todos los accesorios que se indican en los planos de acuerdo al diámetro establecido. 

La velocidad del flujo se define como:

Dónde: V: Velocidad de flujo (m/s) Q: Caudal de diseño (m 3/s) D: Diámetro de la línea de conducción (m) 

La carga hidráulica necesaria para hacer fluir el caudal de diseño será:

Dónde: H: Carga Hidráulica mínima para la CRP (m) V: Velocidad en la línea de conducción (0.6 m/s < V < 3.0 m/s) g: Aceleración de la gravedad igual a 9.81 m/s2

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3

SISTEMA DE SANEAMIENTO ARRASTRE HIDRAULICO

3.1

DISEÑO DE LAS UNIDADES BÁSICAS DE SANEAMIENTO

Los suelos permeables con buena capacidad de absorción permiten viabilizar soluciones técnicas de saneamiento que requieran disponer el agua residual tratada al suelo, a través de sistemas de infiltración. Por lo tanto, es importante realizar el test de percolación para clasificar la permeabilidad del suelo en el área en donde se implementará el proyecto. De las pruebas realizadas en campo, se hará la clasificación de la siguiente manera: Cuadro 3.1 – Clasificación de terrenos según test de percolación

CLASIFICACIÓN DE LOS TERRENOS SEGÚN RESULTADOS DE PRUEBA DE INFILTRACION Tiempo de Infiltración para el descenso de 1cm. Rápidos de 0 a 4 minutos Medios de 4 a 8 minutos Lentos de 8 a 12 minutos Fuente: Norma IS 020 Clase de Terreno

Promedio 2 6 10

En el centro poblado de Santo Domingo se realizaron los ensayos de percolación obteniendo como resultado más desfavorable 10.41 min/cm. Por lo tanto, la solución adoptada para el sistema de saneamiento para esta localidad podrá contemplar un sistema de infiltración en el terreno como disposición final del agua residual tratada. La solución más indicada será la instalación de Unidades Básicas de Saneamiento del tipo arrastre hidráulico (UBS-AH). 3.2

CAUDALES Y CARACTERIZACIÓN GENERAL

CONSUMOS DIARIOS POR HABITANTE Según las recomendaciones de “Bases Integradas Anexo K1: Guía para la elaboración de proyectos de Agua Potable y Saneamiento del Programa Nacional de Saneamiento Rural, PNSR/VIVIENDA, 2013”, el consumo por habitante diario para la zona de selva es de 120 L/hab/d para el caso de contar con servicio de UBS-AH. Cuadro 3.2 – Determinación del consumo por Habitante

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Origen

UBS-AH

Caudal Descarga Inodoro (L/d)

24

N° Descargas de Cisterna

3

volumen por descarga (L/desc/hab/d)

8

Caudal Baño-Ducha (L/d)

70

N° Baño-Ducha/hab

1

Duración Baño-ducha (min)

7

Gasto Ducha (L/min)

10

Caudal de Lavadero-Aseo (L/d)

16

N° de lavados trastes

2

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3.3

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Gasto por lavado de traste (L/lav)

5

Aseo de Vivienda (L/d)

6

Caudal de Lavadero-Ropa (L/d)

10

N° Muda

1

Gasto Lavado de ropa (L/hab/d)

10

Caudal Total (L/hab/d)

120

CAUDAL EFLUENTE DOMÉSTICO

A partir de los datos anteriores, aplicando un coeficiente de retorno de 0,80, se determinan los caudales de aguas grises. Cuadro 3.3 – Determinación del caudal efluente doméstico

Origen

UBS-AH

Caudal Descarga Inodoro (L/hab/d)

24

N° Descargas de Cisterna

3

volumen por descarga (L/desc/hab/d)

8

Coeficiente de Retorno Caudal Baño-Ducha (L/hab/d)

1 56

N° Baño-Ducha/hab

1

Duración Baño-ducha (min)

7

Gasto Ducha (L/min)

10

Coeficiente de Retorno Caudal de Lavadero-Aseo (L/hab/d)

0.8 8

N° de lavados trastes

2

Gasto por lavado de traste (L/lav)

5

Coeficiente de Retorno Caudal de Lavadero-Ropa (L/hab/d)

0.8 8

N° Muda

1

Gasto Lavado de ropa (L/hab/d)

10

Coeficiente de Retorno Caudal Aguas Negras (L/hab/d)

0.8 24

Caudal Aguas Grises (L/hab/d)

72

Caudal Total (L/hab/d)

96

El valor promedio de habitantes por vivienda según los datos de campo es de 3.79 hab/vivienda, el caudal doméstico es: Cuadro 3.4 – Efluente Doméstico para el proyecto

Caudal Aguas negras Vivienda (L/d) 90.96 Caudal Aguas grises Vivienda (L/d) 272.88 Caudal Total vivienda (L/d)

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3.4

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TRATAMIENTO MEDIANTE BIODIGESTOR

Para el dimensionamiento del biodigestor se considera de acuerdo a la producción de aguas negras domiciliarias, teniendo en cuenta que al mismo sólo llegará el gasto producido en el inodoro y en el lavadero. La determinación del volumen para el biodigestor fue realizada para teniendo en cuenta los caudales generados para las viviendas e instituciones, lo cual se detalla en el Sustento de Cálculo Respectivo, por lo tanto tenemos que los Biodigestores que se utilizarán en el proyecto, serán de dos tipos, como se detalla en el siguiente cuadro: Cuadro 3.5 – RESUMEN DE BIODIGESTORES

VIVIENDA

Volumen Calculado 393.50

Volumen del Biodigestor 600

I.E. INICIAL

495.20

600

I

I.E. PRIMARIA I.E. SECUNDARIA OTROS USOS

727.30

1300

II

1,941.00

3000

III

168.00

600

I

DESCRIPCIÓN

TIPO I

Los Biodigestores, tendrán medidas de acuerdo a su especificación, las cuales se presentan en el siguiente cuadro: Cuadro 3.6 – Características de unidades biodigestor

DIMENSIONES Capacidad

A

B

C

D

E

F

600 l.

0.88 m. 1.64 m. 0.25 m. 0.35 m. 0.48 m. 0.32 m.

1,300 l.

1.15 m. 1.93 m. 0.23 m. 0.33 m. 0.48 m. 0.45 m.

3,000 l.

1.46 m. 2.75 m. 0.25 m. 0.40 m. 0.62 m. 0.73 m.

7,000 l.

2.42 m. 2.83 m. 0.35 m. 0.45 m. 0.77 m. 1.16 m. Fuente: Manual de Biodigestores

3.5

DISPOSICIÓN FINAL MEDIANTE POZO PERCOLADOR

Se dimensionaron de acuerdo a la Norma IS.020 Tanques Sépticos, considerando la tasa de infiltración.

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Se considera que el caudal efluente posee un coeficiente de retorno del 80% de acuerdo a la norma. Finalmente se dimensionaron los Pozos, considerando el área efectiva de absorción, obteniendo la altura y el diámetro, donde la altura representa la medida desde el ingreso de la tubería de desagüe hasta el fondo (sin contar el cimiento) y el diámetro representa al diámetro exterior del muro (Norma IS.020 Tanques Sépticos – POZOS DE ABSORCIÓN). En ningún caso, los Pozos tendrán dimensiones menores a 1.00x1.00m. En el presente proyecto, se calculó las dimensiones y número de los Pozos Percoladores para cada tipo de lote, de acuerdo al Test de percolación correspondiente, obteniendo así 4 tipos de Pozos Percoladores, como se muestra siguiente cuadro: Cuadro 3.7 – Resumen de Pozos Percoladores – Medidas Efectivas Calculadas

DESCRIPCIÓN

DIAMETRO (m)

ALTURA (m)

Nº POZOS

TIPO

VIVIENDA

1.60

1.95

1

I

OTROS USOS

1.00

1.00

1

II

I.E. INICIAL

1.00

1.45

1

III

I.E. PRIMARIA I.E. SECUNDARIA

1.20

1.80

1

IV

1.70

2.20

2

V

El sustento de cálculo de los pozos percoladores se encuentra en el archivo “Microsoft Excel” Pozo percolador. 3.6

COMPOSTERA SIMPLE.

Para las viviendas que no cuentan con conexión domiciliaria, se instalara una UBS compostera simple, que contempla la construcción de un módulo con dos cámaras para la disposición de las heces, y un pozo de infiltración para la disposición de las orinas. La dotación de agua para las familias beneficiadas con sistema de saneamiento con compostera, es de 40 l/hab/día, ya que serán abastecidas por las piletas públicas.

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