• Author / Uploaded
• Chelsy Garibay Cosme

• Categories
• Alcantarillado
• Problemas ambientales con el agua
• Agua dulce
• Ecologia Acuatica
• Ciencias de la tierra y de la vida

Citation preview

FACULTADA DE INGENIERÍA ESCUELA ACADEMICA ROFECCIONAL DE INGENIERÍA CIVIL

“DISEÑO DE ALCANTARILLAS”

INTEGRATES:     

CARDENAS ALCANTARA, MARKO GALAN LEON, JHOSS GARIBAY COSME, CHELSY LUJAN SOTO JAMES SOLANO PILLACA, KEVIN

DOCENTE: ING. JARA REMIGIO FLOR ANGELA

HUARAZ-2018

I.

INTRODUCCIÓN Como consecuencia de la actividad urbanizadora, los cauces que conforman la red hidrográfica original deben ser conservados y adecuados a las nuevas condiciones, esto para que no afecte de forma directa a su capacidad de desagüe y por tanto no se propicie la existencia de inundaciones. Tanto las aguas pluviales como aguas de desagüe deben ser eliminadas lo más eficaz y rápido posible. Es necesario promover y realizar la temporal retención superficial o subterránea (estanques o depósitos de retención/detención) y la infiltración (estructuras de infiltración en donde sea factible), para no incrementar el volumen y la velocidad de circulación del agua hacia las partes más bajas de la cuenca. Esta dinámica dará como resultado final el que las redes de drenaje de dichas partes bajas no se vean sometidas a escurrimientos con mayor volumen (mayor coeficiente de escorrentía), mayor caudal punta y mayor brusquedad (menos tiempo entre el inicio de la lluvia y la presentación del caudal máximo, disminución del tiempo de concentración). Al objeto de solucionar los problemas de inundación existentes en una determinada zona urbana, normalmente se plantearán actuaciones que tiendan a restituir de una forma artificial el comportamiento natural existente en la cuenca antes de ser ocupada por el sector a desarrollar de la ciudad. Fundamentalmente cabe dividir estas actuaciones en dos categorías: las que tienen por objeto incrementar la capacidad de desagüe de la red de colectores (que sustituye a la red hidrográfica natural) y las tendentes a disminuir la escorrentía (aumentar la retención superficial y/o subterránea y la infiltración). Además de estas actuaciones, es importante que una correcta gestión de las infraestructuras y servicios relacionados con el servicio urbano pueda ayudar a mejorar su eficacia. La Dirección de Normas de la Dirección Nacional de Saneamiento del Ministerio de Vivienda, Construcción y Saneamiento, es la unidad orgánica encargada de conducir el sistema de formulación, actualización y evaluación permanente de las normas que regulan el funcionamiento de las actividades del subsector saneamiento, según lo establece La Resolución Ministerial Nº 175-2003-VIVIENDA1, modificada por Resolución Ministerial Nº 103-2009VIVIENDA. Este tipo de sistemas de recolección no puede ser aplicado en todas las localidades de nuestro país debido a lo accidentado de algunas zonas geográficas, como es la región selva, donde el nivel freático está muy cercano a la superficie o incluso está permanentemente expuesto a inundaciones que impiden la instalación de sistemas de recolección convencional; postergando el acceso de esas poblaciones a este servicio. Este tema sin duda preocupa a los prestadores del servicio de alcantarillado sanitario, toda vez que la recolección de las aguas residuales es de su responsabilidad. Una opción para proveer estos servicios en localidades con las características antes señalada, es la construcción de alcantarillado por vacío, tecnología utilizada en muchos países de la región (Chile, Brasil, Costa Rica Estados Unidos, otros), con muy buenos resultados.

II.

OBJETIVOS 2.1 Objetivo General: Difundir los principales criterios de diseño y construcción de sistemas de alcantarillado por vacío que transportan aguas residuales. 2.2 Objetivo Especifico: Observar y explicar mediante modelación física, los problemas de diseño de alcantarillado en sección rectangular y circular.

Mediante modelación numérica comparativa, previa calibración del software (Hec ras, Hydrocad, etc.) resolver rápidamente problemas relativos al diseño de alcantarillados.

III. MARCO TEÓRICO 3.1 DEFINICIÓN: Se denomina alcantarillado (de alcantarilla, diminutivo de la palabra hispano-árabe alqánṭara («el puentecito») o también red de alcantarillado, red de saneamiento o red de drenaje al sistema de tuberías y construcciones usado para la recogida y transporte de las aguas residuales, industriales y pluviales de una población desde el lugar en que se generan hasta el sitio en que se vierten al medio natural o se tratan. Las redes de alcantarillado son estructuras hidráulicas que funcionan a presión atmosférica, por gravedad. Sólo muy raramente, y por tramos breves, están constituidos por tuberías que trabajan bajo presión o por vacío. Normalmente están constituidas por conductos de sección circular, oval o compuesta, la mayoría de las veces enterrados bajo las vías públicas. La red de alcantarillado se considera un servicio básico, sin embargo la cobertura de estas redes en las ciudades de países en desarrollo es ínfima en relación con la cobertura de las redes de agua potable. Esto genera importantes problemas sanitarios. Durante mucho tiempo, la preocupación de las autoridades municipales o departamentales estaba más ocupada en construir redes de agua potable, dejando para un futuro indefinido la construcción de las redes de alcantarillado. Actualmente la existencia de redes de alcantarillado es un requisito para aprobar la construcción de nuevas urbanizaciones en la mayoría de los países.

3.2 HISTORIA: El más antiguo alcantarillado del que se tiene referencia es el que fue construido en Nippur (Irak), alrededor del 3750 AC. Posteriormente en los centros poblados de Asia Menor y de Oriente Próximo utilizaron conductos de alfarería, (Creta, 1700 AC). En Atenas y Corinto, en la Grecia antigua, se construyeron verdaderos sistemas de alcantarillado. Se utilizaron canales rectangulares, cubiertos con losas planas (atarjeas, propiamente dichas), que eventualmente formaban parte del pavimento de las calles; a las atarjeas afluían otros conductos secundarios, formando verdaderas redes de alcantarillado. Existen muchos relatos y descripciones de las alcantarillas de la antigüedad, quizás las más conocidas sean las de la antigua Roma, de París y de Londres, estas dos últimas alcantarillas construidas en Europa y en los Estados Unidos, se dirigían fundamentalmente a la recolección de las aguas de lluvia. Las aguas usadas de origen humano solo comenzaran a ser conectadas a las alcantarillas en 1815 en Londres, en Boston a partir de 1833, y en París, solo a partir de 1880. El primer sistema moderno de alcantarillado se diseñó en Hamburgo en 1842, utilizando las más modernas teorías de la época, teniendo en cuenta las condiciones topográficas y las necesidades reales de la comunidad. Este hecho significó un espectacular avance, considerando que los principios fundamentales en que se basó el proyecto no se generalizaron hasta inicios de los 1900, y siguen vigentes en la actualidad.

3.3 IMPORTANCIA: Su principal función y objetivo en la conducción de aguas residuales y pluviales hasta donde no provoquen daños. Está constituido por una red de conductos e instalaciones complementarias que permiten la operación, mantenimiento y reparación del mismo. De ese modo se impide la generación y propagación de enfermedades con aguas contaminadas. 3.4 UN SISTEMA DE ALCANTARILLADO PUEDE SER DISEÑADO PARA DIVERSOS PROPÓSITOS: a.-Puede dejar pasar toda el agua que llega a la alcantarilla sin ningún tipo de retención. b.Puede restringir el paso del agua, dejando solo pasar un caudal máximo igual a su capacidad máxima. En estas condiciones la alcantarilla también cumple una función reguladora, por lo que esta opción se aplica en obras de retención con descargas semipermanentes. c.-Permite la instalación de los instrumentos hidráulicos de aviso y control de escurrimientos, propios de las investigaciones científicas.

3.5 SISTEMAS DE SANEAMIENTO Y DRENAJE: El alcantarillado se puede construir de dos modos: 

redes unitarias: las que se proyectan y construyen para recibir en un único conducto, mezclándolas, tanto las aguas residuales (urbanas e industriales) como las pluviales generadas en el área urbana cubierta por la red.  redes separativas o redes separadas: constan de dos canalizaciones totalmente independientes; una, la red de alcantarillado sanitario, transporta las aguas residuales domésticas, comerciales e industriales hasta una estación depuradora; y la otra, la red de alcantarillado pluvial, conduce las aguas pluviales hasta el receptor, que puede ser un río, un lago o el mar. Las redes de saneamiento surgieron en las ciudades europeas durante el siglo XIX en respuesta a los problemas sanitarios y epidemiológicos generados por la deficiente evacuación de las aguas fecales. En aquel momento la mayoría de estas ciudades disponían ya de un sistema de cloacas destinadas a la evacuación de las aguas de lluvia y residuales, pero sin conexión a éstas de las bajantes de los edificios. Las aguas residuales se vertían a la calle y la lluvia las arrastraba a las cloacas, desde donde iban a un cauce. Desde mediados del siglo XX empezaron a construirse redes separativas, tras la aparición de los primeros sistemas de depuración, y con base en los siguientes argumentos:  la separación reduce los costes de depuración y simplifica los procesos, puesto que el caudal tratado es menor y, lo que es incluso más importante, más constante;  la separación reduce la carga contaminante vertida al medio receptor por los episodios de rebosamiento del alcantarillado unitario. Siendo correctos los argumentos anteriores, existen también una serie de inconvenientes del alcantarillado separativo, del cual desde finales de los años 1990 se está incrementando su uso, principalmente en redes de nueva implantación (la separación de redes unitarias existentes pronto se vio como económica y técnicamente inviable).[cita requerida] Para el buen funcionamiento de las redes separadas debe prestarse mucha atención a los aspectos que siguen:  Debe existir un estricto control de vertidos para evitar que se acometan caudales residuales a la red de pluviales (que irían directamente al medio natural sin depurar) y viceversa. Esto último redundaría en una explotación más compleja y costosa de la red de alcantarillado sanitario.



La separación completa implica redes interiores separativas en los edificios, con duplicación de las bajantes. En este frente los costes de instalación son importantes.  Las aguas pluviales urbanas no son aguas limpias, si no que suelen estar sucias, por lo que su vertido directo al cauce puede generar una contaminación apreciable.  La red de pluviales de una red separativa puede permanecer, en climas secos, sin agua durante periodos de tiempo extensos, sin la autolimpieza de los conductos en tiempo de lluvia, por lo que puede llegar a ser necesaria la descarga de caudales de agua limpia por la red (arquetas de descarga en las cabeceras del saneamiento), reduciendo las ventajas de ahorro y eficiencia. En comparación con las redes unitarias, los principales problemas son:  El coste de instalación es muy superior, entre 1,5 y 2 veces la red unitaria equivalente.  Los grandes cambios en el caudal dificultan mucho la operación de las plantas de tratamiento. Frecuentemente en los periodos de lluvias intensas las plantas de tratamiento son simplemente "by-pasadas", vertiendo los efluentes directamente sin tratamiento en los cuerpos receptores o construyendo balsas de retención para guardar durante unos días el exceso de aguas llegadas, mientras se van depurando.

3.6 TIPOS DE ALCANTARILLADO: 3.6.1 Alcantarillado sanitario: Inicialmente las redes de alcantarillado sanitario se construían con tubos de cemento, y fibrocemento; en algunos casos se utilizaron tubo de gres; actualmente, el material más utilizado es el PVC. A partir de la década de 1990 cada vez se hace más frecuente el dimensionamiento de las tuberías considerando no solamente la velocidad mínima del agua en la tubería, sino que también se considera la fuerza de arrastre del flujo. Esta variante permite trabajar con pendientes menores, lo que se constituye en una ventaja en zonas muy llanas.

3.6.2 Alcantarillado pluvial Las redes de alcantarillado pluvial tienen varias concepciones diferentes. Frecuentemente son redes enterradas, pero se combinan con tramos constituidos con canales abiertos. En la concepción de las redes de alcantarillado pluvial juegan un papel muy importante, además de la topografía, que domina también en el alcantarillado sanitario, el régimen de precipitaciones en la zona. a) Alcantarillado Pluvial Particular. A este tipo de alcantarillado se le considera como la red de instalaciones pluviales que se encuentran dentro de un predio, finca o edificio, que capta y conduce los escurrimientos pluviales que se generan dentro del mismo hasta disponerles en UN SISTEMA DE INFILTRACIÓN, RETENCION Y/O DETENCION, así como

de algún canal o tubería dentro de los límites de la propiedad, de acuerdo a las condiciones particulares del proyecto. b) Alcantarillado Pluvial General Particular. Este alcantarillado es la red que capta y conduce los escurrimientos de las aguas pluviales que ocurren dentro de las áreas comunes de los conjuntos habitacionales, centros comerciales, industriales, deportivos, de servicios, fraccionamientos privados, etc., hasta disponerlos en un SISTEMA DE INFILTRACIÓN, RETENCION Y/O DETENCION, así como de algún conducto como canal o tubería dentro de los límites de la propiedad y de acuerdo a las condiciones particulares del proyecto. c) Alcantarillado Pluvial Municipal. Es el sistema o red que recolecta y conduce las aguas pluviales que escurren en su gran mayoría sobre la ciudad y zona metropolitana, disponiéndolas en estructuras de infiltración, filtración, retención, detención y/o conduciéndolas mediante canales o tuberías hasta descargar a los cuerpos de agua naturales existentes.

3.4.2.1 Componentes del Sistema de Alcantarillado Pluvial. Los componentes principales de un sistema de alcantarillado pluvial según su función son los siguientes: a) Estructuras de captación: Recolectan las aguas a transportar; en los sistemas de alcantarillado pluvial se utilizan sumideros o coladeras pluviales (también llamados comúnmente bocas de tormenta), como estructuras de captación, aunque también pueden existir conexiones domiciliarias donde se vierta el agua de lluvia que cae en techos y patios. En general se considera que los escurrimientos pluviales también son captados por las vialidades, vados, cunetas, contra cunetas además de las coladeras pluviales o bocas de tormenta, para ser encauzados hacia las instalaciones de drenaje pluvial.

b) Estructuras de conducción: Transportan las aguas recolectadas por las estructuras de captación hacia sitios de tratamiento o vertido. Representan la parte medular de un sistema de alcantarillado y se forman con conductos cerrados y abiertos conocidos como tuberías y canales, respectivamente.

c) Estructuras de conexión y mantenimiento: Facilitan la conexión y mantenimiento de los conductos que forman la red de alcantarillado, pues además de permitir la conexión de varias tuberías, incluso de diferente diámetro o material, también disponen del espacio suficiente para que un hombre baje hasta el nivel de las tuberías y maniobre para llevar a cabo la limpieza e inspección de los conductos; tales estructuras son conocidas como pozos de visita.

d) Estructuras de descarga: Son estructuras terminales que protegen y mantienen libre de obstáculos la descarga final del sistema de alcantarillado, pues evitan posibles daños al último tramo de tubería que pueden ser causados por la corriente a donde descarga el sistema o por el propio flujo de salida de la tubería. e) Estructuras complementarias: Se consideran dentro de este grupo a todas aquellas estructuras que en casos específicos forman parte de un sistema de alcantarillado pluvial, para resolver un problema determinado, y que resultan importantes para el correcto funcionamiento del sistema. Tales como: (1) Estructuras de retención. (2) Estructuras de detención. (3) Estructuras de infiltración. (4) Estructuras de filtración. (5) Estructuras de limpieza, remoción y medición.

f)

Disposición final: La disposición final de las aguas captadas por un sistema de alcantarillado no es una estructura que forme parte del mismo, sin embargo, representa una parte fundamental del proyecto de alcantarillado. Su importancia radica en que si no se define con anterioridad a la construcción del proyecto el destino de las aguas residuales o pluviales, entonces se pueden provocar graves daños al medio ambiente e incluso a la población servida o a aquella que se encuentra cerca de la zona de vertido.

A continuación, se detallan las características de cada una de ellas en el caso de un sistema de alcantarillado pluvial, y en el apartado del alcantarillado sanitario se describen algunas especificaciones para su construcción. Finalmente, se incluyen al final del capítulo algunas observaciones sobre la disposición final de las aguas pluviales. 3.6.3 Otros Tipos De Alcantarillado:  Alcantarilla multicelda de cuatro cajones de sección circular más canal aliviadero y limpia.



Alcantarilla multicelda de tres cajones de sección rectangular.



Alcantarilla de sección rectangular de dos cajones.



Alcantarilla multicelda de dos cajones de sección rectangular.

3.7 DIFERENCIA ENTRE EL SISTEMA DE ALCANTARILLADO SANITARIO Y PLUVIAL:   

Sanitario: Todas las cuadras tienen una tubería, de todas las edificaciones sale una tubería que se conecta al sistema de drenaje. Pluvial: No todas las cuadras tienen que tener una tubería, no es necesario que todas las edificaciones se conecten al sistema de drenaje. Semejanzas: No se utilizan los enlaces Y, T, codo, etc. Poseen registros o pozos de visita.

3.8 COMPONENTES DE UNA RED DE ALCANTARILLADO: Los componentes principales de una red de alcantarillado, descritos en el sentido de circulación del agua, son:

 Las acometidas, que son el conjunto de elementos que permiten incorporar a la red las aguas vertidas por un edificio o predio. A su vez se componen usualmente de: o Una arqueta de arranque, situada ya en el interior de la propiedad particular, y que separa la red de saneamiento privada del alcantarillado público.  Las alcantarillas (en ocasiones también llamadas «colectores terciarios»), conductos enterrados en las vías públicas, de pequeña sección, que transportan el caudal de acometidas e imbornales hasta un colector.  Los colectores (o «colectores secundarios»), que son las tuberías de mayor sección, frecuentemente visitables, que recogen las aguas de las alcantarillas las conducen a los colectores principales. Se sitúan enterrados, en las vías públicas.  Los colectores principales, que son los mayores colectores de la población y reúnen grandes caudales, hasta aportarlos a su destino final o aliviarlos antes de su incorporación a un emisario.  Los emisarios interceptores o simplemente interceptores, que son conducciones que transportan las aguas reunidas por los colectores hasta la depuradora o su vertido al medio natural, pero con su caudal ya regulado por la existencia de un aliviadero de tormentas. Aguas abajo, y ya fuera de lo que convencionalmente se considera red de alcantarillado, se situaría la estación depuradora y el vertido final de las aguas tratadas:  Mediante un emisario, llevadas a un río o arroyo.  Vertidas al mar en proximidad de la costa.  Vertidas al mar mediante un emisario submarino, llevándolas a varias centenas de metros de la costa.  Reutilizadas para riego y otros menesteres apropiados.

3.9 FLUJO A TRAVÉS DE UNA ALCANTARILLA: Dentro de una alcantarilla son muy complicados los comportamientos del flujo, debido a que es controlado por muchas variables, incluidas la geometría de salida, la pendiente, el tamaño, la rugosidad, las condiciones de profundidad de aproximación y de salida, etc. Teniendo identificada la superficie de influencia, debe precisarse el hidrograma del flujo y con éste los caudales de recurrencia, sino existe registro o aforos, se recurre, para una primera aproximación, a la conocida expresión genérica Q = CiA, donde:  Q = Caudal ó descarga máxima de escorrentía. (m3 /s)  A = Área de la cuenca. (m2 )  I = Intensidad de la descarga (mm/h)  C = Coeficiente de escorrentía; su valor está comprendido entre cero y uno y depende de la geomorfometría de la cuenca y de su cobertura. La mayoría de las alcantarillas se diseñan para operar con superficie libre, con condiciones de flujo subcrítico en el barril a fin de maximizar el caudal por unidad de ancho y reducir la sección transversal del barril (y por consiguiente. su costo). El flujo aguas arriba y aguas abajo de la alcantarilla es de régimen subcrítico. A medida que el flujo se aproxima a la alcantarilla, la construcción del canal (es decir la sección de entrada) induce un incremento en el número de Froude. Para el caudal de diseño. El flujo se vuelve casi crítico en el barril. En la práctica, condiciones perfectas de flujo critico en el barril son difíciles de establecer: se caracterizan por efectos de “choques” e inestabilidades de superficie libre. Usualmente, el número de Froude en el barril se sitúa entre 0.7 y 0.9. y el caudal por unidad de ancho se acerca al máximo, tal como se muestra en la Tabla 1.

tabla 1: Tasa de flujo en el barril como función del número de Froude del barril Donde:

  

qmax = caudal máximo por unidad de ancho. E = energía específica en el barril. Fr= Número de Froude en el barril.

Figura 2: Tipos de flujos en alcantarilla 3.9.1 Criterios De Diseño De Una Alcantarilla: El diseño hidráulico preliminarmente se puede realizar considerando una velocidad de flujo en el barril igual a 3m/s, para una salida con transición en concreto, oulet. De 4 m/s si se utiliza un disipador de energía a la salida, En el caso de no disponer de transición de entrada y de salida (oulet / inlet), la máxima velocidad admitida en la alcantarilla es 1.5 m/s. Si la alcantarilla tiene un barril de sección circular el diámetro mínimo recomendado por la USBR se obtiene en la aplicación del principio de la continuidad, con la siguiente relación: 𝑄 𝐷 = 0.886√ 𝑉

El diámetro mínimo recomendado por el Bureau of Reclamation, para una alcantarilla es de 24” (60 cm) por cuestiones de acceso. Con una pendiente mínima recomendada de 0.005, con las recomendaciones mencionadas y una acertada aplicación de la ecuación de Bernoulli es posible describir la situación hidráulica del flujo sobre el conducto, (sección de control). El manejo de los conceptos de la hidráulica fluvial y del transporte de sedimentos nos indicarán las medidas de previsión para el control de la erosión, cavitación, sedimentación y atascamiento de la estructura. Un canal natural con una alcantarilla que atraviesa el bordo resultante, conduce a una situación que puede emplearse para la medición del gasto. El gasto a través de las alcantarillas se puede dividir en seis categorías, en función de las alturas relativas de la carga ye, de los niveles de aguas abajo ys ; y de la altura D de la sección del barril, que se resumen en la tabla siguiente:

Tabla 3. Características del flujo en alcantarillas (Bodahaine, 1976). 3.9.2 Definición de la sección hidráulica: Se define bajo los siguientes parámetros: a.- Caudales de diseño obtenidos según los estudios hidrológicos y compatibles con las secciones hidráulicas correspondientes del estudio de la fase de campo. Espacio necesario para realizar las actividades de limpieza y/o mantenimiento sin ningún problema para el operador. b.- Las alcantarillas tipo marco de 1.00m x 1.00m se proponen en aquellos lugares de paso en donde los desniveles entre el fondo del cauce y la rasante son reducidos. Esta solución dará seguridad al paso de vehículos con la debida resistencia del material de la que se compone. c.- Obviamente, cuando las secciones hidráulicas de los cursos naturales (Quebradas) son de mayor magnitud, se establecen la ejecución de alcantarillas tipo marco de mayores magnitudes que los anotados en el párrafo anterior. d.- Por otro lado, cuando se tiene suficiente holgura (altura) entre el fondo del cauce natural y el nivel de la rasante para encajar una estructura circular (tubería metálica corrugada) con recubrimiento necesario, se ha previsto ejecutar alcantarillas de este tipo (TMC) con un diámetro mínimo de 1.20m (48”).

3.10 PUESTA EN SERVICIO 

Todos los desagües por gravedad deben limpiarse de escombros antes de poner en servicio las cámaras colectoras a las que se vierten. Todas las conexiones de aguas superficiales ilícitas deben ser desviadas para no verter al sistema. Todas las cámaras colectoras deben limpiarse, a fin de no contener materia extraña. La limpieza debe realizarse antes de cualquier ensayo de puesta en servicio.









Deben proporcionarse los planos constructivos del sistema, así como el manual de funcionamiento. En el Anexo Nº 10, se proporciona información de mantenimiento y funcionamiento. El fabricante debe asesorar acerca de cualquier herramienta especial o equipo necesario para operar o dar mantenimiento al sistema, además de recomendar una reserva apropiada de piezas de recambio. El fabricante debe proporcionar los medios para adiestrar a los operadores del sistema. Dicho adiestramiento debe cubrir la instalación del sistema, su operación, mantenimiento y registro e interpretación del funcionamiento. El contratista debe demostrar que todo el equipo funciona satisfactoriamente.

IV. EJEMPLO PRÁCTICO: 4.1 DIMENSIONAMIENTO DE SECCIÓN RECTANGULAR: El diseño hidráulico de una alcantarilla consiste básicamente en la selección de un equilibrio óptimo entre la capacidad de caudal y la pérdida de energía, y los costos de construcción. Por consiguiente, las alcantarillas (cortas) se diseñan para flujo de superficie libre con condiciones críticas (flujo crítico) en el barril. Los cálculos hidráulicos simplificados se basan en la suposición de una entrada y un difusor suaves y sin pérdida de energía: es decir, la energía total es la misma agua arriba y aguas abajo. Suponiendo una energía total aguas arriba dada H1, para una estructura horizontal con sección transversal rectangular e ignorando y despreciando las pérdidas de energía, el máximo caudal por unidad de ancho se alcanza para condiciones de flujo crítico en el barril: 3 2

2

𝑞𝑚á𝑥 = √𝑔 ( (𝐻1 − 𝑍𝑒𝑛𝑡 )) …………(1) 3 donde zent es la elevación del lecho de la entrada. El ancho mínimo del barril para alcanzar las condiciones de flujo crítico es, entonces:

𝑩𝒎𝒊𝒏 =

𝑸𝒎á𝒙 √𝒈

−3 2

2 (3 (𝐻1 − 𝑍𝑒𝑛𝑡 ))

…………(2)

La profundidad crítica en el barril es igual a:

𝒅𝒄 =

𝟐 𝟑

(𝐻1 − 𝑍𝑒𝑛𝑡 )

……………………(3)

La batea del barril puede bajarse a fin de incrementar la capacidad de caudal o para reducir el ancho del barril. Las anteriores ecuaciones se convierten en: 3 2

2

𝑞𝑚á𝑥 = √𝑔 ( (𝐻1 − 𝑍𝑒𝑛𝑡 + ∆𝑍0 )) 3 𝑩𝒎𝒊𝒏

𝒅𝒄 =

−3 2 𝑸𝒎á𝒙 2 = ( (𝐻1 − 𝑍𝑒𝑛𝑡 + ∆𝑍0 )) √𝒈 3

𝟐 𝟑

(𝐻1 − 𝑍𝑒𝑛𝑡 + ∆𝑍0 )

…………………….(4)

donde ∆zo es la diferencia en la elevación del lecho entre la batea a la entrada y el fondo del barril. Luego de establecer el tipo de flujo, el dimensionamiento se lo realiza al encontrar una altura H, que satisfaga la condición del M.O.P. H >= 1.20 He Donde He es la altura de remanso a producirse aguas arriba de la entrada a una distancia impuesta d1. Por recomendaciones se adopta d1 = 2m. 𝐻𝑒 = 𝑑𝑐 +

𝑉𝑐 2 2𝑔

+ ℎ1−2 −

𝑉12 2𝑔

Alcantarillas Caso 3, con entrada y salida libre Condiciones del caso 3: Sa>Sc, dm < dc

Para encontrar He, es menester calcular la pérdida entre las secciones 1 y 2 (h1-2) y la velocidad a la entrada V1: Sa= 0.02 ℎ1−2 = 𝑆𝑎 ∗ (𝑑1 + 1.4 ∗ 𝑑𝑐) ℎ1−2 = 0.0634 𝑚

𝑉1 =

𝑄 (𝑑𝑚 ∗ 𝑇)

𝑉1 = 2.403

d1= 2 m. dc= 0.838 = hc

dm = 0.6 m. Q = 3.605 m3/s T = 2.5 m

Ejemplo de diseño: Así, se calcula entonces He:

Obtenido He, deberá adoptarse una altura que satisfaga la condición: H>=1.2He Se impone entonces H = 1.5 m >= 1.23 = He Esta altura H, cumple además con otra condición, según la cual: H>= hc/0.8

Así:

He = 1.23 < H = 1.5 > 1.047 = hc/0.8

Cálculo de la Pendiente Crítica Con los datos establecidos (Q, n, Sa, Tm, dm)



Calculamos un caudal unitario (q): 𝑞=



𝑄 𝐵

=

3.605 𝑚3 1.50 𝑚𝑠

= 2.403 𝑚2 /𝑠

Con este q, obtenemos el tirante crítico (hc): 3

𝑞2

ℎ𝑐 = √ 𝑔 = 0.838 𝑚



Es necesario obtener los valores de velocidad crítica Vc y radio hidráulico R: 1) 𝑉𝑐 = √𝑔 ∗ ℎ𝑐 P= B+2*hc= 3.176m 𝑅 = 𝐴𝑐/𝑃

Vc= 2.868 m/s 2) 𝑆𝑐 =

𝑉𝑐 2 ∗𝑛2 4 𝑅 ⁄3

Ac = B*hc = 1.257 m2

= 0.006

4.1.1 Método De Henderson. Una alcantarilla estándar se diseña para pasar aguas con un costo mínimo sin muchas consideraciones con respecto a las pérdidas de energía. La construcción de una alcantarilla debe ser simple: por ejemplo, tuberías circulares, cajas de concreto profundido. 4.1.1.1 Operación - patrones de flujo Para alcantarillas estándares, el flujo puede exhibir diferentes patrones dependiendo del caudal (y, por consiguiente, de la profundidad crítica en el barril de), de la cabeza aguas arriba por encima de la batea a la entrada (H1—zent ), de la profundidad del flujo uniforme de equilibrio en el barril d, de la pendiente de la batea del barril O, de la profundidad de aguas de escape dae. Y de la altura de la alcantarilla D. Henderson (1969) reagrupó los patrones de flujo en dos clases y ocho categorías en total  Clase 1 para condiciones de flujo de entrada de superficie libre, y  Clase II para entrada sumergida.

Los flujos con entrada de superficie libre [clase 1] ocurren en general para: 𝐻1 −𝑍𝑒𝑛𝑡 𝐷

≤ 1.2

En cada clase, los patrones de flujo pueden ser subdivididos en términos de la localización del control: es decir, si el control hidráulico se localiza a la entrada (es decir, control a la entrada) o a la salida (es decir, control a la salida) 4.1.1.2 Análisis: Con flujo de superficie libre a la entrada, la profundidad crítica se observa a la salida cuando S~ es mayor que S, donde S0 es la pendiente de la batea del barril y Sc es la pendiente crítica del barril [Figura(a)]. Nótese que S0 y Sc deben calcularse en términos de la pendiente de la batea del barril y de las condiciones del flujo en este. Para los casos con entrada sumergida [Figura (b)], el flujo se encuentra controlado por las condiciones a la salida cuando el barril se encuentra lleno o anegado y por las condiciones de entrada cuando se observa flujo de superficie libre en el barril.

Fig. 1. Ejemplos de una alcantarilla estándar en Brisbane, QLD, Australia (fotografía tomada en septiembre de 1996). Combinación de cuatro tubos de concreto y tres cajones de concreto prefabricado. Esta alcantarilla no tiene un diseño apropiado y la carretera se inunda en general dos o tres veces por año. (a) Entrada. Nótese la rejilla para atrapar basuras. Nótese también que el eje del barril no se encuentra alineado con la quebrada. (b) Salida.

Fig. 2 (a) Operación de una alcantarilla estándar, (a) Condiciones de entrada de superficie libre, (b) Entrada sumergida.

Fig. 2 (b) Entrada sumergida

Tabla 4 Condiciones típicas de la operación de alcantarillas estándar

En general, el caso 7 se observa para d,> D donde d0 es la profundidad normal en el barril. Pero también puede ocurrir para d0 < D si un efecto de remanso (es decir, una profundidad considerable de aguas de escape) mueve el resalto hidráulico hacia el barril. El caso 8 se observa de ordinario para d, < d. Asimismo, puede ocurrir para d > d debido al efecto de “compuerta deslizante” (es decir, vena contracta) inducida por la entrada al barril. Para planicies de inundación planas (es decir, moderadas), el patrón del flujo es de “control a la salida” si d >d en toda la longitud de canal, debido a que los flujos subcríticos se controlan desde aguas abajo. Las alcantarillas que fluyen llenas se encuentran controladas por las condiciones del agua de escape (es decir, control a la salida). 4.1.1.3 Notas 1. La pendiente de batea del barril S0 se define como: So = sen θ Las condiciones de flujo uniforme de equilibrio se relacionan con la pendiente de lecho como: 𝑉𝑜2

𝑆𝑜 = 𝑠𝑒𝑛𝜃 = 𝑆𝑓 = 𝑓 2𝑔(𝐷

𝐻 )𝑜

donde V, y (D11), son, respectivamente, la velocidad de flujo uniforme de equilibrio y el diámetro hidráulico, y f es el factor de fricción de Darcy. 2. La pendiente del canal, para la cual el flujo uniforme de equilibrio es crítico, se conoce como la pendiente crítica, denotada como Sc. La pendiente crítica satisface: 𝑉𝑜2

𝑆𝑐 = 𝑠𝑒𝑛 𝜃𝑐 = 𝑆𝑓 = 𝑓 2𝑔(𝐷

𝐻 )𝑜

donde V, y (DH), también deben satisfacer: Vo = VC y (DH)o = (DH)c. Para un canal rectangular ancho, la pendiente crítica satisface: Sc = sen θc= f/8

4.1.1.4 Características De Caudal La capacidad de caudal del barril se encuentra, en primer lugar, relacionada con el patrón de flujo: flujo a la entrada de la superficie libre, entrada sumergida, o barril sumergido Cuando ocurre flujo de superficie libre dentro del barril, el caudal se encuentra fijado sólo por las condiciones de entrada (Tabla 5.5), mientras que en el caso de alcantarillas sumergidas, el caudal está determinado por la resistencia en la alcantarilla. La Tabla 5.5 resume algunas relaciones de caudal para alcantarillas circulares y de cajón. También algunos nomogramas son de uso común (por ejemplo. US Bureau of Reclarnation 1987, Concrete Pipe Association of Australasia 1991). Para alcantarillas cortas en cajón (es decir, flujo en. el barril de superficie libre) en la cual el flujo se encuentra controlado por las condiciones de entrada, el caudal se estima en general como: 𝑸 𝑩

𝟐

𝟐

𝟑

𝟑

= 𝑪𝑫 √ 𝒈(𝑯𝟏 − 𝒁𝒆𝒏𝒕 )𝟏.𝟓𝟓

Flujo con entrada de superficie [Clase 1) 𝑸 𝑩

= 𝑪𝑫 √𝒈(𝑯𝟏 − 𝒁𝒆𝒏𝒕 )

Entrada sumergida y flujo en el barril de superficie libre.

Donde B es el ancho del barril y D es su altura (Figura 5.6(a)). CD es igual a 1 para bordes redondeados de entrada verticales y 0.9 para entrada con bordes cuadrados. C es 0.6 para una corona con bordes cuadrados y 0.8 para una redondeada. 4.1.1.5 Procedimiento de diseño El procedimiento de diseño para alcantarillas estándares puede dividirse en dos partes (Herr y Bossy 1965. HEC No.5). En primer lugar, se debe llevar a cabo un análisis del sistema para determinar los objetivos de la alcantarilla, los datos de diseño, las restricciones, etc., incluyendo el caudal de diseño Qdis y la energía total de aguas arriba de diseño Hdis (básicamente la altura de creciente aguas arriba, de diseño). En una segunda etapa, se selecciona el tamaño del barril mediante un procedimiento de prueba y error, en la cual se desarrollan tanto cálculos con control a la entrada como con control a la salida (figuras 5.9 y 5.10). Al final: el tamaño óptimo es el menor tamaño de barril que permite una operación con control a la entrada. Los cálculos del tamaño del barril son iterativos.

Tabla 5. Características de caudal de alcantarillas estándares.

Fig. 3 Cálculos hidráulicos de la energía de aguas arriba por encima de la batea para alcantarillas en cajón con control a la entrada.

Fig. 4 cálculos hidráulicos de pérdidas de energía total para alcantarillas en cajón que fluyen llenas (es decir, sumergidas).

Fig. 5. Características de caudal de alcantarillas en cajón estándares (condiciones de flujo con control a la entrada).

Fig. 6 Control a la entrada y control a la salida para flujo de alcantarilla estándar. 4.1.2

Método de French. Una alcantarilla es un conducto hidráulicamente corto que sirve para proveer las facilidades necesarias para el paso de las aguas de magnitudes menores de un lado al otro de la vía, manteniendo, en lo posible, las condiciones naturales del drenaje. Hidráulicamente, las alcantarillas se definen como conductos cerrados, ya que pueden operar con una línea de carga de la corriente de agua por encima de su corona y, por consiguiente trabajar a presión. Si no opera a caudal lleno es considerada como un canal a superficie libre.

4.1.2.1 Recomendaciones sobre su diseño e instalación. • Coloque los cruces de caminos sobre drenajes naturales, perpendiculares a la dirección del flujo a fin de minimizar la longitud del tubo y el área afectada. • Use tubos individuales de gran diámetro o un cajón de concreto en vez de varios tubos de menor diámetro para minimizar potenciales taponamientos. • En cauces muy anchos los tubos múltiples son más recomendables para mantener la distribución del flujo natural a través del canal. • Para sitios con altura limitada, use “tubos aplastados” o tubos de sección en arco que maximizan la capacidad al mismo tiempo que minimizan la altura.  Coloque alineadas las alcantarillas sobre el fondo y en la parte media del cauce natural de tal manera que la instalación no afecte la alineación del canal del arroyo ni la elevación del fondo del cauce.

Fig. 7. Localización correcta de alcantarillas.

4.1.2.2 Criterios de diseño según Richard French: 4.1.2.2.1 Caudal de diseño: • Usar el Método Racional, la probabilidad de diseño debe ser para un período de retorno de 15 años. • La carga hidráulica máxima de la alcantarilla para determinar el caudal que puede evacuar la estructura, se considera el nivel del agua al borde del muro del cabezal; se debe procurar un mínimo de 40 cms. arriba la rasante del nivel del agua. • Por razones de mantenimiento, el diámetro mínimo es de 30 pulgadas o su equivalente en el sistema métrico 4.1.2.2.2. Dimensionamiento de las alcantarillas: La USBR. Design of Small Canal Structures en el “Hydraulic Design Nº5, Hydraulic Design of Highway Culverts”, presenta diversas metodologías para el cálculo de diferentes tipos de alcantarillas, por procedimientos numéricos y gráficos. En dicho documento la determinación del caudal por el control de entrada está dado por la relación: 𝐻𝑒 𝐷

=𝐾[

𝑄 𝐴𝐷0.5

]𝑀

Siendo: He, la profundidad de la carga en el control de entrada D: el diámetro interno de la tubería. Q: caudal A: es el área llena de la tubería K y M: constantes, que dependen del tipo de alcantarilla y la forma de los aletones de entrada. La USBR. Design of Small Canal Structures elaboró valores para estas constantes. En la figura 8 se presenta el perfil de la alcantarilla con control de entrada.

Fig.8. Perfil de una alcantarilla

V.

CONCLUSIONES