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DiseDiseDiseDiseñññño de redes de o de redes de o de redes de o de redes de alcantarillas (I)alcantarillas (I)alcantarillas (I)alcantarillas (I)
Referencias
• [1] Ingeniería de aguas residuales: redes de alcantarillado y bombeo. Ed. McGraw-Hill.
• [2] Ingeniería de las aguas residuales. Tratamiento, vertido y reutilización. Ed. McGraw-Hill.
• [3] Saneamiento y alcantarillado: vertidos de aguas residuales. Aurelio Hernández. Ed. Paraninfo.
• [4] Fundamentos y cálculo de redes de distribución. Osorio F. y E. Hontoria.
• [5] EMASESA. Instrucciones Técnicas para redes de saneamiento
• [6] Cálculo de caudales en las redes de saneamiento. Catalá, F. Ed. Paraninfo. Colección Seinor no. 5.
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El agua residual urbana
Industrial Infiltracionesy aportaciones incontroladas
Escorrentía urbana (pluviales)
- Contaminación orgánica (+sales disueltas y S.S. inorgánicos).- Biodegradables (DBO5/DQO ≈ 0,5)- Nutrientes (N y P)- Sin productos tóxicos
-Contaminación según el tipo de industria-Solamente se podrán verter a la red aguas industriales que sean asimilables a urbanas
-Contaminación por S.S., óxidos de S y N, metales pesados volátiles, papel, vidrio, desgaste de neumáticos, derrames de combustibles, aceites y grasas-Composición = f (duración de eventos de lluvia y del tiempo entre eventos)
Doméstica o sanitaria
(zonas residenciales, comerciales y públicas)
Agua residual urbana
El agua residual urbana
Industrial Infiltracionesy aportaciones incontroladas
Escorrentía urbana (pluviales)
Doméstica o sanitaria
(zonas residenciales, comerciales y públicas)
Agua residual urbana
Aguas ‘negras’Caudales estables
Aguas ‘blancas’Caudales altos, que ocurren de forma episódica
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Tipos de redes
Red separativa sanitaria(por gravedad o a presión)
… y de aguas pluviales(por gravedad)
Red (o sistema) unitaria(por gravedad)
Industrial‘asimilable’
Infiltracionesy aportaciones incontroladas
Escorrentía urbana (pluviales)
Doméstica o sanitaria
(fecales, limpieza, y lavado)
Agua residual urbana
Sistema unitario
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Sistema separativo
1. Caudales de aguas negras
Se deben estimar los valores medios Qm y los valores punta Qp (relacionados por un factor punta Cp)
Qp = Cp x Qm
• Redes ya existentes– series históricas – aforos (vertederos, canales Parshall, trazadores,
molinetes, …)
• Redes de nueva construcción– a partir de datos de abastecimiento de agua– a partir de estimaciones/mediciones de caudales de
agua residual en poblaciones de características similares
Caudal de diseño
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1.1. Qm a partir de datos de abastecimiento
Industrial(no doméstico)
Servicio público(extinción de
incendios, riegos, mantenimiento de infraestructuras)
Pérdida en la red y fugas
Uso doméstico
Caudal medio de agua de abastecimiento (QmAA)
10-12 % en sistemas modernos
15-30 % en sistemas anticuados
hasta un 50%
QmAAx (0.6 - 0.85) = Caudal medio de agua residual (Qm)
Caudal de agua utilizada(contador) y un 90-100% se incorpora a la red de
saneamiento
1.2. Qm por estimaciones directas
Industrial Infiltracionesy aportaciones incontroladas
Escorrentía urbana (pluviales)
Doméstica o sanitaria
Agua residual urbana
Residencial
Instituciones
Recreativo
Comercial
Qm = Volumen / ha día x Superficie
Qm = Volumen / pers. día x Población
Caudal unitario(Tablas y gráficos)
Valor extensivo(Planificación)
Horizonte temporal = 10 años (zonas rurales); 20-30 años (zonas urbanas); 50 años (pasos subterráneos de tráfico y ferroviarios). Fuentes de informaciónorganismos de planificación locales, regionales o estatales, o utilizando métodos de estimación de la población
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• Industrial:
– Oscila entre 9-14 m3 / ha. d (en zonas de escaso desarrollo) y 14-28 m3/ha. d (en zonas con desarrollo medio) [2]
– Valor típico de proyecto ≈ 30 m3 / ha. d [1] ó 47 m3 / ha. d [3]. – 85-95% del consumo en industrias sin reutilización interna [1]
� tablas de consumo según tipo de industria (ver [2] y [3]).
� [4] Un orden de magnitud del consumo es de 50m3 /ha. d (p. I.93)� [4] La demanda anual en nuevos polígonos industriales es ≈ 4000
m3/ha (= 10m3/ha. d)
– EMASESA indica en sus normas que el caudal de diseño Qp (l/s) = 0.7 x superficie (ha). Si Cp = 2-3 (ver más adelante) �Caudal medio unitario ≈ 20 - 30 m3 / ha. d
• Comercial
– Oscila entre 14 y 15000 m3 / ha. d [1] – Tablas ( [1], [2] )
Caudales unitarios
¡Cuidado!
[3]
135,000 m3 /ha. d!!!!
¿?
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O(1) l/s.ha � 86 m3/ ha.d
[4]
O(102) m3/Tm, como en [2]
• Industrial:
– Oscila entre 9-14 m3 / ha. d (en zonas de escaso desarrollo) y 14-28 m3/ha. d (en zonas con desarrollo medio) [2]
– Valor típico de proyecto ≈ 30 m3 / ha. d [1] ó 47 m3 / ha. d [3]. – 85-95% del consumo en industrias sin reutilización interna [1]
� tablas de consumo según tipo de industria (ver [2] y [3]).
� [4] Un orden de magnitud del consumo es de 50m3 /ha. d (p. I.93)� [4] La demanda anual en nuevos polígonos industriales es ≈ 4000
m3/ha (= 10m3/ha. d)
– EMASESA indica en sus normas que el caudal de diseño Qp (l/s) = 0.7 x superficie (ha). Si Cp = 2-3 (ver más adelante) �Caudal medio unitario ≈ 20 - 30 m3 / ha. d
• Comercial
– Oscila entre 14 y 15000 m3 / ha. d [1] – Tablas ( [1], [2] )
Caudales unitarios
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Si usamos una densidad = 500 empleados / ha � 20 m3/ha.d
[1]
EMASESA indica que el caudal de diseño debe ser calculado como
Qp (l/seg) = 0.017 x (nº de viviendas de la cuenca)
Si consideramos una sóla vivienda (4-5 personas) � caudal unitario = 300-370 litros / pers. d [5].
([1] y [2])
9
([1] y [2])
([1] y [2])
10
Caudales unitarios (infiltración)
[1]
1.3. Variaciones del caudal de A.R.
El abastecimiento tiene poca capacidad de embalse y, por tanto, las curvas de caudales de A.R. son parecidas a las de abastecimiento,
pero desfasada en el tiempo y algo más suaves.
** Las variaciones estacionales en zonas de turismo ó con industrias agro-alimentarias (ej. conservas) son muy pronunciadas
Infiltraciones
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1.4. Factores punta Cp y caudal de diseño Qp
Cp representa la razón entre el caudal máximo horario de A.R. en el día de máxima producción y el caudal medio horario en un día promedio
Qp = Cp x Qm
Agua residual doméstica
Valores guía [3]
Cp ≥ 2.4 Núcleos pequeños1.8 ≥ Cp ≥ 2.4 > 100,000 hab1.4 ≥ Cp ≥ 1.8 > 800,000 hab
Fórmulas empíricas [3]
Harman Fair & GeyerNota: P = población (miles de hab.)
P
PC
PC pp
+
+=
+
+=
4
18
4
141
Cp = f(Qm) Gráficas u otras
expresiones empíricas
x Caudal unitario
Factor punta para agua residual doméstica[1]
ó podemos suponer que la curva Cp vs. log(Qm) es lineal e interpolar entre los dos puntos que da la gráfica, i.e. (log(5), 1.98) y (log(0.004),3.34)
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1.4. Factores punta Cp y caudal de diseño Qp
Cp representa la razón entre el caudal máximo horario de A.R. en el día de máxima producción y el caudal medio horario en un día promedio
Qp = Cp x Qm
Agua residual doméstica
Valores guía [3]
Cp ≥ 2.4 Núcleos pequeños1.8 ≥ Cp ≥ 2.4 > 100,000 hab1.4 ≥ Cp ≥ 1.8 > 800,000 hab
Fórmulas empíricas [3]
Harman Fair & GeyerNota: P = población (miles de hab.)
P
PC
PC pp
+
+=
+
+=
4
18
4
141
Industrial /Comercial
Cp ≈ 2-3
Infiltraciones(gráficos) [1]
Cp = f(Qm) Gráficas u otras
expresiones empíricas
x Caudal unitario
Caudales de diseño por infiltración (Qp)[1]
40.5 ha, 14 m3/ha.d
5000 ha, ≈ 3.3 m3/ ha.d
Si comparamos la curva B con la curva de caudales medios Qm de infiltración � Cp ≈ 1.6
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Ejemplo
Densidad de saturación δ = 124 hab. / ha
δ = 38 hab. / haδ = 74 hab. / ha 2000 estudiantes
Usos del suelo Caudales unitarios
1. Zona comercial 20 m3 / ha. día2. Polígono industrial 30 m3 / ha. día 3. Escuela (2000 alumnos) 75 l / estudiante. día4. Viviendas unifamiliares 300 l / hab. día5. Apartamentos de baja altura 225 l / hab. día6. Pisos duplex 280 l / hab. día7. A-4 (residencial mixta) 268 l / hab. día *
* Promedio de 4, 5 y 6
Qm = Caudal unitario x densidad x superficie (en zonas residenciales)Caudal unitario x superficie (en zona comercial e industr.)Caudal unitario x No. estudiantes (en la escuela)
Qp = Cp x Qm
f ( población y del uso del suelo )
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Caudal medio Cp Caudal punta ( m3 / d ) ( m3 / d )
3694 2.6 96032261 2.6 58784966 2.6 12912150 4 600960 1.8 1728
2200 1.8 39603300 2.1 6930
17531 41612
Clasificación urbanística Area Densidad Población Caudal unitario medio( ha ) (hab. / ha) (hab) Módulo Valor
Unifamiliares 324 38 12312 l / ha.d 300Residencial mixta 114 74 8436 l / ha.d 268Apartamentos de poca altura 178 124 22072 l / ha.d 225Escuela 16 2000 l / pers.d 75Centro comercial 48 m3 / ha.d 20Comercial 110 m3 / ha.d 20Polígono industrial 110 m3 / ha.d 30
Total 900
Caudal medio Cp Caudal punta ( m3 / d ) ( m3 / d )
3694 2.6 96032261 2.6 58784966 2.6 12912150 4 600960 1.8 1728
2200 1.8 39603300 2.1 6930
17531 41612
Clasificación urbanística Area Densidad Población Caudal unitario medio( ha ) (hab. / ha) (hab) Módulo Valor
Unifamiliares 324 38 12312 l / ha.d 300Residencial mixta 114 74 8436 l / ha.d 268Apartamentos de poca altura 178 124 22072 l / ha.d 225Escuela 16 2000 l / pers.d 75Centro comercial 48 m3 / ha.d 20Comercial 110 m3 / ha.d 20Polígono industrial 110 m3 / ha.d 30
Total 900
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2. Dimensionado hidráulico
‘Dado el caudal encontrar el diámetro’
• La red debe funcionar de modo general por gravedad en régimen de lámina libre(excepcionalmente funcionan a presión)
• Los conductos se dimensionan inicialmente suponiendo que el agua circula a sección llena con caudales pico.
• Un 15 ó 20% de la altura de la sección debe quedar libre para permitir la circulación de aire, de forma que se eviten condiciones anaeróbicas
Flujo uniforme por gravedad
g
V
D
Lfh
h
f2
2
=
2/12/12/12/18hfhf RCSRS
f
gV ==
2/1
8.14log2
=
ε
hRf
Flujo completamente turbulento
3/22/12/12/1
6/11
hfhfh RS
nRS
n
RV ==
Chezy
Manning
n = 0.013-0.015
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Parámetros hidráulicos en alcantarillas circulares parcialmente llenas
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3. Criterios de diseño de redes
Velocidades mínimas, Vmin (deposición)
- Redes unitarias: 0.6 m/s (velocidad de arrastre de arenas)- Redes separativas:
Conducto de aguas negras: 0.3 m/s (arrastre de S.S.)Conducto de pluviales: 1 m/s.
- Sifones: 1 m/s
Velocidades máximas, Vmax (erosión)
- Para caudal punta de aguas negras: 2.5 - 3 m/s.- Para caudal máximo en tiempo de lluvia: 5 m/s.* Para velocidades mayores � protección especial(soleras, rápidos, zonas de enlace de tramos)
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Diámetros mínimos, D (obturación)
• En redes unitarias y separativas ≥ 300 mm• En acometidas ≥ 200 mm.• Conexión de imbornal con la red ≥ 200 mm
Pendiente, S = f ( V, D )
Por lo general, buscamos que las alcantarillas vayan paralelas a la superficie Ss (i.e. S = Ss) por el menor coste de excavación, con la coronación de los tubos a una profundidad > 2 m y por debajo de los tubos de abastecimiento.
- Pte. insuficiente Ss< Smin = f (Vmin, D) � bombeos
- Pte. excesiva Ss> Smax= f (Vmax,D) � rápidos y/o pozos de resalto
m/m
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Diámetros mínimos, D (obturación)
• En redes unitarias y separativas ≥ 300 mm• En acometidas ≥ 200 mm.• Conexión de imbornal con la red ≥ 200 mm
Pendiente, S = f ( V, D )
Por lo general, buscamos que las alcantarillas vayan paralelas a la superficie Ss (i.e. S = Ss) por el menor coste de excavación, con la coronación de los tubos a una profundidad > 2 m y por debajo de los tubos de abastecimiento.
- Pte. insuficiente Ss< Smin = f (Vmin, D) � bombeos
- Pte. excesiva Ss> Smax= f (Vmax,D) � rápidos y/o pozos de resalto
Sistema separativo Criterios
Conducto A. Negras
Conducto A. Pluviales
Sistema unitario
h≤ 500 mm 0,5 ymáx/htotal
h>500 mm 0,7
0,8 (0,9
máximo)
0,8 (0,9
máximo)
Vmáx (m/s) 3,0 5,0 5,0
Vmín (m/s) 0,3 (0,6) 1,0 0,6 (0,9)
Dmín (mm) 300
Prof. mín (m) 2,0
20
Pendientes recomendadas Diámetro de la conducción (mm) Mínima Máxima Óptima
Acometidas 2:100 7:100 3:100
D200-D300 1:1000 7:100 2:100 / 7:1000
D300-D600 1:1000 4:100 1:100 / 5:1000
D600-D1000 1:1000 2:100 5:1000 / 2:1000
D1000-D2000 1:10000 1:100 3:1000 / 2:1000
Ejemplo de diseño de redes
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Tabla de información básica (Tabla 1)
Clasificación urbanísticas Densidad Estudiantes Caudal unitario medio Cp (hab. / ha) Módulo Valor
Unifamiliares 38 l / ha.d 300 f ( Qm)Residencial mixta 74 l / ha.d 268 f ( Qm)Apartamentos de poca altura 124 l / ha.d 225 f ( Qm)Escuela 2000 l / pers.d 75 4Centro comercial m3 / ha.d 20 1.8Comercial m3 / ha.d 20 1.8Polígono industrial m3 / ha.d 30 2.1
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Tabla de cálculo en proyecto de colector(1. Topología)
Tramo Desde Hasta Cuencavertiente
1 1 2 A-1A-2A-10
2 2 3 A-93 3 4 A-34 4 5 A-85 5 6 A-46 6 7 A-7
A-57 7 8 A-6
Caudales domésticosTramo Desde Hasta Cuenca Superf. Densidad Qm unit. Qm Qm.acum Cp Qp.acum
vertiente (pers./ha) (l/hab.d) (m3/d) (m3/d) (m3/d)1 1 2 A-1 100 38 300 1140
A-2 112 38 300 1277 A-10 2417 2.9 7009
2 2 3 A-9 48 124 225 1339 3756 2.8 105173 3 4 A-3 112 38 300 1277 5033 2.7 135894 4 5 A-8 60 124 225 1674 6707 2.7 181085 5 6 A-4 114 74 268 2261 8968 2.6 233166 6 7 A-7 70 124 225 1953
A-5 10921 2.6 283947 7 8 A-6 10921 2.6 28394
Caudales comercialesTramo Desde Hasta Cuenca Superf. Qm unit. Qm Qm.acum Cp Qp.acum
vertiente (m3/ha.d) (m3/d) (m3/d) (m3/d)1 1 2 A-1
A-2A-10 48 20 960 960 1.8 1728
2 2 3 A-9 960 1.8 17283 3 4 A-3 960 1.8 17284 4 5 A-8 960 1.8 17285 5 6 A-4 960 1.8 17286 6 7 A-7
A-5 110 20 2200 3160 1.8 56887 7 8 A-6 3160 1.8 5688
Tabla de cálculo en proyecto de colector(2. Caudales por tramos y usos)
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DISEÑO DEL COLECTORTramo Desde Hasta Cuenca Superficie Diámetro Pendiente Caudal ¡¡ Velocidad ¡¡
vertiente (ha) mm m/m (m3/s) (m3/d)1 1 2 A-1 100
A-2 112A-10 48 450 0.0019 0.124 0.780
2 2 3 A-9 48 525 0.0015 0.167 0.7703 3 4 A-3 112 600 0.0012 0.210 0.7504 4 5 A-8 60 675 0.0011 0.265 0.7805 5 6 A-4 130 750 0.001 0.339 0.8006 6 7 A-7 70
A-5 110 900 0.0007 0.450 0.7507 7 8 A-6 110 900 0.0009 0.533 0.850
¡¡ Valores de caudal y velocidad a sección llena
Tabla de cálculo en proyecto de colector(3. Caudales totales y DISEÑO)