HIDROLOGIA 2010

GUA DE TRABAJOS PRCTICOS N9 DISEO DE DESAGES PLUVIALES URBANOS

Los principales datos que debemos tener a disposicin o elaborar en pri-mera instancia para iniciar el diseo y proyecto de un sistema de desa-ges pluviales son los siguientes: Planos: Estos planos debern ser de varios tipos, desde los generales de ubica-cin general de la cuenca hasta los de detalle que permitirn el nivel de detalle necesario para aportar las mejores soluciones al problema que se pretende resolver. Estos debern incluir los levantamientos topogrficos del rea tal que permita la delimitacin y trazado de la cuenca de aporte del sector de trabajo. Las escalas de los mismos sern variadas depen-diendo del tipo de trabajo que realicemos con ellos o lo que estos pre-tendan mostrar. Levantamiento Topogrfico: Necesitaremos de una nivelacin geomtrica en todas las esquinas de la zona de trabajo que nos permita identificar y trazar la cuenca de aporte, conociendo adems y de ser posible las cuencas vecinas. Estos datos topo-grficos que se debern relevar tendrn bsicamente dos estructuras dife-rentes, dependiendo si el rea de trabajo posee o no infraestructura de pavimento. En el primer caso ser suficiente con acotar los puntos que se indican en la figura siguiente y que a criterio del profesional que rea-liza el relevamiento encuentre particularidades.

Figura N 1

En el caso de zonas sin pavimento el relevamiento topogrfico tomar las cotas en esquinas, centros de calles, veredas y fundamentalmente deber incluir cotas de los Umbrales de las viviendas de la zona en estudio, es-tas son las que condicionaran de alguna manera los niveles y cotas de los elementos que se incluirn en el proyecto.

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Infraestructura Existente:Es de fundamental importancia conocer con la mayor precisin posible la traza y ubicacin planialtimtrica de las redes de otros servicios, como la cloacas, agua potable, telefona, electricidad, TV por cable, etc., de tal forma de ajustar nuestro proyecto a las condiciones existentes eli-giendo la mejor opcin en lo que respecta a localizacin y costos de obra. Catastro y Urbanizacin: En este punto se destaca lo necesario de conocer como es la distribucin catastral dentro de las manzanas que componen la cuenca, ello permitir identificar la forma de aporte de cada una y ajustar los lmites de las cuencas y subcuencas en forma precisa. A modo de ejemplo se muestran dos formas tpicas de distribucin del catastro en la ciudad de Resistencia:

Figura N 2

Se deben conocer los siguientes elementos relativos a la Urbanizacin de la cuenca de aporte:

Tipo de ocupacin de las reas, Cdigo de Planeamiento Urbano (re-sidencial, comercial, etc.)

Porcentajes de ocupacin de los lotes, en Resistencia, esto est identificado por el Factor de Ocupacin Total (FOT) y Factor de Ocupacin del Suelo (FOS).

Determinacin de la Cuenca de aporte y red de escurrimiento superficial: Los lmites de las cuencas de aporte y sus subcuencas podrn ser trazadas a partir de la Topografa del rea y de conocer las caractersticas del Catastro y la Urbanizacin, dado que estos elementos nos permitirn iden-tificar los lmites ms claros donde el escurrimiento superficial se di-vide. Esto no es tan claro y en ocasiones es necesario identificar los trasvases que pueda existir, sobre todo en cuencas como las de nuestra ciudad donde las pendientes de las calles son de algunos pocos centme-tros. Dado que determinar los lmites de cuenca y subcuencas exige observar y controlar detalladamente los datos topogrficos relevados sobre todo en llanuras , se puede aprovechar en esta revisin a trazar las lneas de escurrimiento que tomarn los excesos en superficie, tarea esta que faci-litar posteriormente la localizacin de los sumideros. Al terminar este trabajo nos puede quedar parecido a lo que se ilustra en la figura siguiente:

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AV

EN

IDA

VE

LE

Z S

AR

SF

IEL

D

410 40401

H.IRIGOYEN

Figura N 3

A partir de estos elementos bsicos, es necesario determinar por cual-quiera de los mtodos conocidos el Escurrimiento Superficial Directo que provoca una Tormenta de Diseo, esto incluye conocer el Caudal Pico, Vo-lumen y Forma del Hidrograma para un Tiempo de Recurrencia (TR) acorde con la obra que se proyecta. En Hidrologa Urbana existen dos mtodos consagrados que permiten este clculo, ellos son: el Mtodo Racional, aplicable a cuencas urbanas de reas inferiores a 3 km2, y los mtodos basados en la teora del Hidro-grama Unitario, aplicables en cuencas de reas mayores. Son tambin apli-cables modelos de simulacin como los vistos en esta materia en el traba-jo prctico N 8. A modo de ejemplo utilizaremos el Mtodo Racional:

AICQ p = 275.0 Donde:

:pQ Caudal Pico en [m3/seg] :C Coeficiente de Escorrenta :I Intensidad media en [mm/hs] :A rea de la cuenca en [Km2]

El Coeficiente de Escorrenta C lo obtenemos de la Tabla N 1 ilustrada en esta Guia o de la Tabla 15.1.1 de la pgina 511 del Libro Hidrologa Aplicada de Ven Te Chow - Maidment - Mays. La Intensidad de Precipita-cin I [mm/hs] la obtendremos de las curvas IDF disponibles de la ciudad en la que se trabaja, compatible con el Tiempo de Concentracin de la Cuenca en que se quiere calcular el caudal y el rea A calculada en km2. De esta forma obtenemos el caudal pico Qp

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Tabla N 1: Coeficientes de Escorrenta a usar en la ecuacin del Mtodo Racional.

Ocupacin del Suelo C Edificacin Muy Densa: Partes Centrales, densamente pobladas de ciudades con calles pavimentadas. 0.70 a 0.95

Edificacin no Muy Densa: Partes adyacentes al centro, de menor densidad de habitantes, con calles pavimenta-das.

0.60 a 0.70

Edificacin con Pocas Superficies Libres: Partes resi-denciales con construcciones cerradas, calles pavimen-tadas.

0.50 a 0.60

Edificacin con Muchas Superficies Libres: Partes re-sidenciales con calles pavimentadas pero con muchas reas verdes.

0.25 a 0.50

Suburbios con Alguna Edificacin: Partes semi urbanas con pequea densidad de construcciones. 0.10 a 0.25

Parques y Campos de Deportes: Partes rurales, reas verdes, superficies arborizadas, parques ajardinados y campos de deporte sin pavimentos.

0.05 a 0.20

Una vez que se obtiene el Caudal Pico para la cuenca o subcuenca en la que estamos trabajando, y de modo de simplificado en esta materia se pue-de ponderar uniformemente el caudal por unidad de superficie. Como adems conocemos el catastro de las manzanas y que las mismas en Re-sistencia poseen una dimensin de 100 por 100 metros entre lneas munici-pales y los anchos de calles comunes son de 20 metros cada manzana cubre un rea de 120 x 120 metros, es decir 1.44 hectreas, con este valor de superficie podemos inferir el caudal que cada manzana aportar por cada frente. A partir de estos datos obtenidos podemos comenzar a dimensionar el SIS-TEMA O RED DE DESAGES PLUVIALES. Para ello recordaremos los elementos que componen el sistema:

1. Cordn Cuneta y Cunetas de calles de tierra. 2. Boca de Tormenta (imbornales).

2.1. Para calles con Pavimento. 2.2. Para calles de Tierra.

3. Conductos de Vinculacin. 4. Conductos Secundarios. 5. Conductos Principales. 6. Obra de descarga. 7. Cuenco receptor. 8. Elementos Especiales de Red de Desages Pluviales.

8.1. Cmaras de Inspeccin y Limpieza. 8.2. Alcantarillas. 8.3. Estaciones de Bombeos. 8.4. Desarenadores.

A continuacin veremos el clculo de alguno de estos elementos: 1. Cordn Cuneta y Cunetas de calles de tierra.

Este elemento del sistema de desages es el que recibe los excesos prove-nientes de las manzanas, acta como un canal, existen bsicamente de dos tipos dependiendo de si la calle es de tierra o con pavimento, pero su funcionamiento es similar al de un canal, por ello, para su evaluacin se utiliza la ecuacin de Manning, colocando como nica condicin el tirante mximo permitido en las calles, compatible con la proteccin que se pre-tende dar y la importancia de la va de comunicacin, de esta forma se distinguen:

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1.1. Cordn Cuneta. Calles pavimentadas.

Lnea municipal

Vereda

Eje de calle

Calzada

4 m15 cm6 m

2 %d

2,50 % Cordn

Utilizando la formula de Manning y sus supuestos intrnsecos, como el de flujo uniforme en la seccin y aceptando que el ancho superior del canal es igual al permetro mojado, condicin prxima a la de los canales an-chos de poca profundidad, podemos transformar la ecuacin:

21

32

***1 SRAn

Q = y como Izzard desarrollo un modelo aproximado sobre experiencias en campo y lle-go a la siguiente expresin: en lugar de multiplicar por 0.3117 que seria el coeficiente que resulta del pasaje de trminos, lo reemplaza por 0.377

Donde: Qo = Caudal total en la cuneta, en m3/seg. Z = reciproco de la pendiente transversal de la calle n = valor n de Manning S = pendiente longitudinal de la cuneta d = profundidad del flujo en la cuneta, en m 1.2. Cuneta de calle de Tierra.

Lnea municipal

Vereda

Eje de calle

Calzada

Variable

De 0,5 a 1,0 m

Variable

Por Manning:

21

38

377.0 SdnzQ =

2* 2dzA =P

AR = dzP *=

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El tratamiento para este caso es semejante a la hidrulica de canales abiertos sin revestimiento, teniendo en cuenta las situaciones particula-res que presentan en una cuadra con cunetas en la cual se tienen un nme-ro variable de entradas vehiculares, las que generalmente son de caos de hormign circular o de mampostera con tableros de madera u hormign.

21

321 SRA

nQ =

Valores de n de Manning que pueden ser utilizados:

CARACTERSTICAS n

CANALES

Rectilneos con pastos de 15 cm. de altura 0.3000.400Rectilneos con pastos y ramas de 30 cm. de altura 0.3000.060

de hormign premoldeados con buena termina-cin 0.0110.014

de H moldeados en el lugar con formas met-licas simples 0.0120.014

de H moldeados con encofrado de madera 0.0150.020

CORDN CUNETA

de asfalto suave 0.013 de asfalto rugoso 0.016 de concreto suave con pavimento de asfalto 0.014 de concreto rugoso con pavimento de asfalto 0.015 de pavimento de H 0.0140.016de piedras 0.016

2. Boca de Tormenta (imbornales). 2.1. Para calle con Pavimento. Las podemos clasificar en varios tipos como por ejemplo: A. de cuneta B. de cordn C. mixto A. de cuneta: Un imbornal de cuneta es aquel que tiene barras lo suficientemente largas para que el agua pueda caer en la abertura sin chocar con el borde del emparrillado de aguas abajo. Su posicin como lo muestra la figura siguiente y lo indica el nombre es en la cuneta de la calzada de hormign o asfalto.

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Cordn

Eje de calle

Las barras que conforman la reja deben ser bien redondeadas con un ancho total inferior al 50 % del ancho de entrada.

3/2yP7.1Q =

Donde: Q: caudal en m3/seg. P: Permetro de la reja en m. y: Profundidad de la lmina de hasta 12 cm. Para profundidades de Lmina de ms de 42 cm.

2/1yA91.2Q =

Donde: A: rea de la reja, excluida las reas de las barras m2. y: Profundidad de la lmina. Para las situaciones entre los 12 y 42 cm de tirante, la ecuacin que se utilice quedar a criterio del proyectista.

B. de cordn:

Lo

d*tg o

Vo Qo

dCordn

3/27,1 yLQ = [1] Donde: Q: Caudal en m3/seg. L: Longitud de la reja vertical en m. y: Profundidad de la lmina. Cuando la profundidad del agua (y) en la boca del imbornal de cordn fue-ra mayor que el doble de la altura de la boca (h), o sea que funciona ahogado, el caudal Q debe ser estimado en base a la siguiente expresin:

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2/12/3 101,3

= h

yhLQ [2] Donde: Q: Caudal en m3/seg. L: Longitud de la reja vertical en m. y1: Profundidad de la lmina en la abertura en m. y1 = y h/2 Para cargas de agua en la reja vertical de entre [1] y [2], la adopcin de uno u otro mtodo queda a criterio del proyectista.

h0,60 mn

yy

y'

46

1,00

3. Conductos de Vinculacin. El agua captada por los Imbornales o Bocas de Tormentas necesita ser con-ducida hasta los conductos Secundarios y Principales, ello se lleva a ca-bo a travs de los denominados conductos de vinculacin. Estos elementos se calculan como conductos a presin que pueden ser circulares o rectan-gulares, ello depende de las posibilidades fundamentalmente de tapadas y de cotas topogrficas disponibles.

Se calcula por ejemplo el mnimo dimetro o seccin requerida y se selec-ciona el siguiente dimetro comercial, existiendo un valor mnimo deter-minado fundamentalmente por la facilidad de limpieza, siendo para el mu-nicipio de Resistencia 0,60 metros. Los parmetros fundamentales son bsicamente el Material y la Carga Hidrulica. Para el clculo pueden ser utilizadas cualquiera de las for-mulas ms conocidas, es decir apoyados por ejemplo en la ecuacin de Man-ning cuando el conducto no est a presin, trabaja a seccin llena y flu-jo uniforme, en estas condiciones el dimetro es:

8/3

SoQn21.3

D

=

donde Q esta expresado en [m3/seg.] y So en [m/m], obteniendo el D [m].

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Para conductos a presin puede usarse entre otras la ecuacin de Hazen Williams:

= 87.485.1

85.1

DC

Q65.10J

en la que J es la prdida de carga unitaria en [m/m], Q el caudal de clculo en [m3/seg.] y D el dimetro del conducto propuesto en [m], sien-do C el coeficiente de rugosidad que depende de la naturaleza y el esta-do de las paredes. 4. Conductos Secundarios. Estos conductos nacen a partir de la existencia del primer sumidero en el sistema de desages, pueden ser de cualquier forma de seccin, fundamen-talmente se los debe disear para que trabajen a gravedad, con lo cual es aplicable por ejemplo la ecuacin de Manning, con la nica precaucin de controlar muy bien las condiciones de borde fundamentalmente en zonas de poca pendientes de tal manera de no producir en el sistema efectos de re-manso.

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