capacidad de captación de un sumidero y cuantificación del … · 2012-06-12 · capacidad de...
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Capacidad de captación de un sumidero y cuantificación del efecto
generado por distintos tipos de residuos a la entrada
Mario A. Chirichigno - Adelma M. Mancinelli - Raul A. Navarro - Laura E. Ferrer
Facultad de Ciencias Exactas, Ingeniería y Agrimensura, Universidad Nacional de Rosario. Riobamba 245 bis –Rosario
e-mail: [email protected]
RESUMEN: El presente trabajo consiste en la evaluación de la capacidad de captación de un sumidero y de transporte de caudal de una calzada, a partir de un modelo físico a escala reducida.
Se analiza un sumidero vertical con una depresión en la entrada, de dos medidas diferentes. Luego, con la depresión adoptada se analiza un sumidero combinado (reja vertical y horizontal). Por último se realizaron observaciones del comportamiento con la presencia de obstrucciones en la entrada (hojas, envases, etc).
Los estudios sobre capacidad de captación de un sumidero en general consideran la entrada del mismo libre de obstrucciones. La condición de trabajo habitual no es esa, ya que el agua arrastra hasta los sumideros los elementos sueltos que se encuentran en los techos, veredas y calles. En la reja de entrada suelen encontrarse papeles, botellas, hojas y pequeñas ramas de árboles que reducen la capacidad de captación analizada en laboratorios. Si se considera una limpieza urbana previa a la lluvia, tampoco podría evitarse la caída de hojas de árboles durante una tormenta. En la región donde se realiza el presente estudio, los meses más lluviosos son noviembre y marzo. En los dos casos las tormentas encuentran a los árboles florecidos y en marzo, perdiendo hojas agravando esta situación.
El objetivo del presente trabajo es aportar datos observados que resulten útiles para la elección del tipo de sumidero a construir y su dimensionamiento.
INTRODUCCION La evaluación de la capacidad de captación de un sumidero mediante la construcción de un modelo físico a
escala reducida, surgió ante la necesidad de conocer con más precisión dicha capacidad para el caso de
aquellos utilizados en la ciudad de Rosario, a fin de ajustar los criterios de diseño de los proyectos de
desagües pluviales urbanos y aportar valores para el dimensionamiento de las obras de captación.
Este estudio se desarrolló en el Laboratorio de Hidráulica (FCEIA-UNR) mediante un modelo físico.
Se consideró un sumidero vertical con una depresión a la entrada, de dos medidas diferentes. Se continuó el
trabajo transformando el sumidero a uno de tipo combinado, con el valor de depresión con la que se obtuvo
el mejor resultado.
El sumidero combinado se analizó con una reja horizontal que posee un diseño que responde más a aspectos
constructivos que hidrodinámicos y con la abertura totalmente libre de obstáculos con el objetivo de observar
el comportamiento de la captación. Esta última situación se analizó al solo efecto de comparar resultados, ya
que resultaría imposible llevarla a la práctica.
A fin de analizar el sumidero en las condiciones de trabajo descriptas, se realizaron ensayos con las rejas
limpias y con dos cantidades distintas de basura. Los mismos ensayos se practicaron con un sumidero
vertical y uno combinado y para diferentes valores de caudal aportado
Los objetivos de este trabajo fueron:
- Evaluar la capacidad de captación de un sumidero vertical y combinado de tres rejas ubicado en un
punto intermedio de una pendiente del tipo y forma de uso actual en la ciudad de Rosario.
- Obtener una curva caudal-eficiencia para el sumidero analizado con sus variantes.
- Analizar la variabilidad de la capacidad en relación a la condición de entrada, con dos valores de
depresiones distintos, al tipo de sumidero (vertical o combinado) y al tipo de reja colocada en el
plano de la cuneta.
- Cuantificar el efecto generado por distintos tipos de residuos a la entrada de un sumidero.
METODOLOGIA
El estudio se realizó en forma experimental a partir de un modelo físico a escala 1:2
Caracterización de la estructura hidráulica
Se estudió un prototipo consistente en una media calzada de pavimento asfáltico con un sumidero vertical en
un punto intermedio de la pendiente longitudinal de la misma.
La sección transversal de la calle tiene una cuneta de 50cm con una pendiente del 4%, y la parte central con
una pendiente del 2%. Se utilizó esta sección transversal ya que resulta intermedia entre las secciones tipo
más utilizadas y coincide con el tipo existente en gran parte de ciudad.
La sección puede observarse en la Figura 1.
Figura 1: Sección transversal de la calle
La pendiente longitudinal de la calzada es de 0.24%.
Se estudiaron diferentes alternativas de prototipo de sumidero, modificando la depresión a la entrada, el tipo
de sumidero (vertical y combinado) y dos tipos de reja horizontal. Las alternativas fueron las siguientes:
- Sumidero vertical de 3 vanos de 1 metro de longitud cada uno, con una depresión a la entrada de 5
cm.
- Sumidero vertical de 3 vanos de 1 metro de longitud cada uno, con una depresión a la entrada de
12.5 cm.
- Sumidero combinado de 3 vanos de 1 metro de longitud cada uno, con una depresión a la entrada de
12.5 cm y una reja metálica en la abertura horizontal.
- Sumidero combinado de 3 vanos de 1 metro de longitud cada uno, con una depresión a la entrada de
12.5 cm y sin ninguna barrera en la abertura horizontal.
En todos los casos el sumidero prototipo tiene una reja en la abertura vertical para impedir el ingreso al
sistema de desagües de obstrucciones importantes.
Las Figuras 2, 3 y 4 presentan la planta y cortes del sumidero (prototipo).
Figura 2: Planta del prototipo
Figura 3: Corte transversal del prototipo
Figura 4: Corte longitudinal del prototipo
A la entrada, el sumidero prototipo analizado cuenta con una reja compuesta por tres barrotes verticales de
sección circular de 32 mm de diámetro separados en 25 cm tomados de eje a eje. Entre vano y vano del
sumidero hay una sección rectangular de 15 cm de ancho. La figura 5 muestra vista y cortes de la reja del
mismo.
Fi
gura 5: Reja del prototipo
Caracterización del modelo físico
El modelo físico se materializó sobre una mesa de hormigón, en la que se ejecutó una media calzada, dado
que el fenómeno estudiado es simétrico, con una pendiente longitudinal constante y un sumidero en un punto
intermedio.
En el fenómeno que se estudia hay un predominio de fuerzas de gravedad, por lo cual se empleó la similitud
a través de la igualación del número de Froude (Condición de similitud de Froude). Esta condición se
expresa:
12
Lg
V
EE
E
Los elementos considerados para elegir la escala adoptada fueron:
- Espacio físico disponible en el laboratorio
- Capacidad de bombeo disponible
- Coeficientes de rugosidad de las superficies a ejecutar
- Condiciones de similitud
Considerando la necesidad de longitud de modelación de la calzada que disminuya los efectos negativos del
sistema de ingreso de caudales, se adoptó una escala de longitudes de 1:2 sin distorsión.
Para esta escala adoptada resultan:
Tabla 1: factores de escalas
Magnitud física Fórmula de la escala Escala ( 1: … )
Longitud zyxL EEEE 2
Área 2LA EE 4
Radio Hidráulico LLLR EEEE 2 2
Pendiente 1 YXS EEE 1
Coef. n de Manning 61
21
32
/ LVSRn EEEEE 1.122
Velocidad 21
LV EE según Froude 1.414
Tiempo 21
LVLt EEEE 1.414
Coeficiente de rugosidad de las superficies a ejecutar: el coeficiente de rugosidad de Manning de la
cuneta del prototipo varía entre n=0.015 a 0.016. Para esta escala adoptada, la rugosidad a lograr se
encuentra entre 0.0133 a 0.01425.
Para esta escala de longitudes, resulta una escala de caudales de 5.66 y una escala de coeficiente de
rugosidad de Manning de 1.12.
La calle se construyó con una longitud de 9 metros aguas arriba del sumidero y 2 metros aguas abajo del
mismo, de modo de alejar del sumidero los posibles efectos de borde.
La calzada, tiene una pendiente longitudinal del 0.24%. La sección transversal está formada por dos tramos
rectos: cuneta de 25 cm de ancho con una pendiente transversal del 4%, y carpeta de 1.50m de ancho con una
pendiente del 2%.
El modelo del sumidero tiene tres vanos de 50 centímetros con una separación de 7.5 cm. Se analizó con dos
valores de depresión a la entrada: primero 2.5 cm y luego 6.25 cm
El coeficiente de rugosidad de Manning en la calle es de 0.012 que corresponde a un coeficiente en el
prototipo de n=0.0135. Si bien este valor de rugosidad es inferior al que se quiso lograr se consideró que no
alteraría sustancialmente los resultados.
Esquema de circulación
El agua es bombeada desde la cisterna hacia el tanque elevado; de ahí se descarga hacia una cámara de
aquietamiento y alimentación del modelo. La misma se llena y alimenta al modelo por rebase, previo paso
por un dispositivo aquietador que orienta el flujo ( Fig. 6)
Figura 6: Esquema de circulación
El líquido escurre sobre la calzada hasta llegar al sumidero, donde parte del caudal es captado y otra fracción
continúa por la calle. El caudal captado por el sumidero es descargado por medio de un conducto de PVC de
250 mm de diámetro, de 4.5m de longitud con una pendiente de 2%, hacia un cuenco aforador.
El agua que permanece en la calzada, cae directamente sobre una canaleta colectora que descarga en otro
cuenco aforador.
Los dos cuencos mencionados descargan por medio de dos vertederos sobre el canal de restitución que
conduce el agua nuevamente a la cisterna del laboratorio.
DESCRIPCIÓN DE LOS ENSAYOS
Los ensayos consistieron en el aporte de caudal de agua al modelo y la observación cualitativa y cuantitativa
de los fenómenos hidráulicos ocurridos, considerando las dos alternativas: el modelo libre de obstrucciones y
con la presencia de basura en la reja de entrada.
Se tomó un registro fotográfico y fílmico de lo observado, y se midieron el caudal captado por el sumidero,
el caudal que lo sobrepasa y el tirante en la cuneta. Durante los ensayos se visualizaron las líneas de flujo
mediante la incorporación al agua de un trazador (permanganato de potasio).
Se realizaron ensayos para cada situación aportando al modelo diferentes valores de caudal.
En relación a la incorporación de residuos se analizan con presencia de reja vertical y también combinado.
Al desarrollar los ensayos con basura, se consideró el empleo de hojas secas, bolsas de polietileno y envases
plásticos. En el caso de las hojas, se seleccionaron aquellas cuyas características correspondiesen a árboles
que se encuentren en la ciudad. Dada la variedad de especies en tamaño y textura detectadas, se consideró
que el escalamiento de esta variable se cumplió con suficiente aproximación al prototipo.
Para la consideración de la presencia de basura en la reja de entrada se analizaron distintas situaciones:
- Sumidero con la reja vertical de tres vanos y sin rejas horizontales
- Sumidero con la reja vertical de tres vanos con reja horizontal
Para ambas situaciones se consideraron tres escenarios de cantidad de basura que fueron denominadas nula,
escasa y abundante.
MEDICIÓN DE CAUDALES
Se midieron el caudal captado por el sumidero, el caudal que sobrepasa el mismo, y los tirantes en la cuneta
y en la reja.
Para la medición de los caudales se construyeron dos canales de aforo de sección rectangular y con pendiente
de fondo nula. Un canal recoge la descarga del conducto de salida del sumidero y el otro el caudal no
captado por intermedio de una canaleta al final de la calzada. En los canales de aforo se dispusieron dos
vertederos triangulares de pared delgada y de contracción parcial.
RESULTADOS OBTENIDOS
Se muestran a continuación los resultados de las mediciones realizadas en el modelo y los valores a esperar
en el prototipo luego de aplicar los factores de escala correspondientes a cada magnitud. Se considera la
Eficiencia del sumidero, como la relación entre el caudal captado y el caudal total suministrado.
Se realiza un análisis de la influencia de las partes componentes del diseño de un sumidero, en cuanto al tipo
(vertical o combinado), influencia de la medida de la depresión, de la presencia de reja horizontal, y
presencia de residuos en la entrada.
Capacidad de conducción de la cuneta y eficiencia del sumidero vertical
La figura 7 muestra la curva tirante – caudal observada en la cuneta para los ensayos
Figura 7Tirante-Caudal observado en cuneta
0
50
100
150
200
250
300
350
0 2 4 6 8 10 12 14 16Tirante [cm]
Cau
dal
[L
ts/s
eg]
En la tabla 2 se muestran los resultados para un sumidero vertical de 3 metros de longitud con una depresión
a la entrada de 5 cm y sin la presencia de obstrucciones en la misma.
Modelo Prototipo
Tirante [cm]
Caudal
Tirante [cm]
Caudal
EficienciaCaptado Pasante Total Captado Pasante Total
[Lts/seg] [Lts/seg] [Lts/seg] [Lts/seg] [Lts/seg] [Lts/seg] [%]
2.9 2.602 2.602 5.8 14.72 14.72 100
3.4 3.647 3.647 6.8 20.63 20.63 100 4.0 7.91 7.91 8.0 44.7 44.7 100.0 4.0 8.81 8.81 7.9 49.8 49.8 100.0 4.3 10.90 10.90 8.6 61.7 61.7 100.0 4.4 11.994 0.01 12.003 8.8 67.85 0.06 67.9 99.9 4.6 12.936 0.007 12.943 9.2 73.18 0.04 73.22 99.9 4.7 16.15 16.15 9.4 91.3 91.3 100.0 5.1 13.81 0.21 14.02 10.2 78.1 1.2 79.3 98.5 16.64 0.359 16.999 10.2 94.13 2.03 96.16 97.9
5.1 16.64 0.64 17.28 10.2 94.1 3.6 97.7 96.3 5.4 18.439 0.858 19.296 10.8 104.3 4.85 109.16 95.6 5.3 19.244 0.699 19.943 10.6 108.86 3.96 112.81 96.5 5.3 19.244 0.776 20.02 10.6 108.86 4.39 113.25 96.1 6.1 19.24 2.77 22.01 12.2 108.9 15.7 124.5 87.4 6.1 19.52 2.63 22.14 12.2 110.4 14.9 125.3 88.1 6.1 20.07 3.08 23.14 12.2 113.5 17.4 130.9 86.7 5.6 21.492 1.826 23.318 11.2 121.58 10.33 131.91 92.2 5.6 20.63 2.93 23.56 11.2 116.7 16.6 133.3 87.6 5.8 21.784 2.031 23.815 11.6 123.23 11.49 134.72 91.5 5.5 20.63 3.25 23.88 11.0 116.7 18.4 135.1 86.4 5.7 22.374 2.249 24.623 11.4 126.57 12.72 139.29 90.9 22.374 2.481 24.855 126.57 14.03 140.6 90 22.673 2.402 25.075 128.26 13.59 141.85 90.4 22.974 2.726 25.7 129.96 15.42 145.38 89.4
6.2 21.78 4.71 26.49 12.4 123.2 26.6 149.9 82.2 6.2 21.20 5.32 26.52 12.4 119.9 30.1 150.0 80.0 6.9 23.16 7.67 30.82 13.8 131.0 43.4 174.4 75.1 24.52 8.08 32.60 13.7 138.7 45.7 184.4 75.2
6.7 24.83 8.57 33.41 13.4 140.5 48.5 189.0 74.3 6.3 26.78 11.95 38.73 12.6 151.5 67.6 219.1 69.1 6.4 28.46 14.81 43.27 12.8 161.0 83.8 244.8 65.8 7.4 28.81 14.90 43.71 14.8 163.0 84.3 247.3 65.9 6.7 29.86 22.61 52.47 13.4 168.9 127.9 296.8 56.9
Tabla 2 Resultados para sumidero vertical L=3m con depresión de 5 cm
En la tabla 3 se muestran los resultados para un sumidero vertical y uno combinado con una depresión a la
entrada de 12.5 cm y sin la presencia de obstrucciones en la misma. También se realizaron ensayos con la
abertura horizontal totalmente libre (sin reja) a fin de analizar la influencia de la misma.
Caudal Modelo Caudal Prototipo Longitud
[m] Reja Horiz.
Captado Pasante Total Captado Pasante Total Eficiencia
V H [Lts/seg] [Lts/seg] [Lts/seg] [Lts/seg] [Lts/seg] [Lts/seg] [%]
3 3 Libre 12.51 0.25 12.76 70.8 1.4 72.2 98.1
3 3 14.03 0.31 14.34 79.4 1.8 81.1 97.8
3 15.19 0.56 15.74 85.9 3.2 89.1 96.4
3 1 15.42 0.63 16.05 87.2 3.5 90.8 96.1
3 1 15.42 0.66 16.08 87.2 3.7 91.0 95.9
3 3 15.42 0.74 16.16 87.2 4.2 91.4 95.4
3 3 Libre 20.35 2.40 22.75 115.1 13.6 128.7 89.4
3 3 20.35 2.81 23.16 115.1 15.9 131.0 87.9
3 3 22.67 4.17 26.84 128.3 23.6 151.8 84.5
3 3 Libre 23.58 3.55 27.13 133.4 20.1 153.5 86.9
3 3 24.83 6.55 31.38 140.5 37.0 177.5 79.1
3 3 Libre 25.15 6.27 31.42 142.3 35.5 177.7 80.1
3 3 25.15 6.55 31.70 142.3 37.0 179.3 79.3
3 25.15 6.98 32.13 142.3 39.5 181.8 78.3
3 3 25.15 6.98 32.13 142.3 39.5 181.8 78.3
3 1 25.47 6.69 32.16 144.1 37.9 181.9 79.2
3 3 26.12 7.44 33.55 147.7 42.1 189.8 77.8
3 3 Libre 25.79 8.23 34.02 145.9 46.5 192.4 75.8
3 3 28.81 13.37 42.18 163.0 75.6 238.6 68.3
3 3 29.86 12.94 42.79 168.9 73.2 242.1 69.8
3 29.51 13.37 42.87 166.9 75.6 242.5 68.8
3 3 Libre 29.68 15.19 44.87 167.9 85.9 253.8 66.2
3 3 30.21 14.95 45.16 170.9 84.6 255.5 66.9
3 29.86 16.15 46.00 168.9 91.3 260.2 64.9
3 3 Libre 32.03 18.97 51.00 181.2 107.3 288.5 62.8
3 3 32.03 19.52 51.54 181.2 110.4 291.6 62.1
3 1 31.66 21.78 53.44 179.1 123.2 302.3 59.2
3 31.29 22.37 53.67 177.0 126.6 303.6 58.3
Tabla 3 Resultados para sumidero vertical y combinado con depresión de 12.5 cm.
Influencia del la depresión en la entrada
La figura 8 muestra la influencia de la depresión en un del sumidero vertical en términos de eficiencia.
Figura 8: Eficiencia en función del caudal aportado en un sumidero vertical con una depresión de 12.5 y 5 cm.
Influencia del agregado de abertura horizontal
En adelante se comparan los resultados obtenidos con y sin el agregado de la reja horizontal, es decir un
sumidero vertical y combinado. El ensayo se realizó con una longitud de 3 metros y una depresión de
12.5cm.
Figura 9: eficiencia en función del caudal aportado en un sumidero vertical y combinado.
Influencia del tipo de reja horizontal
En el trabajo no se analizan distintos tipos de rejas horizontales, pero se compara el resultado de un tipo de
reja que no tiene un diseño pensado desde sus características hidrodinámicas con otro con la abertura
totalmente libre. El siguiente gráfico muestra los resultados obtenidos.
Figura 10: eficiencia de un sumidero combinado con y sin reja en la abertura horizontal.
Efecto de la presencia de obstrucciones en la entrada
Se realizaron ensayos libres de elementos en la entrada y con distintas cantidades de basura. En los
resultados se indica la cantidad de basura como ¨poca¨ o ¨abundante¨. En la primera se aportó una bolsa de
consorcio llena de hojas y en la segunda 2 bolsas. Aplicando la escala de volumen, resultarían 8 y 16 bolsas,
que es la cantidad que habitualmente se recogen en las tareas de barrido de calles a lo largo del recorrido de
la cuneta desde el inicio de la cuenca hasta el primer sumidero.
Se observó que los envases plásticos no obstruyen la entrada ya que flotan, permitiendo el paso del agua por
debajo, y el flujo los orienta hacia el interior. Con las bolsas pequeñas de polietileno (supermercado, basura,
etc) se produce un efecto similar. Las hojas de árboles, cuando hay abertura horizontal, según su tipo y
cantidad, el agua las aplasta sobre la reja horizontal ingresando por la vertical. Si la cantidad es mayor, se
acumulan en el primer tramo del sumidero. En el sumidero vertical, las hojas tienden a adherirse a los
barrotes verticales restando sección de entrada.
Los resultados de las mediciones realizadas se muestran en la siguiente figura, no obstante se recomienda ver
esta parte del trabajo más a nivel cualitativo que cuantitativo.
Figura 11: eficiencia de un sumidero combinado con distintas cantidades de basura en la entrada.
COMPARACIÓN CON OTROS ESTUDIOS
Se compara la eficiencia de un sumidero vertical con 5 cm de depresión con el que resulta de la aplicación de
las formulaciones de UDFCD de 1984 y 2001. La comparación se hace en términos de eficiencia para el
caudal que genera un tirante en la cuneta de 12cm, que es caudal que se considera máximo admisible para un
cordón cuneta de 15cm de altura. Como condición de trabajo se comparó el resultado del sumidero libre de
basura a la entrada, ya que así se realizaron los demás estudios.
Figura 12: Comparación con otros estudios o formulaciones
Eficiencia [%] para el caudal máximo en la cuneta
0
20
40
60
80
100
Eficiencia [%] 83 71 82
UDFCD (84) Gúo = UDFCD (2001) Resultado ensayado
IMÁGENES DE LOS ENSAYOS
Figura 13: vista general del modelo Figura 14: vista del modelo del sumidero
Figura 15: Líneas de corriente frente al sumidero
Figura 16: ensayo con gran cantidad de basura y caudal importante
CONCLUSIONES
Se obtuvo una curva de eficiencia de un sumidero de con las características constructivas y valores de
pendientes locales.
Se observó que la existencia de una depresión a la entrada mejora la capacidad de captación.
En condiciones de funcionamiento libre de basura, la presencia de la reja horizontal no produce una mejora
sustancial de la capacidad de captación.
Bajo las mismas condiciones de trabajo no se esperan grandes mejoras con un diseño especial de la reja
horizontal.
En relación a la reducción de capacidad por presencia de basura, se observó una reducción de la eficiencia
del orden del 5 %, para cantidades de residuos generadas por la misma tormenta y con una reja como la
descripta, con una separación de barrotes que permite el paso de elementos menores.