Universidad Nacional de Colombia - Facultad de IngenieraDepartamento de Ingeniera Civil y Agrcola Alcantarillados

DISEO DE UN SISTEMA DE ALCANTARILLADO SANITARIO

Carlos Eduardo Moreno Caldern Melissa Andrea Ramos OrtegaLuisa Fernanda Vargas Nio

Universidad Nacional De ColombiaFacultad De IngenieraIngeniera CivilBogot D.C.2015 I

DISEO DE UN SISTEMA DE ALCANTARILLADO SANITARIO

Carlos Eduardo Moreno Caldern Cd: 215202Melissa Andrea Ramos Ortega Cd: 215292Luisa Fernanda Vargas Nio Cd: 215477

Proyecto para la asignatura ALCANTARILLADOS al docente:

Ing. Daniel Antonio Agudelo Quigua

Universidad Nacional De ColombiaFacultad De IngenieraIngeniera CivilBogot D.C.2015

INTRODUCCION

A pesar del gran crecimiento en el desarrollo que est experimentando el territorio colombiano, se tienen aspectos necesarios que determinan calidad de vida, como lo es contar con el servicio de acueducto y alcantarillado, servicios que no tienen cobertura total en el pas. El dficit de alcantarillado en Colombia abarca los 16.1 millones de habitantes y cuando se presentan fenmenos no esperados como inundaciones, esta cifra aumenta.

Un alcantarillado es un sistema de conductos y estructuras utilizados para la evacuacin de aguas residuales y lluvia, comprendiendo su reduccin, tratamiento y disposicin. El buen uso y disposicin de las aguas residuales evita problemas de saneamiento ambiental y posibles repercusiones en fuentes de agua potable que puede traer consecuencias perjudiciales para la comunidad, por tal motivo un sistema de alcantarillado se considera tan importante.

El ingeniero civil es el encargado del diseo de las redes de alcantarillado, el cual considera condiciones iniciales como estimacin de poblacin futura, topografa, caudal de dotacin diaria y algunos otros requerimientos especiales segn sea el caso. En este documento se mostrar el procedimiento desarrollado para disear un sistema de alcantarillado segn lo visto en clase.OBJETIVOSGeneral

Disear una red de alcantarillado sanitario segn las condiciones iniciales dadas, esto comprende detalle de los requerimientos de construccin, y descripcin de los elementos complementarios para el buen funcionamiento de la red.Especficos

Disear la red de tuberas que transportar los caudales de aguas residuales. Disear los pozos de inspeccin, cmaras de cada y otros elementos fundamentales para el funcionamiento de la red. Cuantificar los volmenes de terrenos que deben ser removidos para la instalacin de la red.

Parmetros generales iniciales

A continuacin se presentan los requerimientos iniciales para la elaboracin de la red de alcantarillado de aguas residuales:

Se requiere disear un alcantarillado sanitario de tipo perpendicular con interceptor, el cual recoge el caudal de aguas residuales de la red y lo transporta a una planta de tratamiento de aguas residuales, o vierte el caudal a la corriente superficial aguas debajo de la poblacin para evitar riesgos contra la salud humana.

La direccin entre calles y carreras de la poblacin para la cual se requiere disear la red, es aproximadamente ortogonal.

Condiciones de diseo segn datos de poblacin: Poblacin futura de saturacin3400 hab

Dotacin unitaria total250 l/hab*da

Factor o coeficiente de retorno0.8

El uso de suelo de la zona para la cual se va a disear la red ser residencial, por lo que slo se tendr manejo de aguas residuales.

Se utilizara tubera de Gres vitrificado (coeficiente N de Manning de 0.013) para el diseo de la red y si es necesario se implementar fibra de vidrio en caso que se presenten altos niveles de H2S.

Se tiene que la zona para la cual se disear la red de alcantarillado comprende 5 carreras y 6 calles; se puede realizar un clculo aproximado del nmero de alcantarillas y pozos de inspeccin necesarios sin tener en cuenta aquellos que hacen parte del emisario final.

Por ltimo se definen las siguientes caractersticas del agua residual que ser transportada en la red

Temperatura del agua: 22 C. Demanda bioqumica de oxgeno a los 5 das de 250 mg/l.Diseo de la red de alcantarillado o recoleccin

A continuacin se desarrollara el diseo de la red de alcantarillado teniendo en cuenta los objetivos previamente establecidos aclarando que debido a la naturaleza de los clculos que se realizaron los cuales se repiten varias veces en cada colector o en cada pozo, lo que se pretende en el presente documento es describir el procedimiento de clculo para finalmente reunir en un cuadro resumen los resultados obtenidos, dicho cuadro se presentara como un anexo.Direcciones de flujo

Teniendo el plano urbanstico de la poblacin se hace un trazado de la red de colectores o tuberas, se seleccionan los colectores iniciales y se enumeran los pozos teniendo en cuenta la topografa del terreno, el funcionamiento por gravedad del sistema y los criterios de localizacin de tuberas segn requerimientos tcnicos y constructivos.

El sistema de alcantarillado perpendicular con interceptor es muy utilizado para alcantarillados sanitarios cuando la topografa lo permite, por esta medida se opta por usar este en el diseo de la red. El interceptor recoge el caudal de aguas residuales de la red y lo transporta a una planta de tratamiento de aguas residuales, o vierte el caudal a la corriente superficial aguas abajo de la poblacin para evitar riesgos contra la salud humana. La siguiente imagen ilustra las direcciones de flujo del sistema:

Fig 1. Esquema de las direcciones de flujo del alcantarillado perpendicular con interceptor

Llevando a cabo un anlisis sencillo se asumi la pendiente del terreno como la pendiente de cada colector y se estableci la mejor configuracin de direcciones de flujo buscando la menor profundidad en el terreno y a su vez la menor remocin de material.Caudal de diseo de los colectores

El caudal de aguas residuales que conduce un alcantarillado sanitario est compuesto por los siguientes aportes:

Aguas residuales domsticas Aguas de infiltracin Conexiones erradas

Caudal de aguas negras

Las aguas negras corresponden a un tipo de aguas previamente utilizadas que estn contaminadas por desechos orgnicos, orina o sustancias fecales. Para iniciar con el clculo de este aporte de caudal se parte de la dotacin unitaria de consumo de los habitantes de una zona, este valor es obtenido de los diseos para redes de suministro de agua potable.

Usando la herramienta computacional AutoCAD, se estima un rea de 13.5 Ha para la zona de diseo. Con este valor y la poblacin futura de saturacin se calcul la densidad poblacional correspondiente a 252 hab/Ha.

A continuacin se calcul el caudal unitario para la poblacin a partir de la dotacin unitaria, la densidad poblacional y un factor de retorno dado, de la siguiente manera:

Dnde: Qu es el caudal unitario de aguas residuales domsticas [l/s*Ha] CR es el coeficiente de retorno: este coeficiente representa el porcentaje de agua procedente del acueducto que es devuelta al sistema de alcantarillado (en este caso se toma un porcentaje del 80%) DN es la dotacin unitaria total [l/hab*da]: corresponde al consumo neto de agua potable por cada habitante en un da promedio. DP es la densidad poblacional de la zona: estimada como la poblacin futura de saturacin sobre el rea total.

A partir de la estimacin de caudal unitario se procedi a obtener el valor de caudal medio de aguas negras para cada colector, multiplicando por el rea aferente total de cada colector, equivalente a el rea de las viviendas que drenan sus aguas negras directamente ms el rea acumulada que se tenga en caso que el colector no sea inicial y por el vayan a circular las aguas negras recolectadas aguas arriba de la red.

Debido a horarios comunes para usar tanto el acueducto como el alcantarillado, se presentan picos de caudal a lo largo del da, los cuales estn directamente relacionados con el uso de suelo de la zona de anlisis, actividades comunes, poca del ao, entre otras; para simplificar el anlisis de cmo ser la variacin del caudal de aguas negras se hace uso de un factor de amplificacin que relacione el caudal medio y el caudal mximo.

Para ejecutar la estimacin del factor mencionado anteriormente, existen gran variedad de frmulas empricas propuestas por distintos autores las cuales utilizan valores de poblacin servida por cada colector o de caudal medio para calcularlo, para el diseo realizado se opt por utilizar la frmula de Fair &Geyer vlida para poblaciones de entre 1000 y 1000000 de habitantes, la cual es vlida para el diseo del alcantarillado propuesto.

Fair &Geyer

Para calcular la poblacin servida por cada colector se multiplic el rea aferente total por la densidad poblacional, ambos valores calculados previamente. Por ultimo para calcular el caudal mximo de aguas negras se multiplico el factor de amplificacin de cada colector por si caudal medio de aguas negras.

Caudal de infiltracin

El caudal de infiltracin es producido por la entrada del agua que se encuentra en los espacios intersticiales del suelo a travs de las uniones entre tramos de tuberas, de fisuras en el tubo y en la unin con las estructuras de conexin como los pozos de inspeccin.

Este aporte adicional se estima con base en las caractersticas de permeabilidad del suelo en el que se ha de construir el alcantarillado sanitario. Se puede expresar por metro lineal de tubera o por el equivalente en hectreas de agua drenada. Para el caso de estudio se adopta el aporte de infiltracin por rea drenada, un tipo de conducto nuevo con juntas de mortero y un suelo de alta permeabilidad; esto da como resultado un coeficiente de infiltracin de 0.66 l/seg*Ha.

Caudal de conexiones erradas

El aporte de caudal por conexiones erradas en un alcantarillado sanitario proviene en especial de las conexiones que equivocadamente se hacen de las aguas lluvias domiciliarias y de conexiones clandestinas. El criterio para estimar el aporte por conexiones erradas definido por la norma RAS 2000 establece que para poblaciones que disponen de un sistema de alcantarillado pluvial, el valor de conexiones erradas est en el orden de entre 0.1 0.2 l/seg*Ha. Si no existe alcantarillado pluvial, el aporte de conexiones erradas es mayor y puede ser superior a 2 l/seg*Ha. En poblaciones pequeas pueden darse valores de 4 l/seg*Ha. En este caso de estudio se adopta un valor mximo de 3 l/seg*Ha.

Caudal de diseo

Corresponde a la suma del caudal mximo de aguas negras (aporte domstico), caudal de infiltracin y caudal de conexiones erradas; cuando dicha suma es inferior a 1.5 l/s la normativa establece que se debe asignar un caudal de diseo de 1.5 l/s. Con este caudal se realiz el diseo hidrulico de los colectores y con el caudal total drenado de la poblacin se diseara posteriormente la planta de tratamiento de agua potable.

Diseo hidrulico de los colectores

Con el caudal de diseo para cada colector calculado, se procedi a realizar el diseo hidrulico de los colectores cuyo objetivo fue establecer el dimetro, material y pendiente de cada colector de manera que se cumplieran ciertas especificaciones establecidas por normativa y que sern desarrolladas en este numeral.

Comprobacin de fuerza de traccin

Debido a la gran cantidad de material en suspensin que transporta el agua para la cual se est realizando el diseo es necesario garantizar que exista suficiente fuerza de traccin para que no exista deposicin de sedimentos en la batea de las tuberas provocando la colmatacin de estas y la alteracin de las condiciones hidrulicas en las que se espera que operen; para garantizar tal capacidad de arrastre, se hace una primera comprobacin a partir de la cual se define la pendiente y el dimetro de cada colector. El procedimiento para realizar esto se describe a continuacin:

1) Se estableci inicialmente gres como material para todos los 49 colectores con un valor de N de Manning de 0.013.

2) Se calcul el dimetro por el cual podra circular el caudal de diseo a tubo lleno asumiendo la pendiente de la tubera igual a la pendiente de la rasante. Dicho dimetro se aproxim a el dimetro interno real comercial mayor ms cercano teniendo en cuenta que el mnimo dimetro posible por normativa es de 8 pulgadas. (ANEXO: Dimetros de tuberas comerciales en gres vitrificada Steinzeug Keramo).

3) Se calcul la pendiente mnima para producir arrastre como aquella que a tubo lleno con el dimetro y material escogidos produjera una velocidad de 0.6 m/s.

4) Con la pendiente mnima se calcul el caudal mnimo a tubo lleno para producir arrastre de sedimentos.

5) Con el caudal de diseo y el caudal mnimo a tubo lleno para producir arrastre se calcul la relacin (q/Qmin).

6) A partir de una ecuacin para (s/S) en funcin de (q/Q) calculada previamente para condiciones de rugosidad variable con la profundidad y relacin de fuerza de traccin constante igual a 1, se obtuvo la relacin (s/Smin).

7) Haciendo el producto de la relacin (s/Smin) y la pendiente Smin se obtuvo la pendiente para seccin parcialmente llena (s) que mantiene las condiciones de fuerza de traccin necesaria para tener capacidad de arrastre.

8) Finalmente se escogi para cada colector la mayor pendiente entre la calculada en el numeral anterior y la que se defini en el segundo paso y que fue igual a la pendiente de la rasante.

Relaciones hidrulicas

Con el objetivo de definir completamente la hidrulica de cada uno de los colectores se realiz el clculo de las relaciones hidrulicas para cada uno de estos a partir del siguiente procedimiento de clculo.

1) Con el dimetro, el material y la pendiente definidos durante la comprobacin de fuerza de traccin, se realiz el clculo del caudal y la velocidad a tubo lleno de cada colector.

2) Partiendo de los valores de caudal de diseo y de caudal a tubo lleno obtenidos anteriormente, se calcul la relacin (q/Q) la cual es dependiente del cumplimiento de los requerimientos de la siguiente tabla:

Tabla 1 Valores mximos de (q/Q) para garantizar flujo libre y aireacin segn el dimetro del colectorDimetroMxima relacin (q/Q)

8 210.6

24 1.2 m0.7

>1.25 m0.9

En caso de no cumplir con el anterior requerimiento, se cambi el dimetro asignado al colector por uno mayor hasta que el valor de la relacin (q/Q) estuviera dentro de los rangos permitidos.

3) Con una ecuacin de (v/V) en funcin de (q/Q) en condiciones de rugosidad variable con la profundidad y relacin de pendientes constante igual a 1, se obtuvo la relacin de velocidades.

4) Utilizando software matemtico se calcul para cada colector el valor del ngulo interno en radianes despejndolo de la definicin de la relacin de caudales real (rugosidad variable).

5) Con el ngulo interno se calcul la relacin de profundidades para cada colector.

6) Por ltimo se calcul la velocidad efectiva (v) a seccin parcialmente llena multiplicando los valores de relacin de velocidades y de velocidad a seccin llena obtenidos anteriormente.Comprobacin de corrosin por generacin de H2S

El problema de corrosin de las tuberas, relevante para materiales como concreto, asbesto cemento, hierro o acero, solubles en cido, puede llevar a la falla de la tubera por destruccin de la corona de la misma.

El proceso de degradacin de la materia orgnica, comienza por la reduccin de bacterias por sulfatos en condiciones anaerbicas y de pH bajo, produciendo cido sulfhdrico (H2S). El cido sulfhdrico es liberado a la atmsfera de la alcantarilla, en donde entra en solucin con el agua condensada acumulada en la corona de la tubera. Posteriormente, bajo la accin de la bacteria aerbica Thiobacillus, se presenta la oxidacin del cido sulfhdrico, produciendo cido sulfrico (H2SO4).

El fenmeno de corrosin se agrava en situaciones de pendientes bajas, produciendo velocidades bajas, tiempos de retencin largos, poca ventilacin con el sistema borde libre pequeo y temperaturas relativamente altas. Es posible contrarrestar la corrosin mediante el revestimiento interno de la tubera en un material inerte, la ventilacin forzada del conducto o con cloracin (solucin temporal).

En el diseo hidrulico de la tubera se puede prever la posible generacin del cido sulfhdrico mediante la aplicacin del ndice de Pomeroy.

Dnde:

DBO5, es la demanda bioqumica de oxgeno a los 5 das. T, es la temperatura del agua en C. p, es el permetro mojado en m. b, es el ancho del espejo de agua en m. s, es la pendiente adimensional del colector. q, es el caudal de diseo del colector en l/s.

Teniendo en cuenta los valores de temperatura y DBO5 definidos en los parmetros iniciales se calcul el factor de Pomeroy para cada colector y se analiz los resultados en base a la siguiente tabla.

Tabla 2 Probabilidad de generacin de H2S segn el valor del factor de PomeroyFactor de Pomeroy [Z]Generacin de H2S

10000Muy probable

Teniendo en cuenta que la poblacin objeto de diseo es considerablemente pequea, los caudales de diseo de la gran mayora de los colectores de la red resultaron ser de magnitudes bajas lo que aumenta la probabilidad de produccin de H2S ya que como se ve en la ecuacin del factor de Pomeroy, existe una relacin inversa con el caudal es decir que a mayor caudal se reduce la probabilidad de corrosin por cido sulfhdrico. Como se puede apreciar en el cuadro anexo, varios colectores arrojaron un factor de Pomeroy por encima de 10000.

Considerando lo anteriormente mencionado, se decidi reemplazar el material de dichos colectores ante la generacin muy probable de H2S lo que conllev a la implementacin de tubera de fibra de vidrio considerando adems que a medida que la poblacin crezca posterior al periodo de diseo y aumente la solicitacin de caudal de los colectores, el factor se reducir.

Empates en los pozos de inspeccin

Acorde con la situacin especfica del proyecto existen dos factores que controlan la profundidad de las tuberas en la red, la configuracin de la red de forma perpendicular con interceptor y la configuracin de pendientes de tubera, que en su mayora se ajustan a la pendiente natural del terreno o son muy similares al mismo. La combinacin de estas dos particularidades en el proyecto y la consideracin que exige como nico parmetro colocar los colectores iniciales a 1 metro por debajo de la rasante permite que el control de la profundidad en el terreno este dado en las partes ms altas del rea de inters.

En cuanto a los empates entre cotas bateas, teniendo en cuenta la tubera ms baja que llega al pozo y la tubera de salida, la configuracin de la red facilito ampliamente la determinacin de los empates pues en su mayora la red se desarrolla con tuberas de 8 de manera que el criterio principal usado fue la aplicacin de hd=5cm entre dimetros iguales.

En aquellos tramos de tipo principal se presentan cambios de dimetro en la tubera, lo que lleva a un cambio en el criterio de empate entre dimetros el cual se hace al 80% de la profundidad til hd=0.8*(D2-D1), entre pozos. La inclinacin propia de la tubera permita el uso de un dimetro menor al que traa anteriormente. Cabe anotar que ninguna de las posibilidades establecidas contempla la idea de empatar de un dimetro mayor a uno menor pues el resultado de hd sera negativo, de acuerdo con esto se opt por mantener el tamao de la tubera con el que llega al pozo.

Volmenes de excavacin

Buena parte del costo de construccin de una red de alcantarillado corresponde a la excavacin realizada para poner las tuberas en su sitio prefijado, al que poner el material nuevamente a su sitio para conservar la rasante puesto que lo ms comn es que encima de estas vayan vas de la poblacin y la disposicin del material sobrante en un sitio aprobado por las autoridades competentes; por esta razn es de vital importancia que este cuantificado el volumen aproximado de excavacin necesario para instalar la red luego de que estn definidos todas sus caractersticas. Para hacer esto se siguieron los siguientes pasos:

1) Se calcul la profundidad media de la batea de cada colector.

2) Se estableci el ancho necesario de la zanja para poder realizar una correcta instalacin de la tubera el cual es funcin del dimetro de la tubera a instalar como se muestra en la siguiente tabla.

DimetroAncho de zanja [m]

8 120,7

14 160,75

180,85

210,95

241,25

331,5

361,6

1.1 m1,95

1.3 m2,2

1.4 m2,35

1.5 m2,5

1.6 m2,6

2.35 m3,6

Tabla 3. Anchos de zanja recomendados para distintos dimetros de tubera

3) Se calcul el volumen de excavacin necesario para cada colector como la multiplicacin de la profundidad media, el ancho de zanja y la longitud en planta de tubera teniendo en cuenta que los pozos de inspeccin tienen un dimetro de 1.2 m.

En el cuadro anexo se pueden observar los volmenes de excavacin necesarios para la instalacin de cada colector, la suma total de estos arroja un volumen total de excavacin de 6091.21 m3.

Obras complementarias

Cmaras de cada

El proyecto exige la construccin de 9 cmaras de cada en total. Estas cmaras son requeridas bsicamente por las mismas condiciones de similitud entre la pendiente del terreno y la de la tubera. A modo de ejemplo, en el caso particular del pozo 10 la tubera de salida del pozo 9 llega con una diferencia de altura de 1.0653m con respecto a la tubera de salida del pozo en mencin. Para evitar efectos de socavacin y erosin de las cauelas y losa del fondo dada la existencia de una diferencia mayor a 0.75m se debe transportar el agua que llega por fuera del pozo a medida que se conecte con la tubera de salida de una manera ms gradual y menos perjudicial. Se realiza este anlisis para todas los pozos de inspeccin.

CONCLUSIONES

La ausencia de un sistema de alcantarillado sanitario en la zona urbana propuesta provoca contaminacin y la aparicin de enfermedades en su mayora gastrointestinales, por lo que la construccin de este sistema es preciso realizarlo de manera breve, ya que se pretende disminuir los ndices de enfermedades endmicas y proporcionar un mejoramiento en la calidad de vida de los habitantes. Esta propuesta de diseo, es factible tanto tcnica como econmicamente, ya que en su realizacin se consideraron los parmetros y criterios regidos por las Normas Tcnicas de la RAS, leyes y reglamentos, as como con los materiales y recursos con que se cuenta en el medio. El presente documento servir de base para la ejecucin del proyecto ya que cuenta con informacin que fue obtenida en forma directa de las condiciones de la comunidad, as como tambin de las aguas residuales municipales actualmente descargadas. El diseo de la red es el primer paso en lo referente al saneamiento del municipio, el cual servir para posteriores investigaciones profundas como el tratamiento propuesto en una planta de tratamiento de aguas residuales entre otros. Sera necesaria la construccin de 9 cmaras de cada tal y como se especifica en los planos adjuntos. Sera necesario excavar un volumen aproximado (sin tener en cuenta el volumen de los pozos de inspeccin) de 6091.21 m3 para realizar la instalacin de la red.

RECOMENDACIONES Las condiciones hidrulicas obtenidas son para las especificaciones constructivas (materiales, empates, pendientes, etc.) que se establecieron, por lo que cualquier cambio en estas cambiaria totalmente el funcionamiento de la red. El diseo de la red se limita para el desalojo exclusivo de las aguas residuales domsticas. Para garantizar la calidad del diseo se debe ejecutar la construccin de la red tal como est contemplado en los planos y especificaciones tcnicas, ya q fueron estipuladas especialmente para este trabajo acadmico y tcnico. Dar un tratamiento preventivo y correctivo a la red de alcantarillado sanitario peridicamente para evitar daos en su funcionamiento. En los tramos donde las velocidades son relativamente bajas, se recomienda realizar inspeccin y limpieza en periodos ms cortos, para evitar la sedimentacin y la posterior obstruccin del sistema de alcantarilla (tramos iniciales de bajo caudal). Para las excavaciones con profundidades mayores de 3.00 m hacer uso de los ademados para evitar accidentes mortales. Se debe verificar que la empresa que realice la construccin del proyecto tenga la experiencia y conocimientos necesarios para evitar que el sistema tenga problemas de funcionamiento. Se complementar el diseo de la red de saneamiento bsico para la poblacin con el diseo de una planta de tratamiento de aguas residuales de lodos adheridos (filtros percoladores) y lagunas de estabilizacin y de maduracin segn sea el caso de las aguas a tratar.

BIBLIOGRAFA

ASCE. (2007). Manual's and reports on engineering: Gravity sanitary sewer desing and construction. Chow, V. (1994). Hidraulica de canales abiertos. McGraw Hill.Lopez Cualla, R. (1995). Elementos de diseo para acueductos y alcantarillados. Bogota D.C.: Escuela Colombiana de Ingenieria.

MINISTERIO DE AMBIENTE, VIVIENDA Y DESARROLLO TERRITORIAL, Definicin del nivel de complejidad y evaluacin de la poblacin segn el reglamento tcnico del Sector de Agua Potable y Saneamiento Bsico, Octubre de 2003, 1 reimpresin. Panamericana Formas e Impresos. Versin online:[http://www.minvivienda.gov.co/GuiasRAS/RAS%20-%20002.pdf]

ANEXOS

Tabla 5. Resultados obtenidos durante la comprobacin de fuerza de traccin

Tabla 6. Alturas de empate establecidas en cada pozo de inspeccin

Tabla 7. Dimensiones y pesos de las tuberas de gres

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