diseño hidraulico de alcantarillado y redes hidraulicas

Gua para el diseo Hidrulico de Redes de Alcantarillado

Medelln 2009

Gua para el Diseo Hidrulico de Redes de Alcantarillado

TABLA DE CONTENIDOCaptulo 1 INTRODUCCIN ....................................................................................................................................................................5 Captulo 2 INFORMACIN MNIMA NECESARIA Y CRITERIOS DE DISEO ........................................................7 2.1 INFORMACIN MNIMA ............................................................................................................................................................7 2.2 CONSIDERACIONES DE DISEO ..........................................................................................................................................9 2.2.1 Clientes y poblacin ......................................................................................................................................................9 2.2.2 Geometra de la red de alcantarillado ................................................................................................................9 2.3 PARMETROS DE DISEO ........................................................................................................................................................9 2.3.1 Perodo de diseo de redes de aguas residuales ........................................................................................9 2.3.2 Parmetros hidrulicos.................................................................................................................................................9 Captulo 3 INFORMACIN DEL SISTEMA A DISEAR ...................................................................................................... 11 3.1 SISTEMA A DISEAR ................................................................................................................................................................. 11 3.2 PARAMETROS DE DISEO .................................................................................................................................................... 16 3.2.1 Caudales de agua residual ...................................................................................................................................... 16 3.2.2 Caudales de agua lluvia ............................................................................................................................................ 17 Captulo 4 CAUDAL DE AGUAS RESIDUALES ......................................................................................................................... 19 4.1 CLCULO DEL CAUDAL DE AGUAS RESIDUALES DOMSTICAS.................................................................... 19 4.1.1 Mtodo utilizando los usuarios y el consumo ........................................................................................... 19 4.1.2 Mtodo utilizando la proyeccin del circuito ............................................................................................. 21 4.2 CLCULO DEL CAUDAL DE AGUAS RESIDUALES INDUSTRIALES ................................................................. 21 4.3 CAUDAL DEL CAUDAL DE AGUAS RESIDUALES COMERCIALES.................................................................... 22 4.4 CLCULO DEL CAUDAL DE AGUAS RESIDUALES DE USO OFICIAL Y USO ESPECIAL ....................... 22 4.5 CAUDALES DE AGUA RESIDUAL DE LAS REAS TRIBUTARIAS PROPIAS DE CADA TRAMO .......... 22 4.6 CAUDAL MEDIO DIARIO DE AGUAS RESIDUALES .................................................................................................. 24 4.7 CLCULO DEL CAUDAL MXIMO HORARIO ............................................................................................................. 25 4.8 CLCULO DEL CAUDAL POR INFILTRACIN .............................................................................................................. 25 4.9 CLCULO DEL CAUDAL DE AGUAS RESIDUALES POR CONEXIONES ERRADAS .................................. 26 4.10 CLCULO DEL CAUDAL DE DISEO DE AGUA RESIDUAL .......................................................................... 26 Captulo 5 CAUDAL DE AGUAS LLUVIAS................................................................................................................................... 31 5.1 CLCULO DEL CAUDAL DE AGUA LLUVIA .................................................................................................................. 32 5.2 CAUDALES DE DISEO ........................................................................................................................................................... 37 Captulo 6 DISEO HIDRULICO DE LA RED DE ALCANTARILLADO................................................................... 39 6.1 DISEO TRAMO A TRAMO .................................................................................................................................................... 39 6.1.1 Caudales de diseo ..................................................................................................................................................... 40 6.1.2 Determinacin de dimetros ................................................................................................................................ 40

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6.1.3 Evaluacin de criterios hidrulicos .................................................................................................................... 44 6.1.4 Diseo de la red ............................................................................................................................................................ 46 6.2 DISEO DE CMARAS ............................................................................................................................................................. 50 6.2.1 Determinacin del dimetro de las cmaras .............................................................................................. 50 6.2.2 Diseo de cmaras de unin subcrtica ......................................................................................................... 51 6.2.3 Diseo de cmaras de unin supercrticas .................................................................................................. 53 6.2.4 Diseo de cmara de cada .................................................................................................................................... 55 6.3 DISEO DE ELEMENTOS ESPECIALES............................................................................................................................. 55 Captulo 7 COMPROBACIN DE DISEO CON FGV .......................................................................................................... 57 7.1 CARACTERSTICAS TOPOLGICAS DE LA RED ......................................................................................................... 57 7.2 CAUDAL DE DISEO................................................................................................................................................................. 58 7.3 EJECUCIN DEL MODELO HIDRULICO ...................................................................................................................... 58 7.4 REVISIN DEL COMPORTAMIENTO HIDRULICO DE LA RED ......................................................................... 59 Captulo 8 COMPROBACIN DE DISEO CON FNP .......................................................................................................... 63 8.1 CARACTERSTICAS TOPOLGICAS DE LA RED ......................................................................................................... 64 8.2 CARACTERSTICAS DE LAS REAS TRIBUTARIAS ..................................................................................................... 64 8.3 CAUDAL DE AGUA RESIDUAL ............................................................................................................................................. 67 8.4 CAUDAL DE AGUA LLUVIA ................................................................................................................................................... 67 8.4.1 Hietograma de diseo............................................................................................................................................... 67 8.4.2 Hidrogramas de diseo ............................................................................................................................................ 68 8.5 EJECUCIN DEL MODELO HIDRULICO ...................................................................................................................... 69 8.6 REVISIN DEL COMPORTAMIENTO HIDRULICO DE LA RED ......................................................................... 69

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Captulo 1 INTRODUCCINEsta Gua de Diseo Hidrulico de Redes de Alcantarillado tiene como objetivo explicar la forma de llevar a cabo el diseo hidrulico de un sistema de alcantarillado, de acuerdo con lo establecido en las Normas de Diseo de Redes de Alcantarillado de EPM. Para cumplir con este propsito, la gua establece en forma secuencial, todos las pasos que se deben seguir hasta finalizar el diseo y la comprobacin del comportamiento hidrulico del sistema de drenaje urbano. Es importante enfatizar que esta gua corresponde nicamente al diseo hidrulico de la red, el cual se entiende como la determinacin de la pendiente de cada tramo, el clculo de los caudales de cada tramo, el dimensionamiento del dimetro interno de cada tramo, el diseo de las estructuras complementarias y la comprobacin del comportamiento hidrulico de todo el sistema ensamblado bajo las condiciones de flujo gradualmente variado y/o flujo no permanente. La metodologa seguida en la gua consiste en presentar un ejemplo de diseo correspondiente al alcantarillado combinado del barrio Prado Centro de la ciudad de Medelln, el cual es existente y se desea optimizar. Sin embargo, la gua puede ser utilizada para sistemas de alcantarillado separado de aguas residuales o lluvias y tambin para los casos de nuevos desarrollos. El contenido de la Gua de Diseo Hidrulico de Redes de Alcantarillado est dividido de la siguiente manera: - Captulo 2: Informacin mnima y criterios de diseo que debe tener en cuenta el ingeniero para realizar el diseo de la red de alcantarillado y parmetros de diseo.

- Captulo 3: Informacin necesaria para desarrollar el ejemplo de diseo. - Captulo 4: Determinacin de los caudales de agua residual a partir de la informacin de consumos de los usuarios de la red de acueducto. - Captulo 5: Determinacin de los caudales de aguas lluvias de acuerdo con el rgimen pluviogrfico de la zona de estudio. - Captulo 6: Diseo hidrulico de la red de alcantarillado para la condicin de flujo uniforme, calculando los caudales de diseo, los dimetros de las tuberas, los materiales a utilizar y las cotas de las cmaras de inspeccin. Con la red diseada se evalan criterios que se deben cumplir a fin de evitar problemas de sedimentacin y facilitar la limpieza en las tuberas. Igualmente se indica cmo se disean y evalan las cmaras de inspeccin, cmaras de cada y estructuras especiales. - Captulo 7: Comprobacin del diseo hidrulico de la red para la condicin de flujo gradualmente variado. De acuerdo con los resultados de la simulacin y las limitaciones de campo, se analizar la posibilidad de modificar las cotas de las cmaras y/o los dimetros de las tuberas, siempre buscando mejorar la hidrulica de la red. - Captulo 8: Comprobacin del diseo para la condicin de flujo no permanente. Se evaluarn las condiciones hidrulicas de las cmaras y los tramos con el fin de establecer sobrecargas, y en caso de presentarse solucionar dichos problemas modificando algunas caractersticas de la red. En la Figura 1-1 se muestra el sector geogrfico correspondiente a la zona del proyecto que se utilizar para ilustrar la aplicacin de la Gua.

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Figura 11: Imagen satelital del sector de Prado Centro.

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Captulo 2 INFORMACIN MNIMA NECESARIA Y CRITERIOS DE DISEOEn el Numeral 2.4 de las Normas de Diseo de Redes de Alcantarillado de EPM se establecen los pasos necesarios, los criterios de diseo y la informacin bsica que se requieren para llevar a cabo el proceso de diseo de un sistema de alcantarillado. En general, en el caso del municipio de Medelln y los dems municipios del Valle de Aburr cuya operacin est a cargo de las Empresas Pblicas de Medelln la gran mayora de estos pasos ya han sido realizados.

Por consiguiente en este captulo se especifica nicamente la informacin mnima necesaria y los criterios para disear un proyecto cuya concepcin general ya ha sido desarrollada. La informacin mnima necesaria es aquella requerida para que el diseador pueda llevar a cabo el proceso de optimizacin del diseo hidrulico de la red.

2.1 INFORMACIN MNIMAUna vez EPM ha definido el alcance del proyecto, cada diseador debe recolectar la informacin que es bsica para el diseo de las redes de alcantarillado, la cual se presenta en la Tabla 2-1

Tabla 21 Informacin mnima para el diseo de redes de alcantarillado

Informacin requerida INFORMACIN TOPOGRFICA

Caractersticas de la informacin Levantamiento topogrfico del Siempre se debe realizar el sector de diseo de la red de levantamiento topogrfico exacto alcantarillado del terreno para conocer su forma y establecer por donde se va a realizar el trazado de la red de alcantarillado. Esta informacin topogrfica permitir calcular las cotas de terreno de las cmaras de inspeccin y determinar la pendiente promedio de las reas tributarias. Tipo de informacin

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Informacin requerida CATASTRO DE LA ZONA

Tipo de informacin Planos del manzaneo de la zona de estudio Catastro de redes de servicios pblicos Planos de la malla vial

CATASTRO DE USUARIOS DE ACUEDUCTO, PROYECCIONES DE CONSUMOS O DOTACIONES DE ACUEDUCTO

Consumos y tipos de usuarios del sistema de acueducto Ubicacin espacial de los usuarios Pl a n e s d e o rd e n a m i e n to territorial, POT

INFORMACIN HIDROLGICA

Curvas IDF de las estaciones cercanas al proyecto Distribucin temporal de la precipitacin

Caractersticas de la informacin Para realizar el diseo de la red de alcantarillado se debe conocer la ubicacin de la malla vial, de las redes de servicios pblicos y/o estructuras especiales. Con esta informacin se establecen los posibles puntos del trazado de la red. Para la estimacin de los caudales de agua residual se debe conocer la distribucin de la poblacin o de los clientes y su consumo. EPM cuenta con tablas por circuitos que resumen el tipo de usuarios, sus consumos mensuales y las proyecciones estimadas de consumo. En caso de no contar con estas tablas, se usarn los datos de dotaciones. Esta informacin hidrolgica es suministrada por EPM en su norma.

INFORMACIN HIDRULICA

INFORMACIN GEOLGICA

Ubicacin del cuerpo receptor Esta informacin es necesaria para Rugosidades de los materiales de el diseo de la red de alcantarillado tuberas disponibles ya que se establece el lugar a donde se deben llevar las aguas de la red. Tipos de suelos de la zona Es necesario para determinar los parmetros de los modelos de infiltracin o del coeficiente de escorrenta, para calcular el caudal de aguas lluvias, cuando se trate de flujo no permanente. El hietograma que se construya deber ser aprobado por EPM.

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2.2 CONSIDERACIONES DE DISEO2.2.1 CLIENTES Y POBLACINSon los contribuyentes de caudal de agua residual al sistema de alcantarillado, proyectados al perodo de diseo. Existen proyecciones calculadas por EPM, en caso de no existir la proyeccin futura de clientes debe calcularse de acuerdo con el Numeral 5.2.2.1 de la norma.

alcanza la poblacin de saturacin, pues en caso de que se llegue a la poblacin de saturacin en un perodo menor al de diseo, se debe utilizar el primero como perodo de diseo.

2.3.2 PARMETROS HIDRULICOSAl mismo tiempo que se planea hidrulicamente el funcionamiento de la red es importante tener en cuenta los requerimientos mnimos que estipulan los parmetros de las Normas de Diseo de Redes de Alcantarillado de EPM. Los parmetros hidrulicos mnimos que se deben tener en cuenta desde el diseo preliminar bajo la consideracin de flujo uniforme y que la experiencia ha determinado que permite obtener redes con una adecuada autolimpieza y buen comportamiento hidrulico son: - Los dimetros nominales mnimos son de 200 mm para alcantarillados de aguas residuales y 250 mm para alcantarillados de aguas lluvias y aguas combinadas. - La velocidad mnima es de 0.45 m/s para alcantarillados de aguas residuales y 0.75 m/s para alcantarillados de aguas lluvias y combinadas. - La velocidad mxima es de 10 m/s para tuberas plsticas y de 5 m/s para otro tipo de materiales. - Para que las redes de alcantarillado residual cumplan con el criterio de autolimpieza se debe tener un esfuerzo cortante mnimo de 1.5 N/m, para alcantarillados pluviales el valor es de 3.0 N/ m para el caudal de diseo. - Para evitar que se presente flujo crtico y cuasicrtico en los tramos se recomienda tener nmeros de Froude por fuera del intervalo de 0.7 a 1.5 para la condicin de flujo uniforme.

2.2.2 GEOMETRA DE LA RED DE ALCANTARILLADOLa disposicin de los tramos y de las cmaras que conforman la red constituye uno de los parmetros bsicos del diseo. Dicha disposicin define la geometra de la red y con sta sus caractersticas topolgicas, las cuales permanecen invariables durante el diseo. Estas caractersticas incluyen el nmero de tramos y cmaras, la unin de los mismos, la longitud de los tramos y la sectorizacin de los caudales que se presentan para cada punto de descarga. Tambin, se debe determinar las reas tributarias a cada tramo, las cuales se utilizan en el clculo del caudal de aguas residuales y/o lluvias.

2.3 PARMETROS DE DISEO2.3.1 PERODO DE DISEO DE REDES DE AGUAS RESIDUALESPara determinar el perodo de diseo se debe hacer referencia al Numeral 5.2.1 de la norma. Esta caracterstica puede variar dependiendo de la zona de diseo. Por ejemplo, para los municipios del Valle de Aburr el perodo de diseo es de 30 aos. Para aquellos casos en los cuales el anlisis de costo mnimo sugiera un desarrollo por etapas, stas deben disearse teniendo en cuenta dicho perodo de diseo. En todo caso, se debe comparar el perodo de diseo con el perodo en el cual se

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- Para los tramos en que la pendiente sea superior al 10%, la distribucin hidrosttica de presiones deja de ser vlida. Por lo tanto en el anlisis de flujo gradualmente variado y de flujo no permanente debe incluirse el factor Cos, donde es el ngulo de inclinacin del tramo. - El valor mximo permisible de la profundidad hidrulica, es funcin del dimetro de la tubera diseada, variando entre el 70% y el 85% del dimetro real interno de cada uno de los tramos. - La profundidad mnima a la cota clave de las tuberas es de 1.20 m. En caso de no ser posible cumplir con esta distancia deber presentarse un diseo particular de proteccin a la red. - Desde el punto de vista de costos, el diseo ptimo para obtener la red ms econmica de alcantarillado es aquel que mezcla varios materiales que cumplan con las restricciones hidrulicas. Otra consideracin especial que se debe tener durante la preparacin de un diseo de un sistema de alcantarillado es la integralidad del drenaje urbano. Dicho aspecto involucra la escogencia de la ubicacin del punto de tratamiento de las aguas residuales y de las caractersticas en que deben ser entregadas las aguas residuales y/o lluvias a su efluente final.

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Captulo 3 INFORMACIN DEL SISTEMA A DISEAREn este captulo se explican, en detalle, las caractersticas de la red de Prado Centro, la cual se disear paso a paso a modo de ejemplo, siguiendo las especificaciones de la Norma de Diseo de Sistemas de Alcantarillado de las Empresas Pblicas de Medelln indicando la informacin que se usar para el diseo de la red.

en la calle 65 con la avenida Regional y se trata de un aliviadero que se disear en el proyecto y que tendr como objetivo separar las aguas combinadas y conducir las aguas residuales al Interceptor Oriental y las aguas lluvias al Ro Medelln en el punto denominado BOT, ver la Figura 3-4. La primera consideracin que se debe hacer al disear una red de alcantarillado es definir el sentido en que se desea conducir el caudal de drenaje ya sea de aguas lluvias, residuales o combinadas. Con la informacin del levantamiento topogrfico y la ubicacin de los cuerpos receptores se puede establecer el sentido de flujo en el sector. Para el diseo de la red se deben considerar aspectos como la topografa del terreno, las limitantes de cruces con otras redes de servicios pblicos y/o estructuras existentes como fundaciones del Metro y los niveles de descarga a la cobertura (COB), al Interceptor Oriental y al Ro Medelln. Para generar el modelo hidrulico de la red de alcantarillado se debe asignar un identificador o nmero a las cmaras de inspeccin y a los tramos que unen estas cmaras. En la Figura 3-2 se presenta la ubicacin y nomenclatura de estos elementos y en la Tabla 3-1 se puede ver los tramos que unen las cmaras de inspeccin de acuerdo con la nomenclatura establecida en la Figura 3-2.

3.1 SISTEMA A DISEAREl proyecto est ubicado entre el barrio Prado Centro y el sector del Chagualo, en la ciudad de Medelln, sectores que cuentan con sistemas de redes de alcantarillado combinado. El proyecto est compuesto por 66 tramos y 67 cmaras de inspeccin y se dividi en dos sectores, de acuerdo con la ubicacin de dos sitios en los cuales es posible realizar la entrega de las aguas recolectadas, como se indica en la Figura 3-1. El primer punto de entrega de las aguas combinadas se encuentra localizado en la Calle 62 con Carrera 51, se trata de una cobertura que en el proyecto aparece identificada como COB y que aguas abajo tiene construido un aliviadero. El segundo punto de entrega identificado como ALIV., estar localizadoBOT

1460COB

Afluentes al ALIV Afluentes a la COB

1470

1480

1490 1500

1510

Figura 3 1: Afluentes a los puntos de descarga en el modelo Prado.

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Gua para el Diseo Hidrulico de Redes de AlcantarilladoTabla 31 Identificadores de los tramos y cmaras que componen la red de alcantarillado Tramo T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 T11 T12 T13 T14 T15 T16 T17 T18 T19 T20 T21 T22 T23 Nudo Inicial C34 C32 C29A C18 C17 C10 C8 C7A C7B C7 C46 C49 C50 C23 C42 C43A C46A C49A C54 C55 C76 C74 C69B0 A1 A1 C159E C159D C159C C159A C159B C160B C160 C165C C165A C165 C41 C93C C93C C113 C74 C78 C80 C111 C80 C87 C85 C10 C105

Nudo Final C32 C29A C26 C17 C10 C8 C7A C7B C7 COB C26 C50 C23 C17 C43A C46A C49A C54 C55 C76 C74 C69 C68

Tramo T24 T25 T26 T27 T28 T29 T30 T31 T32 T33 T34 T35 T36 T37 T38 T39 T40 T41 T42 T43 T44 T45 T46

Nudo Inicial C68 C64 C64A C57 C87 C89 C90 C80 C81 C110 C85 C87A C80A C78 C77 C113 C111 C66 C117 C105 C105A C102 C26

Nudo Final C64 C64A C63 C8 C89 C90 C46A C81 C49A C85 C87A C80A C78 C77 C74 C111 C80A C7 C123 C105A C102 C43A C18

Tramo TA1 TA2 TA3 TA4 TA5 TA6 TA7 TA8 TA9 TA10 TA11 TA12 TA13 TA14 TA15 TA16 TA17 TA18 TA19.1 TA19.2 TA20 TA21 TA22

Nudo Inicial C63 C63A C93 C93A C93B C93C C93D C141 C165 C165A C165B C160A C160B C159A C159C C159D C159E A155A A155A A155B C165C C159B C63B

Nudo Final C63A C93 C93A C93B C93C C93D C141 C165 C165A C165B C160A C160B C159A C159C C159D C159E A155A C153 A155B BOT C160A C159A C63A

C123

C93B

C93 C63 C64 C69 C93A C64A C55 C7 C7A

C117

C76

C08

C54 C57 C49A

C89 C90 C49 C46A

C10 C17 C18 C23

C26 C29

C105A C102 C46 C3A C42 C32 C34

Figura 3 2: Plano de diseo geomtrico de la red de Prado.

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Los tramos que contienen la letra T seguido de alguna numeracin consecutiva (T1, T2, T3, etc.) corresponden a la red de Prado Centro propiamente dicha y aquellos que contienen las letras TA seguidas de una numeracin consecutiva (TA1, TA2, TA3, etc.) corresponden al sector de El Chagualo, cuyos tramos empiezan a partir de la cmara de inspeccinBOTA155B C153 A155A C159E C159D C159C C159A C159B C160B C160A C165B C165CC165A C141

numerada C110 ubicada en la parte mas alta del modelo (Figura 3-2). En la Figura 3-3 se muestra el conjunto de tramos y cmaras que hacen parte del sector cuyos caudales tributarios terminan drenando hacia el punto de descarga BOT

C165

C93D C93C C93B

C93 C63B C63 C66 C64 C93A C63A C64A

C113 C111 C80A

C68C69 C74 C77 C76

C78

C80 C81

C85 C87A C87C89 C90

C110

C55 C54C49A

C105

C105A C102 C46A C42 C43A

Figura 33: Sector de la red de Prado que descargan sus aguas al BOT en el Ro Medelln.C66

Entrega al Ro BOT MedellnC57 COB

TA19.2C7 C7B C7A C8 C10 C46 C50 C49

A155B

C17C23 C18

TA19.1

C26

Entrega a C153 Interceptor TA18

C29A C32

A155A TA17

C34

Aliviadero

Figura 35: Conjunto de tramos tributarios a la descarga COB (Cobertura Existente). Figura 34: Configuracin de entrega de aguas lluvias y residuales en el sector El Chagualo.

En la Figura 3-5 se muestra el conjunto de cmaras y tramos que hacen parte del sector cuyos caudales tributarios terminan drenando hacia el punto de descarga en la cobertura (COB).

A partir del levantamiento topogrfico del alineamiento de la red pueden definirse las cotas de tapa de las cmaras de inspeccin. Para el caso de estudio algunas de estas cotas se muestran en la Figura 3-6.

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1480

C64 A 1474.36

C64 1474.36

C68 1477.72

C69 1479.17

C74 1484.50

Y

C66 1474.20 C76 1485.21

C77 1485.46 C78 1491.16

X

Figura 36: Detalle de las cotas de terreno de las cmaras de inspeccin.

Con la geometra de la red establecida, se determinan las reas tributarias a cada uno de los tramos de la red (con base en el rea tributaria a cada tramo), las cuales se utilizarn en el clculo de los caudales residuales y de aguas lluvias. Estas reas se muestran en la Figura 3-7.52 59 56 68 69 61 67 68 62 64 69

64

65

24 66 67 14 13 12 11 10 8 89 25 25 9 6 5 45 42 28 40 27 28 29 32 30 44 38 4 48 47 50 51 25 20 21 18 22 19 28 24 37 36 43

Figura 3 7: reas tributarias a cada tramo del sistema.

De acuerdo con la Figura 3-7 se determina el tamao de la superficie de cada rea tributaria (para agilizar este proceso se puede utilizar un software de diseo asistido por computador, como AutoCad). En la siguiente tabla se presentan los valores de las reas tributarias cuyo caudal se descarga en la cobertura ubicada en la calle 62 con carrera 51. Previamente se ha determinado que tipo de agua se va a transportar, si residual, lluvias o combinadas, esto con el fin de asignar la respectiva rea. Se calcula tanto el rea tributaria propia del tramo, como el

rea tributaria que proviene de otras zonas y cuyo caudal ser transportado a travs de ste. Las reas se acumulan de acuerdo con la conectividad que tengan los tramos. Del mismo modo, se obtienen los datos restantes para los tramos del sector de El Chagualo, cuyas aguas residuales y lluvias son descargadas al Interceptor Oriental y al ro Medelln respectivamente.

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1490

Gua para el Diseo Hidrulico de Redes de AlcantarilladoTabla 32 reas tributarias del sector Prado Centro.

reas tributarias (ha)Tramo De A Aguas residuales residenciales Propia1 2 3 46 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 C34 C32 C29 C26 C18 C17 C10 C8 C7A C7B C7 C46 C49 C50 C23 C57 C66 C32 C29 C26 C18 C17 C10 C8 C7A C7B C7 COB C26 C50 C23 C17 C8 C7 0.19 0 0.34 0.38 0 0.38 0.08 0.05 0.07 0.06 0.15

Aguas lluvias Propia0.19 0 0.34 0.38 0 0.38 0.08 0.05 0.07 0.06 0.15

Otra1.78 0 0.57

Acumulada1.97 1.97 2.88 3.82 3.82 4.7 4.78 5.39 5.46 5.52 6.84 0.56 0.14 0.5 0 0.5 0 0.56 0.77

Otra1.78 0 0.57 0. 56 0 0.5 0 0.56 0 0 1.17

Acumulada1.97 1.97 2.88 3.82 3.82 4.7 4.78 5.39 5.46 5.52 6.8 4 0.56 0.14 0.5 0 0.5 0 0.56 0.77

0.56 00.5 0 0.56 0 0 1.17

0.56 0.14 0.36 0 0.56 0.77

0 0 0.14 0.50 0 0

0.56 0.14 0.36 0 0.56 0.77

0 0 0.14 0.50 0 0

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En la tabla 3-3 se presenta el resumen de las reas tributarias de todo el proyecto.Tabla 3 3 reas tributarias totales de cada tramo de la red de Prado Centro rea tributaria agua residual (ha) 1.97 2.54 2.88 3.82 4.70 4.78 5.39 5.46 5.52 6.84 0.56 rea tributaria agua lluvia (ha) 1.97 2.54 2.88 3.82 4.70 4.78 5.39 5.46 5.52 6.84 0.56 rea tributaria agua residual (ha) 0.97 1.66 1.92 1.92 0.28 0.47 0.77 0.16 0.25 0.55 3.82 rea tributaria agua lluvia (ha) 0.97 1.66 1.92 1.92 0.28 0.47 0.77 0.16 0.25 0.55 3.82

Tramo T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 T11

Tramo T35 T36 T37 T38 T39 T40 T41 T43 T44 T45 T46

15

Gua para el Diseo Hidrulico de Redes de Alcantarilladorea tributaria agua residual (ha) 0.14 0.50 0.50 8.01 8.93 10.56 11.92 11.92 12.61 12.61 14.68 14.71 14.79 15.17 15.30 0.56 0.30 0.56 1.28 0.26 1.00 0.18 0.68 rea tributaria agua lluvia (ha) 0.14 0.50 0.50 8.01 8.93 10.56 11.92 11.92 12.61 12.61 14.68 14.71 14.79 15.17 15.30 0.56 0.30 0.56 1.28 0.26 1.00 0.18 0.68 rea tributaria agua residual (ha) 15.30 25.01 28.11 28.91 29.46 30.17 30.32 31.02 32.08 32.23 32.23 32.98 33.42 34.94 36.18 36.91 36.91 0.00 0.00 0.00 0.75 1.13 9.71 rea tributaria agua lluvia (ha) 21.07 21.07 28.09 28.89 29.43 30.14 30.29 30.99 32.05 32.20 32.20 32.41 32.85 34.37 34.37 34.37 34.37 0.00 34.37 34.37 0.21 1.13 0.00

Tramo T12 T13 T14 T15 T16 T17 T18 T19 T20 T21 T22 T23 T24 T25 T26 T27 T28 T29 T30 T31 T32 T33 T34

Tramo TA1 TA2 TA3 TA4 TA5 TA6 TA7 TA8 TA9 TA10 TA11 TA12 TA13 TA14 TA15 TA16 TA17 TA18 TA19.1 TA19.2 TA20 TA21 TA22

3.2 PARMETROS DE DISEOA continuacin se presentan los parmetros de diseo que se utilizarn en el desarrollo del ejemplo de diseo de la red de alcantarillado de Prado Centro.

EPM para el circuito del Batalln, ya que la red de Prado Centro pertenece a ste. A partir de los datos de Proyeccin de caudales de suministro por circuito expresado en (L/s) y proporcionados por EPM e indicados en la Tabla 3-4, se calcula la proyeccin de consumo para el perodo de diseo. La proyeccin para obtener la dotacin del perodo de diseo, se construye a partir de los datos de la Tabla 3-4, haciendo uso de tendencias, tales como: lineal, logartmica, exponencial, entre otras. De acuerdo con la dispersin que tengan los valores de la tabla, se determina cual es la tendencia que mejor representa la proyeccin de consumo en el circuito.

3.2.1 CAUDALES DE AGUA RESIDUALDe acuerdo con lo establecido en el Numeral 5.2.1 de la norma el perodo de diseo para la red de Prado Centro es de 30 aos, los cuales se cuentan a partir del 2008, ao en el cual se realiza el diseo. Para determinar los caudales de agua residual se debe utilizar la informacin disponible de

16

Gua para el Diseo Hidrulico de Redes de AlcantarilladoTabla 34 Proyeccin de caudales de suministro para el circuito del Batalln de

Ao Caudal de suministro (L/s)

2008 131.54

2009 133.93

2010 136.32

2012 141.10

2014 145.88

2016 150.66

2018 155.44

2020 160.22

En la Figura 3-8 se muestra la proyeccin de caudales de suministro (L/s) para el circuito Batalln.210 200 190

Caudal (L/s)

180 170 160 150 140 130 120 2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030 2035 2040

Ao

Figura 38: Proyeccin de caudales de suministro (L/s) para el circuito Batalln.

Para el ejemplo de diseo, la lnea de proyeccin marca en el ao 2038 un caudal de suministro de 203.23 L/s. Teniendo en cuenta que el rea total del circuito Batalln es 224.03 hectreas, se obtiene una dotacin de 0.907 L/s ha. Este valor se utilizar para obtener el caudal de aguas residuales en el sistema.

las estaciones pluviomtricasque tiene EPM. En la Figura 3-9 se muestra la ubicacin del proyecto de la red de Prado Centro; se puede observar que el agua lluvia que llega a esta red proviene o drena desde la zona tributaria a la estacin pluviogrfica de la Planta de Villa Hermosa. Para esta estacin pluviogrfica EPM cuenta con curvas IDF e informacin de duracin de las lluvias. La ecuacin de la curva IDF para un perodo de retorno de 10 aos de la estacin de la Planta Villa Hermosa es la que se presenta a continuacin:i (mm / h) =

3.2.2 CAUDALES DE AGUA LLUVIADe acuerdo con el Numeral 6.2 de la norma se establece el perodo de retorno del evento de precipitacin. Como el rea total que contribuye a la red de Prado Centro que se est diseando tiene un rea mayor a las 10 hectreas y menor a 1000 hectreas se debe utilizar un perodo de retorno de 10 aos. Para conocer las caractersticas hidrolgicas de la zona de estudio, se debe ubicar el proyecto en el plano de polgonos de Thissen con la localizacin

(16 + Td (min)) 0.9946

3483.1

Ecuacin 3 - 1

donde, i = Intensidad media de precipitacin (mm/hr). Td = Duracin de la lluvia (min).

17


Figura 39: Ubicacin de la zona de proyecto con respect a los lmites de influencia determinados para las estaciones cercanas.

18


Captulo 4 CAUDAL DE AGUAS RESIDUALESLos caudales de aguas residuales se obtienen a partir de la base de datos de consumo de agua potable para el sector estudiado. El consumo que se registra por tipo de usuario o por hectrea es convertido en caudal de agua residual a partir del coeficiente de retorno. Es posible representar el algoritmo que se realiza en la estimacin de los caudales de agua residual en un esquema como el de la Figura 4 1.Inicio De nir reas tributarias Establecer coe ciente de retorno Establecer consumo de agua potable, por tipo de usuario o por demanda (proyeccin del circuito ) Calcular aportes de agua residual en cada tramo de la red de acuerdo con el tipo de contribucin Acumular aportes de agua residual de acuerdo con la topologa de la red Calcular caudal medio diario Calcular o medir factor de mayoracin Calcular caudal mximo horario Calcular caudal por conexiones erradas Calcular caudal por in ltracin Calcular caudal de aguas residuales Fin

4.1 CLCULO DEL CAUDAL DE AGUAS RESIDUALES DOMSTICASSegn el Numeral 5.2.3.1 de la norma, existen tres formas para calcular el caudal de aguas residuales domsticas dependiendo del tipo de proyeccin que se haya utilizado, ya sea de clientes, de consumo de agua potable o poblacin. En cada caso debe utilizarse una ecuacin en particular, cada una de las cuales se describen en el numeral de la norma referenciado. El caudal de aguas residuales se calcular utilizando dos de las tres metodologas enunciadas en la norma, con el fin de de ilustrar las posibilidades de clculo de acuerdo con la informacin disponible.

4.1.1 Mtodo utilizando los usuarios y el consumoEl primer mtodo que puede desarrollarse es el del catastro de usuarios y su consumo, teniendo en cuenta que para la red de Prado Centro, Empresas Pblicas cuenta con la base de datos con la ubicacin espacial de los usuarios y sus consumos de agua potable para el perodo de diseo la cual se esquematiza en la Figura 4-2. Esta imagen es obtenida con herramientas de Sistemas de Informacin Geogrfica - SIG (p.e. ArcGIS, ArcView), en ella los usuarios existentes en el sector de estudio se muestran en forma de pequeos puntos. Los consumos de agua potable tomados del circuito Batalln pueden ser ubicados espacialmente a partir de una base de datos implementada en herramientas SIG las cuales permiten cruzar los consumos de agua potable con el rea tributaria propia de cada tramo del sistema de alcantarillado a disear. Los pasos que se deben seguir para obtener el caudal de aguas residuales domsticas de cada tramo de la red de Prado Centro son:

Figura 4 1: Diagrama de flujo para la estimacin de los caudales de agua residual.

19


- Trazar el rea tributaria propia del tramo. - Seleccionar los usuarios domsticos que se encuentran dentro de cada rea tributaria por medio de la herramienta SIG.

- Determinar el consumo total de cada rea tributaria como la suma de los consumos promedio de agua potable de cada usuario. - Convertir el consumo obtenido de agua potable a caudal de aguas residuales por medio del coeficiente de retorno.

Usuarios Prado Centro Residencial Oficial Insdustrial Comercial Especiall

Figura 42: Distribucin de clientes del sistema de alcantarillado en la zona de estudio.

En la Figura 4-3 se muestra el conjunto de usuarios domsticos ubicados en el rea tributaria propia del tramo T41, de C66 a C7, y para la cual se estim su caudal total de consumo de agua potable domstico.

Este tramo representa un caudal de consumo de agua potable de 1221.1 m 3/mes que luego se convirtieron a caudal de aguas residuales, por medio de la expresin.QD = 0.000386* CR * qD

Ecuacin 4 - 1

donde, QD = Caudal de aguas residuales domstico (L/s). CR = Coeficiente de retorno (0.85). qD = Caudal de consumo domstico de agua potable domstico (m3/mes). Reemplazando para el tramo T41 se obtiene:QD = 0.000386*0.85*1221.1 = 0.401L / s

Ecuacin 4-2

Figura 43: Distribucin de los clientes de la red de acueducto en el rea tributaria del tramo T41: uso domstico.

20


4.1.2 MTODO UTILIZANDO LA PROYECCIN DEL CIRCUITOEl segundo mtodo que el diseador puede utilizar es el de proyeccin del circuito de acuerdo con la dotacin establecida para el circuito en el cual se encuentra el proyecto. Para el caso de ejemplo la dotacin para el circuito Batalln fue establecida en el Numeral 3.1.1 de esta Gua, por lo tanto el caudal de agua residual se calcula multiplicando la dotacin de 0.907 L/s ha por el rea tributaria de cada tramo de la red de Prado Centro. Para el mismo tramo T41 el caudal ser de:QD = 0.907L / s ha 0.77ha = 0.698L / s

definidas y la asignacin de una contribucin neta para las mismas. Para el caso de la red de Prado Centro se dispone, igual que para el consumo domstico, de la ubicacin espacial y el valor del consumo industrial de agua potable. En la Figura 4-4 se muestra el conjunto de usuarios industriales ubicados en el rea tributaria propia del tramo T41.

Ecuacin 4-3

La dotacin que se estableci para el circuito Batalln corresponde al promedio de los diferentes tipos de contribucin (domstica, comercial, industrial e institucional). Es por esta razn que el caudal de 0.698 L/s obtenido por este mtodo es mayor que el de 0.401 L/s obtenido por el mtodo del Numeral 4.1.1, porque en este ltimo mtodo solo se incluyeron contribuciones domsticas; una vez se totalicen los diferentes tipos de usuarios y sus consumos, se alcanzar un valor muy cercano al de 0.698 L/s para el tramo y as para cada uno de los tramos que componen la red. En caso de que en un circuito de acueducto existieran usuarios con consumos superiores al promedio, por ejemplo escuelas, clnicas, industrias, centros comerciales, entre otros, su consumo se ingresa en la respectiva rea tributaria como un aporte puntual.

Figura 44: Distribucin de los clientes de la red de acueducto en el rea tributaria del tramo T41: uso industrial.

El consumo industrial en este tramo corresponde a 14.4 m3/mes* que afectado por un coeficiente de retorno de 0.851 en la Ecuacin 4-1 se obtiene un caudal de:QI = 0.000386*0.85*14.4 = 0.005 L / s

Ecuacin 4-4

4.2 CLCULO DEL CAUDAL DE AGUAS RESIDUALES INDUSTRIALESDe acuerdo con el Numeral 5.2.3.2 de la norma, es posible estimar el caudal de aguas residuales industriales a partir de las reas tributarias ya

* (No obstante este consumo no es representativo como industrial, se incluye a modo de ejemplo).

1

El coeficiente de retorno depender del proceso que se lleve en la industria; en algunos casos toda el agua consumida se evacuar al sistema de alcantarillado. Esto debe ser evaluado por el diseador.

21


4.3 CAUDAL DEL CAUDAL DE AGUAS RESIDUALES COMERCIALESEl Numeral 5.2.3.3 de la norma establece las consideraciones que deben tenerse en cuenta para estimar el caudal de aguas residuales comerciales. Para el caso de la red de Prado Centro se ha utilizado, una vez ms, la ubicacin espacial de consumos de agua potable de tipo comercial que existen sobre las reas tributarias del proyecto para estimar el caudal de aguas residuales comerciales.

de instituciones oficiales y de usos especiales, tales como hogares juveniles, ancianatos, entre otros. En la Figura 4 -6 se muestra el conjunto de usuarios oficiales y especiales ubicados en el rea tributaria propia del tramo T41.

Figura 46: Distribucin de los clientes de la red de acueducto en el rea tributaria del tramo T41: uso oficial y especial

Figura 4 5: Distribucin de los clientes de la red de acueducto en el rea tributaria del tramo T41: uso comercial.

El consumo comercial en este tramo corresponde a 63.1 m3/mes que afectado por un coeficiente de retorno de 0.85 en la Ecuacin 4-1 se obtiene un caudal de:QC = 0.000386*0.85*63.1 = 0.021L / s

El consumo oficial y especial en este tramo corresponde a 3.4 m3/mes de caudal oficial y a 16.2 m3/mes de caudal especial, los cuales afectados por un coeficiente de retorno de 0.85 en la Ecuacin 4-1 se obtiene un caudal de:QOF + ESP = 0.000386*0.85*(3.4 + 16.2) = 0.006 L / s

Ecuacin 4-6

Ecuacin 4-5

4.4 CLCULO DEL CAUDAL DE AGUAS RESIDUALES DE USO OFICIAL Y USO ESPECIALEl Numeral 5.2.3.4 de la norma establece los lineamientos que se deben tener en cuenta al momento de determinar el caudal de agua residual

4.5 CAUDALES DE AGUA RESIDUAL DE LAS REAS TRIBUTARIAS PROPIAS DE CADA TRAMOEl caudal total de agua residual para cada tramo se obtiene sumando los caudales obtenidos de acuerdo con los diferentes usos indicados en los numerales anteriores. En la Tabla 4-1 se presentan los caudales de agua residual de acuerdo con el

22


tipo de contribucin para todos los tramos de la red de Prado Centro. En esta tabla QD corresponde al caudal domstico, Qc al caudal comercial, QI al caudal industrial, QOF al caudal oficial y QESP al caudal especial.Tabla 41 Caudales de agua residual de aporte a cada tramo de la red de Prado Centro

TramoT1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 T11 T12 T13 T14 T15 T16 T17 T18 T19 T20 T21 T22 T23 T24 T25 T26 T27 T28 T29 T30 T31 T32 T33 T34 T35 T36

QD (L/s)1.101 1.260 1.429 1.690 1.759 1.782 2.019 2.066 2.114 2.781 0.214 0.020 0.046 0.046 4.805 5.180 5.398 5.812 5.812 6.167 6.167 6.639 6.654 6.670 6.827 6.903 0.189 0.023 0.064 0.119 0.039 0.249 0.032 0.134 0.213 0.242

Qc L/s)0.002 0.009 0.048 0.192 0.215 0.232 0.232 0.232 0.232 0.492 0.144 0.000 0.007 0.007 0.034 0.089 0.178 0.204 0.204 0.209 0.209 0.429 0.429 0.429 0.446 0.446 0.000 0.006 0.047 0.089 0.020 0.026 0.000 0.000 0.000 0.217

QI (L/s)0.021 0.021 0.021 0.021 0.021 0.021 0.021 0.021 0.021 0.027 0.000 0.000 0.000 0.000 0.024 0.029 0.029 0.029 0.029 0.033 0.033 0.033 0.033 0.033 0.033 0.033 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000

QOF (L/s)0.000 0.000 0.000 0.012 0.013 0.013 0.013 0.013 0.013 0.014 0.012 0.000 0.001 0.001 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000

QESP (L/s)0.025 0.025 0.051 0.051 0.124 0.195 0.211 0.216 0.221 0.309 0.000 0.000 0.001 0.001 0.154 0.172 0.334 0.343 0.343 0.360 0.360 0.748 0.748 0.748 0.748 0.748 0.011 0.032 0.038 0.144 0.009 0.009 0.000 0.066 0.201 0.309

23


TramoT37 T38 T39 T40 T41 T43 T44 T45 T46 TA1 TA2 TA3 TA4 TA5 TA6 TA7 TA8 TA9 TA10 TA11 TA12 TA13 TA14 TA15 TA16 TA17 TA18 TA19.1 TA19.2 TA20 TA21 TA22

QD (L/s)0.378 0.378 0.000 0.009 0.409 0.154 0.189 0.267 1.690 6.903 10.229 10.229 10.229 10.229 10.229 10.229 10.274 10.522 10.523 10.569 10.569 10.763 10.982 13.360 13.360 13.360 13.360 0.000 0.000 0.045 0.218 3.326

Qc (L/s)0.219 0.219 0.187 0.212 0.232 0.002 0.002 0.011 0.192 0.446 0.618 0.618 1.346 1.346 1.346 1.346 1.413 1.571 1.578 1.653 1.653 1.705 2.034 2.539 2.914 2.914 2.914 0.000 0.000 0.075 0.220 0.172

QI (L/s)0.000 0.000 0.000 0.000 0.005 0.000 0.000 0.000 0.021 0.033 0.046 0.046 0.138 0.138 0.138 0.138 0.142 0.165 0.170 0.170 0.170 0.267 0.267 0.280 0.280 0.280 0.280 0.000 0.000 0.000 0.000 0.013

QOF (L/s)0.000 0.000 0.000 0.000 0.001 0.000 0.000 0.000 0.012 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.001 0.001 0.001 0.001 0.001 0.000 0.000 0.000 0.001 0.000

QESP (L/s)0.388 0.388 0.035 0.078 0.083 0.000 0.000 0.013 0.051 0.748 0.870 0.870 0.870 4.237 4.237 4.237 4.237 4.254 4.254 4.254 4.254 4.254 4.254 4.254 4.254 4.254 4.254 0.000 0.000 0.000 0.000 0.123

4.6 CAUDAL MEDIO DIARIO DE AGUAS RESIDUALESSegn el Numeral 5.2.4 de la norma, el caudal medio diario de aguas residuales (QMD) para un tramo con reas tributarias dadas, corresponde a la suma de sus correspondientes aportes de aguas residuales

domsticas, industriales, comerciales, oficiales y especiales, de acuerdo con la Ecuacin 4-7.QMD = QD + QI + QC + QOF

Ecuacin 4 - 7

donde, QMD = Caudal medio diario (m3/s).

24


QD QI QC QOF

= Caudal de aguas residuales domstico (m3/s). = Caudal de aguas residuales industriales (m3/s). = Caudal de aguas residuales comerciales (m3/s). = Caudal de aguas residuales oficiales (m3/s).

Para cada tramo de la red de Prado Centro se calcula el caudal medio diario por medio de la Ecuacin 4-7.

Para el caso del tramo T41, que une las cmaras C66 y C7, los caudales de aguas residuales domsticas, comerciales, industriales, oficiales y especiales tributario son 0.409 L/s, 0.232 L/s, 0.005 L/s, 0.001 L/s y 0.083 L/s respectivamente lo que da un caudal medio de aguas residuales de:

QMD = 0.409 + 0.232 + 0.005 + 0.001 + 0.083 = 0.730 L / s

Ecuacin 4 - 8

Al comparar este valor de caudal medio (0.730 L/s) con el caudal obtenido usando la dotacin promedio (0.698 L/s) se puede concluir que los dos caudales son muy parecidos. Por esta razn cualquiera de las dos metodologas es viable para determinar los caudales de agua residual, el uso de cada una de ellas depende de la informacin con que cuente el diseador.

En el diseo de la red de Prado Centro se utiliza la ecuacin de Tchobanoglous del Numeral 5.2.6 de la norma:F= 3.7 QMDI 0.0733

Ecuacin 4 - 10

4.7 CLCULO DEL CAUDAL MXIMO HORARIOEl Numeral 5.2.5 de la norma indica que el caudal mximo horario de aguas residuales (QMHf ), es la base para establecer el caudal de diseo de cada uno de los tramos que conforman una red de alcantarillado de aguas residuales. El caudal mximo horario del da de mximo consumo se calcula a partir del caudal final medio diario, utilizando un factor de mayoracin, F, calculado con la Ecuacin 4-9.QMHf = F QDf + Qif + QCf + QOFf

donde, F = Factor de Mayoracin (adimensional). QMDI = Caudal medio diario de aguas residuales tributario a cada tramo (L/s). El factor de mayoracin del tramo T41 es:F= 3.7 QMDI0.0733

=

(0.73)0.0733

3.7

= 3.79

Ecuacin 4 - 11

Ecuacin 4-9

Luego, mayorando nicamente el caudal de aguas residuales domsticas y adicionando el componente de aguas comerciales, industriales, oficiales y especiales tributario a cada tramo de la red de alcantarillado se calcula el caudal mximo horario de aguas residuales de cada tramo. Para el Tramo T41 se muestra el procedimiento de clculo antes mencionado haciendo uso de la Ecuacin 4-9, como muestra las ecuaciones 4-12 y 4-13.

donde, QMHf = Caudal mximo horario final (m3/s). F = Factor de mayoracin (adimensional). QDf = Caudal de aguas residuales domstico final (m3/s). QIf = Caudal de aguas residuales industriales final (m3/s). QCf = Caudal de aguas residuales comerciales final (m3/s). QOFf = Caudal de aguas residuales oficiales final (m3/s).

25

Gua para el Diseo Hidrulico de Redes de AlcantarilladoQMHf = 3.79(0.409l / s )+ 0.232l / s + 0.005l / s + 0.001l / s + 0.083l / s

Ecuacin 4 - 12

QMHf = 1.87l / s

Ecuacin 4 - 13

el caso de la red de Prado Centro este caudal no se determina debido a que se trata de un alcantarillado de aguas combinadas.

4.8 CLCULO DEL CAUDAL POR INFILTRACINPara determinar los caudales por infiltracin lo ideal es realizar aforos en el sistema, en horas de mnimo consumo de agua potable, tal como lo indica el Numeral 5.2.3.6 de la norma. Debido a que no se cuenta con esta informacin para calcular el caudal por infiltracin se har uso del valor unitario de 0.04 m por milmetro de dimetro de la tubera por kilmetro de longitud por da (m/mm dimetrokmda)2 recomendado por la norma. Debido a que todava no se conocen los dimetros de diseo, fue necesario estimar inicialmente el caudal de infiltracin con un valor de 0.2 L/s*ha,QINF = 0.2 l/s Ap ha

4.10 CLCULO DEL CAUDAL DE DISEO DE AGUA RESIDUALEste caudal se obtiene de la suma del caudal mximo horario final del da de mayor consumo de agua potable, QMHf, ms los aportes de caudal de infiltracin y caudal de aguas residuales por conexiones erradas, de acuerdo con la Ecuacin 4-16.QDT = QMHf + QINF + QCEf

Ecuacin 4 - 16

Ecuacin 4 - 14

donde, QDT = Caudal de diseo para cada tramo (m3/s). QMHf = Caudal mximo horario final (m3/s). QINF = Caudal por infiltraciones (m3/s). QCEf = Caudal por conexiones erradas final (m3/s). Si el sistema de alcantarillado es solamente de agua residual, el caudal de diseo se debe determinar mediante la Ecuacin 4-16 y en caso de que sea menor a 1.5 L/s, se debe utilizar este valor como caudal de diseo. Para sistemas de alcantarillado combinado el caudal de diseo se establece en el Numeral 6.1.1 de esta Gua. Como ejemplo, el caudal de diseo de aguas residuales para el rea tributaria del tramo T41 se calcula de la siguiente manera, como se muestra en la ecuacin 4-17 En la Tabla 4-2 se muestran los caudales de agua residual de acuerdo con el tipo de contribucin y el caudal de diseo de aguas residuales de la red de Prado Centro.2

donde, AP = rea tributaria propia del tramo en ha. Para estimar el caudal de infiltracin del tramo T41, se tiene que su rea tributaria es de 0.77 hectreas, por lo tanto su caudal de infiltracin ser:QINF = 0.2 l/s 0.77 ha = 0.154l / s ha

Ecuacin 4 - 15

De igual modo se realiza el clculo para los tramos restantes.

4.9 CLCULO DEL CAUDAL DE AGUAS RESIDUALES POR CONEXIONES ERRADASEl caudal correspondiente a las conexiones erradas de una red de alcantarillado debe determinarse de acuerdo con el Numeral 5.2.3.5 de la norma. Para

Fuente: Gravity Sanitary Sewer Design and Construction, ASCE Manuals And Reports On Engineering Practice N60, 1982.

26


Q DT = QMHf + QINF + QCEf = 1.87 + 0.154 + 0 = 2.02 L / s

Ecuacin 4 - 17

Tabla 42 Determinacin del caudal de diseo de aguas residuales para cada tramo de la red de Prado Centro

TramoT1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 T11 T12 T13 T14 T15 T16 T17 T18 T19 T20 T21 T22 T23 T24 T25 T26 T27 T28 T29 T30 T31 T32 T33 T34 T35

QD (L/s)1.101 1.260 1.429 1.690 1.759 1.782 2.019 2.066 2.114 2.781 0.214 0.020 0.046 0.046 4.805 5.180 5.398 5.812 5.812 6.167 6.167 6.639 6.654 6.670 6.827 6.903 0.189 0.023 0.064 0.119 0.039 0.249 0.032 0.134 0.213

Qc (L/s)0.002 0.009 0.048 0.192 0.215 0.232 0.232 0.232 0.232 0.492 0.144 0.000 0.007 0.007 0.034 0.089 0.178 0.204 0.204 0.209 0.209 0.429 0.429 0.429 0.446 0.446 0.000 0.006 0.047 0.089 0.020 0.026 0.000 0.000 0.000

QI (L/s)0.021 0.021 0.021 0.021 0.021 0.021 0.021 0.021 0.021 0.027 0.000 0.000 0.000 0.000 0.024 0.029 0.029 0.029 0.029 0.033 0.033 0.033 0.033 0.033 0.033 0.033 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000

QOF (L/s)0.000 0.000 0.000 0.012 0.013 0.013 0.013 0.013 0.013 0.014 0.012 0.000 0.001 0.001 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000

QESP (L/s)0.025 0.025 0.051 0.051 0.124 0.195 0.211 0.216 0.221 0.309 0.000 0.000 0.001 0.001 0.154 0.172 0.334 0.343 0.343 0.360 0.360 0.748 0.748 0.748 0.748 0.748 0.011 0.032 0.038 0.144 0.009 0.009 0.000 0.066 0.201

QMD (L/s)1.148 1.315 1.548 1.965 2.132 2.243 2.496 2.548 2.601 3.623 0.369 0.020 0.057 0.057 5.017 5.471 5.939 6.388 6.388 6.768 6.768 7.848 7.864 7.879 8.053 8.130 0.200 0.062 0.149 0.351 0.068 0.285 0.032 0.200 0.414

F3.66 3.63 3.58 3.52 3.50 3.49 3.46 3.45 3.45 3.37 3.98 4.92 4.57 4.57 3.29 3.27 3.25 3.23 3.23 3.22 3.22 3.18 3.18 3.18 3.18 3.17 4.16 4.54 4.25 4.00 4.50 4.06 4.76 4.16 3.95

QMH (L/s)4.08 4.62 5.24 6.23 6.53 6.67 7.46 7.62 7.78 10.20 1.01 0.10 0.22 0.22 16.01 17.21 18.07 19.35 19.35 20.43 20.43 22.33 22.38 22.42 22.90 23.13 0.80 0.15 0.36 0.71 0.20 1.05 0.15 0.62 1.04

AP ( ha)1.97 2.54 2.88 3.82 4.70 4.78 5.39 5.46 5.52 6.84 0.56 0.14 0.50 0.50 8.01 8.93 10.56 11.92 11.92 12.61 12.61 14.68 14.71 14.79 15.17 15.30 0.56 0.30 0.56 1.28 0.26 1.00 0.18 0.68 0.97

QINF (L/s)0.39 0.51 0.58 0.76 0.94 0.96 1.08 1.09 1.10 1.37 0.11 0.03 0.10 0.10 1.60 1.79 2.11 2.38 2.38 2.52 2.52 2.94 2.94 2.96 3.03 3.06 0.11 0.06 0.11 0.26 0.05 0.20 0.04 0.14 0.19

QRES (L/s)4.47 5.13 5.82 6.99 7.47 7.63 8.54 8.71 8.88 11.57 1.12 0.13 0.32 0.32 17.61 19.00 20.18 21.73 21.73 22.96 22.96 25.26 25.32 25.38 25.94 26.19 0.91 0.20 0.47 0.96 0.26 1.25 0.19 0.76 1.24

27


TramoT36 T37 T38 T39 T40 T41 T43 T44 T45 T46 TA1 TA2 TA3 TA4 TA5 TA6 TA7 TA8 TA9 TA10 TA11 TA12 TA13 TA14 TA15 TA16 TA17 TA18 TA19.1 TA19.2 TA20 TA21 TA22

QD (L/s)0.242 0.378 0.378 0.000 0.009 0.409 0.154 0.189 0.267 1.690 6.903 10.229 10.229 10.229 10.229 10.229 10.229 10.274 10.522 10.523 10.569 10.569 10.763 10.982 13.360 13.360 13.360 13.360 0.000 0.000 0.045 0.218 3.326

Qc (L/s)0.217 0.219 0.219 0.187 0.212 0.232 0.002 0.002 0.011 0.192 0.446 0.618 0.618 1.346 1.346 1.346 1.346 1.413 1.571 1.578 1.653 1.653 1.705 2.034 2.539 2.914 2.914 2.914 0.000 0.000 0.075 0.220 0.172

QI (L/s)0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.005 0.000 0.000 0.000 0.021 0.033 0.046 0.046 0.138 0.138 0.138 0.138 0.142 0.165 0.170 0.170 0.170 0.267 0.267 0.280 0.280 0.280 0.280 0.000 0.000 0.000 0.000 0.013

QOF (L/s)0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.001 0.000 0.000 0.000 0.012 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.001 0.001 0.001 0.001 0.001 0.000 0.000 0.000 0.001 0.000

QESP (L/s)0.309 0.388 0.388 0.035 0.078 0.083 0.000 0.000 0.013 0.051 0.748 0.870 0.870 0.870 4.237 4.237 4.237 4.237 4.254 4.254 4.254 4.254 4.254 4.254 4.254 4.254 4.254 4.254 0.000 0.000 0.000 0.000 0.123

QMD (L/s)0.768 0.985 0.985 0.222 0.298 0.730 0.156 0.191 0.291 1.965 8.130 11.763 11.763 12.584 15.950 15.950 15.950 16.065 16.512 16.524 16.645 16.645 16.990 17.537 20.434 20.809 20.809 20.809 0.000 0.000 0.121 0.439 3.633

F3.77 3.70 3.70 4.13 4.04 3.79 4.24 4.18 4.05 3.52 3.17 3.09 3.09 3.07 3.02 3.02 3.02 3.02 3.01 3.01 3.01 3.01 3.01 3.00 2.97 2.96 2.96 2.96 0.00 0.00 4.32 3.93 3.37

QMH (L/s)1.44 2.01 2.01 0.22 0.32 1.87 0.66 0.79 1.10 6.23 23.13 33.12 33.12 33.79 36.61 36.61 36.61 36.80 37.69 37.70 37.89 37.89 38.58 39.49 46.69 47.02 47.02 47.02 0.00 0.00 0.27 1.08 11.50

AP ( ha)1.66 1.92 1.92 0.28 0.47 0.77 0.16 0.25 0.55 3.82 15.30 25.01 28.11 28.91 29.46 30.17 30.32 31.02 32.08 32.23 32.23 32.98 33.42 34.94 36.18 36.91 36.91 36.91 0.00 0.00 0.75 1.13 9.71

QINF (L/s)0.33 0.38 0.38 0.06 0.09 0.15 0.03 0.05 0.11 0.76 3.06 5.00 5.62 5.78 5.89 6.03 6.06 6.20 6.42 6.45 6.45 6.60 6.68 6.99 7.24 7.38 7.38 7.38 0.00 0.00 0.15 0.23 1.94

QRES (L/s)1.77 2.39 2.39 0.28 0.42 2.02 0.69 0.84 1.22 6.99 26.19 38.13 38.75 39.57 42.51 42.65 42.68 43.00 44.10 44.14 44.34 44.49 45.27 46.48 53.93 54.40 54.40 54.40 0.00 0.00 0.42 1.31 13.44

A continuacin se describe el contenido de cada una de las columnas que conforman la Tabla 4-2. Columna 1: Identificador del tramo. Columna 2: Caudal de agua residual domstica aportado por el rea tributaria de cada tramo (L/s). Columna 3: Caudal de agua residual comercial aportado por el rea tributaria de cada tramo (L/s)..

28


Columna 4: Caudal de agua residual industrial aportado por el rea tributaria de cada tramo (L/s). Columna 5: Caudal de agua residual oficial aportado por el rea tributaria de cada tramo (L/s). Columna 6: Caudal de agua residual especial aportado por el rea tributaria de cada tramo (L/s). Columna 7: Caudal medio diario de aguas residuales resultado de la suma de las columnas 2 a 6 (Ecuacin 4-7) (L/s). Columna 8: Factor de mayoracin de las aguas residuales domsticas calculado con la Ecuacin 4-10 a partir de la columna 7 (L/s). Columna 9: Caudal mximo horario de aguas residuales calculado con la Ecuacin 4-9 a partir de las columnas 2 a 6 (L/s). Columna 10: rea tributaria acumulada de cada tramo (ha). Columna 11: Caudal de infiltracin calculado a partir del rea tributaria propia en cada tramo (Columna 10) con la Ecuacin 4-14 (L/s). Columna 12: Caudal total de aguas residuales en cada tramo calculado a partir de las columnas 9 y 11 con la Ecuacin 4-16 (L/s).

29



Captulo 5 CAUDAL DE AGUAS LLUVIASPara la estimacin de los caudales de diseo de aguas lluvias el diseador deber utilizar el mtodo racional siempre y cuando el rea de drenaje sea menor a 80 hectreas y se cumpla con las restricciones expresadas en el Numeral 6.2.4.1 de la norma. En este mtodo se determinan los caudales mximos a partir del tiempo de concentracin del rea de drenaje y la relacin que ste tiene con diferentes perodos de retorno para estimar la intensidad media del evento de precipitacin de diseo. Adicionalmente, se tiene en cuenta un coeficiente de escorrenta de acuerdo con el tipo de suelo y del uso que se le est dando al mismo. Por medio de la Ecuacin 5-1 se puede calcular el caudal mximo de aguas lluvias de acuerdo con el mtodo racional.Q = CiA

permeabilidad de la zona, de la pendiente del terreno y de todos aquellos otros factores que determinan qu parte de la precipitacin se convierte en escorrenta. Tambin se deben tener en cuenta las consideraciones expuestas en el Numeral 6.2.7 de la norma. El diseador debe hacer uso de los coeficientes de impermeabilidad que se presentan en la Tabla 5-1.Tabla 5 1 Coeficientes de impermeabilidad

Ecuacin 5 - 1

donde, Q = Caudal mximo de aguas lluvias (L/s). C = Coeficiente de escorrenta (adimensional). i = Intensidad de precipitacin (L/s/ha). A = rea tributaria (ha). El coeficiente de escorrenta tiene en cuenta el coeficiente de impermeabilidad que est relacionado con el tipo de superficie del rea de drenaje, adems de involucrar la pendiente promedio de la cuenca de drenaje como se muestra en la Ecuacin 5-2.C = 0.14 + 0.65 * I + 0.05 * S

Tipo de superficie Cubiertas Pavimentos asflticos y superficies de concreto Vas adoquinadas Zonas comerciales o industriales Residencial, con casas contiguas, predominio de zonas duras Residencial multifamiliar, con bloques contiguos y zonas duras entre stos Residencial unifamiliar, con casas contiguas y predominio de jardines Residencial, con casas rodeadas de jardines o multifamiliares apreciablemente separados Residencial, con predominio de zonas verdes y parques-cementerios Laderas sin vegetacin Laderas con vegetacin Parques recreacionales

I 0.90 0.90 0.85 0.90 0.75 0.75 0.60 0.45

0.30 0.60 0.30 0.30

Ecuacin 5 - 2

donde, I = Coeficiente de impermeabilidad (adimensional). S = Pendiente promedio del rea tributaria (m/m). El coeficiente de impermeabilidad, I, es funcin del tipo del suelo de la cuenca, del grado de

Para calcular la intensidad de la precipitacin es necesario determinar el tiempo de concentracin, el cual es funcin de los tiempos de entrada y de trnsito. Para el primer tramo, el tiempo de entrada corresponde al tiempo que toma el flujo superficial en viajar desde la parte ms alejada del rea tributaria hasta el punto de entrada o hasta el

31


sumidero ms cercano de la red, y el tiempo de trnsito al recorrido del flujo en el tramo. Para el segundo tramo, el tiempo de entrada es igual al tiempo de concentracin del tramo anterior y as sucesivamente. En el caso de confluencia de varios tramos a una cmara de inspeccin, para el siguiente tramo se toma como tiempo de concentracin el de mayor valor. Adicionalmente, se deben tener en cuenta los requisitos establecidos en el Numeral 6.2.8 de la norma.TC = Te + Tt

donde, Tt = Tiempo de recorrido (min). L = Longitud de tramo de red (m). v = Velocidad media del flujo (m/s). Por ltimo, para la estimacin de la intensidad media de la Ecuacin 5-1 se utiliza la curva de intensidadduracin-frecuencia (IDF) de la estacin ms cercana a la zona de proyecto. El perodo de retorno que se debe utilizar para estimar la intensidad media de precipitacin depende del tipo de proyecto diseado de acuerdo con lo expresado en el Numeral 6.2.2 de la norma.

Ecuacin 5 - 3

donde, TC = Tiempo de concentracin (min). Te = Tiempo de entrada (min). Tt = Tiempo de recorrido (min). Para el clculo del tiempo de entrada se utiliza la ecuacin de la FAA3 de los Estados Unidos como se muestra en la Ecuacin 5-4.

5.1 CLCULO DEL CAUDAL DE AGUA LLUVIAPara el clculo del caudal de agua lluvia tributaria a un tramo el diseador debe realizar el siguiente procedimiento: - Paso 1. Suponer un valor de la velocidad media en el tramo. - Paso 2. Calcular el tiempo de recorrido de acuerdo con la Ecuacin 5-5. - Paso 3. Calcular el tiempo de entrada utilizando la Ecuacin 5-4. - Paso 4. Calcular el tiempo de concentracin de acuerdo con la Ecuacin 5-3. - Paso 5. Con el valor del tiempo de concentracin, calcular la intensidad de lluvia utilizando las curvas de IDF y el perodo de retorno de diseo. - Paso 6. Calcular el coeficiente de escorrenta por medio de la Ecuacin 5-2. - Paso 7. Calcular el caudal utilizando la Ecuacin 5-1. - Paso 8. Calcular el dimetro de la tubera del tramo de acuerdo con el diagrama de flujo establecido en el Numeral 6.1 de la Gua.

Te =

0.707( .1 I) L 1 S 1/ 3

Ecuacin 5 - 4

donde, Te = Tiempo de entrada (min). T = Coeficiente de impermeabilidad (adimensional). L = Longitud mxima de flujo de escorrenta superficial (m). S = Pendiente promedio entre punto ms alejado y el punto de entrada a la red (m/m). Para la estimacin del tiempo de recorrido se utiliza la siguiente expresin que es funcin de la velocidad media de flujo en cada tramo.

Tt =

L 60v

Ecuacin 5 - 5

3

FAA: Federal Aviation Administration.

32


- Paso 9. Con el valor del caudal (paso 7) y el dimetro del tramo (paso 8), calcular la velocidad en el tramo y comparar con el valor supuesto en el paso 1. Si estos valores tienen una diferencia superior o igual al 1%, el proceso iterativo se vuelve a iniciar utilizando como velocidad la ltima calculada. Sin embargo, si el tiempo de concentracin mnimo en las cmaras iniciales es inferior a 3 minutos, se debe adoptar como tiempo de concentracin 3 minutos. Por otro lado, el tiempo de concentracin mximo debe ser 15 minutos. Para ilustrar el procedimiento antes descrito se tomar como ejemplo dos tramos de la red de Prado Centro. El primero un arranque y el segundo su continuidad. En primer lugar se tiene el Tramo T1, la forma y caractersticas del rea tributaria se presentan la Figura 5-1.

Figura 51: rea tributaria del tramo T1

De acuerdo con el Captulo 3 y la Figura 5-1 las reas tributarias que llegan al Tramo 1 son la 29, 30 y 32. Al realizar las mediciones en el plano se tiene que la longitud mxima de flujo de escorrenta superficial es de 215.1 metros y que la pendiente promedio del recorrido de esa lnea es de 8.9 %. Suponiendo una velocidad media de flujo en el Tramo T1 de 5 m/s y sabiendo que la longitud del tramo es de 72.93 metros, el tiempo de recorrido es: Ecuacin 5 - 6

Tt =

72.93 = 0.243 min 60 5

Para determinar el tiempo de entrada se utiliza un coeficiente de impermeabilidad de 0.75 correspondiente a zonas residenciales multifamiliares con casas contiguas predominadas de zonas impermeables y los valores de longitud y pendiente del rea tributaria establecidos antes, ecuacin 5-7.

Te =

0.707 ( .1 0.75) 215.1 1 = 8.129 min 0.0891 / 3

Ecuacin 5 - 7

Entonces el tiempo de concentracin ser, como se muestra en la ecuacin 5-8.TC = 0.243 min + 8.129 min = 8.372 min

Ecuacin 5 - 8

Como se mencion en el Numeral 3.1.2 el perodo de retorno que se debe utilizar en el diseo de la red de Prado Centro es de 10 aos. Para la estacin de la Planta Villa Hermosa la ecuacin que describe la curva IDF para este perodo de retorno es:

33


i (mm / h) =

(16 + Tc(min))0.9946

3483.1

Ecuacin 5 - 9

Con la ecuacin de la curva IDF de la estacin Planta Villa Hermosa se calcula la intensidad promedio como:

i=

(16 + 8.372)

3483.1

0.9946

= 145.4mm / h = 403.9

L/s ha

Ecuacin 5 - 10

Se usa el factor 100/36 para convertir la intensidad expresada en mm/h a L/s/ha. El coeficiente de escorrenta se calcula mediante la siguiente expresin:

C = 0.14 + 0.65 * 0.75 + 0.05 * 0.089 = 0.632

Ecuacin 5 - 11

El rea total de este tramo es de 1.97 hectreas de acuerdo con la Tabla 3-3, por lo tanto el caudal de agua lluvia ser:Q = CiA = (0.632 ) 403.9 L/s (1.97 ha) = 502.9 L / s ha

Ecuacin 5 - 12

Para determinar la velocidad de flujo del tramo, primero se estable la profundidad normal de acuerdo con la siguiente expresin que relaciona el caudal que pasa por la tubera, bajo la condicin de flujo uniforme, como funcin de la rugosidad absoluta de la tubera, del radio hidrulico de la seccin transversal, de la viscosidad cinemtica del agua y de la pendiente del tramo.2 A 8 gRS o log10 ks 14.8R 2.51 4 R 8 gRS o

Q

Ecuacin 5 - 13

donde, Q = Caudal del flujo (m3/s). R = Radio hidrulico (m). A = rea mojada transversal (m2). So = Pendiente longitudinal del tramo. = Viscosidad cinemtica (m2/s) Una vez se tiene la profundidad normal, la velocidad de flujo se calcula mediante las siguientes tres ecuaciones: = + 2arcsen yn d / 2 d /2

Ecuacin 5 - 14

34


A=

d2 ( Sen()) 8

Ecuacin 5 - 15

v=

Q A

Ecuacin 5 - 16

Para el caso especfico del tramo 1 que tiene una pendiente de 6.18% se sigui el diagrama de flujo de diseo establecido en el Numeral 6.1 requirindose una tubera de PVC de 16 de dimetro nominal (0.362 metros de dimetro interno). Utilizando la Ecuacin 5-13 se determina la profundidad normal como:0.5029 = 2 A( y n ) 4.85 R( y n )log10 1.5 * 10 6 2.51* 1.14*10 6 + 14.8 R( y n ) 4 R( y n ) 4.85 R( y n )

Ecuacin 5 - 17

Al resolver la ecuacin se obtiene una profundidad normal de 0.236 metros. Utilizando la Ecuacin 5-14, la Ecuacin 5-15 y la Ecuacin 4-15 se determina la velocidad de flujo como:

= + 2arcsen

0.236 0.181 = 215.38 o 3.759rad 0.181

Ecuacin 5 - 18

A=

(0.362)2 (3.759 Sen(215.38)) = 0.071m 280.5029m 3 / s v= = 7.08m / s 0.071m 2

Ecuacin 5 - 19

Ecuacin 5 - 20

Teniendo en cuenta que la relacin entre el tiempo de trnsito asumido y el tiempo de trnsito final, (tta / ttf ), debe estar en un rango de 0.99 y 1.01, se procede a chequear con el valor obtenido al desarrollar la Ecuacin 5-20. Como la velocidad final difiere en un 29% con respecto a la velocidad supuesta, se debe reiniciar el procedimiento antes descrito desde el paso 1. En la Tabla 5-2 se presenta el resumen de las iteraciones realizadas para encontrar el caudal de agua lluvia del tramo 1.Tabla 52 Clculo del caudal de agua lluvia del tramo T1

Velocidad supuesta [ m/s ] 5.00 7.08

Tiempo de recorrido [ min ] 0.243 0.172

Tiempo de entrada [ min ] 8.129 8.129

Tiempo de concentracin [ min ] 8.372 8.300

Intensidad media [ L/s/ha ] 403.9 405.1

Caudal de agua lluvia [ L/s ] 502.8 504.3

Velocidad final [ m/s ] 7.08 7.06

35


Del proceso iterativo de la Tabla 5-2 se llega a que el tiempo de concentracin en el Tramo 1 es de 8.30 minutos, dado que el porcentaje de error entre la velocidad supuesta y la velocidad final es de 0.28 % que es inferior al 1% establecido en la norma. Para el segundo tramo el tiempo de entrada es igual al tiempo de concentracin del Tramo 1. Y de la misma manera se realiza todo el procedimiento para determinar el caudal de agua lluvia. Suponiendo una velocidad media de flujo en el Tramo T2 de 5 m/s y sabiendo que la longitud del tramo es de 6.01 metros y la pendiente del tramo es de 4.66%, el tiempo de recorrido es:

Tt =

6.01 = 0.02 min 60 5

Ecuacin 5 - 21

Entonces el tiempo de concentracin ser:TC = 0.02 min + 8.30 min = 8.32 min

Ecuacin 5 - 22

Con la ecuacin de la curva IDF de la estacin Planta Villa Hermosa se calcula la intensidad promedio como:

i=

(16 + 8.32)

3483.10.9946

= 145.7 mm / h = 404.7

L/s ha

Ecuacin 5 - 23

El coeficiente de escorrenta se calcula mediante la siguiente expresin:

C = 0.14 + 0.65 * 0.75 + 0.05 * 0.0466 = 0.63

Ecuacin 5 - 24

El rea total de este tramo es de 2.54 hectreas de acuerdo con la Tabla 3-3, por lo tanto el caudal de agua lluvia ser:Q = CiA = (0.63) 404.7 L/s (2.54ha) = 647.6 L / s ha

Ecuacin 5 - 25

En el caso del Tramo 2 se sigui el diagrama de flujo de diseo establecido en el Numeral 6.1 requirindose una tubera de PVC de 20 de dimetro nominal (0.452 metros de dimetro interno). Utilizando la Ecuacin 5-13 se determina la profundidad normal as:0.647*6 = 2 A( y n) 3.66 *R( y n )log10 1.5 * 10 6 2.51*1.14*10 6 + 14.8 R(y n ) 4 R( y n ) 3.66 * R( y n )

Ecuacin 5 - 26

Al resolver la ecuacin se obtiene una profundidad normal de 0.262 metros. Utilizando la Ecuacin 5-14, la Ecuacin 5-15 y la Ecuacin 4-15 se determina la velocidad de flujo como:

36


= + 2arcsen

0.262 0.226 = 198.33 o 3.462rad 0.226

Ecuacin 5 - 27

(0.452)2 (3.462 Sen(198.33)) = 0.0964m 2 A=8v= 0.6476m 3 / s = 6.72m / s 0.0964m 2

Ecuacin 5 - 28

Ecuacin 5 - 29

Como la velocidad final difiere en un 26% con respecto a la velocidad supuesta se debe reiniciar el procedimiento antes descrito. En la Tabla 5-3 se presenta el resumen de las iteraciones realizadas para encontrar el caudal de agua lluvia del Tramo 2.Tabla 53 Clculo del caudal de agua lluvia del tramo T2

Velocidad supuesta [ m/s ] 5.00 6.72

Tiempo de recorrido [ min ] 0.020 0.015

Tiempo de entrada [ min ] 8.300 8.300

Tiempo de concentracin

[ min ] 8.320 8.315

Intensidad media [ L/s/ha ] 404.7 404.8

Caudal de agua lluvia [ L/s ] 647.5 647.6

Velocidad final [ m/s ] 6.72 6.72

5.2 CAUDALES DE DISEODe la misma manera que se calcularon los caudales de agua lluvia de los Tramos 1 y 2 se procede a determinar los caudales de agua lluvia de los dems tramos que conforman la red de Prado Centro. En la Tabla 5-4 se presentan los caudales de agua lluvia de acuerdo con el procedimiento establecido en el numeral anterior:Tabla 5 4 Caudales de diseo de aguas lluvias para la red de Prado Centro

Tramo T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8

QLLU (m3/s) 0.503 0.643 0.728 0.955 1.181 1.201 1.343 1.355

Tramo T24 T25 T26 T27 T28 T29 T30 T31

QLLU (m3/s) 2.977 3.027 3.056 0.112 0.063 0.118 0.266 0.066

Tramo TA1 TA2 TA3 TA4 TA5 TA6 TA7 TA8

QLLU (m3/s) 4.211 4.218 5.619 5.775 5.879 6.022 6.051 6.192

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Tramo T9 T10 T11 T12 T13 T14 T15 T16 T17 T18 T19 T20 T21 T22 T23

QLLU (m3/s) 1.369 1.689 0.130 0.041 0.145 0.145 1.604 1.792 2.118 2.388 2.382 2.518 2.518 2.938 2.950

Tramo T32 T33 T34 T35 T36 T37 T38 T39 T40 T41 T43 T44 T45 T46

QLLU (m3/s) 0.254 0.049 0.186 0.262 0.445 0.511 0.511 0.083 0.136 0.218 0.041 0.063 0.137 0.959

Tramo TA9 TA10 TA11 TA12 TA13 TA14 TA15 TA16 TA17 TA18 TA19.1 TA19.2 TA20 TA21 TA22

QLLU (m3/s) 6.405 6.434 6.434 6.476 6.564 6.863 6.863 6.864 6.860 0.000 6.860 6.860 0.056 0.238 0.000

38


Captulo 6 DISEO HIDRULICO DE LA RED DE ALCANTARILLADOLa norma establece un procedimiento de diseo que comprende el predimensionamiento de las tuberas de la red a travs de las ecuaciones de flujo uniforme, la inclusin de prdidas menores en el diseo de cmaras de inspeccin y de cada, y la comprobacin de la lnea de gradiente hidrulico y energa total dentro de cada tramo de alcantarillado para verificar sobrecargas y formacin de resaltos hidrulicos. Antes de proceder con el diseo, el ingeniero diseador debe comprender y analizar la informacin disponible sobre el sitio, usuarios, redes existentes, etc., con el fin de modelar el sistema de la manera ms coherente posible con las condiciones de operacin del prototipo.Q = 2 A 8 gRS log10

La informacin especfica de la zona del proyecto es la que le permite al diseador conocer las caractersticas especiales de su modelo y tomar la decisin de incluir elementos especiales como aliviaderos, estaciones de bombeo, cmaras de cada y/o dispositivos de almacenamiento.

6.1 DISEO TRAMO A TRAMOLa ecuacin que determina la capacidad de una tubera trabajando parcialmente llena de acuerdo con la norma es la que combina las ecuaciones de Darcy-Weisbach y Colebrook White y relaciona el caudal que pasa por tal tubera bajo condicin de flujo uniforme como funcin de la rugosidad absoluta de la tubera, del radio hidrulico de la seccin transversal, de la viscosidad cinemtica del agua y de la pendiente longitudinal del trazado.

ks 2.51 + 14.8 R 4 R 8 gRS

Ecuacin 6 - 1

donde, Q = Caudal del flujo (m3/s). ks = Rugosidad absoluta de la tubera (m). R = Radio hidrulico (m). A = rea mojada transversal (m2). So = Pendiente longitudinal del tramo (m/m). = Viscosidad cinemtica (m2/s). La ecuacin anterior permite calcular el dimetro mnimo necesario para alcanzar una capacidad de descarga igual o mayor que el caudal de diseo especificado, cumpliendo a la vez con el criterio de profundidad mxima. Una vez se ha determinado el menor dimetro interno comercial del material escogido cuya capacidad iguale o exceda el caudal de diseo se deben establecer las caractersticas normales

Tales caractersticas de flujo deben compararse con los parmetros correspondientes que rigen el diseo de la normativa aplicable a cada tipo de alcantarillado en particular; entre ellas se incluye la profundidad normal de flujo, la velocidad media, el porcentaje del caudal a tubo lleno, la profundidad hidrulica y el nmero de Froude. Adicionalmente se debe revisar que no se infrinjan restricciones de diseo independientes a las hidrulicas, entre ellas las condiciones geotcnicas las cuales estn directamente relacionadas con la profundidad de excavacin. Es posible representar el algoritmo iterativo que se realiza en el diseo de tramos de alcantarillado bajo flujo uniforme en esquemas como el de la Figura 6 -1.

39


Figura 6 1: Diagrama de flujo para el diseo bajo flujo uniforme

6.1.1 CAUDALES DE DISEOUna vez se han determinado los caudales de aguas residuales y aguas lluvias como se mostr en los Captulos 4 y 5, se suman para determinar el caudal de diseo de cada tramo. Por ejemplo para el Tramo TA9 el caudal de agua residual es de 44.1 l/s (0.044 m3/s) de acuerdo con la Tabla 4-2 mientras que el caudal de aguas lluvias es de 6.405 m3/s de acuerdo con la Tabla 5-4; por lo tanto el caudal de diseo de este tramo

es de 6.449 m3/s como se muestra en la Tabla 6-1. De manera similar se calculan los caudales de diseo para todos los tramos de la red de Prado Centro.

6.1.2 DETERMINACIN DE DIMETROSEl siguiente paso en el diseo tramo a tramo es encontrar el dimetro real interno del conjunto de tramos que conforman la red y que permitan transportar el caudal de diseo establecido en la Tabla 6-1. Para esto se debe definir la base de dimetros de acuerdo con los materiales que

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Gua para el Diseo Hidrulico de Redes de AlcantarilladoTabla 6 1 Caudales de diseo para sector prado

TramoT1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 T11 T12 T13 T14 T15 T16 T17 T18 T19 T20 T21 T22 T23

QDISEO (m3/s)0.508 0.648 0.734 0.962 1.189 1.209 1.352 1.364 1.378 1.701 0.131 0.041 0.145 0.145 1.622 1.811 2.138 2.410 2.404 2.541 2.541 2.963 2.975

TramoT24 T25 T26 T27 T28 T29 T30 T31 T32 T33 T34 T35 T36 T37 T38 T39 T40 T41 T43 T44 T45 T46

QDISEO (m3/s)3.002 3.053 3.082 0.113 0.063 0.119 0.267 0.066 0.255 0.049 0.187 0.263 0.447 0.513 0.513 0.083 0.136 0.220 0.042 0.064 0.138 0.966

TramoTA1 TA2 TA3 TA4 TA5 TA6 TA7 TA8 TA9 TA10 TA11 TA12 TA13 TA14 TA15 TA16 TA17 TA18 TA19.1 TA19.2 TA20 TA21 TA22

QDISEO (m3/s)4.237 4.256 5.658 5.815 5.922 6.065 6.094 6.235 6.449 6.478 6.478 6.521 6.609 6.910 6.917 6.918 6.914 0.054 6.860 6.860 0.056 0.239 0.013

puedan ser utilizados en el diseo de la red de alcantarillado, teniendo en cuenta las limitaciones que pueda tener en la fase de construccin, como por ejemplo longitud controlada. En el caso de las redes de alcantarillado de la ciudad de Medelln y de los municipios atendidos por EPM los materiales que comnmente se utilizan son PVC, GRP y Concreto; para estos tres materiales se deben seguir las especificaciones tcnicas descritas en las normas Incontec e internacionales que se relacionan en el Numeral 4.2.6 de la norma. La base de dimetros que se va a considerar para el diseo es la que se presenta en la Tabla 6-2.

Una vez se tiene la base de dimetros se procede a encontrar el dimetro de la tubera que permita transportar el caudal de diseo establecido en los captulos anteriores. Tomando como ejemplo el diseo del Tramo TA17 el cual tiene una longitud de 38.31 metros, una pendiente de 0.00143, un caudal de diseo de 6.914 m3/s y en el que se utilizar GRP como material de las tuberas con un ks de 0.03 mm.

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Gua para el Diseo Hidrulico de Redes de AlcantarilladoTabla 62 Base de dimetros para el diseo

Dimetro comercial 10 12 14 16 18 20 24 27 30 36 40 42 44 48 52 54 56 60 64 68 72

Dimetro real interno en PVC 0.227 m 0.284 m 0.362 m 0.407 m 0.452 m 0.595 m 0.671 m 0.747 m 0.899 m 1.051 m 1.203 m 1.295 m 1.353 m 1.507 m -

Dimetro real interno en GRP 0.250 m 0.300 m 0.350 m 0.400 m 0.450 m 0.500 m 0.600 m 0.700 m 0.800 m 0.900 m 1.000 m 1.200 m 1.400 m 1.600 m 1.800 m

Dimetro real interno en Concreto 0.250 m 0.300 m 0.350 m 0.400 m 0.450 m 0.500 m 0.600 m 0.700 m 0.800 m 0.900 m 1.000 m 1.100 m 1.200 m 1.300 m 1.400 m 1.500 m 1.600 m 1.700 m 1.800 m

El primer paso es escoger la relacin entre la profundidad de flujo y el dimetro de la tubera, que para este caso el valor es de 0.70 porque el dimetro inicial (250 mm) a utilizar es menor de 500 mm; esta relacin se escoge de acuerdo con el Numeral 6.2.19 de la norma. Con esta relacin se determina el ngulo subtendido entre el centro de la seccin transversal y los puntos de contacto entre la superficie libre y la circunferencia de la tubera, as: = + 2arcsen yn d / 2 d /2

0.7 d d / 2 = + 2arcsen = 3.965rad d /2

Ecuacin 6 - 2

Calculado el ngulo antes descrito se procede a escoger el primer dimetro de la base de dimetros (0.250 metros) para calcular las caractersticas geomtricas de la tubera como el rea, el permetro y el radio hidrulico como se muestra en las siguientes tres ecuaciones:

42


A=

d2 ( Sen()) 8

(0.25m )2 (3.965 Sen(3.965)) = 0.0367m 2 A=8

Ecuacin 6 - 3

1 P = d 2 P= 1 3.965rad 0.25m = 0.496m 2R= A P

Ecuacin 6 - 4

R=

0.0367 m 2 = 0.074m 0.496m

Ecuacin 6 - 5

Con las caractersticas geomtricas de la tubera, la rugosidad, pendiente de la misma y la viscosidad cinemtica del agua se puede determinar el caudal que puede transportar esa tubera con una relacin de profundidad normal de 0.7 veces el dimetro, como:Q = 2 A 8 gRS log10 ks 2.51 + 14.8R 4 R 8 gRS o1.5 * 10 6 2.51*1.14 * 10 6 + 14.8*0.074 4*0.074 8*9.81*0.074*0.00143

Ecuacin 6 - 6

Q = 2 *0.0367 8*9.81*0.074*0.00143 * log 10 Q = 0.026m 3 / s

Este caudal de 0.026 m3/s es menor que el caudal de diseo de 6.914 m3/s, por lo tanto se debe utilizar un dimetro mayor. Para los siguientes dimetros reales internos se realiz el mismo procedimiento hasta encontrar el dimetro que permita transportar el caudal de diseo. En la Tabla 6-3 se muestran los resultados. Una vez se ha determinado el dimetro de la tubera que puede transportar el caudal de diseo, se debe encontrar la profundidad normal de flujo para dicho caudal. En la Tabla 6-4 se presenta el resumen de los clculos realizados. Para determinar la profundidad normal de flujo correspondiente al caudal de diseo, se establece una profundidad normal inicial pequea y se va aumentando hasta encontrar la que corresponda al caudal de diseo. La octava columna se usa para la verificacin de la profundidad, cuando se pase de un No a un S esa es la profundidad normal de flujo que debe haber en la tubera para que se pueda transportar el caudal de diseo antes especificado.

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Gua para el Diseo Hidrulico de Redes de AlcantarilladoTabla 63 Determinacin del dimetro de diseo

D (m) 0.250 0.300 0.350 0.400 0.450 0.500 0.600 0.700 0.800 0.900 1.000 1.200 1.400 1.600 1.800 2.000

Y (m) 0.175 0.210 0.245 0.280 0.315 0.400 0.480 0.560 0.640 0.720 0.850 1.020 1.190 1.360 1.530 1.700

(rad) 3.965 3.965 3.965 3.965 3.965 4.429 4.429 4.429 4.429 4.429 4.692 4.692 4.692 4.692 4.692 4.692

A (m2) 0.037 0.053 0.072 0.094 0.119 0.168 0.242 0.330 0.431 0.546 0.712 1.025 1.395 1.822 2.305 2.846

P (m) 0.496 0.595 0.694 0.793 0.892 1.107 1.329 1.550 1.771 1.993 2.346 2.815 3.285 3.754 4.223 4.692

R (m) 0.074 0.089 0.104 0.118 0.133 0.152 0.183 0.213 0.243 0.274 0.303 0.364 0.425 0.485 0.546 0.607

Q (m3/s) 0.026 0.042 0.063 0.090 0.123 0.190 0.306 0.460 0.653 0.890 1.237 1.994 2.985 4.233 5.758 7.581

Q > QD (S / No) No No No No No No No No No No No No No No No Si

Tabla 64 Determinacin de la profundidad normal de flujo para el dimetro seleccionado

D (m) 2.000 2.000 2.000 2.000 2.000 2.000 2.000

Y (m) 1.300 1.350 1.400 1.450 1.500 1.520 1.541

(rad) 3.751 3.857 3.965 4.075 4.189 4.235 4.285

A (m2) 2.162 2.256 2.349 2.439 2.527 2.562 2.597

P (m) 3.751 3.857 3.965 4.075 4.189 4.235 4.285

R (m) 0.576 0.585 0.592 0.599 0.603 0.605 0.606

Q (m3/s) 5.581 5.879 6.167 6.446 6.710 6.812 6.916

Q > QD (m3/s) No No No No No No Si

De la Tabla 6-4 se observa que el valor de profundidad normal es de 1.541 metros (y/D = 77.1 %).

6.1.3 EVALUACIN DE CRITERIOS HIDRULICOSUna vez se ha determinado cul es el dimetro y la profundidad de flujo se procede a calcular las caractersticas hidrulicas del tramo para verificar si cumple con los criterios de velocidad mnima, esfuerzo cortante mnimo, nmero de Froude y relacin y/D.

44


En primer lugar se determina el nmero de Froude para verificar que el tramo no trabaje en flujo cuasicrtico; de lo contrario es necesario variar la pendiente a fin de solucionar este inconveniente. Para determinar el nmero de Froude se debe calcular el ancho superficial y el rea de la seccin transversal, utilizando las siguientes ecuaciones:

T = d Sen

2Ecuacin 6 - 7

4.285rad T = 2.0m Sen = 1.682m 2d2 ( Sen( )) 8

A=

(2.0m )2 (4.285 Sen(4.285)) = 2.597m 2 A=8Q A gFr = 2.597m2

Ecuacin 6 - 8

Fr =

A TEcuacin 6 - 9= 0.684

6.914m 3 / s 2.597m 2 9.81m / s 1.682m2

Como el nmero de Froude no se encuentra entre el rango de 0.7 a 1.5 no hay problema por flujo cuasicrtico; por lo tanto el rgimen de flujo en este tramo ser flujo subcrtico porque el nmero de Froude es menor de 1. Luego se debe evaluar la velocidad de flujo para verificar si se encuentra en el rango permitido por norma. La velocidad se calcula como:Q 6.914m 3 / s v= = = 2.66 m / s A 2.597 m 2

Ecuacin 6 - 10

Las condiciones de velocidad en este tramo son las adecuadas de acuerdo con las especificaciones descritas en el Numeral 2.3.2 de esta gua. Por ltimo se evala el esfuerzo cortante para saber si el tramo cumple con el criterio de autolimpieza, para lo cual se utilizan las siguientes frmulas:

45


R=

d Sen 1 4

2.0m Sen(4. 285rad ) R= 1 = 0.606m 4 4.285rad = RS

Ecuacin 6 - 11

= 9.81m / s 2 1000kg / m 3 0.606m 0.00143 = 8.5 Pa

Ecuacin 6 - 12

Como el valor del esfuerzo cortante es mayor de 3 pascales el tramo diseado cumple con el criterio de autolimpieza.

6.1.4 DISEO DE LA REDDe manera similar se calcula el dimetro de cada una de los tramos que componen la red de alcantarillado de Prado Centro, como se muestra en las siguientes dos tablas 6-5 y 6-6. En cada uno de los diseos se deben verificar los criterios de velocidad mnima, esfuerzo cortante mnimo, mnima profundidad de excavacin y rgimen de flujo.Tabla 65 Caractersticas topolgicas de la red de Prado Centro

Tramo T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 T11 T12 T13 T14 T15 T16

Longitud (m) 72.93 6.01 92.25 7.75 66.25 18.81 17.58 17.62 20.52 62.93 91.52 23.51 58.21 10.05 5.62 92.32

Pendiente (-) 0.0618 0.0466 0.0841 0.0439 0.1428 0.1318 0.0421 0.0471 0.0463 0.0399 0.0140 0.0106 0.0309 0.0308 0.0872 0.1022

Rugosidad (mm) 0.0015 0.0015 0.0015 0.0015 0.0015 0.0015 0.0015 0.0015 0.0015 0.0015 0.6000 0.0015 0.6000 0.6000 0.0015 0.0015

Caudal de diseo (m3/s) 0.507 0.648 0.734 0.962 1.188 1.209 1.352 1.364 1.378 1.701 0.131 0.041 0.145 0.145 1.622 1.811

Dimetro (m) 0.362 0.452 0.452 0.595 0.595 0.595 0.595 0.595 0.595 0.595 0.350 0.284 0.300 0.300 0.595 0.595

Profundidad normal (m) 0.236 0.260 0.230 0.286 0.225 0.232 0.359 0.347 0.351 0.433 0.208 0.106 0.191 0.192 0.314 0.319

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Tramo T17 T18 T19 T20 T21 T22 T23 T24 T25 T26 T27 T28 T29 T30 T31 T32 T33 T34 T35 T36 T37 T38 T39 T40 T41 T43 T44 T45 T46 TA1 TA2 TA3 TA4 TA5 TA6 TA7

Longitud 90.79 93.73 3.99 80.72 8.67 34.79 18.84 18.77 3.57 44.53 89.87 42.88 28.65 93.62 35.67 94.42 58.95 6.08 88.49 53.52 59.05 11.71 39.86 43.67 153.15 37.78 19.75 82.99 93.54 3.15 18.15 10.84 113.62 58.88 89.71 10.77

Pendiente 0.0865 0.0775 0.0501 0.0348 0.0346 0.0776 0.0690 0.1214 0.0476 0.0631 0.0847 0.0219 0.0143 0.0228 0.0241 0.0207 0.1620 0.0444 0.0867 0.0807 0.0853 0.0863 0.0361 0.0066 0.0181 0.0289 0.0790 0.0316 0.0917 0.0222 0.0430 0.0351 0.0252 0.0160 0.0159 0.0158

Rugosidad 0.0015 0.0015 0.0015 0.0015 0.0015 0.0015 0.0015 0.0015 0.0015 0.0015 0.6000 0.6000 0.6000 0.6000 0.6000 0.6000 0.6000 0.6000 0.0015 0.0015 0.0015 0.0015 0.6000 0.0015 0.6000 0.6000 0.6000 0.6000 0.0015 0.0015 0.0015 0.0015 0.0015 0.0015 0.0015 0.0015

Caudal de diseo 2.138 2.410 2.404 2.541 2.541 2.963 2.975 3.002 3.053 3.082 0.113 0.063 0.118 0.267 0.066 0.255 0.049 0.187 0.263 0.447 0.513 0.513 0.083 0.136 0.220 0.042 0.064 0.138 0.966 4.237 4.256 5.658 5.815 5.922 6.065 6.094

Dimetro 0.595 0.595 0.671 0.747 0.747 0.747 0.747 0.747 0.747 0.747 0.250 0.250 0.350 0.400 0.250 0.400 0.250 0.300 0.362 0.362 0.362 0.362 0.250 0.362 0.400 0.250 0.250 0.300 0.452 1.051 1.051 1.051 1.051 1.203 1.203 1.203

Profundidad normal 0.377 0.431 0.455 0.496 0.497 0.412 0.430 0.358 0.501 0.454 0.133 0.142 0.193 0.257 0.142 0.257 0.069 0.201 0.141 0.197 0.211 0.211 0.144 0.220 0.243 0.102 0.096 0.184 0.266 0.632 0.508 0.652 0.758 0.810 0.825 0.831

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Tramo TA8 TA9 TA10 TA11 TA12 TA13 T

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diseño hidraulico de alcantarillado y redes hidraulicas