3. SISTEMA DE AGUA POTABLE
3.2. Diseño de los componentes del sistema de abastecimiento de agua potable
3.2.1. Captación
- Generalidades
El diseño de esta parte del sistema de agua potable debe cumplir los requerimientos establecidos por la SSA EX – IEOS.
En el presente proyecto al ser la fuente un curso superficial de agua y al comprobarse en el estudio hidrológico que no se presentaran caudales inferiores a los requeridos, se selecciona una obra de captación de derivación directa.
El caudal a ser captado es muy pequeño y considerando los niveles bajos de agua en época de estiaje se selecciona una rejilla de fondo ideal para los requerimientos antes descritos y recomendado para cauces de montaña. Además se opta por incorporar a la estructura un azud de derivación de baja altura, para elevar el nivel de captación con
Captación Desarenador Conducción Filtro lento
descendente Desinfección Tanque de almacenamiento Redes de distribución Conexiones domiciliarias
respecto a la corriente del rio y evitar el ingreso de sedimentos a la conducción, otro objeto del azud es garantizar el funcionamiento normal en la época seca del año. La obra se diseña para que a través de la misma se pueda evacuar de una forma segura el caudal de máxima crecida, sin que existan desbordes que puedan afectar a la estructura.
Se incorpora mecanismos contra el ingreso de personas y de animales al área de captación. Medidas como reforestar la microcuenca de la fuente ayudarán a incrementar la calidad y cantidad del agua.
- Ubicación
La estructura de captación se ubicará en la abscisa 0+000, coordenadas N 9533533.71 E 666296.04, a una altura de 2189.02 m.s.n.m de acuerdo al levantamiento topográfico. Ver lamina número 1 y 12, de implantación de la estructura de captación.
- Cálculo y diseño de la captación tipo rejilla de fondo
La estructura de este tipo de captación se compone por: • Azud de derivación de baja altura.
• Pozo de amortiguación. • Rejilla de fondo.
• Galería.
• Cajón de entrada y vertedor de excesos. • Tuberías y accesorios
Para el dimensionamiento hidráulico se tiene como datos de entrada el caudal a ser captado igual a 1.2 veces el caudal medio diario al final del periodo de diseño, caudales característicos del cauce en el punto de captación (caudales máximos, medios y de estiaje), así mismo condiciones topográficas y geológicas del lugar de implantación.
- Azud de derivación y pozo de amortiguación
Se adopta un vertedero estándar tipo WES desarrollado por U.S. Army Engineers Waterways Experimente Station.
Figura 3.2. Esquema general vertedero tipo WES.
Fuente: Materón Muñoz, H. (1997). Obras Hidráulicas Rurales (pp.33). Santiago de Cali: Editorial Universidad del Valle .
Figura 3.3. Dimensiones del perfil tipo WES.
Fuente: Materón Muñoz, H. (1997). Obras Hidráulicas Rurales (pp.36). Santiago de Cali: Editorial Universidad del Valle .
La ecuación para el cálculo de las coordenadas del perfil es la siguiente:
IF.hi= 2.0 ) j.hi JDonde:
I: distancia horizontal medida a partir del origen de coordenadas.
J: distancia vertical medida a partir del origen de coordenadas.
) : altura del agua sobre la cresta del vertedero, en metros.
)*: carga de velocidad, en metros.
)+: carga total sobre la cresta del vertedero, en metros.
2: altura del azud, en metros.
Los valores 1.85 y 0.85 están dados por las características de la cara anterior del azud que es de tipo pendiente vertical, el punto de origen es el punto más alto del mismo. La altura de agua sobre la cresta del vertedero se determina por:
) = k0. l4 G H⁄
Donde:
4: caudal que pasa a través del azud, en m³/s.
0: coeficiente de descarga.
: longitud total de la cresta del vertedero, en m.
El azud se diseña para que el efecto de la velocidad de aproximación sea despreciable siendo la relación P/Hd mayor a 1.33, siendo este el caso se cumple que: He=Hd y m=2.225.
Se diseña para la creciente máxima de diseño con el fin de evitar altas presiones negativas sobre la cresta del azud.
Se une el perfil del azud al fondo del pozo de amortiguación mediante una curva circular, cuyo radio esta expresado por:
C = 10nXoFpq.rstYuXH.qstpqrY
Donde:
C: radio de la curva circular, en pies.
F: velocidad al pie del vertedero, en pies/seg.
)>: carga sobre el vertedero, en pies. La curva estará ubicada según la siguiente figura:
Ecuación 3.2
Figura 3.4. Transición entre azud y el zampeado del vertedero.
Fuente: Garcia Vélez, J. (s.f.). Diseño Hidraulico de estructuras (pp.15). Santiago de Cali: Editorial Universidad del Valle.
El pozo de amortiguación permite a la estructura disipar la energía proveniente del resalto hidráulico, convirtiendo el flujo supercrítico en subcrítico y evita que la estructura falle por socavación aguas abajo del azud.
Se procede a determinar la velocidad, tirante y número de Froude al pie del vertedero, con las expresiones siguientes:
F= v2 ' XK − 0.5)>Y JF=4567 F %F= F v' JF Donde:
F: velocidad al pie del vertedero, en m/s.
JF: tirante al pie del vertedero, en m.
%F: número de Froude al pie del vertedero.
': aceleración de la gravedad, en m/s².
K: altura medida desde el nivel máximo aguas arriba de la estructura hasta el nivel del pozo de amortiguación, en m.
)>: carga sobre el vertedero, en m.
4567: Caudal de máximo de diseño, en m³/s.
: longitud total de la cresta del vertedero, en m.
Ecuación 3.4
Ecuación 3.5
Se procede a calcular la altura del diente al final del zampeado, en base a %F, de la cual se obtiene el valor de la relación ℎ/JF, en donde h es la altura del diente; se la obtiene ingresando los valores en la siguiente figura.
Figura 3.5. Relaciones analíticas entre F1 y h/y1 para un vertedero de cresta ancha.
Fuente: Garcia Vélez, J. (s.f.). Diseño Hidraulico de estructuras (pp.39). Santiago de Cali: Editorial Universidad del Valle.
Se procede a calcular la altura del tirante en el resalto JG, mediante la siguiente expresión: 2.667%FGy1 + ℎ J F _ JG JF _ { = k JG JF− ℎ JFl H Donde:
ℎ: altura del diente al final del zampeado, en m.
JG: tirante cuando se produce el resalto hidráulico, en m.
Se estima el valor del tirante aguas abajo del resalto hidráulico, mediante la expresión:
JH < k2 JG3+ ℎl
Ecuación 3.7
JH: tirante aguas abajo del resalto hidráulico, en m.
Se calcula la longitud del resalto hidráulico, que va a ser la longitud del zampeado de la estructura, mediante la siguiente ecuación:
./ = 5 XJG− JFY Donde:
./: longitud del resalto hidráulico, en m. (Bakhmetev – Maztke 1936).
Estabilidad del azud
Con el diseño hidráulico de la estructura se chequean las dimensiones obtenidas y se comprueba la estabilidad de la misma.
El coeficiente de seguridad al deslizamiento de la estructura debe ser mayor a 1.3, se lo calcula con la siguiente expresión:
%" =X} − Y# $ ≥ 1.3
Donde:
%" : coeficiente de seguridad al deslizamiento.
}: peso propio de la estructura del azud. : subpresión.
#: fuerza horizontal.
$: coeficiente de fricción del hormigón sobre el suelo húmedo, están dados por la siguiente tabla, tomando el caso de la arena.
Tabla 3.10. Valores del coeficiente de fricción del hormigón en diferentes suelos húmedos. Material f Roca 0.6 – 0.7 Grava 0.5 – 0.6 Arena 0.4 – 0.5 Limo 0.3 – 0.4 Arcilla 0.2 – 0.3
Fuente: Garcia Vélez, J. (s.f.). Diseño Hidraulico de estructuras (pp.23). Santiago de Cali: Editorial Universidad del Valle.
El coeficiente de seguridad al volcamiento de la estructura debe ser mayor a 1.3, se lo calcula con la siguiente expresión:
Ecuación 3.9
%"& =# . J + •X}. •FY
G ≥ 1.3 Donde:
%"&: coeficiente de seguridad al volcamiento.
•F, •G, J: distancias de las correspondientes fuerzas al centro de momentos.
- Rejilla fondo
Las dimensiones geométricas de la rejilla están en relación directa con el caudal a captar. El caudal que ingresa por la rejilla está dado por las siguientes expresiones:
4 = 2.55 . v)j En donde L es la longitud de la rejilla y se obtiene:
. = 0.313 4
X€ •YH G_ H G_
Los valores de C y K, que tienen que ver con las características de trabajo de la rejilla se los obtiene con:
= X1 − $Y" + D" = j− 0.325‚ Donde:
Q: caudal a captar, en L/s.
: coeficientes que reducen el área efectiva de la rejilla. : ancho de la rejilla, en metros.
.: longitud de la rejilla, en metros.
)!: altura de carga, comprendida entre la cresta del azud y el nivel de la rejilla.
$ : porcentaje de la superficie que queda obstruida por arena y gravas que se incrustan entre las rejas, en %.
": espaciamiento entre barrotes, en mm.
D: espesor de los barrotes en la rejilla, en mm.
j: constante que depende de la relación espesor de barrotes-separación
entre barrotes.
‚: pendiente de la rejilla, en porcentaje.
Ecuación 3.11
Ecuación 3.12
Ecuación 3.13
Ecuación 3.14
Para el dimensionamiento se adopta un ancho de la rejilla de b=10 cm, se reemplaza en la ecuación 3.13 y se obtiene la longitud. Se considerando el espesor de los barrotes y la separación entre los mismos para obtener las medidas corregidas y finalmente se adoptan valores que presenten facilidades constructivas.
La carga mínima que deberá tener la rejilla se calcula, mediante la expresión:
)== P2.55 .S4 G
Otros valores que se consideraron para el diseño de la rejilla son: material pletina de sección 6mm x 12 mm, separación entre barrotes será de 5mm, porcentaje de obstrucción del 40%, ángulo de inclinación de la rejilla de 17 grados.
Los resultados del diseño de la rejilla se muestran en el la tabla 3.13 y lámina número 12, los cálculos se detallan en el anexo 9.
- Galería
Se diseña con una sección rectangular con un ancho de solera de 10 cm, se impone una pendiente del fondo del canal de 1%. Se comprueba los valores de los tirantes críticos de tal forma que se produzca la disipación del resalto hidráulico al ingreso de la galería.
Se calcula la profundidad crítica y velocidad crítica, con las expresiones:
J8 = ƒ 4 G
' G
„
8 = v'J8
A continuación se procede a calcular la altura del agua al inicio y final de canal recolector, con: )G= 1.1J8 )F= ƒ2J8 H )G + P)G− . 3 S G −23 . Ecuación 3.16 Ecuación 3.17 Ecuación 3.18 Ecuación 3.19 Ecuación 3.20
Donde:
J8: profundidad crítica, en m. 8: velocidad critica, en m/s.
4: caudal de diseño, en m³/s.
': aceleración de la gravedad, en m/s². : solera o base del conducto, en m.
)G : altura del agua al final del canal recolector, en m.
)F : altura del agua al inicio del canal recolector, en m.
. : longitud total de la galería, en m. pendiente de la galería, en %.
Finalmente se comprueba que la velocidad al final del canal recolector sea menor que la velocidad crítica.
- Cajón de entrada y vertedor de excesos
En la estructura de entrada y salida hacia el desarenador, se considera un doble cajón. El primero que va a tener la función de regular los excesos de caudal que ingresen a la estructura de la captación en eventos de crecidas del cauce, y el segundo cajón con la función de regular el caudal que ingrese a la conducción. Esto se logra utilizando un vertedero colocado a un nivel más bajo con respecto al desborde de la estructura. Los datos para realizar el cálculo son los caudales obtenidos en el estudio hidrológico de la cuenca, y también el caudal de conducción de 0.479 L/s.
Se considera el caso más crítico y se calcula con el caudal de máxima crecida, se utiliza las siguientes expresiones:
)j= 4567
X …YG H_ 4B= 2.55 . v)j Donde:
)j: altura de carga sobre la cresta del azud, en m.
4567: caudal de máxima crecida del cauce, en m³/s. : coeficiente del vertedero.
Ecuación 3.21
…: longitud de la cresta del azud, en m.
4B: caudal de excesos que ingresa a la estructura, en m³/s.
Se diseña un vertedero regulador de caudal, el mismo será un vertedero triangular de pared delgada, se define con la siguiente expresión:
4 = 1.434 ℎG.i Donde:
4 : caudal que pasa a través del vertedero, con respecto a una altura h, en
m³/s.
ℎ: altura de la lámina de agua en el vertedero, en m.
Se despeja el valor de h, que será el desnivel que deberá tener el punto inferior del vertedero triangular con respecto al nivel del desborde.
- Tuberías y accesorios de la estructura de captación
El material de las tuberías en la estructura de captación se las ha considerado de hierro galvanizado, pues son piezas embebidas en las paredes de hormigón y así se garantiza la vida útil proyectada, protección de la corrosión y estanqueidad.
Los accesorios serán de hierro galvanizado, con igual diámetro que las tuberías a las cuales se acoplen, en el caso de las válvulas serán de compuerta con sello de bronce. Los diámetros de la tubería y accesorios de salida al desarenador tendrán un diámetro de 1 ¼ ʺ (32 mm), con una velocidad de 0.45 m/s. Para las tuberías y accesorios del desagüe, se considera un diámetro de 1 ½ ʺ (40 mm), para evacuar un volumen de 0.10 metros cúbicos.
Los resultados del diseño de las tuberías y accesorios de la estructura de captación se muestran en la tabla 3.16 y lámina número 12; mayor detalle de fórmulas y cálculos empleados en el diseño se muestran en el anexo 9.
- Resultados del diseño de la estructura de captación
Tabla 3.11. Resultados del diseño hidráulico del azud de derivación de baja altura. Azud de derivación de baja altura
Descripción Magnitud Unidad Observación
Elevación del azud 0.60 m
Ancho del azud 2.00 m Altura del nivel de agua
para el caudal de máxima crecida.
0.45 m Es el valor de la variable Hd, con el cual se diseña geométricamente el perfil del azud.
Altura de los muros en la cresta del azud.
0.75 m
Coordenadas del perfil
X (m) Y (m) 0.00 0.000 0.05 0.004 0.10 0.014 0.15 0.030 0.20 0.050 0.25 0.076 0.30 0.107 0.35 0.142 0.40 0.182 0.45 0.226 0.50 0.274 0.55 0.327 Coordenadas a partir de la cresta del azud, los valores. La curva circular compuesta que antecede a las coordenadas tiene radios de: 0.22 m y 0.09 m. Se une el perfil con el pozo de amortiguación mediante una curva circular de radio 0.14m.
Fuente: El Autor.
Tabla 3.12. Resultados del diseño hidráulico del pozo de amortiguación. Pozo de amortiguación
Descripción Magnitud Unidad Observación
Longitud del zampeado 3.00 m
Grosor del zampeado 0.30 m
Altura del dentellón 0.15 m Para estabilizar el resalto hidráulico. Disipación de subpresión – perforaciones Ø 63 mm Red de perforaciones espaciadas cada 40 cm Estabilidad de la estructura al deslizamiento
1.41 - Mayor a 1.3, por lo tanto no se desliza.
Estabilidad de la estructura al volcamiento
1.78 - Mayor a 1.3, por lo tanto no se vuelca.
Fuente: El Autor.
Tabla 3.13. Resultados del diseño hidráulico de la rejilla de fondo. Rejilla de fondo
Descripción Magnitud Unidad Observación
Longitud de la rejilla 0.30 m 28 barrotes (t=6 mm, e =12 mm) y 27 espacios e=5 mm
Deberá tener una carga mínima de 2.5 cm.
Ancho de la rejilla
0.10 m
Tabla 3.14. Resultados del diseño hidráulico de la galería.
Galería
Descripción Magnitud Unidad Observación
Ancho 0.10 m
Deberá tener el fondo de la galería una pendiente del 1%
Alto 0.10 m
Largo 0.50 m
Fuente: El Autor.
Tabla 3.15. Resultados del diseño hidráulico del cajón de ingreso y vertedor de excesos. Cajón de entrada y vertedor de excesos.
Descripción Magnitud Unidad Observación
Desnivel entre el vertedero y
la altura del rebose. 2.3 m
Para asegurar que ingrese el caudal de diseño de la línea de conducción
Caudal de excesos en un
evento de máxima crecida. 2.52 L/s Fuente: El Autor.
Tabla 3.16. Listado de tuberías y accesorios de la estructura de captación. Tuberías y accesorios de la estructura de captación
Descripción Ø Longitud
(m)
Cantidad Desagüe
Codo HG 90° 1 ½ ʺ 3
Tramo corto tubería HG RR 1 ½ ʺ 0.35 3 Neplo perdido HG RR L=0.05
m
1 ½ ʺ 4
Yee hg 1 ½ ʺ 1
Unión universal HG 1 ½ ʺ 2
Válvula compuerta sello bronce 1 ½ ʺ. 1 Salida a desarenador
Cernidera de aluminio 1 ¼ ʺ 1
Tramo corto tubería HG RR 1 ¼ ʺ 0.35 2
Unión universal HG 1 ¼ ʺ 2
Neplo perdido HG RR L=0.05 m
1 ¼ ʺ 2
Válvula compuerta sello bronce 1 ¼ ʺ 1
Codo HG 45° 1 ¼ ʺ 1
Vertedero metálico 1 ¼ ʺ 1