Planteamiento general del diseño de aducciones

El problema del diseño y dimensionado de un sistema de aducción, supone la resolución de diversos problemas fundamentales, cada uno de los cuales puede estar relacionado en ocasiones con la solución adoptada en otro de ellos:

· La determinación del caudal de diseño.

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· La determinación del diámetro capaz de trasegar el caudal de diseño con un coste económico global mínimo.

Seguidamente se pasa al análisis de los mismos.

El caudal de diseño

La definición del caudal de diseño obliga primero a responder a las siguientes cuestiones fundamentales:

· ¿Cuál es el horizonte del proyecto a considerar?

· ¿Cuál es el volumen diario a transportar?

· ¿Cuál es el período de funcionamiento diario de la aducción?

Horizonte del proyecto

El horizonte del proyecto a considerar en el estudio depende de numerosos factores, siendo los más importantes los siguientes:

· Vida útil de la obra, la cual tiene que ver con la duración probable del tipo de material utilizado y de las características del agua que se pretende conducir.

· Evolución de la demanda de agua a lo largo del tiempo.

· Coste de capital.

· Mayor o menor facilidad de ampliación de la capacidad de aducción y almacenamiento.

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· Tamaño de la obra.

· Evolución probable de los costes energéticos (en el caso de tratarse de una impulsión).

La evaluación de una gran parte de estos factores no es tarea fácil, siendo práctica corriente en sistemas de abastecimiento urbano, considerar un horizonte de proyecto situado entre 30 y 50 años . No obstante en cada abastecimiento en particular pueden existir condiciones adicionales a tener en cuenta tales como renovaciones de contratos o concesiones de los abastecimientos, etc., que pueden condicionar notablemente la determinación del horizonte de proyecto de la aducción. Volumen diario a transportar

El volumen diario de agua a transportar se debe fijar en base a considerar las necesidades de almacenamiento previstas y las condiciones de demanda del día de consumo punta del año horizonte. Un planteamiento general de la inmensa mayoría de aducciones que se proyectan consiste en prever una renovación diaria de los volúmenes de los depósitos. En otras palabras, con una periodicidad de 24 horas se restablecen los niveles iniciales de agua en los depósitos de almacenamiento, independientemente de los consumos suministrados durante dicho período. Únicamente en el caso de grandes aducciones, principalmente unidas a grandes masas de agua embalsadas, pueden plantearse almacenamientos para varios días de consumo punta. Este tipo de aducciones va a quedar en general fuera de las directrices que a lo largo de este apartado se introducen a la hora de considerar el caudal con el cual se debe diseñar la aducción.

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Con estas consideraciones simplificativas realizadas del problema, la determinación del volumen diario de agua a transportar es inmediata a partir de la previsión de consumo realizada.

Dicho volumen depende de los caudales de agua aportados al sistema de aducción y de la forma de la curva de demanda de consumo planteado. Como regla general unos caudales de aporte importantes conducen en general a reducir los volúmenes de almacenamiento necesarios. De igual forma una curva de demanda con pocas variaciones de caudal conduce igualmente a volúmenes de almacenamiento menores. Por el contrario, una curva de demanda con fuertes variaciones de caudal, es decir, con puntas y valles de consumo alejados del valor medio, requiere de un volumen de almacenamiento mayor para poder hacer frente a estas oscilaciones de consumo.

Período de funcionamiento diario de la aducción

Conocido el volumen diario a transportar y admitido un período diario de aducción, el caudal a trasegar resulta del cociente entre el volumen diario a transportar y el período diario de aducción. Cuanto menor sea ese período mayor será el caudal. Este fenómeno tiene una influencia diferente en el caso de que se trate de una aducción por gravedad o de una aducción de bombeo.

En una aducción por gravedad el aumento del caudal de aducción supone la directa disminución de la capacidad de almacenamiento necesaria. En este sentido puede llegarse a la práctica eliminación de la capacidad de almacenamiento, en el caso en que se diseñe una aducción por gravedad capaz de aportar el caudal punta del día de mayor consumo del año horizonte.

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En aducciones de bombeo aumentar el caudal de aducción, por emplear un período de aducción menor, supone en general un aumento de los costes de inversión y energéticos.

No obstante, en algunos casos, la reducción del período de aducción (bombeo) puede suponer una disminución de costes por poder explotar la instalación en períodos de tiempo en los cuales el coste energético sea menor.

En definitiva, salvo por consideraciones de beneficios en el coste energético (aducciones de bombeo), la disminución del período de funcionamiento de la aducción conduce, para un mismo diámetro, a mayores pérdidas de carga y consecuentemente a mayores costes.

Los costes energéticos deberán determinarse en base a criterios que recojan los diferentes tipos de tarifas eléctricas existentes y su aplicación específica para un año concreto.

En impulsiones, se considera como norma de uso frecuente un período diario de funcionamiento de 16 horas (correspondiente a dos turnos de trabajo), pudiendo este período ser reducido en pequeñas impulsiones a fin de lograr una economía de personal, o ampliado cuando se pretende aprovechar tarifas más bajas de energía. Fundamentalmente, la fijación de la duración del transporte debe ser definida conjuntamente con el dimensionado hidráulico de la aducción de acuerdo con los principios que en adelante serán expuestos. Dada la tendencia actual en la automatización de las estaciones de bombeo, únicamente no es aconsejable utilizar las 24 horas para el bombeo para guardar un cierto margen de seguridad contra averías, faltas de energía, etc. El período máximo diario de 20 horas parece merecer actualmente cierto consenso.

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En cualquier caso la automatización creciente de las estaciones de bombeo que se experimenta en la actualidad hace que le determinación del período de bombeo no esté sujeto tan directamente a los los criterios que se han mencionado previamente.

Por otro lado, las aducciones por gravedad pueden llegar a disponer de un período de aducción diario de 24 horas, por cuanto no están sujetas a costes energéticos directos como las impulsiones.

El trazado de la conducción

El proyecto de un sistema de aducción presupone el análisis de las condiciones de trazado, en planta y en perfil longitudinal.

El trazado de la aducción está íntimamente ligado a las características topográficas locales. No obstante, además del condicionamiento topográfico, otras disposiciones técnicas condicionarán el trazado final del conducto.

Como regla general el trazado debe ser el que conduzca a minimizar en la medida de lo posible los costes derivados de la inversión inicial y de la explotación de la instalación. Si en una planta topográfica trazamos una línea recta entre el origen y la distribución, representando el conducto cuyo perfil trazado fuese también una recta, obtendríamos una solución ideal desde el punto de vista teórico, ya que la longitud del conducto sería la mínima posible, al igual que su diámetro. Además, estaría prácticamente desprovista de elementos accesorios. No obstante, en la práctica, este procedimiento es generalmente incompatible con otras condiciones a imponer a su trazado, como por ejemplo:

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a) La implantación de las aducciones a lo largo de caminos públicos presenta una serie de ventajas inherentes: evitar indemnizaciones por travesía de terrenos particulares, facilitar la ejecución, observación y mantenimiento de la obra y, además, facilitar la superación de obstáculos físicos (normalmente cursos de agua) pues el conducto estará soportado por la obra construida para la carretera.

b) La posibilidad de reducir las presiones en algunos tramos, con la utilización de tuberías de características mecánicas distintas, y consecuentemente precios diferentes.

c) Desviar el trazado de zonas pantanosas, de afloramientos rocosos, de terrenos con características fuertemente agresivas, o de zonas forestales con especies de raíz fasciculada (eucalipto, chopos, etc).

d) Disponer de una profundidad mínima en el asentamiento de las tuberías, de modo que garanticen la estabilidad estructural de la canalización frente a la acción de cargas exteriores y, además, en algunos casos garantizar la protección térmica adecuada.

e) La necesidad de respetar las inclinaciones mínimas de 3‰ en los tramos ascendentes y del 5‰ en los descendentes, para facilitar la salida de gases y aire que se liberen o entren de las canalizaciones en caso de rotura. No se deben ejecutar nunca tramos de aducción horizontales; en el caso que el perfil del terreno sea horizontal el conducto debe presentar alternadamente, perfiles ascendentes y descendentes.

f) Optar, en perfil longitudinal por el trazado más regular posible, no acompañando necesariamente al terreno natural, lo que puede dar origen a mayores profundidades en algunos tramos.

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g) Cuando la inclinación del conducto fuese superior al 25%, se habrá de atender la necesidad de amarrar la tubería a macizos de anclaje.

h) Es conveniente que la altura piezométrica se mantenga por encima del conducto a lo largo de todo el trazado, pues de otra forma surgirán presiones negativas. Una mayor profundidad de instalación de los conductos puede, en ciertos casos, resolver este problema.

En resumen, la elección del trazado más adecuado es una decisión de gran significación en el diseño del sistema de aducción. Dicha elección, sin embargo, sólo puede realizarse por aproximaciones de diseño sucesivas en base a contemplar exigencias muy diversas como la operación en régimen estacionario, el comportamiento durante el llenado y vaciado de la conducción o el funcionamiento en régimen transitorio.

Determinación de la sección más económica

Se entiende por determinación de la sección más económica el cálculo del diámetro o diámetros que minimizan el coste global del sistema, o sea, la suma de los costes de inversión, que se refiere fundamentalmente a los conductos y estaciones de bombeo, y la parte correspondiente a la explotación del sistema, normalmente costes de energía y costes de mantenimiento y conservación.

Atendiendo a los diferentes tipos de flujo en presión, tenemos aquí especial interés en distinguir las aducciones por gravedad y las aducciones de bombeo o impulsiones, que serán el objeto de los próximos apartados.