Diseño y simulación de una red de drenaje pluvial en la zona Centro Oeste de Trinidad

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(1)Universidad Central Marta Abreu de Las Villas Facultad de Construcciones. Departamento Ingeniería Hidráulica.. Trabajo de Diploma Título: Diseño y Simulación de una Red de Drenaje Pluvial en la Zona Centro-Oeste de Trinidad.. Autor: Lenier Conrado de la Paz Fritze. Tutor: Ing. Alberto Díaz Barata.. Ciudad de Santa Clara. Junio 2016 Año 58 de la Revolución.

(2) Dedicatoria. A toda mi familia por brindarme ese apoyo en cada momento de felicidad y tristeza durante toda mi carrera. A mis padres Mayda y Conrado por siempre estar ahí en el momento justo en que los necesitaba. A mi hermana Maylan por brindarme desde la distancia todo su apoyo a pesar de estar lejos en misiones internacionalistas. A mi esposa Jennifer que supo estar ahí para escucharme y darme sus buenos consejos. A la familia de mi esposa que también me han apoyado mucho y me han ayudado. A mi abuelo Conrado que estoy seguro que donde este se sentirá orgulloso de tener otro profesional en la familia. A todos mis Tíos, Primos, Abuelos, Tías, en fin, a todo aquel que lleve sangre Balmaceda, de la Paz y Fritze en sus venas. A todos mis compañeros de aula que siempre nos supimos ayudar mutuamente para salir adelante..

(3) Agradecimiento. Durante toda mi carrera existen muchísimas personas a las que debo agradecer eternamente por brindarme su ayuda y siempre darme una mano cuando las necesitabas en especial a: Mis padres Mayda y Conrado por depositar en sus hijos todo su amor y cariño. A mi querida hermana Maylan por brindarme su apoyo. A mi esposa Jennifer por su amor que siempre me ha dado. A toda mi familia que de una forma u otra siempre conté con su apoyo en los momentos buenos y malos. A mi tutor Alberto Días Barata por dedicarme gran parte de su tiempo. Al claustro de profesores que me brindaron sus conocimientos y experiencia profesional. A varios trabajadores del INRH de Santa Clara y la UEB de Sancti Spíritus. A mis compañeros de cuarto por sabernos dar aliento y apoyarnos en todo momento.. A todos gracias.

(4) TESIS.

(5) Diseño y Simulación de una Red de Drenaje Pluvial en la Zona Centro-Oeste de Trinidad.. INDICE DE LA TESIS Contenido.. Páginas.. INTRODUCCIÓN. -------------------------------------------------------------------------------------------------1  Planteamiento del Problema de la Investigación. --------------------------------------------2  Hipótesis de la Investigación. -----------------------------------------------------------------------2  Objetivo General------------------------------------------------------------------------------------------2  Objetivos específicos. -------------------------------------------------------------------------2  Alcance. -----------------------------------------------------------------------------------------------------2  Resultados Esperados. --------------------------------------------------------------------------------3  Novedad Científica. --------------------------------------------------------------------------------------3  Estructura de la Tesis. ----------------------------------------------------------------------------------3 CAPÍTULO 1. ----------------------------------------------------------------------------------------------------4  1.1 Reseña histórica sobre los alcantarillados. -------------------------------------------------4  1.2 Factores Hidrológicos y Geológicos que inciden en el Diseño Hidráulico de las Obras de Drenaje. ----------------------------------------------------------------------------------------16  1.3 Criterios de Selección de Obras Alternativas y Complementarias. ----------------16  1.4 Análisis y Caracterización Hidrológica. ------------------------------------------------------23  1.5 La Hidrología Urbana. ------------------------------------------------------------------------------25  1.6 Problema general del drenaje urbano. -------------------------------------------------------26  1.7 El drenaje y el alcantarillado en Cuba. -------------------------------------------------------27  1.8 Descripción de Software para diseño y modelación de Drenaje y Alcantarillado. ------27 Índice.

(6) Diseño y Simulación de una Red de Drenaje Pluvial en la Zona Centro-Oeste de Trinidad..  Referencias Bibliográficas. ------------------------------------------------------------------------33 CAPÍTULO 2. -----------------------------------------------------------------------------------------------------34  2.1 Caracterización de la situación actual de la cuenca. ---------------------------------35  2.2 Descripción general del nuevo sistema de alcantarillado. -------------------------36  2.3 Método obtener los caudales de diseño. -------------------------------------------------38  2.4 Cálculos preliminares al diseño con el módulo ROKO – KOLEC. ---------------39  2.5 Diseño óptimo con ROKO de una red de drenaje pluvial para la zona CentroOeste de Trinidad. -------------------------------------------------------------------------------------47  2.6 RESULTADOS DEL DISEÑO. ------------------------------------------------------------------51 CAPÍTULO 3. ------------------------------------------------------------------------------------------------------54  3.1 Lluvia de proyecto. -------------------------------------------------------------------------------54  3.2 Obtención de Hietograma a partir de las curvas de IFD, para períodos de retorno de 5 y 10 años. -------------------------------------------------------------------------------55  3.3 Opciones de simulación en el software SWMM 5.0 vE. -------------------------------59  3.4 Objetos a editar en el SWMM 5.0 Ve. --------------------------------------------------------63 Conclusiones y Recomendaciones. ----------------------------------------------------------------------------------65 Bibliográfia. -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------67 Anexos.--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------69. Índice.

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(8) Diseño y Simulación de una Red de Drenaje Pluvial en la Zona Centro-Oeste de Trinidad. RESUMEN La presente investigación tiene como objetivo fundamental calcular, diseñar y simular el funcionamiento de la red de alcantarillado pluvial, que se propone para evacuar las aguas generadas por el proceso lluvia-escurrimiento en una zona de la ciudad que no cuenta con una infraestructura apropiada para esta finalidad.. El trabajo se desarrolla en un área que pertenece a la cuenca norte de la ciudad, y para el mismo se consideran parámetros hidrológicos, topográficos y geológicos característicos de la zona. Para el diseño de la red pluvial, se emplea el programa ROKO-KOLEC, el cual permite obtener la variante menos costosa; y el software profesional SWMM 5 vE para evaluar el funcionamiento del sistema de drenaje propuesto y validar su diseño.. Resumen/Abstract.

(9) Diseño y Simulación de una Red de Drenaje Pluvial en la Zona Centro-Oeste de Trinidad.. INTRODUCCIÓN El municipio de Trinidad enfrenta los desafíos que el modelo de desarrollo basado en la acelerada industrialización conlleva, entre los que se tiene el sostenido crecimiento de la población, lo cual indudablemente genera entre otras cosas, una fuerte demanda de espacios para el desarrollo habitacional, por lo que las autoridades municipales, responsables de reglamentar y prestar los servicios básicos, entre los que destacan el drenaje pluvial, se ven obligados a realizar fuertes inversiones para que los escurrimientos pluviales que se generan sean conducidos y vertidos a cauces con la capacidad adecuada.. El municipio, específicamente en la zona Centro Oeste de la cuenca Norte, no cuenta actualmente con un sistema de alcantarillado pluvial capaz de evacuar la escorrentía superficial, lo que provoca grandes inundaciones en las calles principalmente en la zona baja de dicha cuenca, por lo que se necesita de una nueva infraestructura de alcantarillado pluvial que sea capaz de evacuar las aguas pluviales, considerando para su diseño aspectos económicos importantes con el objetivo de minimizar su costo de construcción.. -1-.

(10) Diseño y Simulación de una Red de Drenaje Pluvial en la Zona Centro-Oeste de Trinidad..  Planteamiento del problema de investigación. Como consecuencia de no presentar un sistema de alcantarillado pluvial y a las intensas lluvias producidas en la cuenca norte de Trinidad la población sufre afectaciones provocadas por las inundaciones..  Hipótesis de la investigación. Si se realizan los cálculos necesarios para el diseño de un alcantarillado pluvial en correspondencia con una solución factible desde el punto de vista técnico económico, entonces se podrá proponer una infraestructura y un modelo de simulación hidrológica e hidráulica que permita comprobar la posibilidad de evacuar las aguas pluviales para evitar inundaciones en zonas bajas ubicadas en la cuenca norte de la ciudad de Trinidad..  Objetivo General. Efectuar el diseño hidráulico de una infraestructura viable de alcantarillado pluvial que permita evacuar la escorrentía superficial y posibilite evitar inundaciones en zonas bajas de la cuenca norte de Trinidad, utilizando un modelo matemático para la simulación del proceso lluvia – escurrimiento en esta zona urbana..  Objetivos Específicos. 1. Recopilar datos hidrológicos, necesarios para definir el comportamiento de las lluvias máximas causantes de inundaciones en zonas bajas pertenecientes a la cuenca norte de la ciudad de Trinidad. 2. Obtener los parámetros hidrológicos, que serán necesarios para calcular, diseñar y simular una red de alcantarillado pluvial para dicha cuenca. 3. Efectuar el diseño óptimo de la red de alcantarillado pluvial que deberá formar parte de la infraestructura de drenaje pluvial de dicha ciudad, haciendo uso de los programas ROKO y SWMM 5 vE..  Alcance. Se propondrá una solución viable para garantizar la evacuación del escurrimiento pluvial en la cuenca norte del municipio de Trinidad evitando que se produzcan inundaciones. -2-.

(11) Diseño y Simulación de una Red de Drenaje Pluvial en la Zona Centro-Oeste de Trinidad..  Resultados esperados. Proponer un diseño de alcantarillado pluvial económico y eficaz para evacuar el escurrimiento superficial..  Novedad Científica. Lo novedoso de este trabajo es que el diseño del alcantarillado pluvial del municipio de Trinidad, por el tipo de suelo cálcico que presenta contará con un sistema de pozos de infiltración que permitirá la evacuación de una gran parte del volumen de agua superficial.. . Estructura de la Tesis.. La Tesis estará conformada de la manera siguiente: Introducción. Capítulo 1: Estado del Arte. Capítulo 2: Propuesta de diseño de un Alcantarillado Pluvial. Capítulo 3: Análisis de Resultados. Conclusiones y recomendaciones. Bibliografía. Anexos.. -3-.

(12) Diseño y Simulación de una Red de Drenaje Pluvial en la Zona Centro-Oeste de Trinidad.. CAPÍTULO 1: ESTADO DEL ARTE 1.1 Reseña histórica sobre los alcantarillados. Los sistemas de alcantarillado de las ciudades se remontan a la antigüedad y se han encontrado instalaciones de alcantarillado en lugares prehistóricos de Creta y en las antiguas ciudades asirias. Aunque su función original era el drenaje, es decir la recogida del agua de lluvia y las corrientes del terreno para reducir el nivel freático; en la antigua Grecia hay catalogados restos de letrinas agrupadas en habitaciones subterráneas, de planta cuadrada o circular, con unos orificios en el techo para conseguir ventilación e iluminación; que desaguaban sobre las cloacas principales, situadas a mayor profundidad. Estas habitaciones se situaban en palacios y otros edificios públicos. La costumbre del resto de ciudadanos de arrojar los desperdicios a las calles, el “¡agua va!” que en algunos lugares se ha mantenido casi hasta nuestros días; causó que por los originales canales de pluviales viajasen grandes cantidades de materia orgánica; lo que a la postre hizo que este sistema fuese abandonado con el tiempo, debido a los malos olores que producía y al foco de infecciones que esta práctica constituía. Hacia finales de la edad media empezaron a usarse en Europa los pozos negros, cuyo contenido se empleaba como fertilizante, o era vertido en los cursos de agua y tierras no explotadas. El sistema no ofrecía buenos resultados en zonas de elevadas precipitaciones o con acuíferos superficiales; y las epidemias de peste y otras enfermedades continuaban siendo frecuentes y devastadoras. Para atajar el problema, ya en el Renacimiento, se recuperó la costumbre antigua de construir desagües, normalmente en forma de canales y zanjas a los lados de la calle, cuya función era conducir las aguas naturales y de lluvia, como puede verse aún en algunos pueblos de Castilla. Otra solución adoptada cuando la población se asentaba en la confluencia de varias cuencas pluviales era la desviación de los cauces de agua naturales de menor tamaño en varios ramales o “esguevas” que recogían todos los aportes de inmundicias de la ciudad, vertiendo luego al cauce principal en distintas desembocaduras. Este sistema fue el utilizado en ciudades como Burgos, Valladolid, etc.. -4-.

(13) Diseño y Simulación de una Red de Drenaje Pluvial en la Zona Centro-Oeste de Trinidad.. Fundamentos teóricos del sistema de alcantarillado Pluvial. En la mayoría de las ciudades se tiene la necesidad de desalojar el agua de lluvia para evitar que se inunden las viviendas, los comercios, las industrias y otras áreas de interés. Además, el hombre requiere deshacerse de las aguas que han servido para su aseo y consumo. Por otra parte, la construcción de edificios, casas, calles, estacionamientos y otros modifican el entorno natural en que habita el hombre y, tiene como algunas de sus tantas consecuencias, la creación de superficies poco permeables (que favorece a la presencia de una mayor cantidad de agua sobre el terreno) y la eliminación de los cauces de las corrientes naturales (que reduce la capacidad de desalojo de las aguas pluviales y residuales). Así, la urbanización incrementa los volúmenes. de. agua. de. lluvia. que. escurren. superficialmente,. debido. a. la. impermeabilidad de las superficies de concreto y pavimento. Por ello, las conducciones artificiales para evacuar el agua son diseñadas con mayor capacidad que la que tienen las corrientes naturales existentes. Sistema de alcantarillado. Concepto y definición. La Organización Panamericana de la Salud, 2005, define que un sistema de alcantarillado es un conducto de servicio público cerrado, destinado a recolectar y transportar aguas residuales que fluyen por gravedad libremente bajo condiciones normales[1]. El alcantarillado funciona por efecto de la gravedad. Las tuberías se conectan en ángulo descendente, desde el interior de los predios a la red pública, desde el centro de la comunidad hacia el exterior de la misma. Cada cierta distancia se debe construir pozos de registro verticales para permitir el acceso a la red con fines de mantenimiento[2]. Los sistemas de alcantarillado se encargan de conducir las aguas de desecho y pluviales captadas en los sitios de asentamiento de las conglomeraciones humanas para su disposición final[3].. -5-.

(14) Diseño y Simulación de una Red de Drenaje Pluvial en la Zona Centro-Oeste de Trinidad.. Características de los Alcantarillados Las redes de alcantarillado son estructuras hidráulicas que funcionan a presión atmosférica, por gravedad. Sólo muy raramente, y por tramos breves, están constituidos por tuberías que trabajan bajo presión o por vacío. Normalmente están constituidas por canales de sección circular, oval o compuesta, enterrados la mayoría de las veces bajo las vías públicas[4]. Desde mediados del siglo XX empezaron a construirse redes separativas, tras la aparición de los primeros sistemas de depuración, y con base en los siguientes argumentos[4]: • La separación reduce los costes de depuración y simplifica los procesos, puesto que el caudal tratado es menor y, lo que es incluso más importante, más constante. • La separación reduce la carga contaminante vertida al medio receptor por los episodios de rebosamiento del alcantarillado unitario. Siendo. correctos los. argumentos anteriores,. existen. también. una. serie. de. inconvenientes del alcantarillado separativo que desde finales de los años 1990 están reduciendo su uso, incluso en redes de nueva implantación (la separación de redes unitarias existentes pronto se vio como económica y técnicamente inviable)[4]. Por estas razones surgen los siguientes criterios: • Debe existir un estricto control de vertidos para evitar que se acometan caudales residuales a la red de pluviales (que irían directamente al medio natural sin depurar) y viceversa. Esto redunda en una explotación más compleja y costosa de la red. • El coste de instalación es, evidentemente, muy superior, en un rango de entre 1,5 y 2 veces la red unitaria equivalente. • Las aguas pluviales urbanas no son aguas limpias, si no que están fuertemente polucionadas, por lo que su vertido directo al cauce puede generar una contaminación apreciable.. -6-.

(15) Diseño y Simulación de una Red de Drenaje Pluvial en la Zona Centro-Oeste de Trinidad.. • La separación completa implica redes interiores separativas en los edificios, con duplicación de las bajantes. • La red de residuales de una red separativa no se beneficia de la autolimpieza de los conductos en tiempo de lluvia, por lo que puede llegar a ser necesaria la descarga de caudales de agua limpia por la red, anulando sus ventajas de ahorro y eficiencia. Descripción e importancia del alcantarillado. Según refiere la Comisión Nacional del Agua (CNA), 2007, en la mayoría de las ciudades se tiene la necesidad de desalojar el agua de lluvia para evitar que se inunden las viviendas, los comercios, las industrias y otras áreas de interés. Además, el hombre requiere deshacerse de las aguas que han servido para su aseo y consumo[3]. Para abastecer de agua a las poblaciones, se cuentan con tecnologías para la captación, almacenamiento, tratamiento y distribución del agua mediante complicados sistemas de conducción y obras complementarias. Sin embargo, una vez que las aguas procedentes del abastecimiento son empleadas en las múltiples actividades humanas, son contaminadas con desechos orgánicos, inorgánicos y bacterias patógenas. Después de cierto tiempo, la materia orgánica contenida en el agua se descompone y produce gases con olor desagradable., además, las bacterias existentes en el agua causan enfermedades. La disposición o eliminación de las aguas de desecho o residuales debe ser atendida convenientemente para evitar problemas de tipo sanitario Comisión Nacional del Agua (CNA) ,2007[3]. Por otra parte, la construcción de edificios, casas, calles, estacionamientos y otros modifican el entorno natural en que habita el hombre y, tiene como algunas de sus tantas consecuencias, la creación de superficies poco. -7-.

(16) Diseño y Simulación de una Red de Drenaje Pluvial en la Zona Centro-Oeste de Trinidad.. permeables (que favorece a la presencia de una mayor cantidad de agua sobre el terreno) y la eliminación de los cauces de las corrientes naturales (que reduce la capacidad de desalojo de las aguas pluviales y residuales) Comisión Nacional del Agua (CNA) ,2007[3]. Así, la urbanización incrementa los volúmenes de agua de lluvia que escurren superficialmente, debido a la impermeabilidad de las superficies de concreto y pavimento. Por ello, las conducciones artificiales para evacuar el agua son diseñadas con mayor capacidad que la que tienen las corrientes naturales existentes Comisión Nacional del Agua (CNA) ,2007. Los sistemas de alcantarillado se encargan de conducir las aguas de desecho y pluviales captadas en los sitios de asentamiento de las conglomeraciones humanas para su disposición final. Los sistemas de recolección de aguas pluviales con los que cuentan actualmente en las ciudades y centros urbanos no están diseñados para los requerimientos de hoy, Jiménez García, 2005. La planeación del desarrollo de los asentamientos humanos lleva consigo el planeamiento de servicios básicos de acueductos, alcantarillados, disposición de basuras, aseo, teléfono, electrificación, etc. Los sistemas para evacuar tanto las aguas residuales y las aguas lluvias son redes de colectores, conectado por pozos de inspección que se instalan en excavaciones a determinada profundidad en las vías públicas. Estas aguas están compuestas por contribución de las aguas de uso doméstico, industrial, comercial e institucional, lo cual hace que en su cuantificación se incluyan consideraciones pertinentes a los caudales de diseño del sistema de acueducto Jiménez García, 2005.. -8-.

(17) Diseño y Simulación de una Red de Drenaje Pluvial en la Zona Centro-Oeste de Trinidad.. Se asume el criterio expresado por Ayala Villarraga, 2009 de que los sistemas de alcantarillado no remedian completamente los problemas ambientales y de salud asociados a una alta densidad de población, ya que las corrientes contaminadas desembocaban generalmente en la superficie de aguas más cercanas, donde su descomposición originaba una gran fuente de bacterias, virus, parásitos, generando así una gran cantidad de enfermedades que creaban condiciones difíciles para los usuarios de aguas abajo Jiménez García, 2005. El alcantarillado, tiene como su principal función la conducción de aguas residuales y pluviales hasta sitios donde no provoquen daños e inconvenientes a los habitantes de poblaciones de donde provienen o a las cercanas. Un sistema de alcantarillado está constituido por una red de conductos e instalaciones complementarias que permiten la operación, mantenimiento y reparación del mismo. Su objetivo es la evacuación de las aguas residuales y las pluviales, que escurren sobre calles y avenidas, evitando con ello su acumulación y propiciando el drenaje de la zona a la que sirven. De ese modo se impide la generación y propagación de enfermedades relacionadas con aguas contaminadas. Las aguas residuales son transportadas desde su punto de origen hasta las instalaciones depuradoras a través de tuberías, generalmente clasificadas según el tipo de agua residual que circule por ellas. Los sistemas que transportan tanto agua de lluvia como aguas residuales domésticas se llaman combinados. Generalmente funcionan en las zonas viejas de las áreas urbanas. Al ir creciendo las ciudades e imponerse el tratamiento de las aguas residuales, las de origen doméstico fueron separadas de las de los desagües de lluvia por medio de una red separada de tuberías. Esto resulta más eficaz porque excluye el gran volumen de líquido que representa el agua de escorrentía. Permite mayor flexibilidad en el trabajo de la planta depuradora y evita la contaminación originada por escape o desbordamiento que se produce cuando el conducto no es lo bastante grande para transportar el flujo combinado. Para reducir. -9-.

(18) Diseño y Simulación de una Red de Drenaje Pluvial en la Zona Centro-Oeste de Trinidad.. costes, algunas ciudades, por ejemplo, Chicago, han hallado otra solución, al problema del desbordamiento: en lugar de construir una red separada, se han construido, sobre todo bajo tierra, grandes depósitos para almacenar el exceso de flujo, después bombeado al sistema cuando deja de estar saturado. Las instalaciones domésticas suelen conectarse mediante tuberías de arcilla, hierro fundido o PVC de entre 8 y 10 cm de diámetro. El tendido de alcantarillado, con tuberías maestras de mayor diámetro, puede estar situado a lo largo de la calle a unos 1,8 m o más de profundidad. Los tubos más pequeños suelen ser de arcilla, hormigón o cemento, y los mayores de cemento reforzado con o sin revestimiento. A diferencia de lo que ocurre en el tendido de suministro de agua, las aguas residuales circulan por el alcantarillado más por efecto de la gravedad que por el de la presión. Es necesario que la tubería esté inclinada para permitir un flujo de una velocidad de al menos 0,46 m por segundo, ya que a velocidades más bajas la materia sólida tiende a depositarse. Los desagües principales para el agua de lluvia son similares a los del alcantarillado, salvo que su diámetro es mucho mayor. En algunos casos, como en el de los sifones y las tuberías de las estaciones de bombeo, el agua circula a presión. Las canalizaciones urbanas acostumbran a desaguar en interceptadores, que pueden unirse para formar una línea de enlace que termina en la planta depuradora de aguas residuales. Los interceptadores y los tendidos de enlace, construidos por lo general de ladrillo o cemento reforzado, miden en ocasiones hasta 6 m de ancho. Descripción de los tipos de alcantarillado:  Combinado  Separativo ALCANTARILLADO COMBINADO Es el sistema que capta y conduce simultáneamente el 100% de las aguas de los sistemas de alcantarillado sanitario y pluvial, pero que dada su disposición dificulta su. - 10 -.

(19) Diseño y Simulación de una Red de Drenaje Pluvial en la Zona Centro-Oeste de Trinidad.. tratamiento posterior y causa serios problemas de contaminación al verterse a cauces naturales y por las restricciones ambientales se imposibilita su infiltración[5].Figura1. Figura 1. Sistema de Alcantarillado Combinado (ASCE, 1992) ALCANTARILLADO SEPARATIVO  ALCANTARILLADO SANITARIO Es la red generalmente de tuberías, a través de la cual se deben evacuar en forma rápida y segura las aguas residuales municipales (domésticas o de establecimientos comerciales) hacia una planta de tratamiento y finalmente a un sitio de vertido donde no causen daños ni molestias[5].  ALCANTARILLADO PLUVIAL Es el sistema que capta y conduce la escorrentía de una tormenta a través de una ciudad para su disposición final, que puede ser por infiltración, almacenamiento o depósitos y cauces naturales[5].Figura 2.. - 11 -.

(20) Diseño y Simulación de una Red de Drenaje Pluvial en la Zona Centro-Oeste de Trinidad.. Figura 2. Sistema de Alcantarillado Pluvial (ASCE, 1992) Componentes de una red de alcantarillado pluvial[6] Según Padilla Santamaría, 2009, los componentes de una red de alcantarillado pluvial son:  Cunetas: Las cunetas recogen y concentran las aguas pluviales de las vías y de los terrenos colindantes. Figura 3.. Figura 3. Secciones transversales de cunetas (NC XX, 2013: pp.30).. - 12 -.

(21) Diseño y Simulación de una Red de Drenaje Pluvial en la Zona Centro-Oeste de Trinidad..  Bocas de tormenta (imbornales o tragantes): Son estructuras verticales que permiten la entrada del agua de lluvia a los colectores, reteniendo parte importante del material sólido transportado.  Colectores secundarios: Son las tuberías que recogen las aguas de lluvia desde las bocas de tormenta (imbornales o tragantes) y las conducen a los colectores principales. Se sitúan enterradas, bajo las vías públicas.  Colectores principales: Son tuberías de gran diámetro, conductos de sección rectangular o canales abiertos, situados generalmente en las partes más bajas de las ciudades, y transportan las aguas servidas hasta su destino final.  Pozos de inspección (de registro, cámaras de inspección): Son cámaras verticales que permiten el acceso a los colectores, para facilitar su mantenimiento. Figura 4.. Figura 4. Detalle de pozo de visita de aguas lluvias Fuente: OPAMSS. 2006.  Arcas de expansión o pozos de tormentas: Estas estructuras se utilizan en ciertos. casos,. donde. es. necesario. laminar. las. avenidas. generalmente, por grandes tormentas, allí donde no son raras.. - 13 -. producidas,.

(22) Diseño y Simulación de una Red de Drenaje Pluvial en la Zona Centro-Oeste de Trinidad..  Vertido final de las aguas de lluvia: Son estructuras destinadas a evitar la erosión en los puntos en que las aguas de lluvia recogidas se vierten en cauces naturales de ríos, arroyos o mares.  Permiso de Vertimientos y límites permisibles para descarga de residuos líquidos. Alcantarillado pluvial urbano Un sistema de alcantarillado urbano debe estar dirigido al logro de unos objetivos hacia los cuales se dirigen las acciones a llevar a cabo. Estos objetivos son 2: uno básico y otro complementario. El básico es disminuir al máximo los daños que las aguas de lluvia pueden ocasionar a la ciudadanía y las edificaciones en el entorno urbano. Por otro lado, lo complementario es garantizar el normal desenvolvimiento de la vida diaria en las ciudades, permitiendo así un apropiado tráfico de personas y vehículos durante la ocurrencia de las lluvias[2]. Diferencia entre el sistema de alcantarillado sanitario y pluvial[4] • Sanitario: Todas las cuadras tienen una tubería, de todas las edificaciones sale una tubería que se conecta al sistema de drenaje. • Pluvial: No todas las cuadras tienen que tener una tubería, no es necesario que todas las edificaciones se conecten al sistema de drenaje. • Semejanzas: No se utilizan los enlaces Y, T, codo, etc. Poseen registros o pozos de visita. Registro o Pozo de Vista. Están hechos de hormigón, facilitan la inspección de tuberías, la limpieza, mantenimiento y reparación de salideros. Se utilizan cuando hay cambios de dirección, cruces de calles, cambio de diámetros, cambio de pendientes o tramos muy largos donde se colocan cada un número de metros en dependencia del diámetro de la tubería.. - 14 -.

(23) Diseño y Simulación de una Red de Drenaje Pluvial en la Zona Centro-Oeste de Trinidad.. Cuando ambos drenajes se unen se denomina alcantarillado combinado, cuando se construyen por separado se denominan alcantarillado separado o separativo. Conveniencia de los sistemas de alcantarillado separados Los sistemas de alcantarillado, separados o combinados, tienen ventajas y desventajas entre sí[7]. Los sistemas combinados tienen como ventajas el captar tanto las aguas residuales, como las pluviales, con lo cual el diseño, construcción y operación en apariencia es más económico. En este aspecto, los sistemas separados implican mayores inversiones y pueden resultar menos atractivos especialmente cuando una población contará por primera vez con un sistema de alcantarillado. Por otra parte, los problemas ocasionados por la contaminación han obligado a las comunidades a enfrentarlos disminuyendo lo más posible el riesgo de estos tipos de problemas. Por consiguiente, para cuidar el ambiente es necesario contar con plantas de tratamiento que resultan más económicas por unidad de volumen tratado cuando las cantidades de agua que manejan es mayor. Aquí surge la conveniencia de los sistemas separados, pues los volúmenes de aguas pluviales son muy superiores a los correspondientes de aguas residuales en proporción de 50 a 200 veces o más. Así, una planta de tratamiento es más económica si solo se encarga de tratar aguas residuales de cierto tipo. Un factor más a favor de los sistemas de alcantarillado separados se debe a la mayor demanda de agua en las poblaciones, producto de su crecimiento, y a la escasez de la misma cerca de ellas. Esto ha llevado a las comunidades a tomar medidas integrales para que los habitantes dispongan del agua indispensable para cubrir sus necesidades y desempeñen sus actividades. Tales medidas abarcan desde un mayor abastecimiento hasta un uso racional del agua, y en este aspecto se desarrollan acciones encaminadas al reúso del agua y del agua de lluvia.. - 15 -.

(24) Diseño y Simulación de una Red de Drenaje Pluvial en la Zona Centro-Oeste de Trinidad.. 1.2 Factores Hidrológicos y Geológicos que inciden en el Diseño Hidráulico de las Obras de Drenaje. El presente ítem describe los factores que influyen en la obtención de diseños adecuados que garanticen el buen funcionamiento del sistema de drenaje proyectado, acorde a las exigencias hidrológicas de la zona de estudio[8].  El primer factor a considerar se refiere al tamaño de la cuenca como factor hidrológico, donde el caudal aportado estará en función a las condiciones climáticas, fisiográficas, topográficas, tipo de cobertura vegetal, tipo de manejo de suelo y capacidad de almacenamiento.  Los factores geológicos e hidrogeológicos que influyen en el diseño se refieren a la presencia de aguas subterráneas, naturaleza y condiciones de las rocas permeables y de los suelos: su homogeneidad, estratificación, conductividad hidráulica, compresibilidad, etc. y también a la presencia de zonas proclives de ser afectadas por fenómenos de geodinámica externa de origen hídrico. 1.3 Criterios de Selección de Obras Alternativas y Complementarias. Generalidades[9] Dentro de los sistemas de drenaje urbano, las obras de mitigación corresponden fundamentalmente a aquéllas destinadas a interceptar las aguas lluvias, es el caso de canales y cauces naturales o artificiales destinados a recibir las aguas del sistema urbano. Una adecuada planificación de estas obras es fundamental para la eficiencia del sistema completo. En general, en áreas urbanizadas, un mal funcionamiento de este sistema es la principal causa de inundaciones mayores. Cuando no existe esta planificación, el escurrimiento ocurre por depresiones y canales naturales, además de cauces que no contemplan estas descargas, generando cursos de agua de forma desordenada, lo que aumenta el nivel de daños. El objetivo de la aplicación de obras de mitigación, es mejorar las condiciones de la red de drenaje, atenuando los problemas de erosión, acumulación de sólidos e. - 16 -.

(25) Diseño y Simulación de una Red de Drenaje Pluvial en la Zona Centro-Oeste de Trinidad.. inundaciones, reemplazando la red natural modificada por las urbanizadas, de tal forma de mantener la eficiencia de las condiciones iniciales, previo a las intervenciones humanas. Descripción de obras de mitigación[9] Una vez realizadas las modelaciones correspondientes, la determinación de caudales y evaluación de medidas de mitigación en proceso de aplicación, se presentan un conjunto de obras alternativas y anexas para el control de aguas lluvias urbanas, basadas en procesos de infiltración, almacenamiento y conducción. Desconexión de Áreas impermeables (DAL)[9] La desconexión de áreas impermeables, no corresponde a obras alternativas propiamente tales, pero permite el empleo de éstas y complementarlas con elementos menores. El funcionamiento, corresponde a un diseño que dirige las aguas lluvia a áreas verdes, con el objeto de disminuir la tasa de escorrentía, los volúmenes de inundación, atenuar los flujos máximos y fomentar la infiltración de las aguas lluvia. Esta práctica tiene mayores efectos sobre las pequeñas tormentas, y es muy efectiva en la reducción de los efectos globales de las precipitaciones durante el año. La desconexión de áreas impermeables se puede implementar con distintas intensidades, dependiendo de las condiciones locales, por lo que se cuenta con tres niveles, según intensidad. Nivel 1, el objetivo es dirigir el drenaje de todas las superficies impermeables de las viviendas hacia zonas de vegetación permeables, antes de ingresar a un sistema de conducción de aguas lluvia o salir a la calle. Nivel 2, funciona de forma complementaria al Nivel 1. Actúa sobre las calles interiores de barrios, pasajes o accesos a grupos de viviendas. Para ello se reemplaza el diseño de la sección transversal de las calles tradicionales por soleras con bermas permeables y zanjas amplias de infiltración a lo largo de las calles. Nivel 3, complementario a los Niveles 1 y 2. Aumenta el tamaño de las zanjas laterales de infiltración y utiliza las alcantarillas de cruces de calles, pasajes o. - 17 -.

(26) Diseño y Simulación de una Red de Drenaje Pluvial en la Zona Centro-Oeste de Trinidad.. entradas de vehículos, de tal forma de utilizar cubiertas de pasto con un hundimiento suficiente, como para generar una laguna de retención. Como ventajas, la desconexión de áreas impermeables, permite disponer de espacios públicos, de tal forma de aprovechar con fines de recreación y esparcimiento, además de minimizar la conexión entre zonas impermeables. Sin embargo, cuenta con diversos inconvenientes en su desarrollo, debido a que los suelos pueden perder su capacidad de infiltración con el tiempo, el crecimiento urbano puede producir dificultades para su mantención, pueden generarse problemas de inundación de sectores bajos, por una sobre exigencia de infiltración, entre otros. Obras de Infiltración[9] La funcionalidad de las obras de infiltración consiste básicamente en captar el flujo superficial, facilitando su infiltración en el suelo. Cuando el funcionamiento es correcto, son efectivos en lograr reducir los gastos máximos y el volumen escurrido hacia aguas abajo. Para poder aplicar este tipo de obras se debe evaluar el grado de infiltración, tal que sea la suficiente como para que el agua lluvia captada alcance a infiltrar antes de la próxima tormenta, de esta forma el suelo no provoca problemas estructurales, por efectos de sub presiones o excesos de humedad, por otra parte, también es necesario evaluar la calidad del agua infiltrada, de tal forma que no contamine el acuífero o el agua subterránea de la zona. Las principales ventajas de las obras de infiltración son su aporte a la minimización del desbalance del agua natural en el lugar, y su fácil integración en el paisaje de zonas densas o abiertas, las que a su vez pueden ser extensas. Entre sus principales desventajas, se encuentra la dependencia a una mantención correcta y permanente, ya que en caso de no cumplirse puede provocar contaminación, debido a la descomposición del material embancado en la obra. Entre los muchos tipos de elementos de infiltración que pueden emplearse están los que operan en forma difusa o concentrada, los que consideran almacenamiento o no,. - 18 -.

(27) Diseño y Simulación de una Red de Drenaje Pluvial en la Zona Centro-Oeste de Trinidad.. así como los superficiales o los subterráneos. En la siguiente tabla se presentan las distintas alternativas de disposición de aguas lluvias mediante infiltración en el suelo. ALTERNATIVAS DE DISPOSICIÓN DE AGUAS LLUVIAS MEDIANTE INFILTRACIÓN. Elemento. Características Extensión. Ubicación. Almacenamiento. Estanques. Difuso. Superficial. Alto. Zanjas. Concentrado. Subterráneo. Alto. Pozos. Concentrado. Subterráneo. Alto. Pavimento Poroso. Difuso. Superficial. Pequeño. Pavimento Celular. Difuso. Superficial. Pequeño. Tabla 1. Fuente: “Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos. Guía de Diseño” MINVU 1996. Figura 5. Estanque de Infiltración Obras de Almacenamiento[9] Las obras de almacenamiento captan el flujo superficial, conteniéndolo temporalmente, de tal forma de descargar, hacia aguas abajo, en un período de tiempo más prolongado, disminuyendo los caudales máximos en relación a los que provocaría la tormenta sin ellas. No tienen efecto sobre el volumen total de escorrentía, sólo disipan el efecto a través del tiempo. Su aplicación es conveniente en caso de no disponer de. - 19 -.

(28) Diseño y Simulación de una Red de Drenaje Pluvial en la Zona Centro-Oeste de Trinidad.. una capacidad de infiltración adecuada en el suelo, o cuando los volúmenes de regulación necesarios son elevados. Para su funcionamiento, requieren de aguas relativamente limpias para evitar contaminación. Además,. necesitan espacios. considerablemente amplios. Presentan como ventaja su gran efectividad en reducir caudales máximos y la posibilidad de utilizarlas para fines recreativos, principalmente. Como desventaja, se considera la necesidad de espacio. Existen dos tipos de obras de almacenamiento, los estanques y las lagunas. En ambos casos se trata de obras superficiales, construidas aguas abajo de la zona de captación. La principal diferencia entre ambas obras, es que los estanques están normalmente vacíos y se llenan de agua sólo durante las lluvias, mientras que las lagunas están normalmente llenas de agua y se ocupa la parte superior para almacenar aguas lluvias. En ambos casos se puede hablar de almacenamiento concentrado o difuso dependiendo de las alturas de agua con que opere. Estas obras pueden operar conjuntamente en serie hidráulica con otras alternativas, como obras de infiltración, o canales de drenaje urbano. De esta forma, cumplen la función de reducir la entrega de caudal a obras de conducción como zanjas o colectores, permitiendo disminuir las dimensiones de dichas obras. En el caso de funcionar de forma conjunta con pozos o estanques de infiltración, evita que éstos dispongan de grandes volúmenes de retención para acomodar los gastos que reciben a los que pueden infiltrar. Un ejemplo en la siguiente figura.. - 20 -.

(29) Diseño y Simulación de una Red de Drenaje Pluvial en la Zona Centro-Oeste de Trinidad.. Figura 6. Laguna de Retención Obras Anexas[9] En el manejo y gestión de las aguas lluvias es necesario recurrir a cierto tipo de obras que no se consideran individualmente como de infiltración o almacenamiento, sin embargo, son necesarias para que el sistema en su conjunto opere adecuadamente. Estas se han agrupado como obras anexas, ya que complementan a otras de mayor envergadura. Se incluyen como obras anexas:    . Franjas Filtrantes. Zanjas con vegetación. Canales para drenaje urbano. Acueductos hormigonados.. En el caso de las franjas de infiltración y las zanjas con vegetación se consideran como obras anexas importantes en la desconexión de áreas impermeables, aunque más bien se trata de elementos complementarios que de obras propiamente tales. Tanto los canales, como los acueductos para drenaje, son descritos a continuación.. - 21 -.

(30) Diseño y Simulación de una Red de Drenaje Pluvial en la Zona Centro-Oeste de Trinidad.. Canales para drenaje urbano[9] La utilización de canales abiertos en sistemas de drenaje urbanos de aguas lluvias tiene ventajas positivas y significativas en relación al costo, capacidad de porteo, además de sus usos recreacionales y estéticos, mantención de condiciones naturales y un cierto volumen de regulación para crecidas importantes. Entre los inconvenientes se tienen las necesidades de espacio y los costos de mantención. Este tipo de conducciones sólo debe considerarse para aguas limpias. A continuación, se consideran las siguientes alternativas para canales de conducción de aguas lluvias:  Canal natural.  Canal revestido de pasto.  Canal con vegetación en el fondo.  Canal revestido de hormigón o albañilería.  Canal revestido de enrocados.  Canal de tierra sin revestir. El canal más conveniente para el drenaje de aguas lluvias, desde todo punto de vista, corresponde a aquel formado por la propia naturaleza durante un largo período de tiempo, de modo que puede considerarse en condiciones estables. Estos tipos de cauces presentan ventajas de velocidades bajas, con lo que se tiene tiempos de concentración elevados, aminorando los caudales peaks aguas abajo, además el almacenamiento en el canal favorece la reducción de éstos mismos. Las necesidades de mantención son generalmente pequeñas, debido a su estabilidad, y finalmente el canal permite la creación de una franja verde, generando áreas recreativas.. - 22 -.

(31) Diseño y Simulación de una Red de Drenaje Pluvial en la Zona Centro-Oeste de Trinidad.. Figura 7. Canal Revestido (enrocado). Figura 8. Cauce Natural Mejorado. 1.4 Análisis y Caracterización Hidrológica. Caracterización Hidrológica Objetivos de los estudios pluviométricos[10].. - 23 -.

(32) Diseño y Simulación de una Red de Drenaje Pluvial en la Zona Centro-Oeste de Trinidad.. Los estudios pluviométricos requeridos en la estimación de los caudales de diseño de las estructuras de drenaje urbano mediante métodos hidrometeorológicos tiene por finalidad la determinación de la lluvia correspondiente a un determinado periodo de retorno o a unas condiciones prefijadas: Precipitación máxima probable (PMP). La definición de la lluvia para una duración dada debe incluir, no sólo la cantidad total, sino también su distribución temporal y su valor areal sobre la cuenca objeto de estudio. El tratamiento conjunto de estos factores es complejo y los métodos empleados siguen los siguientes pasos, una vez prefijada la duración a considerar (Ferrer Polo,2000):  Estimación de la cantidad de lluvia en un punto para dicha duración, directamente o a partir de valores obtenidos para otra duración considerada de referencia.  Reducción de los valores puntuales anteriores en función del tamaño de la cuenca para considerar el efecto de no simultaneidad de lluvias y obtener lluvias areales.  Determinación de la distribución temporal de la lluvia a lo largo de la duración considerada si el método hidrológico así lo requiere. Determinación de la lluvia con un determinado período de retorno Cantidad total de lluvia en un punto[10]. A estimación de la cantidad total de la lluvia suele abordarse mediante el análisis estadístico de los datos registrados en las estaciones pluviométricas de la zona, expresando normalmente los resultados en forma gráfica como isoyetas de un determinado período de retorno. En el análisis estadístico de lluvias máximas suelen emplearse modelos de series anuales de máximos, con lo que sólo se considera el mayor valor de cada uno de los años con datos, y métodos paramétricos que utilizan diversas leyes de distribución. - 24 -.

(33) Diseño y Simulación de una Red de Drenaje Pluvial en la Zona Centro-Oeste de Trinidad.. cuyos parámetros son ajustados a partir de los datos. La modelación estadística de máximas lluvias presenta análoga problemática a la existente en el caso de caudales (Ferrer, 1992), aunque más suavizada por el menor coeficiente de variación y de sesgo que suelen mostrar los datos pluviométricos. Esta modelación requiere la elección de: . Ley de distribución de la población.. . Método de estimación de parámetros y cuantiles.. . Esquema de uso combinado, en su caso, de datos locales y regionales. Por lo que un análisis completo viene definido por la combinación seleccionada de los tres factores.. 1.5 La Hidrología Urbana. Influencia de la urbanización en el proceso de escorrentía[10]. Se ha comentado la tendencia al desplazamiento de la población desde zonas rurales hacia zonas urbanas. En la actualidad más del 50% de la población mundial vive en zonas urbanas habiéndose incrementado en más de un 80% en los últimos 20 años. La urbanización de una cuenca modifica su respuesta hidrológica frente a una determinada lluvia. La urbanización conlleva la alteración de las redes de drenaje natural (construcción de colectores y encauzamiento que aumenta la velocidad de agua acalla aguas debajo de la cuenca) y un incremento de las zonas impermeables en superficie además con materiales menos rugosos, todo ello con el criterio de drenar lo más eficiente y rápido posible el área urbanizada. Esta dinámica afecta a la hidrología de la cuenca y muy especialmente a las zonas situadas aguas abajo. La urbanización aguas arriba modifica el hidrograma que reciben esas zonas, de forma que se incrementa el volumen de escorrentía y el caudal máximo.. - 25 -.

(34) Diseño y Simulación de una Red de Drenaje Pluvial en la Zona Centro-Oeste de Trinidad.. Asimismo, es menor el tiempo que transcurre entre el inicio de la escorrentía provocada por la lluvia y el máximo caudal: disminuye el tiempo de concentración. Todo ello conlleva que la zona aguas abajo esté afectada con mayor frecuencia por caudales que pueden crear problemas de inundación, tanto más importantes cuanto menores sean las pendientes. La disminución del tiempo de respuesta es debido, como ya se ha comentado anteriormente, a la mayor velocidad del agua en una cuenca urbana que en una cuenca natural. En este aumento de velocidad juega un papel importante la red de colectores. 1.6 Problema general del drenaje urbano: Subproblemas Diferentes autores suelen distinguir 4 subproblemas principales dentro del llamado Problema general del drenaje urbano. Se pueden enumerar según su secuencia física como[10]: 1. Determinar la cantidad de agua con la que se trata. 2. Introducir el agua en la red. 3. Diseñar una red de conductos suficientes para transportar los caudales de cálculo. 4. Verter dichos caudales a un medio receptor. De los cuatro subproblemas de drenaje urbano, el primero de ellos es el problema hidrológico, es decir, determinar la cantidad de agua que debemos evacuar desde la superficie de la ciudad. El segundo se refiere a que el agua de escorrentía que se genera en superficie, sea recogida e introducida en la red de alcantarillado subterránea. El tercer problema es el llamado problema hidráulico: diseñar una red con capacidad suficiente para que los caudales captados circulen sin problemas hasta el punto de desagüe, mientras que el cuarto de los subproblemas se refiere a estudiar las consecuencias desde el punto de vista de cantidad y calidad sobre el medio receptor.. - 26 -.

(35) Diseño y Simulación de una Red de Drenaje Pluvial en la Zona Centro-Oeste de Trinidad.. 1.7 El drenaje y el alcantarillado en Cuba[4]. En nuestro país se utiliza el sistema de drenaje separativo debido a las intensas lluvias y en consideración de que estas se producen solo durante 6 meses al año ya que si se usara el sistema combinado no sería factible, pues la mitad del tiempo la tubería se mantendría prácticamente en desuso, por lo cual es preferible usar 2 sistemas de tuberías de menor diámetro. El sistema de alcantarillado de Cuba es por gravedad, en los años 50 Estados Unidos trato de construir un sistema a presión en nuestro país, lo cual no funciono pues al ser muy llano el terreno, aunque la tubería tenga una pendiente, llega un momento que es muy profunda y es necesario bombear el agua. En varios municipios como La Lisa, Marianao, Trinidad en que los cuales no pertenecen al sistema de alcantarillado en caso de que este exista, sobre todo en las viviendas se utilizan las fosas para el drenaje de las aguas residuales. En otros países se utiliza la misma tecnología, simbología, el mismo método de cálculo, se utilizan otro tipo de secciones debido al sistema combinado de las tuberías y todas las aguas residuales van a un lugar de tratamiento antes de ser expulsadas al mar.. 1.8 Descripción de Software para diseño y modelación de Drenaje y Alcantarillado Debido al avance tecnológico que se ha venido desarrollando a nivel mundial, se ha tenido la posibilidad de desarrollar una serie de software que permiten optimizar el diseño y modelación de drenaje y alcantarillado en el mundo, a continuación, se expondrán algunos ejemplos de estos programas.. - 27 -.

(36) Diseño y Simulación de una Red de Drenaje Pluvial en la Zona Centro-Oeste de Trinidad.. CalCol Se trata de un programa que realiza el cálculo aplicando la fórmula de Manning y la ecuación de continuidad, en régimen uniforme. Permite efectuar los cálculos hidráulicos de colectores circulares fijando las variables que nos interesen: caudal, rugosidad, pendiente, diámetro, calado, velocidad, el número de Froude o el porcentaje de llenado. Complementa los cálculos hidráulicos a partir de los datos introducidos con los resultados correspondientes también de capacidad máxima de la sección, sección llena y calado asociado.. CalOv Los colectores con secciones ovoides son muy prácticos cuando tratamos con caudales muy variables, pero con este software se facilita el proceso de diseño y comprobación. Al igual que CalCol, permite efectuar los cálculos hidráulicos de colectores ovoides fijando las variables que nos interesen: caudal, rugosidad, pendiente, diámetro, calado, velocidad, el número de Froude o el porcentaje de llenado. También complementa los cálculos hidráulicos a partir de los datos introducidos con los resultados correspondientes a capacidad máxima de la sección, sección llena, energía mínima y conservación de la energía específica. AMP Se trata de un software destinada al diseño de redes de saneamiento que están sujetas a varios criterios de diseño hidráulico. A partir de cálculos en régimen uniforme aplicando la fórmula de Manning y la ecuación de continuidad, la aplicación realiza un análisis multicriterio de pendientes de colectores en lámina libre.. - 28 -.

(37) Diseño y Simulación de una Red de Drenaje Pluvial en la Zona Centro-Oeste de Trinidad.. Los criterios que se pueden aplicar en el análisis son: capacidad a sección llena, velocidades máxima y mínima, resguardo, autolimpieza fórmula Shields, Froude máximo y mínimo, pendientes constructivas máxima y mínima, condición autolimpieza. Se pueden escoger todos los criterios o sólo los que interesen analizar. A partir de los datos de caudales de diseño de la red (Caudales de aguas pluviales para distintos periodos de retorno, caudales medios, punta y mínimos de aguas residuales, caudales industriales etc.), y para un colector determinado dado (diámetro, rugosidad) la aplicación determina las pendientes máxima y mínima que cumplen simultáneamente con todos los criterios de diseño escogidos. PipeChk Este es un software contrario a la AMP, con lo que se aplica más para la comprobación de redes de saneamiento sujetas a varios criterios de diseño hidráulico. Los criterios que se pueden aplicar en el análisis son los mismos: capacidad a sección llena, velocidades máxima y mínima, resguardo, autolimpieza fórmula Shields, Froude máximo y mínimo, pendientes constructivas máxima y mínima, condición autolimpieza. Se pueden escoger todos los criterios o sólo los que interesen analizar. Al igual que con la aplicación AMP, a partir de los distintos caudales de diseño de la red (Caudales de aguas pluviales para distintos periodos de retorno, caudales medios, punta y mínimos de aguas residuales, caudales industriales etc.) el programa PipeChk realiza la comprobación para un colector determinado, con la diferencia que en este caso además de diámetro y rugosidad también se determina su pendiente. HCanales Permite realizar una gran cantidad de cálculos hidráulicos, tanto de canalizaciones como de estructuras hidráulicas: . calado. normal:. de. secciones. trapezoidales,. rectangulares,. triangulares,. parabólicas y circulares; secciones de máxima eficiencia y mínima infiltración. - 29 -.

(38) Diseño y Simulación de una Red de Drenaje Pluvial en la Zona Centro-Oeste de Trinidad.. . calado. crítico. de. secciones. trapezoidales,. rectangulares,. triangulares,. parabólicas y circulares . resaltos de secciones trapezoidales, rectangulares, parabólicas y circulares. . curvas de remanso por integración gráfica, Bakhmeteff, Besse, directo por tramos, tramos fijos. . cálculo de caudal de secciones trapezoidales, rectangulares, triangulares, parabólicas y circulares. . obtener base, pendiente o rugosidad de canales trapezoidales para un caudal dado; dimensionar colectores a partir de una relación calado/diámetro, calcular pendiente o rugosidad de colectores.. . cálculos de caudales en secciones naturales con rugosidad constante en toda la sección, con rugosidad variable a lo largo de la sección. . cálculo de salida bajo compuertas y por orificios. . cálculo de vertederos rectangulares, triangulares o trapezoidales. . cálculos de transiciones de entrada o de salida alabeada en flujo subcrítico.. . cálculo de vertederos laterales. . cálculo de pérdidas en canales. Además, todo desde una interfaz muy sencilla e intuitiva de usar, con soporte gráfico para que quede claro a qué se refiere cada dato y cada parámetro. En nuestro país algunos de los más utilizadas por los profesionales que se dedican al diseño y simulación de drenaje y alcantarillado son: SWMM El Stormwater Management Model (modelo de gestión de aguas pluviales) de la EPA (SWMM) es un modelo dinámico de simulación de precipitaciones, que se puede utilizar para un único acontecimiento o para realizar una simulación continua en periodo extendido. El programa permite simular tanto la cantidad como la calidad del agua evacuada, especialmente en alcantarillados urbanos. El módulo de escorrentía o. - 30 -.

(39) Diseño y Simulación de una Red de Drenaje Pluvial en la Zona Centro-Oeste de Trinidad.. hidrológico de SWMM funciona con una serie de cuencas en las cuales cae el agua de lluvia y se genera la escorrentía. El módulo de transporte o hidráulico de SWMM analiza el recorrido de estas aguas a través de un sistema compuesto por tuberías, canales, dispositivos de almacenamiento y tratamiento, bombas y elementos reguladores. Asimismo, SWMM es capaz de seguir la evolución de la cantidad y la calidad del agua de escorrentía de cada cuenca, así como el caudal, el nivel de agua en los pozos o la calidad del agua en cada tubería y canal durante una simulación compuesta por múltiples intervalos de tiempo. Akua Es un software para diseño de redes de alcantarillado sanitario y drenaje pluvial. Sirve tanto para realizar nuevos diseños, como para modelar sistemas existentes. En tiempos mínimos se pueden obtener diseños óptimos y planos definitivos listos para la ejecución de la obra, no complica al proyectista con excesivas variables y opciones, sino que asume las tecnologías, unidades de medida y formulaciones comúnmente empleadas y automatiza gran parte de los procesos de entrada de datos. SewerUp Es un software para diseño de redes de alcantarillado, fácil de usar, que dispone de todas las prestaciones profesionales posibles. Ha sido concebido para ser de uso intuitivo y sencillo. Sirve tanto para realizar nuevos diseños de sistemas de alcantarillado, como para modelar sistemas existentes. En tiempos mínimos se pueden obtener diseños óptimos y planos definitivos listos para la ejecución de la obra. Algunas opciones: . Lectura de base cartográfica en formato vectorial (dxf, shp) o raster (jpg, bmp). . Distribución visual de los nodos y tramos.. . Dibujo de mapas planimétricos y curvas de nivel.. - 31 -.

(40) Diseño y Simulación de una Red de Drenaje Pluvial en la Zona Centro-Oeste de Trinidad.. . Calculo automático de longitudes, áreas y gastos.. . Diseño óptimo de las pendientes y diámetros.. . Vistas en Zoom, Paneos y 3D.. . Cálculo de los volúmenes de obra.. . Resultados tabulados en Excel.. . Dibujo de planta general y perfiles en AutoCAD.. . Posibilidad de trabajar con varios subsistemas al mismo tiempo.. . Facilidades para la simulación de redes existentes.. Roko Es un sistema integrado de programas para el cálculo y diseño óptimo de redes hidráulicas urbanas. El sistema ROKO está formado por tres módulos: DATOS, ROCT y KOLEC. El módulo DATOS permite la creación, revisión y modificación en pantalla de los ficheros de datos necesarios para calcular las redes.. Estos ficheros se graban en el. disco en un directorio nombrado por el usuario. El sistema le añade una extensión al nombre del directorio según el tipo de red. Cada fichero contenido en el directorio representa un grupo de datos según se explica en los módulos ROCT y KOLEC. El módulo ROCT calcula redes de abastecimiento de agua formadas por tuberías circulares con flujo a presión. El proceso de cálculo está concebido para redes que forman circuitos (redes en malla), aunque es posible calcular redes abiertas y mixtas. El módulo KOLEC calcula redes de alcantarillado sanitario y de drenaje pluvial formadas por tuberías circulares o rectangulares con flujo por gravedad (llenado parcial). El proceso de cálculo está concebido para resolver redes con cualquier configuración, la única limitación es que sean siempre redes abiertas, o sea, no es posible la formación de circuitos.. - 32 -.

(41) Diseño y Simulación de una Red de Drenaje Pluvial en la Zona Centro-Oeste de Trinidad.. Referencias Bibliográficas 1.. CARPIO, H.A., N.C.G. SIGARAN, and K.C.T. HERNANDEZ, PROPUESTA DE DISEÑO DEL DRENAJE PLUVIAL,ALCANTARILLADO SANITARIO Y PLANTA DE TRATAMIENTO PARA LAS AGUAS RESIDUALES DEL CASCO URBANO Y COLONIAL" LA ENTREVISTA" DEL MUNICIPIO SAN CAYETANO ISTEPEQUE, DEPARTAMENTO DE SANVICENTE. 2011.. 2.. Agua,. C.N.d.,. MANUAL. DE. AGUA. POTABLE,. ALCANTARILLADO. Y. SANEAMIENTO. 2007. 3.. CEDEX, Guía Técnica sobre redes de saneamiento y drenaje urbano. 2007.. 4.. SIAPA, Lineamientos Técnicos para Factivilidades.. CAP.3 Alcantarillado. Sanitario, 2014. 5.. SANTAMARIA,. M.A.P.,. DISEÑO. DE. LA. RED. DE. ALCANTARILLADO. SANITARIO Y PLUVIAL DEL CORREGIMIENTO DE LA MESA - CESAR. 2009. 6.. ERICK ELIAS CABRERA PAIZ, J.C.C.C., RICARDO MENDEZ GARCIA, DISEÑO DEL SISTEMA DE ALCANTARILLADO SANITARIO, AGUAS LLUVIAS, Y PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES PARA EL AREA URBANA DEL MUNICIPIO DE SAN MATIAS, DEPARTAMENTO DE LA LIBERTAD. 2011.. 7.. (Perú), M.d.T.y.C., Manual de Hidrología, Hidraúlica y Drenaje.. 8.. CÁCERES,. B.L.A.,. ANÁLISIS. DE. TÉCNICAS. ALTERNATIVAS. Y. COMPLEMENTARIAS PARA LAS SOLUCIONES DE AGUAS LLUVIA EN UNA CUENCA. APLICACIÓN AL VALLE DE CHICUREO. UNIVERSIDAD DE CHILE FACULTAD DE CIENCIAS FISICAS Y MATEMATICAS DEPARTAMENTO DE INGENIERIA CIVIL, 2007. 9.. Sánchez, J.R., Nuevas tendencias en la gestión de drenaje pluvial en una cuenca urbana. Universidad de La Rioja- Depatamento de Ingeniría Mecánica, 2013.. - 33 -.

(42) Diseño y Simulación de una Red de Drenaje Pluvial en la Zona Centro-Oeste de Trinidad.. CAPÍTULO 2: Propuesta de diseño de un Alcantarillado Pluvial. En este capítulo se procede a desarrollar una propuesta de diseño hidráulico de una red de alcantarillado pluvial para la zona Centro – Oeste de la ciudad de Trinidad. Ubicación geográfica de la cuenca: La cuenca en estudio se encuentra ubicada en el municipio de Trinidad, delimitada al norte con el Hotel Las Cuevas, al sur con la calle Línea, por el este con la calle Mercedes y al oeste con la calle Fidel Claro.. Figura 9. Microlocalización de la cuenca en estudio. (Google-Earth).. Topografía: La topografía de la cuenca en estudio es muy variable, con cotas que oscilan entre 43.70 hasta 103.23 metros sobre el nivel medio del mar (msnmm), dicha cuenca, presenta grandes pendientes en sus calles verticales siendo estas llanas en su parte más baja, de - 34 -.

(43) Diseño y Simulación de una Red de Drenaje Pluvial en la Zona Centro-Oeste de Trinidad.. ahí las inundaciones y las calles horizontales en su gran mayoría presentan pequeñas pendientes. Geología: Desde el punto de vista geológico la cuenca en estudio se encuentra asentada sobre un suelo cálcico con cavernas en su interior, “de ahí la no existencia de alcantarillado sanitario en la ciudad”, por lo que la capacidad de infiltración del suelo es alta. 2.1 Caracterización de la situación actual de la cuenca. La cuenca objeto de estudio cuenta con algunos lugares donde existen rejillas para la recolección de la escorrentía superficial, donde gran parte del volumen de agua es conducido hasta la calle Luz Caballero, donde se producen inundaciones que afectan las viviendas de la zona, ocasionadas también porque se construyó un garaje sobre una obra de fábrica de drenaje, que descargaba libremente a uno de los cursos fluviales que evacuaba parte de las aguas pluviales de la zona centro de la ciudad de Trinidad, principalmente de la cuenca norte, limitando así su funcionamiento.. Figura 10. Escurrimiento en calle Simón Bolívar.. - 35 -.

(44) Diseño y Simulación de una Red de Drenaje Pluvial en la Zona Centro-Oeste de Trinidad.. Figura 11. Inundaciones en calles Mercedes (a) y Luz Caballero (b). Por lo expresado anteriormente y por las imágenes reales mostradas de la zona objeto de estudio, se hace necesario he indispensable la proyección y construcción de una red de alcantarillado pluvial totalmente nueva, ya que la existente es escasa y no garantiza el adecuado drenaje de las aguas pluviales frente a precipitaciones intensas. 2.2 Descripción general del nuevo sistema de alcantarillado. Se diseñará una infraestructura de alcantarillado pluvial, cuyos componentes principales serán las rejillas, la red de tuberías y los registros o pozos de visita. La nueva red de alcantarillado pluvial, permitirá evacuar las aguas generadas por el proceso lluviaescurrimiento hacia el punto de disposición final #1, ubicado en el límite aguas abajo de la calle Fidel Claro. Los registros de inspección o pozos de visita se colocarán en cambios de diámetro, pendiente y dirección, y la distancia entre ellos dependerá del diámetro de los conductos obtenido en el proceso de diseño. En la tabla siguiente se especifica el valor de esta distancia en función del diámetro de dichos conductos. Distancia entre registros (m). Diámetros (mm). 100. 300. 120. 400 – 800. 150. 900 – 1400. - 36 -.

(45) Diseño y Simulación de una Red de Drenaje Pluvial en la Zona Centro-Oeste de Trinidad.. 1 500 − 2 000. 200 Tabla 2. Distancia máxima entre registros[11].. Para lograr disminuir el volumen de agua hacia la calle Luz Caballero que en este caso es la más afectada, se propone la ubicación de cuatro pozos de infiltración con la capacidad de infiltrar un caudal que pudiera oscilar desde 50 l/s hasta 120 l/s, en la zona del casco histórico de la ciudad, también se establecieron 3 puntos de vertimiento (disposición final) de la cuenca norte, donde 2 de ellos serán vertidos a un cauce natural existente en la ciudad que conducirá el agua hasta el río Guaurabo cuya desembocadura es en la playa La Boca y la otra descarga se realizará a través de un canal existente que parte desde la calle Esmeralda hasta los límites del barrio Los Cedros.. Figura 12. Dimensiones del Pozo de Infiltración. (Elaboración Propia). - 37 -.

(46) Diseño y Simulación de una Red de Drenaje Pluvial en la Zona Centro-Oeste de Trinidad.. 2.3 Método obtener los caudales de diseño. Fórmula Racional[12].. Figura 13. Comportamiento del gasto.. La fórmula Racional considera el cálculo de los caudales de diseño la expresión siguiente: Q = C · I · A / 0,36 Donde: Q: Caudal máximo de escurrimiento superficial, en (L/s) C: Coeficiente de escurrimiento, adimensional, en (L/s) I: Intensidad media de la lluvia, en (mm/h) A: Área de aporte, en (ha). - 38 -.

(47) Diseño y Simulación de una Red de Drenaje Pluvial en la Zona Centro-Oeste de Trinidad.. Tabla 3. Valores del coeficiente de escorrentía “C”[13].. 2.4 Cálculos preliminares al diseño con el módulo ROKO – KOLEC. Tiempo de concentración. El tiempo de concentración de una cuenca, es el tiempo que tarda el flujo en viajar desde el punto más alejado de la cuenca, hasta la salida de la misma. Este tiempo depende de las características geomorfológicas de la cuenca. Por lo tanto, su valor es dependiente de la zona y puntualmente el área analizada. Fórmula de Izzard, 1946 𝑡𝑒 = 𝐾 · (𝐵𝑖+𝑐i) · 𝐿 1/3 / (𝑆1/3 · 𝑖2/3) Donde: K- factor de conversión de unidades, igual a 113,391 para el sistema métrico. Bi - factor de conversión de unidades, igual a 0,00027 para el sistema métrico. L- longitud del camino más largo del flujo, en metros. S- pendiente del camino del flujo superficial, en m/m - 39 -.

(48) Diseño y Simulación de una Red de Drenaje Pluvial en la Zona Centro-Oeste de Trinidad.. i- intensidad de la lluvia en cm/h. ci- coeficiente de rugosidad retardada (Izzard, 1946).. Fórmula de Kerby, 1959 𝑡𝑒 = 𝐾 (𝐿 · 𝑁 / 𝑆1/2)0,467 Donde: K- Factor de conversión de unidades, igual a 1.44 para el sistema métrico. L- longitud del camino más largo del flujo, en metros. S- pendiente del camino del flujo superficial. N- coeficiente de rugosidad retardada o coeficiente de Kerby.. Fórmula de Ragan o de la Onda Cinemática, 1972: 𝑡𝑒 = 𝐾 · (𝐿 · 𝑛)0,6 / (i0,4 · 𝑆0,3) Donde: K- factor de conversión de unidades, igual a 2.78 para el sistema métrico. L- longitud del camino más largo del flujo, en metros. i- intensidad de la lluvia, en cm/h. S- pendiente del camino del flujo superficial. n- coeficiente de rugosidad de Manning. Fórmula del California Culvert Practice (Fórmula de California) 𝑡𝑒 = 0,0195 · (𝐿3/H)0,385 Donde: Te- Tiempo de entrada, en minutos. L- Longitud del cauce principal, en metros. H- Desnivel máximo del cauce principal, en metros. Según (Bolinaga, 1979) esta fórmula se desarrolló fundamentalmente para ser aplicada en cuencas de cauces naturales, aunque ha sido aplicada con frecuencia fuera de la recomendación de aplicabilidad, ha demostrado buenos resultados para cuencas pequeñas poco urbanizadas. - 40 -.

(49) Diseño y Simulación de una Red de Drenaje Pluvial en la Zona Centro-Oeste de Trinidad.. Sin embargo, existen dudas sobre esta ecuación, en el sentido de que da valores menores que los reales. Puede haber casos en donde exista más de un camino (varios colectores o cauces) para llegar al punto deseado, cada uno con diferente tiempo de concentración (Bolinaga, 1979) Para cuencas urbanizadas el tiempo de entrada se puede calcular a partir de la velocidad promedio del agua que escurre por las laderas mediante las siguientes ecuaciones (SCS, 1986) Zonas no pavimentadas V = 4.92 S 0.5 (2.6) Zonas pavimentadas V = 6.20 S 0.5 (2.7) Donde: V- velocidad del flujo en m/s. S- pendiente promedio de la ladera en m/m. La determinación de te puede hacerse también por gráficos y ábacos.. - 41 -.