Universidad Austral de Chile
Facultad de Ciencias de la Ingeniería
Escuela de Ingeniería Civil en Obras Civiles
“PROYECTO DE MODIFICACIÓN Y DISEÑO
COLECTOR DE AGUAS LLUVIAS, SECTOR BARRIO
ESTACIÓN, VALDIVIA”
Tesis para optar al Título de: Ingeniero Civil en Obras Civiles
Profesor Guía: Sr. Luis Collarte Concha Ingeniero Civil. M.Sc. en Ingeniería Civil Especialidad Hidráulica Mecánica de Suelos
DAISY MARIOLY VASQUEZ VEGA
VALDIVIA – CHILE
i ÍNDICE DE CONTENIDOS. CONTENIDO PÁGINA ÍNDICE DE CONTENIDOS. ÍNDICE DE FIGURAS. ÍNDICE DE TABLAS. RESUMEN. SUMMARY. CAPÍTULO I. INTRODUCCIÓN. 1 1.1.- GENERALIDADES. 1
1.2.- PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA. 3
1.3.- OBJETIVOS. 4
1.3.1.- OBJETIVO GENERAL. 4
1.3.2.- OBJETIVOS ESPECÍFICOS. 4
1.4.- METODOLOGÍA. 5
CAPÍTULO II. DESCRIPCIÓN DEL ÁREA DE ESTUDIO. 6
2.1.- ANTECEDENTES GENERALES. 6
2.2.- CUENCA APORTANTE. 7
2.3.- INFRAESTRUCTURA EXISTENTE DE AGUAS LLUVIAS. 9
CAPÍTULO III. MARCO TEÓRICO CONCEPTUAL. 13
3.1. ALCANTARILLADO DE AGUAS LLUVIAS. 13
3.2.- CARACTERIZACIÓN HIDROLÓGICA. 15
ii
3.2.2.- TIEMPO DE CONCENTRACIÓN. 17
3.2.2.1.- RECORRIDO DE LA ONDA. 18
3.2.2.2.- TIEMPO DE CONCENTRACION PARA CUENCAS RURALES O PREVIAS A
SER URBANIZADAS. 19
3.2.2.3. TIEMPO DE CONCENTRACIÓN PARA CUENCAS URBANAS. 20
3.2.3.- TORMENTAS DE DISEÑO. 21
3.2.4.- CURVAS INTENSIDAD, DURACIÓN, FRECUENCIA: IDF 24
3.2.4.1.- OBTENCIÓN DE LAS CURVAS IDF. 25
3.2.4.2.- ESTIMACIÓN DE CURVAS IDF A PARTIR DE DATOS DE LLUVIA DIARIA 26
3.2.4.3.- COEFICIENTES DE DURACIÓN Y FRECUENCIA. 30
3.2.5.- ESTIMACIÓN DE LLUVIAS PARA DURACIONES MENORES A 1 HORA. 33
3.3.- CAUDALES DE DISEÑO. 34
3.3.1.-METODO RACIONAL. 35
3.3.1.1.- INTENSIDAD DE LA LLUVIA DE DISEÑO. 36
3.3.1.2.- AREA APORTANTE. 37
3.3.1.3.- COEFICIENTE DE ESCORRENTÍA. 37
3.4. CRITERIOS DE DISEÑO DE UN SISTEMA DE AGUAS LLUVIAS. 39
3.4.1.- COLECTORES SUBTERRÁNEOS. 39
3.4.1.1- CONDICIONES HIDRÁULICAS. 40
3.4.2.- CÁMARAS DE INSPECCIÓN. 42
3.4.2.1.- TIPOS DE CÁMARAS DE INSPECCIÓN. 43
3.4.2.1.1.- CÁMARAS TIPO A. 43
iii CONTENIDO PÁGINA
CAPÍTULO IV. MEMORIA DE CÁLCULO. 48
4.1.- GENERALIDADES. 48 4.2.- ANTECEDENTES. 48 4.3.- BASE DE CÁLCULO. 49 4.3.1.- TIPO DE OBRA. 49 4.4.- MEMORIA DE CÁLCULO. 49 4.4.1.- ÁREAS APORTANTES. 50 4.4.2.- COEFICIENTE DE ESCORRENTÍA. 53
4.4.3.-ELECCIÓN DEL PERÍODO DE RETORNO. 56
4.4.4.- ANTECEDENTES PLUVIOMETRICOS DE LA ZONA EN ESTUDIO. 57
4.4.4.1.- PRECIPITACIÓN MÁXIMA DIARIA. 57
4.4.5.-DETERMINACIÓN DE CURVAS I-D-F. 57
4.4.5.1.- DURACIONES ENTRE 1 Y 24 HORAS. 57
4.4.5.2.- DURACIONES MENORES A 1 HORA. 61
4.4.6.- TIEMPO DE CONCENTRACIÓN. 63
4.4.7.-INTENSIDAD DE LA LLUVIA DE DISEÑO. 65
4.4.8.- CAUDAL SOLICITANTE DE AGUAS LLUVIAS. 66
4.4.9.- CÁLCULO DEL CAUDAL DEL CANAL. 67
4.4.9.1.- ÁREA APORTANTE AL CANAL. 67
4.4.9.2.- COEFICIENTE DE ESCORRENTÍA. 68
4.4.9.3.- TIEMPO DE CONCENTRACIÓN. 69
4.4.9.4.- INTENSIDAD DE LA LLUVIA DE DISEÑO. 70
iv
4.4.10.- CAUDAL FINAL DE DISEÑO. 72
4.4.11.- DISEÑO DE LA RED DE COLECTORES. 72
4.4.11.1.- CRITERIOS HIDRÁULICOS CONSIDERADOS. 74
4.4.12.- VERIFICACIÓN DE LOS DIÁMETROS. 75
4.4.13.- VERIFICACIÓN DE LA VELOCIDAD. 66
4.4.14.- MURO DE BOCA PARA LOS TUBOS DE CEMENTO COMPRIMIDO. 79
CAPÍTULO V.- PLANOS. 81
CAPÍTULO VI. CONCLUSIONES. 86
REFERENCIA BIBLIOGRAFICA 88
ANEXO A. MECÁNICA DE SUELOS.
ANEXO B. ESPECIFICACIONES TÉCNICAS ESPECIALES DE AGUAS LLUVIAS. ANEXO C. PRESUPUESTO ESTIMATIVO.
v
ÍNDICE DE FIGURAS.
CONTENIDO PÁGINA
CAPITULO II.-
FIGURA 2-1A: CUENCA APORTANTE EXISTENTE. 7
FIGURA 2-1B: CUENCA APORTANTE AL CANAL EXISTENTE. 8 FIGURA 2-2: SECTOR CON PROBLEMAS DE INUNDACIÓN Y DE EMPLAZAMIENTO DEL
NUEVO COLECTOR. 8
FIGURA 2-3: RED DE COLECTORES EXISTENTES. 10
FIGURA 2-4: TUBO DE PVC 500MM DE DESCARGA AL CANAL. 11 FIGURA 2-5: TUBERÍA RECEPTORA 500MM AL FINAL DEL CANAL. 11
FIGURA 2-6: CANAL SIMPSON. 12
FIGURA 2-7: CÁMARA EXISTENTE A CONECTAR COLECTOR PROYECTADO. 12
CAPITULO III.-
FIGURA 3-1: CICLO HIDROLÓGICO. 16
FIGURA 3-2: CÁMARA TIPO A. 46
FIGURA 3-3: CÁMARA TIPO B. 47
CAPITULO IV.-
FIGURA 4-1: ÁREAS APORTANTES. 51
GRÁFICO 4-1: CURVAS INTENSIDAD- DURACIÓN- FRECUENCIA, DURACIÓN ENTRE
1-24 HORAS. 60
FIGURA 4-2: DISPOSICIÓN DE SUMIDEROS EXISTENTES. 64
FIGURA 4-3: ÁREAS APORTANTES AL CANAL. 67
FIGURA 4-4: SECCIÓN PARCIALMENTE LLENA. 72
vi
ÍNDICE DE TABLAS.
CONTENIDO PÁGINA
CAPITULO III.-
TABLA 3-1: PERÍODOS DE RETORNO PARA DISTINTA VIDA ÚTIL Y RIESGO DE FALLA. 17 TABLA 3-2: COEFICIENTE DE RUGOSIDAD DE MANNING. 20 TABLA 3-3: INTENSIDADES DE LLUVIA PARA DISTINTOS PERÍODOS DE RETORNO
(MM/H) 25
TABLA 3-4: PRECIPITACIÓN MÁXIMA EN 1,2 Y 3 DÍAS. 28 TABLA 3-5: COEFICIENTES DE DURACIÓN PARA 10 AÑOS DE PERÍODO DE RETORNO.
31
TABLA 3-6: COEFICIENTES DE FRECUENCIA. 32
TABLA 3-7: COEFICIENTE DE ESCORRENTÍA, PARA ZONAS URBANIZADAS. 38
TABLA 3-8. COEFICIENTES DE ESCORRENTÍA. 38
TABLA 3-9: VELOCIDADES MÁXIMAS ADMISIBLES. 41
TABLA 3-10: COEFICIENTES DE RUGOSIDAD DE MANNING PARA COLECTORES. 41
TABLA 3-11: ALTURAS CÁMARAS TIPO A. 44
CAPITULO IV.-
TABLA 4-1: ÁREAS APORTANTES. 52
TABLA 4-2: COEFICIENTES DE ESCORRENTÍA SUPERFICIAL. 53 TABLA 4-3: COEFICIENTES DE ESCORRENTÍA PONDERADOS PARA CADA ÁREA
APORTANTE. 54
TABLA 4-4: PERÍODOS DE RETORNO PARA DISEÑO. 56
TABLA 4-5. COEFICIENTE DE DURACIÓN, 1-24 HORAS. 58
vii
ÍNDICE DE TABLAS.
CONTENIDO PÁGINA
TABLA 4-7: CURVAS PRECIPITACIÓN- DURACIÓN- FRECUENCIA (MM), 1-24 HORAS. 59 TABLA 4-8: CURVAS INTENSIDAD- DURACIÓN- FRECUENCIA (MM), 1-24HORAS. 60 TABLA 4-9: COEFICIENTES DE DURACIÓN, 5-60 MINUTOS. 62 TABLA 4-10: CURVAS PRECIPITACIÓN- DURACIÓN- FRECUENCIA (MM), 5-60 MINUTOS.
62 TABLA 4-11: CURVAS INTENSIDAD- DURACIÓN- FRECUENCIA (MM), 5-60 MINUTOS. 63 TABLA 4-12: TIEMPO DE CONCENTRACIÓN DE LA CUENCA. (MORGALI Y LINSLEY). 65
TABLA 4-13: ÁREAS APORTANTES AL CANAL. 68
TABLA 4-14: COEFICIENTE DE ESCORRENTÍA. 69
TABLA 4-15: RESUMEN DE DISEÑO COLECTORES. 72
RESUMEN.
La presente memoria de título, trata del diseño y modificación de un colector de aguas lluvias ubicado en el sector Barrio Estación de la ciudad de Valdivia. Este colector evacuará las aguas lluvias que recibe el cauce Simpson, provenientes de una cuenca aportante estudiada en esta memoria más el caudal aportante por el canal, el cual en algunas oportunidades ha excedido su capacidad de porteo, provocando inundaciones a la población aledaña.
En su parte medular se describen los parámetros hidrológicos e hidráulicos utilizados en el cálculo del colector, el cual se diseñó para un período de retorno de 10 años recomendado para este tipo de obras.
Finalmente se entregan las soluciones y conclusiones que son requeridas para ejecutar el proyecto más un presupuesto estimativo de éste.
SUMMARY
The already mentioned thesis, is about the design and modification of rainwater trap located in the Barrio Estación sector of the city of Valdivia. This trap drains the collected rainwater into the Simpson channel, that comes from a contributing basin studied in this thesis as well as the contributing flow from the channel, which on some occasions has exceeded its capacity, causing flooding of the neighboring population.
At its core hydrologic and hydraulic parameters, used in the calculation of the trap, are described, which was designed for a return time of 10 years recommended for this type of work.
Then delivered solutions and conclusions that are required to implement the project plus an estimated budget cost of this.
1 CAPÍTULO I. INTRODUCCIÓN.
1.1.- GENERALIDADES.
Debido al actual crecimiento y desarrollo de la ciudad de Valdivia, el tema de las inundaciones es un conflicto patente en distintos sectores de esta ciudad. Principalmente este problema se debe a varios factores que se presentan actuando individual o combinadamente, entre estos se pueden mencionar el incremento de suelos pavimentados y como consecuencia cada vez menos suelos con cobertura vegetal, aumento de techumbres provocado por la urbanización, sumado a la disminución de la vegetación en las zonas aledañas a la ciudad, implica un aumento de caudal que debe ser evacuado por las redes de aguas lluvias existentes. Otro tema importante referido a las inundaciones es la falta de mantención de las redes e infraestructura de los sistemas de aguas lluvias, los cuales ven sobrepasada su capacidad hidráulica debido a la acumulación de sedimentos, escombros, etc.
También otro factor importante que participa en el problema de las inundaciones y que se observa en algunas ciudades, es la existencia de las redes unitarias de alcantarillado, las cuales evacuan aguas servidas y aguas lluvias. Estas redes ven sobrepasada su capacidad de conducción, debido al aumento de población que cada año incrementa el aporte de caudal. En el caso de la ciudad de Valdivia, aproximadamente un 30% de las redes existentes cumple esta función y estas se encuentran ubicadas en el sector centro y centro sur de la ciudad.
Los cambios en el comportamiento de las aguas lluvias que producen las nuevas urbanizaciones, generan la mayoría de las veces conflictos hacia aguas abajo. Estos conflictos generalmente no están considerados en el diseño y la
2 operación del sistema de drenaje de la cuenca inferior, y por lo tanto se evidencian cada vez que ocurren precipitaciones de cierta magnitud. Dentro de los eventos negativos más frecuentes se puede mencionar el aumento en la frecuencia e intensidad de las inundaciones, inutilidad del sistema de evacuación de aguas abajo a medida que se desarrolla la zona superior, erosión y sedimentación de los cauces receptores, entre otros.
Entre todos los factores que pueden contribuir al incremento de las inundaciones en los sectores urbanos, el principal problema es la destrucción de los sistemas de evacuación natural los cuales no son reemplazados por sistemas artificiales adecuados. Una manera de minimizar los efectos o la magnitud de las inundaciones es reducir los caudales aportantes y sus volúmenes, mediante la incorporación en la cuenca aportante de sistemas tradicionales como son los colectores de aguas lluvias o en la implementación de soluciones alternativas en lo que se refiere al almacenamiento temporal y la infiltración de las aguas.
De acuerdo a esto, se debe evacuar las aguas superficiales en forma rápida y oportuna. El logro de esto se alcanza construyendo estructuras que permitan captar y controlar las aguas, para disponer su descarga en puntos donde no causen problemas.
Para dar solución a lo anteriormente expuesto, el Ministerio de Obras Públicas desarrolló Planes Maestros de Aguas Lluvias, en los cuales se definen lo que constituye la red primaria de sistemas de evacuación y drenaje de aguas lluvias, mediante el uso de colectores. En el caso de la ciudad de Valdivia, ésta cuenta con un Plan Maestro de Evacuación y Drenaje de Aguas Lluvias desarrollado el año 2002, conforme a la ley 19.525 de noviembre del año 1.997. (DOH, 2002).
3 1.2.- PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA.
Específicamente la problemática que conlleva a este estudio, es el tema de la inundación que provoca el canal perteneciente al cauce Simpson, el cual portea aguas lluvias de la cuenca de estudio indicada de la Figuras 2-1a-b. Este canal atraviesa sitios formados por viviendas familiares, los cuales en temporada invernal se ven afectados por el aumento de caudal de este cauce debido a las aguas lluvias.
En la perspectiva de contribuir con la solución al problema de las aguas lluvias antes mencionado, es que se realizó un estudio tomando en cuenta todos los antecedentes técnicos y legales aplicables para así dar solución a la problemática, realizando la construcción de un nuevo colector el cual recibirá la descarga que recibe el cauce Simpson.
El punto más alto de este colector absorbería las aguas provenientes aguas arriba de la cuenca de estudio indicada en la Figura 2-1a, mientras que el punto más bajo sería conectado a una cámara de inspección existente que conecta a un colector de la red primaria ubicado en Avenida Simpson.
El sector con problemas de inundación y de emplazamiento del nuevo colector es el que se indica en la Figura 2-2.
4 1.3.- OBJETIVOS.
1.3.1.- OBJETIVO GENERAL.
Definir un proyecto de modificación y diseño de colector de aguas lluvias que dé solución al problema presentado, construyendo un nuevo colector que evacúe las aguas lluvias que confluyen al cauce del canal Simpson, considerando todos los aspectos técnicos y económicos que involucran su construcción.
1.3.2.- OBJETIVOS ESPECÍFICOS.
Describir y caracterizar el actual sistema de aguas lluvias correspondientes a la ciudad de Valdivia, específicamente al sector considerado.
Determinar la dependencia del caudal aportante respecto a las características de la cuenca en estudio.
Reunir antecedentes pluviométricos y fluviométricos de la ciudad de Valdivia.
5 1.4.- METODOLOGÍA.
La metodología de trabajo empleada en la realización del proyecto se puede resumir en los siguientes puntos:
Visitas a terreno para así identificar claramente el sector de estudio, determinar características propias, infraestructura existente, etc. para así obtener una visión general y familiaridad con el sector.
Recopilar información y antecedentes existentes de la cuenca en estudio, como características hidrológicas y de relieve.
Realizar un levantamiento topográfico del sector, el cual será un factor importante a la hora de determinar pendientes de escurrimiento, tiempos de concentración y coeficientes de escorrentía.
Revisión de material bibliográfico existente respecto al cálculo de sistemas de aguas lluvias.
Fijar criterios y parámetros para el cálculo del caudal aportante.
Estudiar alternativas técnicas y económicas para el trazado del nuevo colector, así como la construcción de obras complementarias necesarias para el funcionamiento de éste.
Con los puntos mencionados anteriormente, se espera contribuir a la solución del problema descrito.
6 CAPITULO II. DESCRIPCIÓN DEL ÁREA DE ESTUDIO.
2.1.- ANTECEDENTES GENERALES.
Como se ha mencionado anteriormente, el sector de estudio del proyecto se encuentra emplazado en la ciudad de Valdivia, capital regional de la Décima cuarta región de Los Ríos.
La ciudad de Valdivia se encuentra ubicada en el hemisferio sur de América, a 39°42’ S de latitud y 73°15’ O de longitud, a 841 km aprox. de Santiago, capital de Chile. Está emplazada en la confluencia de los ríos Calle-Calle, Valdivia - Cau-Cau y el río Cruces. Limita al norte con la comuna de San José de la Mariquina, al noreste con Máfil, al este con Los Lagos, al sureste con Paillaco, al sur con Corral y al oeste con el Océano Pacífico (DOH, 2002)
Según el Censo nacional, realizado en el año 2002 por el Instituto Nacional de Estadísticas de Chile, Valdivia cuenta con una población total de 140.559 habitantes de los cuales 129.952 corresponden a población urbana y su superficie urbana es de aproximadamente de 1.015, 6 km2 (INE, 2007).
El clima predominante en la ciudad corresponde al clima de costa occidental con influencia mediterránea, propio de la depresión intermedia y la cordillera de la costa. La precipitación media anual supera los 2.000 mm, siendo los meses más lluviosos mayo, junio y julio, con una precipitación de entre 400 y 500 mm mensuales. (Plan Maestro de Evacuación y Drenaje de Aguas Lluvias de Valdivia, DOH 2002)
7 2.2.- CUENCA APORTANTE.
La zona del proyecto que se analiza está inserta en el estudio del plan maestro de evacuación y drenaje de aguas lluvias de la ciudad de Valdivia y ésta se puede dividir en dos sectores: Cuenca aportante al proyecto (Figura 2-1a-b) y sector con problema de inundación y de emplazamiento del nuevo colector (Figura 2-2). La cuenca aportante a su vez se subdivide formando dos cuencas, la primera limita al norte con Avenida Ramón Picarte, al oriente con Avenida René Schneider, al poniente con calle Ángel Muñoz y al sur con calles Nueva Dos y San Luis, mientras que la segunda corresponde a un terreno de bienes nacionales por el cual atraviesa el canal Simpson, limitando al norte con Pasaje Simpson, al sur con Av, Picarte, al poniente con calle Hettich y al oriente con Av. Simpson.
Figura 2-1a: Cuenca Aportante Existente.
8 Figura 2-1b: Cuenca Aportante al Canal Existente.
FUENTE: Elaboración propia.
Figura 2-2. Sector con problemas de inundación y de emplazamiento del nuevo colector.
9 Para delimitar la cuenca de la Figura 2-1a-b, se ejecutó un estudio que involucro la ejecución de la topografía del lugar, con la cual se determinaron pendientes de escurrimiento, puntos singulares intermedios los cuales delimitan el divorcio de las aguas lluvias. También se realizó un catastro en terreno del tipo de techumbre, pavimentos y áreas verdes que componen la cuenca, para luego determinar el coeficiente de escorrentía.
Esta cuenca aportante, aguas arriba del punto de descarga tiene un área de 16,8 hectáreas aproximadamente y se encuentra ubicada en un sector industrial de baja densidad, residencial densa y semidensa. Cabe señalar que el sector cuenta con todos los servicios completos como agua potable, alcantarillado de aguas servidas, calles pavimentadas y red eléctrica.
2.3.- INFRAESTRUCTURA EXISTENTE DE AGUAS LLUVIAS.
La infraestructura de aguas lluvias existente en el sector está compuesta por un sistema secundario de colectores, cámaras de inspección y sumideros, los cuales captan las aguas provenientes de la cuenca antes mencionada en el capítulo anterior.
La red de evacuación de aguas lluvias del estudio está compuesta por un colector de PVC cuyo diámetro es 315 mm, ubicados en calle Errázuriz entre Simpson y Koening, el cual conecta a un colector de PVC de diámetro 500 mm ubicada en calle Koening, descargando las aguas captadas al canal perteneciente al cauce Simpson. Ver Figuras 2-3, 2-4.
Por otra parte, existe un colector unitario de 800mm ubicado aguas abajo en Avenida Simpson, el cual recibe las descargas provenientes del cauce Simpson, descargando al Río Calle- Calle.
10 Al realizar una inspección visual de los elementos que conforman la red, se observa que el sistema existente funciona con problemas de embancamiento, arrastre de piedras, hojas, sedimentos, además de no poseer la capacidad de escurrimiento de los caudales de aguas lluvias a los colectores.
Figura 2-3: Red de colectores existentes.
11 Figura 2-4: Tubo de PVC 500mm de descarga al canal.
12 Figura 2-6. Canal Simpson.
13 CAPÍTULO III. MARCO TEÓRICO CONCEPTUAL.
El siguiente capítulo hace referencia a la metodología de cálculo de redes de aguas lluvias, el cual se basa en la aplicación de lo establecido en el Manual de Carreteras, Volumen 3 (2001) y la Guía de Diseño y Especificaciones de Elementos Urbanos de Infraestructura de Aguas Lluvias del MINVU (2005).
3.1. ALCANTARILLADO DE AGUAS LLUVIAS.
Un sistema de alcantarillado de aguas lluvias es una red de tuberías utilizada para conducir las aguas superficiales provenientes principalmente de una tormenta. En estricto rigor el nombre debería ser alcantarillado de aguas superficiales, ya que la infraestructura del sistema de drenaje no solo evacúa aguas lluvias, sino también aguas provenientes de la red de agua potable, canales desbordados, grifos operativos, etc.
El diseño de un sistema de alcantarillado de aguas lluvias involucra la determinación de los diámetros, las pendientes y las elevaciones para cada tubo del sistema.
Según Chow (1988) el diseño y drenaje de alcantarillados de aguas lluvias puede dividirse en dos partes: predicción de la escorrentía y diseño del sistema. Las siguientes restricciones y suposiciones son de uso común en la práctica de diseño de alcantarillado de aguas lluvias, Chow (1988):
Existe flujo a superficie libre para los caudales de diseño; es decir, el sistema de alcantarillado se diseña para “flujo gravitacional”; no se considera estaciones de bombeo ni alcantarillado presurizados.
14 El diámetro de diseño es el menor diámetro comercialmente disponible que tenga una capacidad de flujo igual o mayor que el caudal de diseño y que satisfaga todas las restricciones apropiadas.
Los alcantarillados de aguas lluvias deben colocarse a una profundidad tal que no sean susceptibles de congelamiento, que sean capaces de drenar sótanos y que tengan un colchón lo suficientemente grande para prevenir los rompimientos debidos a cargas en la superficie del terreno. Teniendo en cuenta esto, deben especificarse las profundidades de recubrimiento mínimas.
Las alcantarillas deben estar unidas en los nodos de tal manera que la elevación de la clave del alcantarillado de aguas arriba no sea inferior que la del alcantarillado de aguas abajo.
Con el fin de prevenir o reducir la sedimentación excesiva de material sólido en los alcantarillados, debe especificarse una velocidad de flujo mínima permisible para el caudal de diseño o cuando el tubo fluya a máxima capacidad con flujo gravitacional.
Para prevenir la socavación y otros efectos indeseables causados por una alta velocidad de flujo, también debe especificarse una velocidad máxima permisible.
En cualquier nodo o pozo de inspección el alcantarillado de aguas abajo no puede ser menor que cualquiera de los alcantarillados de aguas arriba de ese nodo.
15 El sistema de alcantarillado es una red dendrítica o con brazos que converge en la dirección de aguas abajo sin ningún circuito cerrado.
3.2.- CARACTERIZACIÓN HIDROLÓGICA.
En el estudio y análisis de sistemas de evacuación de aguas lluvias es preciso disponer de conocimientos básicos de hidrología, los cuales abordan al cálculo del caudal que escurre en la cuenca hidrográfica. Cifuentes (2006), define la hidrología como la ciencia que trata del agua en la naturaleza, sus propiedades, distribución y comportamiento. En relación con la atmósfera (hidrometeorología), la hidrología trata la lluvia y formas de precipitación, sus causas, origen, ocurrencia, magnitud, distribución y variación, así como el retorno de la humedad a la atmósfera por evaporación, sublimación y transpiración.
La precipitación, percolación, escurrimiento y evaporación son etapas del ciclo hidrológico. El agua que llega a la tierra, alguna cae sobre superficies acuáticas, otra escurre sobre la tierra derivando en arroyos, ríos, lagos, embalses o mares. Parte de ella retorna a la atmósfera por evaporación desde las superficies acuáticas y terrestres así como por evaporación y transpiración de las plantas y otra parte de las aguas infiltra en el suelo. A su vez del agua que infiltra parte es retenida en superficie desde donde evapora, otra es tomada por la vegetación para ser retornada a la atmósfera y el remanente infiltra hacia abajo por gravedad hasta alcanzar el nivel freático, para formar el agua subterránea. Se puede observar el funcionamiento de este ciclo en la figura 3-1.
16 Figura 3-1: Ciclo Hidrológico.
FUENTE: http://ga.water.usgs.gov/edu/watercyclespanish.html
3.2.1.- PERÍODOS DE RETORNO DE DISEÑO.
El período de retorno puede definirse como el intervalo de tiempo promedio en años en que un evento hidrológico es igualado o excedido una vez.
Un evento de una magnitud dada tiene un período de retorno de n años, si este evento, en promedio, es igualado o superado una vez cada n años.
A un número cualquiera de años, se puede establecer que la probabilidad que la variable sea mayor que un cierto valor (Q) asociado a un período de retorno (T) en el transcurso de una vida útil de (n) años, que es lo que se denomina riesgo de falla, puede calcularse con la expresión siguiente:
17 A continuación se indican en la Tabla 3-1 algunos valores obtenidos del Manual de Carreteras (2001) calculados con la expresión anterior, en los cuales se determina el período de retorno asociado al riesgo de falla y vida útil de la obra.
Tabla 3-1: Períodos de retorno para distinta vida útil y riesgo de falla.
FUENTE: Manual de Carreteras, Vol.3 (2001)
3.2.2.- TIEMPO DE CONCENTRACIÓN.
El tiempo de concentración de una cuenca, corresponde al tiempo mínimo necesario para que todos puntos de una cuenca estén aportando agua de escorrentía de forma simultánea al punto de salida o desagüe. Está determinado por el tiempo que tarda en llegar a la salida de la cuenca el agua que procede del punto hidráulicamente más alejado de la salida.
El conocimiento del tiempo de concentración tiene interés práctico ya que al seleccionar tormentas de duraciones mayores al tiempo de concentración, se asegura que la superficie aportante es la máxima (MINVU, 2005).
Para calcular el tiempo de concentración de una cuenca se puede recurrir a relaciones empíricas propuestas para cuencas similares, o a estimaciones basadas en la velocidad esperada de la onda una vez definido el recorrido del agua desde el punto más alejado hasta la salida.
18 3.2.2.1.- RECORRIDO DE LA ONDA.
Según MINVU (2005) se puede analizar el tiempo de concentración como el camino que debe recorrer la onda desde la zona más alejada. Los primeros elementos pueden ser planos inclinados, como techos o patios. Después avanza por cauces abiertos como zanjas o cunetas, para terminar en elementos de drenaje como colectores, ya sean canales o tubos. Si se tiene N de estos elementos en serie a lo largo del recorrido, el tiempo de concentración se estima como:
T
c=
(3-2)
Dónde:
19 3.2.2.2.- TIEMPO DE CONCENTRACIÓN PARA CUENCAS RURALES O PREVIAS A SER URBANIZADAS.
Para cuencas rurales o previas a ser urbanizada se recomienda utilizar las siguientes relaciones:
Cuencas rurales relativamente planas con escurrimiento preferentemente superficial.
Tc=0,0195
(Kirpich, 1940) (3-3)
Cuencas rurales no planas con escurrimiento preferentemente concentrado
Tc= 0,0203* (
(
Kirpich, 1940)(3-4)
Las expresiones antes mencionadas son las mismas, la primera considera el largo del plano del flujo y su pendiente promedio, mientras que la segunda involucra el desnivel y largo del cauce principal.
.
Dónde:
Tc: Tiempo de concentración en minutos.
L: Longitud del escurrimiento superficial en metros. L1: Longitud del cauce en metros.
S: Pendiente en metros por metros. H: Desnivel en la cuenca en metros.
20 (3-5)
3.2.2.3. TIEMPO DE CONCENTRACIÓN PARA CUENCAS URBANAS.
En cuencas ya urbanizadas, MINVU (2005) recomienda el uso de la fórmula empírica de Morgali y Linsley (1965) para el cálculo del tiempo de concentración, la cual es utilizable en cuencas relativamente planas, formadas por patios, estacionamientos, parques, techos, calles, etc.
Dónde:
Tc: Tiempo de concentración, en minutos.
L: Longitud del escurrimiento superficial, en metros. S: Pendiente, en metros por metro
I: Intensidad de la lluvia, en mm/hora.
n: Coeficiente de rugosidad de Manning de la superficie, según Tabla 3-2.
Tabla 3-2: Coeficiente de rugosidad de Manning.
FUENTE: MINVU (2005)
Tipo de superficie Coeficiente n Tubos de plastico 0,011 Tubos de cemento asbesto 0,012 Tubos de mortero comprimido 0,013 Calles de hormigon y asfalto 0,015
Techos 0,018
Jardines 0,025
Superficies de tierra 0,03 Superficies con vegetacion 0,05
21 3.2.3.- TORMENTAS DE DISEÑO.
Se define la tormenta de diseño como un patrón de precipitación para la utilización en el diseño de un sistema hidrológico, la que conforma la entrada al sistema, y a través de este los caudales se calculan utilizando procedimientos de lluvia escorrentía.
Las tormentas de diseño se basan en información histórica de precipitación en un lugar o pueden construirse utilizando las características generales de la precipitación en regiones adyacentes.
Las características principales de las tormentas, desde la perspectiva de usar la información para diseñar sistemas de drenaje urbano o rural, son su período de retorno, duración, magnitud e intensidad. Otras características secundarias son la distribución temporal de precipitaciones para intervalos menores a la duración total y la distribución espacial en una zona de mayor tamaño. (MOP, 2001).
Duración. Una de las primeras decisiones es escoger la duración de la tormenta de diseño a utilizar, entendiendo por duración al total de intervalos de lluvia. La importancia de la duración de la lluvia es evidente ya que la intensidad media de la tormenta decrece con la duración y el área aportante de la cuenca crece al aumentar la duración de la tormenta La selección de la duración de la tormenta de diseño está influenciada por factores del clima de la región en cuestión y por aspectos propios del área aportante, tales como su tamaño, pendiente y rugosidad superficial. Es usual que la duración de diseño sea igual al tiempo de concentración del área aportante, definido como el tiempo necesario para que la gota más alejada llegue a la salida.
22 Magnitud e Intensidad. Luego de establecer la duración total del
temporal se debe decidir sobre la magnitud de la lluvia, o total de agua caída durante el temporal. Existe una relación entre duración, magnitud y probabilidad de ocurrencia, la cual normalmente se estudia y se representa en familias de curvas intensidad-duración frecuencia (IDF) o precipitación-duración-frecuencia (PDF).
La descripción y criterios para cuantificar estos parámetros, son los siguientes (MINVU, 2005):
El período de retorno se selecciona de acuerdo al riesgo de falla que se está dispuesto asumir para el sistema o elemento a dimensionar. En proyectos de drenaje urbano de aguas lluvias se deben considerar dos tipos de tormentas: una de diseño, con la cual se dimensionan los elementos del sistema con períodos de retorno de 2 años, y otra de verificación, con la cual se comprueba que para situaciones extremas no ocurran problemas graves aunque se aceptan fallas e inconvenientes, que corresponde a períodos de retorno de 100 años.
La duración total está relacionada con el tiempo de concentración de la cuenca aportante, de modo de seleccionar una duración que genere el máximo escurrimiento. Para el diseño de elementos de conducción la duración de la tormenta debe seleccionarse siempre mayor o igual al tiempo de concentración, recomendando una duración que no exceda al tiempo de concentración por más del doble. Para el dimensionamiento de obras de almacenamiento, como estanques o lagunas, debe considerarse duraciones largas, típicamente de 24 horas para elementos de la red secundaria.
23 La precipitación total de la tormenta es una característica climática del lugar que se puede obtener de las relaciones de Intensidad, Duración, Frecuencia, IDF. Seleccionados el período de retorno y la duración, de estas relaciones se obtiene la precipitación total de la tormenta.
La distribución temporal de la precipitación durante una tormenta es de especial interés. Se debe adoptar distribuciones temporales de precipitación realistas y que maximicen el escurrimiento que genera la cuenca. Para estos efectos se recomienda diseñar la red secundaria con tormentas que concentran su mayor intensidad al inicio.
La distribución espacial de las precipitaciones para una misma tormenta es de interés cuando se analizan zonas extensas. Para el diseño de elementos de la red secundaria se consideran tormentas espacialmente uniformes en una urbanización.
La definición de la tormenta de diseño se caracteriza por la dificultad de precisar y definir cuantitativamente las características del temporal, de la cuenca, la asignación de probabilidades a la tormenta y a la crecida resultante. Si se cuenta con registros pluviográficos representativos del área de interés y del análisis de dichos registros se pueden seleccionar tormentas que representen situaciones adecuadas para el diseño. Otra situación bastante usual corresponde a aquélla en la cual no existen registros adecuados y representativos por lo que se debe simular tormentas que tengan características similares a los escasos registros del área.
Para cualquier tormenta de igual o menor precipitación, duración o período de retorno, el sistema debe operar sin fallas ni inconvenientes. Para controlar el riesgo de falla del sistema, se fija un periodo de retorno de diseño, con lo cual
24 se asegura la existencia de soluciones de similar calidad de servicio para el público, (MINVU, 2005).
3.2.4.- CURVAS INTENSIDAD, DURACIÓN, FRECUENCIA: IDF.
Estas relaciones permiten caracterizar las tormentas en un lugar. Relacionan la intensidad de variación de la lluvia de distintas duraciones con las distintas probabilidades de ocurrencia. El uso de estas curvas es necesario para estimar indirectamente el escurrimiento proveniente de cuencas pequeñas, en función de la lluvia precipitada.
Estas curvas tienen usualmente una forma de tipo exponencial, donde la intensidad, para una misma frecuencia, disminuye a medida que aumenta la duración de la precipitación. Es común incorporar en el mismo gráfico las curvas asociadas a diferentes frecuencias, en forma paramétrica, para obtener la familia de curvas de un lugar en un mismo gráfico. A modo de ejemplo, se incluye una tabulación con valores representativos de las curvas IDF para las ciudades de Quilaco, Temuco, Pullinque, Valdivia, Osorno. Ver Tabla 3-3
25 Tabla 3-3: Intensidades de lluvia para distintos períodos de retorno (mm/h)
FUENTE: Manual de Carreteras Vol.2 (2001)
3.2.4.1.- OBTENCIÓN DE LAS CURVAS IDF.
Estas curvas se construyen en base a un análisis estadístico de las lluvias registradas en pluviógrafos de la zona, seleccionando la lluvia más intensa de diferentes duraciones en cada año con el fin de realizar un estudio de frecuencia con cada una de las series formadas. Se deben examinar los hietogramas de las tormentas ocurridas en un año y de estos escoger la lluvia correspondiente a la hora más lluviosa, a las dos horas más lluviosas, así sucesivamente. Con los valores seleccionados se forman series anuales para cada una de las duraciones elegidas. Al realizar el análisis de frecuencia se consigue asignar una probabilidad para la intensidad de lluvia correspondiente a cada duración, la cual se acostumbra a representar en un gráfico único de
26 Intensidad vs. Duración, teniendo como parámetro la frecuencia o período de retorno.
3.2.4.2.- ESTIMACION DE CURVAS IDF A PARTIR DE DATOS DE LLUVIA DIARIA.
La obtención de esta familia de curvas necesita de registros pluviográficos continuos, los cuales son escasos y pocos extensos. Lo corriente es contar con bastantes registros pluviométricos, los cuales sólo entregan observaciones de lluvias diarias. Por ello, ha existido la preocupación de estudiar la relación existente entre la lluvia caída y su duración, como una forma de obtener una estimación para las lluvias de duración menor a 24 horas en función de las lluvias diarias.
Este procedimiento requiere de dos etapas. Primero es necesario obtener una estimación de la lluvia diaria, representativa del lugar de interés, asociada a un período de retorno dado, normalmente de 10 años. Luego, a partir de este valor se estiman valores asociados a otras duraciones y a otras frecuencias, haciendo uso de coeficientes de duración y de frecuencia. Los coeficientes de duración se definen como la razón entre la lluvia de una duración dada y la lluvia diaria de la misma frecuencia. Análogamente, los coeficientes de frecuencia se definen como la razón entre la lluvia de una determinada frecuencia y la lluvia de 10 años de período de retorno de la misma duración (MINVU, 2005).
Para el cálculo de la lluvia diaria de 10 años de período de retorno en base a datos en el lugar de interés, si se cuenta con una estación pluviométrica representativa, se debe recopilar la información de lluvias máximas diarias registradas y se forma una serie anual de lluvias máximas diarias seleccionando del registro el día más lluvioso de cada año. Esta muestra se somete a un estudio de frecuencia, ajustándole a la muestra un modelo
27 probabilístico. Como resultado de este proceso se obtiene la lluvia máxima diaria asociada a un período de retorno de 10 años en el lugar de interés.
Si no se cuenta con registros observados, se puede obtener una estimación recurriendo a los mapas de lluvias máximas diarias con 10 años de período de retorno, publicados por la Dirección General de Aguas (DGA, Precipitaciones máximas en 1, 2 y 3 días). Estos mapas se confeccionaron en base al análisis de alrededor de 600 estaciones de registro del país (DGA, 1994). En la Tabla 3-4 se resumen los valores de precipitaciones máximas de 23-4, 3-48 y 72 hrs. para 10 años de período de retorno en varias ciudades.
28 Tabla 3-4: Precipitación máxima en 1,2 y 3 días.
FUENTE: DGA, 1994.
Los Coeficientes de Duración (CD) calculados para las duraciones entre 1 y 24 horas se presentan en la Tabla 3-5. Los coeficientes de duración para una hora, excluyendo a Armerillo, que presenta un micro-clima muy especial, varían entre 0,12 y 0,20 con un promedio de 0,16 y una desviación típica de 0,03.
29 El valor promedio encontrado para estaciones chilenas es bastante similar al propuesto por el USBR (1965) al examinar las lluvias de diversos lugares de Estados Unidos ubicados al oeste del meridiano 105. Sólo los valores calculados para Armerillo difieren de la tendencia general, hecho explicable por la gran magnitud que tienen las intensidades de las tormentas de 24 horas en dicho sitio.
Para estimar las curvas IDF en base a la lluvia máxima diaria se puede utilizar la siguiente expresión
(3-6)
Dónde:
Lluvia con periodo de retorno T años y duración D horas o minutos.
C: Coeficiente de corrección para la lluvia máxima PD10 medida entre 8 AM y 8
AM respecto de las 24 Hrs más lluviosas de la tormenta, para el que se ha adoptado un valor C = 1,1
: Coeficiente de frecuencia. : Coeficiente de duración.
PD10: Precipitación diaria en milímetros para un periodo de retorno de 10 años.
Este valor depende del lugar de estudio y se obtiene de mapas de isoyetas o lluvias diarias publicadas por la DGA o de análisis de frecuencia.
La expresión (3-6) es válida para lluvias de 1 a 24 horas de duración en la zona estudiada.
Los coeficientes de duración y de frecuencia que sean aplicables al lugar de estudio se obtienen de tablas publicadas por MOP (2001).
30 3.2.4.3.- COEFICIENTES DE DURACION Y FRECUENCIA.
El coeficiente de duración se define como la razón entre la lluvia caída en una determinada duración y la lluvia caída en 24 horas, ambas para la misma frecuencia.
El coeficiente de frecuencia se define como la razón entre la lluvia asociada a un cierto período de retorno y la lluvia asociada a 10 años de período de retorno.
A continuación se indican en la Tabla 3-5 los valores para el coeficiente de duración de 10 años de período de retorno que establece el Manual de Carreteras (2001). Estos coeficientes no varían en forma significativa para otras frecuencias y por consiguiente se pueden usar para cualquier período de retorno.
En la Tabla 3-6 se indican los Coeficientes de Frecuencia. Los coeficientes de duración y de frecuencia se recomiendan para la estimación de curvas IDF cuando solo se cuenta con información de lluvias diarias.
31 Tabla 3-5: Coeficientes de duración para 10 años de período de retorno.
32 Tabla 3-6: Coeficientes de Frecuencia.
33 3.2.5.- ESTIMACIÓN DE LLUVIAS PARA DURACIONES MENORES A 1 HORA.
Varios autores se han preocupado de estudiar la relación existente entre la lluvia caída y su duración, como una forma de obtener una estimación para las lluvias de duración menor a 24 horas en función de las lluvias diarias.
Bell (1969) estudió las razones entre lluvias de distintas duraciones e igual frecuencia o períodos de retorno y también la razón entre lluvias de diferentes períodos de retorno e igual duración, utilizando datos de un gran número de estaciones ubicadas en una extensa zona geográfica. Los resultados obtenidos son válidos para lluvias provenientes de tormentas de tipo convectivo con duraciones entre 10 minutos y 2 horas. Las conclusiones obtenidas indican que las razones, entre lluvias de distinta duración y/o distinto período de retorno, llamadas coeficientes de duración y coeficientes de frecuencia respectivamente, son muy constantes para todos los puntos indicados y el autor propuso su aplicación en otras zonas para tormentas convectivas.
Entonces la precipitación de duración t, entre 5 y 120 minutos, y período de retorno T, entre 2 y 100 años, se puede estimar en base a la precipitación de una hora, 60 minutos, y 10 años de período de retorno como:
(3-7)
En que:
: Lluvia en mm de duración t minutos y T años de período de retorno.
T: Período de retorno en años.
34 Se recomienda el uso de la expresión (3-7) para obtener estimaciones de las curvas IDF para duraciones menores a una hora, cuando no se cuente con datos pluviográficos en el sitio de interés que permitan desarrollar una familia de curvas IDF en el lugar.
Conocida la precipitación de una tormenta de duración D y período de retorno
T, la intensidad media, I, se calcula como:
se mide habitualmente en (mm / hora).
3.3.- CAUDALES DE DISEÑO.
Para determinar el caudal de diseño que se genera en una cuenca urbana debido a una tormenta, se pueden emplear distintos procedimientos, los cuales dependen de las características de la cuenca.
Actualmente el método más utilizado y difundido es el Método Racional debido a su simplicidad, como también se recomienda el empleo del Método Racional Modificado.
Cualquiera sea el método que se utilice, es preciso tener en cuenta que para conseguir el fin buscado se requiere contar con información relevante, adecuada y precisa. La calidad del resultado de los cálculos está ligada estrechamente a la información hidrológica empleada.
35 3.3.1.-MÉTODO RACIONAL.
Este método, el cual comenzó a utilizarse alrededor de la mitad del siglo XIX, propuesto por Mulvaney en 1850 es el método probablemente más utilizado para calcular el caudal de diseño en cuencas urbanas y rurales pequeñas. Su uso es recomendado para cuencas cuyas áreas no superen las 2.500 há.
La idea detrás del método racional según Chow (1981), es que si una lluvia con intensidad I empieza en forma instantánea y continua en forma indefinida, la tasa de escorrentía continuará hasta que se llegue al tiempo de concentración Tc, en el cual toda la cuenca está contribuyendo al flujo en la salida. El
producto de la intensidad de la lluvia I y el área de la cuenca A es el caudal de entrada al sistema, I*A, y la relación entre este caudal y el caudal pick Q (que ocurre en el tiempo Tc) se conoce como el coeficiente de escorrentía C (0 ).
Esto se expresa con la formula racional de la siguiente forma.
(3-9) Dónde:
Q: Caudal a la salida de la cuenca en m3/s.
I: Intensidad de la lluvia en mm/hora.
A: Área de la cuenca en km2
C: Coeficiente de escorrentía, adimensional.
El método Racional supone básicamente lo siguiente:
El caudal de escurrimiento en un punto cualquiera, es función del promedio de intensidades de lluvia durante el tiempo de concentración.
36 El “peak” de la lluvia ocurre en el tiempo de concentración.
Existe linealidad y constancia del coeficiente de escorrentía “C”.
Se debe destacar que este método usa sólo promedios de las intensidades de lluvias que prevalecen durante el tiempo de concentración. Este promedio no tiene relación con un modelo de lluvia específico.
3.3.1.1.- INTENSIDAD DE LA LLUVIA DE DISEÑO.
La intensidad de la lluvia de diseño corresponde a aquella con una duración igual al tiempo de concentración del área y con una frecuencia o período de retorno compatible con la importancia y trascendencia de la obra.
Al conocer la precipitación de una tormenta de duración D y período de retorno
T, la intensidad I, se calcula como:
(3-8) Dónde:
: Precipitación de duración D igual al tiempo de concentración y período de retorno T.
37 3.3.1.2.- ÁREA APORTANTE.
El área aportante comprende toda aquella superficie que aporta agua a un cauce común. Como en la mayoría de las ocasiones el agua que cae sobre la superficie lo hace en forma vertical, es la proyección horizontal del área, perpendicular a la trayectoria de la lluvia, la que se estima. Este parámetro usado en el método racional, es el único que puede ser determinado con exactitud y su medición puede realizarse por observación directa en el terreno, mapas o aerofotografía.
Los límites de estas superficies dependen de las pendientes existentes y de las realizables artificialmente con el propósito de conducir el agua a los sumideros correspondientes, estos límites rara vez coinciden con las partes altas de la cuenca.
3.3.1.3.- COEFICIENTE DE ESCORRENTÍA.
El coeficiente de escorrentía se define como la fracción del volumen total de agua caída que escurre sobre la superficie del suelo, sin infiltrarse ni evaporarse, en otras palabras indica la proporción de la lluvia total que participa directamente en el escurrimiento.
Este coeficiente depende de las características del terreno, uso y manejo del suelo, condiciones de infiltración, nivel de urbanización, entre otros.
Para zonas ya urbanizadas se puede estimar el coeficiente de escorrentía de acuerdo a la siguiente tabla:
38 Tabla 3-7: Coeficiente de escorrentía, para zonas urbanizadas.
FUENTE: MINVU, 2005
También se puede calcular el coeficiente de escorrentía ya sea de una cuenca urbanizada o por urbanizar, estimando un coeficiente ponderado según las superficies de cada tipo de ocupación del suelo, calculando las áreas de cada uno de los tipos siguientes, con los coeficientes de escurrimiento que se indican en la Tabla 3-8.
Tabla 3-8: Coeficientes de escorrentía.
39 En general se recomienda utilizar los valores medios de cada categoría, a menos que se justifique el empleo de los valores mínimos. Si se desea considerar condiciones de seguridad se pueden emplear los valores máximos indicados. (MINVU, 2005).
El rango de valores indicados en las tablas son para tormentas típicas con períodos de retomo de 2 a 10 años. Para tormentas mayores se recomienda usar el valor más alto dentro de cada rango, o incluso valores mayores si se estima conveniente.
3.4. CRITERIOS DE DISEÑO DE UN SISTEMA DE AGUAS LLUVIAS.
La red secundaria de un sistema de aguas lluvias está formada por colectores y cámaras, que reciben el agua desde los sumideros y la conducen hacia un punto de entrega.
3.4.1.- COLECTORES SUBTERRÁNEOS.
Los tubos de los colectores son generalmente circulares prefabricados de materiales del siguiente tipo:
Tubo de mortero de cemento comprimido.
Tubería PECC, fabricada en polietileno de alta densidad y alto peso molecular PVC.
Tubo SPIROPECC, fabricada en polietileno de alta densidad y alto peso molecular, exterior corrugado e interior liso
Tubo gran flujo, fabricada en polietileno de alta densidad y alto peso molecular, exterior corrugado e interior liso.
Tubería de PVC.
40 3.4.1.1- CONDICIONES HIDRÁULICAS.
Para las condiciones de diseño los colectores secundarios funcionarán con escurrimiento libre. Para ello el diámetro de los colectores se selecciona de manera que para el caudal máximo de diseño la altura de agua sea igual o menor que 0,8 veces el diámetro D (Domínguez, 1999). Si la altura de agua es igual a 0,8 D, la velocidad media del flujo, V, y el caudal, Q, están relacionados con el diámetro del tubo, la pendiente longitudinal y el coeficiente de rugosidad del material mediante las siguientes relaciones, basadas en la ecuación de Manning:
Q= (i1/2*R2/3*A)/n (3-10)
V= (0,45*D2/3*i1/2)/n (3-11)
Dónde:
Q: Caudal, en metros cúbicos por segundo.
i : Pendiente de fondo del tubo, en metro por metro, (adimensional).
R: Radio hidráulico en metros.
D: Diámetro interior del tubo en metros.
n = Coeficiente de rugosidad de Manning. Tabla 3-2.
La velocidad del escurrimiento en un colector debe encontrarse dentro de un rango determinado. La velocidad se encuentra acotada inferiormente de forma tal que no se produzca depósito de material; dicha velocidad mínima, de acuerdo a las recomendaciones habituales, es de 0,5 m/s (V. T. Chow, 1988). Por otro lado, la velocidad no puede ser mayor a la máxima velocidad admisible,
41 dependiendo del tipo de material que conforma el colector. Dichas velocidades máximas se indican en la Tabla 3-9.
Tabla 3-9: Velocidades máximas admisibles.
FUENTE: Código de Normas Especificaciones Técnicas de Obras de Pavimentación, MINVU, 2008.
El valor del coeficiente de rugosidad de Manning depende del tipo de material del que está conformado el colector. Estos valores se indican en la Tabla 3-10.
Tabla 3-10: Coeficientes de rugosidad de Manning para colectores.
FUENTE: V. T. Chow, 1988.
Colector Velocidad
Maxima (m/s)
Tubo de cemento comprimido 4
Tuberia PVC 6
Tuberia polietileno 6
Colector Coeficiente de
Manning Tubo de cemento comprimido 0,013 Tuberias de polietilieno 0,011
Tuberias de PVC 0,011
42 Adicionalmente MINVU (2008) recomienda que se tengan en consideración las siguientes recomendaciones para tubos de colectores de la red secundaria:
Un diámetro mínimo de colectores, de 400mm.
Que la velocidad máxima del escurrimiento no sobrepase 4 m/s para tuberías de mortero comprimido y los 6 m/s para tuberías de PVC o similares.
Que la velocidad mínima del escurrimiento no sea inferior a 0,9m/s para las condiciones de diseño. Para ello, se adopta la pendiente de fondo correspondiente para los tubos. En el caso de tramos iniciales (antes de la primera cámara), no es aconsejable que la velocidad sea inferior a 0,6 m/s.
Se pueden diseñar obras especiales y tramos en presión, como sifones invertidos, si el proyecto lo requiere. En este caso se recomienda tomar las medidas para evitar embanques y lograr una adecuada operación y conservación.
3.4.2.- CÁMARAS DE INSPECCIÓN.
Las cámaras de inspección son estructuras que tienen como función la inspección y limpieza de la canalización.
Las dimensiones de éstas son variables de acuerdo a la cota de las tuberías con respecto a la cota del nivel de la calzada, y van ubicadas dependiendo de la dimensión del ducto, ya que a un diámetro mayor del tubo corresponde un espaciamiento mayor. Su ubicación también depende de las situaciones siguientes que obligan el uso de ellas:
Al cambiar el diámetro de las tuberías.
Al haber cambio de pendiente de las cañerías. Al haber intersección de dos o más colectores.
43 En cañerías iniciales.
Al haber cambio de dirección entre los tramos. Cuando hay una caída exterior.
Al haber diferentes largos de tuberías (que depende del diámetro).
3.4.2.1.- TIPOS DE CÁMARAS DE INSPECCIÓN.
El tipo de cámaras está normalizado atendiendo a razones de orden económicas y funcionales. Se identifican por una letra y número, siendo la letra el tipo de cámara y el número el tipo de radier.
Los tres tipos de cámaras de inspección son: tipo a, tipo b y cámaras especiales o tipo c.
3.4.2.1.1.- CÁMARAS TIPO a.
Solo se utiliza este tipo de cámaras cuando la altura “h” disponible desde el radier hasta el nivel de calzada, es igual o superior a los valores indicados en la siguiente tabla. En caso de no cumplirse dicho requisito se proyectan cámaras tipo “b”.
44 Tabla 3-11: Alturas cámaras tipo a.
FUENTE: Código de Normas y Especificaciones Técnicas de Obras de Pavimentación, MINVU, 2008.
Las cámaras tipo “a” están compuestas de las siguientes partes:
1. Cuerpo, estructura de forma tubular, cuyas paredes tienen un espesor de 0,15 m, diámetro interior 1,30 m y exterior 1,60 m. La altura del cuerpo no deberá ser inferior a 0,60 m y la altura máxima 1,10 m.
2. Chimenea, estructura tubular cuya parte inferior empalma con la superior del cono. Sus paredes tienen un espesor de 0,15 m. Su diámetro interior es de 0,60 m y exterior 0,90 m. La altura h1 de la chimenea es variable. Así, cuando se tienen profundidades muy altas del radier, la chimenea más el cono podrán alcanzar un máximo de 2,60 m. La mayor profundidad de la cámara deberá ser absorbida por el cuerpo, aunque altura de este sea más de 1,10 m, con esto se evita tener que dar profundidad excesivas a los tramos finales de los colectores afluentes. La altura mínima de las chimeneas de las cámaras tipo deberá tender a 0,25m incluyendo el anillo de la tapa, ya sea para vereda como para calzada.
H (m) D (mm)
Altura disponible Diámetro máximo sobre el radier de la canaleta
1,65 175 1,7 200 1,8 300 1,85 350 1,9 400 1,95 450 2 500
45 3. Cono, estructura cuya forma es de tronco de cono recto. El espesor de sus paredes es de 0,15 m, el diámetro interior basal es de 1,30 m. El diámetro interior superior es de 0,60 m.
4. Banqueta, se denomina así al piso de la cámara. Corresponde a la estructura que circunda a la canaleta o canaletas; nace desde el cuerpo en su parte inferior y baja con pendiente del 20% hasta el borde de la canaleta.
5. Canaletas, son conductos abiertos que permiten el paso del agua a través de la cámara, son por lo tanto la continuación de la tubería afluente, y entregan el caudal a las cañerías efluentes. La altura de la canaleta es igual al diámetro de la tubería a la cual va empalmada, y su forma es de canal circular hasta la mitad del diámetro, desde allí y hasta completar dicho diámetro las paredes son rectas. La pendiente de la canaleta debe permitir el escurrimiento del agua a través de ella. Ésta pendiente queda determinada por el desnivel entre el tubo de llegada y el de salida.
6. Escalines, su función es permitir el descenso hasta la banqueta, de modo que su forma y ubicación deben dar seguridad a la faena de inspección. Tienen forma de U y son de acero galvanizado. Se ubican en el lado recto de la cámara con una separación de 30 cm a partir de la calzada. La máxima altura del último escalín sobre la banqueta es de 50 cm.
7. Tapa, está constituida por: el anillo que va anclado a la chimenea y la tapa propiamente tal.
46 Figura 3-2. Cámara Tipo a.
FUENTE: Código de Normas y Especificaciones Técnicas de Obras de Pavimentación, MINVU, 2008.
47 3.4.2.1.2.- CÁMARAS TIPO b.
La cámara tipo “b” se adopta cuando no se ajusta el uso de una cámara tipo “a”, de acuerdo a las alturas y diámetros considerados para ella.
Se diferencia con las cámaras de tipo “a” en que no tiene cono ni chimenea; estos se reemplazan por una losa que lleva una malla en la parte inferior de 3/8" con 10 cm de separación entre fierros. En dicha losa va empotrado el anillo de la cámara.
Figura 3-3: Cámara Tipo b.
FUENTE: Código de Normas y Especificaciones Técnicas de Obras de Pavimentación, MINVU, 2008.
48 CAPITULO IV. MEMORIA DE CÁLCULO.
4.1.- GENERALIDADES.
La presente memoria define y especifica el diseño para la modificación y construcción de un nuevo colector ubicado en pasaje Simpson en la ciudad de Valdivia, Región de Los Ríos.
El nuevo colector evacuará las aguas lluvias provenientes del sector antes descrito como la cuenca aportante, la cual descarga al cauce Simpson. Este colector se conectará hacia la red primaria de colectores ubicados a un costado de la Avenida Simpson.
El presente cálculo se efectuará utilizando los criterios de diseño indicados en la Guía de Diseño y Especificaciones de Elementos Urbanos de Infraestructura de Aguas Lluvias, MINVU (2005), Código de Normas y Especificaciones Técnicas de Obras de Pavimentación, MINVU (2008) y el Manual de Carreteras, Volúmen 3, (2001).
4.2.- ANTECEDENTES.
Para la elaboración del proyecto se han considerado los siguientes antecedentes:
• Levantamiento Topográfico. • Mecánica de Suelos.
• Mapas de isoyetas D.G.A
• Plan Maestro de Evacuación y Drenaje de Aguas Lluvias de Valdivia. • Antecedentes obtenidos en visita a terreno.
49 4.3.- BASE DE CÁLCULO.
4.3.1.- TIPO DE OBRA.
Las aguas lluvia que precipitan sobre la cuenca aportante del proyecto, escurren hacia los sumideros y son conducidas mediante los colectores existentes hacia el Cauce Simpson.
Se contempla construir un muro de boca en el cauce a 80 metros del inicio de la descarga de los colectores, según lo especificado en el Manual de Carreteras, Volumen Nº 4, Planos de Obras Tipo, 2010, lámina 4.102.001, al cual se conectará un colector de 700 mm de diámetro cuyo trazado se efectuará en el pasaje Simpson y descargará finalmente a una cámara de inspección existente la cual conecta al colector principal unitario existente.
El muro de boca, cámaras de inspección, sumideros y colectores, se ubican según lo indicado en planos del proyecto.
4.4.- MEMORIA DE CÁLCULO.
La presente memoria especifica el cálculo y diseño del nuevo colector que se proyectará en el sector antes mencionado. Para ello se calcularán los caudales solicitantes al proyecto mediante la utilización del Método Racional, el cual es apropiado de utilizar en cuencas pequeñas, como son las áreas aportantes involucradas en el presente estudio.
(3-9)
En que:
Q : Caudal máximo, en m3/s
50
A : Área tributaria en Km2
I : Intensidad media de la lluvia igual al tiempo de concentración en mm/hr.
4.4.1.- ÁREAS APORTANTES.
Para determinar las áreas aportantes se realizó la subdivisión de la cuenca de acuerdo a pendientes de calles y pasajes y a topografía del terreno. Esta se estima como la suma de las áreas impermeables que escurren hacia los sumideros.
El detalle de subdivisión de las áreas se indica en la Figura 4-1. En la Tabla 4-1 se presenta el valor de cada una de estas áreas. La sumatoria total corresponde a 16,8 hectáreas.
51 Figura 4-1: Áreas aportantes.
52 Tabla 4-1: Áreas Aportantes.
53
Tipo de Superficie Coeficiente Techos Zinc, latón 0,9 Calles Hormigón 0,87 Patios Baldosa, Hormigones 0,87 Tierra sin cobertura 0,6
Areas Verdes 0,12
4.4.2.- COEFICIENTE DE ESCORRENTÍA.
El coeficiente de escorrentía expresa la cantidad de precipitación que escurre superficialmente por la superficie en estudio. Este coeficiente depende de las características geomorfológicas de la superficie, topografía, vegetación, capacidad de almacenamiento, condiciones de infiltración, etc.
A continuación se muestran los valores típicos de coeficientes de escorrentía para los tipos de suelo empleados en este caso.
Tabla 4-2: Coeficientes de Escorrentía Superficial.
FUENTE: Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas Lluvias en Sectores Urbanos, MINVU, 2005.
Para determinar un coeficiente de escorrentía representativo del área aportante en estudio es necesario realizar un promedio ponderado del coeficiente de las distintas superficies mediante la siguiente expresión:
(4-1)
Utilizando los antecedentes anteriores se obtienen los coeficientes de escorrentía ponderados para cada una de las áreas aportantes consideradas en el estudio. Este resultado se muestra en la siguiente tabla.
54 Areas Techos Calles Patios Areas Verdes Ponderación
Zinc, latón Hormigón Baldosa, Hormigón Tierra sin cobertura
0,9 0,87 0,87 0,6 0,12 A1 0,004 0,024 0,004 0,008 0,028 A2 0,032 0,032 0,021 0,021 0,071 A3 0,075 0,050 0,025 0,017 0,128 A4 0,027 0,018 0,101 0,005 0,101 A5 0,008 0,048 0,008 0,016 0,056 A6 0,023 0,017 0,028 0,025 0,055 A7 0,039 0,046 0,046 0,007 0,103 A8 0,136 0,068 0,045 0,209 A9 0,041 0,068 0,082 0,082 0,155 A10 0,063 0,029 0,009 0,054 0,006 0,122 A11 0,045 0,019 0,038 0,026 0,083 A12 0,039 0,023 0,031 0,062 0,081 A13 0,086 0,022 0,043 0,065 0,130 A14 0,071 0,024 0,048 0,032 0,117 A15 0,066 0,022 0,044 0,029 0,109 A16 0,059 0,020 0,040 0,026 0,097 A17 0,080 0,030 0,080 0,010 0,148 A18 0,041 0,033 0,008 0,035 0,075 A19 0,057 0,031 0,010 0,043 0,090 A20 0,056 0,031 0,010 0,042 0,089 A21 0,050 0,027 0,009 0,037 0,078 A22 0,065 0,033 0,098 0,131 0,162 A23 0,030 0,030 0,045 0,045 0,085 A24 0,045 0,045 0,059 0,074 A25 0,056 0,021 0,028 0,035 0,090 A26 0,032 0,016 0,032 0,080 0,072 A27 0,115 0,057 0,115 0,287 0,257 A28 0,029 0,022 0,007 0,015 0,052 A29 0,029 0,018 0,023 0,047 0,061 A30 0,064 0,013 0,026 0,026 0,087 A31 0,055 0,011 0,022 0,022 0,075 A32 0,051 0,020 0,020 0,010 0,077 A33 0,043 0,024 0,019 0,010 0,072 A34 0,041 0,023 0,018 0,009 0,069 A35 0,035 0,020 0,016 0,008 0,059 A36 0,022 0,040 0,006 0,024 0,029 0,078 A37 0,125 0,050 0,025 0,050 0,177 A38 0,108 0,035 0,205 0,250 A39 0,052 0,017 0,100 0,121 A40 0,026 0,019 0,088 0,042 0,098
55 Continuación. Tabla 4-3: Coeficientes de Escorrentía Ponderados para Cada Área Aportante.
FUENTE: Elaboración propia.
Areas Techos Calles Patios Areas Verdes Ponderación Zinc, latón Hormigón Baldosa, Hormigón Tierra sin cobertura
0,9 0,87 0,87 0,6 0,12 A41 0,008 0,066 0,008 0,066 A42 0,085 0,034 0,051 0,112 A43 0,019 0,035 0,005 0,021 0,025 0,068 A44 0,049 0,049 0,033 0,010 0,107 A45 0,098 0,044 0,036 0,148 A46 0,026 0,037 0,017 0,007 0,067 A47 0,056 0,028 0,028 0,011 0,093 A48 0,051 0,021 0,009 0,094 0,013 0,130 A49 0,014 0,043 0,086 0,049 A50 0,019 0,051 0,101 0,060 A51 0,032 0,025 0,005 0,017 0,028 0,069 A52 0,116 0,044 0,012 0,037 0,023 0,178 A53 0,028 0,015 0,007 0,068 0,018 0,087 A54 0,023 0,012 0,006 0,029 0,043 0,059 A55 0,024 0,017 0,039 0,007 0,061 A56 0,030 0,028 0,023 0,009 0,066 A57 0,176 0,025 0,025 0,025 0,198 A58 0,113 0,113 0,111 A59 0,129 0,129 0,189 A60 0,314 0,251 0,251 0,251 0,188 0,892 A61 0,290 0,083 0,041 0,338 A62 0,213 0,061 0,030 0,248 A63 0,060 0,046 0,028 0,097 A64 0,042 0,097 0,048 A65 0,036 0,055 0,018 0,073 0,100 A66 0,173 0,102 0,079 0,315 0,118 0,517 A67 0,432 0,108 0,486 0,054 0,781 A69 0,056 0,047 0,225 0,141 0,244 A70 0,180 0,135 0,113 0,023 0,351 A71 0,035 0,092 0,069 0,152 A72 0,026 0,026 0,096 0,160 0,013 0,226 A73 0,160 0,369 0,086 0,475 A74 0,028 0,028 0,140 0,084 0,143 A75 0,112 0,067 0,149 0,037 0,253 A76 0,020 0,018 0,019 A77 0,059 0,065 0,155 0,109 ∑ 11,053
56 Luego, el coeficiente de escorrentía se obtiene de la expresión (4-1).
C= = 0,66
Por lo tanto el coeficiente de escorrentía utilizado es 0,66.
4.4.3.-ELECCIÓN DEL PERÍODO DE RETORNO.
Dadas las características del proyecto en estudio, es posible su asociación, con respecto a la Tabla 4-4 a una obra de tipo “Drenaje de la Plataforma” y tipo de ruta “Carreteras”. De esta manera se desprende que el período de retorno de diseño y la vida útil supuesta adoptados para este estudio serán igual a 10 años para ambos conceptos.
Tabla 4-4: Períodos de Retorno para Diseño.
S= Sección útil de la alcantarilla.
FUENTE: Tabla 3.702.2.B - Manual de Carreteras Volumen Nº 3: Instrucciones y Criterios de Diseño, 2002.
