TREBALL FINAL DE GRAU

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Treball realitzat per:

Jesús Soler Martín

Dirigit per:

Manuel Gómez Valentín

Grau en:

Enginyeria Civil

Barcelona, 13 de setembre de 2021

Departament d’Enginyeria Civil i Ambiental TRE BA LL FINA L D E GR AU

Comparación de criterios de diseño

para autolimpieza de colectores

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pero sabe que esta va por él.

A mi madre, que tanto ha sufrido en la vida,

y tanto me ha dado.

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RESUMEN

En el diseño y cálculo de redes de alcantarillado se ha obviado con demasiada frecuencia el problema de los sólidos transportados. Acumulación de sólidos y bloqueos de colector son una consecuencia de lo más habitual. Además, puede suponer, aparte de la reducción de sección útil para el transporte del flujo, un aumento de la rugosidad que puede generar sobreelevaciones del nivel en los colectores.

En este trabajo se propone hacer un repaso a los diferentes criterios de autolimpieza de colectores de la literatura según diferentes aproximaciones y dependientes de la geometría del colector y del tipo de sedimento o concentración de sólidos en el agua residual. Dichos criterios se aplican un caso concreto de una red de alcantarillado existente para determinar los conductos más susceptibles a la acumulación de sólidos en la red y diseñar un correcto mantenimiento que sirva como ejemplo para su aplicación por parte de administraciones e ingenieros.

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ÍNDICE

1. INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS ... 3

2. CRITERIOS DE DISEÑO DE AUTOLIMPIEZA ... 4

2.1. Autolimpieza basado en movimiento del sedimento del lecho ... 7

2.1.1. Movimiento incipiente ... 7

2.1.2. Erosión ... 17

2.2. Autolimpieza basado EN la no sedimentación del lecho ... 18

2.2.1. NO SEDIMENTACIÓN SIN deposición EN EL LECHO ... 18

2.2.2. NO SEDIMENTACIÓN CON DEPOSICIÓN EN EL LECHO ... 22

2.2.3. SEDIMENTACIÓN INCIPIENTE ... 24

3. APLICACIÓN EN UN CASO REAL: CUENCA DE RIERA BLANCA ... 27

3.1. Ámbito de estudio ... 27

3.2. Datos de partida ... 28

3.3. Caracterización del sedimento ... 28

3.4. Cálculo de velocidades mínimas ... 30

3.5. Diagnosis de la red ... 34

4. CONCLUSIONES ... 38

5. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 40 APÉNDICE 1 Datos de partida

APÉNDICE 2 Caracterización granulométrica

APÉNDICE 3 Clasificación de riesgo de sedimentación para tiempo seco (DWF)

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3

1. INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS

En el diseño y cálculo de las redes de alcantarillado tradicionalmente se ha obviado el problema de los sólidos transportados o se han reducido a un vago tratamiento basado en velocidades mínimas para la autolimpieza del colector. Dicha aproximación es del todo insuficiente pues no tiene en cuenta las características del colector, del flujo ni, sobretodo, del tipo de sedimento. La sedimentación en el canal provoca numerosos problemas no deseados como la contaminación, la obstrucción, el aumento de la rugosidad del conducto, la sobrecarga temprana del alcantarillado en un episodio de lluvia y los vertidos al medio.

Además, la sedimentación a largo plazo en las redes de alcantarillado aumenta el riesgo de la variación de la geometría y de sus características geomorfológicas. En particular, los depósitos permanentes en el lecho del colector durante las estaciones secas provocan cambios en la sección transversal como la rugosidad que afecta a la distribución de la velocidad y, en consecuencia, a la distribución de la tensión de corte límite. Así, la sedimentación afecta a la capacidad de transporte de sedimentos y a la resistencia hidráulica del colector.

Las redes de alcantarillado deben estar lo más libre posible de sedimentos. Dado que la mayoría de las redes son unitarias, uniendo aguas pluviales y residuales, en épocas estivales o secas, los niveles de agua disminuyen y por tanto el caudal de las alcantarillas. Aparece entonces el problema de la deposición si se une a un deficiente diseño de la red (pendientes insuficientes).

En diferentes países se usan criterios simples a la hora de enfrentarse a este problema basados principalmente en criterios de velocidad mínima o de tensión de fondo mínima. En USA la velocidad mínima debe estar entre el 0.6 y 0.9 m/s (Ashley et al., 2004), en Francia los valores son entre 0.3 y 0.6 m/s, en UK entre 0.75 y 1 m/s y el estándar de la Unión Europea es de un mínimo de 0.7 m/s al menos una vez al día (CEN, 1997). En España se establece una velocidad mínima de 0.6 m/s. Dichos mínimos son del todo insuficientes, o al menos una vaga aproximación, ya que no tienen en cuenta el tipo de sedimento ni las características de la red.

La finalidad del presente estudio es la recopilación de los diferentes criterios de diseño existentes fruto de la investigación académica y la aplicación de dichos criterios en un caso existente como ejemplo, correspondiente al sector de Riera Blanca en Barcelona y Hospitalet, para diseñar medidas de mantenimiento para su correcto funcionamiento. Con ello se pretende animar a administraciones, ingenieros y estudiantes a profundizar más en el estudio

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4 de la sedimentación en redes para tener en cuenta el problema de los sólidos transportados en su diseño y cálculo y sobretodo en la optimización del mantenimiento de las redes existentes.

2. CRITERIOS DE DISEÑO DE AUTOLIMPIEZA

La autolimpieza es un criterio de diseño hidráulico definido por Ackers et al. (1996), May et al.

(1996) y Butler et al. (1996ª, 2003) de la siguiente forma: una alcantarilla autolimpiante eficiente es aquella que tiene una capacidad de transporte de sedimentos suficiente para mantener un equilibrio entre las cantidades de deposición y erosión con una profundidad de sedimentación que minimiza los costes combinados de construcción, funcionamiento y mantenimiento.

Así que cualquier conducto de la red ha de cumplir estas dos condiciones:

- El flujo debe arrancar el sedimento depositado en el colector.

- Las partículas que son transportadas en el canal nunca deben ser depositadas.

Los modelos basados en la autolimpieza pueden clasificarse en dos grupos: el movimiento de los sedimentos del lecho y la no deposición. El primer grupo de modelos de autolimpieza puede subdividirse en dos subgrupos basados en el movimiento incipiente y en los fenómenos de socavación. El diseño de autolimpieza por movimiento incipiente es un criterio por el cual el canal debe satisfacer la velocidad mínima o la tensión de corte requerida para que se inicie el movimiento de los sedimentos, mientras que los modelos de socavación se basan en la velocidad de flujo requerida para el arrastre de los sedimentos del lecho.

Del mismo modo, el segundo grupo de modelos de autolimpieza se pueden clasificar en tres subgrupos: la no sedimentación sin lecho depositado, la no sedimentación con lecho depositado, y la sedimentación incipiente. La no sedimentación sin lecho depositado se define como una velocidad o tensión de corte limitante o mínima para las condiciones de no sedimentación tal que el canal no tiene lecho depositado. Sin embargo, en condiciones de no sedimentación con lecho depositado, un colector tiene una pequeña profundidad de lecho depositado. La sedimentación incipiente se considera un punto donde las partículas de sedimento en suspensión comienzan a sedimentarse y transportarse como carga del lecho, y pueden acumularse en el fondo del canal sin formar una capa depositada. Se muestra el esquema de la clasificación de los modelos de autolimpieza en la Fig. 1.

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5 Figura 1. Clasificación de los modelos de autolimpieza

Safari (2016) diseño un ciclo de sedimentación en canales rígidos que se muestra en la Figura 2 que ayuda a entender los procesos que se tienen en un colector de redes de alcantarillado en relación con la sedimentación.

Figura 2. Ciclo de sedimentación. Safari (2016) En la misma página Autolimpieza

Movimiento del sedimento del lecho

Movimiento incipiente

Erosión

No sedimentación

Sin deposición en el lecho

Con deposición en el lecho

Sedimentación incipiente

Sedimentación No sedimentación

Sedimentación incipiente Movimiento incipiente

Área de

sedimentación Área de Movimiento Aumento de velocidad gradual

Reducción de velocidad gradual

Ciclo de decrecimiento de velocidad Ciclo de aumento de velocidad

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6 Hay cuatro condiciones principales para el transporte de sedimentos: la no sedimentación, la sedimentación incipiente, la sedimentación y el movimiento incipiente. Para determinar las condiciones de no sedimentación y sedimentación incipiente partimos experimentalmente de una condición de flujo donde la velocidad o la tensión de corte en el fondo es suficiente para evitar que las partículas sedimenten (V=V+). A partir de una geometría de colector, pendiente y tamaño de sedimento el flujo se puede ajustar para determinar dicha condición. Así obtendríamos un colector que trabaja en el rango de la no sedimentación.

A medida que el flujo se reduce gradualmente, y con él la velocidad, entramos en el rango de sedimentación incipiente. Experimentalmente se ha observado que si el flujo de la velocidad es suficientemente bajo (V = Vid) se observan algunas partículas agrupadas en ciertas zonas del fondo del canal. Pasado este rango, cuando decrece más la velocidad, (V=V-), el sedimento se va acumulando gradualmente en el fondo hasta obtener una sedimentación completa.

Aquí es donde comienza el ciclo de incremento de la velocidad. Cuando la velocidad se incrementa gradualmente hasta un valor límite (V=Vim), las partículas comienzan a moverse debido al flujo, estando en la zona de movimiento incipiente, hasta llegar a la velocidad (V=V+) donde se satisface de nuevo la condición de no sedimentación. En el modo de transporte de sedimentos sin deposición, las partículas se mueven en el flujo ya sea como carga suspendida o como carga de fondo. Por el contrario, los sedimentos están en reposo en el modo de no- movimiento.

Una vez comprendido el ciclo de sedimentación pasamos a detallar en los siguientes subcapítulos los diferentes y principales modelos de autolimpieza en función de la clasificación de la figura 1, de los cuales, a partir de una selección, pondremos en práctica en nuestro caso de estudio.

Antes de proseguir, conviene mencionar también aquellos estudios de campo y experimentales a escala de laboratorio que se han elaborado sobre el transporte de sedimento en redes de alcantarillado. Estudios de campo destacados como los realizados por Bertrand- Krajewski et al. (1993), donde revisaron los modelos de transporte de sedimentos en alcantarillas reales, realizando una pequeña comparativa de varios modelos. Mark et al. (1996) aplicó un modelo numérico para predecir la ubicación de la sedimentación en alcantarillas reales, Bertrand-Krajewski et al. (2006) estudiaron la acumulación y eliminación de sedimentos en un alcantarillado unitario ovoidal, Larrarte et al. (2016) realizó evaluaciones experimentales de varios tipos de deposición de sedimentos, Lepot et al. (2017) implementó una tecnología

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7 acústica para la monitorización de la deposición de sedimentos en sistemas de drenaje. La monitorización es esencial para seguir conociendo el transporte de sedimentos.

2.1. AUTOLIMPIEZA BASADO EN MOVIMIENTO DEL SEDIMENTO DEL LECHO

En esta categoría de criterios de autolimpieza las partículas de sedimento en el fondo del canal se incorporan al flujo. Tiene dos subgrupos: movimiento incipiente y la erosión del sedimento existente en el lecho.

2.1.1. MOVIMIENTO INCIPIENTE

Los modelos de diseño de autolimpieza del movimiento incipiente se basan en lo valores mínimos de velocidad o tensión de corte requeridos para la iniciación del movimiento de los sedimentos. Los modelos de movimiento incipiente se desarrollaron a través del equilibrio entre las fuerzas hidrodinámicas que actúan sobre las partículas de sedimento con algunas simplificaciones utilizando datos experimentales. Hay dos enfoques fundamentales para el análisis del movimiento incipiente de los sedimentos, a saber, el enfoque de la velocidad y el de la tensión de fondo. En el enfoque tensión de fondo se utilizaron los parámetros adimensionales propuestos por Shields (1936) en el diagrama de Shields. Denominamos velocidad de movimiento incipiente a la velocidad de flujo a la que una partícula de sedimento de cierto tamaño y densidad comienza a moverse (Safari et al. 2013). En las siguientes subsecciones se revisan los estudios de movimiento incipiente en canales de límites rígidos basados en los dos enfoques mencionados.

2.1.1.1 Aproximación de tensión de fondo

Shields (1936) utiliza el concepto de velocidad cortante determinada como:

𝑣_∗= √𝜏𝑖𝑚

𝜌

donde

𝜏𝑖𝑚 tensión de fondo para el arrastre incipiente del lecho 𝜌 densidad del agua

Shields (1936) indicó que la tensión de fondo 𝜏^∗_𝑖𝑚 es función del número de Reynolds (R*).

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8 𝜏^∗_𝑖𝑚 = 𝑓(𝑅^∗)

Donde 𝜏^∗𝑖𝑚 y R* se definen como:

𝜏^∗_𝑖𝑚 = 𝜏_𝑖𝑚 𝑝𝑔𝑑(𝑠 − 1)

𝑅^∗=𝑢_∗𝑑 𝜐 donde

𝑔 aceleración de la gravedad 𝑑 diámetro medio del sedimento

𝑠 densidad relativa del sedimento respecto al agua 𝜐 viscosidad cinemática del fluido

Se ha determinado experimentalmente la relación entre la tensión de fondo y el número de Reynolds tal como se ilustra en las siguientes formulaciones en función de la geometría del colector y el tamaño del sedimento. Se revela que la propia geometría es un factor importante en el movimiento incipiente del sedimento. Tras las aportaciones de Safari (2016) y Safari et al.

(2017) se comprueba que los canales rectangulares y triangulares requieren las menores y mayores tensiones de fondo críticas. Esto contradice algunas formulaciones como la de Novak y Nalluri (1975) que muestran una tensión de fondo crítica menor en canales circulares que en rectangulares. Esto se puede deber a un problema de escala en la formulación de Novak y Nalluri (1975). En la tabla 1 se presentan las ecuaciones de los diferentes modelos existentes de velocidad incipiente ordenadas de forma cronológica según su propuesta.

- Ippen and Verma (1953)

1.5 𝜏𝑖𝑚

𝜌𝑔(𝑠 − 1)¹^⁄²𝑘_𝑏 = 11.6 𝑑 𝛿

Sección Geometría Tamaño del sedimento (mm)

Rectangular W= 611 mm 2-3,2

(11)

9 - Pedroli (1963)

𝜏_𝑖𝑚 = 0.53𝛾_𝑠𝜐²^⁄⁵

𝑔¹^⁄⁵ 𝑑²^⁄⁵𝑆¹^⁄⁴

Rectangular W= 300 y 600 mm 1-11,1

- Ota (1999)

𝜏_𝑖𝑚

𝜌𝑔𝑑(𝑠 − 1)= 0.53 𝑠 𝑠 − 1

𝜐²^⁄⁵

𝑔¹^⁄⁵𝑑^{−3 5}^⁄ 𝑆¹^⁄⁴

- Novak and Nalluri (1975)

𝜏𝑖𝑚

𝜌𝑔𝑑(𝑠 − 1)= 0.060 (𝑢∗𝑑 𝜐 )

−0.61

Circular D= 152 y 305 mm 0,6-50

𝜏_𝑖𝑚

𝜌𝑔𝑑(𝑠 − 1)= 0.065 (𝑢_∗𝑑 𝜐 )

−0.52

Rectangular W= 305 mm 0,6-50

(12)

10 - Ojo (1978)

𝜏_𝑖𝑚

𝜌𝑔𝑑(𝑠 − 1)= 0.062 (𝑢_∗𝑑 𝜐 )

−0.54

Rectangular W= 305 mm 0,3-4,2

- Mohammadi (2005)

𝜏_𝑖𝑚

𝜌𝑔𝑑(𝑠 − 1)= 7 𝑥 10 ⁻⁵(𝑢_∗𝑑 𝜐 )

2

Sección Geometría Tamaño del sedimento

(mm)

Triangular W= 278 mm, caída de 50 y 76 mm 0,87

𝜏_𝑖𝑚

𝜌𝑔𝑑(𝑠 − 1)= 1 𝑥 10 ⁻⁷(𝑢_∗𝑑 𝜐 )

2

Triangular W= 278 mm 7,72

- Safari (2006) y Safari et al. (2017a)

𝜏_𝑖𝑚

𝜌𝑔𝑑(𝑠 − 1)= 0.10 (𝑢_∗𝑑 𝜐 )

−1.08

(13)

11 Trapezoidal W= 300 mm, pendiente interior = tan 60º 0,15-1,52

𝜏_𝑖𝑚

𝜌𝑔𝑑(𝑠 − 1)= 0.07 (𝑢_∗𝑑 𝜐 )

−1.14

Rectangular W= 300 mm 0,15-1,52

𝜏_𝑖𝑚

𝜌𝑔𝑑(𝑠 − 1)= 0.12 (𝑢_∗𝑑 𝜐 )

−1.19

Circular D= 290 mm 0,15-1,52

𝜏_𝑖𝑚

𝜌𝑔𝑑(𝑠 − 1)= 0.12 (𝑢_∗𝑑 𝜐 )

−0.88

En forma de U W= 300 mm, caída = 50mm 0,15-1,52 𝜏_𝑖𝑚

𝜌𝑔𝑑(𝑠 − 1)= 0.08 (𝑢_∗𝑑 𝜐 )

−0.67

Triangular W= 300 mm, caída = 50mm 0,15-1,52

Tabla 1. Modelos de criterios de autolimpieza de movimiento incipiente con aproximación por tensión de fondo.

(14)

12 2.1.1.2 Aproximación por velocidad

La velocidad del flujo asume que a partir de que ciertos tamaños y densidades de partículas se relacionan con la velocidad de movimiento incipiente. El balance de fuerzas resultante se usa para determinar dicha velocidad.

La primera aproximación fue realizada por Craven (1953) y ampliada por Ambrose (1953) pese a que solo estaban referidos a canales de sección circular. Novak y Nalluri (1975) propusieron la siguiente aproximación:

𝑉_𝑖𝑚

√𝑔𝑑(𝑠 − 1)= 𝑎 (𝑑 𝑅)

𝑏

donde

𝑉_𝑖𝑚 velocidad media del flujo en movimiento incipiente 𝑔 aceleración de la gravedad

𝑑 diámetro medio del sedimento

𝑠 densidad relativa del sedimento respecto al agua R radio hidráulico

a, b constantes

Con una aplicación en el rango de d/R entre 0,01 y 0,30, Novak y Nalluri (1984), este modelo fue ampliamente utilizado para el análisis de transporte de sedimentos por movimiento incipiente como veremos en las formulaciones que propondremos a continuación. Novak y Nalluri (1984) destacaron que la velocidad requerida para partículas juntas es superior que para partículas sueltas, que análisis y modelos como el de EL-Zaemey (1991) confirmaron.

Safari et al. (2011) encontró que la velocidad de movimiento incipiente es mayor en canales triangulares que en rectangulares o circulares. Salem (1998), Ab Ghani et al. (1999) y Bong et al. (2013, 2016) obtuvieron resultados que indicaban que la anchura del sedimento depositado en canales rectangulares afectaba la capacidad del flujo de erosionarlo. Cuanto mayor grosor, menos efectivos eran los modelos de Novak y Nalluri (1984) y EL-Zaemey (1991).

(15)

13 Como en el caso de la aproximación por tensión de fondo, Safari (2011) demostró que la velocidad de movimiento incipiente depende o varía con la geometría del canal. En la figura 2 podemos observar como los canales rectangulares necesitan la menor velocidad incipiente mientras que los triangulares la mayor.

Figura 3. Comparación de ecuaciones de movimiento incipiente de Safari (2016) en canales rígidos en función del número de Froude y el tamaño relativo del sedimento. Safari et al.

(2018)

En la tabla 2 se presentan las ecuaciones de los diferentes modelos existentes de velocidad incipiente ordenadas de forma cronológica según su propuesta.

- Craven (1953)

𝑄_𝑖𝑚

𝐷²√𝑔𝑑(𝑠 − 1) > 2,50

Circular D= 152,4 y 50,8 mm 0,25

𝑄_𝑖𝑚

𝐷²√𝑔𝑑(𝑠 − 1) > 3,18

(16)

14 Sección Geometría Tamaño del sedimento (mm)

Circular D= 152,4 y 50,8 mm 1,62

- Ambrose (1953) y Mayerle (1988)

𝑄_𝑖𝑚

𝐷^2.5√𝑔𝑑 = 11,40 (𝑌 𝐷)

1.80

- Novak y Nalluri (1975)

𝑉_𝑖𝑚

√𝑔𝑑(𝑠 − 1)= 0.61 (𝑑 𝑅)

−0.27

Circular y rectangulares D= 152 y 305 mm 0,6-50 W = 305 mm

- Ojo (1978)

𝑉_𝑖𝑚

√𝑔𝑑(𝑠 − 1)= 0.65 (𝑑 𝑅)

−0.28

Rectangular W = 300 mm 0,3-4,2

- Novak and Nalluri (1984) A partir de los datos de Novak y Nalluri (1975) y Ojo (1978)

𝑉_𝑖𝑚

√𝑔𝑑(𝑠 − 1)= 0.5 (𝑑 𝑅)

−0.40

(17)

15 Circular y rectangulares D= 152 y 305 mm 0,6-50

- El-Zaemey (1991)

𝑉_𝑖𝑚

√𝑔𝑑(𝑠 − 1)= 0.75 (𝑑 𝑅)

−0.34

Circular D = 305 mm 2,9-8,4

- Salem (1998), Ab Ghani et al. (1999) y Bong et al. (2013)

𝑉𝑖𝑚

√𝑔𝑑(𝑠 − 1)= 1.07 (𝑑 𝑅)

−0.23

- Safari et al. (2011) A partir de los datos de Mohammadi (2005)

𝑉_𝑖𝑚

√𝑔𝑑(𝑠 − 1)= 0.68 (𝑑 𝑅)

−0.41

Sección

Triangular

- Bong et al. (2013) y Bong et al. (2016)

𝑉_𝑖𝑚

√𝑔𝑑(𝑠 − 1)= 1.17 (𝑑 𝑅)

−0.167

(𝑡_𝑠 𝑑)

0.0378

(18)

16

𝑉_𝑖𝑚

√𝑔𝑑(𝑠 − 1)= 1.17 (𝑑 𝑅)

−0.18

(𝑡_𝑠 𝑑)

0.21

Safari (2016) y Safari et al. (2017a)

𝑉_𝑖𝑚

√𝑔𝑑(𝑠 − 1)= 0.49 (𝑑 𝑅)

−0.50

Trapezoidal W = 300 mm y s = tan 60º 0,15-1,52

𝑉_𝑖𝑚

√𝑔𝑑(𝑠 − 1)= 0.48 (𝑑 𝑅)

−0.47

𝑉_𝑖𝑚

√𝑔𝑑(𝑠 − 1)= 0.48 (𝑑 𝑅)

−0.50

Circular D = 290 mm 0,15-1,52

(19)

17 𝑉_𝑖𝑚

√𝑔𝑑(𝑠 − 1)= 0.68 (𝑑 𝑅)

−0.44

En forma de U W = 300 mm, caída = 50 mm 0,15-1,52

𝑉𝑖𝑚

√𝑔𝑑(𝑠 − 1)= 0.83 (𝑑 𝑅)

−0.39

Triangular W = 300 mm, caída = 50 mm 0,15-1,52

Tabla 2. Modelos de criterios de autolimpieza de movimiento incipiente con aproximación por velocidad.

2.1.2. EROSIÓN

La combinación de la fórmula de Shields (1936) y la fórmula de Manning dan lugar al criterio de Camp (1946) que determina la velocidad requerida para la autolimpieza por erosión.

𝑉_𝑠=1

𝑛 𝑅¹^⁄⁶√𝜏^∗_𝑠𝑑(𝑠 − 1) donde

𝑉_𝑠 velocidad de socavación

𝜏^∗𝑠 parámetro adimensional de tensión de fondo

(20)

18 𝑑 diámetro medio del sedimento

𝑠 densidad relativa del sedimento respecto al agua R radio hidráulico

n coeficiente adimensional de rugosidad de Manning

Los valores de 𝜏^∗𝑠 oscilan entre 0,04 y 0, 8 según ASCE Water Pollution Control Federation (1970) y May (2001). Almedeij y Almohsen (2010) aplicaron el criterio de Camp (1946) en el alcantarillado de Kuwait y propusieron valores de 𝜏^∗_𝑠 en el rango de 0,1-0,8 para prevenir la sedimentación. El problema es que éste no es un criterio de optimización de diseño y la aproximación por erosión no es común en el campo de la ingeniería hidráulica.

2.2. AUTOLIMPIEZA BASADO EN LA NO SEDIMENTACIÓN DEL LECHO

Es el criterio convencional, o estándar, que se usa actualmente en el diseño y cálculo de redes de alcantarillado, si bien se utiliza basado en valores únicos independientes de la geometría o tamaño del sedimento. Criterios basados en la velocidad, con estándares mínimos que oscilan entre 0,3 y 1 m/s y de tensión entre 1 y 12,6 N/m². No obstante, estos valores no tienen justificación teórica alguna.

Más que un simple valor, se ha trabajado en los métodos de no sedimentación añadiendo más parámetros y dividiendo los modelos en tres grandes subgrupos: No sedimentación sin deposición en el lecho, no sedimentación con deposición en el lecho y sedimentación incipiente.

2.2.1. NO SEDIMENTACIÓN SIN DEPOSICIÓN EN EL LECHO

Las redes de alcantarillado se diseñan sin depósito de sedimento, aproximación conservadora que busca una velocidad mínima o concentración de sedimentos máxima que evite la sedimentación del lecho. Múltiples estudios y modelos se han realizado para este criterio, con muchos más recursos y propuestas que para el criterio de movimiento del sedimento del lecho (apartado 3.1). Para no abrumar al lector ni distraerle de los objetivos del presente documento (utilizar varios modelos en un caso real de estudio) vamos a destacar aquellos que

(21)

19 consideramos de mayor relevancia, pudiendo profundizar en los modelos referidos a partir de la bibliografía (capítulo 4).

Los primeros estudios realizador por Craven (1953), Ambrose (1953), Laursen (1956), Durand (1953) y Duran y Condolios (1956) se realizaron sobre flujos en tubería, pero se trataron de modelos simples inapropiados para el diseño de colectores. Modelos y aportaciones en canales rígidos también fueron propuestos por Pedroli (1963), Robinson y Graf’s (1972), Novak y Nalluri (1975, 1978), Graf y Ancaroglu (1968), Ackers y White’s (1973), Macke (1982), Arora (1983), Ackers (1984), Nalluri (1985), Mayerle (1988), Kithsiri (1990), Mayerle et al. (1991), Nalluri y Kithsiri (1992), Ab Ghani (1993), Ackers (1996), Butler et al (1996a), Nalluri y Spalivero (1998), Ota (1999), Sutter et al. (2003), Ota y Nalluri (1993), Pianese y Della Morte (2004) o Vongvisessomjai et al. (2010).

May (1982) demostró que la velocidad para la no sedimentación depende del tamaño de la partícula, la concentración del sedimento y el diámetro del colector. May (1982) y May et al.

(1989) consideraron teóricamente las fuerzas hidrodinámicas actuando en la sedimentación de partículas en condiciones de no deposición en el lecho y desarrollaron un modelo usando más parámetros hidráulicos teniendo en cuenta la velocidad para el movimiento incipiente, calculado a partir del modelo de Novak y Nalluri (1975). May (1993) a partir de experimentos en colectores propuso dos parámetros de transporte (Ω) y movilidad (𝐺𝑆) basados en la tensión actuante en la superficie del sedimento y relacionados entre sí llegando a la formulación definitiva en May (1996).

Safari et al. (2017b) realizó experimentos para la determinación de las condiciones de no sedimentación en canales trapezoidales y extendió la metodología para incluir la forma del canal en el modelo para un mayor rango de aplicabilidad con el factor (𝛽) .

𝛽 = √𝑃 𝐵⁄ 1.31 (𝐵 𝐷⁄ _ℎ)^−0.49 donde

𝑃 perímetro mojado 𝐷_ℎ profundidad del flujo B ancho superficial del canal

(22)

20 A partir de una gran cantidad de datos previos, Safari et al. (2017) comprobó que el modelo propuesto trabajaba bien para una gran variedad de canales con diferentes geometrías y tamaños. En la tabla 3 se presentan las formulaciones más destacadas de esta aproximación.

- May et al. (1996)

𝑉_𝑡 = 0.125 √𝑔𝑑(𝑠 − 1) (𝑦 𝑑)

0.47

- Safari et al. (2017ª)

𝑉_𝑛

√𝑔𝑑(𝑠 − 1)= 7.34 𝐶_𝑣^0.13𝐷_𝑔𝑟^−0.12 (𝑑 𝑅)

−0.44

𝛽^−0.91

Trapezoidal W = 300 mm y s = tan 60º 0,15-0,83 Circular

Rectangular En U

Tabla 3. Modelos de criterios de autolimpieza de no sedimentación sin deposición en el lecho.

(23)

21

(24)

22 Figura 4. Modelos para el criterio de diseño de no sedimentación sin deposición en el lecho.

Safari et al. (2018)

2.2.2. NO SEDIMENTACIÓN CON DEPOSICIÓN EN EL LECHO

Este es un criterio de uso para grandes colectores, de diámetro superior a 500 mm. May et al.

(1989) y May (1993) apuntaron que la presencia de deposición en el lecho permite al flujo una gran capacidad de transporte en forma de arrastre. Es decir, el transporte se da solo en la superficie del lecho depositado (Butler et al. 2003). En comparación con el criterio del apartado anterior (sedimentación sin deposición en el lecho, apartado 3.2.1.) este es un criterio menos conservador permitiendo menores pendientes en el diseño. Por ese motivo no se tendrán en cuenta en este estudio, ya que queremos centrarnos en criterios o modelos de diseño que puedan extrapolarse a la práctica de ingeniería fluvial común y en el ámbito del drenaje urbano.

Se han desarrollado estudios por Craven (1953), Ambrose (1953), May et al. (1989), Alvarez (1990), Ackers (1990, 1991), El- Zaemey (1991), Perrusquia (1991, 1992ª, b), May (1993), Perrusquia (1993), Ab Ghani 1993), Perrusquia y Nalluri (1995), Ackers et al. (1996) o Nalluri e al. (1997).

(25)

23 Figura 5. Modelos para el criterio de diseño de no sedimentación con deposición en el lecho.

Safari et al. (2018)

(26)

24 2.2.3. SEDIMENTACIÓN INCIPIENTE

La deposición incipiente se define como la condición de flujo cuando las partículas de sedimento o partículas en suspensión comienzan a sedimentarse. Las partículas de sedimento pueden continuar su movimiento a través del canal como carga de fondo pueden acumularse parcialmente en el fondo del canal sin formar una capa depositada.

Loveless (1992) estudió este punto donde el sedimento está a punto de depositarse en diferentes geometrías de colectores a las que Safari et al. (2014), Safari et al. (2015), Safari (2016) y Aksoy et al. (2017) reformularon en función de la velocidad de sedimentación incipiente para cada tipo de canal. En la tabla 4 se detallan las formulaciones destacadas para esta aproximación.

- Safari (2016) y Aksoy et al. (2017)

𝑉_𝑖𝑚

√𝑔𝑑(𝑠 − 1)= 1.28 (𝑑 𝑅)

−0.44

Trapezoidal W = 300 mm y s = tan 60º 0,15-1,52

𝑉_𝑖𝑚

√𝑔𝑑(𝑠 − 1)= 0.86 (𝑑 𝑅)

−0.45

𝑉_𝑖𝑚

√𝑔𝑑(𝑠 − 1)= 1.14 (𝑑 𝑅)

−0.44

(27)

25

Circular D = 290 mm 0,15-1,52

𝑉_𝑖𝑚

√𝑔𝑑(𝑠 − 1)= 1.35 (𝑑 𝑅)

−0.41

En forma de U W = 300 mm, caída = 50 mm 0,15-1,52

𝑉𝑖𝑚

√𝑔𝑑(𝑠 − 1)= 1.28 (𝑑 𝑅)

−0.43

Triangular W = 300 mm, caída = 50 mm 0,15-1,52

Tabla 4. Modelos de criterios de autolimpieza de sedimentación incipiente.

(28)

26 Figura 6. Modelos para el criterio de diseño de sedimentación incipiente. Safari et al. (2018)

(29)

27

3. APLICACIÓN EN UN CASO REAL: CUENCA DE RIERA BLANCA

Las redes de alcantarillado existentes de cualquier municipio pueden llegar a tener más de cincuenta años de antigüedad. Es frecuente que no existan demasiados datos sobre esta, ni topográficos ni de estado de la red. Esto limita la posibilidad de un correcto mantenimiento que prácticamente responde a una política reactiva cuando la red muestra su deficiencia con problemáticas en superficie. Uno de los problemas “ocultos” en la red es el de la sedimentación.

Aun contando con la topografía de la red, esta, en función de su magnitud, requiere de grandes inversiones en mantenimiento si se desconoce su comportamiento y su tendencia a la sedimentación, o una falta de optimización por plantear velocidades mínimas arbitrarias para la acumulación de sedimento basadas en criterios como se menciona en el capítulo 1.

En este capítulo se aborda un caso real, el de la cuenca de Riera Blanca en Barcelona y Hospitalet. Partiendo de los valores de velocidad de cada colector recogidos en una modelización dentro de un estudio realizado por Cetaqua, la Universitat Politécnica de Catalunya (UPC) y el doctor Manuel Gómez de la caracterización del sedimento, aplicar una selección de criterios de diseño de autolimpieza desarrollados en el capítulo 2 y establecer un plan de mantenimiento óptimo de la red.

3.1. ÁMBITO DE ESTUDIO

El ámbito de estudio se corresponde con la cuenca urbana de Riera Blanca, situada en los términos municipales de Barcelona y Hospitalet. La riera Blanca era un antiguo curso de agua del plan de Barcelona que drenaba los vertientes sudestes de Sant Pere Mártir. Recogía las aguas del torrente de Escuder y del torrente de Sants. Actualmente este curso de agua está canalizado y circula bajo algunas calles de la ciudad. Su curso bajo discurre bajo la calle homónima Sants – Badal y desembocaba en el mar en el oeste de Montjuic, en la actual Zona franca.

(30)

28 3.2. DATOS DE PARTIDA

La Universitat Politécnica de Catalunya (UPC), junto a Cetaqua y el catedrático Manuel Gómez Valentín realizaron una modelización numérica del comportamiento de la red de alcantarillado de la cuenca de Riera Blanca a partir de los datos topográficos facilitados por Barcelona Cicle de l’Aigua, SA (BCASA). A partir de esta modelización realizada con el software Storm Water Management Model (SWMM) de la Environment Protection Agency (EPA) se obtuvieron datos de velocidad mínima y máxima para diferentes escenarios, así como variables de calado y radio hidráulico. La red está compuesta por 270 colectores circulares.

Modelo Descripción Variables

DWF

Escenario en tiempo seco, actuando solo las aguas residuales a partir de la estimación de uso de agua potable de la

población

Vmin, Vmax, y, Rh*

TR1mes Escenario con una avenida de periodo de retorno de 1 mes Vmin, Vmax, y, Rh*

TR6 meses Escenario con una avenida de periodo de retorno de 6 meses Vmin, Vmax, y, Rh*

TR1 año Escenario con una avenida de periodo de retorno de 1 año Vmin, Vmax, y, Rh*

TR2 años Escenario con una avenida de periodo de retorno de 2 años Vmin, Vmax, y, Rh*

*velocidad máxima media horaria.

Tabla 5. Escenarios de cálculo del modelo numérico de Riera Blanca desarrollado por la Universitat Politècnica de Catalunya.

En el apéndice 1 se puede consultar las tablas de variables de los diferentes escenarios modelizados.

3.3. CARACTERIZACIÓN DEL SEDIMENTO

La correcta caracterización del sedimento es clave para poder aplicar los criterios de diseño de autolimpieza desarrollados en el capítulo 2. Conviene separar el tipo de sedimento en dos grandes grupos: orgánica e inorgánico. Cada punto de la red es proclive a acumular sedimentos de uno u otro tipo. A partir de una serie de muestras tomadas in situ de los dos grupos de sedimentos, así como un mapeado del tipo de sedimento que se encuentra principalmente en cada colector de la red, se caracteriza el sedimento de la red de Riera Blanca.

(31)

29 En el apéndice 2 se puede consultar la tabla de caracterización del sedimento de la red de alcantarillado de Riera Blanca.

Sendimento orgánico

Variable Descripción Valor

d diámetro medio del sedimento (m) 0.0005

s Ratio de densidad 2.4

n Coeficiente de rugosidad de Manning 0.015

Ƭ Tensión de Shields (N/m2) 1.5

ν Viscosidad cinemática (m/s) 0.000001

Cv Concentración de sedimento (Kg/m3) 0.2

Tabla 6. Caracterización del sedimento orgánico de la red de alcantarillado de Riera Blanca.

Sendimento inorgánico

Variable Descripción Valor

DWF diámetro medio del sedimento (m) 0.0005

TR1mes Ratio de densidad 1.4

TR6 meses Coeficiente de rugosidad de Manning 0.015

TR1 Tensión de Shield (N/m2) 1.5

TR2 Viscosidad cinemática (m/s) 0.000001

ν Concentración de sedimento (Kg/m3) 0.2

Tabla 7. Caracterización del sedimento inorgánico de la red de alcantarillado de Riera Blanca.

(32)

30 3.4. CÁLCULO DE VELOCIDADES MÍNIMAS

Del capítulo 2 se selecciona una serie de criterios de diseño de autolimpieza en función de su relevancia y condición experimental, priorizando aquellas efectuadas con colectores circulares como los de la red de Riera blanca y que tengan un uso extrapolable a la práctica profesional.

(33)

31 Tabla 8. Criterios de diseño de autolimpieza seleccionados para el caso de ejemplo de Riera

Blanca

Se calcula la velocidad mínima para cada escenario, cada criterio de diseño de autolimpieza seleccionado y cada tipo de sedimento. En una visión general los criterios de movimiento incipiente son más restrictivos, siendo Camp (1946) y Safari (2016) y Aksoy et al. (2017) los que

Aproximación por movimiento de velocidad en el lecho Movimiento incipiente

Aproximación por velocidad Novak and Nalluri (1984)

El-Zamey (1991)

Ab Ghani (1993)

Bong et al. (2016)

Safari (2016) y Safari et.al (2017a)

Erosión Camp (1946)

Aproximación por no sedimentación No sedimentación sin deposición en el lecho

May et al (1996)

Sedimentación incipiente Safari (2016) y Aksoy et al. (2017)

(34)

32 aportan velocidades mínimas mayores. El criterio de May et al. (1996) es el más restrictivo de todos.

Tabla 9. Velocidad mínima del escenario DWF para cada criterio de diseño de autolimpieza seleccionado y cada tipo de sedimento.

Tabla 10. Velocidad mínima del escenario TR1 mes para cada criterio de diseño de autolimpieza seleccionado y cada tipo de sedimento.

Tabla 11. Velocidad mínima del escenario TR6 meses para cada criterio de diseño de autolimpieza seleccionado y cada tipo de sedimento.

Escenario DWF Novak and Nalluri

(1984) El-Zamey (1991) Ab Ghani (1993) Bong et al. (2016)Safari (2016) y Safari

et.al (2017a) Camp (1946) May et al (1996) Safari (2016) y Aksoy et al. (2017)

V mínima (orgánico) 0.261295579 0.29731945 0.241258949 0.209097057 0.397560561 1.311188278 0.090172077 0.716253751 V mínima (inorgánico) 0.156153976 0.177682357 0.144179799 0.124959392 0.237587878 0.783584871 0.053888123 0.428043487 Sedimentación

incipiente

Aproximación por movimiento de velocidad en el lecho No sedimentación

Aproximación por velocidad

No sedimentación sin deposición en el lecho Movimiento incipiente

Erosión

Escenario TR1 mes

Novak and Nalluri

et.al (2017a) Camp (1946) May et al (1996) Safari (2016) y Aksoy et al.

(2017)

V mínima (orgánico) 0.181115683 0.21773273 0.1954147 0.179428711 0.251439376 1.125490214 0.058619251 0.478600673 V mínima (Arena) 0.108237323 0.130120194 0.11678262 0.107229165 0.150263768 0.672609051 0.035031703 0.286018609

Movimiento incipiente Erosión No sedimentación sin

deposición en el lecho Sedimentación incipiente Aproximación por velocidad

Escenario TR6 meses

Novak and Nalluri

(2017)

Movimiento incipiente Erosión No sedimentación sin

(35)

33 Tabla 12. Velocidad mínima del escenario TR1 año para cada criterio de diseño de

autolimpieza seleccionado y cada tipo de sedimento.

Tabla 13. Velocidad mínima del escenario TR2 años para cada criterio de diseño de autolimpieza seleccionado y cada tipo de sedimento.

Escenario TR1 año

Novak and Nalluri

(2017)

Erosión No sedimentación sin

Escenario TR2 años

Novak and Nalluri

(1984) El-Zamey (1991) Ab Ghani (1993) Bong et al. (2016) Safari (2016) y Safari

(2017)

Erosión No sedimentación sin

deposición en el lechoSedimentación incipiente Aproximación por velocidad

(36)

34 3.5. DIAGNOSIS DE LA RED

A partir de las velocidades mínimas de cada criterio de diseño de autolimpieza se realiza un diagnóstico de la red para cada escenario para determinar dos criterios de mantenimiento principal:

- Diagnóstico de colectores susceptibles de acumular sedimento para el escenario seco, solo con aguas residuales, para una vigilancia y mantenimiento periódico específico.

- Determinación de avenida de retorno óptimo que permita la limpieza de toda la red de alcantarillado.

Para la detección de colectores susceptibles de acumular sedimento para el escenario seco se define una clasificación de riesgo de sedimentación en función de la cantidad de criterios de diseño de autolimpieza que no se cumplen, tal como se puede comprobar en la tabla 14.

Riesgo de

sedimentación Descripción Color

Muy bajo Cumple el 100% los criterios de diseño de autolimpieza Bajo Cumple el 90% los criterios de diseño de autolimpieza Medio Cumple hasta un 75% de criterios de autolimpieza Alto Cumple hasta un 50% de criterios de autolimpieza Muy alto Cumple hasta un 25% de criterios de autolimpieza

Tabla 14. Criterios de riesgo de sedimentación.

En función de la tabla 14 se diagnostican los 270 colectores de la red de alcantarillado de Riera Blanca. En el apéndice 3 se puede comprobar la clasificación de cada colector para el escenario de tiempo seco. En la tabla 15 se presenta un resumen del porcentaje de colectores en cada rango de riesgo.

(37)

35 Tabla 15. Diagnóstico del riesgo de sedimentación de la red de Riera Blanca.

Un 13.33% de la red se encuentra en estado de riesgo de “alto” y “muy alto”. Es en estos colectores donde el plan de mantenimiento debe prestar una mayor atención. Para determinar la frecuencia de limpieza de los colectores en función del riesgo es conveniente dar un paso más y analizar la limpieza de la red para avenidas asociadas a periodos de retorno de 1 mes, 6 meses, 1 año y 2 años, evaluando la capacitad de autolimpieza de cada escenario.

Se define el criterio de limpieza de red como el porcentaje de colectores que tienen un riesgo bajo o muy bajo de sedimentación para cada avenida. El criterio de limpieza nos permite determinar el impacto de cada avenida asociada a un periodo de retorno y el grado de limpieza que provoca dicha avenida.

Riesgo de

sedimentación Descripción Color Colectores Porcentaje Muy bajo Cumple el 100% de los criterios de diseño

de autolimpieza 97 35.93%

Bajo Cumple el 90% de los criterios de diseño de

autolimpieza 79 29.26%

Medio Cumple hasta un 75% de los criterios de

diseño autolimpieza 58 21.48%

Alto Cumple hasta un 50% de criterios de diseño

Muy alto Cumple hasta un 25% de criterios de diseño

Total 270 100.00%

(38)

36

Escenario Descripción Criterio de

limpieza

DWF

Escenario en tiempo seco, actuando solo las aguas residuales a partir de la estimación de uso de agua potable de la población

65.19%

Tr1 mes Escenario con una avenida de

periodo de retorno de 1 mes 88.50%

Tr6 meses Escenario con una avenida de

periodo de retorno de 6 meses 95.90%

Tr1 año Escenario con una avenida de

periodo de retorno de 1 año 96.30%

TR2 años Escenario con una avenida de

periodo de retorno de 2 años 97%

Tabla 16. Diagnóstico criterio de limpieza para cada escenario de la red de Riera Blanca.

A partir de la tabla 16 se extrae las conclusiones de que la red de Riera Blanca se limpia prácticamente en su totalidad a partir de un periodo de retorno de 6 meses, determinado por más de un 95% de la red limpia. Cabe mencionar, no obstante, que estos valores se calculan a partir de colectores limpios, por lo que, si se acumula demasiado sedimento, la realidad puede no corresponderse con lo calculado.

Cruzando los datos de la tabla 15 y 16, se define un plan de mantenimiento de la red en función del riesgo de cada colector. Para los colectores con riesgo bajo y muy bajo se propone un control y seguimiento anual, con limpieza en caso de ser necesario. Para los colectores en riesgo medio se propone una limpieza mensual, y para los colectores de riesgo alto o muy alto una limpieza quincenal.

(39)

37 Riesgo de

sedimentación Plan de mantenimiento Color Colectores Porcentaje Muy bajo Control y seguimiento anual. Limpieza si es

necesario. 97 35.93%

Bajo Control y seguimiento anual. Limpieza si es

necesario. 79 29.26%

Medio Limpieza mensual. 58 21.48%

Alto Limpieza quincenal 9 3.33%

Muy alto Limpieza quincenal 27 10.00%

Total 270 100.00%

Tabla 10. Plan de mantenimiento según el riesgo de sedimentación de la red de Riera Blanca.

(40)

38

4. CONCLUSIONES

Del presente estudio de comparación de criterios de diseño para autolimpieza de colectores se extraen las siguientes conclusiones:

- En el diseño y cálculo de las redes de alcantarillado tradicionalmente se ha obviado el problema de los sólidos transportados o se han reducido a un vago tratamiento basado en velocidades mínimas para la autolimpieza del colector. Dicha aproximación es del todo insuficiente pues no tiene en cuenta las características del colector, del flujo ni, sobretodo, del tipo de sedimento. La sedimentación en el canal provoca numerosos problemas no deseados como la contaminación, la obstrucción, el aumento de la rugosidad del conducto, la sobrecarga temprana del alcantarillado en un episodio de lluvia y los vertidos al medio.

- Una alcantarilla autolimpiante eficiente es aquella que tiene una capacidad de transporte de sedimentos suficiente para mantener un equilibrio entre las cantidades de deposición y erosión con una profundidad de sedimentación que minimiza los costes combinados de construcción, funcionamiento y mantenimiento.

- Existe una gran cantidad de modelos de autolimpieza aplicables a las redes de colectores. Los modelos basados en la autolimpieza pueden clasificarse en dos grupos:

el movimiento de los sedimentos del lecho y la no deposición. Estos modelos nos pueden ayudar a la hora de diagnosticar una red existente (se presupone que una red de nuevo diseño debe incluir el criterio de autolimpieza) y establecer un plan de mantenimiento específico para evitar los problemas asociados a la sedimentación.

- Se estudia el caso real de la red de Riera Blanca a partir de datos de la modelización hecha por la Universitat Politécnica de Catalunya (UPC). Utilizando diferentes modelos se establece un criterio de riesgo asociado a cada colector. Cruzando los datos con la limpieza de la red asociada a cada periodo de retorno se diseña un plan de mantenimiento específico para cada tipología de colector.

(41)

39 - Dicha metodología aplicada en el caso de Riera Blanca muestra que es una forma relativamente sencilla y económica de tener un control de la red de alcantarillado de cada municipio. No obstante, para realizar dicho diagnóstico es necesario un modelo numérico que requiere de un levantamiento topográfico de la red.

Desafortunadamente, pocos municipios disponen de estos datos. Un paso previo imprescindible para evaluar los criterios de autolimpieza es la determinación de los municipios para caracterizar su red.

- Con este estudio se pretende animar a administraciones, ingenieros y estudiantes a profundizar más en el estudio de la sedimentación en redes para tener en cuenta el problema de los sólidos transportados en su diseño y cálculo y sobretodo en la optimización del mantenimiento de las redes existentes.

(42)

40

5. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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