TEMA:
“DISEÑO DEL SISTEMA DE ALCANTARILLADO PLUVIAL PARA LA COMUNA DE JOA, CANTON JIPIJAPA”
DISERTACIÓN DE TESIS
PREVIO A LA OBTENCIÓN DE TÍTULO DE INGENIERA CIVIL
TUTOR DEL PROYECTO: ING. FREDDY GUILLEN MORALES
AUTOR:
MACIAS CEVALLOS LUIS ALBERTO
III
CERTIFICACACION DE APROBACIÓN DEL TUTOR
Ingeniero Freddy Guillen Morales, en calidad de tutor de Proyecto de Titulación/ Investigación de la Carrera de Ingeniería Civil de la Universidad Estatal del Sur de Manabí, Certificado:
IV
AUTORIZACION DE LA AUTORIA INTELECTUAL
El contenido, las ideas y opiniones del presente Proyecto de Investigación cuyo tema versa: “DISEÑO DEL SISTEMA DE ALCANTARILLADO PLUVIAL PARA LA COMUNA DE JOA, CANTON JIPIJAPA” son de exclusiva responsabilidad de su autor: Luis Alberto Macias Cevallos egresado de la Facultad de Ciencias Técnicas de la Carrera de Ingeniería Civil el mismo que autorizo a la Universidad Estatal del Sur de Manabí, hacer uso del contenido con fines estrictamente de investigación o académico.
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V
DEDICATORIA
A Dios, por darme la fortaleza para poder llegar hasta este momento especial en mi vida, que a pesar de los malos momentos me dio las fuerzas para seguir adelante.
Mi madre Lcda. Maryury Cevallos Reyes que ha sido pilar fundamental y la persona que me ha sabido formar infundiendo valores, que me permitieron enfrentar cada situación difícil en mi vida, todas mis virtudes son gracias a ella.
Mi abuela Flerida Reyes Pin que gracias a su esfuerzo y sabiduría me a ayudado a seguir a delante.
A mi tía, mi tío que directa e indirectamente me han ayudado, esta es mi familia y gracias a ellos he llegado a cumplir unos de los objetivos de mi vida.
VI
AGRADECIMIENTO
A DIOS quien me abrió puertas para poder lograr este objetivo.
A mis madre y familiares quienes me motivaron a seguir adelante.
A la Universidad Estatal del Sur de Manabí y a la carrera de Ingeniería Civil y a todos los docentes quienes impartieron sus conocimientos durante las horas de estudio.
Al Ingeniero Freddy Guillen Morales quien acompaño y fue la guía para culminar este
trabajo con éxito.
VII
Índice de contenido
CERTIFICACACION DE APROBACIÓN DEL TUTOR ... III AUTORIZACION DE LA AUTORIA INTELECTUAL ... IV DEDICATORIA ... V AGRADECIMIENTO ... VI RESUMEN. ... XVI SUMMARY ... XVII
1. INTRODUCCIÓN. ... 1
2. MARCO REFERENCIAS... 2
2.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA. ... 2
2.2 JUSTIFICACION DEL PROBLEMA. ... 2
2.3 DELIMITACION DEL PROBLEMA... 2
3. OBJETIVOS. ... 3
3.1 GENERAL. ... 3
3.2 ESPECÍFICOS. ... 3
4. MARCO TEÓRICO. ... 4
4.1 CARACTERISTICAS DE ESTUDIO DE LA ZONA... 4
4.1.1 Situación Geográfica. ... 4
4.1.2 Vía de acceso. ... 5
VIII
4.1.4 Turismo. ... 6
4.1.5 Clima. ... 6
4.2 Alcantarillado pluvial. ... 7
4.2.1 Sistema del alcantarillado pluvial. ... 7
4.2.2 Componentes de una red del alcantarillado pluvial. ... 8
4.2.3 Duración de la lluvia. ... 9
4.2.4 Intensidad de lluvia. ... 10
4.3 Hidrología. ... 10
4.4 Diámetro mínimo. ... 11
4.5 Velocidades. ... 11
4.5.1 Velocidad mínima. ... 11
4.5.2 Velocidad máxima. ... 12
4.6 Pendientes. ... 12
4.6.1 Pendientes mínimas. ... 12
4.6.2 Pendientes máximas. ... 13
4.7 Profundidad. ... 13
4.7.1 Profundidad mínima... 13
4.7.2 Profundidad máxima. ... 14
4.8 Pozos de Revisión. ... 14
IX
4.10 Coeficiente de rugosidad ... 16
4.11 Caudal de diseño ... 17
4.11.1 Caudal de aguas lluvias. ... 17
4.11.2. Coeficiente de Escurrimiento. ... 17
4.11.3 Frecuencia de lluvia. ... 19
4.11.4 Tiempo de concentración. ... 20
4.11.5 Tiempo de recorrido. ... 22
4.11.6 Tiempo de concentración inicial (te): ... 22
4.12 Tiempo de traslado en los colectores. ... 23
4.12.1 Régimen de flujo en los colectores. ... 24
4.12.2 Sumideros. ... 25
4.12.3 Ventana: ... 25
4.12.4 Sumideros de Rejilla: ... 25
4.12.5 Sumideros Mixtos: ... 26
4.12.6 Diseño de Redes de Alcantarillado Pluvial. ... 26
4.12.7 Trazo de la Red de Alcantarillado Pluvial. ... 27
4.13 Configuraciones de un sistema de alcantarillado. ... 28
4.13.1 Modelo perpendicular. ... 28
4.13.2 Modelo radial. ... 29
X
4.13.4 Modelo en abanico. ... 30
4.14 Ubicación de bocas de tormenta o coladeras pluviales. ... 30
4.15 MARCO LEGAL. ... 34
4.15.1 Impacto Ambiental... 34
4.15.3 Marco legal de la Constitución De La Republica del Ecuador ... 34
4.15.4 Código de Salud. ... 34
4.15.5 Ley De Gestión Ambiental, Codificación. ... 35
4.15.6 Ley De Prevención Y Control De La Contaminación Ambiental. ... 35
5 MATERIALES Y METODOS. ... 36
5.1 Materiales. ... 36
5.1.1 Equipo Topográfico. ... 36
5.1.2 Equipos Informáticos. ... 36
5.2 Métodos. ... 37
6. ANALISIS Y RESULTADOS. ... 38
6.1 OBJETIVO 1: Definir los parámetros de diseño del alcantarillado pluvial de JOA, Cantón Jipijapa. ... 38
6.1.1 Periodo de Diseño. ... 39
6.1.2 Periodo de Retorno. ... 39
6.1.3 Caudal de diseño. ... 41
6.1.4 Método racional. ... 42
XI
6.1.6 Tiempo de concentración. ... 43
6.1.7 Tiempo de recorrido. ... 44
6.1.8 Análisis sobre material de los colectores. ... 44
6.2 OBJETIVO 2: Elaborar un diseño hidráulico de la red de alcantarillado. ... 46
6.2.1 Diseño de alcantarillado Pluvia. ... 46
6.2.2 Áreas aportantes... 47
6.2.3 Intensidad de lluvia. ... 49
6.2.4 Tiempo de Concentración. ... 49
6.2.5 Calculo de caudal ... 49
6.2.6 Método Racional. ... 49
6.2.7 Análisis sobre el material de los colectores. ... 50
6.2.9 Cálculo Hidráulico Tubería parcialmente en Excel. ... 52
6.2.9 Detalles de las filas del cálculo Hidráulico realizado en Excel. ... 54
6.2.10 Diseño final del sistema de alcantarillado pluvia para la Comuna de Joa. ... 56
6.2.11 Simulación en SEWERGEMS V10. ... 61
6.3 OBJETIVO 3: Preparar un presupuesto y los planos del sistema ... 71
7. CONCLUSIÓN. ... 72
8. RECOMENDACIONES. ... 73
9. Bibliografía ... 74
XII
10.1 Anexos fotográficos ... 77
10.2 Anexos Algunos de los puntos utilizados en la topografía. ... 78
10.3 Anexo de Análisis de precio unitario. ... 82
XIII
Tablas
Tabla 1 Geografía de la zona ... 4
Tabla 2 Limitaciones ... 5
Tabla 3 Velocidad máxima en tuberías ... 12
Tabla 4 Profundidad minina de excavación ... 13
Tabla 5 Diámetro recomendaciones de Pozos de revisión ... 15
Tabla 6 Coeficiente de Rugosidad ... 16
Tabla 7 Coeficiente de escurrimiento de acuerdo a la superficie ... 18
Tabla 8 Coeficiente de escurrimiento ... 18
Tabla 9 Frecuencia del diseño en función del tipo de la zona. ... 19
Tabla 10 Frecuencia de diseño para canales de agua lluvia... 19
Tabla 11 Ecuación para la determinación del tiempo del flujo superior ... 21
Tabla 12 Valor de C para la fórmula de IZZARD ... 22
Tabla 13 Valores de N para la formula de KERBY ... 22
Tabla 14 Coeficiente de rugosidad “n” chezy - Manning, ... 24
Tabla 15 Periodo de Retorno ... 39
Tabla 16 Periodo de retorno en función del drenaje... 39
Tabla 17 Periodo de retorno para diseño de estructura menores ... 40
Tabla 18 Usos del suelo y periodo de retorno recomendadas. ... 40
Tabla 19 Tipo de vialidad y periodos de retornos recomendadas ... 41
Tabla 20 Cálculo del caudal en función del área aportante ... 42
Tabla 21 Cuadro de intensidad duración y frecuencia de la estación Julcuy. ... 43
Tabla 22 Áreas aportantes por tramo ... 47
XV
Ilustraciones
Ilustración 1 Ubicación de la Zona de Proyecto ... 5
Ilustración 2 Pozo de caído Tipo I ... 15
Ilustración 3 sumidero de ventana ... 25
Ilustración 4 Sumidero de rejilla ... 26
Ilustración 5 Sumidero Mixto ... 26
Ilustración 6 Modelo perpendicular de trazo ... 28
Ilustración 7 Modelo racional ... 29
Ilustración 8 Modelo interceptores ... 29
Ilustración 9 Modelo abanico ... 30
Ilustración 10 Ubicación de coladeros de banqueta ... 31
Ilustración 11 Ubicación de coladores de piso ... 32
Ilustración 12 Ubicación de coladeras de piso y banqueta ... 32
Ilustración 13 Ubicación de coladeros longitudinales de banquetas ... 33
Ilustración 14 Ubicación de coladeros transversales de piso ... 33
Ilustración 15 Ubicación del drenaje de las aguas lluvias ... 46
XVI
RESUMEN.
Se diseñó el alcantarillado pluvial que mejorara la calidad de vida de los comuneros de Joa, para ello nos basamos en las especificaciones técnicas, normas y procedimientos.
Se escogió la estación pluviométrica de Julcuy para este diseño ya que esta estación es más antigua que la estación de Joa y presenta datos más precisos, se considerará tomar los datos de INAMHI para determinar los parámetros de intensidad de lluvia de la Comuna Joa, con estos datos obtendremos la cantidad de aguas lluvias que evacuara la red de alcantarillado.
Se realizó el levantamiento topográfico de la zona en cuestión, para poder determinar las curvas de nivel y la ruta que llevaría los colectores de PVC, este tendido de las tuberías se lo efectúo a gravedad para evitar costos mayores y desembocar en un cauce natural, en este caso desemboca en el rio Jipijapa.
Se obtuvo la topografía, se procedió a crear o dibujar las áreas que aportaran a cada tramo de esta red de alcantarillado pluvial, considerando otros factores como el tiempo de retorno, el coeficiente de escurrimiento dependiendo de la zona, tiempo de concentración, el cálculo hidráulico de la tubería llena y parcialmente llena, ya considerado estos parámetros por el diseñador se procedió al cálculo de la red. El método escogido según parámetros fue el Racional por tener una superficie menos a 100 ha, también se efectuó una modelación en el programa de diseño de alcantarillado SEWERGEMS, se obtuvo datos parecidos en algunos de los tramos, afianzando el cálculo hecho de la forma tradicional como fue a través de hoja de cálculo de Excel.
PALABRAS CLAVE:
XVII
SUMMARY
The storm sewer system was designed to improve the quality of life of the community members of Joa, so that we will be based on the technical specification, standards and procedures.
The Julcuy rain gauge station was chosen for this design and this station is older than the Joa station and presents more accurate data, it will consider taking the INAMHI data to determine the rainfall intensity parameters of the Joa Community, with these data we will obtain the amount of rainwater that would evacuate our sewer network.
The topographic survey of the area in question was carried out, in order to determine the level curve and the route that the PVC pipe would take, this laying of the pipes, if possible, should be gravity to avoid higher costs and lead to a natural cause. , in this case it flows into the Jipijapa River.
1
1. INTRODUCCIÓN.
El diseño de un alcantarillado pluvial es indispensable para el desarrollo de una población siendo estas unas de las obras básicas con las que deben contar el ser humano. En Ecuador las zonas rurales en su gran mayoría no cuentan con este servicio es por ello que aplicamos nuestros conocimientos adquirido para así minimizar o mitigar un poco esta carencia como es el diseño del alcantarillado pluvial.
El lugar plasmaremos los conocimientos es en la comuna de JOA, Cantón Jipijapa, como ya se reiteró anteriormente esta zona urbana cuenta con todas las implementaciones de obras básicas, pero no así para la zona rural. Es por este motivo que el presente proyecto realizaremos el estudio para un diseño del alcantarillado pluvial en la comuna de JOA.
La base de este diseño de alcantarillado pluvial se basará en estos parámetros importantes como es la intensidad de lluvia, topografía, cálculos y tipo de suelo. Estos cuatros parámetros son fundamentales para el diseño ya que con la intensidad de lluvia sabemos cuál será el diámetro óptimo que tendríamos que usar en la red, con la topografía tendremos las elevaciones y pendientes para poder comprobar en qué trayectoria iría el cauce.
2
2. MARCO REFERENCIAS.
2.1PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA.
En este presente proyecto “DISEÑO DEL SISTEMA DE ALCANTARILLADO PLUVIAL PARA LA COMUNA DE JOA, CANTON JIPIJAPA” nace a partir de que esta comunidad presenta serios problemas en la época lluviosa causando enfermedades, molestia.
2.2JUSTIFICACION DEL PROBLEMA.
En la comuna de Joa se puede no cuenta con un sistema de alcantarillado pluvial que es de total importancia para garantizar la recolección, transportación y evacuación de las aguas lluvias. Esta investigación pretende solucionar un problema técnico, que permitirá a la comunidad mejorar su calidad de vida.
Con este trabajo se da una solución para evitar inundaciones y enfermedades a la población de la Comuna “JOA”, los mismos que van a tener un mejor ambiente de vida, se optimizará recursos económicos y humanos. De esta manera queda justificado el diseño de los colectores principales de Alcantarillado Pluvial para la Comuna “JOA”.
2.3DELIMITACION DEL PROBLEMA.
CONTENIDO:
“DISEÑO DEL SISTEMA DE ALCANTARILLADO PLUVIAL PARA LA COMUNA DE JOA, CANTON JIPIJAPA”
CLASIFICACION:
INGENIERÍA CIVIL
ESPECIALIDAD:
INGENIERÍA SANITARIA
3 COMUNA DE JOA, DE LA PARROQUIA JIPIJAPA, DEL CANTÓN JIPIJAPA.
3. OBJETIVOS.
3.1 GENERAL.
✓ Diseñar un sistema de alcantarillado pluvial para la comuna de JOA, Cantón Jipijapa.
3.2 ESPECÍFICOS.
✓ Definir los parámetros de diseño del alcantarillado pluvial de JOA, Cantón Jipijapa.
✓ Elaborar un diseño hidráulico de la red de alcantarillado.
4
4. MARCO TEÓRICO.
4.1CARACTERISTICAS DE ESTUDIO DE LA ZONA.
4.1.1 Situación Geográfica.
La comuna de Joa, se localiza en el Cantón Jipijapa al sur de la Ciudad de Jipijapa, este Cantón se encuentra al Sur de la Provincia de Manabí. Se ubica a 6,8 km de la Ciudad de Jipijapa y a 21 Km de Puerto Cayo.
Es el límite entre la llanura de Tiján, que se extiende de Sur a Norte desde Piñas de Julcuy, y las estibaciones de la Cordillera Costanera de Chongón-Colonche (Cerro Bravo). Su clima es de Bosque Seco Ecuatorial. (LA HORA, 2009)
En la comunidad de Joa encontramos atractivos turísticos como es los pozos de agua azufradas, esta es el único atractivo que ofrece la comuna.
En este sitio encontramos 538 Habitantes dato proporcionado por la presidencia de la comuna debidamente Constituida, unas de las causas por el cual esta comuna no se encuentra mas habita es por la migración ya que en la zona no se encuentra grandes fuentes de trabajo o por los estudios para una mejor calidad de vida, la migración es a las ciudades más pobladas.
Es considerada una Zona Rural, las coordenadas Geográficas en las que se ya a realizar el proyecto es:
Tabla 1 Geografía de la zona
Fuente: (Macias Cevallos Luis,2019)
Coordenadas del Proyecto
Grados, minutos
y segundos
Longitud 1°22´34” S
5
Tabla 2 Limitaciones
Norte: Parroquia Jipijapa
Sur: Comuna Juluy
Oeste: Parroquia Puerto Cayo
Este: Parroquia Jipijapa
Fuente: (Macias Cevallos Luis,2019)
Ilustración 1 Ubicación de la Zona de Proyecto
Fuente: (Google Earth,2019)
4.1.2 Vía de acceso.
Una de las ventajas de presenta la Comuna de Joa es su vía de acceso ya que se la atraviesa la vía
6
4.1.3 Población actual.
El proyecto de diseño del sistema de alcantarillado pluvial para la comuna de Joa, cantón Jipijapa está contemplado para servir a una población actual de 583 Habitantes, datos que fueron proporcionados por la Directiva de la Comuna de Joa, ya que en sus registros consta esta información.
4.1.4 Turismo.
El recinto es conocido por sus pozos de agua azufrada, que provienen de vertientes volcánicas del Chocotete, volcán inactivo ubicado al Noreste del recinto. (LA HORA, 2009)
Estos pozos son explotados mediante instalaciones sencillas construidas por el municipio y tienen una excelente potencialidad como atractivo turístico. Son apreciados por locales y visitantes que aprovechan sus propiedades sulfurosas desde tiempos antiguos. (LA HORA, 2009)
Incluso son muchas las leyendas que relacionan su construcción con la cultura Maya de Centroamérica y también el aprecio que sentía el Inca Atahualpa, quien los visitaba constantemente por sus aguas medicinales. (LA HORA, 2009)
En el sitio hay guías turísticos, los mismos que acompañan a quienes se aventurar a ascender el volcán Chocotete que tiene una altura de 400 metros sobre el nivel del mar y muestra una vista panorámica de las montañas adyacentes, a las aguas de Joá se les atribuye un poder curativo por sus propiedades azufradas. (LA HORA, 2009)
4.1.5 Clima.
7
4.2 Alcantarillado pluvial.
En la mayoría de las ciudades se tiene la necesidad de desalojar el agua de lluvia para evitar que se inunden las viviendas, los comercios, las industrias y otras áreas de interés. Además, el hombre requiere deshacerse de las aguas que han servido para su aseo y consumo.
Para abastecer de agua a las poblaciones, se cuentan con tecnologías para la captación, almacenamiento, tratamiento y distribución del agua mediante complicados sistemas de conducción y obras complementarias. (Comisión Nacional del Agua, 2007)
El alcantarillado tiene como su principal función la conducción de aguas residuales y pluviales en forma unitaria o combinada, hasta sitios donde no provoquen daños e inconvenientes a los habitantes de poblaciones de donde provienen o a las cercanas (Defaz Bucheli, 2011).
Un sistema de alcantarillado pluvial está formado por una red de conductos e instalaciones pluviales complementarias que permiten la operación, mantenimiento y reparación del mismo. Su objetivo es la evacuación de las aguas pluviales, que escurren sobre las calles y avenidas, evitando con ello su acumulación y propiciando el drenaje de la zona a la que sirven. De este modo se impide la generación de daños materiales y la propagación de enfermedades relacionadas con las aguas contaminadas (Defaz Bucheli, 2011).
4.2.1 Sistema del alcantarillado pluvial.
• Alcantarillado Pluvial Particular.
8
• Alcantarillado Pluvial General Particular.
Este alcantarillado, es la red que capta y conduce los escurrimientos de aguas pluviales que ocurren dentro de las áreas comunes de los conjuntos habitacionales, centros comerciales, fraccionamientos privados, etc., hasta disponerlos en un sistema de infiltración y/u otro cauce o tubería dentro de los límites de la propiedad. (Defaz Bucheli, 2011)
• Alcantarillado Pluvial Municipal.
Es el sistema o red que capta y conduce las aguas pluviales que ocurren en su gran mayoría sobre las vialidades, de la zona disponiéndolas en sistemas de infiltración y/o hasta las diferentes descargas sobre los cuerpos de agua naturales existentes. (Defaz Bucheli, 2011)
4.2.2 Componentes de una red del alcantarillado pluvial.
Cunetas: Las cunetas recogen y concentran las aguas pluviales de las vías de los terrenos
colindares.
Bocas de Tormenta: Son estructuras verticales que permiten la entrada del agua de lluvia
a los colectores reteniendo parte importante del material solido transportado.
Colector Secundario: Son las tuberías que recogen las aguas de lluvia desde las bocas de
tormenta y las conducen a los colectores principales.
Colector Principal: Son tuberías de gran diámetro, conductos de sección rectangular o
canales abiertos, localizado generalmente en las partes mas bajas de las ciudades, y transportan las aguas servidas hasta su destino final.
Pozos de Inspección: Son cámaras verticales que permiten el acceso a los colectores, para
facilitar su mantenimiento.
Pozos de Tormentas: Estas estructuras se utilizan en ciertos casos, donde es necesario
9
Vertido Final: Son las estructuras destinadas a evitar la erosión en los puntos en que las
aguas de lluvia recogidas se vierten en cause naturales de ríos, arroyos o mares. (Tu alcantarillado, 2013; Defaz Bucheli, 2011)
4.2.3 Duración de la lluvia.
El caudal producido será máximo si la duración de la lluvia es igual al tiempo de concentración del área drenada. El tiempo de concentración es el tiempo que tarda el agua en llegar desde el punto más alejado de la cuenca hasta el colector o, en otros términos, es el tiempo requerido desde el comienzo de la lluvia para que toda el área esté contribuyendo al colector en cuestión.
Este tiempo depende de las características de la superficie tales como pendiente y tipo de superficie, y oscila entre 10 y 20 minutos.
El tiempo de recorrido en el colector dependerá de la velocidad y longitud del colector entre pozos.
Existen diversas ecuaciones empíricas para la determinación del tiempo de concentración. Una de ellas es la indicada por:
𝑻𝒄𝒎𝒊𝒏 = 0.1637 ∗ 𝐴 + 8.68
Donde:
Tcmin = Tiempo de concentración mínimo de la cuenca (minutos)
A= Área de drenaje de la cuenca en hectáreas.
En la ecuación anterior se observa que el tiempo mínimo para un área de drenaje muy pequeña será de 9 minutos aproximadamente.
10
𝑻𝒅 = 𝐿𝑛
60 ∗ 𝑅2⁄3∗ 𝑆1⁄2
Donde:
Td= Tiempo de recorrido en minutos
L= Longitud de recorrido en metros
n = Coeficiente de rugosidad de Manning
R = Radio hidráulico de la sección del conducto natural (m)
S= Pendiente de la línea de energía
4.2.4 Intensidad de lluvia.
La intensidad de lluvia (I) es la tasa promedio de lluvias en milímetros por hora para una cuenca o subcuencas de drenaje particular. La intensidad se selecciona con base en la duración de lluvia de diseño y el periodo de retorno. La duración de diseño es igual al tiempo de concentración para el área de drenaje en consideración. El periodo de retorno se establece utilizando estándares de diseño o es escogido por el hidrólogo como un parámetro de diseño. (Cruz, 2018)
Se supone que la escorrentía alcanza su pico en el tiempo de concentración (tc) cuando toda la cuenca está contribuyendo al flujo en su salida. El tiempo de concentración es el tiempo requerido por una gota de agua para fluir desde el punto más remoto en la cuenca hasta el punto de interés. (Cruz, 2018)
4.3Hidrología.
11 El objetivo básico que persigue el análisis hidrológico, es determinar los parámetros característicos de la zona en estudio basándose en la intensidad diaria y la ecuación de intensidad para cualquier periodo de retorno establecidas por el Instituto Nacional de Meteorología e Hidrología (INAMHI), en el caso de nuestra ciudad se toma como referencia la ecuación asignada para la estación meteorológica La Argelia, de tal forma que se logre realizar diseños adecuados de las diferentes estructuras, lo que implica obtener información básica para generar caudales máximos que circularían en el sistema de drenaje.
Las obtenciones de caudales máximos presentan algunas complejidades, debido básicamente a la inexistencia de información hidrológica registrada, lo que implica recurrir a metodologías indirectas, basadas en la correlación existente entre la precipitación y la escorrentía. (Cruz, 2018)
4.4Diámetro mínimo.
En las redes de recolección y evacuación de aguas lluvias, y principalmente en los primeros tramos, la sección circular es la más usual para los colectores. El diámetro nominal mínimo permitido en redes de sistemas de recolección y evacuación de aguas lluvias es 250 mm. Sin embargo, en casos especiales, en particular para Niveles de complejidad del sistema bajo y medio, y con plena justificación por parte del diseñador, puede reducirse en los tramos iniciales a 200 mm. (SANTAMARIA, 2009)
4.5 Velocidades.
4.5.1 Velocidad mínima.
12 Estas restricciones tienen por objeto evitar el depósito de sedimentos que provoquen azolves y taponamientos en la tubería. (EMAAP, 2007)
4.5.2 Velocidad máxima.
La velocidad máxima permisible, para evitar erosión en las tuberías, está en función del tipo de material que se utilice y de la cantidad y características de las partículas sólidas arrastradas y suspendidas en el escurrimiento. Para su revisión se utiliza el caudal máximo extraordinario, considerando el tirante que resulte (a sección del tubo lleno o parcialmente lleno). (EMAAP, 2007)
Se fijan en la Tabla Nº 3 las máximas velocidades admisibles por cada tipo de material de la tubería, considerando los posibles efectos de erosión provocadas por arenas y otros materiales acarreados por el escurrimiento. (EMAAP, 2007)
Tabla 3 Velocidad máxima en tuberías
Fuente: EMAAP-Quito
4.6 Pendientes.
4.6.1 Pendientes mínimas.
13 las condiciones topográficas y las conexiones que se hicieran lo permitan, esto con el objeto de garantizar que el régimen hidráulico que se forme no ocasione sedimentos que reduzcan la capacidad del conducto y requiera un mantenimiento más continuo. (EMAAP, 2007)
4.6.2 Pendientes máximas.
Las pendientes máximas serán aquellas que permitan verificar que no se supere en el tramo en estudio y en las condiciones de diseño, la velocidad máxima permisible, tal como se señala
la tabla 3. precedente, las cuales son función del tipo de material que se utilice.
En pendientes altas se recomienda no sobrepasar las velocidades máximas permisibles. En caso de que exista la posibilidad de deslizamiento, la tubería deberá anclarse a intervalos regulares, según se requiera. Cuando la pendiente del terreno no permita disponer de conducciones pluviales con pendientes que generen velocidades admisibles, se deberá disponer de estructuras especiales para limitar la velocidad y reducir la energía del escurrimiento. (EMAAP, 2007)
4.7 Profundidad.
4.7.1 Profundidad mínima.
Los sistemas de alcantarillado pluvial deben estar a la profundidad necesaria para permitir el drenaje por gravedad de las aguas lluvias de su área tributaria. La profundidad del alcantarillado con respecto a la cota extradós de la tubería, no será menor de: (EMAAP, 2007)
Tabla 4 Profundidad minina de excavación
14 “Para profundidades menores a las anteriores, el diseñador deberá justificar el tipo de cimentación y las obras de protección a utilizar en la instalación de la tubería, que garantice el relleno”. (EMAAP, 2007)
4.7.2 Profundidad máxima.
En general la máxima profundidad de los conductos es del orden de 5 m, aunque puede ser mayor siempre y cuando se garanticen los requerimientos geotécnicos de las cimentaciones y estructurales de los materiales durante y después de su instalación. (EMAAP, 2007)
Los cruces subterráneos de lagos, ríos y corrientes superficiales deberán acompañarse de un diseño apropiado e idóneo que justifique las dimensiones, los anclajes y las profundidades empleadas y deberán proveerse de medios para impedir su destrucción por efectos de la socavación de la corriente atravesada. (EMAAP, 2007)
4.8 Pozos de Revisión.
Los buzones o pozos de revisión tienen la finalidad permitir la limpieza y revisión de las tuberías del alcantarillado pluvial para evitar el taponamiento. Su diseño será empleado de acuerdo los siguientes parámetros establecidos: (Vásquez, 2016)
• En todo cambio de dirección.
• En todo cambio de pendiente o diámetro.
• En lugares que haya confluencia de dos o más tuberías o colectores.
• La abertura superior del pozo será como mínimo 0,6 m. El cambio de diámetro desde el cuerpo del pozo hasta la superficie se hará preferiblemente usando un tronco de cono excéntrico, para facilitar el descenso al interior del pozo.
El diámetro del cuerpo del pozo estará en función del diámetro de la máxima tubería conectada al mismo, de acuerdo a la siguiente tabla:
15
Tabla 5 Diámetro recomendaciones de Pozos de revisión
Fuente: Norma IEOS, Sistemas de Alcantarillado, Octava Parte
El diámetro del cuerpo del pozo estará en función del diámetro de la máxima tubería conectada al mismo. Para que exista las condiciones de pozo de salto, debe existir una diferencia mayor a 0,60 m entre la cota de la tubería entrante y la cota de la tubería saliente, de acuerdo a lo expresado en el numeral 5.2.3.10 de las normas del EX – IEOS, 1992.
Ilustración 2 Pozo de caído Tipo I
16
4.9 Área de drenaje.
El término área de drenaje correspondiente a un determinado punto de la localidad a servir con un sistema de drenaje pluvial, se define como el área geográfica encerrada por los límites de aporte superficial del escurrimiento proveniente de la precipitación pluvial. (EMAAP, 2007) Los límites de un área o cuenca de drenaje suelen estar alterados por las obras que el hombre realiza, tales como caminos, calles, alcantarillas, bordos, vías de ferrocarril y las mismas obras de drenaje. (EMAAP, 2007)
La extensión y el tipo de áreas tributarias deberán determinarse para el conjunto de tuberías y para cada tramo de tubería a diseñar. El área de aportes deberá incluir el área propia del tramo en consideración y se expresara en hectáreas (ha), con una aproximación de 0.1 ha. (EMAAP, 2007)
4.10 Coeficiente de rugosidad
El coeficiente de rugosidad “n” utilizado para la fórmula de Chezy - Manning, varia según la calidad del acabado interior y el estado de la tubería y del material de que se trate, por lo que se deberán usar los valores indicados en la Tabla. (EMAAP, 2007)
Tabla 6 Coeficiente de Rugosidad
17
4.11 Caudal de diseño
4.11.1 Caudal de aguas lluvias.
Para la estimación de los caudales de diseño de aguas lluvias el diseñador deberá utilizar el método racional siempre y cuando el área de drenaje sea menor a 80 hectáreas y se cumpla con las restricciones expresadas en el Numeral 6.2.4.1 de la norma. En este método se determinan los caudales máximos a partir del tiempo de concentración del área de drenaje y la relación que éste tiene con diferentes períodos de retorno para estimar la intensidad media del evento de precipitación de diseño. Adicionalmente, se tiene en cuenta un coeficiente de escorrentía de acuerdo con el tipo de suelo y del uso que se le está dando al mismo. (Guía para el diseño Hidráulico, 2009)
Se puede calcular el caudal máximo de aguas lluvias de acuerdo con el método racional.
𝑸 = 𝑪 ∗ 𝒊 ∗ 𝑨
Donde:
Q = Caudal máximo de aguas lluvias (L/s). C = Coeficiente de escorrentía (adimensional). i = Intensidad de precipitación (L/s/ha).
A = Área tributaria (ha).
4.11.2. Coeficiente de Escurrimiento.
18 “Estos factores que se adoptan en el diseño provienen básicamente de datos empíricos determinados en alguna investigación de campo.” (la Cruz, 2018)
El valor C varía con respecto al tiempo que necesita la lluvia para humedecer el suelo. Los valores más aceptados para este coeficiente son:
Tabla 7 Coeficiente de escurrimiento de acuerdo a la superficie
Fuente: Secretaria de Agua
La zonificación obtiene los siguientes valores:
Tabla 8 Coeficiente de escurrimiento
19
4.11.3 Frecuencia de lluvia.
La determinación del período de retorno de diseño de un sistema de aguas lluvias es un tema relativamente complejo, puesto que depende del grado de seguridad ante las inundaciones que requiera la ciudadanía, del comportamiento de las precipitaciones (intensidades y recurrencia anual), caudales involucrados, consecuencias de que los caudales excedan la capacidad de las obras y el costo de inversión asociado a las mismas. (Méndez Flores , 2011).
La frecuencia de la lluvia o el periodo de retorno, es el número de años en los que se espera que un cierto caudal producido por precipitaciones se repita o se supere. Se tiene como límite inferior para un período de retorno, 2 años y un máximo de 15 dependiendo de la importancia de la obra y de intereses económicos, sociales, turísticos, del criterio y experiencia del ingeniero. (Méndez Flores , 2011).
Para determinar la frecuencia de la lluvia se presentan las siguientes tablas:
Tabla 9 Frecuencia del diseño en función del tipo de la zona.
Fuente: (Méndez Flores , 2011)
Tabla 10 Frecuencia de diseño para canales de agua lluvia
20
4.11.4 Tiempo de concentración.
El tiempo de concentración de la cuenca es definido como el tiempo de viaje del agua de lluvia caída en el punto más alejado de la sección de desagüe de una cuenca hasta llegar a dicha sección de desagüe. Comúnmente se puede estimar el tiempo total de viaje como la suma del tiempo del flujo sobre la superficie, más el tiempo de viaje por los canales secundarios, más el tiempo de viaje por el cauce principal hasta el punto de control. (Alcantarillado Pluvial III- 1, 2013).
Donde:
tc : Tiempo de concentración
ti: Tiempo inicial o de entrada al sistema de alcantarillado
tf: Tiempo de flujo a lo largo de los conductos del sistema de alcantarillado
El tiempo de concentración mínimo en zonas urbanas, para tramos iniciales de alcantarillado sin sistemas afluentes, se adoptará igual a 10 minutos. (EMAAP-Q, 2009)
Donde:
t = tiempo de viaje en el conducto (min)
L = longitud (m).
V = velocidad media en la sección de escurrimiento (m/seg) = Q/A
21 En la Tabla Nº 11 se presentan algunas de las fórmulas más comúnmente utilizadas en la determinación del tiempo de flujo superficial. La mayoría de las ecuaciones relacionan este tiempo con la longitud de la cuenca, la pendiente y la rugosidad superficial. La ecuación de Izzard incluye la intensidad como un factor, lo cual significa que es necesaria una solución iterativa.(EMAAP-Q, 2009)
Tabla 11 Ecuación para la determinación del tiempo del flujo superior
Fuente: (EMAAP-Q, 2009).
Donde:
tc = tiempo de flujo sup. (min)
L = longitud de la cuenca (m),
S = pendiente de la cuenca (m/m),
i = intensidad de lluvia (mm/hs)
22
Tabla 12 Valor de C para la fórmula de IZZARD
Fuente: (EMAAP, 2007)
Tabla 13 Valores de N para la formula de KERBY
Fuente: (EMAAP, 2007)
4.11.5 Tiempo de recorrido.
El tiempo de recorrido es la duración la cual tarda la cuenca en cubrir todo su gasto para llevarlo hacia un punto de descarga. Este valor es de mucha importancia para el método racional para un correcto diseño, la duración del diseño va hacer igual que el tiempo de
concentración, Para el máximo escurrimiento intervienen en los tiempos de concentración de toda la cuenca para el flujo de salida, por lo cual se calcula mediante la siguiente ecuación. (Villarreal Piguabe , 2019).
4.11.6 Tiempo de concentración inicial (te):
23 función de la extensión del área tributaria, tipo de suelo, topografía, tipo de área urbana etc. (Villarreal Piguabe , 2019).
4.12 Tiempo de traslado en los colectores.
Para determinar el tiempo de traslado en los colectores (tubería, canales, vialidad, etc.), parámetros como velocidades máximas, coeficiente de rugosidad, la infiltración, las cuales permiten elegir qué tipo de colector utilizar para la instalación la cual se emplean las siguientes formulas: (Alcantarillado Pluvial III- 1, 2013).
Para el cálculo de la capacidad hidráulica, se utiliza la fórmula de Manning.
Donde:
Q: Caudal conducido por el colector (m3/s)
A: Área de la sección transversal mojada m2
i: Pendiente geométrica del colector (m/m)
n: Coeficiente de rugosidad
P: Perímetro mojado (m)
Las tuberías se diseñarán a tubo parcialmente lleno con el 75 % como máxima capacidad a ser utilizada y en condiciones de flujo a gravedad. Para el cálculo de la velocidad se ha empleado la fórmula de Manning, cuya expresión es:
Donde:
V= Velocidad
J = Pendiente del canal
R= Radio Hidráulico
n= coeficiente de rugosidad
Donde:
Q= Caudal en m3/s
A= Área de la tubería en m²
24 El coeficiente de rugosidad “n” utilizado para la fórmula de Chezy - Manning, varía según la calidad del acabado interior y el estado de la tubería y del material de que se trate, por lo que se deberán usar los valores indicados en la tabla. (EMAAP-Q, 2009)
Tabla 14 Coeficiente de rugosidad “n” chezy - Manning,
Fuente: (EMAAP-Q, 2009)
4.12.1 Régimen de flujo en los colectores.
El flujo de los colectores depende del tipo de topografía de la zona del proyecto por los que determina que las pendientes viales y por lo cual los colectores sean en general moderadas. Por lo cual los colectores van hacer verificados en condiciones de flujo de tipo subcrítico. (Villarreal Piguabe , 2019).
Para condiciones de caudal correspondientes a relaciones calado/diámetro (y/D) 0.75 (rango extremo de valores que normalmente se tienen en un proyecto). (Villarreal Piguabe , 2019).
Para cada condición de diámetro y caudal, se calcula el calado crítico para un conducto circular, empleando la ecuación:
Donde:
Yc: calado crítico en un conducto circular (m)
Q: caudal (m3/s)
25
4.12.2 Sumideros.
Los sumideros son estructuras que permiten el ingreso de la escorrentía superficial de las aguas lluvias, se localizan en aquellos sitios de las calzadas, tales como: zonas bajas de acumulación, pasos peatonales, curvas cóncavas en las rasantes de las calles y acceso a puentes, es decir, en aquellos sitios donde por su configuración se prevea acumulación de las aguas. Estas estructuras se conectarán directamente a los pozos de revisión más cercanos con una tubería de 200 mm de diámetro. (Méndez Flores , 2011).
Según el proceso de construcción y según la capacidad de captar las aguas de escorrentía, los sumideros se clasifican en:
4.12.3 Ventana:
este tipo de sumideros consisten en una abertura en la acera con forma de ventana, esta ventana está diseñada para el flujo de las aguas que se desplazan por cunetas. Presenta el problema de que los escombros o material solido pueden introducirse a la red. Debido a esto no se recomiendan estos sumideros. (Méndez Flores , 2011).
Ilustración 3 sumidero de ventana
Fuente: (Villarreal Piguabe , 2019).
4.12.4 Sumideros de Rejilla:
26
Ilustración 4 Sumidero de rejilla
Fuente: (Villarreal Piguabe , 2019)
4.12.5 Sumideros Mixtos:
Son la mescla o combinan de los dos tipos de sumideros mencionados anteriormente. (Méndez Flores , 2011).
Ilustración 5 Sumidero Mixto
Fuente: (Villarreal Piguabe , 2019).
Teniendo en cuenta, costo, dificultades de construcción e intensidad de lluvia, el tipo de sumidero adoptado será el de rejillas.
4.12.6 Diseño de Redes de Alcantarillado Pluvial.
27 El diseño de la red implica en forma general, la determinación de la geometría de la red, incluyendo el perfil y trazo en planta, los cálculos para el diámetro y las pendientes de cada tramo y la magnitud de las caídas necesarias en los pozos. (Conagua, 2014)
La definición de la geometría de la red se inicia con la ubicación de los posibles sitios de descarga, el trazo de colectores y atarjeas. Para ello, se siguen normas de carácter práctico, basándose en la topografía de la zona y el trazo urbano de la localidad. Por lo común, se aplican las reglas siguientes: (Conagua, 2014)
Los colectores de mayor diámetro se ubican en las calles más bajas para facilitar el drenaje de las zonas altas con atarjeas o colectores de menor diámetro. (Conagua, 2014)
El trazo de los colectores y las atarjeas se ubica sobre el eje central de las calles, evitando su cruce con edificaciones. Su trazo debe ser lo más recto posible procurando que no existan curvas. Cuando la calle sea amplia, se pueden disponer dos atarjeas, una a cada lado de la calle. (Conagua, 2014)
La red de alcantarillado debe trazarse buscando el camino más corto al sitio de vertido. (Conagua, 2014)
Las conducciones serán por gravedad. Se tratará de evitar las conducciones con bombeo. (Conagua, 2014)
4.12.7 Trazo de la Red de Alcantarillado Pluvial.
Por razones de economía, el trazo de una red de alcantarillado debe tender a ser una réplica subterránea del drenaje superficial natural.
El escurrimiento debe ser por gravedad.
28 definido esto, se traza la red de atarjeas. En ambos casos pueden elegirse varias configuraciones o trazos. (Conagua, 2014)
4.13 Configuraciones de un sistema de alcantarillado.
Se denomina configuración de un sistema de alcantarillado al trazo definido para los colectores y emisores de la red, el cual depende principalmente de la topografía de la zona, del trazo de las calles en la localidad, de la ubicación de los sitios de vertido y de la disposición final de las aguas. (Conagua, 2014).
(http://siapa.gob.mx/sites/default/files/capitulo_3._alcantarillado_pluvial.pdf)
Los modelos de configuración de colectores y emisores más usuales se pueden agrupar en los tipos siguientes:
4.13.1 Modelo perpendicular.
Se utiliza en comunidades que se ubican a lo largo de una corriente con el terreno inclinado hacia ella, por lo que las tuberías se colocan perpendicularmente a la corriente y descargan a colectores o a la corriente. Este modelo se utiliza para buscar la trayectoria más corta hacia los canales superficiales o hacia los colectores se lo observa en la siguiente figura. (Conagua, 2014)
Ilustración 6 Modelo perpendicular de trazo
Modelo perpendicular de trazo.
29
4.13.2 Modelo radial.
En este modelo la pendiente del terreno baja del centro del área por drenar hacia los extremos, por lo que la red pluvial descarga a colectores perimetrales que llevan el agua al sitio de vertido se lo observa en la siguiente figura: (Conagua, 2014).
Ilustración 7 Modelo racional
Modelo Radial
Fuente: (Conagua, 2014).
4.13.3 Modelo de interceptores.
Se emplea para recolectar aguas pluviales en zonas con curvas de nivel más o menos paralelas; el agua se capta con colectores cuyo trazo es transversal a las curvas de nivel que descargan a un interceptor o emisor que lleva el agua al sitio de vertido se lo observa en la siguiente figura: (Conagua, 2014)
Ilustración 8 Modelo interceptores
Modelo Interceptores.
30
4.13.4 Modelo en abanico.
Cuando la localidad se encuentra ubicada en un valle, se traza la red pluvial reconociendo hacia el centro del valle y mediante un colector se traslada el agua pluvial a la zona de vertido se lo observa en la siguiente figura: (Conagua, 2014).
Ilustración 9 Modelo abanico
Modelo Abanico.
Fuente: (Conagua, 2014).
4.14 Ubicación de bocas de tormenta o coladeras pluviales.
Existen varios tipos de bocas de tormenta o coladeras pluviales y que de acuerdo a su diseño y ubicación en las calles se clasifican en: coladeras de piso, banqueta, piso y banqueta, longitudinales de banqueta y transversales de piso. (Conagua, 2014).
La instalación de un tipo de coladera o de una combinación de ellas, depende de la pendiente longitudinal de las calles y del caudal por colectar; las coladeras de banqueta se instalan cuando la pendiente de la acera es menor del 2%; cuando se tienen pendientes entre 2 y 5% se instalan coladeras de piso y banqueta, y para pendientes mayores del 5% se instalan únicamente coladeras de piso. (Conagua, 2014)
31 de piso solamente se haga una depresión en la cuneta para obligar al agua a entrar en la coladera. (Conagua, 2014)
Como estas depresiones son molestas al tránsito se debe procurar hacerlas lo más ligeras posible. Para ubicar las coladeras se procura que su separación no exceda de 100 m, dependiendo de la zona de la población de que se trate. En cualquier circunstancia se debe tratar deponerlas cercanas a las esquinas o en los cruces de las calles. (Conagua, 2014)
Cuando se tienen pavimentos de adoquín o empedrados donde se tengan velocidades bajas de tránsito, y que además permitan dar las pendientes de las cunetas con mayor facilidad, se recomienda una separación máxima de 50 m. (Conagua, 2014)
En calles con pendiente menor al 2% se instalan coladeras de banqueta como se observa en la figura:
Ilustración 10 Ubicación de coladeros de banqueta
ubicación de coladeras de Banqueta.
32 En calles con pendiente mayor al 5% se instalan coladeras de piso, se observa en la siguiente figura:
Ilustración 11 Ubicación de coladores de piso
ubicación de coladeras de piso.
Fuente: (Conagua, 2014).
En calles con pendiente entre 2 y 5% se instalan coladeras de piso y banqueta, se observa en la siguiente figura:
Ilustración 12 Ubicación de coladeras de piso y banqueta
Ubicación de Coladeras de Piso y Banqueta.
33 El tipo de coladera longitudinal de banqueta se instala cuando el caudal por colectar es demasiado grande y se tiene una pendiente mayor al 5%, se muestra en la siguiente figura:
Ilustración 13 Ubicación de coladeros longitudinales de banquetas
Ubicación de Coladeras Longitudinales de Banqueta
Fuente: (Conagua, 2014).
El tipo de coladera transversal de piso se instala en calles con anchos de 6 m y menores, se observa en la siguiente figura:
Ilustración 14 Ubicación de coladeros transversales de piso
Ubicación de Coladeras Transversales de piso.
34
4.15 MARCO LEGAL.
4.15.1 Impacto Ambiental.
Cambio o consecuencia al ambiente que resulta de una acción específica o proyecto. (EMAAP-Q, 2009).
4.15.2 Estudio de impacto ambiental (EIA)
Estudio sistemático que se hace para predecir las consecuencias ambientales de un proyecto propuesto. Su objetivo es el de asegurar que se identifiquen los potenciales riesgos ambientales y que se determinen y valoricen las medidas necesarias para evitar, mitigar o compensar los daños ambientales. (EMAAP-Q, 2009).
4.15.3 Marco legal de la Constitución De La Republica del Ecuador.
Capítulo segundo: derechos del buen vivir, sección segunda ambiente sano.
Art. 14.-Se reconoce el derecho de la población a vivir en un ambiente sano y
ecológicamente equilibrado, que garantice la sostenibilidad y el buen vivir, sumak kawsay. Se declara de interés público la preservación del ambiente, la conservación de los ecosistemas, la biodiversidad y la integridad del patrimonio genético del país, la prevención del daño ambiental y la recuperación de los espacios naturales degradados. (Constitucion De La Republica Del Ecuador., 2008)
Art. 15.-El Estado promoverá, en el sector público y privado, el uso de tecnologías
ambientalmente limpias y de energías alternativas no contaminantes y de bajo impacto. La soberanía energética no se alcanzará en detrimento de la soberanía alimentaria, ni afectará el derecho al agua. (Constitucion De La Republica Del Ecuador., 2008)
4.15.4 Código de Salud.
35 materia de salud individual y colectiva, y en todo lo que tenga relación a las acciones sobre saneamiento ambiental.
El código de salud en el libro II, De las acciones en el campo de protección de la Salud, Título I, Del Saneamiento Ambiental, se refiere a partir de su Art. 6 hasta su Art. 12 al saneamiento ambiental; y a las atribuciones del ministerio de salud.
4.15.5 Ley De Gestión Ambiental, Codificación.
De La Evaluación De Impacto Ambiental Y Del Control Ambiental.
Art. 19.- Las obras públicas, privadas o mixtas, y los proyectos de inversión públicos o privados que puedan causar impactos ambientales, serán calificados previamente a su ejecución, por los organismos descentralizados de control, conforme el Sistema Único de Manejo Ambiental, cuyo principio rector será el precautelatorio. (Ley De Gestion Ambiental, 2004).
Art. 24.- En obras de inversión públicas o privadas, las obligaciones que se desprendan del
sistema de manejo ambiental, constituirán elementos del correspondiente contrato. La evaluación del impacto ambiental, conforme al reglamento especial será formulada y aprobada, previamente a la expedición de la autorización administrativa emitida por el Ministerio del ramo. (Ley De Gestion Ambiental, 2004).
4.15.6 Ley De Prevención Y Control De La Contaminación Ambiental.
De la prevención y control de la contaminación del aire.
Art. 1.- Queda prohibido expeler hacia la atmósfera o descargar en ella, sin sujetarse a las
36
5 MATERIALES Y METODOS.
5.1 Materiales.
5.1.1 Equipo Topográfico.
Para el estudio de este proyecto te necesita equipos de topografía para la medición, toma de puntos (coordenadas UTM), elevación, con estos datos obtendremos las curvas de nivel, pendientes entre otros datos importantes para la realización del Diseño del Alcantarillado Pluvia. Vale recalcar que gracias a estos dispositivos los datos son precisos y reales.
Los equipos utilizados son:
• Estación Total (Nikon NIVO 5C)
• GPS (Garmin eTrex Vista)
• Prisma
• Cinta de Medición
5.1.2 Equipos Informáticos.
Las herramientas informáticas son muy importantes ya con hechas podremos fundamentar el marco teórico enfocado al tema de alcantarillado pluvia, nos permite compilar información bibliográficas o artículo de sitios web. También usaremos software enfocado en el cálculo y dibujo en general del sistema de alcantarillado como son:
• SewerGEMS
• Excel
• AutoCAD
• CivilCAD 3D (métrico)
Otro software y para el procesamiento de la información y la ejecución de los programas:
• Word.
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5.2 Métodos.
Científico.
Permitió realizar una recopilación bibliográfica de artículos y temas (internet, libros) relacionados con el tema a investigar lo cual sirvió para fundamentar el marco teórico y conocer de manera específica la importancia de la planificación del diseño del sector.
Histórico
Nos ayudó a analizar e incorporar en la investigación información histórica del problema en mención.
Método hidrológico.
Consideran que existe una relación funcional, generalmente lineal, entre la distribución de la lluvia en el tiempo y el Hidrograma a la salida de la cuenca.
Métodos directos o empíricos
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6. ANALISIS Y RESULTADOS.
6.1 OBJETIVO 1: Definir los parámetros de diseño del alcantarillado pluvial de JOA,
Cantón Jipijapa.
La utilización de la base de diseño y los cálculos hidráulicos, serán esenciales para el respectivo diseño de alcantarillado pluvial enmarcado en las Normas Ecuatorianas de la Construcción.
Los parámetros y bases de diseño han sido seleccionados cumpliendo con lo que establecen las Normas de Diseño del ex Instituto Ecuatoriano de Obras Sanitarias IEOS (INEN NORMA) y recomendaciones de la EPMA. La selección de estos parámetros definirá el tamaño del sistema y como consecuencia lógica determinará los costos tanto de inversión como de operación y mantenimiento.
El sistema de recolección y evacuación de aguas pluviales estará proyectada y construida para:
• Permitir una rápida evacuación de la escorrentía pluvial de las vías.
• Evitar la presencia y acumulación de aguas excesivas en las vías y calzadas.
• Evitar la invasión de aguas pluviales en propiedades públicas y privadas.
• Evitar la paralización del tráfico vehicular durante un evento fuerte de precipitación.
39
6.1.1 Periodo de Diseño.
El período de diseño o planeamiento, debe fijar las condiciones básicas del proyecto como la capacidad del sistema para atender la demanda futura, la densidad actual y de saturación, la durabilidad de los materiales y equipos empleados, la calidad de la construcción y su operación y mantenimiento (EMAAP, 2007)
Tabla 15 Periodo de Retorno
Fuente: (EMAAP, 2007)
Para el sistema de alcantarillado pluvial el tiempo de vida útil será 25 años.
6.1.2 Periodo de Retorno.
El período de retorno de un evento hidrológico se calcula como la inversa de la probabilidad de excedencia anual y representa el intervalo de tiempo promedio (en sentido probabilístico) dentro del cual ese evento puede ser igualado o excedido.
La norma del ex IEOS para caudales pluviales recomienda los siguientes periodos de retorno:
Tabla 16 Periodo de retorno en función del drenaje
40
Tabla 17 Periodo de retorno para diseño de estructura menores
Fuente: (EMAAP, 2007)
Tabla 18 Usos del suelo y periodo de retorno recomendadas.
Fuente: (EMAAP, 2007)
41
Tabla 19 Tipo de vialidad y periodos de retornos recomendadas
Fuente: (EMAAP, 2007)
6.1.3 Caudal de diseño.
Para estimar el gasto producido por la lluvia sobre una cuenca, existen diferentes métodos, los cuales se clasifican en:
Métodos directos o empíricos. - Consideran que el escurrimiento provocado por una tormenta es función, principalmente, de las características físicas de la cuenca.
Métodos hidrológicos. - Consideran que existe una relación funcional, generalmente lineal, entre la distribución de la lluvia en el tiempo y el Hidrograma a la salida de la cuenca.
Métodos hidráulicos. - Estiman el Hidrograma en las diferentes partes de la cuenca en estudio mediante las ecuaciones de conservación de la masa y la cantidad de movimiento con diversos grados de simplificación.
42
Tabla 20 Cálculo del caudal en función del área aportante
Fuente: (EMAAP, 2007)
El área del presente proyecto es de 47.57 Ha para el drenaje pluvia, cumpliendo con la condición para utilizar el método racional.
6.1.4 Método racional.
El método permite determinar el gasto máximo provocado por una tormenta, suponiendo que esto se alcanza cuando la intensidad de lluvia es aproximadamente constante durante una cierta duración, que se considera es igual al tiempo de concentración de la cuenca.
Para el cálculo del caudal de diseño de aguas lluvias se utilizará el método racional, valido para cuencas de drenaje con una superficie inferior a 100 ha., que utiliza la siguiente expresión de cálculo:
Donde:
Q = Caudal pluvial (l/s)
C = Coeficiente de escurrimiento A = área de drenaje (ha)
43
6.1.5 Intensidad.
Para determinar los valores de intensidad y duración de la lluvia en el área de estudio se procede a utilizar la siguiente información
Tabla 21 Cuadro de intensidad duración y frecuencia de la estación Julcuy.
Fuente: (INAMHI,2015)
6.1.6 Tiempo de concentración.
El tiempo de concentración es el lapso necesario para que la escorrentía pluvial llegue desde el punto más alejado del área tributaria al punto considerado en el diseño, está compuesto de dos partes:
Donde:
Tc = tiempo de concentración
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6.1.7 Tiempo de recorrido.
6.1.8 Análisis sobre material de los colectores.
Algunos parámetros y criterios de diseño como: tasas de infiltración, velocidades máximas, coeficiente de rugosidad, están relacionados con el tipo de colector a instalarse.
Los tipos de colector tradicionales en el medio son los de hormigón simple o armado y los de materiales termoplásticos (PVC).
Los termoplásticos presentan una menor rugosidad, mayor impermeabilidad y aptitud para conducir flujos a mayores velocidades, lo cual se traduce en una mayor capacidad hidráulica para un mismo diámetro nominal.
Los colectores de hormigón, por su parte, presentan mayores ventajas de resistencia mecánica y por tanto menores requerimientos técnicos para el relleno de zanjas.
Para el dimensionamiento hidráulico de los colectores se adoptan los parámetros de rugosidad e impermeabilidad (infiltración) correspondientes a los colectores de hormigón, con lo cual se tiene un factor de seguridad con respecto a aquellos correspondientes a colectores termoplásticos.
45 Q: Caudal conducido por el colector (m3/s)
A: Área de la sección transversal mojada m2 i: Pendiente geométrica del colector (m/m) n: Coeficiente de rugosidad
P: Perímetro mojado (m)
Las tuberías se diseñarán a tubo parcialmente lleno con el 75 % como máxima capacidad a ser utilizada y en condiciones de flujo a gravedad
V: Caudal velocidad (m/s) R: Radio Hidráulico (m)
46
6.2 OBJETIVO 2: Elaborar un diseño hidráulico de la red de alcantarillado.
6.2.1 Diseño de alcantarillado Pluvia.
Para realizar el diseño del alcantarillado pluvial se necesita definir las áreas aportantes, son de 47.57 ha que fue determinado para el cálculo correspondiente. Se tendrá en cuenta los aspectos como la intensidad de lluvia para que los colectores capten la afluencia de aguas lluvias y sea drenado, dependiendo también de la pendiente natural del terreno.
Se ubicarán sumideros que captarán las agua lluvias para conducirla al pozo, la tubería que conducirán estas aguas serán de material PVC con un diámetro mínimo de 250mm.
La captación total de las aguas lluvias se descargarán en un cauce natural, en este caso se descargarán en el rio Jipijapa.
Ilustración 15 Ubicación del drenaje de las aguas lluvias
47
6.2.2 Áreas aportantes.
Las áreas aportantes de detallaran en los siguientes datos:
Tabla 22 Áreas aportantes por tramo
Tramos Hectárea (ha)
48
PZ-43 PZ-31 1.2685 PZ-44 PZ-45 0.3879 PZ-45 PZ-46 0.2234 PZ-46 PZ-47 0.7826 PZ-47 PZ-48 0.8497 PZ-49 PZ-50 0.5532 PZ-50 PZ-51 0.9852 PZ-51 PZ-48 0.6551 PZ-48 PZ-52 0.4699 PZ-52 PZ-53 1.5243 PZ-53 PZ-54 1.6143 PZ-54 PZ-55 0.8950 PZ-55 PZ-56 0.7776 PZ-59 PZ-60 0.9382 PZ-62 PZ-60 0.9192 PZ-60 PZ-61 0.3713 PZ-29 PZ-61 0.9778 PZ-61 PZ-56 0.2295 PZ-56 PZ-57 0.2052 PZ-57 PZ-58 0.1978 PZ-58 PZ-33 0.0977 PZ-31 PZ-32 0.9380 PZ-32 PZ-33 0.4035
47.57 ha
Fuente: (Macias Cevallos Luis,2019)
Ilustración 16 Áreas aportantes - Civil 3D
49
6.2.3 Intensidad de lluvia.
En lo anteriormente se había considerado para la zona de Julcuy la cual es la más cercana. La cual hacemos uso de la siguiente ecuación I=A x tB x C
Los resultados restantes se encuentran la hoja d calculo. Tabla 24
6.2.4 Tiempo de Concentración.
𝑡𝑐 = ∑ 𝐿
∑ 𝑉 ∗ 60+ 𝑇𝑐0
𝑡𝑐 = 77,61
3,35 ∗ 60+ 10
𝒕𝒄 = 𝟏𝟎, 𝟑𝟗 𝒎𝒊𝒏
Los resultados restantes se encuentran la hoja d calculo. Tabla 24
6.2.5 Calculo de caudal
Los caudales pluviales tanto para colectores como para canales se determinaron por el Método Racional
6.2.6 Método Racional.
Para el cálculo del caudal de diseño de aguas lluvias se utilizará el método racional, preferido para cuencas de drenaje con una superficie no mayor a 100 ha., se utiliza la siguiente fórmula de cálculo:
Cálculo de caudales del segundo tramo como referencia inicial:
𝑄 = 2.78𝐶 ∗ 𝐼 ∗ 𝐴
𝑄 = 0,3 ∗ 309,82 𝑙𝑡
50
𝑄 = 48,8425 𝑙/𝑠
Donde:
Q = Caudal pluvial (l/s)
C = Coeficiente de escurrimiento A = área de drenaje (ha)
I = Intensidad de la lluvia
Los resultados restantes se encuentran la hoja d calculo. Tabla 24
6.2.7 Análisis sobre el material de los colectores.
Para el cálculo de la capacidad hidráulica, se utiliza la fórmula de Manning.
Donde:
Q: Caudal conducido por el colector (m3/s) A: Área de la sección transversal mojada m2 i: Pendiente geométrica del colector (m/m)
n: Coeficiente de rugosidad P: Perímetro mojado (m)
Las tuberías se diseñarán a tubo parcialmente lleno con el 75 % como máxima capacidad a ser utilizada y en condiciones de flujo a gravedad
Para el cálculo de la velocidad se ha empleado la fórmula de Manning, cuya expresión es: Cálculo del primer tramo a tubería llena:
𝑉 = 𝑆1/2∗ 𝑅𝐻2/3
𝑛
𝑉 =𝑆
1/2∗ (𝐷𝑖
4 )
2/3
51
𝑉 =(5,48100)
1/2
∗ (0,25𝑚4 )2/3 0,011
𝑉 = 3,35 𝑚/𝑠
Los resultados restantes se encuentran la hoja d calculo. Tabla 24
Cálculo de área hidráulico a tubería llena del primer tramo como referencia:
𝐴𝐻 = 𝜋 ∗𝐷2
4
𝐴𝐻 = 𝜋 ∗0,25𝑚2
4
𝐴𝐻 = 0,049088 𝑚2
Donde:
AH = Área hidráulica a sección llena. D = Diámetro interno de la tubería.
Los resultados restantes se encuentran la hoja d calculo. Tabla 24
Cálculo del caudal a tubería llena del primer tramo como referencia:
𝑄 = 𝐴𝐻 ∗ 𝑉
𝑄 = 0,049088 𝑚2 ∗ 3,35 𝑚/𝑠
𝑄 = 0.16444 𝑚3/𝑠
𝑄 = 164.44 𝑙𝑡/𝑠
52
6.2.9 Cálculo Hidráulico Tubería parcialmente en Excel.
Tabla 23 Calculo de tubería llena
TUBERIA PARCIALMENTE LLENA
q θ Qd d=Tirante(m) AH (m2) PH (m) RH (m)
53 0.143 488.466 0.143 0.287 0.155 1.705 0.091
0.173 163.393 0.173 0.171 0.051 0.570 0.090 0.034 134.739 0.034 0.077 0.013 0.294 0.044 0.234 229.075 0.234 0.283 0.095 0.800 0.119 0.258 220.968 0.258 0.270 0.090 0.771 0.117 0.271 234.968 0.271 0.292 0.098 0.820 0.120 0.320 238.118 0.320 0.297 0.100 0.831 0.120 0.036 157.378 0.036 0.101 0.019 0.343 0.054 0.055 193.372 0.055 0.140 0.028 0.422 0.067 0.117 213.578 0.117 0.161 0.034 0.466 0.072 0.179 204.543 0.179 0.221 0.066 0.650 0.102 0.051 239.566 0.051 0.187 0.039 0.523 0.075 0.131 230.056 0.131 0.214 0.054 0.602 0.089 0.180 193.396 0.180 0.203 0.060 0.614 0.097 0.380 237.746 0.380 0.297 0.100 0.830 0.120 0.444 227.989 0.444 0.352 0.148 0.995 0.148 0.506 199.114 0.506 0.350 0.171 1.043 0.164 0.539 184.818 0.539 0.313 0.149 0.968 0.154 0.565 234.201 0.565 0.437 0.220 1.226 0.180 0.087 193.907 0.087 0.140 0.028 0.423 0.067 0.085 203.608 0.085 0.301 0.124 0.888 0.139 0.192 175.678 0.192 0.241 0.093 0.767 0.122 0.091 229.803 0.091 0.213 0.054 0.602 0.089 0.292 137.409 0.292 0.159 0.054 0.600 0.090 0.863 214.154 0.863 0.582 0.435 1.682 0.259 0.870 167.950 0.870 0.358 0.218 1.173 0.186 0.872 160.051 0.872 0.331 0.196 1.117 0.176 2.211 208.081 2.211 0.559 0.415 1.634 0.254 2.221 207.097 2.221 0.555 0.412 1.627 0.253
54
6.2.9 Detalles de las filas del cálculo Hidráulico realizado en Excel.
1.- Nombre del tramo.
2.- Longitud de la tubería en ese tramo.
3.- Sumatoria de las longitudes de la tubería de cada tramo. 4.- Se especifica el área parcial.
5.- Se especifica la sumatorias de áreas.
6.- Coeficiente de escurrimiento de la superficie. 7.- Tiempo de flujo en min.
8.- Tiempo de concentración en la superficie, Tc.
9.- Intensidad de lluvia que varía por cada tramo dependiendo de Tc. 10.- Se calcula el caudal máximo para cada tramo.
11.- Se especifica el valor de coeficiente de Manning. 12.- Se especifica el diámetro calculado.
13.- Se escoge el diámetro comercial mayor a lo calculado.
14.- Se especifica un diámetro interior en función del diámetro comercial previamente escogido.
15.- Se calcula la pendiente del proyecto.
16.- Se calcula la radio hidráulica (RA) de una tubería llena. 17.- Se calcula el área hidráulica (AR) de una tubería llena. 18.- Se calcula el perímetro hidráulico (PH) de una tubería llena. 19.- Se calcula la Velocidad a tubería llena.
20.- Se calcula el Caudal a tubería llena.
55 23.- Se calcula el diámetro de la tubería parcialmente llena.
24.- Se calcula la velocidad de la tubería parcialmente llena. 25.- Se calcula el esfuerzo cortante que se produce en la tubería. 26.- Desnivel de las cotas.
27.- Se especifica las cotas del terreno. 28.- Cota de entrada proyectada del terreno. 29.- Cota de salida proyectada del terreno. 30.- Cota Invert de entrada.
