HIDRÁULICA DE ALCANTARILLAS

INGENIERÍA SANITARIA II INGENIERÍA SANITARIA II –– CIV 3239 “B”CIV 3239 “B”

M.Sc.IngM.Sc.Ing. Amilkar Ernesto ILAYA AYZA. Amilkar Ernesto ILAYA AYZA

Amilkar E. ILAYA AYZA

INTRODUCCIÓN

� En sistemas de alcantarillado el

escurrimiento debe ser sin presión para:

• Evitar el reflujo de las aguas, que produciría problemas en artefactos sanitariosproblemas en artefactos sanitarios

• Evitar la creación de zonas de contaminación (aguas residuales)

Amilkar E. ILAYA AYZA

FORMULAS PARA EL DISEÑO

� Según Chezy:

� Manning propuso:

SRCV ⋅=

611

Rn

C =

� Ecuación de Manning:

2

53

21 P

A

S

nQ=

⋅

21

321

SRn

V =

AVQ ⋅=( )

2

52

3

21

2

8

−

=

⋅

D

senD

S

nQ

θ

θθ

Amilkar E. ILAYA AYZA

ALCANTARILLAS PARCIALMENTE LLENAS

� Para sección circular, con θ en radianes:

( )θθ senD

A −=8

2

−⋅=

θ

θsenDR 1

4

DP2

θ=

⋅=

2

θsenDT

−⋅=

2cos1

2

θDy

EJEMPLO

( )

2

52

3

21

2

8

−

=

⋅

D

senD

S

nQ

θ

θθ

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TENSION TRACTIVA

SRH ⋅⋅= γτ

Pa1=τSRH ⋅⋅= γτ

Pa5.1=τAlcantarillado pluvial

Pa1=τ

Alcantarillado sanitario

Pa6.0=τTramos de arranque A. Sanit.

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TENSIÓN TRACTIVA

� Como el peso específico es igual a:

� Entonces:

g⋅= ργ

SRg ⋅⋅⋅= ρτ SRg H ⋅⋅⋅= ρττ = Tensión tractiva en Pa

ρ = Densidad del agua (1000 kg/m3)

g = Aceleración de la gravedad (9.81 m/seg2)

RH = Radio hidráulico en mS = Pendiente de la tubería en m/m 1 kgf/m2 ~ 10 Pa

0.1 kgf/m2 ~ 1 Pa

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DETERMINACIÓN EMPÍRICA DE LA TENSIÓN TRACTIVA

� Según Shields:

• τ = Resistencia del Sedimento al Movimiento (Tensión • τ = Resistencia del Sedimento al Movimiento (Tensión Tractiva) (Kg/m2)

• f = Constante = 0,04 – 0,8 (adimensional)

• γa = Peso específico del material de fondo (arena) (kg/m3)

• γw = Peso específico del agua (kg/m3)

• d90%-95% = Diámetro específico en metros, del 90% al 95% de las partículas que deben ser transportadas.

Amilkar E. ILAYA AYZA

EJEMPLO 1

� Determinar la pendiente mínima de un

colector de alcantarillado de D = 0,25 m

de diámetro, si las partículas de la arena

hasta d = 2 mm de diámetro, tienen que hasta d = 2 mm de diámetro, tienen que

ser transportadas, cuando el flujo es

18% de la capacidad llena del colector

(f=0,06 Adoptado para arena en

suspensión)

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TIPOS DE SECCIONES

- Sección circular - Sección lenticular normal

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TIPOS DE SECCIONES

- Sección lenticular realzada - Sección lenticular rebajada

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TIPOS DE SECCIONES

- Sección en capacete - Sección circular realzada

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TIPOS DE SECCIONES

� Las secciones tipo capacete y lenticular

son muy resistentes por su forma

geométrica, por lo que pueden utilizarse

para el caso de tener que soportar para el caso de tener que soportar

grandes cargas.

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SECCION OVOIDE

- Sección ovoide normal - Sección ovoide peraltada

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SECCION OVOIDE

- Sección ovoide ensanchada

- Sección ovoide rebajada

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SECCION OVOIDE

� Las secciones ovoides presentan la

ventaja de que para un llenado parcial el

calado es mayor que en otras secciones,

muy conveniente en las redes unitarias muy conveniente en las redes unitarias

por el efecto de arrastre que puede

realizar con caudales bajos, en

comparación con secciones circulares

de igual capacidad de desagüe.

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COLECTORES VISITABLES

� Se componen

básicamente de una

bóveda, apoyada en

paramentos verticales, paramentos verticales,

andén lateral y cuna de

sección geométrica

semicircular en la parte

inferior, para evacuación

de aguas negras.

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COLECTORES VISITABLES

� En general la característica hidráulica más interesante en estos colectores, es la capacidad de desagüe que pueden alcanzar caudales pueden alcanzar caudales de hasta 80 m3/s con pendientes del 1% en eventos lluviosos y evacuar pequeños caudales de aguas negras

Amilkar E. ILAYA AYZA

DIMENSIONADO A SECCION LLENA

� Para secciones circulares llenas:

4

DR =

21

32397.0

SDn

V ⋅⋅=

21

38312.0

SDn

Q ⋅⋅=

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DIMENSIONADO A SECCION LLENA

� Para secciones NO circulares llenas

� Se utilizan las relaciones comparando con la comparando con la sección circular:

� Para luego calcular la velocidad o caudal.

CIRCULAR

CIRCULARNO

A

A

CIRCULAR

CIRCULARNO

R

R

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SECCIONES NO CIRCULARES LLENAS

Área

A (m2)

ANC/AC

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CONOCIENDO LA VELOCIDAD O CAUDAL DE SECCION CIRCULAR:

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EJEMPLO 2

� Una tubería de alcantarillado con diámetro

60 cm, desagua con una pendiente de

1/500 un caudal Q a sección llena.

� Determinar el caudal y velocidad en una

sección ovoide normal 60/90 por Manning.

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ALCANTARILLAS PARCIALMENTE LLENAS

� Para sección circular, con θ en radianes:

( )θθ senD

A −=8

2

−⋅=

θ

θsenDR 1

4

DP2

θ=

⋅=

2

θsenDT

−⋅=

2cos1

2

θDy

EJEMPLO

( )

2

52

3

21

2

8

−

=

⋅

D

senD

S

nQ

θ

θθ

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SECCIONES CIRCULARES PARCIALMENTE LLENAS

� Pueden utilizarse gráficos o tablas, en

las cuales se utiliza la relación de

caudales y velocidades:

32

32

21

32

21

32

llllllllll RA

RA

SRn

A

SRn

A

Q

Q

⋅

⋅=

⋅⋅

⋅⋅=

32

32

21

32

21

32

1

1

llllll R

R

SRn

SRn

V

V=

⋅⋅

⋅⋅=

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SECCIONES CIRCULARES PARCIALMENTE LLENAS (TABLA)

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SECCIONES CIRCULARES PARCIALMENTE LLENAS (GRAFICO)

CAUDAL

VELOCIDAD

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SECCIONES CIRCULARES PARCIALMENTE LLENAS (GRAFICO)

CAUDALCAUDAL

VELOCIDAD

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EJEMPLO 3

� Determinar el tirante y la velocidad en una

alcantarilla de diámetro 12 pulg y 1/200 m/m de

pendiente con un valor de n = 0,013, Para un

caudal de 10 l/s.caudal de 10 l/s.

� Para usar la tabla o grafico debemos calcular a

sección llena:

21

38312.0

SDn

Q ⋅⋅=

EJEMPLO

21

32397.0

SDn

V ⋅⋅=

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y/H PARA SECCION OVOIDE NORMAL

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EJEMPLO 4

� Por una sección ovoide 60/90, circula un caudal de 844,5 l/s, la pendiente es del 1%, determinar el calado y la velocidad

SOLUCION:SOLUCION:�� SOLUCION:SOLUCION:� Calcular el caudal para una sección

circular llena de 600 mm

� Calcular el caudal para una sección ovoide normal llena 60/90

� Calcular la relación de caudal parcial y caudal lleno para recurrir al gráfico y determinar y/H.

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ENERGÍA ESPECÍFICA Y TIRANTE CRITICO

g

VyE

⋅+=

2

2

2

2

2 Ag

QyE

⋅⋅+=

c

c

T

A

g

Q32

=

T

Ag

VF

⋅

=

FLUJO ESTABLE: 0.9 < F < 1.1

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EJEMPLO 5

� Determinar el tipo de flujo en una alcantarilla pluvial de hormigón de D=30cm que transporta 20 l/s con una pendiente 2%. Aguas abajo se tiene otro pendiente 2%. Aguas abajo se tiene otro colector con las mismas características pero con pendiente de 0.3%.

� Indicar el tipo de problemas que podrían producirse con esta disposición de alcantarillas.

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CUELLOS DE BOTELLA

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