INTRODUCCIÓN

OBJETIVOS

1. PROBLACIÓN Y DOTACIÓN FUTURA

Para el diseño de los sistemas de acueductos, es de vital importancia escoger un adecuado periodo de diseño así como la proyección de la población para ese periodo de diseño para evitar que el sistema requiera evacuar un caudal mayor al que inicialmente se había presupuestado y de esta manera el sistema colapse.

Se ha presupuestado diseñar el sistema de acueducto del municipio de Villapinzón, municipio ubicado al norte del departamento de Cundinamarca y que, según el censo realizado en el año 2005, presentaba una población de 16573 habitantes para esa fecha.

En el periodo de diseño de una obra de infraestructura intervienen factores como las ampliaciones futuras de la obra y la planeación de las etapas de construcción del proyecto, la vida útil de las estructuras, los cambios socioeconómicos de la población entre otros. De acá deriva la importancia de escoger un adecuado periodo de diseño, es por ello que para la construcción del sistema de acueducto del municipio de Villapinzón se ha tomado un periodo de diseño de 30 años contados a partir de la fecha.

La población futura es la que determinará el caudal de diseño con el que se deberá trabajar para el dimensionamiento de la obra de infraestructura a construir.

Información previa

Periodo de diseño: se tiene que el periodo de diseño de la estructura es de 30 años contados a partir de la fecha.Población de diseño:Caudal de diseño: se tiene que el caudal máximo diario necesario para abastecer a la población futura anteriormente mencionada es de 80L/s.Aforo del río:Qmáx=1.0 m3/s; Qmin=200 m3/s.Ancho del río:3.5 m.Esta parte es a ser dicha dentro del informe

2. CAPTACIÓN DEL AGUALas obras de captación o bocatoma, son estructuras que sirven para derivar el caudal de diseño que por lo general corresponde al mismo caudal máximo diario. Son diseñadas para ser ubicadas directamente en la fuente de abastecimiento de agua, la cual puede ser superficial o subterránea de acuerdo a las necesidades de la población y a la cercanía de estas fuentes.

Estas obras deben localizarse en zonas donde el suelo es estable y resistente a erosionarse, además de tenerse en cuenta los costos que generará su construcción, dado

que es más económico construir obras de captación que aprovechen la gravedad del fluido en contraposición de obras subterráneas en las que será necesaria la utilización de máquinas de bombeo que generarían costos adicionales al diseño del sistema.

Para el caso de la construcción del acueducto del municipio de Villapinzón, por costos y por cercanía a fuentes de abastecimiento superficiales, se ha decidido diseñar un sistema de captación superficial. Otra consideración que se ha tenido en cuenta es que la ubicación de la captación se ha de construir en un tramo recto, esto para evitar problemas de colmatación o socavación extrema, que se evidencia en un tramo curvo.

Existe diferentes tipos de bocatoma, pero para el caso del diseño del sistema de acueducto de Villapinzón se usará una bocatoma de fondo, ubicada en un tramo recto del río que presenta un ancho de 3m.

En la bocatoma de fondo el agua es captada a través de una rejilla colocada en la parte superior de una presa, que a su vez es direccionada en sentido normal a la corriente1.

Cabe recordar que para el procedimiento de diseño de la rejillael caudal que se toma debe estar en 2 y 3 veces el caudal máximo diario. En este caso se afectará el caudal máximo diario por un valor de 2.1, así, el caudal de diseño será:

Q=2.1∗Qmax .d

Q=2.1∗80 L/s=168 L/ s

Diseño de la presa:

La presa y la garganta de la bocatoma deben diseñarse como un vertedero rectangular. Para calcular la energía sobre la cresta del vertedero, se parte de la siguiente ecuación:

Q=1.83∗L∗H 3/2

Donde Q es el caudal máximo diario (m3/s), L es la longitud del vertedero (m) y H es la carga de energía sobre la cresta del vertedero (m).

Despejando la carga de energía en la anterior ecuación se tiene lo siguiente:

H=( Q1.84∗L )

2/3

Se asume que el ancho del vertedero es de 2.6 m y no presenta contracciones que reduzcan la lámina de agua sobre el vertedero. Así, la lámina de agua en la cresta del vertedero es la siguiente:

H=( 0.168m3/s1.84∗2.6m )

2/3

=0.1072m

1 López C, Ricardo A. Elementos de diseño para acueductos y alcantarillados. Editorial Escuela Colombiana de Ingeniería.

La corrección de la longitud del vertedero por las contracciones se calcula a partir de la siguiente ecuación:

L'=L−0.1∗n∗H

Se tiene dos contracciones laterales, por lo que la corrección por las contracciones será:

L'=2.6m−0.1∗2∗0.1072m=2.5786m

Una vez obtenida la altura de la lámina sobre la cresta del vertedero (o la carga de energía), se puede determinar la velocidad del agua al pasar sobre la rejilla. Dicha velocidad se determina a partir de la siguiente ecuación:

V r=Q

L'∗H

Dado que se tienen todos los valores, la velocidad del río sobre el vertedero será:

V r=0.168m3/s

2.5786m∗0.1072m=0.6078m /s

La velocidad del río sobre el vertedero aproximadamente es 0.61 m/s lo cual es aceptable dentro del rango de velocidades del río, dado que:

0.3m /s<V r<3m /s

0.3m /s<0.61m /s<3m /s→OK

Diseño del canal de aducción:

Se escoge un canal de aducción rectangular por facilidad de construcción. Una vez escogido se calcula el canal de aducción así:

X s=0.36∗V r2 /3+0.6∗H 4 /7

X i=0.18∗V r4 /7+0.74∗H 3/4

B=X s+0.1

Donde Xs es alcance al filo superior (m), X i es el alcance al filo inferior (m) y B es el ancho del canal de aducción.

Así, para Xs, Xi y B para este caso será:

X s=0.36∗(0..6078m / s)2/3+0.6∗(0.1072m)4 /7=0.4258m

X i=0.18∗(0.6078m / s)4 /7+0.74∗(0.1072m)3 /4=0.2741m

B=0.4258m+0.1=0.5258m

Dado que el ancho del ancho del canal de aducción debe ser una medida constructiva, por ende, B es igual a 0.55 m.

Diseño de la rejilla:

El diámetro de los barrotes es de 1/2”, con una separación entre ellos de 10 cm y una velocidad entre barrotes de 0.15 m/s.

Partiendo de:Q=K∗Aneta∗V b

Aneta=a

a+b∗B∗Lr

Donde K es una constante igual a 0.9 para flujo paralelo a la sección, Vbes la velocidad entre barrotes, a es la separación entre barrotes, b es el diámetro de los barrotes y Lr es la longitud de la rejilla.

Despejando el área neta de la primera de estas ecuaciones se tiene:

Aneta=Q

K∗V b

Aneta=0.168m3/s0.9∗0.15m /s

=1.2444m2

Conociendo el área neta, mediante la segunda ecuación se puede calcular mediante la segunda ecuación anteriormente expuesta. Así:

Lr=Aneta∗(a+b)

a∗B

Lr=1.2444m2∗(0.10m+0.0127m)

0.10m∗0.55m=2.5499m

Dado que Lr debe ser una medida constructiva, la longitud de la rejilla será de 2.55 m

Tomando como longitud de la rejilla el nuevo valor de 2.55 m, se recalcula el área neta así:

Aneta=0.10m

0.10m+0.0127m∗0.55m∗2.55m=1.2445m2

Teniendo el área neta, se puede calcular el número de orificios así:

N=Aneta

a∗B

N= 1.2445m2

0.10m∗0.55m=22.6273 orificios

Se toma entonces que el número de orificios es 23. Además, se tiene que la separación entre orificios es de 0.10 m y el ancho de la rejilla es 0.55 m. De esta manera, el área neta es:

Aneta=N∗a∗B

Aneta=23∗0.10m∗0.55m=1.265m2

La velocidad entre las barras para este caso será:

V b=Q

K∗Aneta

V b=0.168m3/ s0.9∗1.265m2=0.1476m /s

El nuevo valor para la longitud de la rejilla será:

Lr=1.265m2∗(0.10m+0.0127m)

0.10m∗0.55m=2.5921m

La rejilla tendrá una medida constructiva de 2.6 m.

Niveles en el canal de aducción:

Para calcular los niveles de agua en el canal recolector es necesario hacer un análisis de cantidad de movimiento, suponiendo que todo el caudal de diseño para la bocatoma es captado por este mismo, obteniendo el nivel aguas arriba de la siguiente manera:

h0=√2∗he2+(he−

i∗lc3 )

2

−23∗i∗lc

Se debe garantizar que el flujo descargue libremente en la cámara; esto indica que la profundidad aguas abajo debe ser crítica de tal manera que:

he=hc hc=3√ Q2

B2∗g

Donde he representa la profundidad aguas abajo y debe ser igual a la profundidad crítica hc, i es la pendiente del canal, h0 la profundidad aguas arriba y lc es la longitud.

De acuerdo al planteamiento anterior se obtiene:

Nivel aguas abajo:he=hc

hc=3√ (0.168m3 /s)2

(0.55m)2∗9.81m / s2=0.2119m

he=hc=0.2119m

Nivel aguas arriba:

Para poder aplicar las expresiones, es necesario obtener primero la longitud total del canal que en este caso será igual a la longitud de la rejilla adicionándole el espesor del muro de la garganta de la presa que por construcción será de 0.30m:

lcT=lc+espesor muro

lcT=2.60m+0.30m=2.90m

A demás de esto es necesario escoger la pendiente del canal que debe estar entre 1% y 4%. Teniendo en cuenta dicho requerimiento, en este caso se tomará una pendiente de 2%.

Así, se tiene que la profundidad aguas arriba es:

h0=√2∗(0.2119m)2+(0.2119m−0.02∗2.90m3 )

2

−23∗0.02∗2.90m=0.3175m

Ya habiendo calculado las profundidades en el canal es necesario dejar un borde libre de 0.15 m de donde se obtiene la profundidad total del canal así:

H 0=h0+BL

H 0=0.3175m+0.15m=0.4675mLuego la profundidad total del canal aguas abajo He será:

H e=H 0+i∗l cT

H e=0.4675m+0.02∗2.90m=0.5255m

Para que el diseño sea óptimo es una buena práctica comprobar la velocidad al final del canal así:

V e=Q

B∗he

V e=0.168m3/s

0.55m∗0.2119m=1.4415m / s 0.3m /s<1.4415m /s<3m /s→OK

Cámara de recolección:

Estructura con muros de concreto reforzado donde descarga el canal de aducción, se aconseja que sea de sección cuadrada de al menos 1.50m de lado y con muros de 0,30m de espesor, además de contar con una tapa que permita el acceso al personal de mantenimiento.

Para el diseño, se tienen en cuenta las ecuaciones de alcance de chorro pero se cambian la velocidad y la profundidad por las obtenidas en el final canal de aducción de la bocatoma así:

X s=0.36∗V e2 /3+0.6∗he

4 /7

X i=0.18∗V e4 /7+0.74∗he

3 /4

L=X s+0.3m

De esta forma se tiene:

X s=0.36∗(1.4415m /s)2 /3+0.6∗(0.2119m )4 /7=0.7066mX i=0.18∗(1.4415m /s )4 /7+0.74∗(0.2119m )3/4=0.4529m

L=0.7066m+0.3m=1.0066m

Como se dijo anteriormente, como la longitud L es menor a 1.5 m se toma este valor para poder permitir el acceso al personal y se cumplirá además que sea cuadrada.