Clase 3 - Diseño de manantial de ladera (1)

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA

FACULTAD DE INGENIERIA AMBIENTAL

DISEÑO DE MANANTIAL DE LADERA

SANEAMIENTO AMBIENTAL I

UNIVERSIDADNACIONAL DE INGENIERIA

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INTRODUCCION

El objetivo de esta practica es proporcionar a los alumnos información y conceptos actualizados, y las herramientas necesarias para el diseño y construcción de captaciones de agua de manantiales para sistemas de agua potable.


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MANANTIALES

Se puede definir al manantial como un lugar donde se produce el afloramiento natural de agua subterránea. Por lo general el agua fluye a través de una formación de estratos con grava, arena o roca fisurada.


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CLASIFICACION DE MANANTIALES

De ladera

De fondo


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(Ladera)

Consta de una protección al afloramiento, una cámara húmeda donde se regula el caudal a utilizarse; el ingreso a esta cámara al igual que el rebose y limpia, están diseñados para el máximo rendimiento de la fuente; posee dispositivos de salida a la línea de conducción y excedente de la fuente.


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(fondo concentrado)

La estructura de captación es una cámara sin losa de fondo que rodea el punto de brote del agua; consta de cámara húmeda que sirve para almacenar el agua y regula el caudal a utilizarse, y una cámara seca que protege las válvulas de control de salida, rebose y limpia.


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(ladera concentrado)


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REQUISITOS PARA SU USO

CANTIDAD Qmd

CALIDADCumplir con las Normas de calidad de agua


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EJEMPLO DE DISEÑO

La localidad denominada Los Bohemios de la FIA, está ubicada en la sierra baja del Perú, en cota promedio igual a 1 020 msnm, donde se asientan en forma dispersa 806 hab. de costumbres rurales que crecen a una tasa anual de 2,5%. La dotación que tienen es de 300 L/(habxd) y los coeficientes de variación de consumo son: K1 = 1,3 y K2 = 2,5. La forma de abastecimiento de agua actual es mediante el acarreo de agua desde un reservorio artesanal existente en cota = 1 050 msnm y que rinde en promedio 7 L/s. La fuente es un manantial que se ubica a 2,5 Km aguas arriba de la ubicación del reservorio (en cota 1 200 msnm).


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EJEMPLO DE DISEÑO

Se pide el diseño de un sistema de abastecimiento de agua potable apropiado, para lo cual debe absolver las siguientes preguntas:

¿Qué tipo de sistema de abastecimiento seleccionaría?. Calcular las variaciones de consumo. ¿Qué tipo de captación seleccionaría?, dimensionarla. Dimensionar las líneas de conducción. Dimensionar el reservorio de almacenamiento de agua. Calcular las redes de distribución.


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EJEMPLO DE DISEÑO

1050

12000

1150

1175

1125

1100

1075

CAPTACION

RESERVORIO


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PARTES DE UN MANANTIAL

Cámara húmeda

Cámara seca


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DISEÑO HIDRAULICO DE UN MANANTIAL DE LADERA

1. Sistema de Gravedad Sin Tratamiento.2. Calculo de variaciones de consumo:Asumiendo t = 20 añosPf = Pa (1 + r x t)

Pf = 806 (1 + (2,5/100) x 20)Pf = 1 210 habQp = (Pf x Dot)/86 400 = (1 210 x 300)/86 400 = 4,20 L/sQmd = 1,3 Qp = 1,3 x 4,20 = 5,46 L/s = 0,006 m3/sQmh = 2,5 Qp = 2,5 x 4,20 = 10,50 L/s = 0,011 m3/s


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•Captación tipo manantial de ladera. Dimensionamiento Dato Qmax de la fuente

Calculo de la distancia entre el afloramiento y la cámara húmeda.Ecuación de Bernoulli entre los puntos 0 y 1


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Considerando los valores de Po, Vo, P1 y h1 igual a cero, se tiene:


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Donde:ho = Altura entre el afloramiento y el orificio de entrada (se recomienda valores de 0,40 a 0,50 m.)V1 = Velocidad teórica en m/s.g = Aceleración de la gravedad (9,81 m/s2).

(1)


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Mediante la ecuación de continuidad considerando los puntos 1 y 2, se tiene:

Q1 = Q2

Cd x A1 x V1 = A2 x V2

Siendo A1 = A2

V1 = V2/Cd (2)

V2 = Velocidad de pase (se recomienda valores menores o iguales a 0,6 m/s).Cd = Coeficiente de descarga en el punto 1 (se asume 0,8).


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h0 = 1,56 V22/Cd

Considerando: V2 = 0,60 m/s y Cd = 0,8, tenemos:

h0 = 1,56 (0,60)2/0,8 = 0,702 m

ho es definida como la carga necesaria sobre el orificio de entrada que permite producir la velocidad de pase.


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En la figura 1.2 se observa: ho = Hf + D/2

Donde Hf es la pérdida de carga que servirá para determinar la distancia entre el afloramiento y la caja de captación (L).Hf = H – D/2Hf = 0,30 x LL = Hf / 0,30

Remplazando tenemos:0,70 = D/2 +0,30 x L

D/2

ho


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Ancho de la pantalla (b)

Para determinar el ancho de la pantalla es necesario conocer

Diámetro

Numero de orificios

Qmáx. = V x A x CdQmáx. = A Cd (2 g h )1/2


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Q máx. = Gasto Máximo de la fuente en L/s.V = Velocidad de paso (se asume 0,50 m/s, siendo menor que el valor máximo recomendado de 0,60 m/s).A = Área de la tubería en m2Cd = Coeficiente de descarga (0,6 a 0,8).G = Aceleración de la gravedad (9,81 m/s2)h = Carga sobre el centro del orificio (m)

Qmáx. = A Cd (2 g h )1/2


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Numero de orificios

Considerando la carga sobre el centro del orificio el valor de A será:


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Asumiendo: Cd = 0,7 y V = 0,5 m/s

A = Qmáx / (Cd x V) = 0,006/(0,7 x 0,5) = 0,017 m2

D = (4A/π)1/2 = (4 x 0,017/π)1/2 = 0,15 m D1 = 5,91“D2 = 6”


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Cálculo del número de orificios:

NA = (D1/D2)2 +1 = (5,91/2,00)2 + 1 = 9,73 = 10

Número de orificios:

Se recomienda usar diámetros D ≤ 2”. Si se

obtuvieran D >, será necesario aumentar el número de orificios (NA), siendo:


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Cálculo del ancho de la cámara húmeda:

b = 9xD + 4xNAxD = (9 x 0,05) + (4 x 10 x 0,05) = 2,45 m

Para el cálculo del ancho de la pantalla, se asume que para una buena distribución del agua los orificios se deben ubicar como se muestra en la figura 1.3.Conocido el número de orificios y el diámetro de la tubería de entrada, se calcula el ancho de la pantalla (b) mediante la siguiente ecuación: b = 2(6D) + NA D + 3D (NA – 1) b = 9 x D + 4 NA x D


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DISEÑO HIDRAULICO DE UN MANANTIAL DE LADERA Altura de la cámara húmeda

Donde:A = Se considera una altura mínima de 10 cm. Que permite la sedimentación de la arena.B = Se considera el diámetro de salida.H = Altura de agua sobre la canastilla.D = Desnivel mínimo entre el nivel de ingreso del agua del afloramiento y el nivel de agua de la cámara húmeda (mínimo 5 cm.).E = Borde libre (mínimo 30 cm).

Ht = A + B + H1 + D + E


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Asumiendo: A = 0,10 m, D = 0,05 m, E = 0,30 mHt = 0,10 + B + H1 + 0,05 + 0,35 = 0,50 + B + H1 Tenemos: B = diámetro de la línea de conducciónH1 = 1,56 V2/2g

Donde V = Qmd/( πD2/4)

V = (4 x 0,006)/ π(0,15)2 = 0,34 m/seg H1 = 1.56 (0,34)2/2 x 9,81 = 0,01 m (Como H1 < 0,30 m se asume H1 = 0,30 m)

Ht = 0,50 + 0,30 + B = 0,80 + BSe recomienda


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Tubería de rebose y limpiaEn la tubería de rebose y de limpia se recomienda pendientes de 1 a 1,5% y considerando el caudal máximo de aforo, se determina el diámetro mediante la ecuación de Hazen y Williams (para C=140).

Donde:D = Diámetro en pulgadasQ = Gasto máximo de la fuente en L/sS = Pérdida de carga unitaria en m/m


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