UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN

FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL

APUNTES DE CLASE

CURSO:

ABASTECIMIENTO DE AGUA POTABLE Y ALCANTARILLADO DE AGUAS SERVIDAS

PROFESOR:

ING. JOSÉ PORTOCARRERO HUACO

AREQUIPA – PERÚ2006

ABASTECIMIENTO DE AGUA POTABLE Y ALCANTARILLADO DE AGUAS SERVIDAS

INDICE

PAG

1. LA POBLACIÓN 1

1.1 DOTACIÓN Y VARIACIONES 1

1.2 CLASES DE CONSUMO Y SERVICIO 1

1.3 CRECIMIENTO DE LA POBLACIÓN 2

2. FUENTES DE AGUA. 5

2.1 AGUAS PLUVIALES 5

2.2 CAPTACION DE AGUAS SUPERFICIALES 6

2.3 CAPTACION DE AGUAS SUBTERRÁNEAS: 6

2. 4 CALIDAD DE AGUA 8

3. CONDUCCION DE AGUA 9

3.1 PRESIONES NEGATIVAS 10

3.1.1 CAVITACIÓN 12

3.2 PRESIONES POSITIVAS 13

3.3 DIAMETRO MÁS ECONÓMICO 15

4. CONDUCCION DE AGUA POR LINEAS DE IMPULSION 16

4.1 MÁQUINAS HIDRÁULICAS: SUMINISTRO POR BOMBEO 16

4.2 ESQUEMA GENÉRICO DE UN SUMINISTRO POR BOMBEO

5. RESERVORIOS

6. RED DE AGUA POTABLE 20

6.1 CAUDAL DE DISEÑO DE AGUA POTABLE 20

6.2 DISEÑO HIDRÁULICO DE LA RED DE AGUA POTABLE 20

6.2.1 MÉTODO ANALÍTICO DE HARDY CROSS 20

6.2.2 MÉTODO COMPUTARIZADO LOOP 22

6.2.3 ESTUDIO DE VELOCIDADES PARA AGUA POTABLE 22

6.2.4 PRESIONES ADMISIBLES PARA AGUA POTABLE 23

1

6.2.5 VÁLVULAS DE INTERRUPCIÓN 24

6.2.6 HIDRANTES 25

6.2.7 PROFUNDIDAD MÍNIMA 25

7. ALCANTARILLADO PARA AGUAS SERVIDAS 25

7.1 RED DE ALCANTARILLADO DE AGUAS SERVIDAS 26

7.2 CALCULO HIDRÁULICO DE LA RED DE DESAGÜE 26

7.2.1 MÉTODO ANALÍTICO

26

7.2.2 MÉTODO COMPUTARIZADO

28

7.2.3 TIPO DE TUBERÍA

28

7.2.4 COEFICIENTE DE RUGOSIDAD ABSOLUTA 28

7.2.5 ESTUDIO DE VELOCIDADES 29

7.2.6 PENDIENTES 29

7.2.7 PROFUNDIDAD MÁXIMA Y MÍNIMA 29

7.2.8 BUZONES O CÁMARAS DE INSPECCIÓN 29

7.2.9 UBICACIÓN DEL ALCANTARILLADO 30

7.2.10PENDIENTES MINIMAS 30

7.2.11ESCURRIMIENTO EN TUBO PARCIALMENTE LLENO 31

7. BIBLIOGRAFÍA 33

8. ANEXOS 34

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PRESENTACIÓN

Los apuntes de clase del curso de Abastecimiento de Agua Potable y

Alcantarillado de Aguas Servidas, es concordante con la SUMILLA oficial de la

Facultad de Ingeniería Civil de la UNSA y con el contenido analítico del

SÍLABO.

La parte teórica, está basada en las tres leyes fundamentales de la hidráulica; es

decir, las ecuaciones de continuidad, las ecuaciones de la conservación de la

energía y las ecuaciones de la cantidad de movimiento, complementadas con las

ecuaciones de vertederos y orificios.

En particular, se pone mayor énfasis en afianzar los conocimientos de la

hidráulica de tuberías, para el diseño de líneas de conducción, redes de

distribución de agua potable, redes de colectores para desagüe, etc.

Ing. José Portocarrero Huaco. DOCENTE FIC-UNSA

3

ABASTECIMIENTOS DE AGUA POTABLE Y ALCANTARILLADO

1. LA POBLACIÓN

El factor mas importante para el abastecimiento de agua potable a una ciudad grande,

pequeña o rural, es la POBLACIÓN, pues constituye el objetivo del servicio; la población

es de capital importancia y hay que estudiarla como organismo, para obtener su demanda

de agua, sus variaciones de consumo en el tiempo, su crecimiento o decrecimiento de

población.

1.3 DOTACIÓN PERCAPITA DE AGUA Y VARIACIONES DE CONSUMO:

La demanda de agua se traduce en una dotación de agua por habitante y por día, que nos

permite elegir la dotación percápita adecuada en el reglamento.

Las variaciones de consumo en el tiempo, son las intensidades de consumo en diferentes

horas del día, días del mes o en los meses del año. Su estudio nos permite elegir en las

tablas del reglamento, la más adecuada.

La dotación de agua y las variaciones de consumo, son variables debido a factores como:

El estándar de vida de una población.

El clima.

Calidad y costo del agua

Tamaño de la población

Presión del agua

Eficiencia de la Administración

4

Medidores y controladores.

1.4 CLASES DE CONSUMO Y SERVICIO

La dotación de agua tienen diferentes porcentajes en la clasificación de su uso en una

ciudad, esta clasificación es de cuatro clases de consumo:

Consumo Doméstico.

Consumo Industrial y Comercial

Consumo Público

Consumo por pérdidas y fraude.

En cuanto al servicio, la población puede estar sujeta a diferentes clases de servicio, que

dependen del crecimiento de la población y de la infraestructura sanitaria instalada:

Servicio por conexiones domiciliarias

Servicio por Piletas Públicas

Servicio por tanques de agua.

1.3 CRECIMIENTO DE LA POBLACIÓN

Otro factor importante en el abastecimiento de agua, es el desarrollo futuro de la

población, que puede experimentar un crecimiento o un decrecimiento, se debe prever un

determinado números de años para los diseños de abastecimientos de agua potable;

tomando en cuenta este factor existe diferentes métodos para el cálculo de las poblaciones

futuras.

Estos métodos que a continuación se señalan, se basan en estadísticas del crecimiento

vegetativo, por inmigración interna o extranjera y por censos.

Para la aplicación de fórmulas designaremos:

P Población a calcular

p Población inicial

r Razón de crecimiento

5

t Tiempo futuro

to Tiempo inicial

Método Racional:

Es el más efectivo y lógico, usa el crecimiento vegetativo y por inmigración, con estos

coeficientes aplica la fórmula de capital a interés compuesto, llamado también método

geométrico.

Método Aritmético:

Este método representa una ecuación lineal, se le usa para poblaciones que están en pleno

crecimiento.

P = p + r (t – to)

Método de Interés Simple:

Se aplica la fórmula del capital a interés simple, se usa para poblaciones que están en el

límite de saturación.

P = [1 + r (t – to )]

Método Geométrico:

Este método usa la fórmula para el capital a interés compuesto, se usa para ciudades

jóvenes con industria rápidamente expansiva, condiciones que pueden existir cuando se

produce en tiempos cortos.

P = p (1 +r) (t-to)

Para el cálculo (t - to) se toma en décadas.

Método de Incremento Variable:

Se asume que el incremento de la población es variable y constante, para este método se

6

necesita mínimo tres datos, el intervalo de tiempo (n) en décadas, la fórmula es:

P = p + n + n (n+1)

2

Método Parábola de 2do. Grado:

Se aplica con la ecuación de segundo grado con intervalos de tiempo en décadas y de

preferencia los tres últimos datos de censos, la fórmula es:

P = A x2 + B x + p

Se aplica x = 10 años para P como población del segundo censo y “p” como población del

primer censo.

Luego x = 20 años para P como población del tercer censo y “p” como población del

primer censo.

Con las dos ecuaciones se obtiene A y B, datos para la ecuación de segundo grado en la

población buscada.

Método de la Parábola de Tercer Grado:

Se utiliza para periodos cortos y es necesario tener cuatro censos, la fórmula es:

P = A x3 + B x2 + C x + p

El procedimiento de cálculo es el mismo de la parábola de segundo grado, con tres

ecuaciones se obtiene A, l3 y C congo datos para la población buscada.

Método Gráfico:

Es un método muy impreciso. se efectúa sobre la base de una cuna de los censos y

siguiendo la tendencia de la curva hasta el año buscado.

Utilizando los ejes cartesianos, las abscisas con los años de los censos y en la ordenada

7

con la población.

Existen otros métodos de cálculo como: Normal Logístico, de los Mínimos Cuadrados,

Comparativo.

2. FUENTES DE AGUA.

La fuente de agua es tan importante como el estudio de la población; el agua para

abastecer a una población debe ser de buena calidad, debe tener cantidad para satisfacer la

necesidad actual y futura de la población, la industria. el comercio y el servicio público.

La fuente de agua no se encuentra libremente en la naturaleza, hay que buscarla en la

lluvia, el la superficie y en el subsuelo; posiblemente cerca o lejos de la ciudad; hay que

transportar el agua desde la fuente a la planta de tratamiento o a un almacenamiento y

fuego a la distribución.

Los tipos de fuente de agua pueden ser pluviales, superficiales y subterráneos.

2.1 AGUAS PLUVIALES

Para un abastecimiento se utiliza las aguas de lluvia, son las más puras que se pueden

encontrar en la naturaleza, al caer como lo hace desde una altura bastante grande, su

aireación es muy eficaz desapareciendo casi por completo el sabor desagradable del agua

destilada su pureza no es absoluta por los gérmenes que pueden estar flotando en la

atmósfera y también por el polvo e impurezas existentes en la superficie de recogida,

sobre todo de un período de sequía.

La superficie de recogida que normalmente se emplea es la de los techos de viviendas los

canales en los aleros y los bajantes en cornisas, deben ser cuidadosamente colocados y

con pendientes del uno por ciento hacia el punto donde arranca el bajante, su

almacenamiento puede hacerse en cisterna o tanque. Es conveniente no almacenar el agua

que cae durante los primeros momentos de la lluvia, ya que arrastra las impurezas

8

depositadas en las superficies que recolectan el agua.

Su cálculo se basa en la oferta de lluvia en la dotación de agua por persona, para

almacenar agua en la época de sequía. Su captación se muestra en la figura del ANEXO.

El abastecimiento con agua de lluvia, es utilizado en zonas rurales que tienen marcadas

épocas de lluvia y de sequía.

2.2 CAPTACION DE AGUAS SUPERFICIALES:

Las aguas superficiales se presentan en los ríos, arroyos y lagos, generalmente estas aguas

son las mas expuestas a contaminación y hoy en día no constituye inconveniente su

depuración para el abastecimiento de ciudades, pero para zonas rurales, resulta costoso y

de difícil ejecución.

La toma de agua en los ríos se instala por lo general en lugar alejado de la ciudad, y

siempre arriba de los mismos debido a que en las proximidades de la ciudad se vierten en

los ríos aguas residuales, industriales, a veces los habitantes lavan en el río la ropa y

abrevan el ganado; por lo tanto es importante su tratamiento para el uso humano. En los

ANEXOS se nuestras figuras de captación.

Las aguas de lagos y embalses provienen de aguas pluviales y de escorrentía que

desembocan en estos. Casi siempre contienen materias en disolución y en suspensión,

pero suele ser más limpia que la de los ríos. El agua de la superficie en los lagos se

calienta generalmente en verano por lo que la tubería de captación debe colocarse a

profundidad, para obtener agua cuya temperatura resulta fresca.

Los sistemas de captación en los ríos y lagos se muestran en el ANEXO

2.3 CAPTACION DE AGUAS SUBTERRÁNEAS:

Las aguas subterráneas proceden de la filtración en el terreno de las aguas de lluvia,

deshielos aguas de ríos de escorrentía, de lagos. Esta agua al penetrar en el sucio va

descendiendo por acción de la gravedad hasta alcanzar un estrato impermeable sobre el

cual discurre constituyendo una capa acuífera. Estas capas acuíferas pueden emerger

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espontáneamente sobre el terreno formando pantanos, (bofedal, cocha), manantiales; otras

veces hay que buscar el agua directamente en dichas capas por medio de pozos y galerías.

Los manantiales son generalmente agua más pura al atravesar terreno: que permiten su

filtración. Otros manantiales pueden atravesar terrenos que disuelven elementos químicos

otorgando manantiales con minerales no aptos como agua potable.

La captación de un manantial depende si brota de una ladera o de un terreno llano lo

importante es realizar la obra de captación que impida la posible contaminación del agua.

Los pozos son otro sistema de captación de agua subterránea los más usuales son los

llamados pozos abiertos o ordinarios que son accesibles que pueden tener diámetros hasta

de 3 metros. Estos pozos ofrecen excelente servicio por encontrarse cerca de las

viviendas. Al ser aguas de capas de poca profundidad acuífera pueden ser contaminadas

por aguas residuales, por líquidos procedentes de estercoleros, por fosas sépticas, etc.,

cuyas aguas penetran en el terreno y atraviesen las paredes de los pozos.

Cuando el agua se encuentra a mayor profundidad acuífera, la captación se hace con

pozos entubados generalmente hincados con martinete, llamados pozos abisinios o pozos

Norton.

Para estos pozos la extracción de agua se realizan con equipos de bombeo como se

muestran en las figuras del ANEXO.

Un caso particular cuando el agua del subsuelo asciende por su propia presión y sale al

exterior, en forma de surtidor, tenemos un pozo artesiano.

Las Galerías son muy convenientes en las cercanías de los ríos, en los pantanos (bofedal,

cocha) para captar las aguas subálveas. Para eso se construyen galerías o tuberías de

drenaje transversales al cause con una pared permeable mirando aguas arriba y el resto

con pared impermeable. Las tuberías que actúan como drenes poseen huecos y juntas

abiertas para captar las aguas, dando a las galerías o a los tubos una ligera pendiente hacia

el depósito de almacenamiento o líneas de conducción. En las figuras del ANEXO se

muestra una galería filtrante.

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Su cálcalo de la longitud ale la tubería o la malcría necesaria se calcula sobre la base (le la

cantidad de población que se va abastecer de agua y al régimen hidráulico que se obtiene

en la capa acuífera por metro lineal.

2. 4 CALIDAD DE AGUA

El agua potable para consumo humano debe tener propiedades químicas físicas y

bacteriológicas dentro de los parámetros que señalan las Normas Internacionales de Agua

Potable: debe ser un agua cristalina de sabor agradable y útil para usos domésticos, no

debe contener bacterias que producen enfermedades.

El que deba destinarse a un abastecimiento habrá de ser analizada previamente en un

laboratorio a fin de determinar su calidad y en especial. su potabilidad.

Sin embargo existen ensayos rápidos de las aguas siendo la más corriente el llamado

utilizado para apreciar la dureza del agua.

Se emplea para este ensayo el hidrotímetro, que se compone de un frasco de vidrio con

divisiones entre 10 a 40 centímetros cúbicos, y una bureta graduada en grados

hidrotimétricos.

El agua sometida a ensayo se vierte en el frasco hasta envasar la división de 40

centímetros y se llena la bureta con una solución de alcohólica de Jabón que se forma

disolviendo 100 gramos de .jabón blanco en 1 600 gramos de alcohol al 90 por 100. Se

vierte lentamente esta solución en el frasco agitando ésta hasta que se obtenga una

espuma persistente; se leen entonces los grados que ha descendido en la bureta la solución

los cuales corresponderán a los grados hidrotimétricos del agua ensayada.

Pueden considerarse buenas las aguas de 0 a 30 grados de hidrotimétricos: regulares, las

comprendidas entre 30 y 50 grados y no potables las que sobrepasan de 50 grados.El agua

de lluvia tiene ele 2 a 5 grados hidrotimétricos y el agua destilada 0°.

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Otro ensayo rápido para conocer si el agua es pura o no, es el siguiente: sé hecha unas

gotas de solución alcohólica de jabón en el agua que se desea examinar; Si ésta se vuelve

lechosa, es de mala calidad, en cambio, si permanece clara reúne buenas condiciones.

Los análisis físicos del agua, se pueden hacer en sitio, para tener una apreciación de su

calidad y estos son la temperatura, color, olor y sabor del agua.

La temperatura del agua usando un termómetro con escala graduada en décimas de grado.

La transparencia y el color del agua, se llena una probeta de vidrio y se observa a trabes

sobre una superficie blanca dispuesta como fondo. Se hace la comparación al mismo

tiempo con otra probeta idéntica llena de agua incolora.

Para la apreciación del olor, se huele primeramente el agua a la temperatura normal y

luego de calentarla a 40 grados durante algunos minutos, si no contiene ácido sulfhídrico,

los restantes olores se reconocen después de añadir al agua una pequeña cantidad de

sulfato de cobre.

El sabor se examina probando el agua a las temperaturas de 10 a 12 º C y de 30 a 35 °

C.En el laboratorio el análisis químico determinará, las dosis de amoníaco, hierro,

magnesio, cloro, etc. y también se procederá al análisis bacteriológico.

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3. CONDUCCION DE AGUA

Esencialmente el problema de un diseño de tuberías para la conducción de agua, consiste

en encontrar el diámetro más adecuado para transportar un gasto dado. La selección del

diámetro implica un estudio de:

a) Velocidades

b) Presiones

c) Costo

Las velocidades excesivas deben evitarse. No sólo pueden destruir la tubería por erosión,

sino también hay la posibilidad del golpe de ariete.

Las presiones pueden ser positivas o negativas.

3.1 PRESIONES NEGATIVAS - CAVITACIÓN

Siempre que la tubería queda por encima de la línea de gradiente o línea piezométrica,

hay presión negativa.

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En la figura se observa un estrechamiento en la tubería. Se produce aumento de la

velocidad y por consiguiente debe haber disminución de la presión. Si el estrechamiento

es muy grande, como el mostrado en la figura, la línea del gradiente queda por debajo de

tubería y se produce presión negativa.

En la figura siguiente, se observa una tubería que une dos estanques y que por alguna

razón, que podría ser de tipo topográfico, tiene un tramo alto que queda sobre la línea de

gradiente. A este sistema hidráulico se le denomina sifón. H es la carga.

La línea de gradiente está representada aproximadamente por la línea recta que une las

superficies libres de los estanques. (En realidad la línea de gradiente no es recta, pues la

tubería no lo es).

Todo el tramo de la tubería que está sobre la línea de gradiente tiene presión negativa. En

los puntos de intersección entre la línea de gradiente y la tubería, la presión es cero.

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Debe tenerse presente que hablamos de presiones relativas. Por lo tanto "presión cero"

significa "presión atmosférica" y "presión negativa" significa "presión menor que la

atmosférica".

En el tramo de tubería en el que la presión es menor que la atmosférica se libera el aire

contenido en el agua y si la velocidad no es suficientemente grande el aire queda retenido

en la parte superior de la tubería impidiendo la normal circulación del agua.

Si la presión disminuye mucho aparece vapor de agua y el problema se agrava. Por lo

tanto un sifón debe diseñarse de modo que la presión esté siempre por encima de la

correspondiente a la formación de vapor a la temperatura del agua.

Para el cálculo del sifón se aplica la ecuación de la energía entre A y C. Considerando en

este caso para mayor facilidad de cálculo presiones absolutas, se tiene:

Siendo:

V velocidad media en la tubería

P/ γ altura correspondiente a la presión absoluta

z sobre elevación del eje de la tubería en su punto más alto, con respecto al nivel de

la superficie libre en el reservorio de la alimentación.

hfAc pérdidas de carga entre A y C (continuas y locales según el caso)

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El máximo valor de z depende del valor que se admita para la presión absoluta en C. A

fin de evitar la discontinuidad en el escurrimiento por desprendimiento de vapor, esta

presión no debe ser inferior a la de vaporización del fluido a la temperatura de operación

del sistema. En C se debe tener un valor de la velocidad que sea lo suficientemente alto

como para arrastrar las burbujas de aire.

Se debe procurar que en el tramo ascendente de la tubería las pérdidas de carga sean

mínimas. Si hubiera que instalar una válvula de control debe hacerse en el tramo

descendente.

7.2.12 CAVITACIÓN

Se denomina cavitación al fenómeno de formación y desaparición rápida de burbujas

(cavidades) de vapor en el seno del líquido. Las burbujas se forman en las zonas de

reducción de presión. Al ser conducidas a zonas de mayor presión explotan provocando

un ruido característico.

En un sistema hidráulico debe evitarse la aparición de cavitación por las siguientes

razones:

La cavitación significa una discontinuidad en el escurrimiento y por lo tanto una

reducción de la eficiencia de conducción.

La cavitación significa inestabilidad en el escurrimiento y puede dar lugar a ruido o

vibraciones.

La ruptura de las burbujas produce tensiones muy fuertes que pueden conducir a la falla

estructural de la tubería.

La posibilidad de cavitación se describe por medio de un parámetro adimensional

denominado parámetro de cavitación:

Donde: p es la presión absoluta en el punto considerando, pv es la presión absoluta de

vaporización del líquido a la temperatura existente, p es la densidad del líquido y V es la

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velocidad media.

Se observa que el parámetro de cavitación es una forma del Número de Euler.

La presión absoluta de vaporización varía, como es sabido, con la temperatura. Hay

curvas y gráficos que expresan la presión absoluta de vaporización en función de la

temperatura. Sin embargo debe tenerse en cuenta que el agua contiene impurezas, sales,

que obligan a aceptar valores prácticos diferentes. Para temperaturas normales se acepta

que la presión absoluta de vaporización del agua es del orden de 0.2 a 0.3 Kg. /cm2.

3.2 PRESIONES POSITIVAS

Tampoco se puede aceptar cualquier presión positiva. Las tuberías, según el material de

que están hechas, soportan determinadas presiones. La máxima presión admisible forma

parte de la descripción técnica de una tubería.

El costo es muy importante. Las condiciones a y b pueden satisfacerse con más de un

diámetro. Debe escogerse el más económico. Este concepto será analizado más adelante.

Por cierto que en el diseño de una conducción debe tenerse en cuenta los diámetros

comerciales disponibles. Hay otros factores que intervienen como calidad de agua, etc.,

que escapan a los alcances de este curso.

Examinemos el caso genérico de la figura. La tubería AB une los dos estanques. Se trata

de determinar el diámetro que debe tener, conociendo la carga disponible H y el gasto Q.

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El dibujo muestra el perfil de la tubería de acuerdo al terreno sobre el que debe apoyarse.

Se ha trazado aproximadamente la línea de gradiente hidráulica (sobre la hipótesis de

diámetro uniforme entre A y B). Se anticipa la presencia de presión negativa en N y quizá

una presión muy fuerte en M (positiva).

La inclinación de la línea de gradiente sería:

Siendo H la diferencia de nivel entre los estanques y L la longitud total de la conducción,

supuesta de diámetro uniforme.

Se puede fácilmente verificar la intensidad de las presiones en M y N. Si fueran muy

grandes habría que utilizar un diámetro diferente para cada tramo y constituir un sistema

de tuberías en serie.

Ahora la línea de gradiente aparece quebrada. La conducción está formada por varios

tramos. Se evita se las presiones positivas muy grandes y las presiones negativas

excesivas.

3.3 DIAMETRO MÁS ECONÓMICO

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Cuando se diseña una conducción por tubería no hay solución única. Tanto un diámetro

como otros pueden satisfacer las condiciones hidráulicas. De todos los diámetros

posibles, que desde el punto de vista puramente hidráulico constituyen soluciones, hay

uno que es el diámetro más económico.

Se entiende por "diámetro más económico" aquel para el cual resulta mínima la suma de

los costos de adquisición, instalación, operación y servicios del sistema.

Si se trata, por ejemplo, de una conducción por bombeo el problema puede ser más

complejo, pues hay que empezar por examinar el número de tuberías, en paralelo o en

serie, que conformarán la conducción. Por razones de seguridad en el servicio puede

convenir tener más de una tubería conformando así un sistema en paralelo. Un análisis

nos dirá cual es la solución más económica.

En una instalación por bombeo los costos principales son:

a) Adquisición e instalación de la tubería. Este costo aumenta con el diámetro. A mayor

diámetro, mayor costo.

b) Instalación y operación del equipo de bombeo. Este costo es inversamente

proporcional al diámetro.

Los diámetros pequeños representan una gran pérdida de carga y por consiguiente

requieren de gran potencia. Con los diámetros grandes ocurre lo inverso.

Para la obtención del diámetro más económico de una conducción por bombeo

normalmente los datos están constituidos por:

Diámetros disponibles en el mercado.

Costo de las tuberías

Gasto requerido

Coeficientes de rugosidad de las tuberías

Costo del KW hora

Tiempo de amortización

Interés

Costo de la bomba y el motor, etc.

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El procedimiento de cálculo es el siguiente:

a) Escoger tentativamente un diámetro.

b) Calcular la pérdida de carga hf.

c) Calcular la energía necesaria.

d) Calcular la potencia necesaria.

e) Calcular el costo anual de la potencia necesaria.

f) Calcular el costo del motor y de la bomba.

g) Calcular el costo de la tubería (teniendo en cuenta el diámetro y espesor requeridos).

h) Calcular el costo de la inversión inicial: tubería, motor y bomba y luego determinar la

amortización (en base al número de años útiles del sistema).

i) Determinar el costo total por año sumando la amortización anual de la inversión

inicial (h) más el costo anual de la potencia (e).

Si el procedimiento anterior se repite para varios diámetros diferentes se encontrará

finalmente el diámetro más económico.

Evidentemente que lo que más conviene es usar un programa de computación para

obtener del modo más rápido el "diámetro más económico".

4. CONDUCCION DE AGUA POR LINEAS DE IMPULSION

4.1 MÁQUINAS HIDRÁULICAS: SUMINISTRO POR BOMBEO

Las máquinas hidráulicas son de dos tipos: bombas y turbinas. Las bombas aportan

energía. Las turbinas absorben, toman energía. Las bombas están accionadas por un

motor. Las turbinas están accionadas por la fuerza de la corriente líquida.

La presencia de una bomba significa una elevación de la línea de energía.

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El aumento en la energía de la corriente depende del gasto,

del peso específico del fluido y de la potencia:

E1, es la energía inmediatamente antes de la bomba y E2 es la energía inmediatamente

después).

Para el caso de una turbina cambia el signo de la expresión anterior. Vale decir que en

una turbina se usa la energía de la corriente para producir potencia. Se aprovecha la

energía de elevación para obtener energía mecánica.

Si de un estanque sale una tubería que descarga por medio de un chorro libre, este chorro

tiene una potencia que es aprovechable. La potencia es un trabajo por unidad de tiempo.

La altura de velocidad del chorro, obtenida a partir de su velocidad de salida Vs, es un

trabajo por unidad de peso del fluido. Luego, la potencia del chorro, tal como lo vimos en

el apartado anterior, es igual al producto del gasto por el peso específico del fluido y por

la altura de velocidad.

Se llama rendimiento de una bomba a la relación entre la energía útil aportada a la

corriente y la energía que acciona la bomba.

La eficiencia de una turbina es la relación entre la energía útil que se obtiene y la energía

tomada de la corriente.

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4.2 ESQUEMA GENÉRICO DE UN SUMINISTRO POR BOMBEO

En esta figura se presenta esquemáticamente el caso más general de un suministro por

bombeo de M a N. B representa una bomba. En M el líquido está confinado y sometido a

una presión po. El tramo 0-1 (M-B) se denomina de aspiración (succión). El tramo 2-3

(B-N) se denomina de impulsión. Las alturas correspondientes se llaman de succión y de

impulsión. En la figura el líquido descarga por medio de un pitón (boquilla) en un

recipiente N, que está a presión.

Si aplicamos la ecuación de la energía a la tubería de succión entre 0 y 1 se obtiene:

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El último término representa la suma de las pérdidas de carga (continuas y locales, según

el caso) entre 0 y 1. La presión p1 debe ser lo suficientemente grande como para que no

se produzca cavitación en la bomba.

De un modo similar se aplica la ecuación de la energía a la tubería de impulsión entre 2 y

3. Obsérvese que el diámetro de ambas tuberías, succión e impulsión, no es

necesariamente igual.

Comparando ambas ecuaciones de energía se obtiene cual debe ser la energía

suministrada por la bomba:

Reemplazando y simplificando

Si los recipientes M y N estuvieran en contacto con la atmósfera (po = p3 = 0) la ecuación

anterior se reduce a:

Esta expresión representa la energía que debe suministrar la bomba. Evidentemente que

es la energía necesaria par establecer el flujo.

La potencia teórica de la bomba en HP debe ser:

Si introducimos el coeficiente η de eficiencia de la bomba entonces la potencia es:

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5. RESERVORIOS

Es una estructura que forman parte del esquema hidráulico de un sistema de agua potable, la cual cumple las siguientes funciones:

Hidráulicamente, constituirse en una cámara de carga para mantener las presiones hidráulicas de servicio a lo largo de la línea de aducción y la red de distribución de agua potable.

Compensar las variaciones horarias durante el consumo diario de agua potable de la población, y

Mantener almacenado cierta cantidad de agua para emergencias, tales como incendios, falla de bombas, entre otras.

TIPOS DE RESERVORIOS

Los reservorios pueden ser de tres tipos:

a) Enterrados (para almacenamiento de agua potable)b) Apoyados (para distribución de agua potable)c) Elevados (para distribución de agua potable)

DISEÑO HIDRÁULICO DEL RESERVORIO

El diseño hidráulico del reservorio está referido a la determinación del volumen total de almacenamiento del mismo, el cual está conformado de tres partes: volumen de regulación, volumen de agua contra incendio y volumen de reserva.

VAlmacenamiento = VRegulación + VC Incendio + VReserva

VOLUMEN DE REGULACIÓN

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El volumen de regulación, se obtiene en forma analítica del diagrama masa de los consumos horarios de agua potable y, cuando no se tiene datos de dichos consumos se puede obtener como un porcentaje del consumo promedio diario anual de la demanda (25 %).

VOLUMEN DE RESERVA

VRes. = 25 % (Vol. Total)

VRes. = 1/3 ( VRegulación + VC Incendio )

VOLUMEN CONTRA INCENDIO Se considera 1 grifo con dos bocas para un tiempo mínimo de 2 horas

Capacidad del grifo: 10 l/s.

DISEÑO ESTRUCTURAL

Para el diseño estructural del Reservorio, se requiere del Estudio de Mecánica de Suelos, el cual forma parte de los Estudios Básicos de Ingeniería.

6, RED DE AGUA POTABLE

6.1 CAUDAL DE DISEÑO DE LA RED DE AGUA POTABLE

Según el R.N.E. y las Normas Internas de SEDAPAR, para determinar el caudal de diseño de la red de distribución, se aplica el criterio del gasto coincidente; es decir, el caudal que resulte mayor al comparar el caudal máximo horario, con la suma del gasto máximo diario mas el gasto de agua contra incendio.

Para poblaciones menores de 10 000 habitantes, no se considera agua contra incendio y, para poblaciones mayores de 10 000 habitantes, si se considera agua contra incendio; sin embargo, para poblaciones ubicadas dentro del núcleo urbano de la ciudad, se debe incluir siempre agua contra incendio, aunque se trate de poblaciones pequeñas.

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6.2 DISEÑO HIDRÁULICO DE LA RED DE AGUA POTABLE

Para el diseño hidráulico de la red de agua potable, existe el método analítico de HARDY CROSS y, métodos computarizados como el WATERCAD.

6.2.1 Método analítico de Hardy Cross

Consiste en establecer el equilibrio de las pérdidas de carga después de presuponer una distribución de caudales para cada circuito

Para el cálculo analítico de la red, se utiliza la fórmula de Darcy-Weisback (flujo turbulento)

Siendo la pérdida de carga en la tubería de longitud L y de diámetro interior D,

para una velocidad media V. El coeficiente de rozamiento f es una magnitud sin

dimensiones, se obtiene mediante el Diagrama de Moody.

El procedimiento a seguir es el siguiente:

1) Se consideran circuitos cerrados de tuberías.

2) Se distribuye el gasto en los ramales de cada circuito (Qo), con signo positivo los

que toman el sentido de las agujas del reloj al considerar como eje el centro del

circuito y negativos en caso contrario (las pérdidas de carga llevarán el signo del

gasto).

3) El error cometido es:

2.0 para Darcy y 1.85 para Hazen y Williams

4) El gasto corregido será: Q = Qo + e

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5) Si el error es relativamente grande, se corregirá nuevamente hasta conseguir una

corrección menor del 1%.

6) Para las tuberías que pertenecen a 2 circuitos, se deben aplicar correcciones por

doble concepto, para lo cual se pasa las correcciones de un circuito a otro y

viceversa con signo cambiado y luego se suman algebraicamente.

6.2.2 Método computarizado WATERCAD

Para el programa WATERCAD, la red se idealiza por tramos de tuberías y nudos. Dichos

nudos corresponden a la unión de tramos de tuberías y representan a los puntos de salida

de la demanda de agua.

El programa WATERCAD, utiliza el algoritmo de Hardy Cross, para determinar las

correcciones del flujo, que son asumidos inicialmente en los tramos de las tuberías. La

corrección del flujo se basa en el principio de continuidad en cada nudo, siendo la suma

de las pérdidas de carga hidráulica en cada circuito cerrado igual a cero.

Los datos requeridos para ejecutar el WATERCAD, incluye la descripción de los

elementos de la red tal como la longitud de las tuberías, diámetros, coeficientes de

fricción, caudales, elevación del terreno en los nudos y descripción de la geometría de la

red. Del programa se obtiene la salida de flujos y velocidades en los tramos de tuberías y

además las presiones en los nudos.

Al final de la memoria, se presentan los esquemas de los circuitos de la red de agua

correspondiente a las dos simulaciones (máximas y mínimas presiones) y, seguidamente

6.2.3 Rugosidad absoluta para tuberías de agua

Para el diseño hidráulico de y redes de distribución de agua y, las líneas de conducción y

aducción en tuberías nuevas, se ha utilizado como rugosidad absoluta ε = 0,0015 mm,

según se muestra en el siguiente cuadro:

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Typical Roughness ValuesTypical pipe roughness values are shown below. Of course, these values may vary depending on the manufacturer,workmanship, age, and many other factors.

6.2.4 ESTUDIO DE VELOCIDADES PARA AGUA POTABLE

Las velocidades mínimas son adoptadas de acuerdo a los materiales sólidos en

suspensión, en ningún caso será menor de 0,6 m/s para evitar la sedimentación por poca

velocidad de arrastre.

Las velocidades máximas recomendadas para tuberías PVC, que son las utilizadas en el

proyecto, no deben ser mayores de 3,0 m/s según normas, para evitar la erosión de las

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superficies de las tuberías por velocidades excesivas y las sobre presiones por el Golpe de

Ariete.

6.2.4 PRESIONES ADMISIBLES PARA AGUA POTABLE

Según Reglamento RNE, las presiones máximas serán de 50 mca y las presiones mínimas

de 15 mca.

EJEMPLO PARA EL RESERVORIO R-31 DE SEDAPAR

Para el cálculo de las presiones máximas y mínimas, se ha tenido en cuenta las

elevaciones y características del reservorio R-31 proporcionado por SEDAPAR y de la

topografía de la urbanización "Villa San José".

RESERVORIO R-31

Cota máxima del nivel de agua : 2 332,15 msnm

Cota mínima del nivel de agua : 2 329,23 msnm

Nivel del Terreno : 310,50 msnm

Capacidad : 212,00 m3

Diámetro : 8,00 m

La cota mínima del nivel de agua del reservorio se obtiene cuando queda solamente el

volumen de reserva, por lo tanto se calcula restándole al nivel superior del agua la altura

correspondiente al volumen de regulación y contra incendio.

TOPOGRAFÍA DE LA URBANIZACION "VILLA SAN JOSÉ"

Cota máxima de la rasante de vías : 2 303,50 msnm.

Cota mínima de la rasante de vías : 2 295,20 msnm

PRESIÓN MÁXIMA DE SERVICIO DE AGUA POTABLE

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El criterio adoptado para determinar las presiones admisibles en la red de distribución de

agua potable, está consignado en el Reglamento Nacional de Edificaciones - Norma IS-

010, para poblaciones urbanas, donde se establecen las presiones máximas y mínimas de

50 y 15 metros de columna de agua (mca) respectivamente.

Para la presión máxima se ha tenido en cuenta la cota más baja de la red de agua de la

urbanización (un metro menos de la rasante de vía), y la cota máxima del nivel de agua en

el reservorio R-31(ver resultados del programa LOOP).

Cota máxima del nivel de agua : 2 332,15 msnm

Cota mínima de la red de agua : 2 294,20 msnm

Presión máxima (sin pérdidas de carga) : 37,95 mca

Según el R.N.E., la presión máxima admisible no debe ser mayor de 50 mca, por lo tanto

la presión calculada de 37,95 mca cumple con la norma.

PRESIÓN MÍNIMA DE SERVICIO DE AGUA POTABLE

Se calcula teniendo en cuenta la cota más alta de la red de agua de la urbanización (un

metro menos de la rasante de vía), y la cota mínima del nivel de agua en el reservorio.

Cota mínima del nivel de agua : 2 329,23 msnm.

Cota máxima de la red de agua : 2 302,50 msnm.

Presión mínima (sin pérdidas de carga) : 26,73 mca

Según el R.N.E., la presión mínima admisible no debe ser menor de 15 mca, por lo tanto

la presión calculada de 26,73 mca cumple con la norma (ver resultados del programa

WATERCAD).

5.2.5 VÁLVULAS DE INTERRUPCIÓN

La red de distribución deberá estar provista de válvulas de interrupción en cantidad y

distribución tal que permita aislar sectores de red de 500 m de longitud como promedio.

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En casos especiales y justificados se podrá permitir el aislamiento de zonas de mayor

extensión. En lo posible deberá hacerse una distribución homogénea de las válvulas,

ubicándose en la proyección de la línea de propiedad.

5.2.6 HIDRANTES

El caudal de agua contra incendio para el diseño de la red de distribución será de 10 l/s

en un hidrante.

Los hidrantes se ubicarán de tal forma que el distanciamiento entre ellos no sea mayor de

250 m e irán en tuberías DN 110 mm.

5.2.7 PROFUNDIDAD MÍNIMA

En el caso de vías vehiculares, las tuberías deben proyectarse con un recubrimiento

mínimo de 1,00 m sobre la clave de la tubería.

6. ALCANTARILLADO PARA AGUAS SERVIDAS

Esta formado por una serie de conductos subterráneos cuyo objeto es eliminar por

transporte hidráulico las substancias inconvenientes que pueden ser acarreados o

conducidos por el agua. Pueden ser de dos tipos:

Desagües Sanitarios

Sirven para eliminar las descargas domésticas e industriales y basura.

Desagües Pluviales

Sirven para eliminar las aguas provenientes de las lluvias.

Sistemas de Alcantarillado: Pueden ser unitarios o separativos

Unitario.- Funciona tanto el desagüe sanitario y el desagüe fluvial.

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Separativo.- El desagüe sanitario y el desagüe pluvial funcionan independientemente.

Los sistemas de alcantarillado trabajan por gravedad o bajo las condiciones de flujo

gradualmente variado no uniforme.

6.1 RED DE ALCANTARILLADO DE AGUAS SERVIDAS

a) Alcantarillado de Servicio Local

Es el que está constituido por las tuberías que reciben conexiones prediales. Se admitirán

conexiones prediales únicamente hasta con tuberías de 400 mm. (16") de diámetro. El

diámetro mínimo será de 200 mm. (8").

b) Colectores

Son los constituidos por tuberías que reciben las descargas de aguas servidas por el

alcantarillado de servicio local. En los colectores no se podrá realizar conexiones

prediales.

c) Emisores

Serán los constituidos por las líneas conductoras de las aguas servidas, hasta la

disposición final o hasta la instalación de tratamiento.

6.2 CALCULO HIDRÁULICO DE LA RED DE DESAGÜE

6.2.1 MÉTODO ANALÍTICO

Las fórmulas que se recomiendan emplear para el cálculo hidráulico son las de Darcy-

Weisbak y Cólebrook y, también las de Ganguillet y Kutter y las de Manning. Para los

dos últimos casos, se tomarán los siguientes coeficientes:

N

Cerámica vitrificada 0,010

Asbesto cemento 0,010

Plástico P.V.C 0,010

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Concreto y F° F° 0,013

Acero 0.015 0,015

CAUDAL DE DISEÑO

Se considera que el 80% del caudal de agua potable consumida ingresa al sistema de

alcantarillado. Para los efectos de la capacidad de diseño de dicho sistema, el porcentaje

anterior se aplicará al caudal máximo horario, de agua potable (Qmh).

El agua de infiltración a los sistemas de alcantarillado está en relación ha: Los terrenos

saturados de aguas freáticas, la permeabilidad del suelo y la clase de tuberías a emplearse.

En estos casos deberá justificarse la evaluación del volumen de infiltración.

El agua de lluvias que pueda incorporarse ala caudal del sistema de alcantarillado, deberá

establecerse a base de su ingreso por las cámaras de inspección y por el drenaje

correspondiente a las conexiones prediales.

En general: 0.0002 lt. /seg. / mt < qi < 0.0008 lt / s / mt.

El dimensionamiento del sistema de alcantarillado se hará para la conducción de los

caudales máximos con una altura de flujo de 75% del diámetro de la tubería, para los

emisores y el 50 % para los colectores..

La velocidad mínima de escurrimiento será de 0.6 m/s para el flujo correspondiente al

50% del caudal máximo. Las velocidades máximas admisibles según el tipo de material

de la tubería serán las siguientes:

Cerámica vitrificada 5 m/s

Asbesto Cemento y P.V.C 3 m/s

Fº Fº y acero 5 m/s

Concreto 3 m/s

Los 300 mts iniciales de las líneas de alcantarillado deberán diseñarse con una pendiente

mínima de 1%.

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7.3 MÉTODO COMPUTARIZADO

Para el diseño hidráulico de la red de desagüe, se ha utilizado la hoja de cálculo basada en

la fórmula de Cólebrook, por adaptarse mejor a las condiciones del proyecto, ya que

según el autor ha sido desarrollada para flujos en zonas de transición de tuberías

comerciales, situadas entre las regiones de las tuberías lisas (flujo laminar) y de la

turbulencia completa (tuberías rugosas).

Mediante los cálculos se determinan las características hidráulicas del flujo en cada tramo

de la red, obteniéndose resultados que estén dentro de los parámetros establecidos.

Para tal efecto, las tuberías de los colectores se diseñan para la conducción del caudal

máximo, con un tirante que no debe exceder del 50 % del diámetro de la tubería y para el

emisor con un tirante no mayor del 75 % del diámetro de la tubería.

En ningún caso trabajará el sistema a presión. Asimismo, el diámetro mínimo de los

colectores es de 200 mm y el caudal de cada tramo se calcula aplicando el criterio del

caudal específico o caudal por unidad de longitud.

7.3.1 TIPO DE TUBERÍA

Para la Red de Desagüe se considera tuberías PVC, según Norma NTP-ISO 4435, con un

diámetro mínimo de 200 mm.

7.3.2 COEFICIENTE DE RUGOSIDAD ABSOLUTA

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Para la aplicación de la fórmula de Colebrook, se ha utilizado un coeficiente de

rugosidad absoluta de K = 0,91 mm para tubería nueva, según el fabricante, valor que ha

sido utilizado en el diseño hidráulico de la red.

7.3.3 ESTUDIO DE VELOCIDADES

El estudio de las velocidades, está directamente relacionado con el tipo de material de la

tubería utilizada en el proyecto. Las tuberías del sistema de desagüe son diseñadas

manteniendo velocidades de flujo mínimo de 0,6 m/s para evitar la sedimentación por

poca velocidad de arrastre y para las velocidades máximas se ha considerado 3,0 m/s que

es lo mas recomendable para el material utilizado, con lo cual se evitaría la erosión por

velocidades excesivas.

7.3.4 PENDIENTES

La pendiente mínima admisible en las tuberías de la red de colectores, será la que

proporcione la velocidad necesaria para evitar la sedimentación, en todo caso la velocidad

no debe ser menor de 0,60 m/s.

De no conseguirse condiciones de flujo favorables debido al pequeño caudal evacuado, en

los 300 m iniciales de cada colector se deberá mantener una pendiente mínima de 10 por

mil.

7.3.5 PROFUNDIDAD MÁXIMA Y MÍNIMA

La profundidad máxima para la instalación de las tuberías de los colectores de desagüe, es

de 3,00 m . Según Normas, se sabe que para colectores situados a profundidades mayores

de 4,50 m, se proyectarán colectores auxiliares para las acometidas o conexiones

domiciliarias.

La profundidad mínima para la instalación de las tuberías de desagüe, es de 1,20 m sobre

la generatriz o clave superior del tubo, con el fin de soportar convenientemente las

sobrecargas y efectos de impacto que puedan presentarse debido al tráfico o paso de

vehículos.

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7.3.6 BUZONES O CÁMARAS DE INSPECCIÓN

Los buzones o cámaras de inspección se instalarán en los siguientes casos:

-En el inicio de todo colector.

-En todos los empalmes de colectores.

-En los cambios de dirección.

-En los cambios de pendiente.

-En los cambios de diámetro.

-En los cambios de material de la tubería y

-En todo lugar donde sea necesario para inspección y limpieza.

En los buzones de más de 2 m de profundidad, se pueden aceptar tuberías que no lleguen

al nivel de fondo del buzón (buzón con caída), siempre y cuando su cota de llegada sea de

0,50 m o más sobre el fondo del buzón.

Cuando la caída sea mayor de 1 m se emplearán dispositivos especiales de caída, que

pueden ser pantallas disipadoras de energía o codos sanitarios.

Para el proyecto se considera buzones estándar de forma circular de 1,20 m de diámetro, de

concreto simple o concreto armado, según la profundidad.

En el techo llevan una tapa de 0,60 m de diámetro de concreto armado con anillo

perimetral de acero, para el acceso al interior del buzón.

7.3.7 UBICACIÓN DEL ALCANTARILLADO

El alcantarillado de servicio local se proyectará a una profundidad que asegure satisfacer

la más desfavorable de las condiciones siguientes:

Relleno mínimo, lmt sobre la superficie exterior del tubo.

Que permita drenar todos los lotes que dan frente a la calle, considerando que por lo

menos las 2/3 partes de cada uno de ellos en profundidad pueda descargar por gravedad

partiendo de 0.30 mt por debajo del nivel del terreno y con una línea de conexión al

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sistema de alcantarillado de 1.5% de pendiente mínima.

7.3.8 PENDIENTES MINIMAS

Las pendientes mínimas de diseño de acuerdo a los diámetros y para las condiciones de

tubo lleno serán aquellos que satisfagan la velocidad mínima de 0.60 mt/seg.

7.3.9 ESCURRIMIENTO EN TUBO PARCIALMENTE LLENO

Es frecuente el caso de un conducto llevando un fluido que no ocupa totalmente la

sección transversal.

Es el caso de una tubería de desagüe o una alcantarilla. Se presenta también en un túnel

que no trabaje a presión.

Examinemos el caso de un tubo circular parcialmente lleno

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Mediante simples consideraciones geométricas se puede determinar el área, perímetro y

demás elementos de la sección transversal. Sin embargo los cálculos se pueden

simplificar con el gráfico "Características geométricas de la Sección circular" que nos da

para cada valor de la relación y/D el correspondiente valor del área, perímetro, tirante

hidráulico y radio hidráulico.

La tubería que trabaja parcialmente llena se caracteriza por la posibilidad de tener una

velocidad media y un gasto mayor a los que corresponderían a tubo lleno.

En la fig. 61 se muestra el gráfico de Elementos Hidráulicos Proporcionales que sirve

para aligerar los cálculos de tubos circulares trabajando parcialmente llenos (como

canales).

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7. BIBLIOGRAFÍA

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Universidad Nacional de Ingeniería. Lima - Perú 1991.

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Redes de Agua Potable y Redes de Alcantarillado". Facultad de Ingeniería Ambiental

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