ALCANTARILLADO SANITARIOEs el sistema de recoleccin diseado para evacuar exclusivamente aguas residuales domsticas e industriales de una poblacin.Una rpida y segura recoleccin, transporte, tratamiento y disposicin final de las aguas residuales es uno de los objetivos para dotar de infraestructura urbana a la comunidad. Pero a lo largo del tiempo debido al crecimiento poblacional, se observa que aumenta el volumen de desechos producidos y disminuye porcentualmente la cobertura de servicios apropiados.En los pases en desarrollo, son diversas las explicaciones por la falta de atencin con sistemas adecuados de alcantarillado sanitario.En el caso de Bolivia, los elevados costos para su construccin, operacin y mantenimiento y la falta de recursos para el sector saneamiento bsico dificultan la inmediata solucin.Es as, que se deben buscar alternativas para atender la demanda de servicios de saneamiento y salud pblica por la viabilidad tcnica y econmica de soluciones que reduzcan los costos y simultneamente mantengan su eficiencia. Para el efecto, y como ser demostrado en el presente trabajo, es necesario aplicar modernas tcnicas de diseo en atencin a las Normas y Reglamentos vigentes en nuestro pas y garantizar la sostenibilidad de los sistemas

Componentes.1.- Colector secundario.- Colector domiciliario de dimetro menor a 150 mm (6) que se conecta con un colector principal.

2.- Colector principal.- Capta el caudal proveniente de dos o ms colectores secundarios domiciliarios.

3.- Interceptor.- Colector que recibe la contribucin de varios colectores principales, localizados en forma paralela y a lo largo de las mrgenes de quebradas y ros o en la parte ms baja de la cuenca.

4.- Emisario final.- Colector que tiene como origen el punto ms bajo del sistema y conduce todo el caudal de aguas residuales a su punto de entrega, que puede ser una planta de tratamiento o un vertimiento a un cuerpo de agua como un ro, lago o el mar. Se caracteriza porque a lo largo de su desarrollo no recibe contribucin alguna.

CAUDALES DE APORTE

Considerando los diferentes coeficientes que intervienen en la determinacin de los caudales de aporte que concurren a las redes de alcantarillado sanitario, las ecuaciones que determinan los caudales de aporte son:

Caudal medio diario de aguas residuales

El caudal medio diario de aguas residuales, el cual se define como la contribucin durante un perodo de 24 horas, obtenida como el promedio durante un ao. Cuando no se dispone de datos de aportes de aguas residuales, lo cual es usual en la mayora de los casos, se debe cuantificar este aporte en base al consumo de agua potable obtenido en el diseo del sistema de agua potable.

Qm = 86400 Cr( 4.1 ) Donde:P d

Qm = Caudal de aguas residuales domsticas ( L/s ) Cr = Coeficiente de retorno o aported= Consumo de agua potable (dotacin) (L/Hab/dia) P = Poblacin (Hab.)

Coeficiente de retorno ( Cr )

Este coeficiente toma en cuanta el hacho de que no toda el agua consumida dentro del domicilio es devuelta al alcantarillado, por razn de sus mltiples usos como riego, lavado de pisos, cocina y otros. Se puede establecer, entonces, que slo un porcentaje del total del agua consumida es devuelta al alcantarillado. Este porcentaje es denominado coeficiente de retorno o aporte, el que estadsticamente flucta entre 60% a 80%.

Consumo de agua potable (Dotacin d)

El consumo de agua potable o dotacin, se establecer o adoptar de manera que ser suficiente para abastecer los usos para los cuales fue contemplado y depender de:

-Oferta de agua ( capacidad de la fuente ) -Aspectos socio-culturales.-Aspectos econmicos.-Opcin tcnica y nivel de servicio (piletas pblicas, conexiones domiciliarias, etc)-Condiciones de operacin y mantenimiento. -Prdidas en el sistema.-Otros usos de la fuente: riego, ganadera, etc.

Se tomarn en cuenta los valores de la tabla 4.1 en funcin al clima y al nmero de habitantes considerados como poblacin de proyecto.

Poblacin ( P )

Es la poblacin que ocupa el rea de aporte en cada tramo de la red de alcantarillado sanitario.Esta poblacin se puede obtener mediante la siguiente expresin:

P = D A ( Hab.)( 4.2 )

Donde:D = Densidad de poblacin ( Hab. / Ha) A = Area de aporte ( Ha. )

Densidad de poblacin ( D )

Es el nmero de personas que habitan en una extensin de una hectrea. Un estudio de densidad de poblacin debe reflejar su distribucin de manera zonificada, la densidad actual y la mxima densidad esperada, con este ltimo valor se debe hacer la determinacin de la poblacin.

Tabla 4.1 Dotacin media diaria.

DOTACION MEDIA ( L/hab/dia)

ZONASHasta 500hab.

POBLACIN

De 500 De 2000 De 5000 a a a 2000 5000 20000

De 20000 Mas de a 100000100000hab.

ALTIPLANICA

DE LOS VALLES

DE LOS LLANOS

30 5030 70

50 7050 90

70 9070 110

50 8080 100

70 100 100 140

90 120 120 180

100 150

150 200

200 250

150 250

200 300

250 350

Area de drenaje ( A )

La determinacin del rea de drenaje debe hacerse de acuerdo con el plano topogrfico de la poblacin de estudio y el trazado de la red de colectores. El rea de drenaje que influye en cada colector se debe obtener trazando las diagonales o bisectrices sobre las manzanas de la poblacin., como se muestra en la figura 4.1

Caudal mximo horario de aguas residuales

El caudal de diseo de la red de colectores debe corresponder al caudal mximo horario. Este caudal se determina a partir de factores de mayoracin del caudal medio diario obtenido anteriormente, los cuales se seleccionan de acuerdo con las caractersticas propias de la poblacin.

Qmax = M Qm( 4.3 )

Qmax = K1 K2 Qm( 4.4 )

Donde:

Qmax = Caudal mximo horario ( L/s ) Qm = Caudal medio diario ( L/s )M = Coeficiente de puntaK1 , K2 = Coeficientes de mayoracin

Coeficiente de punta

Es la relacin entre el gasto mximo horario y el gasto medio diario. Para la determinacin se utilizan frmulas que relacionen el coeficiente con la magnitud de poblacin, por considerar que las mismas cubren los factores que estn ligados a los aportes.Los coeficientes de punta ms usuales son los siguientes:

Figura 4.1 Determinacin de las reas de aporte

a.Coeficiente de HarmonSu alcance esta recomendado a poblaciones de 1000 a 100000 habitantes, sin embargo no se seala ninguna limitacin.

M =1+ 4+ P0.5( 4.5 )14

b.Coeficiente de BabbitSe restringe la aplicacin de esta frmula a un valor mximo de 1000 habitantes y un valor mnimo 1 habitante.

M = P0.5( 4.6 )5

c.Coeficiente de GifftPara Gifft la frmula no tiene limites poblacionales.

M = P0.167( 4.7 ) En todos los casos:5

M = Coeficiente de puntaP = Poblacin en miles de habitantes.

Para poblaciones con el orden de magnitud superior a 100000 habitantes. Se recomienda utilizar los valores que se refieren a los mximos consumos horarios de agua potable:

M = 2.00 a 2.50

La experiencia brasilea que es recomendable para Amrica Latina, deduce el valor de M como la multiplicacin de los factores K1 del mximo caudal diario y K2 de mximo caudal horario.

El coeficiente K1 vara entre 1.2 a 1.5 segn las caractersticas de la poblacin. Los valores mayores de K1 corresponden a poblaciones menores, donde los hbitos y costumbres de la poblacin son uniformes.

El coeficiente K2 vara entre 1.5 a 2.2 segn el nmero de habitantes como se indican a continuacin.

Tabla 4.2 Valores del coeficiente K2

TAMAO DE LA POBLACIN

Hasta2000hab.De 2000 a 10000 hab. De 10000 a 100000 hab. De 100000 hab. adelante

COEFICIENTE K2

2.2 2.0 1.8

Caudal mnimo de diseo

El valor que se acepta como lmite inferior del menor gasto probable para cualquier tramo de la red de alcantarillado sanitario, tiene un valor de 2 L/s que corresponde a la descarga de un inodoro. Considera adems la aplicacin de la probabilidad de uso.

Caudal de infiltracin2

No se puede evitar la infiltracin de aguas subterrneas principalmente freticas a travs de fisuras en los colectores, juntas mal ejecutadas y en la unin de colectores con las cmaras de inspeccin. y en las mismas cmaras cuando permiten la infiltracin del agua..

El coeficiente de infiltracin vara segn:

-La altura del nivel fretico sobre el fondo del colector.-Permeabilidad del suelo y cantidad de precipitacin anual.-Dimensiones, estado y tipo de alcantarillas y cuidado en la construccin de cmaras de inspeccin.

En tabla 4.3, se presentan valores del caudal de infiltracin por metro, en funcin del tipo de unin entre tuberas y la ubicacin del nivel fretico.

Cuando no existe la previsin de implementacin de un sistema pluvial a corto o mediano plazo, es necesario considerar un mayor aporte de aguas pluviales, desde patios interiores debido a las caractersticas especiales de la poblacin, para este propsito se adopta un valor mximo de 2.0 L/s/Ha.

Caudal de conexiones erradas

En los caudales de aguas residuales se deben considerar los caudales pluviales provenientes de malas conexiones o conexiones erradas, los cuales determinan fijar un coeficiente de seguridad del 5 10 % del caudal mximo previsto de aguas residuales.

Tabla 4.3 Valores de Infiltracin

VALORES DE INFILTRACION EN TUBOS Qi (L/s/m)

TUBO DECEMENTO

TUBO DEARCILLA

TUBO DETUBO ARCILLA DEVITRIFICADAP.V.C

Unin con:

N. Fretico bajo

N. Fretico alto

Cemento

0.0005

0.0008

GomaCemento

0.00020.0005

0.00020.0007

GomaCementoGoma

0.00010.00020.0001

0.00010.00030.0001

Cemento

0.0001

0.00015

Goma

0.00005

0.0005

Fuente: Manual para el clculo, diseo y proyecto de redes de alcantarillado Ing. Waldo Pearanda

4.6Caudal de diseo

El caudal de diseo para alcantarillas es el caudal mximo, para el caso de alcantarillado con un adecuado control en las conexiones domiciliarias. Sin embargo la mayor parte de los sistemas presentan caudales adicionales como ser: Caudal de infiltracin Qi, el caudal de conexiones erradas Qe, por lo cual el caudal de diseo se expresa de la siguiente forma:

Qd = Qmax + Qi + Qe( 4.8 )

Donde:Qd= Caudal de diseo ( l/s) Qmax = Caudal mximo ( l/s )Qi= Caudal de infiltracin ( l/s )Qe= Caudal de conexiones erradas ( l/s )

4.7Caudal industrial

Este aporte de aguas residuales debe ser evaluado para cada caso en particular, ya que vara de acuerdo con el tipo y el tamao de la industria.

4.8Caudal comercial

Se justificar el consumo estimado por habitante en los sectores comerciales, la densidad en dichas zonas debe basarse en datos confiables para clculos de caudal aportado en forma concentrada.

4.9Caudal institucional

Como en el caso del aporte industrial, el aporte institucional vara de acuerdo con el tipo y el tamao de la institucin, ( instituciones pblicas, hospitalarias, hoteles, colegios, cuarteles y otros similares) por lo que debe considerarse cada caso particular.

TECNICAS DE DISEO DE SISTEMAS DE ALCANTARILLADO

Formula para diseo

La frmula emprica de Manning es la ms prctica para el diseo de canales abiertos, actualmente se utiliza para conductos cerrados y tiene la siguiente expresin:

211

V = n R 3 S 2(7.1)

Donde:

V = Velocidad (m/s)

n = Coeficiente de rugosidad (adimensional) R = Radio hidrulico (m)S = Pendiente (m/m)

El Radio hidrulico se define como:R =

Donde:

Am

Pm

(7.2)

Am = Area de la seccin Mojada (m2)

Pm = Permetro de la seccin Mojada (m)

Para tuberas con seccin llena:

El radio hidrulico es :R =

Donde:

D = Dimetro (m)

D

4

(7.3)

Sustituyendo el valor de (R), la frmula de Manning para tuberas a seccin llena es:

V = 0,397 D3 S2(7.4)21n

En funcin del caudal, con: Q = VA(7.5)

Donde:Q = Caudal (m3/s)

A = Area de la seccin circular (m2)

Q = 0,312D8S1(7.6)23n

Para tuberas con seccin parcialmente llena:

-El ngulo central q (en grado sexagesimal):

q = 2arcos1- 2h(7.7)D

R 1

-Radio hidrulico:

D 360senq

4 2pq

(7.8)

Sustituyendo el valor de (R), la frmula de Manning para tuberas con seccin parcialmente llena es:

22V = 0,397D3 1- 360senq 3 S12n2

En funcin del caudal:

851 Q =2 2pq -360senq3S23D

7257,15n 2pq 3

(7.9)

(7.10)

Propiedades hidrulicas de los Conductos Circulares

Flujo en Tuberas con Seccin Llena

En el diseo de conductos circulares, se utilizan tablas, nomogramas o programas de computadora, los mismos estn basados en la frmula de Manning y relacionan la pendiente, dimetro, caudal (capacidad hidrulica) y velocidad, para condiciones de flujo a seccin llena.

Flujo en Tuberas con Seccin Parcialmente Llena

El flujo a seccin llena se presenta en condiciones especiales. Se debe destacar que la condicin normal de flujo en conductos circulares de alcantarillado, es a seccin parcialmente llena, con una superficie de agua libre y en contacto con el aire.

Durante el diseo, es necesario determinar el caudal, velocidad, tirante y radio hidrulico, cuando el conducto fluye a seccin parcialmente llena (condiciones reales). Para el clculo es necesario utilizar las propiedades hidrulicas de la seccin circular que relacionan las caractersticas de flujo a seccin llena y parcialmente llena.

Las propiedades hidrulicas de la seccin circular para cualquier dimetro, se presentan en la GRAFICO 1 y 2, y fueron obtenidos con los valores indicados en el CUADRO 2 (vase en ANEXO II), utilizando la frmula de Manning (7.1) y las frmulas auxiliares (7.7, 7.8, 7.9 y 7.10); considerando la pendiente y el coeficiente de rugosidad constantes.

Si el proyectista define utilizar conductos no circulares o canales abiertos, deber determinar las propiedades hidrulicas correspondientes.

Criterios de Diseo

Durante el funcionamiento del sistema de alcantarillado, se debe cumplir la condicin de autolimpieza para limitar la sedimentacin de arena y otras sustancias sedimentables (heces y otros productos de desecho) en los colectores. La eliminacin continua de sedimentos es costosa y en caso de falta de mantenimiento se pueden generar problemas de obstruccin y taponamiento.

En el caso de flujo en canales abiertos la condicin de autolimpieza est determinada por la pendiente del conducto. Para tuberas de alcantarillado, la pendiente mnima puede ser calculada utilizando el criterio de velocidad mnima o el criterio de la tensin tractiva. A continuacin se realiza un anlisis comparativo de ambos criterios.

Criterio de Velocidad Mnima

La prctica usual, es calcular la pendiente mnima, con el criterio de la velocidad mnima y para condiciones de flujo a seccin llena. Bajo este criterio las tuberas de alcantarillado se proyectan con pendientes que aseguren una velocidad mnima de 0,6 m/s. De la frmula de Manning, la pendiente tiene la siguiente expresin:

2

S = V n 2 (m/m)(7.11) 0,397 D3

En el CUADRO 3, se presenta los valores de la pendiente mnima calculada con la ecuacin 7.11,basado en el criterio de la velocidad mnima, cuando el flujo promedio est a 100% de la capacidad del colector (seccin llena) y la velocidad mnima requerida para estas condiciones es V = 0,6 m/s, para un coeficiente de rugosidad n = 0,013, ambos constantes.

CUADRO 3 Pendientes Mnimas Criterio de Velocidad

Dimetro (m)

Pendiente Mnima (o/oo)

Velocidad a Seccin Llena (m/s)

Caudal a Seccin Llena (m /s)

0,10

8,32

0,60

0,0047

0,15

4,85

0,60

0,0106

0,20

3,30

0,60

0,0188

0,25

2,45

0,60

0,0295

0,30

1,92

0,60

0,0424

0,35

1,57

0,60

0,0577

0,40

1,31

0,60

0,0754

0,45

1,12

0,60

0,0954

0,50

0,97

0,60

0,1178

Sin embargo, la velocidad cerca del fondo del conducto es la ms importante a efectos de la capacidad transportadora del agua. Segn algunos autores, se ha comprobado que una velocidad media de 0,3 m/s es suficiente para evitar un depsito importante de slidos. Por tal motivo, los proyectistas verifican que para condiciones de flujo parcialmente lleno, la velocidad no sea menor a este valor.

Criterio de la Tensin Tractiva

La tensin tractiva o tensin de arrastre (t) es el esfuerzo tangencial unitario ejercido por el lquido sobre el colector y en consecuencia sobre el material depositado. Tiene la siguiente expresin:

t =r gRS(7.12) Donde:

t = Tensin tractiva en pascal (Pa) r = Densidad del agua (1000 kg/m )3

g = Aceleracin de la gravedad (9,81 m/s2) R = Radio Hidrulico (m)S = Pendiente de la Tubera (m/m)

El objetivo es calcular la pendiente mnima del tramo, capaz de provocar la tensin

suficiente para arrastrar el material que se deposita en el fondo.

La pendiente mnima de la tubera, puede ser calculada con el criterio de la tensin tractiva, considerando que el transporte de sedimentos es proporcional a la tensin tractiva. De la ecuacin (7.12), obtenemos la pendiente de la tubera a seccin llena:

S =

t

r g R(7.13)

Sustituyendo la ecuacin (7.8) en (7.13), obtenemos la pendiente para tuberas para

seccin parcialmente llena:

S =

t

D 360 sen q (7.14)

4 2pq

En el CUADRO 4, se presenta los valores de la pendiente mnima calculada con la ecuacin 7.13, basado en el criterio de la tensin tractiva, cuando el flujo promedio est a 100% de la capacidad del colector (seccin llena). Para fines de comparacin con el criterio de velocidad, previamente se calcul la tensin tractiva = 2,04 Pa, con la pendiente de 8,32 o/oo, el radio hidrulico R = D/4 y para el dimetro de 0,10 m (ecuacin 7.12). Luego la velocidad fue obtenida con la frmula de Manning con un coeficiente de rugosidad n = 0,013.

CUADRO 4 Pendientes Mnimas Criterio de la Tensin Tractiva

Dimetro (m)

Pendiente Mnima (o/oo)

Velocidad a Seccin Llena (m/s)

Caudal a Seccin Llena (m /s)

0,10

8,32

0,60

0,0047

0,15

5,55

0,64

0,0113

0,20

4,16

0,67

0,0212

0,25

3,33

0,70

0,0343

0,30

2,77

0,72

0,0509

0,35

2,38

0,74

0,0711

0,40

2,08

0,76

0,0950

0,45

1,85

0,77

0,1226

0,50

1,66

0,78

0,1540

Comparacin de Criterios de Diseo

Comparando los valores de los CUADROS 3 y 4, se observa que el diseo basado en el Criterio de la Tensin Tractiva permite para un mismo dimetro, mayor caudal, velocidad y pendiente que el diseo basado en el Criterio de la Velocidad Mnima. La diferencia es importante conforme se incrementa el dimetro. Si bien la prctica usual de diseo es determinar pendientes mnimas sobre la base de la velocidad mnima constante, queda demostrado que el diseo se debe basar en una tensin tractiva mnima constante. La condicin de autolimpieza de la tubera es creada por la tensin tractiva de flujo.

Pendiente Mnima - Norma Brasilera NBR 9649/1986

Segn la Norma Brasilera cada tramo de colector debe ser verificado por el criterio

de la tensin tractiva media con un valor mnimo de 0,10 kg/m2 = 0,98 Pa, para el caudal inicial, con un coeficiente de Manning n = 0,013. La pendiente mnima que satisface esta condicin puede ser determinada por la expresin aproximada:

Io = 0,0055 Qi -0 ,47(7.15) Donde:Io = pendiente mnima (m/m) Qi = caudal (l/s)

Sustituyendo en la ecuacin 7.15 un caudal inicial de 1,5 l/s (arranque), se obtiene una pendiente de 4,55 o/oo, menor a la pendientes obtenida segn el criterio de tensin tractiva (CUADROS 4 para el dimetro de 0,10 m).

Se pudo verificar que la frmula fue deducida a partir de la ecuacin de Manning

(7.1) para condiciones de flujo a seccin llena, situacin que no se presenta en la realidad.

Finalmente su uso no es recomendable, ya que la pendiente depende solamente del caudal, por lo tanto la seleccin de la seccin del colector no es directa.

Determinacin Emprica de la Tensin Tractiva Mnima

La tensin tractiva mnima del flujo debe superar la resistencia del sedimento al movimiento. Al respecto como resultado de la experiencia en campo y laboratorio realizada por SHIELDS, se tiene la siguiente expresin:

t = f ga -gw )d90%-95%(7.16)

Donde:

t = Resistencia del Sedimento al Movimiento (Tensin Tractiva) (Kg/m2)

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

ga = Peso especfico del material de fondo (arena) (kg/m3) gw = Peso especfico del agua (kg/m3)d90%-95% = Dimetro especfico en metros, del 90% al 95% de las partculas que deben ser transportadas. El valor ser obtenido de la frecuencia de distribucin del anlisis granulomtrico del material de fondo o slidos sedimentables que ingresan al sistema de alcantarillado. En el colector quedaran retenidas partculas de un dimetro mayor al porcentaje indicado. f es la constante (adimensional) de la ecuacin y fue determinada en laboratorio con modelos hidrulicos, su valor es de 0,04 para arena limpia hasta 0,8 para sedimentos de arena pegajosa del fondo de los conductos.

Segn las experiencias de laboratorio, la sedimentacin de arena se produce a caudales mnimos, cuando cambia la condicin de flujo, la arena es suspendida (a mayor caudal), por este motivo, las tuberas se disean considerando arena en suspensin. La constante f para colectores de alcantarillado con arena en suspensin es 0,05 0,06. Esta arena puede ser considerada limpia, aunque las partculas estn cubiertas con materia orgnica que les da una apariencia negra.

Transporte de Sedimentos y Pendientes Mnimas

La pendiente mnima debe ser calculada con la frmula (7.13), introduciendo el valor de la tensin tractiva mnima determinada previamente en funcin del anlisis granulomtrico y el dimetro especfico de las partculas que se quiere transportar. Para limitar los costos de mantenimiento, es recomendable que la tensin tractiva mnima sea suficiente para transportar entre el 90% al 95% del material granular que se estima entra al sistema de alcantarillado sanitario o pluvial.