Acueductos y Cloacas Parte 1

Acueductos, Cloacas y Drenajes

Bibliografía:1. Acueductos: Fundamentos teórico prácticos. Simón Arocha. 2011.2. Cloacas y Drenajes. Simón Arocha. Editorial Vega. 1983.3. Apuntes sobre Drenaje Vial. Mario Mengual, Alfredo Castillo. Sociedad Venezolana de Ingeniería

Hidráulica. 1978.4. Drenaje Vial. Luís Franceschi. Fundación Juan José Aguerrevere. 19815. Problemas resueltos de Acueductos y Cloacas. Eduardo Genatios. UCV. 1985.Normativa Legal:6. Gaceta Oficial 4.103 del 02/06/89. Normas Sanitarias para el Proyecto , Construcción, Ampliación,

Reforma y Mantenimiento de Instalaciones Sanitarias para Desarrollos Urbanísticos.7. Gaceta Oficial 5.318 del 06/04/99. Normas Generales para el Proyecto de Alcantarillados.8. Gaceta Oficial 4.044 del 08/09/88. Normas Sanitarias para Proyecto, Construcción, Reparación,

Reforma y Mantenimiento de Edificaciones.9. Normas para el diseño de los abastecimientos de agua. I.N.O.S. Caracas. 1965.

Profesor: Leonardo J. Uribe Briceño, Ing., MSc.Departamento de Construcciones CivilesPrograma Nacional de Formación en Construcciones Civiles (PNFCC)(Ingeniería: 20/10/14)

Enfoque del Curso

• Curso de introducción al diseño de acueductos, cloacas y drenajes en urbanismos.

• Duración: 12 semanas, (3HTA+2HTI)/semana• Contenido:

1. Criterios generales de diseño2. Estanques de almacenamiento3. Redes de distribución4. Sistemas de cloacas5. Sistemas de drenaje

• Evaluación:▫ 2 parciales 35% c/u +▫ Proyecto Menor 30%

2

Definición de Acueducto

Es un sistema para el abastecimiento de agua en forma continua, con un

mínimo de presión y condiciones sanitarias a fin de fomentar el

desarrollo socioeconómico de una comunidad.

Fuente de abastecimiento:• Puede ser: superficial, subterránea o de lluvia (polder o jagüey)

• Su capacidad se establece analizando la información hidrológica

• Se requiere que tenga capacidad para abastecer en el día de mayor consumo del año

• Q diseño= k1*consumo medio diario (Qm) (k1 = 1.2 ~ 1.6) (ver definiciones al pie)

Obra de captación:• Puede ser: toma, dique

toma, embalse, polder, pozo profundo

• Q diseño= k1*Qm

Línea de aducción:• Conduce el agua desde la

obra de captación hasta el estanque de almacenamiento

• Puede ser a superficie libre (canal) o a presión (tubería)


• Golpe de Ariete

Estanque de almacenamiento:• Se encuentra normalmente entre la fuente de

abastecimiento y la red de distribución

• Permite almacenar suficiente agua para amortiguar las variaciones diarias de consumo y ofrecer un suministro sin interrupciones

• El diseño se basa en la CURVA DE VARIACIONES HORARIAS DEL CONSUMO

• Permite reducir las exigencias de diseño en los componentes aguas arriba

Planta de tratamiento:• Usualmente entre la fuente de

abastecimiento y el estanque de almacenamiento

• Mediante tratamiento físico – químico -bacteriológico se convierte el agua “cruda” en agua potable


Estación de bombeo:• Puede encontrarse en cualquier parte del sistema

• Tienen una programación diaria que incluye tiempo de inactividad que es flexible a fin de ajustar el sistema a los cambios en la demanda

• Se suelen emplear dos o mas bombas trabajando por turnos a fin de limitar el desgaste y facilitar el mantenimiento

• Qdiseño = 24 * Qm /N (N = número de horas de bombeo/día)

Red de distribución:• Permite llevar el agua hasta el lugar de

consumo

• Se diseña considerando el caudal que ocurre en la hora de mayor consumo del año: Qmh= Qm*k2 (k2 = 2 ~ 3)

• Se debe considerar también la posibilidad de incendio para lo cual se analiza su ocurrencia en distintas horas del día: Qi = Qm * k3 + I; (k3 = 1.5 a 1.8)

• I es el caudal de incendio que puede estar entre 10 y 32 lps. dependiendo de la densidad de población.

Obras complementarias:• Válvulas

• Ventosas

• Llaves de purga

• Equipos de supresión de golpe de ariete

• Obras de arte: Puentes, anclajes, etc.Tubería de aducción, matriz o de distribución

1.2 Componentes de un Acueducto

Definiciones:• Qm es el gasto promedio de agua abastecida al año [lps]

• k1*Qm es el gasto medio que ocurre el día de mayor consumo del año [lps]

• k2*Qm es el gasto medio que ocurre la hora de mayor consumo en el año [lps]

Tema 1

Criterios generales de diseño

Consumo de agua

▫ Se determina a partir de los planos de zonificación del urbanismo.

▫ Se aplica un consumo por m2 de superficie, “per cápita” o por número de habitaciones para las zonas residenciales multifamiliares.

▫ Para zonas comerciales o industriales el consumo se calcula de acuerdo al tipo de establecimiento.

▫ En zonas rurales o donde no se dispone de zonificación se puede aplicar un consumo “per cápita”

Factores que afectan el consumo

• Tipo de comunidad▫ Los consumos pueden ser muy distintos si se trata

de comunidades rurales (< 5000 hab.) o urbanas (> 5000 hab.) por lo que se establecen distintas normativas

• Composición de la comunidad▫ Zona residencial: incluye agua para consumo

humano, aseo personal, cocina, limpieza y lavado, riego y funcionamiento de piezas sanitarias.

▫ Comercial o industrial: se estima de acuerdo a la naturaleza del comercio o industria.

▫ Consumo público: Instituciones, zonas verdes, parques y jardines, limpieza de calles, etc.

• Factores socioeconómicos▫ El consumo per cápita depende del tipo de

vivienda:Consumo medio per cápita de acuerdo al

nivel socioeconómico *

Rancho 58%

Casa 87%

Vivienda rural 100%

Quinta 154%* Abastecimientos de agua. Teoría y diseño. Simón Arocha. Ediciones Vega. 1978

• Clima y meteorología▫ Los hábitos de higiene de la población dependen

de la temperatura ambiental y distribución de las lluviasx + temperatura => + consumo per cápitax + lluvia => - consumo per cápita

• Tamaño de la comunidad▫ + población => + consumo per cápita

- variación del consumo

• Otros factores:▫ Pérdidas en la red: Debido a juntas en mal estado,

válvulas y conexiones defectuosas, conexiones clandestinas, etc. (10 a 15% del consumo total)

▫ Incendio▫ Calidad del agua▫ Eficiencia del servicio▫ Medidas de control y medición▫ Costo del servicio

Variaciones periódicas del consumo

• Los consumos de agua de una localidad muestran variaciones estacionales, mensuales, diarias y horarias que pueden expresarse como un % del caudal medio anual (Qm) que consume la localidad.

0.00%

20.00%

40.00%

60.00%

80.00%

100.00%

120.00%

140.00%

160.00%

180.00%

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

Q (%

del

Qm

)

T (horas)

CURVA TÍPICA DE VARIACIONES HORARIAS DEL CONSUMO

• Definiciones:▫ Gasto medio diario (Qm) [lps]: promedio de los caudales

diarios de agua abastecidos por un acueducto durante un año. Se obtiene de la G.O. 4.044, Cap. VII o también de:

Para la estimación del Qm de diseño del acueducto de una comunidad se debe: a) considerar su zonificación de acuerdo al plan de desarrollo local ó b) contabilizar la población a partir de censos de población y proyectar su crecimiento en el tiempo de acuerdo al período de diseño de la obra.

GASTOS MEDIOS DIARIOS MÍNIMOS PERMISIBLES (Ref. 9)

Población (hab.) Con medidores (l/pers./d)

Sin medidores (l/pers./d)

Hasta 20.000 200 400

Entre 20.000 y 50.000 250 500

Mas de 50.000 300 600

• Definiciones:▫ Gasto máximo diario [lps]: es el caudal medio de agua que

abastece un acueducto en el día de mayor consumo del año:Qmd = Qm x k1 (k1 = 1.2 ~ 1.6)

▫ Gasto máximo horario [lps]: es el caudal medio de agua que abastece un acueducto en la hora de mayor consumo del año:

Qmh = Qm x k2.

Valores de k2 para urbanismos (Ref. 9)

Población (hab.) k2

Menor a 1.000 2.75

Entre 1.000 y 100.000 2.75 – 0.0075 P

Mayor a 100.000 2.00

P es la población en miles de habitantes

Período de diseño

• Se define como el período en años a partir del momento de la construcción en el cual el sistema es 100% eficiente ya sea por su capacidad o resistencia física de los componentes.

▫ Cada componente tiene distinta capacidad para soportar desgaste por el uso y corrosión.

▫ Al final del período de diseño la obra funciona al 100% de su capacidad con mantenimiento mínimo. Después de este período el consumo excede la capacidad de la obra y sus costos de mantenimiento irán aumentando.

▫ La obra debe ser sustituida cuando su capacidad es insuficiente y los altos costos de mantenimiento lo justifican.

▫ El período de diseño y capacidad pueden extenderse a futuro sustituyendo los componentes deteriorados u obsoletos.

• Períodos de diseño típicos:

▫ Fuentes superficiales sin regulación (toma): 20-30 años▫ Fuentes superficiales con regulación: dique toma 15-25 años,

embalse 30-50 años▫ Fuentes subterráneas (campo de pozos): 20-30 años, inicial de 10

años con ampliaciones periódicas▫ Estaciones de bombeo: entre 10 y 25 años tomando en cuenta el

tipo de mantenimiento▫ Líneas de aducción: entre 20 y 40 años▫ Plantas de tratamiento: entre 10 y 15 años con posibilidad de

ampliación futura▫ Estanques de almacenamiento: a) de concreto (30-40 años); b)

metálicos (20-30 años)▫ Redes de distribución: generalmente 20 años pero puede llegar a

30-40 años

Ejemplo

• Se va a diseñar un acueducto para una población actual de 10525 habitantes. Se estima que estará concluido dentro de 5 años. El período de diseño de la obra es de 25 años. Según los censos de población se estima un crecimiento interanual de 2.5%. Calcule el Gasto medio diario de diseño (Qm) y el caudal de diseño de los principales componentes del acueducto en lps. Asuma un valor de k1 = 1.6, k3 = 1.8 y un valor de I = 32 lps. El sistema tendrá una estación de bombeo que trabaja 8 horas al día y medidores (el servicio será cobrado).

Solución:9 Qm = 63.88 lps9 Qdiseño (Fuente de abast., Obra de captación, Línea de aducción, Pta. de tratamiento) = Qm*k1 = 102.21 lps9 Qdiseño (Estación de bombeo) = 24/8*Qm = 191.64 lps9 Qdiseño (Red de distrib.) = 165.07 lps (sin incendio); 146.98 lps (con incendio)

• Funciones:▫ Compensar las fluctuaciones del consumo de la población

servida y el abastecimiento desde la fuente.▫ Mantener las presiones de servicio en la red de distribución.▫ Almacenar una reserva para situaciones de emergencia:

incendio e interrupciones por fallas y reparación.• Factores a considerar:

▫ Ubicación▫ Tipo de estanque▫ Capacidad

x Compensación de las variaciones horariasx Emergencias por incendiosx Interrupciones (fallas y reparaciones)

Tema 2.

Estanques de Almacenamiento

• El estanque debe ser ubicado en un sitio elevado respecto a la red de abastecimiento. Desde ese lugar debe abastecer la red por gravedad y debe también mantener la presión (dinámica y estática) dentro del rango permitido por las normas en todas las condiciones posibles de operación:▫ El rango de presiones dentro de un acueducto urbano

se debe encontrar entre los 20 y 70 mca respecto al nivel de calle (96-ref. 6)

▫ En zonas rurales con población inferior a 5.000 hab. este rango se debe encontrar entre 7 y 45 mca. (70-MSAS)

Ubicación

• La ubicación del estanque depende de:▫ Las diferencias de elevación de las

zonas a servir:x Si la diferencia de cota en la zona a

servir por el estanque supera los 50m podría ser necesario dividir la red.

▫ La ubicación de los sectores de mayor consumo:x El estanque debe ubicarse lo mas

cerca posible de los lugares de mayor consumo para reducir el costo de la obra.

▫ Presencia de zonas elevadas cercanas:x Cuando existe una colina cercana un

estanque superficial puede ser construido mientras que cuando no existen tales zonas elevadas se debe proyectar un estanque sobre una torre.

Estanque superficial rectangular de concreto armado. Boca de Uchire. Estado Anzoátegui. Venezuela.

Estanque metálico elevado. Los Cerros. Estado

Miranda. Venezuela.

• Forma:▫ La forma del estanque no es importante en el

diseño, lo importante es el volumen útil, sin embargo:x Las formas cilíndricas y esféricas pueden resultar

económicas si el material empleado es metálico con la desventaja de la corrosión en el caso del acero. Estas formas en concreto armado pueden resultar muy costosas de construir debido a la complejidad del encofrado.

x La forma de paralelepípedo puede ser fácil de construir pero obliga a mayores cantidades de materiales que en el caso anterior.

Tipo de Estanque

• Material constructivo:▫ Metálicos:

x Se suele emplear acero, aluminio, etc. en estanques de forma esférica y cilíndrica.

x Este tipo de estanques son los usados preferentemente sobre torres.

▫ Concreto armado:x Se prefieren en zonas cercanas a

la costa.x Los estanques superficiales

suelen ser construidos de este material.

x Cuando se trata de formas esféricas o cilíndricas se emplea concreto post-tensado o pre-tensado.

Estanque elevado de concreto. Sinamaica. Venezuela.

• El estanque debe garantizar un suministro continuodurante las 24 horas del día considerando la curva típicade variaciones horarias del consumo correspondiente aldía de mayor consumo en el año de la comunidad a servir.

• Se debe producir un equilibrio entre los volúmenes deagua abastecidos al estanque desde la aducción y losconsumidos por la comunidad servida.

Capacidad

Compensación de las variaciones horarias

0.00

2.00

4.00

6.00

8.00

10.00

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

Q (L

/S)

T (horas)

CURVA DE VARIACIONES HORARIAS DEL CONSUMO• El área bajo la curva

de variacioneshorarias del consumoes el volumen de aguaconsumido en eseintervalo: Volumenconsumido = ∫ Q dt

0.002.004.006.008.00

10.00

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

Q (l

ps)

T (horas)

CURVA DE VARIACIONES HORARIAS DEL CONSUMO

020406080

100120140160180200220240260280300320340360380400420440460480500520540560

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

Vac

(m3)

T (horas)

CURVA DE CONSUMO ACUMULADO(curva de masa)

La curva de consumo acumulado (curva de masa) se obtiene integrando la curva de variaciones horarias del consumo. En la curva de masa:9La diferencia de ordenadas entre dos

tiempos representa el volumen de agua consumido.

9La pendiente de la tangente en cualquier punto representa el caudal en ese instante.

9La pendiente de la recta entre dos puntos representa el gasto medio en el intervalo.

Cálculo del volumen de estanque

Suministro por gravedad

0%50%

100%150%200%250%300%

0 6 12 18 24

Q (%

del

Qm

)

T (horas)

CURVA DE VARIACIONES HORARIAS DEL CONSUMO DEL DÍA DE MAYOR CONSUMO EN

EL AÑO

-

5.00

10.00

15.00

20.00

0 6 12 18 24

Q (l

ps)

T (horas)

CURVA DE VARIACIONES HORARIAS DEL CONSUMO DEL DÍA DE MAYOR CONSUMO EN

EL AÑO

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

Vac

(m3)

T (horas)

CURVA DE VOLUMEN ACUMULADO DEL CONSUMO EN EL DIA DE MÁXIMO CONSUMO DEL AÑO A

Pendiente OA = Qmax. DiarioVolumen estanque = BB’ + CC’

B

B’

C’

C

Volumen abastecido al estanque

Volumen consumido por la comunidad

o


Suministro por bombeo

• El volumen del estanque depende de:▫ Número de horas de bombeo▫ Número de turnos de bombeo

• El volumen bombeado en 24 horas debe ser igual al volumen consumido por la población en ese período de tiempo.

• Se asume caudal de bombeo constante en cada turno aunque puede ser diferente


Suministro por bombeo (1 turno, 6am a 6pm)

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

Vac

(m3)

T (horas)

CURVA DE VOLUMEN ACUMULADO DEL CONSUMO EN EL DIA DE MÁXIMO CONSUMO DEL AÑO

Volumen estanque = AA’ + BB’

A

A’

B

B’



Q bombeo = ?

Cálculo del volumen de estanque Suministro por bombeo (2 turnos, 4am a 8am, 4pm a 8pm)

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

Vac

(m3)

T (horas)

CURVA DE VOLUMEN ACUMULADO DEL CONSUMO EN EL DIA DE MÁXIMO CONSUMO DEL AÑO

Volumen estanque = mayor entre:AA’ + BB’ ; BB’+CC’ ;CC’+DD’ ; DD’+ AA’

A

A’

B

B’



C

C’

D

D’

Q bombeo = ?

Consumo por incendio e interrupciones

• Incendio en zona urbana (95-4.103):▫ Los gastos de incendio se determinarán de acuerdo

con la zonificación del desarrollo urbanístico en la forma siguiente:a) Para zonas residenciales destinadas a viviendas

unifamiliares o bifamiliares aisladas, 10 lps.b) Para zonas residenciales destinadas a viviendas

multifamiliares, comerciales o mixtas e industriales, 16 lps. para baja densidad (Ac<=120%) y 32 lps. para alta densidad (Ac>120%)

c) La duración de los incendios se supondrá de 4 horas• Interrupciones del servicio

▫ El volumen de estanque correspondiente se estima como el equivalente a 4 horas del consumo medio Qm.

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Acueductos y Cloacas Parte 1