4.9. Diseño hidráulico de la red de alcantarillado pluvial

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4.9.
Diseño hidráulico de la red de alcantarillado pluvial
a) La selección del método adecuado para diseñar obras de protección contra inundaciones
depende de:
•
Tipo de problema por resolver (magnitud de obra, precisión requerida, características
de la cuenca, etc.).
•
Información disponible, de manera que el esfuerzo que se realice en el estudio debe
corresponder a los beneficios que se esperan de la precisión en los resultados.
b) Asimismo, existen factores de tipo subjetivo, como es la experiencia del diseñador en la
aplicación de un método particular que influyen en la decisión adoptada.
c) Una vez definida la zona en estudio, se procederá a dividir en áreas de aportación donde
se encontrará la red de atarjeas, la que deberá reconocer el subcolector que se
localizará en la parte baja de dichas áreas.
d) Los subcolectores aportarán el caudal que conducen a los colectores y éstos
finalmente al emisor que descargará el gasto en el sitio de vertido.
e) Con base en lo anterior el sistema de drenaje pluvial lo podemos dividir para su diseño
en:
•
Red de atarjeas (red secundaria)
•
Colectores (red primaria)
•
Emisores (sistema de desagüe)
4.9.1. Diseño de la red de atarjeas (red secundaria)
Procedimiento que se recomienda para Proyectos asociados a la clasificación anterior.
a) Determinar el periodo de retorno asociándolo con el uso del suelo en el área de estudio.
Para tal efecto se pueden usar los valores de las tablas 4.7 y 4.8.
b) Estimar el tiempo de concentración de la cuenca, tc, con el apoyo del proceso descrito en
la aplicación de la fórmula racional, suponiendo un tiempo de escurrimiento superficial
hasta los tramos de cabecera (tiempo de entrada) de 10 o 15 minutos.
c) Calcular la lluvia de diseño asociada al periodo de retorno seleccionado en el paso a) y al
tiempo de concentración definido en el paso b). Utilizar el procedimiento que se ha
seleccionado para determinar la tormenta de diseño.
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d) Calcular el coeficiente de escurrimiento asociado a la cuenca de cada tramo utilizando las
tablas 4.9 y 4.10.
Tabla 4.7. Usos del suelo y periodos de retorno
Tipo de uso
Tr, en años
Zona de actividad comercial
Zona de actividad industrial
Zona de edificios públicos
Zona residencia multifamiliar de alta densidad (*)
Zona residencial unifamiliar y multifamiliar de baja densidad
Zona recreativa de alto valor e intenso uso por el público
Otras áreas recreativas
5.0
5.0
5.0
3.0
1.5
1.5
1.0
(*) Valores mayores de 100 hab/ha
Tabla 4.8. Tipo de vialidad y periodo de retorno mínimo
Tipo de vialidad
Tr, en años
Artería.- Autopistas urbanas y avenidas que garantizan la
comunicación básica de la ciudad
Distribuidora.- Vías que distribuyen el tráfico proveniente de la
vialidad arterial o que la alimentan
Local.- Avenidas y calles cuya importancia no traspasa la zona
servida
Especial.- Acceso e instalaciones de seguridad nacional y
servicios públicos vitales
5.0
3.0
1.5
10.0
e) Si el tiempo de concentración de la cuenca calculado en le paso b), es menor o igual a 30
minutos se recomienda utilizar la fórmula racional como el modelo lluvia-escurrimiento,
calculando el tiempo de concentración asociado a cada tramo con el proceso descrito en
b), y si el tiempo de concentración de la cuenca es mayor de 30 minutos, se recomienda
utilizar el método RRL.
f) Si en el sistema existen elementos de regulación importantes (almacenamientos), será
necesario dar la distribución en el tiempo de la tormenta de diseño, para lo cual se
requiere hacer un modelo de simulación.
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Tabla 4.9 Coeficientes de escurrimiento para diferentes tipos de superficies
Tipo de superficie
Techos impermeables
Pavimentos de asfalto en buen estado
Pavimentos empedrados o de adoquín junteados con cemento
Pavimentos de adoquín sin cemento
Pavimento de terracerías
Superficies sin pavimentar, como patios de ferrocarril y
terrenos sin construir
Parques, jardines y prados, dependiendo de la superficie,
pendiente y características del suelo
Áreas boscosas, dependiendo de la pendiente y del tipo de
suelo
Zonas urbanas densamente pobladas
C
0.75
0.85
0.75
0.50
0.25
0.10
a
a
a
a
a
a
0.95
0.90
0.85
0.70
0.60
0.30
0.05 a 0.25
0.10 a 0.20
0.70 a 0.90
Tabla 4.10 Coeficientes de escurrimiento para diferentes zonas
C
Zona
Zonas mercantiles
Zonas comerciales
Zonas industriales
Zonas residenciales
Departamentos
Casas de tipo residencial
Parques
Áreas no desarrolladas
0.70 a 0.90
0.60 a 0.85
0.55 a 0.80
0.50
0.25
0.05
0.10
a
a
a
a
0.70
0.50
0.25
0.25
4.9.2. Diseño de colectores (red primaria)
a) Determinar el periodo de retorno con el procedimiento descrito. Estimar los gastos
correspondientes a cada alternativa. Si solo se trata de revisar la red, se recomienda
hacerlo para periodos de retorno de 3, 5, 10 y 20 años.
b) Estimar el tiempo de concentración, la lluvia de diseño y el coeficiente de escurrimiento
correspondiente a cada subcuenca de aportación. Si el área de la cuenca es mayor de 10
km2, la lluvia de diseño se deberá afectar por el factor de reducción por área (FRA).
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c) Determinar los hidrogramas de ingreso a la red, utilizando según la información
disponible, cualesquiera de los tipos de hidrogramas unitarios (sintético, triangular o
adimensional), correspondientes a la salida de los colectores secundarios, con los
procedimientos descritos.
d) Transitar los hidrogramas por la red de colectores en estudio.
4.9.3. Diseño de emisores
a) Si se estudian elementos de conducción solamente, puede utilizarse un procedimiento
análogo, al descrito anteriormente, pero utilizando hidrogramas unitarios deducidos de
simulaciones o mediciones en las descargas de la red primaria.
b) Si el sistema en estudio está alimentado por una cuenca rural o poco urbanizada, y
además, contiene vasos de regulación, los hidrogramas de ingreso se calculan con el
hidrograma unitario adimensional y el transito de las avenidas, por los elementos de
regulación, se simula utilizando un método de tránsito de avenidas en sistemas de presas
interconectadas.
4.9.4. Pérdidas de lluvia
a) Las cuencas urbanas, son aquellas cuyas condiciones se modifican con el tiempo, de
manera que las características estadísticas de los escurrimientos no pueden ser
determinadas directamente a partir de éstos y se tiene que recurrir a estimar:
•
Primero, las características estadísticas de las tormentas;
•
Segundo, mediante un modelo lluvia-escurrimiento, determinar las avenidas,
suponiendo que su probabilidad de ocurrencia es idéntica a la de la tormenta
utilizada para generarla.
b) Además, es común que no se cuente con registros adecuados de escurrimientos en el sitio
de interés para determinar los parámetros necesarios para diseño y operación de obras
hidráulicas.
c) Normalmente, los registros de lluvia son más abundantes que los de escurrimiento y
además, no se afectan por cambios en la cuenca, como construcción de obras de
almacenamiento y derivación, talas, urbanización, etc.
d) Por ello, es conveniente contar con métodos que permitan determinar el escurrimiento en
una cuenca mediante las características de la misma y la precipitación.
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e) Las características de la cuenca se conocen por medio de planos topográficos y de uso del
suelo y la precipitación se conoce a través de mediciones directas.
f) Los parámetros principales que intervienen en el proceso de conversión de lluvia a
escurrimiento son los siguientes:
•
Área de la cuenca
•
Altura total de precipitación
•
Características generales de la cuenca (forma, pendiente, vegetación, etc)
•
Distribución de la lluvia en el tiempo
•
Distribución espacial de la lluvia y de las características de la cuenca
e) Ahora bien, debido a que la cantidad y calidad de la información disponible varía de un
problema a otro y por otro lado, no siempre se requiere la misma precisión en los
resultados, se han desarrollado una gran cantidad de métodos para analizar la relación
lluvia-escurrimiento.
f) La complejidad de los métodos aumenta a medida que se toman en cuenta más de los
parámetros citados anteriormente. En este sentido también aumenta su precisión, pero los
datos que se requieren son más y de mejor calidad.
g) En general, para estimar el gasto producido por lluvia sobre una cuenca, existen
diferentes métodos, los cuales se clasifican en:
a). Métodos directos o empíricos
Consideran que el escurrimiento provocado por una tormenta es función,
principalmente, de las características físicas de la cuenca: ejemplo de estos métodos
son el de Burkli-Ziegler, el racional y el gráfico alemán.
b). Métodos hidrológicos
Consideran que existe una relación funcional, generalmente lineal, entre la distribución
de la lluvia en el tiempo y el hidrograma a la salida de la cuenca. Dicha relación
funcional se basa en principios hidrológicos y puede calibrarse con registros
simultáneos de lluvias-escurrimientos en la cuenca que se estudia, sin considerar
explícitamente sus características físicas. Ejemplo de estos métodos es el Road
Research Laboratory y el del Hidrograma Unitario.
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h) Muchos de los métodos empíricos y prácticamente todos los hidrológicos, relacionan la
lluvia efectiva con el escurrimiento directo, por lo que para su aplicación se requiere
primero de la estimación de las pérdidas.
i) Por esta razón, se mencionan algunos criterios para calcular las pérdidas.
Determinación de las pérdidas
a) De la lluvia que cae en una cuenca al producirse una tormenta, una parte escurre
superficialmente para alimentar a la corriente natural o al sistema de drenaje y la otra
es interceptada por la vegetación, retenida en depresiones de terreno o se
infiltra; a estas últimas se le denomina pérdida. En este proceso se toma en cuenta la
evaporación, ya que el agua no permanece indefinidamente sobre la superficie.
b) En la práctica los componentes de la pérdida son difíciles de separar, por lo que, para
efectos de cálculo del escurrimiento en proyectos de diseño de alcantarillado pluvial, se
acostumbra calcularla conjuntamente y llamar infiltración a la pérdida total.
c) La estimación de la pérdida se efectúa de la manera siguiente:
Si durante una tormenta, se mide simultáneamente la lluvia y el escurrimiento, la pérdida
se calcula como:
Pérdida = Volumen llovido – volumen de escurrimiento directo
Volumen llovido se obtiene la multiplicar el área de la cuenca por la altura (lámina) de
lluvia total de la tormenta.
Volumen de escurrimiento directo se determina al separar el escurrimiento base del
hidrograma provocado por la tormenta y posteriormente calcular el volumen de
escurrimiento directo.
De la definición de pérdida se puede escribir que:
Vp = VLL − VED
(4.1)
donde Vp es el volumen de pérdidas; VLL es el volumen llovido; y VED es el volumen de
escurrimiento directo.
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Distribución de las pérdidas en el tiempo
Para evaluar la forma como se distribuyen las pérdidas en el tiempo, existen dos criterios
describiendo sus características a continuación:
a) Criterio del coeficiente de escurrimiento
Este criterio supone que la pérdidas en cada momento son proporcionales a la intensidad
de la lluvia en el mismo momento.
A la constante de proporcionalidad se le considera característica de cada cuenca
hidrológica y se le denomina coeficiente de escurrimiento. Se estima con la expresión
siguiente:
C=
VED
VLL
(4.2)
donde C es el coeficiente de escurrimiento; VED es el volumen de escurrimiento directo; y
VLL es el volumen llovido.
El coeficiente de escurrimiento se puede conocer haciendo mediciones directas en la
cuenca urbana de estudio o bien relacionando los valores que aparecen en Tablas de
acuerdo con los diferentes tipos de áreas a drenar.
Este criterio es totalmente empírico y para su aplicación se necesita tener una amplia
experiencia y además, de ser posible, contar con mediciones simultáneas de lluvia y
escurrimiento, que permitan tener una idea del valor del coeficiente para la zona en
estudio.
b) Criterio de la capacidad de infiltración media
En este criterio se supone que la cuenca tiene una capacidad de infiltración promedio
constante durante toda la tormenta, de manera que, siempre que llueve con una
intensidad menor que dicha capacidad, se infiltra todo lo que llueve y cuando llueve con
una intensidad mayor que la capacidad de infiltración, la diferencia escurre.
Para determinar la capacidad de infiltración media, se resta a la altura de precipitación
total una lámina constante de agua por unidad de tiempo, a la cual se le llama índice de
infiltración.
Según este criterio, el índice de infiltración es característico de cada cuenca e
independiente de la intensidad de la lluvia y se mide en mm/h.
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Aun cuando el criterio adolece de los mismos inconvenientes que el anterior, se han
desarrollado metodologías más elaboradas para estimar con más precisión el índice de
infiltración.