1

DiseDiseDiseDiseñññño de redes de o de redes de o de redes de o de redes de alcantarillas (I)alcantarillas (I)alcantarillas (I)alcantarillas (I)

Referencias

• [1] Ingeniería de aguas residuales: redes de alcantarillado y bombeo. Ed. McGraw-Hill.

• [2] Ingeniería de las aguas residuales. Tratamiento, vertido y reutilización. Ed. McGraw-Hill.

• [3] Saneamiento y alcantarillado: vertidos de aguas residuales. Aurelio Hernández. Ed. Paraninfo.

• [4] Fundamentos y cálculo de redes de distribución. Osorio F. y E. Hontoria.

• [5] EMASESA. Instrucciones Técnicas para redes de saneamiento

• [6] Cálculo de caudales en las redes de saneamiento. Catalá, F. Ed. Paraninfo. Colección Seinor no. 5.

2

El agua residual urbana

Industrial Infiltracionesy aportaciones incontroladas

Escorrentía urbana (pluviales)

- Contaminación orgánica (+sales disueltas y S.S. inorgánicos).- Biodegradables (DBO5/DQO ≈ 0,5)- Nutrientes (N y P)- Sin productos tóxicos

-Contaminación según el tipo de industria-Solamente se podrán verter a la red aguas industriales que sean asimilables a urbanas

-Contaminación por S.S., óxidos de S y N, metales pesados volátiles, papel, vidrio, desgaste de neumáticos, derrames de combustibles, aceites y grasas-Composición = f (duración de eventos de lluvia y del tiempo entre eventos)

Doméstica o sanitaria

(zonas residenciales, comerciales y públicas)

Agua residual urbana

El agua residual urbana

Industrial Infiltracionesy aportaciones incontroladas

Escorrentía urbana (pluviales)

Doméstica o sanitaria

(zonas residenciales, comerciales y públicas)

Agua residual urbana

Aguas ‘negras’Caudales estables

Aguas ‘blancas’Caudales altos, que ocurren de forma episódica

3

Tipos de redes

Red separativa sanitaria(por gravedad o a presión)

… y de aguas pluviales(por gravedad)

Red (o sistema) unitaria(por gravedad)

Industrial‘asimilable’

Infiltracionesy aportaciones incontroladas

Escorrentía urbana (pluviales)

Doméstica o sanitaria

(fecales, limpieza, y lavado)

Agua residual urbana

Sistema unitario

4

Sistema separativo

1. Caudales de aguas negras

Se deben estimar los valores medios Qm y los valores punta Qp (relacionados por un factor punta Cp)

Qp = Cp x Qm

• Redes ya existentes– series históricas – aforos (vertederos, canales Parshall, trazadores,

molinetes, …)

• Redes de nueva construcción– a partir de datos de abastecimiento de agua– a partir de estimaciones/mediciones de caudales de

agua residual en poblaciones de características similares

Caudal de diseño

5

1.1. Qm a partir de datos de abastecimiento

Industrial(no doméstico)

Servicio público(extinción de

incendios, riegos, mantenimiento de infraestructuras)

Pérdida en la red y fugas

Uso doméstico

Caudal medio de agua de abastecimiento (QmAA)

10-12 % en sistemas modernos

15-30 % en sistemas anticuados

hasta un 50%

QmAAx (0.6 - 0.85) = Caudal medio de agua residual (Qm)

Caudal de agua utilizada(contador) y un 90-100% se incorpora a la red de

saneamiento

1.2. Qm por estimaciones directas

Industrial Infiltracionesy aportaciones incontroladas

Escorrentía urbana (pluviales)

Doméstica o sanitaria

Agua residual urbana

Residencial

Instituciones

Recreativo

Comercial

Qm = Volumen / ha día x Superficie

Qm = Volumen / pers. día x Población

Caudal unitario(Tablas y gráficos)

Valor extensivo(Planificación)

Horizonte temporal = 10 años (zonas rurales); 20-30 años (zonas urbanas); 50 años (pasos subterráneos de tráfico y ferroviarios). Fuentes de informaciónorganismos de planificación locales, regionales o estatales, o utilizando métodos de estimación de la población

6

• Industrial:

– Oscila entre 9-14 m3 / ha. d (en zonas de escaso desarrollo) y 14-28 m3/ha. d (en zonas con desarrollo medio) [2]

– Valor típico de proyecto ≈ 30 m3 / ha. d [1] ó 47 m3 / ha. d [3]. – 85-95% del consumo en industrias sin reutilización interna [1]

� tablas de consumo según tipo de industria (ver [2] y [3]).

� [4] Un orden de magnitud del consumo es de 50m3 /ha. d (p. I.93)� [4] La demanda anual en nuevos polígonos industriales es ≈ 4000

m3/ha (= 10m3/ha. d)

– EMASESA indica en sus normas que el caudal de diseño Qp (l/s) = 0.7 x superficie (ha). Si Cp = 2-3 (ver más adelante) �Caudal medio unitario ≈ 20 - 30 m3 / ha. d

• Comercial

– Oscila entre 14 y 15000 m3 / ha. d [1] – Tablas ( [1], [2] )

Caudales unitarios

¡Cuidado!

[3]

135,000 m3 /ha. d!!!!

¿?

7

O(1) l/s.ha � 86 m3/ ha.d

[4]

O(102) m3/Tm, como en [2]

• Industrial:

– Oscila entre 9-14 m3 / ha. d (en zonas de escaso desarrollo) y 14-28 m3/ha. d (en zonas con desarrollo medio) [2]

– Valor típico de proyecto ≈ 30 m3 / ha. d [1] ó 47 m3 / ha. d [3]. – 85-95% del consumo en industrias sin reutilización interna [1]

� tablas de consumo según tipo de industria (ver [2] y [3]).

� [4] Un orden de magnitud del consumo es de 50m3 /ha. d (p. I.93)� [4] La demanda anual en nuevos polígonos industriales es ≈ 4000

m3/ha (= 10m3/ha. d)

– EMASESA indica en sus normas que el caudal de diseño Qp (l/s) = 0.7 x superficie (ha). Si Cp = 2-3 (ver más adelante) �Caudal medio unitario ≈ 20 - 30 m3 / ha. d

• Comercial

– Oscila entre 14 y 15000 m3 / ha. d [1] – Tablas ( [1], [2] )

Caudales unitarios

8

Si usamos una densidad = 500 empleados / ha � 20 m3/ha.d

[1]

EMASESA indica que el caudal de diseño debe ser calculado como

Qp (l/seg) = 0.017 x (nº de viviendas de la cuenca)

Si consideramos una sóla vivienda (4-5 personas) � caudal unitario = 300-370 litros / pers. d [5].

([1] y [2])

9

([1] y [2])

([1] y [2])

10

Caudales unitarios (infiltración)

[1]

1.3. Variaciones del caudal de A.R.

El abastecimiento tiene poca capacidad de embalse y, por tanto, las curvas de caudales de A.R. son parecidas a las de abastecimiento,

pero desfasada en el tiempo y algo más suaves.

** Las variaciones estacionales en zonas de turismo ó con industrias agro-alimentarias (ej. conservas) son muy pronunciadas

Infiltraciones

11

1.4. Factores punta Cp y caudal de diseño Qp

Cp representa la razón entre el caudal máximo horario de A.R. en el día de máxima producción y el caudal medio horario en un día promedio

Qp = Cp x Qm

Agua residual doméstica

Valores guía [3]

Cp ≥ 2.4 Núcleos pequeños1.8 ≥ Cp ≥ 2.4 > 100,000 hab1.4 ≥ Cp ≥ 1.8 > 800,000 hab

Fórmulas empíricas [3]

Harman Fair & GeyerNota: P = población (miles de hab.)

P

PC

PC pp

+

+=

+

+=

4

18

4

141

Cp = f(Qm) Gráficas u otras

expresiones empíricas

x Caudal unitario

Factor punta para agua residual doméstica[1]

ó podemos suponer que la curva Cp vs. log(Qm) es lineal e interpolar entre los dos puntos que da la gráfica, i.e. (log(5), 1.98) y (log(0.004),3.34)

12

1.4. Factores punta Cp y caudal de diseño Qp

Cp representa la razón entre el caudal máximo horario de A.R. en el día de máxima producción y el caudal medio horario en un día promedio

Qp = Cp x Qm

Agua residual doméstica

Valores guía [3]

Cp ≥ 2.4 Núcleos pequeños1.8 ≥ Cp ≥ 2.4 > 100,000 hab1.4 ≥ Cp ≥ 1.8 > 800,000 hab

Fórmulas empíricas [3]

Harman Fair & GeyerNota: P = población (miles de hab.)

P

PC

PC pp

+

+=

+

+=

4

18

4

141

Industrial /Comercial

Cp ≈ 2-3

Infiltraciones(gráficos) [1]

Cp = f(Qm) Gráficas u otras

expresiones empíricas

x Caudal unitario

Caudales de diseño por infiltración (Qp)[1]

40.5 ha, 14 m3/ha.d

5000 ha, ≈ 3.3 m3/ ha.d

Si comparamos la curva B con la curva de caudales medios Qm de infiltración � Cp ≈ 1.6

13

Ejemplo

Densidad de saturación δ = 124 hab. / ha

δ = 38 hab. / haδ = 74 hab. / ha 2000 estudiantes

Usos del suelo Caudales unitarios

1. Zona comercial 20 m3 / ha. día2. Polígono industrial 30 m3 / ha. día 3. Escuela (2000 alumnos) 75 l / estudiante. día4. Viviendas unifamiliares 300 l / hab. día5. Apartamentos de baja altura 225 l / hab. día6. Pisos duplex 280 l / hab. día7. A-4 (residencial mixta) 268 l / hab. día *

* Promedio de 4, 5 y 6

Qm = Caudal unitario x densidad x superficie (en zonas residenciales)Caudal unitario x superficie (en zona comercial e industr.)Caudal unitario x No. estudiantes (en la escuela)

Qp = Cp x Qm

f ( población y del uso del suelo )

14

Caudal medio Cp Caudal punta ( m3 / d ) ( m3 / d )

3694 2.6 96032261 2.6 58784966 2.6 12912150 4 600960 1.8 1728

2200 1.8 39603300 2.1 6930

17531 41612

Clasificación urbanística Area Densidad Población Caudal unitario medio( ha ) (hab. / ha) (hab) Módulo Valor

Unifamiliares 324 38 12312 l / ha.d 300Residencial mixta 114 74 8436 l / ha.d 268Apartamentos de poca altura 178 124 22072 l / ha.d 225Escuela 16 2000 l / pers.d 75Centro comercial 48 m3 / ha.d 20Comercial 110 m3 / ha.d 20Polígono industrial 110 m3 / ha.d 30

Total 900

Caudal medio Cp Caudal punta ( m3 / d ) ( m3 / d )

3694 2.6 96032261 2.6 58784966 2.6 12912150 4 600960 1.8 1728

2200 1.8 39603300 2.1 6930

17531 41612

Clasificación urbanística Area Densidad Población Caudal unitario medio( ha ) (hab. / ha) (hab) Módulo Valor

Unifamiliares 324 38 12312 l / ha.d 300Residencial mixta 114 74 8436 l / ha.d 268Apartamentos de poca altura 178 124 22072 l / ha.d 225Escuela 16 2000 l / pers.d 75Centro comercial 48 m3 / ha.d 20Comercial 110 m3 / ha.d 20Polígono industrial 110 m3 / ha.d 30

Total 900

15

2. Dimensionado hidráulico

‘Dado el caudal encontrar el diámetro’

• La red debe funcionar de modo general por gravedad en régimen de lámina libre(excepcionalmente funcionan a presión)

• Los conductos se dimensionan inicialmente suponiendo que el agua circula a sección llena con caudales pico.

• Un 15 ó 20% de la altura de la sección debe quedar libre para permitir la circulación de aire, de forma que se eviten condiciones anaeróbicas

Flujo uniforme por gravedad

g

V

D

Lfh

h

f2

2

=

2/12/12/12/18hfhf RCSRS

f

gV ==

2/1

8.14log2

=

ε

hRf

Flujo completamente turbulento

3/22/12/12/1

6/11

hfhfh RS

nRS

n

RV ==

Chezy

Manning

n = 0.013-0.015

16

Parámetros hidráulicos en alcantarillas circulares parcialmente llenas

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3. Criterios de diseño de redes

Velocidades mínimas, Vmin (deposición)

- Redes unitarias: 0.6 m/s (velocidad de arrastre de arenas)- Redes separativas:

Conducto de aguas negras: 0.3 m/s (arrastre de S.S.)Conducto de pluviales: 1 m/s.

- Sifones: 1 m/s

Velocidades máximas, Vmax (erosión)

- Para caudal punta de aguas negras: 2.5 - 3 m/s.- Para caudal máximo en tiempo de lluvia: 5 m/s.* Para velocidades mayores � protección especial(soleras, rápidos, zonas de enlace de tramos)

18

Diámetros mínimos, D (obturación)

• En redes unitarias y separativas ≥ 300 mm• En acometidas ≥ 200 mm.• Conexión de imbornal con la red ≥ 200 mm

Pendiente, S = f ( V, D )

Por lo general, buscamos que las alcantarillas vayan paralelas a la superficie Ss (i.e. S = Ss) por el menor coste de excavación, con la coronación de los tubos a una profundidad > 2 m y por debajo de los tubos de abastecimiento.

- Pte. insuficiente Ss< Smin = f (Vmin, D) � bombeos

- Pte. excesiva Ss> Smax= f (Vmax,D) � rápidos y/o pozos de resalto

m/m

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Diámetros mínimos, D (obturación)

• En redes unitarias y separativas ≥ 300 mm• En acometidas ≥ 200 mm.• Conexión de imbornal con la red ≥ 200 mm

Pendiente, S = f ( V, D )

Por lo general, buscamos que las alcantarillas vayan paralelas a la superficie Ss (i.e. S = Ss) por el menor coste de excavación, con la coronación de los tubos a una profundidad > 2 m y por debajo de los tubos de abastecimiento.

- Pte. insuficiente Ss< Smin = f (Vmin, D) � bombeos

- Pte. excesiva Ss> Smax= f (Vmax,D) � rápidos y/o pozos de resalto

Sistema separativo Criterios

Conducto A. Negras

Conducto A. Pluviales

Sistema unitario

h≤ 500 mm 0,5 ymáx/htotal

h>500 mm 0,7

0,8 (0,9

máximo)

0,8 (0,9

máximo)

Vmáx (m/s) 3,0 5,0 5,0

Vmín (m/s) 0,3 (0,6) 1,0 0,6 (0,9)

Dmín (mm) 300

Prof. mín (m) 2,0

20

Pendientes recomendadas Diámetro de la conducción (mm) Mínima Máxima Óptima

Acometidas 2:100 7:100 3:100

D200-D300 1:1000 7:100 2:100 / 7:1000

D300-D600 1:1000 4:100 1:100 / 5:1000

D600-D1000 1:1000 2:100 5:1000 / 2:1000

D1000-D2000 1:10000 1:100 3:1000 / 2:1000

Ejemplo de diseño de redes

21

22

Tabla de información básica (Tabla 1)

Clasificación urbanísticas Densidad Estudiantes Caudal unitario medio Cp (hab. / ha) Módulo Valor

Unifamiliares 38 l / ha.d 300 f ( Qm)Residencial mixta 74 l / ha.d 268 f ( Qm)Apartamentos de poca altura 124 l / ha.d 225 f ( Qm)Escuela 2000 l / pers.d 75 4Centro comercial m3 / ha.d 20 1.8Comercial m3 / ha.d 20 1.8Polígono industrial m3 / ha.d 30 2.1

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Tabla de cálculo en proyecto de colector(1. Topología)

Tramo Desde Hasta Cuencavertiente

1 1 2 A-1A-2A-10

2 2 3 A-93 3 4 A-34 4 5 A-85 5 6 A-46 6 7 A-7

A-57 7 8 A-6

Caudales domésticosTramo Desde Hasta Cuenca Superf. Densidad Qm unit. Qm Qm.acum Cp Qp.acum

vertiente (pers./ha) (l/hab.d) (m3/d) (m3/d) (m3/d)1 1 2 A-1 100 38 300 1140

A-2 112 38 300 1277 A-10 2417 2.9 7009

2 2 3 A-9 48 124 225 1339 3756 2.8 105173 3 4 A-3 112 38 300 1277 5033 2.7 135894 4 5 A-8 60 124 225 1674 6707 2.7 181085 5 6 A-4 114 74 268 2261 8968 2.6 233166 6 7 A-7 70 124 225 1953

A-5 10921 2.6 283947 7 8 A-6 10921 2.6 28394

Caudales comercialesTramo Desde Hasta Cuenca Superf. Qm unit. Qm Qm.acum Cp Qp.acum

vertiente (m3/ha.d) (m3/d) (m3/d) (m3/d)1 1 2 A-1

A-2A-10 48 20 960 960 1.8 1728

2 2 3 A-9 960 1.8 17283 3 4 A-3 960 1.8 17284 4 5 A-8 960 1.8 17285 5 6 A-4 960 1.8 17286 6 7 A-7

A-5 110 20 2200 3160 1.8 56887 7 8 A-6 3160 1.8 5688

Tabla de cálculo en proyecto de colector(2. Caudales por tramos y usos)

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DISEÑO DEL COLECTORTramo Desde Hasta Cuenca Superficie Diámetro Pendiente Caudal ¡¡ Velocidad ¡¡

vertiente (ha) mm m/m (m3/s) (m3/d)1 1 2 A-1 100

A-2 112A-10 48 450 0.0019 0.124 0.780

2 2 3 A-9 48 525 0.0015 0.167 0.7703 3 4 A-3 112 600 0.0012 0.210 0.7504 4 5 A-8 60 675 0.0011 0.265 0.7805 5 6 A-4 130 750 0.001 0.339 0.8006 6 7 A-7 70

A-5 110 900 0.0007 0.450 0.7507 7 8 A-6 110 900 0.0009 0.533 0.850

¡¡ Valores de caudal y velocidad a sección llena

Tabla de cálculo en proyecto de colector(3. Caudales totales y DISEÑO)