líneas de conducción

Lima, 2004

El presente documento fue elaborado por el consultor ingeniero Salvador Tixe para la Unidad de Apoyo Tcnico en Saneamiento Bsico Rural del Centro Panamericano de Ingeniera Sanitaria y Ciencias del Ambiente.

OPS/CEPIS/04.105 UNATSABAR

1. Objetivo ............................................................................................................ 4 2. Definiciones ...................................................................................................... 4 3. Aplicacin ......................................................................................................... 4 4. Informacin Bsica ........................................................................................... 4 5. Trazado ............................................................................................................. 5 6. Diseo de la lnea de conduccin ..................................................................... 5

6.1. Caudal de diseo ...................................................................................... 5 6.2. Carga esttica y dinmica ........................................................................ 5 6.3. Tuberas ................................................................................................... 6 6.4. Dimetros ................................................................................................ 7 6.5. Estructuras complementarias ................................................................... 7 6.6. Dimensionamiento ................................................................................... 9

7. Diseo de la lnea de Impulsin ..................................................................... 11

7.1. Caudal de diseo .................................................................................... 11 7.2. Seleccin de dimetro ............................................................................ 12 7.3. Tuberas ................................................................................................. 12 7.4. Altura dinmica total (Ht) .................................................................... 12 7.5. Calculo del fenmeno de golpe de ariete ............................................... 13 7.6. Estructuras complementarias ................................................................ 14 7.7. Lnea gradiente hidrulica ...................................................................... 14

8. Problemas speciales en el razo de la nea de onduccin e mpulsin . .. 14 Bibliografa .............................................................................................................. 16 Anexo Anexo 1. baco de Allievi ...................................................................................... 17


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iv

Establecer criterios para el diseo de lneas de conduccin e impulsin de sistemas de abastecimiento de agua rural.

. Estructura que permite disipar la energa y reducir la presin relativa a cero (presin atmosfrica), con la finalidad de evitar daos a la tubera.

. En cualquier punto de la lnea, representa la diferencia de la carga esttica y la prdida de carga por friccin en la tubera.

. Se denomina a la sobrepresin que reciben las tuberas, por efecto del cierre brusco del flujo de agua.

. En un sistema por gravedad, es la tubera que transporta el agua desde el punto de captacin hasta el reservorio. Cuando la fuente es agua superficial, dentro de su longitud se ubica la planta de tratamiento.

. Es la lnea que indica la presin en columna de agua a lo largo de la tubera bajo condiciones de operacin.

. En un sistema por bombeo, es el tramo de tubera que conduce el agua desde la estacin de bombeo hasta el reservorio.

. Representa la carga mxima a la que puede estar sometida una tubera al agua cuando se interrumpe bruscamente el flujo.

. ! " # $ % Es la prdida de energa en la tubera por unidad de longitud debida a la resistencia del material del conducto al flujo del agua. Se expresa en m/km o m/m.

. ! " # & $ % Viene a representar el producto de prdida de carga unitaria por la longitud del tramo de tubera.

. ' Es la instalacin destinada al almacenamiento de agua para mantener el normal abastecimiento durante el da.

. ( Vlvula para eliminar el aire existente en las tuberas; se las ubica en los puntos altos de la lnea.

. ( Vlvula ubicada en los puntos ms bajos de la red o conduccin para eliminar acumulacin de sedimentos.

La aplicacin de la presente gua ser en sistemas rurales y pequeas localidades.

Para el diseo se requiere de:


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a) Informacin de la poblacin. b) Investigacin de la fuente: Caudal y temporalidad c) Plano topogrfico de la ruta seleccionada. d) Estudio de suelos y si es el caso estudio geolgico para determinar la estabilidad del

terreno. e) Calidad fisicoqumico de la fuente.

Se tomar en cuenta lo siguiente:

a) Evitar pendientes mayores del 30% para evitar velocidades excesivas. b) En lo posible buscar el menor recorrido siempre y cuando esto no conlleve a

excavaciones excesivas u otros aspectos. c) Evitar cruzar por terrenos privados o comprometidos para evitar problemas durante

la construccin y en la operacin y mantenimiento del sistema. d) Mantener las distancias permisibles de vertederos sanitarios, mrgenes de ros,

terrenos aluviales, nivel fretico alto, cementerios y otros servicios. e) Utilizar zonas que sigan o mantengan distancias cortas a vas existentes o que por su

topografa permita la creacin de caminos para la ejecucin, operacin y mantenimiento.

f) Evitar zonas vulnerables a efectos producidos por fenmenos naturales y antrpicos. g) Tener en cuenta la ubicacin de las canteras para los prstamos y zonas para la

disposicin del material sobrante, producto de la excavacin. h) Establecer los puntos donde se ubicarn instalaciones, vlvulas y accesorios, u otros

accesorios especiales que necesiten cuidados, vigilancia y operacin.

Para el diseo de lneas de conduccin se utiliza el caudal mximo diario para el perodo del diseo seleccionado.

La Carga Esttica mxima aceptable ser de 50 m y la Carga Dinmica mnima ser de 1 m.


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EL

EV

AC

ION

CAPTACION

PERFIL DE LA LINEA DE CONDUCCION

DISTANCIA

RESERVORIO

L.G.H.

CARGA ESTATICA

PERDIDADE ENERGIA

CARGA DINAMICA

Para la seleccin de la clase de tubera se debe considerar los criterios que se indican en la figura 2.

TRAMO

TUBERIA CLASE 15TUBERIA CLASE 7.5TUBERIA CLASE 5TUBERIA CLASE 5

PERFIL DEL TERRENO

LINEA DE GRADIENTE HIDRAULICA

NIVEL DE CARGA ESTATICA

100

75

50

0

CAPTACION

DISTANCIA

EL

EV

AC

ION

LIMITE DE TUB. CLASE 10

LIMITE DE TUB. CLASE 7.5

LIMITE DE TUB. CLASE 5

CARGA ESTATICA (m)

50 m 75 m

100 m150 m

150LIMITE DE TUB. CLASE 15

RESERVORIO

Se deber seleccionar el tipo de tubera en base a la agresividad del suelo y al

intemperismo. En este ltimo caso, de usarse el fierro galvanizado se le dar una proteccin especial.


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Aquella en caso que por la naturaleza del terreno, se tenga que optar por tubera

expuesta, se seleccionar por su resistencia a impactos y pueda instalarse sobre soportes debidamente anclados.

El dimetro se disear para velocidades mnima de 0,6 m/s y mxima de 3,0 m/s. El dimetro mnimo de la lnea de conduccin es de 3/4 para el caso de sistemas

rurales.

El aire acumulado en los puntos altos provoca la reduccin del rea del flujo del

agua, produciendo un aumento de prdida de carga y una disminucin del gasto. Para evitar esta acumulacin es necesario instalar vlvulas de aire automticas (ventosas) o manuales (figura 3).

) * + , - . / 0 ,) * + , - . / 0 ,, 1 ) - / 0 / 2 / 3 . 0 /

Los sedimentos acumulados en los puntos bajos de la lnea de conduccin con topografa accidentada, provocan la reduccin del rea de flujo del agua, siendo necesario instalar vlvulas de purga que permitan peridicamente la limpieza de tramos de tuberas (figura 4).


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4 5 6 7 8 9 7 : ; 6 9 < : : 5 ; 6= < > 7 ? 5 8 9 7 4 8@ 8 4 5 9 8 9 7 @ 7 9 5 A 7 6 = ; @

Al existir fuerte desnivel entre la captacin y algunos puntos a lo largo de la lnea de conduccin, pueden generarse presiones superiores a la mxima que puede soportar la tubera. En este caso se sugiere la instalacin de cmaras rompe-presin cada 50 m de desnivel.

La tubera de ingreso estar por encima de nivel del agua (figura 5).

B C D E F G B H I J I K L M N B C D E K I O P J I


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Para el dimensionamiento de la tubera, se tendrn en cuenta las siguientes condiciones:

La lnea gradiente hidrulica estar siempre por encima del terreno. En los puntos

crticos se podr cambiar el dimetro para mejorar la pendiente.

Para el propsito de diseo se consideran:

Ecuaciones de Hazen y Williams para dimetros mayores a 2 pulgadas o hay frmulas dimetros menores a 2 pulgadas como la de Fair Whipple.

Q = 1 x C x D 2.63 x hf 0.54 ( 1: Constante) Hazen y Williams Q = 2 x D 2.71x hf 0.57 ( 2: Constante) Fair Whipple hf = Hf / L (Hf: prdida de carga por tramo, L: Longitud del tramo)

En la lnea de conduccin, la presin representa la cantidad de energa gravitacional contenida en el agua. Se determina mediante la ecuacin de Bernoulli.

Z1 + P1/ + V1

2/2g = Z2 + P2/ + V22/2g + Hf

Donde:

Z = Cota de cota respecto a un nivel de referencia arbitraria. P/ = Altura de carga de presin P es la presin y el peso Especifico del fluido (m) V = Velocidad media del punto considerado (m/s). Hf = Es la prdida de carga que se produce de 1 a 2

Si V1 = V2 y como el punto 1 esta a presin atmosfrica, o sea P1 = 0. Entonces:

P2/ = Z1 - Z2 Hf (figura 6).


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P4 /

P3 /

Z 2

Z 1

2

1

Hf QNIVEL DE CARGA ESTATICAE

LE

VA

CIO

N

DISTANCIA

Z 2

Hf RHf SHf THf UP5 / P6 / P2 /

Es posible disear la lnea de conduccin mediante la combinacin de tuberas, tiene

la ventaja de optimizar las prdidas de carga, conseguir presiones dentro de los rangos admisibles y disminuir los costos del proyecto.

Se define lo siguiente:

Hf = Prdida de carga total (m). L = Longitud total de tubera (m). X = Longitud de tubera de dimetro menor (m). L-X = Longitud de tubera de dimetro mayor (m). hf1 = Prdida de carga unitaria de la tubera de mayor dimetro. hf2 = Prdida de carga unitaria de la tubera de menor dimetro. La prdida de carga total deseada Hf, es la suma de prdidas de carga en los dos tramos de tubera (figura 7). Hf = hf2 x X + hf1 x (L-X)


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TUBERIA DE

MENOR

TUBERIA DE MAYOR

LONGITUD TOTAL DE TUBERIA EN METROS ( L)

( X )(L - X)

PRESION RESIDUAL DESEADA

H

Hf 1

Hf 2

Hf 1

L.G.H.

L.G.H.

COTA

LONGITUD DE MAYOR DIAMETRO LONGITUD DE MENOR DIAMETRO

En zonas donde la topografa obligue el trazo de la lnea de conduccin con un

perfil longitudinal en forma de U, las clases de tubera a seleccionarse sern definidas de acuerdo a los rangos de servicio que las condiciones de presin hidrosttica le impongan (figura 2).

El caudal de una lnea de impulsin ser el correspondiente al consumo del mximo diario para el periodo de diseo. Tomando en cuenta que no resulta aconsejable ni prctico mantener perodos de bombeo de 24 horas diarias, habr que incrementar el caudal de acuerdo a la relacin de horas de bombeo, satisfaciendo as las necesidades de la poblacin para el da completo.

Caudal de bombeo = Qb = Qmd x 24 / N

N = Nmero de Horas de Bombeo Qmd = Caudal Mximo Diario


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Un procedimiento para la seleccin del dimetro es usando la frmula de Bresse.

D = K x X 1/4 x Qb 1/2

X = N de Horas Bombeo

24 K = 1.3 D = Dimetro en m Qb = Caudal de Bombeo en m3/s.

Determinado un D, se escogen dos (2) dimetros comerciales en torno al valor de Bresse, con velocidades comprendidas entre 0,6 a 2,0 m/s y se determina las prdidas de carga y potencia de equipo requerido en cada caso. El anlisis de costos que involucra tuberas, equipo y costos de operacin y mantenimiento permitir seleccionar el dimetro de mnimo costo.

En forma similar a como se determin para la lnea de conduccin por gravedad, habr que determinar las clases de tubera capaces de soportar las presiones de servicio y contrarrestar el golpe de ariete.

El conjunto elevador (motor-bomba) deber vencer la diferencia de nivel entre el pozo o galera filtrante del reservorio, ms las prdidas de carga en todo el trayecto (prdida por friccin a lo largo de la tubera, prdidas locales debidas a las piezas y accesorios) y adicionarle la presin de llegada (figura 8).

Hs = Altura de aspiracin o succin, esto es, altura del eje de la bomba sobre el

nivel inferior. Hd = Altura de descarga, o sea, la altura del nivel superior con relacin al eje de

la bomba. Hg = Altura geomtrica, esto es la diferencia de nivel; (altura esttica total) Hs + Hd = Hg HftotaV = Prdida de carga (totales). Ps = Presin de llegada al reservorio (se recomienda 2 m). Ht = Altura W inmica X otal en el sistema de bombeo, que corresponde a:

Ht = Hg + Hftotal + Ps


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LINEA DE GRADIENTE HIDRAULICA

Ps

Ps

Hs

Hf PERDIDA DE CARGA

Hg Hd

Se calcular con las frmulas y teoras de: Michaud, Vensano; de Spare; Teora Inelstica (Johnson, et al) y la de Allieve.

Puede calcularse mediante diversas metodologas; sin embargo, por su simplicidad

puede aplicarse la teora de Allieve, que se resume a continuacin:

Datos requeridos para calcular el aumento de presin: D = Dimetro de la tubera (m) e = Espesor de la tuberia (m) g = Aceleracin de la gravedad (m/s2.) C = Celeridad (m/s) L = Longitud de la tubera (m) Ho = Carga Esttica (m) Vo = Velocidad en la lnea (m/s)

Tiempo crtico (Tc) = 2 x L / a Tiempo para que el caudal sea nulo (T) = 1 + (k x L x V x Ho / g) a = 9900/ (48+0.5 x (D / e))1/2 considerando a 1000 m/s. k = Coeficiente experimental, donde k = 2-0.0005 x L para valores de L menores de 2000m Constante K de la tubera: K = C x Vo / (2 x g x Ho)

Con K, Tc y T, se halla: N = T / Tc (Tiempo relativo de maniobra).

En el baco de Allieve en la interseccin de K y N lleva las lneas diagonales dan la relacin (Ho + y) / Ho donde y representa el aumento de presin (vase anexo 1).

Se determina la presin a la carga total en la lnea producida por el Golpe de Ariete y la clase de tubera adecuada.


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Las medidas para evitar el Golpe de Ariete son:

a) Limitacin de la velocidad en las tuberas. b) Cierre lento de vlvulas y registros, construccin de piezas que no permitan la

obstruccin muy rpida. c) Empleo de vlvulas y dispositivos mecnicos especiales, vlvulas de alivio. d) Utilizacin de tuberas que puedan soportar sobrepresiones ocasionadas por el golpe

de ariete. e) Construccin de pozos de oscilacin capaces de absorber los golpes, permitiendo la

oscilacin de agua. Esta solucin es adoptadada siempre que las condiciones topogrficas sean favorables y las alturas geomtricas pequeas. Los pozos de oscilacin deben ser localizados tan prximos como sea posible de la casa de mquinas.

f) Instalacin de cmaras de aire comprimidas que proporcionen el amortiguamiento de los golpes. El mantenimiento de estos dispositivos requieren ciertos cuidados, para que se mantenga el aire comprimido en las cmaras.

Se mantendr las mismas recomendaciones para el uso de las vlvulas de aire y de purga del numeral 6.5.

La lnea gradiente hidrulica se traza partiendo de la estacin de bombeo con la altura dinmica total y la presin residual de llegada al reservorio.

Pueden presentarse los siguientes casos:

Tubera anclada compuesta de fierro galvanizado o resistente al intemperismo.

En las reas propensas a las avalanchas hay que utilizar cruces suspendidos. Los

puntos de anclaje del cruce deben asentarse sobre terreno firme y la tubera en suspensin debe ser lo suficientemente alta para evitar ser golpeadas por deslizamiento o por detritos.


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Son formadas por cursos de agua temporales. Las hondonadas angostas y profundas se pueden cruzar con tuberas de Fierro Galvanizado por encima de la hondonada con o sin apoyo intermedio, libre del mximo nivel de inundacin y asegurado en las riberas. Las hondonadas ms anchas tendrn que cruzarse con tubera de Fierro Galvanizado enterrado de la mejor manera posible, y confinado en concreto armado si fuera necesario (figura 9).

Los riachuelos angostos se pueden cruzar de manera similar a las hondonadas angostas, pero se debe prestar atencin a que las riberas del riachuelo, directamente debajo del punto de cruce, permanezcan estables. Se recomienda la construccin de muros de contencin con piedra seca de albailera, o cestones.

Los riachuelos ms anchos requerirn un cruce en suspensin.

Pueden requerirse para tuberas suspendidas que cruce un ro ancho, o terreno inestable sujeto a erosiones o deslizamientos. Para este diseo especial de ingeniera se considera:

La tubera suspendida debe ser lo suficientemente alta para no ser daada por elementos que flotan por el ro, por el nivel mximo de crecida, por rocas o pedregones desprendidos.


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El cable que sujeta a la tubera debe estar adecuadamente anclada en ambos extremos sobre el terreno firme. El cable que sujeta la tubera debe ser lo suficientemente fuerte como para soportar su propio peso, el de la tubera y el del agua que ella transporta; as como las fuerzas generadas por el viento, el balanceo y la carga de montaje. La tubera debe estar fuertemente asegurada al cable suspendido, ya sea con varillas, o pndolas con grapas. Las uniones de las tuberas deben ser flexibles para garantizar su alineamiento en cambios de temperatura durante el da.

Agua potable para poblaciones rurales. Sistema de Abastecimiento por Gravedad - Roger Agero Pittman-Asociacin de Servicios Rurales (SER) 1997.

Reglamento Nacional de Construcciones del Per, 2002.

Manual de HIDRULICA J. M Azevedo Netto-Guillermo Acosta lvarez 1975 editorial HARLA S.A.

Sistema de Agua Potable por Gravedad para Poblaciones Rurales- Thomas D. Jordan Jr.-Tecnologa Intermedia, 1988.

Abastecimiento de Agua Teora y Diseo-simn Arocha R-Ediciones Vega S.R.L., 1980.

Ttulo: Sistemas de Abastecimiento de Agua Potable Rural: cuaderno de referencia para los tcnicos de saneamiento ambiental, cdigo 2.1.3. Autor: Personal: Guillama Rodrguez, Jos Luis; Oceguera Gonzles, Jos Luis Fuente: Ciudad de la Habana; OPS, ago. 1996, 143 p. Ilus.

Gua para el diseo de Sistemas de Abastecimiento de Agua Potable, Eliminacin de Excretas y Residuos Lquidos para Localidades del rea Rural. Preparado por: Ing. Marcelo Muoz R. Quito 1993. Instituto Ecuatoriano de Obra Pblica.


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