Criterios de diseño para las líneas de las aducciones

A continuación se expone los criterios de diseño de las líneas de aducciones de los sistemas de agua potable (presentado de forma más extensa en el software AQUASYSTEMS) que está res-paldado conceptualmente en la ecuación de la energía.

La ecuación de la energía presentada se diferencia de la ecuación de Bernoulli, porque la ecuación de Bernoulli, se aplica a condiciones de flujo sin fricción, y la ecuación de la energía incluye ganancias y pérdidas de energía. Una exposición clara de la aplicación de la ecuación de la energía es suficiente para demostrar la solidez de los diseños.

Diseño de Sistemas de Aducción por gravedad basada en la ecuación de la energía con AQUASYSTEMS

Se ha definido como línea de aducción como una línea de tubería que conduce agua de mane-ra ininterrumpida desde una fuente donde el nivel de agua está a presión de la atmósfera hasta un tanque receptor donde se libera el agua también está a presión de la atmósfera.

Para una comprensión del trabajo ejecutado, se muestra en las figuras 1 y 2 a continuación, tenemos presión atmosférica en el punto A y también presión atmosférica en la entrega, en el punto B. El agua fluye en el sistema sin restricción: no hay ningún cierre de la tubería a lo largo del flujo, y tampoco a la entrada al tanque, y por lo tanto no actúa la presión estática en ningún punto del sistema, POR LO TANTO, NO SE REQUIEREN DE CÁMARAS ROMPE PRESIÓN. (Nota: se coloca una llave de cierre sólo a la salida de la fuente, y seguidamente una válvula de admisión de aire para prevenir el colapso de la tubería en caso de vaciado del sistema.)

En la figura 1 a continuación, tenemos una tubería de un diámetro de 1½ pulgadas que lleva un caudal de 1 lps. La línea piezométrica (de color rojo) del sistema se encuentra a mayor altura que la tubería en toda su extensión indicando que existe energía suficiente para condu-cir al agua en la tubería. Obsérvese que la línea piezométrica une la presión atmosférica en A y la presión atmosférica en B. La tubería está conduciendo el caudal a su máxima capacidad (en el ejemplo de la figura, 1 lps).

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El objetivo de diseño de nuestro sistema de tuberías consiste en manipular las pérdidas de

energía para un caudal dado mediante la selección adecuada de uno o varios diámetros a lo largo del sistema de aducción. En un proyecto, se pueden presentar dos casos, para los cuales es factible tener una combinación de diferentes diámetros, y por ello hay múltiples soluciones para cada sistema.

CASO 1: En la figura 1, tenemos además de una solución con diámetro 1½” (color rojo), otra posible solución (piezométrica de color verde) en la cual se ha combinado 2 diámetros dife-rentes: un tramo con diámetro 2 pulgadas, y un segundo tramo con diámetro 1 pulgada. El sistema 2 está diseñado para el mismo caudal Q= 1 lps.

CASO 2: En la figura 2 a continuación vemos que existe un terreno diferente. El emplazamien-to de la tubería sobre este terreno determina que para una tubería de 1½” de diámetro, la

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línea piezométrica pasa por debajo de la tubería. Se recomienda que la línea piezométrica se encuentre siempre encima de la tubería en todos sus tramos. Diversos autores recomiendan alturas mínimas entre 5 y 10 mca sobre la tubería, y la Norma Boliviana NB689 especifica que la presión mínima en cualquier punto a lo largo de la aducción debe ser superior a 2.0 mca.

Para manipular las pérdidas en el sistema podemos elegir diferentes diámetros a fin de man-tener la línea piezométrica a mayor altura que la tubería. Por ello en el ejemplo de la figura 2 se eligió un tramo de 2” seguido de un tramo de 1”. Una mayor pendiente de la línea piezo-métrica indica mayores pérdidas. La línea piezométrica de la alternativa Nº 2 (verde) está en todos los tramos a mayor altura que la tubería. Además de diferentes diámetros, se puede variar el tipo de material para obtener diferentes pendientes de pérdidas.

Obsérvese que al llegar al punto B la línea piezométrica verde muestra una altura residual de carga. Alturas residuales razonables están en el orden de +5 a +10 mca. La altura residual de carga positiva en el punto de entrega significa que la tubería tiene capacidad para un caudal algo mayor que el caudal de diseño. Si la altura residual es significativamente mayor que estos parámetros el sistema estará sobredimensionado y probablemente el sistema funcionará a sección parcialmente llena.

Por todo lo expuesto, concluimos que en sistemas de aducción es factible tener una combina-ción de diferentes diámetros que determinen alturas piezométricas adecuadas a lo largo del sistema para que el sistema opere a sección llena en todos sus tramos.

Capacidad del Sistema de Aducción

Un sistema de aducción debe llevar el Caudal Máximo Diario de proyecto y para ello diseña-mos un sistema con esa capacidad. La capacidad de una tubería está sujeta a los parámetros de diámetro de la tubería, tipo de tubería y emplazamiento topográfico. No es correcto supo-ner, por ejemplo, que una tubería de 2” tiene determinada capacidad en todos los casos; una misma tubería tendrá diferentes capacidades en diferentes emplazamientos. Además, un sis-tema que funciona exclusivamente con energía de la gravedad no llevará más caudal que el que impone su capacidad.

Para determinar la capacidad de una tubería aplicamos la ecuación de la energía entre 2 pun -tos A y B de la tubería (referirse a figura 1):

p Aγ

+ zA+V A

2

2 g=pBγ

+zB+V B

2

2g+hL

En las aducciones tanto la fuente como el tanque receptor están abiertos a la atmósfera así

que los términos p Aγ

son iguales a cero; V A también es cero. Reescribimos la ecuación de

la energía como:

z A= zB+V B

2

2g+hL

De donde obtenemos la velocidad por métodos numéricos de aproximación contando con los datos de diámetro, longitud y tipo de tubería.

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Una vez determinada la velocidad, obtenemos el caudal de nuestro sistema con la ecuación de continuidad V= Q/A. Este caudal es la capacidad a sección llena de la tubería en todos los tramos del sistema. Un sistema no tiene capacidad para conducir un caudal mayor que el determinado aun en caso de que la fuente ofrezca mayor caudal. Sin embargo, si la fuente entrega menor caudal que el requerido, la tubería presentará flujo a sección parcialmente llena en algunos tramos del sistema.

Trazo de la Línea Piezométrica

Para diseñar una aducción trazamos la línea piezométrica sobre el perfil longitudinal del siste-ma. Para ello acudimos nuevamente a la ecuación anterior eliminando el término de velocidad por ser despreciable, contando con los parámetros de caudal, diámetro, material, y longitudes y cotas topográficas. Para optimizar un diseño, analizamos cómo se comporta la línea piezo-métrica con diferentes combinaciones de diámetros hasta lograr una óptima combinación de manera que el agua fluya a sección llena y con presión adecuada a lo largo de todo el sistema.

Dimensionamiento hidráulico

Todo el comportamiento arriba indicado, se presenta por tramos en la planilla hidráulica del sistema de agua de San Buenaventura en el Anexo 12, y se registra nodo a nodo la aplicación de la ecuación de energía del sistema incluyendo el diseño de todas las aducciones y todas las redes de distribución. Los perfiles longitudinales en los planos son la exposición gráfica de las planillas de cálculo hidráulico donde se puede analizar muy rápidamente el comportamiento de la línea piezométrica del sistema. Esta es la finalidad de los perfiles longitudinales, herra-mientas indispensables para analizar el funcionamiento hidráulico del sistema y en los cuales será fácil comprender cómo se ha controlado la presión a lo largo de la aducción y por qué varían los diámetros y el por qué no se ha considerado cámaras rompe presión.

Entonces para el sistema de agua de los subsistemas de San Buenaventura, los datos relevan-tes son Población actual, índice de crecimiento, tiempo de proyección (20 años), Población proyectada, Dotación y coeficientes k1=1.5 y k2=2.0. Con estos datos se obtuvo el caudal me-dio, el QMD y el QMH para el año 2032.

Con la metodología explicada líneas arriba, se ha procedido a realizar el cálculo hidráulico mostrado en las planillas del Anexo 12. En los puntos elevados donde existe un ángulo de inflexión considerable se ha previsto la instalación de válvulas de aire o ventosas, como tam-bién en los puntos bajos de válvulas de limpieza o purga de lodos, la ubicación de estos ele-mentos se indican en los planos.

Existen puentes y cruces de quebradas sólo en los sectores de mayor depresión y en cursos de agua que temporalmente tienen crecida, en estos tramos la tubería será de fierro galvanizado (F.G.).

En el cálculo, necesariamente se ha considerado las recomendaciones de la Normativa vigen-te, que el Ministerio del medio Ambiente y Agua ha publicado, entre otras, éstas son:

La Norma Boliviana NB 689 “Norma Técnica de Diseño para Sistemas de agua potable.

- El Reglamento Técnico de diseño para sistemas de agua potable.

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- El Manual de Diseño para sistemas de agua potable y saneamiento en poblaciones mayo-res a 10.000 habitantes.

- El Reglamento de Presentación de Proyectos de Sistemas de Agua Potable y Saneamiento para poblaciones mayores a 2.000 habitantes.

Es recomendable, controlar que la presión de agua a la llegada al tanque, sea no menor a 3 m.c.a., con la finalidad de prever caídas de presión en el trayecto, como también de las posi -bles implementaciones de artefactos o en su caso módulos de tratamiento en el sitio del tan-que. En Anexo 12, se presentan las planillas de cálculo hidráulico.

En red, se ha establecido implementar válvulas de cierre para efectos de distribución, control y operación & mantenimiento requerido y evitar cortar a toda la población cuando se presen-ta algún percance en la red.

Las planillas de cálculo hidráulico, donde se muestran en detalle y por tramos los diferentes datos de cálculo (velocidades, presiones, diámetros, tipos de material por tramo, etc.), tanto para las líneas de aducción (existente y nueva) y red, se puede verificar en Anexo 12.

Los coeficientes “C” de Hazen Williams de rugosidad interna o coeficientes de fricción según el material utilizados para tuberías de PVC igual a 140 (adimensional) y para FG igual a 100 (adi-mensional).

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