Caracterización experimental de condiciones de flujo mixto

Caracterización experimental de

condiciones de flujo mixto en

alcantarillado pluvial debido a eventos

que exceden el caudal de diseño

Evelyn Esperanza Burbano Argoty

Universidad Nacional de Colombia

Facultad de Ingeniería y Arquitectura

Departamento de Ingeniería Civil

Manizales, Colombia

2020

Caracterización experimental de

condiciones de flujo mixto en

alcantarillado pluvial debido a eventos

que exceden el caudal de diseño

Experimental characterization of mixed flow

conditions in storm sewers caused by precipitation

events that exceeds design flow

Evelyn Esperanza Burbano Argoty

Trabajo de grado presentado como requisito parcial para optar al título de:

Magister en Ingeniería – Recursos Hidráulicos

Director:

Philippe Chang PhD.

Grupo de Investigación:

Grupo Académico de Trabajo en Ingeniería Hidráulica y Ambiental

Universidad Nacional de Colombia

Facultad de Ingeniería y Arquitectura

Departamento de Ingeniería Civil

Manizales, Colombia

2020

Algunas veces solo miro hacia arriba, sonrío y digo,

“¡Sé que fuiste tú Dios!

¡Gracias!”

- Anónimo

Cuando trates con el agua consulta primero la práctica, y luego la teoría.

- Leonardo da Vinci

Agradecimientos

Desarrollar este trabajo fue un reto para mí, y por eso deseo transmitir mis más sinceros

agradecimientos a quienes estuvieron alentándome y guiándome en este proceso.

En primer lugar a mi director, PhD. Philippe Chang, por su orientación, su atención en todo

momento, por creer en mí y brindarme además, consejos y palabras oportunas que me han

ayudado a crecer personal y profesionalmente. Gracias también por su gestión en el

laboratorio de hidráulica para el desarrollo de este trabajo experimental.

A mi mamá, Esperanza Argoty, por su amor y apoyo en cada propósito de mi vida, espero

algún día poder corresponder a todo lo que día a día hace por mí.

A mi papá, Orlando Burbano y a mis hermanos Leonel y Danilo, por estar siempre conmigo

y para mí. Gracias por soportar mi ausencia y vivir con amor mis logros.

Al laboratorio de hidráulica de la Universidad Nacional de Colombia sede Manizales,

especialmente al operador Wilmar Aguirre por su acompañamiento.

Resumen y Abstract IX

Resumen

Esta investigación caracteriza experimentalmente el flujo mixto en el tramo inicial de un

alcantarillado pluvial para el caso de entrada en carga desde el extremo aguas arriba, debido

al incremento instantáneo de caudal que resulta de la escorrentía de un evento de

precipitación que excede el diseño. Un evento de precipitación significativo puede, en

muchas ocasiones exceder las medidas de diseño de algunos elementos del drenaje urbano

como elementos de captación y conductos, provocando que el sistema de drenaje se

encuentre rebosando. En los conductos, se presenta un aumento progresivo del caudal de

entrada y, por tanto, inicia una entrada en carga desde el extremo aguas arriba que puede

derivar inundación por las calles con las consecuencias asociadas.

En este trabajo se revisaron las diferentes formulaciones teóricas que describen el fenómeno

de flujo mixto en alcantarillados pluviales y, se estudiaron los criterios prescritos para el

diseño de este tipo de conductos en algunas referencias internacionales y en la normativa

colombiana. La normativa colombiana proporciona en primer lugar, los criterios para

caracterizar la precipitación y la incidencia del drenaje urbano. Posteriormente, establece

unos valores límite de las variables que hacen parte del diseño hidráulico de conductos y

también específicamente del tramo inicial del alcantarillado pluvial. Sobre los criterios para

el diseño hidráulico del tramo inicial, se destacan la estipulación de una pendiente mínima

de 2% y un valor máximo permisible de la relación de llenado para el caudal de diseño, de

93%. Siguiendo estos criterios, se desarrolló el diseño teórico del tramo inicial de un

alcantarillado pluvial que se encargaría de la evacuación de un caudal que resultaría de la

escorrentía de un lote hipotético ubicado en la ciudad de Manizales. Después, se elaboró un

montaje experimental que representó este conducto del tramo inicial. El montaje estuvo

compuesto de una tubería de 18 m de longitud, 0.26 m de diámetro y 2% de pendiente, en

la cual se suministró un aporte variable de caudal con un aumento progresivo hasta alcanzar

un caudal pico teórico de 0.14 m3/s. Mediante grabaciones y mediciones de velocidad se

observó la evolución del flujo.

X Resumen y Abstract

A la luz de las conclusiones de este estudio, se recomendaría a la normativa colombiana

integrar nuevas limitantes para el diseño del tramo inicial del alcantarillado pluvial, estas

sugerencias son una pendiente mínima de 3% y una relación de llenado máxima de 80%.

Debido a que al hacer el diseño teórico y el experimento, se evidenció que incluso cuando

se cumplieron los requisitos actualmente estipulados, el diseño presenta debilidades que

pueden llevar a inundaciones sobre la calle o la ocurrencia no prevista de un flujo mixto en

la tubería.

Palabras clave: Alcantarillado pluvial, caracterización experimental, entrada en carga, flujo

mixto, oleada.

Resumen y Abstract XI

Abstract

This experimental study investigated mixed flow conditions in storm sewers that exceed

design flow, as it arises from the sudden increase in discharge. Significant precipitation

runoff can occasionally exceed the design capacity of some urban drainage elements such

as sewer intakes, causing the system to overflow. An increase in the inlet flow may result in

a pressure surge that is induced upstream and may lead to flooding with the associated

consequences.

This investigation reviewed the different theoretical principles that describe the mixed flow

phenomenon in storm sewers and examined the various considerations prescribed for storm

sewer design internationally and in Colombia. The Colombian regulation for sewer design

provides specific standards to characterize precipitation and its incident runoff in an urban

context. It subsequently establishes design limit values for the various hydraulic variables,

specifically for sewer length and intake to the system; of those, a minimum channel slope

of 2% and maximum permissible relative flow depth of 93% stand out.

In accordance with such standards, this study undertook the hydraulic design of a storm

sewer associated with a hypothetical parking lot located in the city of Manizales. An

experimental setup was then implemented to represent the actual intake design of the storm

sewer. The experimental setup included a 18 m long pipe, 0.26 m ID upon a 2% longitudinal

grade, and was provided with a variable flow intake tank that supplied a progressive but

increasing discharge flow over time, up to a theoretical design peak flow of 0.14 m3/s.

Through high frequency video recording and velocity measurements, the evolution of the

flow over time was characterized.

This investigation concluded that the Colombian storm sewer design standard may be

improved by providing new guidelines of 3% minimum slope and a maximum relative depth

of 80% at the channel intake. The later experiment evidenced that even though the stipulated

design standard may be met, flooding may occur at the upstream sewer intake, although the

XII Contenido

maximum design flow may not have yet been reached, as unanticipated mixed flow

conditions is developing in the pipe.

Keywords: Storm sewer system, experimental characterization, surcharged, mixed flow,

pressure bore.

Contenido XIII

Contenido

Pág.

Resumen ............................................................................................................................. IX

Abstract .............................................................................................................................. XI

Contenido ........................................................................................................................ XIII

Lista de figuras ................................................................................................................. XV

Lista de tablas .............................................................................................................. XVIII

Introducción .......................................................................................................................19

Contexto .......................................................................................................................... 20 Objetivos ......................................................................................................................... 22

Objetivo general ...........................................................................................................22

Objetivos específicos ....................................................................................................22 Metodología .................................................................................................................... 22

1. Revisión de literatura y normas de interés ...............................................................25

1.1 Revisión de literatura ........................................................................................... 25 1.1.1 Investigación Experimental – Flujo mixto ........................................................25 1.1.2 Investigación Numérica – Flujo mixto ..............................................................59 1.1.3 Consideraciones finales de la revisión de literatura ..........................................70

1.2 Identificación de normativas para el diseño de alcantarillado pluvial ................. 71

1.2.1 Reglamento Técnico para el sector de Agua Potable y Saneamiento Básico,

RAS 2000 .....................................................................................................................71

1.2.2 Resolución número 0330 de 2017 del Ministerio de Ciudad, Vivienda y

Territorio. Colombia .....................................................................................................73 1.2.3 Especificaciones técnicas - Aguas de Manizales S.A. E.S.P. (2016) ................76 1.2.4 Algunos aspectos de normas internacionales destacados ..................................76 1.2.5 Comparativo de las normativas evaluadas.........................................................80

2. Marco teórico ..............................................................................................................83 2.1 Caudal de diseño .................................................................................................. 83 2.2 Variables para el diseño hidráulico de un conducto circular ............................... 86

XIV Contenido

2.2.1 Flujo uniforme en una tubería circular parcialmente llena ................................86 2.2.2 Cálculo de variables hidráulicas en conductos de sección circular ...................89

2.3 Clasificación general del flujo mixto ................................................................... 91 2.4 Ecuaciones fundamentales del flujo en alcantarillas ............................................ 92

3. Análisis de diseño teórico de alcantarillado pluvial en la ciudad de Manizales .105 3.1 Caracterización de la zona de aplicación ........................................................... 105 3.2 Diseño del conducto ........................................................................................... 108

3.2.1 Hidrología de la zona de estudio .....................................................................109 3.2.2 Hidráulica del alcantarillado ............................................................................114

3.2.3 Resultados teóricos ..........................................................................................115

4. Desarrollo experimental ...........................................................................................117

4.1 Caracterización experimental del alcantarillado de estudio ............................... 117 4.1.1 Descripción del montaje experimental ............................................................117

4.1.2 Proceso experimental .......................................................................................124

4.2 Resultados preliminares de la experimentación ................................................. 127 4.2.1 Nivel en el tanque elevado 3.0 m ....................................................................127 4.2.2 Nivel en el tanque elevado 3.5 m ....................................................................131

4.3 Interpretación de los resultados experimentales ................................................. 135 4.3.1 Nivel en el tanque elevado 3.0 m ....................................................................135 4.3.2 Nivel en el tanque elevado 3.5 m ....................................................................137

4.4 Condiciones del flujo en transición .................................................................... 139 4.5 Conclusiones del desarrollo experimental .......................................................... 144

5. Análisis y Discusión ..................................................................................................145

5.1 Evaluación con respecto a estudios anteriores ................................................... 145 5.2 Limitaciones del diseño teórico establecido y consecuencias ............................ 150

5.3 Recomendaciones a la norma ............................................................................. 157 5.4 Limitaciones del experimento ............................................................................ 159 5.5 Estudios futuros .................................................................................................. 160

Conclusión ........................................................................................................................161

Anexos ...............................................................................................................................164

Bibliografía .......................................................................................................................171

Contenido XV

Lista de figuras

Pág.

Figura 1: Flujo mixto: superficie libre y a presión ............................................................. 21

Figura 2: Modelo experimental de Hamam & McCorquodale (1982) ............................... 26

Figura 3: Montaje experimental de Cardie, Song & Yuan (1989) ...................................... 28

Figura 4: Modelo experimental de Capart et al. (1997) ...................................................... 31

Figura 5: Niveles de agua calculados y medidos en C3, C4 y C6. ..................................... 32

Figura 6: Resalto moviéndose lentamente hacia aguas arriba ............................................ 32

Figura 7: Liberación repentina de agua del tanque aguas abajo. ........................................ 33

Figura 8: Modelo experimental de Trajkovic (1999). ......................................................... 34

Figura 9: Experimento Tipo A: nivel piezométrico P5 y P7 - apertura de la compuerta

aguas abajo .......................................................................................................................... 35

Figura 10: Experimento Tipo C: nivel piezométrico medido en P2, P4, P6 y P8. ............. 35

Figura 11: Experimento Tipo D: nivel piezométrico medido en P5, P6 y P7. ................... 36

Figura 12: Modelo experimental de Gómez (2001) ............................................................ 37

Figura 13: Modelo experimental de Li & McCorquodale (2001) ....................................... 39

Figura 14: Comparación de transitorios de presión, profundidad de flujo relativa de 0.75 40

Figura 15: Montaje experimental de Vasconcelos & Wright (2003) .................................. 41

Figura 16: Presión observada en el canal horizontal para diferentes caudales y niveles

iniciales ............................................................................................................................... 42

Figura 17: Presión observada en el canal con pendiente favorable del 0.2% para diferentes

caudales y niveles iniciales ................................................................................................. 42

Figura 18: Presión observada en el canal con pendiente adversa (0.1%) para diferentes

caudales y niveles iniciales ................................................................................................. 43

Figura 19: Esquema de movimiento previo del resalto e interfaz de presurización ........... 46

Figura 20: Modelo experimental de Ferreri, Ciraolo y Lo Re (2014) ................................ 47

Figura 21: Montaje experimental de Szydłowski (2014) .................................................... 51

Figura 22: Montaje experimental de Aureli (2015) ............................................................ 53

Figura 23: Montaje experimental de atrapamiento de aire por llenado rápido de tuberías . 57

Figura 24: Comparación de hidrogramas de salida calculados por los modelos

HydroWorks y DORA. ....................................................................................................... 61

Figura 25: Comparación numérico experimental en la sección P5..................................... 63

XVI Contenido

Figura 26: Comparación numérico experimental en la sección P7..................................... 63

Figura 27: Comparación numérico experimental de la entrada en presión aguas abajo ..... 64

Figura 28: Esquema de la geometría del túnel de aguas pluviales ..................................... 66

Figura 29: Esquema de la geometría del túnel .................................................................... 68

Figura 30: Esquema Sumidero – conducto pluvial ............................................................. 82

Figura 31: Conducción libre de sección circular ................................................................ 87

Figura 32: Relación de los elementos hidráulicos de una alcantarilla circular parcialmente

llena a los de la misma sección totalmente llena ................................................................ 88

Figura 33: Sección de control de flujo de entrada típica .................................................... 93

Figura 34: Sección de control de flujo de salida típica ....................................................... 94

Figura 35: Flujo en alcantarillas Tipo 1 .............................................................................. 96





Figura 40: Flujo en alcantarillas Tipo 6 ............................................................................ 100

Figura 41: Curva de transición de flujo Tipo 1 a Tipo 5 en alcantarilla cajón. ................ 102

Figura 42: Curva de transición de flujo Tipo 1 a Tipo 5 en alcantarilla circular. ............. 102

Figura 43: Curva de transición de flujo Tipo 2 a Tipo 6 en alcantarilla cajón. ................ 103

Figura 44: Curva de transición de flujo Tipo 2 a Tipo 6 en alcantarilla circular. ............. 104

Figura 45: Caracterización topográfica de Manizales ...................................................... 107

Figura 46: Avenida Kevin Ángel durante aguacero, 12 abril 2016. Manizales ................ 108

Figura 47: Inundación pluvial Avenida Kevin Ángel, 20 febrero 2018. Manizales ......... 108

Figura 48: Área de drenaje ................................................................................................ 109

Figura 49: Esquema área aportante ................................................................................... 111

Figura 50: Curva IDF para la ciudad de Manizales .......................................................... 112

Figura 51: Hidrograma de precipitación simulado en el escenario 1 ................................ 113

Figura 52: Hidrograma de precipitación simulado en el escenario 2 ................................ 113

Figura 53: Foto del montaje experimental ........................................................................ 118

Figura 54: Esquema del montaje experimental ................................................................. 118

Figura 55: Fotos tanque elevado ....................................................................................... 119

Figura 56: Esquema tanque elevado ................................................................................. 119

Figura 57: Válvula de control tipo sluice gate de 8 pulgadas de diámetro ....................... 120

Figura 58: Fotos de la tubería de CPVC del montaje experimental ................................. 121

Figura 59: Ventana de acrílico instalada en el conducto .................................................. 121

Figura 60: Perforación en la tubería para medición de caudal .......................................... 122

Figura 61: Tanque ubicado aguas abajo ............................................................................ 122

Figura 62: Medidor de flujo electromagnético OTT MF pro y componentes utilizados .. 123

Figura 63: Piezómetros utilizados para medir la presión a lo largo de la tubería ............. 124

Figura 64: Hidrogramas: suministrado con la válvula de control, escenario 1 y 2 ........... 126

Contenido XVII

Figura 65: Nivel en el tanque a través del tiempo para un nivel inicial de 3.0 m ............. 128

Figura 66: Velocidad en la salida a través del tiempo para un nivel inicial de 3.0 m ...... 128

Figura 67: Relación de llenado en el tiempo para un nivel inicial de 3.0 m ..................... 129

Figura 68: Nivel en el tanque a través del tiempo para un nivel inicial de 3.5 m ............. 132

Figura 69: Relación de llenado teórico en el tiempo para un nivel inicial de 3.5 m ......... 132

Figura 70: Caudal a través del tiempo para un nivel inicial de 3.0 m ............................... 136

Figura 71: Velocidad y relación de llenado en el tiempo para un nivel inicial de 3.0 m .. 136

Figura 72: Caudal y relación de llenado en el tiempo para un nivel inicial de 3.5 m ....... 138

Figura 73: Adaptación de la curva de transición de flujo Tipo 1 a Tipo 5 en alcantarilla

circular Fuente: (Bodhaine, 1982) .................................................................................... 155


llena a los de la misma sección totalmente llena .............................................................. 158

XVIII Contenido

Lista de tablas

Pág.

Tabla 1: Requisitos técnicos para los sistemas de alcantarillado pluvial RAS 2000 .......... 73

Tabla 2: Requisitos de alcantarillado pluvial Resolución 0330 de 2017 ............................ 75

Tabla 3: Especificaciones técnicas para tubería de conexión de sumideros ....................... 76

Tabla 4: Comparación de parámetros de diseño de normativas internacionales ................ 81

Tabla 5: Relación entre una lluvia y un hidrograma de escorrentía ................................... 84

Tabla 6: Factores que influyen en la capacidad de la alcantarilla según el tipo de control 96

Tabla 7: Parámetros para la obtención del caudal pico de lluvia de diseño ..................... 114

Tabla 8: Variables hidráulicas de diseño para los caudales suministrados en los escenarios

1 y 2................................................................................................................................... 116

Tabla 9: Protocolo para el desarrollo de las pruebas de experimentación ........................ 125

Tabla 10: Imágenes de la grabación en la ventana y en la salida de la tubería, prueba

0.0.3.A ............................................................................................................................... 129


0.0.3.B ............................................................................................................................... 133

Tabla 12: Flujo en transición lámina libre – presión, nivel inicial en el tanque de 3.0 m 140

Tabla 13: Flujo en transición presión – lámina libre, nivel inicial en el tanque de 3.0 m 141

Tabla 14: Flujo en transición lámina libre – presión, nivel inicial en el tanque de 3.5 m 142

Tabla 15: Flujo en transición presión – lámina libre, nivel inicial en el tanque de 3.5 m 143

Tabla 16: Eventos dentro del sistema según la relación de llenado del conducto ............ 147

Tabla 17: Clasificación del flujo dentro de la tubería experimental ................................. 153

Tabla 18: Coeficientes para la ecuación de intensidades de la curva IDF ........................ 164

Tabla 19: Nivel en el tanque elevado (m) para un nivel inicial de 3.0 m ......................... 164

Tabla 20: Nivel en el tanque elevado (m) para un nivel inicial de 3.5 m ......................... 165

Tabla 21: Velocidad (m/s) en la salida, para un nivel inicial de 3.0 m ............................. 165

Tabla 22: Relación de llenado (m/m) en la ventana, para un nivel inicial de 3.0 m ......... 166

Tabla 23: Relación de llenado (m/m) en la salida, para un nivel inicial de 3.0 m ............ 167

Tabla 24: Relación de llenado (m/m) en la ventana, para un nivel inicial de 3.5 m ......... 168

Tabla 25: Relación de llenado en la salida (m/m) para un nivel inicial de 3.5 m ............. 169

19

Introducción

Un alcantarillado pluvial tiene como función la conducción y evacuación de aguas pluviales

para prevenir la inundación de la superficie urbana. El diseño de los elementos de drenaje

urbano como conductos y sumideros de captación procede de la caracterización de la

precipitación, de la incidencia de la escorrentía en la zona y de la afectación que pueda

causar el sistema de drenaje presente. El diseño hidráulico de los conductos se hace para que

funcionen a lámina libre. Sin embargo, cuando ocurre un evento de precipitación superior

al considerado en el diseño, los conductos pueden entrar en presión, y el flujo a lo largo del

conducto puede estar de manera simultánea a presión en una parte y a lámina libre en otra,

esto se conoce como flujo mixto.

La presente investigación tenía como propósitos simular experimentalmente las condiciones

de flujo mixto en un conducto de alcantarillado pluvial, condiciones que resultarían de una

precipitación ocurrida en la ciudad de Manizales y que sobrepasa el caudal de diseño

previsto para la obra. Y también, caracterizar el flujo mixto en términos de relación

velocidad – relación de llenado, en el tramo inicial de un alcantarillado pluvial, permitiendo

valorar el Reglamento Técnico para el sector de Agua Potable y Saneamiento Básico

(adoptado a través de la resolución número 0330 de 2017) de Colombia y hacer

recomendaciones al respecto.

A continuación, se presenta el contexto, los objetivos y la metodología empleada en el

presente estudio.

20 Caracterización experimental de condiciones de flujo mixto

Contexto

Un alcantarillado pluvial está formado por un conjunto de conductos interconectados. Estos

conductos normalmente se diseñan para que trabajen en lámina libre cuando por ellos circula

el caudal de diseño o un caudal inferior. Este régimen de flujo en lámina libre permite

establecer una conexión entre las condiciones del diseño del conducto y la escorrentía que

se observa a nivel de la superficie de la ciudad, de tal manera que los caudales de escorrentía

ingresen sin problema al alcantarillado pluvial. Por el contrario, si el conducto en algún

momento funciona en condiciones de flujo en presión, puede producirse un paso de caudales

del conducto al exterior (Dolz Ripollès & Gómez, 1994).

El caudal de aguas lluvias se calcula en principio, a través de un estudio hidrológico

utilizando modelos que relacionan lluvia a la escorrentía, que permiten evaluar el volumen

de la precipitación en el tiempo en términos de caudal. El diseño de un conducto de

alcantarillado pluvial consiste en dimensionar el diámetro y la pendiente que permitan

evacuar el caudal requerido (estimado) asegurando que el flujo en lámina libre cumple con

una velocidad mínima que garantiza la autolimpieza del conducto, y una velocidad máxima

que reduce la abrasión a largo plazo en el conducto.

La ocurrencia de un evento de precipitación que supera el caudal de diseño de un

alcantarillado pluvial puede exceder la capacidad del sistema de drenaje urbano, incluyendo

los elementos de captación del sumidero y del conducto, provocando de manera simultánea

condiciones de flujo en presión y flujo en lámina libre dentro del conducto cerrado del

alcantarillado. Estas condiciones se conocen comúnmente como flujo mixto que se puede

encontrar en conductos pluviales, túneles, tuberías de obras de toma de instalaciones

hidroeléctricas, llenado/vaciado de tuberías y conductos de almacenamiento (Aragón-

Hernández & Bladé, 2017; Bourdarias & Gerbi, 2007). Asimismo, el crecimiento continuo

de las ciudades que modifica la cobertura de las cuencas hace que en el tiempo, los elementos

de diseño de los conductos pluviales sean sobrepasados y el alcantarillado en este caso se

encuentre incapaz de conducir el escurrimiento, lo que resulta en una inundación pluvial

(Aragón-Hernández, 2013). La propia entrada en presión del conducto o la liberación de aire

a través de los pozos puede inducir severos transitorios de presión dañando los conductos

también (Song, Cardie, & Leung, 1983). Las consecuencias de lo anterior son retroceso de

flujo, desbordamiento y expulsión de agua, especialmente; que a su vez pueden conllevar a

21

problemas de circulación para vehículos y personas, daños materiales, e incluso la pérdida

de vidas humanas.

La Figura 1 presenta de manera conceptual las condiciones de un flujo mixto dentro de un

conducto cerrado.

Figura 1: Flujo mixto: superficie libre y a presión

Fuente: Adaptado de (Bourdarias & Gerbi, 2007)

La presurización de los alcantarillados puede ocurrir tanto en sistemas existentes como en

diseños de sistemas nuevos. Según Yen & Pansic (1980) algunas de las razones de la entrada

en carga del alcantarillado son:

i. Diseños inadecuados que resultan de imprecisiones en las ecuaciones teóricas utilizadas,

junto con la incertidumbre en los parámetros de diseño como, por ejemplo, la rugosidad

de la tubería,

ii. Riesgo hidrológico porque siempre existe la probabilidad, por pequeña que sea, de que

la descarga de diseño se pueda exceder una o más veces durante la vida útil del

alcantarillado,

iii. Errores de construcción y desviaciones del material que hacen que el alcantarillado en el

lugar no se ajuste al diseño,

iv. Fallo de estaciones de bombeo,

v. Inmersión de las tuberías de conexión.

Tubería

Resalto hidráulico

Punto de transición

Lámina libre

Flujo a presión


Objetivos

Objetivo general

El presente estudio tiene como objetivo general:

▪ Caracterizar experimentalmente las condiciones de flujo mixto en el tramo inicial de un

alcantarillado pluvial, debido al incremento súbito de caudal que simula la ocurrencia de

un evento de precipitación en la ciudad de Manizales, con el fin de valorar el reglamento

colombiano actual.

Objetivos específicos

El trabajo se ha desarrollado a través de los siguientes objetivos específicos:

1. Identificar las condiciones de flujo a través de un alcantarillado contrastando sus

diferentes características;

2. Caracterizar y cuantificar las variables fundamentales que se deben considerar en el

diseño del tramo inicial de un alcantarillado pluvial, para la ciudad de Manizales;

3. Establecer experimentalmente las características de un flujo mixto dentro del tramo

inicial de un alcantarillado pluvial; y

4. Evaluar el Reglamento Técnico para el sector de Agua Potable y Saneamiento Básico

(RAS) y hacer recomendaciones sobre los criterios específicos para el diseño del tramo

inicial de un alcantarillado pluvial.

Metodología

La metodología de este trabajo se conforma de cuatro fases, las cuales se describen a

continuación:

23

Fase 1: Revisión de la literatura técnica existente de flujo mixto en

conductos cerrados

1.1. Revisar y analizar la información de investigaciones experimentales principalmente,

realizadas para caracterizar o interpretar el flujo mixto.

1.2. Identificar cómo se clasifica el flujo mixto dependiendo de la forma en que el conducto

entra en presión.

1.3. Identificar el posible comportamiento del flujo dentro de una alcantarilla y las

ecuaciones que lo describen.

Fase 2: Caracterización de la zona de aplicación e identificación de

parámetros de diseño de conductos

Caracterización de la zona de aplicación y revisión de las variables fundamentales utilizadas

en el diseño de conductos de alcantarillado pluvial, para la ciudad de Manizales.

2.1. Identificar la topografía, características de precipitación, clima y localización

geográfica de Manizales.

2.2. Planteamiento de un lote hipotético urbano ubicado en la ciudad de Manizales, en el

cuál se desarrolló un modelo lluvia – escorrentía.

2.3. Revisar los criterios y variables utilizados en el Reglamento Técnico para el sector de

Agua Potable y Saneamiento Básico (RAS) y en las especificaciones técnicas emitidas

por Aguas de Manizales S.A. E.S.P. para el diseño del tramo inicial de un

alcantarillado pluvial.

Fase 3: Evaluación experimental

La evaluación experimental tenía como propósito caracterizar el flujo mixto en el tramo

inicial de un alcantarillado pluvial.

3.1. Elaborar un banco experimental de un conducto de alcantarillado pluvial compuesto de:

un tanque elevado, una tubería de CPVC de 10 pulgadas de diámetro y una válvula de

control de tipo sluice gate asociada con las características. El diámetro y la pendiente

mínima de la tubería son adoptados del reglamento colombiano.


3.2. Hacer pruebas para corroborar el buen funcionamiento y comportamiento del banco

experimental.

3.3. Simulación de eventos de precipitación mediante el suministro de caudal variable con

aumento progresivo.

3.4. Caracterizar las condiciones experimentales de relación de llenado y velocidad

observadas.

Fase 4: Análisis

Análisis crítico de los resultados obtenidos en el banco experimental, con el fin de interpretar

las condiciones de flujo mixto y valorar los criterios y variables utilizados para el diseño del

tramo inicial de un alcantarillado pluvial en el Reglamento Técnico para el sector de Agua

Potable y Saneamiento Básico (RAS).

El presente trabajo se encuentra organizado de la siguiente forma:

El capítulo 1 presenta una revisión de la literatura técnica previa, acerca del problema de las

condiciones de flujo mixto en conductos cerrados y también, una identificación de las

especificaciones de diseño empleadas en los reglamentos para el diseño de conductos

pluviales a nivel nacional e internacional.

En el capítulo 2, se presentan los conceptos teóricos que sustentan la obtención del caudal

de diseño de la red de drenaje pluvial, la descripción y las ecuaciones de las variables

empleadas en el diseño hidráulico de un conducto circular, la clasificación general del flujo

mixto y las ecuaciones fundamentales del flujo en alcantarillas y alcantarillados.

En el capítulo 3, se describen en primer lugar, las características específicas de la zona de

Manizales que permitan dar un contexto de las condiciones topográficas y climáticas de la

ciudad; y posteriormente se presenta la descripción de un lote hipotético ubicado en la zona

de estudio, sobre el cuál se aplicarán los conceptos teóricos de obtención de caudal y diseño

hidráulico, descritos anteriormente.

En el capítulo 4, se presenta la descripción del montaje experimental, el proceso

experimental para el desarrollo de las pruebas, los resultados preliminares obtenidos y su

respectiva interpretación.

En el capítulo 5, se presentan el análisis y la discusión de los resultados obtenidos.

25

1. Revisión de literatura y normas de interés

Este capítulo presenta antecedentes técnicos destacados en la caracterización experimental

y numérica de flujo mixto en conductos cerrados. El objetivo es conocer el desarrollo que

han tenido las experimentaciones empleadas para caracterizar el flujo mixto. También se

hace una identificación de los criterios empleados a nivel nacional e internacional, para el

diseño de conductos de alcantarillado pluvial. Un reconocimiento de los parámetros

mínimos que deben cumplirse en los diseños del tramo inicial de un alcantarillado pluvial

es presentado.

1.1 Revisión de literatura

En esta sección se presentan los antecedentes investigados en la literatura técnica con

relación a la ocurrencia de flujo mixto en conductos cerrados. Esta revisión se divide en

investigaciones experimentales y numéricas, dándole más importancia a las primeras. Las

investigaciones revisadas permiten obtener una perspectiva de los estudios que se han

realizado y los resultados obtenidos.

1.1.1 Investigación Experimental – Flujo mixto

▪ Hamam & McCorquodale (1982) estudiaron las oscilaciones de presión y las

inestabilidades que ocurren dentro de un sistema de alcantarillado pluvial cuando el flujo

cambia repentinamente de lámina libre a flujo en presión.

En su investigación, desarrollaron un modelo experimental para estudiar la presurización

en los conductos de alcantarillado pluvial y las presiones transitorias agregadas. En la


Figura 2 se presenta el esquema del montaje experimental realizado. Este consta de un

conducto de plexiglás intercambiable con sección transversal cuadrada de 140 mm de

lado, o circular con 152 mm de diámetro; de un tanque aguas arriba, a través del cual se

suministra el agua, y de un depósito de descarga. El conducto representa una tubería de

alcantarillado que descarga en un depósito, el cual tiene controlada la salida por una

compuerta y simula una estación de bombeo. La compuerta se podía cerrar rápidamente

para bloquear la salida del flujo. Para medir el caudal se utilizó un medidor de flujo

magnético. La presión fue medida en nueve puntos a lo largo del conducto utilizando

piezómetros que registraron la elevación de la superficie del agua en la tubería. Dos

transductores de presión (P.T.1 y P.T.2) fueron utilizados para medir transitorios de

presión.

Figura 2: Modelo experimental de Hamam & McCorquodale (1982)

Fuente: (Hamam & McCorquodale, 1982)

En el montaje experimental se llevaron a cabo dos análisis. En el primero se generó un

flujo de aire-agua contracorriente para analizar la velocidad en la interfaz, suministrando

agua a una descarga constante desde el extremo aguas arriba, mientras se forzaba la

entrada de aire a través del extremo aguas abajo. En el segundo, las pruebas se realizaron

suministrando descargas constantes al sistema para tener diferentes elevaciones iniciales

de agua dentro de la tubería, posteriormente, para demostrar que el golpe de ariete puede

resultar de la presurización rápida de una parte de la alcantarilla, aguas abajo, se restringió

la salida del flujo produciendo sobrepresiones que viajan hacia aguas arriba.

27

En este estudio se concluyó que pueden ocurrir presiones transitorias en alcantarillas

durante la transición del flujo en lámina libre a flujo en presión y que la secuencia de

eventos sigue estas etapas:

i. Formación de una oleada, durante la cual se produce un flujo aire-agua en contra

corriente;

ii. Formación de la inestabilidad de interfaz, cuando la velocidad relativa del aire

alcanza la inestabilidad; y

iii. Transición a flujo sobrecargado cuando la inestabilidad produce un bloqueo

completo del flujo de aire.

Además, se destacaron los siguientes aspectos: (1) el flujo en lámina libre en una sección

circular es más inestable que en una sección rectangular; (2) para relaciones de llenado

superiores a aproximadamente 0.80 la superficie del agua es muy inestable y el mínimo

flujo de aire a contracorriente puede provocar la presurización de la tubería; (3) se puede

esperar transitorios de presión bruscos en o cerca del flujo en lámina libre máximo, por

ejemplo, en una sección circular con relaciones de llenado cercanas a 0.85; (4) una

alcantarilla circular típica, con una velocidad inicial de 1.5 m/s, podría experimentar

aumentos de presión transitorios en el rango de 6 - 40 m, por lo tanto, se podría desarrollar

una presión suficiente para provocar inundaciones y levantar las tapas de cámaras de

inspección para los flujos cercanos a la precipitación de diseño; (5) una transición abrupta

crea las fluctuaciones de presión más severas; y (6) factores como tamaño, forma y

material de la tubería, régimen de flujo, profundidad relativa, ventilación y condiciones

de contorno como bombas, tienen afectación en la magnitud de los transitorios de presión.

▪ Cardie, Song & Yuan (1989) realizaron experimentos en el laboratorio de hidráulica Saint

Anthony Falls, en la Universidad de Minnesota, Estados Unidos, para observar en una

tubería circular, las condiciones de flujo presurizado y el mecanismo de transición de

flujo en superficie libre a flujo en presión.

El montaje experimental de Cardie et al. (1989) mostrado en la Figura 3 consta de una

tubería de PVC transparente de 48.8 m de longitud y 0.1626 m de diámetro interno; la

tubería se sostenía por vigas de acero que también permitían cambiar la pendiente. Aguas

arriba la tubería estaba unida a un tanque elevado y aguas abajo a un depósito. El agua se

suministró al tanque elevado a través de una tubería ubicada en la parte superior. El

tanque elevado estuvo dividido en dos compartimentos por una pared divisoria con una


compuerta, al operar esta compuerta, el flujo podría cambiar rápidamente. También hubo

una compuerta de descarga en el depósito aguas abajo que permitía un cambio rápido en

el flujo de salida y en el nivel del depósito. La pared aguas abajo del tanque era móvil,

por lo que el área de la superficie de este depósito podía variar.

Figura 3: Montaje experimental de Cardie, Song & Yuan (1989)

Fuente: (Cardie et al., 1989)

En la experimentación se registró el nivel del agua en diez puntos (W), siete de ellos

ubicados a lo largo de la tubería y tres en los tanques. La presión fue medida en seis

puntos (P) ubicados a lo largo de la tubería.

Cardie et al. (1989) definieron una interfaz como positiva cuando la transición del agua

se realiza desde la zona con flujo en presión hacia la zona con flujo en lámina libre, lo

que indica que el conducto se está llenando, por el contrario, una interfaz fue definida

como negativa cuando el flujo se mueve de la zona con flujo en lámina libre hacia la zona

con flujo en presión, en este caso, el conducto se está despresurizando.

En esta investigación experimental se llevaron a cabo tres evaluaciones del flujo, en la

primera, se generó una entrada en presión desde el extremo aguas abajo de la tubería, en

la segunda, se analizó la despresurización de la tubería y en la tercera, se examinó una

transición de una interfaz positiva a una negativa.

En la primera prueba, para la entrada en presión desde el extremo aguas abajo, se

estableció una entrada de flujo constante y tiempo después se cerró la compuerta ubicada

aguas abajo. El caudal máximo suministrado fue de 7.36 l/s. Una vez cerrada la

29

compuerta, se formó un resalto que avanzó hacia aguas arriba creando pulsos de presión

más grandes, delante de este resalto el aire fue empujado y causó inestabilidad. Los

autores afirman que, si se permitía que el resalto alcance el extremo aguas arriba, la

tubería se presurizaba totalmente y los pulsos de presión desaparecían, indicando que

estos pulsos de presión fueron generados por la interfaz. Se presentaron gráficas de

presión en el tiempo en los transductores de presión P1, P3 y P5. En P1 y P3 la

inestabilidad aún no se desarrollaba, sin embargo, cuando la interfaz alcanzó el

transductor de presión P5, el flujo se volvió inestable y con una gran cantidad de pulsos

de presión.

En la segunda prueba, el proceso de despresurización generó una interfaz negativa.

Después de cerrar la compuerta aguas abajo, cuando la interfaz positiva alcanzó algún

punto, esta compuerta se abrió nuevamente haciendo que el flujo que avanzaba aguas

arriba invirtiera su dirección y retrocediera hacia aguas abajo. La liberación de presión

empezó a ocurrir desde los dos extremos de la tubería, aunque en mayor medida desde el

extremo aguas abajo, esto se evidenció con una caída de nivel registrada en W2. En esta

prueba no se observó empuje de aire.

En la tercera prueba, se combinó el procedimiento de las dos pruebas anteriores,

suministrando un flujo constante se cerró la compuerta aguas abajo y se produjo una

interfaz positiva, después se liberó el flujo haciendo que este invierta su dirección para

obtener una interfaz negativa. La transición a la presurización no ocurrió repentinamente,

sino que a medida que la interfaz avanzó, también arrastró aire cerca de la corona de la

tubería formando burbujas de aire hasta que nuevamente se abrió el paso de aire en la

interfaz negativa y se obtuvo el régimen en lámina libre.

Dentro de las conclusiones de este estudio se resaltó la importancia de los efectos del

arrastre de aire en la interfaz entre el flujo en lámina libre y el flujo en presión. Así mismo,

se reconoció que estos efectos toman mayor importancia cuando la velocidad del aire

delante de la interfaz se vuelve mayor que la velocidad del agua, en estas condiciones se

desarrollarían inestabilidades en la superficie del agua originando presiones de golpe de

ariete. Este proceso podría presentarse comúnmente cuando la superficie libre se

encuentra en una región inestable debido a la geometría de la tubería, los autores afirman

que, para una tubería de sección circular, se presentan inestabilidades cuando la relación

de llenado es superior a 0.81. En el proceso de despresurización no se encontraron

grandes pulsos de presión transitorios como los producidos durante la presurización, en


este proceso, se encontraron presiones negativas en la zona presurizada que se encontraba

delante de la interfaz que se movía hacia aguas abajo. Se observó que una interfaz

negativa hacía un cambio muy repentino a una interfaz positiva. Finalmente, los autores

reconocieron la importancia del estudio del atrapamiento de aire dentro de los conductos

de alcantarillado que tiene mayor importancia en tuberías inclinadas.

▪ Guo & Song (1990) investigaron el problema de presurización que se puede presentar en

sistemas de drenaje pluvial o en túneles de almacenamiento cuando un evento de

precipitación supera su capacidad de transporte. En este trabajo se describió

conceptualmente y a través de registros de campo, la existencia de sobrepresiones y

problemas relacionados, como desbordamiento, expulsión de chorros de agua y daños

estructurales en los sistemas. Se aplicó un modelo de flujo transitorio mixto a los sistemas

TARP (the Tunnel and Reservoir Plan) de Chicago, en este modelo matemático se

presentaron dos opciones para resolver el problema de flujo mixto, por la ranura de

Preissmann o por el método de ajuste de choque. El modelo se verificó primero

comparando la salida con los datos de campo. Luego se usó para estudiar posibles medios

de mitigación de problemas de sobrepresión. Se descubrió que el factor más crítico fue

la intensidad de sobrepresión al final del proceso de presurización. Se investigaron los

siguientes cuatro posibles métodos operativos y estructurales para los sistemas de

almacenamiento en línea: (1) reducción de la velocidad de entrada cuando el sistema se

acerca al período final de presurización, (2) un depósito de almacenamiento en el extremo

aguas abajo, (3) regulación del volumen de almacenamiento inicial, y (4) el uso de un

tanque de compensación en un extremo aguas arriba.

▪ Capart, Sillen, & Zech (1997), realizaron un modelo experimental en laboratorio para

comparar y validar los resultados de un modelo numérico que desarrollaron para analizar

la transición del flujo en lámina libre a flujo en presión en una tubería cerrada.

El modelo experimental de Capart et al. (1997) mostrado en la Figura 4 consiste en una

tubería de 12.74 m de longitud y un diámetro interior de 0.145 m. La tubería consta de

tres partes, con pendientes de 0.01954 (0 m‐3.48 m), 0.01704 (3.48 m‐9.23 m) y 0.01255

(9.23 m‐12.74 m). El coeficiente de rugosidad de Manning medido experimentalmente

fue de 0.009 s/m1/3. Debido a la elevada pendiente de la tubería, el flujo en lámina libre

aguas arriba fue casi siempre supercrítico, mientras que aguas abajo el régimen de flujo

depende del nivel de agua en el depósito ubicado en el extremo aguas abajo. Se

31

observaron variaciones rápidas de este nivel de agua cuando se operó el vertedero

ajustable localizado en la salida del depósito.

Figura 4: Modelo experimental de Capart et al. (1997)

Fuente: (Capart et al., 1997)

El experimento se realizó suministrando un caudal de entrada constante de 0.00421 m3/s.

El nivel de agua en el depósito ubicado aguas abajo se mantuvo por debajo del fondo de

la tubería. El experimento inició con un flujo permanente supercrítico, posteriormente, el

vertedero ajustable del extremo aguas abajo fue elevado hasta suprimir la salida de agua.

A medida que el nivel de agua en el extremo aguas abajo subió, se formó un resalto

hidráulico dentro de la tubería que migró hacia aguas arriba.

Cuando el resalto hidráulico llegó cerca a la entrada en el extremo aguas arriba, la

compuerta del extremo aguas abajo se abrió abruptamente. Este proceso simuló una

súbita disminución del nivel de agua en el extremo aguas abajo, que con un rápido flujo

transitorio regresó el flujo a sus condiciones iniciales. La Figura 5 muestra la variación

en el tiempo de la profundidad del agua (o cabeza piezométrica) para tres secciones de

medición ubicadas a 3.06 m (C3), 5.50 m (C4) y 7.64 m (C6) desde el extremo aguas

arriba de la tubería. Las líneas punteadas corresponden a las mediciones experimentales,

mientras que las líneas continuas presentan resultados numéricos simulados con una

malla de 18 nodos y con un número de Courant, Cn = 0.7.


Figura 5: Niveles de agua calculados y medidos en C3, C4 y C6.


Una comparación entre los perfiles de agua calculados y observados en diferentes pasos

de tiempo se muestra en la Figura 6 y en la Figura 7. La Figura 6 muestra

la lenta progresión del resalto hacia arriba a medida que sube el nivel aguas abajo. Las

líneas continuas presentan los perfiles de agua calculados numéricamente cada 20

segundos a partir de los 25 segundos desde el inicio del experimento. Los marcadores

muestran los niveles de agua medidos experimentalmente.

Figura 6: Resalto moviéndose lentamente hacia aguas arriba

Perfil piezométrico calculado numéricamente (línea continua) y modelado

experimentalmente (marcador).


33

La Figura 7 muestra el flujo transitorio rápido correspondiente a la liberación repentina

de agua del tanque aguas abajo. El intervalo de tiempo en este caso fue de 2 segundos,

desde el tiempo 161 segundos después del inicio del experimento.

Figura 7: Liberación repentina de agua del tanque aguas abajo.

Perfil piezométrico calculado numéricamente (línea continua) y modelado

experimentalmente (marcador).


▪ Trajkovic, Ivetic, Calomino, & D’Ippolito (1999) realizaron experimentos en una

plataforma de prueba. Los resultados experimentales se utilizaron para la verificación de

un modelo numérico basado en un método de captura de choque que utilizó el esquema

explícito de diferencias finitas de McCormack.

El dispositivo experimental utilizado por Trajkovic et al. (1999) presentado en la Figura

8, consiste en una tubería de metacrilato de 10 m de longitud con un diámetro interno de

0.10 m, un espesor de las paredes de 0.005 m y un coeficiente de fricción de Manning

estimado en 0.008 s/m1/3. Se colocaron dos compuertas automáticas en los extremos

aguas arriba y aguas abajo de la tubería, con la operación de estas compuertas las

condiciones del flujo se pudieron cambiar rápidamente. En la cota batea del tramo de

tubería comprendido entre las dos compuertas, fueron instaladas 8 entradas piezométricas

que se conectaron con tubos al panel de control. La presión registrada en cada punto fue

medida en la entrada piezométrica con un transductor de presión. Se colocaron tubos de

ventilación en la cota clave de la tubería para evitar la posible interferencia de la fase de


aire. Se realizaron seis diferentes tipos de ensayos variando la pendiente de la tubería, las

condiciones iniciales y la apertura de la compuerta aguas arriba, e1 y aguas abajo, e2.

Figura 8: Modelo experimental de Trajkovic (1999).

1) tanque aguas arriba; 2) medidor de flujo; 3) compuerta G1; 4) compuerta G2; 5) tanque

aguas abajo; 6) vertedero; 7) tubos de ventilación; 8) transductor de presión; 9) panel de

control; 10) sistema de adquisición de datos; 11) entrada y salida.

Fuente: (Trajkovic et al., 1999)

En los experimentos Tipo A se utilizó una pendiente de la tubería del 2.7%. Las

condiciones del experimento fueron un caudal de entrada constante de alrededor de

0.0013 m3/s, correspondiente a una apertura de la compuerta en el extremo aguas arriba

de e1 = 0.014 m y en el extremo aguas abajo, la compuerta fue totalmente abierta con un

calado normal de aproximadamente 0.10 m, debido a ello, el tipo de flujo fue permanente

y supercrítico. En el extremo aguas abajo no se precisa las condiciones de salida. En un

instante dado del experimento, la compuerta del extremo aguas abajo se cerró

rápidamente (cierre no instantáneo), generando un transitorio en forma de frente de onda

positivo que se movió hacia aguas arriba. Después de 30 segundos del cierre, la

compuerta fue reabierta parcialmente produciendo un fenómeno transitorio. Se probaron

diferentes valores para la reapertura de la compuerta, para la validación fue utilizada una

apertura de e2 = 0.008 m. En este caso se registró una pequeña disminución de la carga

de presión en el instante de tiempo 30 segundos, sin embargo, debido a que el caudal de

salida en la tubería fue menor que el de entrada, la carga de presión continúo

incrementándose. Se midieron valores de la carga de presión en las secciones P5 (x = 7.2

m) y P7 (x = 9.2 m). La Figura 9 muestra los niveles piezométricos medidos (en relación

con el fondo de la tubería) en las secciones P5 y P7 para tres reaperturas diferentes de la

compuerta G2.

35

Figura 9: Experimento Tipo A: nivel piezométrico P5 y P7 - apertura de la compuerta

aguas abajo


Un desarrollo similar fue obtenido para los experimentos Tipo B.

En los experimentos Tipo C se midieron los niveles en cuatro secciones como se muestra

en la Figura 10, las condiciones iniciales fueron e1 = 0.017 m, descarga de 0.0016 m3/s,

e2 = 0.027 m. En esa situación el flujo de superficie libre con un resalto hidráulico (entre

P5 y P6), estuvo presente prácticamente en toda la tubería.

Figura 10: Experimento Tipo C: nivel piezométrico medido en P2, P4, P6 y P8.



Los cambios medidos de los niveles piezométricos durante un experimento de Tipo D se

presentan en la Figura 11. Las condiciones iniciales fueron e1 = 0.015 m, descarga de

0.0015 m3/s y pendiente de 0.014. La apertura inicial e2 fue de 0.033 m, lo que produjo

un resalto hidráulico estacionario entre las secciones P6 y P7. La compuerta aguas abajo

se cerró por completo y se volvió a abrir a la posición inicial después de 16 segundos.

Figura 11: Experimento Tipo D: nivel piezométrico medido en P5, P6 y P7.


Un desarrollo similar fue obtenido para los experimentos Tipo E.

En los experimentos Tipo F la apertura de la compuerta aguas arriba e1 pasa de cero a la

posición máxima (e1 = D = 0.10 m), y en este caso se formó una oleada positiva con un

frente empinado y se desplazó hacia abajo.

▪ Gómez & Achiaga (2001) desarrollaron una instalación experimental para analizar la

transición del flujo en superficie libre a flujo en presión, producida desde ambos extremos

de una tubería cerrada de alcantarillado. En este estudio realizaron varias pruebas

experimentales para obtener conocimiento de este fenómeno, y posteriormente para

reproducir mediante modelos numéricos los resultados observados.

El modelo experimental empleando se presenta en la Figura 12, se compone de una

tubería de metacrilato transparente de 12 m de longitud con un diámetro interior de 0.153

m y una pendiente del 0.001. La tubería se conecta aguas arriba a un tanque elevado que

alimenta el modelo. La instalación dispuso de dos válvulas localizadas en los extremos

de la tubería para crear frentes de onda por ambos extremos. Para medir la descarga de la

tubería se incluyó una medición electromagnética de flujo. La carga de presión se midió

con cuatro transductores de presión localizados desde aguas arriba en los puntos 0 m, 4

37

m, 8 m y 12 m. Se realizaron experimentos con descargas iniciales de 2 a 8 I/s. El flujo

subcrítico fue la condición del régimen inicial en todas las pruebas.

Figura 12: Modelo experimental de Gómez (2001)

Fuente: (Gómez & Achiaga, 2001)

Con esta configuración experimental se realizaron tres tipos diferentes de experimentos:

i. Cierre repentino de la válvula aguas abajo, creando un frente de presión que se mueve

aguas arriba.

ii. Apertura repentina de la válvula aguas arriba, produciendo un aumento de descarga, y

una onda de presión moviéndose aguas abajo.

iii. Operación simultánea de válvulas aguas arriba y aguas abajo, creando dos ondas de

presión que se mueven hacia aguas abajo y aguas arriba, convergiendo en el centro de

la tubería.

Los experimentos de tipo i y ii tuvieron desenlaces similares, se alcanzaron valores de

presión del orden del diámetro de la tubería. Los resultados se pudieron reproducir bien

con los enfoques numéricos disponibles. Sin embargo, los experimentos de tipo iii fueron

diferentes a los anteriores, y a partir de los datos de prueba analizados, se concluyó que

no podrían explicarse como una superposición de dos frentes como el tipo i o el tipo ii.

En los ensayos experimentales desarrollados en este trabajo, se obtuvo que cuando la

entrada en carga se produjo desde el extremo aguas abajo, el avance de la interfaz


aumenta la carga de presión en forma moderada hasta que la altura de la columna de agua

fue aproximadamente igual al doble de la altura de la tubería. Cuando la transición se

produjo desde el extremo aguas arriba, la altura de la columna de agua fue

aproximadamente igual a la altura de la tubería multiplicada por cuatro. Cuando hubo dos

transiciones de flujo, se presentaron dos sobrepresiones que avanzaron una desde aguas

arriba y otra desde aguas abajo, y la presión fue más importante que cuando solo hubo

una transición, por lo que este caso fue más peligroso. Para este último experimento se

presentaron dos opciones, en la primera, inicialmente se cerró la válvula aguas abajo y

posteriormente se abrió la válvula aguas arriba, en este caso, el valor de presión más alta

fue aproximadamente igual a la altura de la tubería multiplicada por diez. En la segunda,

inicialmente se abrió la válvula aguas arriba y posteriormente se cerró la válvula aguas

abajo, este caso fue el más peligroso porque el valor de presión más alto fue

aproximadamente igual a la altura de la tubería multiplicada por veinticinco.

Además del modelo experimental, en este trabajo también fue desarrollado un modelo

numérico basado en el método de características (MOC), capaz de reproducir las

mediciones. Se seleccionó la celeridad de onda como el parámetro para reproducir las

presiones observadas y se usaron dos valores diferentes, uno antes y otro después de la

combinación frontal de los frentes de presión. Finalmente, una de las observaciones más

significativas fue que cuando el aire atrapado no se liberó fácilmente, los valores de

presión encontrados fueron de 20 veces el diámetro de la tubería.

▪ Li & McCorquodale (2001) desarrollaron un modelo experimental para calibrar un

modelo numérico que simule la transición del flujo en lámina libre a flujo en presión en

conductos de alcantarilla. El montaje experimental utilizado se presenta en la Figura 13,

este se compone de un tubo de plexiglás de 12 mm de diámetro y 12.12 m de longitud,

que conecta una sección de canal abierta aguas arriba y un tanque aguas abajo. En la

experimentación, desde un tanque elevado se descargó agua en la sección de canal abierto

y esta pasó a través de la tubería hacia el tanque aguas abajo. El tanque aguas abajo tenía

una compuerta manual y una válvula de salida controlada. Para proporcionar el flujo de

entrada al tanque elevado se utilizó una bomba centrífuga con una descarga nominal de

220 l/s y una altura nominal de 6.7 m. La descarga de entrada en el sistema fue regulada

por una válvula de control. Se ubicaron nueve piezómetros a lo largo de la tubería y se

usaron dos transductores de presión de resistencia variable para la medición de presiones

transitorias. Usando un convertidor de señal analógico a digital, las señales de salida de

39

los transductores de presión se convirtieron en señales digitales que luego fueron

grabadas por un microordenador.

Figura 13: Modelo experimental de Li & McCorquodale (2001)

Fuente: (Li & McCorquodale, 2001)

Se realizaron dos tipos de experimentos: (1) detención completa del flujo mediante un

cierre rápido de la compuerta manual aguas abajo (simulación de compuerta trasera); y

(2) inundación del tanque de almacenamiento aguas abajo debido al cierre de la válvula

de salida (simulación de falla de la bomba).

El modelo numérico que desarrollaron extendió el modelo de columna rígida de

McCorquodale, J., & Hamam (1983). Este modelo simuló una bolsa de aire atrapado en

movimiento y la liberación final de aire en la cámara de acceso aguas arriba. La

comparación de los transitorios de presión registrados durante el experimento de cierre

repentino de la compuerta y los simulados por el modelo numérico se presentan en la

Figura 14.


Figura 14: Comparación de transitorios de presión, profundidad de flujo relativa de 0.75

Fuente: (Li & McCorquodale, 2001)

Se observó que los transitorios de presión simulados por el modelo matemático fluctúan

de manera similar a los registrados durante los experimentos. Para los transitorios de

presión iniciales del tipo de golpe de ariete, el modelo subestimó la amortiguación de las

fluctuaciones de presión.

▪ Vasconcelos & Wright (2003) investigaron experimentalmente la transición de flujo en

lámina libre a flujo en presión, que se puede producir en túneles de almacenamiento de

aguas pluviales durante un llenado rápido. El objetivo fue determinar el papel de las

principales variables de diseño de un conducto, en la ocurrencia de los transitorios de

presión.

El modelo de laboratorio fue una simulación esquemática en una escala 1:50 de un

segmento de túnel de 750 m de longitud, equivalente a la distancia entre un eje de entrada

y un eje de compensación en el diseño del túnel de almacenamiento propuesto para la

ciudad de Dearborn en Michigan, Estados Unidos. El montaje experimental presentado

en la Figura 15 se compone de una tubería con pendiente variable de 14.6 m de longitud

y 0.10 m de diámetro. Aguas arriba la tubería se conectó a una caja de llenado rectangular

de dimensiones 0.25 m de lado, en la cual se fijó un nivel de desbordamiento de 0.15 m

sobre la cota clave del tubo; aguas abajo el tubo se conectó a un tanque de forma cilíndrica

de 0.19 m de diámetro y con una altura mucho mayor que el nivel de derrame de la caja

de llenado. Se realizaron 3 tipos de experimentación variando la pendiente de la tubería:

41

con pendiente nula, con pendiente favorable (la tubería se inclina hacia abajo en dirección

aguas arriba) y con pendiente adversa (la tubería se inclina hacia abajo en dirección aguas

abajo). Las principales variables investigadas fueron el caudal de entrada al sistema, el

nivel de agua inicial en el sistema y la pendiente del conducto. Se investigaron más de

150 experimentos con diferentes combinaciones de estas tres variables.

Figura 15: Montaje experimental de Vasconcelos & Wright (2003)

Fuente: (Vasconcelos & Wright, 2003)

El caudal que se suministró al sistema simuló el efecto de un hidrograma de entrada con

una descarga constante e igual al valor pico del hidrograma. Este caudal se suministró al

sistema que inicialmente estaba parcialmente lleno con nivel inicial entre 0.02 m y 0.12

m, dependiendo del valor de la pendiente.

La magnitud de presión fue medida en el tanque cilíndrico en relación con el nivel de

desbordamiento en la caja de llenado, por tanto, es denominada presión relativa. Una

cámara de video digital de 30 cuadros por segundo grabó el comportamiento en el tanque

aguas abajo. Los resultados de presión relativa contra nivel inicial de agua en la caja de

llenado para caudales de 2.1 l/s, 3.1 l/s y 4.1 l/s son presentados gráficamente para los

casos de la tubería con pendiente nula, favorable y adversa en las Figura 16, 17 y 18,

respectivamente.


Figura 16: Presión observada en el canal horizontal para diferentes caudales y niveles

iniciales


Figura 17: Presión observada en el canal con pendiente favorable del 0.2% para diferentes

caudales y niveles iniciales


Los resultados obtenidos de la experimentación fueron similares para el caso de la tubería

con pendiente nula y favorable. En estos casos las presiones máximas observadas ocurren

a niveles de agua iniciales intermedios. En estos experimentos se formó un resalto desde

aguas arriba cuando la sección transversal de la tubería se llenó.

43

Figura 18: Presión observada en el canal con pendiente adversa (0.1%) para diferentes

caudales y niveles iniciales


Para el caso de la pendiente adversa, el comportamiento de la presión fue diferente a los

casos anteriores. En este caso se observó una caída repentina de la presión para niveles

de agua iniciales intermedios, inmediatamente después de haber alcanzado los máximos.

Este comportamiento fue atribuido a la presurización del aire que arrastró el resalto. Por

esta razón, en la experimentación se instalaron 2 tubos ascendentes de 0.038 m de

diámetro, ubicados a 1.0 m y 3.6 m desde el extremo aguas abajo; y se realizaron

experimentos con ambos tubos abiertos y también alternando su apertura. En este caso se

obtuvo que el aumento de las condiciones de ventilación cambió el comportamiento de

las oleadas dentro de la tubería a medida que se cambiaba el nivel inicial de agua. Cuando

hubo ventilación con los 2 tubos no se presentó la caída repentina de presión. Por tanto,

a menos que las condiciones de ventilación sean suficientes, la fase de aire tendrá un

papel importante en la descripción del movimiento del flujo dentro de los conductos.

En los 3 experimentos se observó que la presión máxima ocurrió cuando el flujo de

entrada formaba un resalto que llenó la sección transversal de la tubería. En los casos de

niveles de agua iniciales menores, cuando el resalto no llenó la sección transversal, el

aire quedaba atrapado y producía un efecto de amortiguación que reducía la magnitud de

la oleada generada con el resalto. Los resultados que se obtuvieron permitieron concluir

que el hidrograma de entrada, el nivel inicial de agua y la pendiente tienen un papel

importante en la magnitud de la presión del sistema.


▪ Vasconcelos & Wright (2005) utilizaron el montaje experimental desarrollado por

Vasconcelos & Wright (2003) que se presentó en la Figura 15, para (1) investigar la

combinación de pendiente y condiciones de flujo de entrada que generarían las

transiciones de presión más fuertes al inicio del flujo de llenado rápido en un sistema de

túnel de almacenamiento de aguas pluviales; y (2) observar las interacciones entre las

fases de aire y agua durante el proceso de llenado.

Para que el montaje experimental entre en presión, en primer lugar, se introdujo en la

tubería un volumen de agua inicial, y se permitió que el sistema se detuviera para que se

desarrollaran condiciones de reposo; posteriormente se suministró repentinamente un

flujo de entrada a través de la caja de llenado ubicada aguas arriba, de esta manera se

formó un resalto que se propagó hacia aguas abajo. En el momento en que el resalto llegó

al elevador, el nivel del agua aumentó. Cuando el resalto inicial llenó la sección

transversal de la tubería, se alcanzó el valor máximo de presión y dentro del conducto se

presentó una parte de flujo en presión y otra delante, en lámina libre; cuando el resalto

no logró presurizar la sección transversal se produjeron algunos efectos de oleaje hasta

que la tubería se llenó completamente.

Los resultados de esta experimentación fueron divididos en experimentación de

sobrecarga y experimentación de la fase de aire. En el primer caso, los resultados se

obtuvieron de la combinación de las condiciones iniciales de nivel, caudal de entrada y

pendiente. En función de la relación nivel de agua inicial – diámetro de a tubería se

obtuvo que:

• para valores pequeños, al suministrar el flujo de entrada se creó un resalto que se

movió hacia aguas abajo pero que no ocupó toda la sección transversal de la tubería,

en este caso el aumento de caudal de entrada no significó aumento de presión;

• para valores intermedios, cuando se suministró el caudal, se formó un resalto que

presurizó una parte de la tubería y produjo grandes presiones, en algunos casos el flujo

atrapó alguna cantidad de aire que fue liberado posteriormente en los extremos de la

tubería o en los orificios de ventilación; y

• para valores cercanos a la unidad, cuando se suministró el caudal, la presión fue similar

para diferentes caudales; no se produjo resalto debido a que el nivel de agua llenó la

tubería completamente al suministrar el caudal.

45

En el segundo caso, en el estudio de las interacciones entre las fases de agua y aire, se

realizaron 60 corridas, para 3 pendientes (todas adversas para garantizar el atrapamiento

de aire), con 3 caudales de entrada y varias elevaciones iniciales. Estas corridas

experimentales demostraron que pueden existir hasta 5 resultados diferentes que

describen las posibles interacciones entre las fases de agua y aire durante el proceso de

llenado rápido.

i. Sin interacción: cuando el resalto avanza a lo largo de la tubería sin presurización de

aire, es decir que el escape de aire no está obstaculizado.

ii. Movimiento previo al resalto: movimiento del agua hacia aguas abajo antes de la

aparición del resalto. Este movimiento causó un cambio en la forma del flujo en la

región de superficie libre, en forma de una onda de depresión que se movía hacia

aguas arriba, como se muestra en la imagen superior de la Figura 19. Cuando esta

cavidad y el resalto se encontraron, disminuyó la velocidad que llevaba el resalto.

iii. Contraflujo de aire: la característica principal de esta condición fue una ruptura en

la interfaz de presurización debido a la presión del aire. En este caso, la presión del

aire es suficiente para crear una intrusión de aire en la corona de la tubería y por

tanto, la tubería no se presuriza completamente, como se muestra en la imagen

inferior de la Figura 19.

iv. Frente ondulatorio: esta condición ocurrió con más frecuencia en pendientes

pronunciadas y niveles de agua iniciales mayores. Se caracterizó por la formación

de un frente ondulado en lugar de un resalto hidráulico, y por la expulsión casi

inmediata de aire en el extremo aguas arriba. No se llenó completamente la sección

transversal.

v. Intrusión de aire en el frente ondulatorio: esta condición rara vez se observó y se

caracterizó por la intrusión de aire, como se describe en el caso iii, en el caso de

frente ondulatorio cuando se cierra la sección transversal de la tubería mientras la

interfaz se mueve hacia el extremo aguas abajo.


Figura 19: Esquema de movimiento previo del resalto e interfaz de presurización

Fuente:(Vasconcelos & Wright, 2005)

Se observó que estas fases de agua y aire se presentan como una sucesión cuando se

aumenta el nivel inicial de agua. Para niveles iniciales de agua pequeños no hay ninguna

interacción notable entre las fases de aire y agua. A medida que aumenta el nivel del

agua, se produce el desarrollo de la característica de movimiento antes del resalto. Un

mayor aumento en el nivel del agua desencadena la aparición de la característica de

contraflujo de aire y, finalmente, en el límite superior de los niveles de agua considerados,

se produjo la formación de frentes ondulantes, con o sin intrusión de aire. De esta manera

se observó que la variable controladora que determina el tipo de interacción es el nivel

inicial de agua en el punto de expulsión de aire, esto se debe a que en ausencia de otra

ventilación, la ruta principal para el escape de aire de la tubería fue proporcionada por la

salida aguas abajo.

Así mismo se obtuvo que a medida que aumenta el nivel de agua inicial y disminuye el

área de ventilación, el aumento del nivel de agua en el extremo aguas abajo ocurre casi

inmediatamente después del inicio de la entrada de flujo aguas arriba. El burbujeo

empieza aguas arriba y, a medida que las burbujas se expulsan, generan picos de presión

dentro de la fase de aire. El aumento de presión debido a la presurización del aire fue

47

significativo y algunos picos de presión de corta duración fueron más grandes que los

picos reales.

Entre los resultados obtenidos en esta investigación se destaca que (1) para niveles

iniciales de agua pequeños no se observaron presurizaciones grandes, esto debido a que

no se alcanzaba a llenar la sección transversal de la tubería; (2) para niveles de agua

iniciales intermedios, se producen las máximas presurizaciones durante el llenado rápido,

en estos casos, en la corona de la tubería se presenta un contraflujo de aire y la formación

de frentes ondulantes; y (3) el efecto de la pendiente del túnel resultó importante para el

comportamiento del oleaje debido al impacto que tuvo en la expulsión de aire del sistema.

▪ Ferreri, Ciraolo, & Lo Re (2014b) estudiaron experimentalmente la presurización en un

conducto de alcantarillado pluvial a través de 144 ensayos en laboratorio. El experimento

utilizó una tubería circular inclinable entre dos tanques, que tenía un diámetro de

aproximadamente 250 mm y una longitud de 26 m. Los 144 ensayos resultaron de la

combinación de: pendiente de la tubería (entre 0 y 3%), caudal (entre 15 y 65 dm3/s),

relación de llenado del flujo en superficie libre (entre 0.30 y 0.80), velocidad (entre 0.79

y 2.8 m/s) y número de Froude (entre 0.70 y 3.0). En todos los ensayos, la presurización

se inició dejando que la compuerta del tanque aguas abajo cayera libremente, es decir

entrada en carga desde el extremo aguas abajo.

En la Figura 20 se presenta el esquema del montaje experimental utilizado, compuesto

de una tubería de plexiglás y dos tanques de acero; en esta figura también se presenta la

ubicación de siete transductores que midieron la presión a lo largo de la tubería.

Figura 20: Modelo experimental de Ferreri, Ciraolo y Lo Re (2014)

Fuente: (Ferreri et al., 2014)


Se presentaron resultados experimentales de los tres comportamientos más comunes

observados durante la experimentación, así: (1) patrones de presurización, (2)

oscilaciones de presión, y (3) análisis del proceso completo de presurización. Para el

primer caso se observaron dos patrones de presurización diferentes, definidos como

"suave" y "brusco", según si el frente producido por la operación de cierre no alcanzaba

o superaba la corona de la tubería. El patrón de presurización suave fue evaluado para

relaciones de llenado entre 0.311 y 0.545. En este patrón durante el avance del resalto

quedó atrapada una cantidad moderada de aire en forma de una bolsa larga y delgada

entre la superficie del flujo y la corona de la tubería, a veces de más de la mitad de la

longitud de una tubería. Luego, la bolsa se dividió en otras más pequeñas, cada una de

pocos metros de longitud, que migraron aguas arriba para finalmente ser liberadas a

través del tanque. Durante la presurización del conducto se observó una velocidad de

elevación de superficie libre aproximadamente uniforme a lo largo de la tubería. El patrón

de presurización brusco fue evaluado para relaciones de llenado entre 0.316 y 0.525. En

este patrón el paso del resalto causó una presurización casi instantánea de la sección

transversal de la tubería, mientras avanzaba, el resalto arrastró un conjunto de pequeñas

burbujas de aire, que se juntaba en la corona de la tubería donde se formaron bolsas

(generalmente solo una). Las bolsas tenían algunos metros de longitud y en varios casos

alcanzaron los 6 - 8 m; fueron más o menos gruesas, dependiendo de las características

del flujo de superficie libre. Estos fueron seguidos por algunas bolsas de menor tamaño

(generalmente centímetros o decímetros de longitud). En general, las bolsas más grandes

se liberaron a través del tanque aguas arriba después de que terminó la presurización,

mientras que las bolsas pequeñas fueron liberadas en el extremo aguas abajo. Este patrón

se presentó siempre que el caudal fue superior a 25 dm3/s.

Para el segundo caso, se observaron dos tipos diferentes de oscilación de presión. El

primer tipo apareció durante todo el tiempo de prueba (incluido el flujo constante) y solo

tuvo una amplitud moderada. Por el contrario, el segundo tipo apareció sólo durante unos

pocos lapsos de tiempo durante el flujo inestable; estas oscilaciones pueden tener una

amplitud baja o alta dependiendo de las características de funcionamiento. Durante la

experimentación se notaron oscilaciones bajas en prácticamente todas las pruebas (con

presurización suave o brusca), tanto antes como después de que fluyera el resalto, estas

oscilaciones parecieron no ser peligrosas para la estabilidad del alcantarillado. Las

oscilaciones de gran amplitud, por el contrario, se observaron sólo en la presurización

brusca y generalmente ocurrieron después de que toda la tubería había sido presurizada,

con varias excepciones en las que dichas oscilaciones comenzaron antes de que el frente

49

fluyera hacia el tanque aguas arriba. Para este comportamiento del flujo se concluyó que

las oscilaciones de presión son atribuibles a las bolsas de aire atrapadas en el flujo de

agua. En particular, las altas oscilaciones fueron causadas por las pulsaciones de las

bolsas durante su proceso de migración-liberación y desaparecieron cuando las bolsas se

liberaron por completo; así mismo sólo ocurrieron oscilaciones bajas cuando no quedó

atrapado mucho aire en el flujo de agua.

Sólo el patrón brusco produjo oscilaciones de presión intensas, y por tanto es el que se

examinó con detalle en el análisis completo de la presurización. En este análisis del

comportamiento se destacó que para el caso de patrón de presurización brusco con

oscilaciones de amplitud baja (caudal de entrada entre 25 y 30 dm3/s) no se capturó gran

cantidad de aire; para caudales de entrada entre 35 y 60 dm3/s las oscilaciones de presión

también dependían de las características geométricas de la entrada; y para caudales de

entrada entre 60 y 65 dm3/s el aire quedó atrapado debido a que el tanque aguas arriba se

llenó antes que pudiera ser liberado, de esta manera el aire se liberó posteriormente por

el extremo aguas abajo produciendo oscilaciones de presión.

Se destacó que en estos experimentos la formación de bolsas de aire fue debido a la

acumulación progresiva de aire arrastrado por el resalto a medida que avanzaba y no por

atrapamiento de aire producto de la inestabilidad en la superficie libre. Esta diferencia

fue explicada porque las pruebas en esta experimentación se realizaron con relaciones de

llenado inferiores a 0.80, mientras que en las experimentaciones encontradas en la

literatura que atribuyen el atrapamiento de aire a la inestabilidad, las pruebas se

desarrollaron utilizando relaciones de llenado superiores al valor límite de 0.81, para el

cual, cualquier inestabilidad puede crecer hasta la corona de la tubería de sección circular.

Por lo tanto, se dedujo que puede producirse una presurización brusca siguiendo, a su

vez, dos patrones diferentes según si la relación de llenado inicial es mayor o menor que

el límite de inestabilidad 0.81.

La comparación entre todos los aumentos repentinos de presión en la tubería mostró

cómo cambiaron las oscilaciones en el tiempo de inicio, la intensidad y la duración a

medida que variaba la pendiente de la tubería, la velocidad de flujo y la relación de

llenado del flujo de superficie libre.

▪ Ferreri, Ciraolo, & Lo Re (2014a) con base en el estudio experimental que realizaron y

expusieron Ferreri et al. (2014b), en este estudio examinaron a través de un enfoque


teórico las características de flujo de superficie libre que determinan un patrón de

presurización suave o brusco que puede producirse como consecuencia de una reducción

drástica en la descarga aguas abajo de la tubería. En este estudio se reconoció que el flujo

mixto debido a un cierre brusco aguas abajo ha sido estudiado experimentalmente por

varios autores y se han distinguido 3 tipos de patrones de presurización así: (1) el primer

patrón (estudiado por Capart et al., 1997; Trajkovic et al., 1999; Ferreri et al., 2014b) se

caracterizó porque el resalto no ocupó toda la sección de la tubería y la presurización

ocurrió por un aumento gradual de la superficie libre; (2) el segundo patrón (estudiado

por Hamam & McCorquodale, 1982; Cardie et al., 1989) se caracterizó porque el resalto

ocupó toda la sección transversal de la tubería y provocó una inestabilidad de la superficie

libre que aumentó hasta alcanzar la corona de la tubería. En este patrón, las proporciones

de llenado fueron superiores a 0.80 y una bolsa de aire quedó atrapada entre el resalto y

la ola causada por la inestabilidad; la interacción aire-agua produjo oscilaciones de

presión. (3) El tercer patrón (estudiado por Ferreri et al., 2014b) al igual que el segundo

patrón, se caracterizó porque el resalto ocupó toda la sección transversal de la tubería. En

este patrón a diferencia del anterior, las proporciones de llenado fueron inferiores a 0.80,

por tanto, no ocurrió inestabilidad de la superficie libre; sin embargo, debido al arrastre

progresivo de aire a medida que avanzaba el resalto, se formaron bolsas de aire dentro

del flujo de agua que produjeron intensas oscilaciones de presión a medida que se

liberaban a través del tanque aguas arriba.

En este estudio a partir de un enfoque matemático se buscó responder las siguientes dos

preguntas: (1) ¿existe un valor único de caudal que independientemente del valor de la

pendiente de la tubería determine el patrón de presurización? y (2) ¿existen otras

condiciones físicas que determinen la ocurrencia de los patrones de presurización?

Se concluyó que para una relación fija entre el caudal de salida del tanque aguas abajo y

el caudal de la tubería, existe un caudal máximo que depende únicamente del diámetro

de la tubería, para el cual puede producirse una presurización suave. Para tasas de flujo

más altas, solo puede ocurrir una presurización brusca, mientras que, para tasas de flujo

más bajas, el patrón de presurización (suave o brusco) está determinado por la

profundidad del flujo de superficie libre. Ambos patrones pueden ocurrir con flujo

subcrítico y supercrítico. En el caso de presurización brusca sin salida del tanque, para

las proporciones de llenado de diseño habituales (0.70 - 0.80) se puede esperar una

presión de hasta aproximadamente un diámetro para los túneles más grandes (10 m de

diámetro o más) y hasta aproximadamente 20 diámetros para las alcantarillas más

51

pequeñas (pocos decímetros de diámetro). Se espera una sobrepresión considerable

incluso con un flujo de salida del tanque distinto de cero, pero disminuye notablemente

a medida que aumenta el flujo de salida. La presurización brusca puede ocurrir en

situaciones prácticas incluso para profundidades de flujo de menos 0.50, lo que implica

que puede ocurrir una presurización brusca no solo para inundaciones “extremas”

(fluyendo con relaciones de llenado superiores a 0.70), sino también para inundaciones

anuales. La posibilidad de que se puedan generar presiones considerables durante la

formación del resalto explica además la expulsión de la tapa de las cámaras de registro y

el daño al alcantarillado durante algunos eventos de lluvia.

▪ Szydłowski (2014) verificó experimentalmente la validez de las ecuaciones de Saint-

Venant como modelo hidráulico de simulación de flujo transitorio y transcrítico en

alcantarillas pluviales. El modelo experimental fue elaborado en el laboratorio de

hidráulica de la Gdańsk University of Technology en Polonia. El montaje experimental

presentado en la Figura 21 está compuesto de un tubo circular de 0.15 de diámetro y

10.55 m de longitud y está unido a dos tanques. El material de la tubería tiene un

coeficiente de rugosidad de Manning de 0.009 s/m1/3 y una pendiente fija de 0.005.

El tanque aguas arriba suministró agua a la tubería. El nivel de agua en el tanque aguas

abajo se mantuvo inicialmente debajo de la salida de la tubería. El experimento comenzó

desde un estado estable. En la sección de entrada, se mantuvo una descarga constante.

Figura 21: Montaje experimental de Szydłowski (2014)

Fuente: (Szydłowski, 2014)


La entrada en presión en el conducto fue generada por un repentino cierre de compuerta

en el extremo aguas abajo, ocasionando un resalto hidráulico que viajó hacia aguas arriba.

La variación de la carga de presión en el tiempo se midió con sondas hidrostáticas en dos

puntos ubicados a lo largo de la tubería, a 1.0 m (C4) y 6.54 m (C2) desde el extremo

aguas abajo de la tubería. Además, los niveles de la superficie del agua en ambos tanques

fueron monitoreados por ultrasonido (P1, P2). El flujo constante en el sistema hidráulico

del laboratorio se midió con un vertedero de control en la sección de salida. Un caudal

constante de 0.0055 m3/s fue suministrado. La profundidad del agua a lo largo del

conducto fue de 0.062 m. En la fase final del experimento, la puerta en el tanque aguas

abajo se abrió en poco tiempo, lo que condujo a una disminución repentina de la

superficie del agua. En esta fase, un transitorio rápido en forma de onda negativa devolvió

el flujo a sus condiciones iniciales.

Se obtuvieron resultados de cabeza de presión versus tiempo en los puntos C4, C2 y P1.

Se observó que después del cierre de compuerta aguas abajo se formó un resalto dentro

del conducto que viajó hacia aguas arriba en condición de flujo en lámina libre

alcanzando los puntos de control C4 y C2. Después de un tiempo, el resalto hidráulico

alcanzó el tanque aguas arriba (punto P1) y comenzó a llenarlo con agua. Debido al

aumento continuo del nivel del agua en el tanque aguas abajo, la presurización de la

tubería comenzó después del resalto hidráulico. Este efecto se pudo observar en los

puntos C4 y C2 cuando la altura de presión excedió el diámetro de la tubería. Ambos

fenómenos hidráulicos, relacionados con el flujo de agua rápidamente variable y

transitorio, se reprodujeron con bastante precisión en la simulación numérica.

▪ Aureli, Dazzi, Maranzoni, & Mignosa (2015) realizaron un modelo experimental con el

cual pudieran comparar y validar los resultados obtenidos de un modelo numérico

propuesto para simular flujo mixto dentro de conductos cerrados.

El modelo experimental fue instalado en el Laboratorio de Hidráulica de la Universidad

de Parma en Italia. Este montaje se presenta esquemáticamente en la Figura 22 y está

compuesto por una tubería de plexiglás de 12.12 m de longitud con 0.192 m de diámetro

interno. A 7 m del extremo aguas arriba, la pendiente de la tubería cambia abruptamente

de aproximadamente 8.4% (hacia abajo) a aproximadamente −27.7% (hacia arriba). Una

compuerta se ubica a aproximadamente 5 m aguas abajo del extremo superior del sistema.

Esta compuerta se podía levantar rápidamente (ortogonalmente al eje de la tubería). El

53

extremo aguas abajo de la tubería estaba totalmente abierto, mientras que el extremo

aguas arriba fue cerrado solo parcialmente para permitir un mayor llenado en condiciones

estáticas. La presencia de presión atmosférica en los dos extremos del conducto mantuvo

aireada la tubería, evitando perturbaciones e irregularidades de flujo causadas por el

atrapamiento de bolsas de aire.

Figura 22: Montaje experimental de Aureli (2015)

Fuente: (Aureli et al., 2015)

Para medir la presión se utilizaron seis transductores piezoeléctricos que fueron sujetados

al fondo de la tubería y ubicados perpendicularmente al eje de la tubería para obtener una

medición de la presión estática local. Para medir la velocidad se utilizó un velocímetro

Doppler ultrasónico en seis secciones transversales de medición ubicadas a pocos

centímetros aguas arriba de los manómetros.

Una condición estática inicial, caracterizada por una carga de presión de 22.5 cm en el

medidor G1 se mantuvo aguas arriba de la compuerta de descarga. Aguas abajo, el

conducto estaba inicialmente seco. La apertura repentina de la compuerta provocó un

transitorio rápido, lo que indujo un flujo mixto.

El frente de propagación se movió aguas abajo, rápidamente alcanzó el punto G6 y se

produjo un régimen de superficie libre en todo el sistema. El avance de la onda en la

pendiente adversa del sistema indujo una presurización parcial de la tubería y la

formación de una onda de transición que viajó aguas arriba. Luego, se desarrolló un flujo

oscilatorio amortiguado en el dispositivo con una presurización casi persistente de los

tres medidores más bajos G3, G4 y G5. Después el medidor G6 registró solo los niveles

de agua de superficie libre, y finalmente el medidor del extremo aguas arriba G1 ya no

detectó flujo.


El estudio presentó resultados de presión y velocidad en el tiempo en seis puntos ubicados

a lo largo de la tubería. Estos resultados mostraron que el flujo tiene un comportamiento

oscilatorio tanto de presión como de velocidad. La máxima presión se registró en los

puntos G4 y G5. Esta situación se produjo cuando el flujo se invierte al alcanzar el tramo

de tubería con pendiente adversa en los primeros segundos. La máxima velocidad se

registró en los puntos V3 y V4 (no se muestran en la Figura 22, sin embargo, se ubican a

pocos centímetros aguas arriba de G3 y G4, respectivamente) también en los primeros

segundos antes de que el flujo alcanzara el tramo con pendiente negativa. Con el modelo

numérico se realizó un análisis de sensibilidad variando el coeficiente de rugosidad de

Manning entre los típicamente asumidos para el plexiglás. Los resultados muestran que

este parámetro tiene una influencia débil en el pico de presión de las transiciones del

régimen del flujo y también en la velocidad de propagación de la onda, aunque se

concluye que afecta el proceso oscilatorio a largo plazo. El montaje experimental pudo

utilizarse únicamente para la validación de modelos numéricos de flujo mixto monofásico

ya que no investigaron la fase de aire.

▪ Muller, Wang, & Vasconcelos (2017) estudiaron los eventos de géiser que resultan de la

liberación de grandes volúmenes de aire a través de cámaras llenas de agua en los

sistemas de aguas pluviales. Los autores reconocen que estos sucesos son perjudiciales

desde el punto de vista ambiental y de salud pública, y que pueden causar daños

materiales y estructurales dentro del sistema de alcantarillado. También admiten que las

causas, la frecuencia, la magnitud y la ubicación de los eventos de géiseres no se conocen

bien y plantean dificultades prácticas a los diseñadores con respecto a cómo crear ejes de

caída que tengan menos probabilidades de presentar este problema. Este estudio integró

investigaciones experimentales y numéricas sobre el fenómeno de géiser en alcantarillas

y proporcionó información sobre los mecanismos de liberación de aire y desplazamiento

del agua en pozos verticales.

Para simular las características de un túnel de aguas pluviales, en el desarrollo

experimental se utilizó una tubería de PVC transparente de 302 mm de diámetro, unida

en sus dos extremos a dos tanques que controlan la presión en el sistema. Cerca del

extremo aguas abajo, se localizó una tubería vertical con diámetros que varían de 0.10 a

0.20 m, y cerca del extremo aguas arriba se localizó una tubería vertical de 0.20 m de

diámetro, a través de la cual se suministró el volumen de aire. Los volúmenes

predeterminados de bolsas de aire se liberaron en la tubería horizontal y eventualmente

55

alcanzaron las tuberías verticales, esto provocó el desplazamiento del agua y en ocasiones

la ocurrencia de géiseres.

La cinemática de la liberación de las bolsas de aire en el pozo aguas abajo se evaluó junto

con las presiones en puntos seleccionados del banco experimental. En comparación con

estudios anteriores, este estudio utilizó grandes diámetros para las tuberías horizontal y

verticales del banco experimental, esto permitió la observación de fuertes descargas que

excedieron varios metros de altura y tuvieron una naturaleza explosiva. Estos resultados

fueron utilizados en la calibración de un modelo de dinámica de fluidos computacional

(CFD). Los resultados de este trabajo proporcionan más detalles sobre la naturaleza y la

fuerza de los eventos de géiseres, y también sugerencias para futuros estudios sobre este

tema. Así mismo, se confirmó que el geiser puede ocurrir aun cuando la carga de presión

en el conducto principal se encuentre por debajo del nivel de la tapa en el extremo

superior de las tuberías verticales.

▪ Zhang, Cai, Zhou, & Hua (2017) desarrollaron una investigación experimental sobre las

interacciones aire-agua durante la transición del regimen de flujo lámina libre – presión

en un túnel de desvío en una central hidroeléctrica. Se investigaron las interacciones entre

las fases sujetas a diferentes combinaciones de cambios en el flujo y en el nivel inicial de

agua en la salida. Estas interacciones fueron clasificadas en cuatro tipos dependiendo del

valor de la profundidad inicial del agua, así: (1) movimiento de una sola bolsa de aire;

(2) movimiento de múltiples bolsas de aire; (3) inestabilidad interfacial; y (4) interacción

insignificante. Los dos primeros tipos estuvieron asociados a un nivel inicial de agua en

la salida superior al diámetro del conducto, mientras que el tercer y cuarto tipo

correspondieron a un nivel inicial de agua en la salida menor que el diámetro.

Se analizaron resultados de patrones de oscilación de presión y se encontró que para un

nivel inicial de agua de 0.963 se produjo el patrón la condición de inestabilidad

interfacial. Bajo esta condición se generaron grandes presiones de impacto cuando las

ondas de la superficie libre alcanzaron la corona del túnel. Posteriormente, la colisión y

fractura de bolsas de aire atrapadas entre las ondas adyacentes provocaron oscilaciones

de presión de alta frecuencia. La condición de interacción insignificante fue evaluada

para un nivel inicial de agua de 0.868, en este caso, la presión del aire sobre la superficie

libre se mantuvo a presión atmosférica sin fluctuaciones significativas.


Con esta experimentación se confirmó que el nivel inicial de agua es la variable de control

que determina el tipo de interacción. La condición de movimiento de múltiples bolsas de

aire y la condición de inestabilidad interfacial tuvieron un efecto crítico sobre la presión

máxima durante la transición. Se observaron picos de presión en las dos condiciones. La

presión máxima en el túnel alcanzó el máximo cuando el nivel inicial de agua en la salida

fue aproximadamente igual a la corona del túnel. A diferencia de Vasconcelos & Wright

(2005), los resultados indicaron que el cambio en el flujo también tiene un efecto sobre

los tipos de interacciones.

▪ Leon, Elayeb, & Tang (2019) desarrollaron un estudio experimental para evaluar en una

tubería vertical, la ocurrencia de géiseres violentos que se asemejan a los observados en

sistemas de aguas pluviales y combinados, cuando durante un evento de lluvia intensa se

presentan condiciones dinámicas y atrapamiento de aire que es liberado al llegar a un eje

vertical. Cada géiser producido consistió en unas pocas erupciones violentas consecutivas

dentro de un marco de tiempo de pocos segundos con alturas que pueden exceder los 30

m. En este estudio el término "violento" fue utilizado para distinguir este trabajo de

algunos que se han desarrollado antes, en los cuales la altura alcanzada por el géiser fue

menor. Este estudio muestra que una vez la bolsa de aire atraviesa la superficie libre y

produce un derrame de agua, la dinámica del flujo de la tubería horizontal impulsa todo

el mecanismo del géiser, en particular el gradiente de presión que cambia rápidamente

después de la primera erupción.

▪ Eldayih, Cetin, & Vasconcelos (2020) estudiaron las características del atrapamiento de

bolsas de aire producido durante el llenado rápido de conductos cerrados como

alcantarillados pluviales o túneles de almacenamiento, durante eventos de precipitación

intensa. Las bolsas de aire influyen en el oleaje del flujo en lámina libre dentro del

conducto y en caso de liberación incontrolada provocan problemas como expulsión de

tapas de cámaras de inspección. El enfoque principal del estudio fue la inestabilidad del

flujo provocada por el movimiento relativo de las capas de aire y agua, denominado en

este trabajo como inestabilidad de flujo de corte. Esta inestabilidad y su relación con la

formación de bolsas de aire fue estudiado a través de observaciones experimentales y un

modelo computacional en 3D.

El montaje experimental empleado se presenta en la Figura 23. Este montaje está

compuesto por una tubería horizontal de PVC transparente de 9.8 m de longitud y 0.102

m de diámetro. Aguas arriba la tubería se une con un tanque de almacenamiento que se

57

llenó con alturas variables, y aguas abajo se ubicó un reservorio. El sistema tenía dos

válvulas, una ubicada a 0.102 m desde el tanque aguas arriba y otra a 0.102 m desde el

extremo aguas abajo. Adicionalmente, en el extremo aguas abajo fueron instalados

vertederos para restringir el flujo de salida. Se realizaron doce pruebas al menos 3 veces

cada una, en las que se varió el nivel inicial del tanque aguas arriba (3 opciones diferentes)

y el vertedero aguas abajo (4 opciones de altura). Cada vertedero tenía un espacio

diferente, medido entre la cresta del vertedero y la corona de la tubería. Este espacio

correspondió a 20, 27 y 38 mm; y cuando no hubo compuerta fue de 102 mm. Estos

vertederos tenían como objetivo crear diferentes posibilidades de condiciones de flujo

que produjeran inestabilidades.

Dentro de la instrumentación se utilizaron los siguientes instrumentos, todos medidos

desde el extremo aguas arriba, así: un transductor de presión a 3.9 m, un manómetro que

midió la presión al inicio y al final del experimento a 4.5 m y un velocímetro ADV a 3.8

m.

Figura 23: Montaje experimental de atrapamiento de aire por llenado rápido de tuberías

Fuente: (Eldayih et al., 2020)

El experimento se inició estableciendo el nivel inicial que tendría el taque aguas arriba y

el tipo de vertedero que se ubicaría en el extremo aguas abajo. Después se llenó

completamente la tubería con agua, dejándola en reposo. El procedimiento comprendió

dos etapas, en la primera se permitió la salida del flujo aguas abajo y por tanto, la entrada

de aire al conducto (se permitió que la bolsa de aire avanzara hasta 2.2 m o 3.5 m medidos

desde aguas arriba antes que iniciara la segunda etapa). En la segunda etapa se abrió


completamente la válvula aguas arriba y la bolsa de aire cambió de dirección

rápidamente, avanzando ahora hacia aguas abajo empujada por un frente de agua. La

apertura de la válvula creó condiciones de llenado rápido y presurización en la tubería.

En el tanque aguas arriba se permitió un suministro de agua para que el nivel no cambiara

cuando la válvula aguas arriba fuera abierta.

Este trabajo presenta datos de celeridad de la cavidad de aire y también velocidad del

frente de agua producida al abrir la válvula aguas arriba. Como se pudiera anticipar, los

valores de velocidad del frente de agua aumentaron con el aumento de cabeza del tanque

aguas arriba.

Se concluyó que el atrapamiento de bolsas de aire es un problema importante en

alcantarillas de aguas pluviales y túneles de llenado rápido. En general, el modelo

numérico pudo reproducir los resultados experimentales. Sin embargo, el modelo predijo

más atrapamiento de aire que el observado, así mismo como predijo velocidades de flujo

mayores, lo que permitió pensar que se debe a que en el modelo numérico se estableció

el nivel aguas arriba en el tanque como un valor fijo a pesar de que en la realidad este

fluctúa un poco. Tanto experimental como numéricamente, se determinó que pueden

ocurrir múltiples atrapamientos de bolsas de aire en un solo tramo de tubería durante el

avance de una interfaz de presurización. A medida que este proceso se repite, las

condiciones presurizadas pueden extenderse mucho más rápidamente dentro de los

conductos cerrados, lo que lleva a una cadena de bolsas de aire atrapadas. Se especuló

que las observaciones de múltiples géiseres en los sistemas de aguas pluviales podrían

desencadenarse por procesos similares, es decir por atrapamiento de aire durante el

llenado rápido y la posible liberación incontrolada. De acuerdo con las observaciones

experimentales, los resultados numéricos también produjeron múltiples formaciones de

bolsas de aire durante el llenado rápido; sin embargo, las bolsas de aire simuladas fueron

en general más delgadas y más largas que las observadas en los experimentos. Tanto los

experimentos como el modelo coincidieron en que las bolsas de aire atrapadas pueden

fusionarse y convertirse en una bolsa larga durante el proceso de llenado rápido.

59

1.1.2 Investigación Numérica – Flujo mixto

En el estudio de flujo mixto se han desarrollado diferentes modelos numéricos para

predecir aproximadamente el comportamiento de este tipo de flujo en los conductos

cerrados. Para este desarrollo se hace necesario tener en cuenta las ecuaciones que

permitan describir los dos regímenes de flujo, a presión y lámina libre, el desarrollo de la

interfaz en la transición entre ambos tipos de flujo, y el efecto del aire que puede quedar

atrapado. De esta manera, los modelos se pueden clasificar de acuerdo con la estrategia

de solución empleada para modelar las inestabilidades en la interfaz, el número de

ecuaciones empleadas y el efecto de aire (Bousso, Daynou, & Fuamba, 2013).

Los modelos numéricos pueden clasificarse en función de la estrategia de solución, en

métodos de aislamiento del frente de onda (shock fitting or interfase tracking methods) y

métodos directos (shock capturing methods); en función del número de ecuaciones, en

modelos de una ecuación, los que emplean una única ecuación para describir los dos tipos

de flujo, y dos ecuaciones, los que emplean una ecuación para flujo a presión y otra para

flujo en lámina libre; en función del efecto de aire, en modelos de una fase, los que

consideran una mezcla homogénea de agua – aire y los modelos de dos fases, los que

consideran una fase para el agua y otra para el aire, bien sea el que está presente en el

flujo en lámina libre, así como también para el que queda atrapado durante la transición

(Bousso et al., 2013).

Cuando los modelos emplean una única ecuación de solución, generalmente se basan en

las ecuaciones de Saint Venant en 1D y por tanto, para modelar el flujo en presión

necesitan de una aproximación. Las dos aproximaciones comúnmente utilizadas son la

ranura de Preissman y el método TPA (Two - component Pressure Approach). El método

de la ranura de Preissman consiste en simular una ranura hipotética en la clave del

conducto, de tal manera que cuando la lámina de agua exceda el diámetro del conducto,

las características del flujo puedan ser también descritas por las ecuaciones de Saint

Venant en 1D (Li & McCorquodale, 1999). Sin embargo, esta aproximación tiene

asociadas limitaciones como la escogencia adecuada del ancho de la ranura y la

incapacidad de simular flujos subatmosféricos. El método TPA fue propuesto por

(Vasconcelos, Wright, & Roe, 2006) y consiste en modificar las ecuaciones de Saint

Venant en 1D para permitir flujo en presión asumiendo un comportamiento elástico de la


pared del conducto, lo que permite una relación directa entre el almacenamiento adicional

ganado por el flujo en presión y la carga de presión resultante (Aragón-Hernández, 2013).

Numéricamente el flujo mixto ha sido ampliamente estudiado, a continuación se

describen solo algunos de esos trabajos ya que el interés de este trabajo está orientado

principalmente al componente experimental, si se requiere más información al respecto,

se recomienda revisar el trabajo de Bousso et al. (2013), en el cual se presenta una

revisión crítica sobre el estado del arte del flujo mixto bajo el enfoque numérico.

A continuación se describen algunas de las investigaciones desarrolladas bajo este

enfoque, resaltando principalmente los resultados que proporcionan aspectos clave para

una mejor comprensión de las características del flujo mixto dentro de conductos

cerrados.

▪ Li & McCorquodale (1999) analizaron la formación y el desplazamiento de las bolsas de

aire que se forman durante el llenado rápido de conductos de alcantarillado pluvial y que

pueden provocar transitorios severos de presión. En esta investigación se modificó el

enfoque de columna rígida de McCorquodale, J., & Hamam (1983) para permitir el

transporte y la posterior liberación de la burbuja de aire atrapada dentro del conducto.

Para esto se usó un modelo matemático que se basó en la suposición de una columna de

agua rígida que interactúa con una burbuja de aire compresible. Esta es una de las

primeras investigaciones en destacar el papel que tiene el atrapamiento de aire en el flujo

mixto, así como también, la posterior liberación que puede conducir a desprendimiento

de tapas de las cámaras de inspección.

▪ Noto & Tucciarelli (2001) aplicaron una nueva metodología numérica (Double Order

Approximation, DORA) para el cálculo del flujo no permanente en redes de

alcantarillado, que no incluye los términos inerciales en la ecuación de cantidad de

movimiento. Esta metodología se aplicó a un conducto de alcantarillado para el caso de

régimen en flujo libre. En el flujo mixto, la transición de flujo en presión a flujo en lámina

libre y viceversa se resolvió sin la aproximación de la ranura de Preissmann. El algoritmo

también permitió sin ningún cambio en su estructura, el cálculo de la componente

difusiva en el caso de discontinuidades topográficas verticales, en este caso, se evaluó un

ejemplo de campo. Los resultados y el rendimiento se compararon con los de otros

códigos comerciales.

61

La evaluación del modelo numérico para el caso de flujo mixto se hizo con un conducto

propuesto hipotéticamente por el autor. Se supuso un conducto con 200 m de longitud,

0.50 m de diámetro y una pendiente de 0.001 m/m. Inicialmente, el conducto tenía un

caudal máximo de 0.049 m3/s, después se suministró un hidrograma triangular con tiempo

de base de 2000 segundos y un caudal pico de 0.20 m3/s en 1000 segundos. En la Figura

24 se presenta el hidrograma de entrada y los resultados obtenidos de hidrograma de

salida, calculado con los métodos HydroWorks y DORA. Los resultados que se presentan

en la Figura 24 indicaron que el conducto entra en carga desde el extremo aguas arriba

en el instante T1. Después en el instante T2, el conducto se sobrecarga totalmente durante

un tiempo Tp y; cuando el hidrograma disminuye, el flujo dentro del conducto vuelve a

tener la condición de lámina libre.

Figura 24: Comparación de hidrogramas de salida calculados por los modelos

HydroWorks y DORA.

Fuente: (Noto & Tucciarelli, 2001)

▪ Zhou, Hicks, & Steffler (2002) investigaron experimental y numéricamente la presión

dentro de una bolsa de aire atrapada en una tubería horizontal, que se produjo debido a

un llenado rápido de esta tubería. El modelo numérico desarrollado empleó el enfoque de

columna rígida y asumió que la interfaz agua – aire es vertical. Este modelo fue capaz de

calcular la presión de la bolsa de aire y la presión máxima de una columna de agua que

colapsó al final de una tubería horizontal. Los resultados obtenidos son comparados con

el modelo experimental. En esta investigación se concluyó que el aire atrapado en una

tubería de llenado rápido puede inducir altas oleadas de presión, especialmente cuando

se produce una fuga de aire.


▪ Vasconcelos, Wright, & Roe (2006) desarrollaron un modelo numérico para predecir el

comportamiento del flujo en conductos cerrados de alcantarillado pluvial cuando se

presentan inundaciones repentinas. Este modelo tiene la capacidad de simular presiones

negativas que pueden presentarse en la sección del conducto que se encuentre a presión

y el proceso de despresurización asociado. El modelo numérico desacopla el término de

presión hidrostática del término de presión que aparece únicamente en el régimen

presurizado, asumiendo un comportamiento elástico de la tubería. El montaje

experimental desarrollado por Vasconcelos & Wright (2003) y presentado en la Figura

15, fue utilizado para validar este modelo numérico, el cual fue modificado para

considerar presiones negativas.

▪ Aragón-Hernández, Concha, Bladé, & Gómez (2009) analizaron el fenómeno de flujo

mixto aplicando los modelos numéricos CARPA (Cálculo en Alta Resolución de

Propagación de Avenidas) y EPA SWMM 5.0 (Storm Water Management Model) al caso

particular del experimento tipo A1 de Trajkovic et al. (1999) sin considerar la posibilidad

de aire atrapado.

Se desarrolló una comparación para la modelación de flujo mixto en una tubería entre los

dos modelos numéricos. Para esta comparación se realizó un análisis de la influencia de

la velocidad de onda de presión y el tamaño de celda de la malla. De los resultados

obtenidos, se concluyó que la velocidad de la onda de presión es complicada de

determinar sin datos empíricos. Además, se destacó que la velocidad de la onda de

presión influyó en la carga de presión y en menor medida también en la velocidad del

frente de onda. En la Figura 25 y Figura 26 se presenta una comparación de los resultados

medidos y simulados en las secciones P5 y P7 respectivamente; considerando una

velocidad de la onda de presión de 3 m/s y un tamaño de celda de 0.10 m con el modelo

CARPA y 0.25 m con EPA SWMM 5.0.

63

Figura 25: Comparación numérico experimental en la sección P5.

Fuente: (Aragón Hernández et al., 2009)

Figura 26: Comparación numérico experimental en la sección P7.

Fuente: (Aragón Hernández et al., 2009)

▪ Aragón-Hernández, Bladé, & Gómez (2011) presentaron un modelo numérico para

simular flujo mixto (flujo en lámina libre y flujo en presión). Este fue comparado con un

ensayo de laboratorio de Gómez & Achiaga (2001) clasificado como tipo I, que

corresponde a la entrada en presión desde aguas abajo. El ensayo de laboratorio es

especial, ya que en su desarrollo queda atrapado una cantidad de aire tanto mezclado con


el agua como en bolsas de aire delante del frente de onda de presión, por lo que fue

necesario incluir una formulación para considerar la fase de aire (mezcla agua-aire no

incluido).

Para la simulación numérica de flujo mixto se empleó un modelo que se ubica dentro de

los modelos dinámicos que utilizan dos sistemas de ecuaciones y consideró flujo

incompresible (Aragón-Hernández, 2009). Por lo tanto, para considerar el

almacenamiento debido a la presión, permite un comportamiento elástico de la tubería.

Por otra parte, para modelar y propagar numéricamente las bolsas de aire atrapado y la

liberación de este, se empleó la ley de gas ideal asumiendo un proceso isotérmico (Zhou

et al., 2002). La solución numérica de las ecuaciones utilizó la técnica de los volúmenes

finitos a través del método de Godunov y el Riemann Solver de Roe.

En la Figura 27, se presenta la carga de presión medida en las estaciones 4.0 y 8.0 m

desde el extremo aguas arriba, los resultados del modelo numérico para simular flujo

mixto sin considerar la fase de aire, y los resultados considerando el aire atrapado delante

del frente de onda en presión.

Figura 27: Comparación numérico experimental de la entrada en presión aguas abajo

Fuente: (Aragón-Hernández et al., 2011)

Como conclusión de este estudio se destacó de la comparación de la carga de presión

medida y simulada, que los modelos numéricos presentados son capaces de reproducir

de forma bastante aproximada los ensayos de laboratorio, tanto la llegada del frente de

onda de presión, como la carga de presión del primer pico de presión transitorio. El

modelo numérico que incluyó la formulación para considerar la fase de aire se comportó

65

ligeramente mejor frente al modelo que no la consideró. El ensayo experimental presentó

oscilaciones de presión que los modelos numéricos no fueron capaces de reproducir en

su totalidad (longitud y altura de ondas simuladas mayores a las medidas), pero si los

valores medios de la carga de presión de dichas oscilaciones.

▪ Vasconcelos & Wright (2017) proporcionaron una evaluación de la relación entre los

principales parámetros de diseño y el rendimiento hidráulico de los túneles de aguas

pluviales sometidos a un llenado rápido. Para realizar este estudio se desarrollaron

diferentes simulaciones numéricas, en las cuales se consideraron tres geometrías de túnel,

y para cada geometría, se probaron 72 condiciones diferentes del hidrograma de entrada,

en total 216 escenarios diferentes de llenado rápido de túneles. Se consideraron las

interacciones aire-agua como el atrapamiento, la compresión y la expansión de las bolsas

de aire. Las configuraciones se simularon con un modelo numérico que emplea el enfoque

TPA (Two-Component Pressure Approach).

En la Figura 28 se presenta un esquema de la geometría del túnel. Cada geometría estuvo

compuesta por cuatro tramos de igual longitud con cinco uniones (ejes verticales de

diámetro constante) que se extendieron desde el túnel. El túnel tuvo un diámetro uniforme

de 8.0 m. Las configuraciones de geometría difieren entre sí de acuerdo con el diámetro

de las uniones del eje vertical; el cual reveló ser un parámetro clave para limitar la

magnitud de las sobretensiones y también para reducir el potencial de ocurrencia de

géiseres. Todas estas uniones de túnel, para todas las geometrías tuvieron una longitud

vertical de 100 m, excepto la última en el extremo aguas abajo que tuvo una longitud

vertical de 25 m. El objetivo de esta configuración fue reducir el número de condiciones

simuladas que provocarían desbordamientos en las uniones aguas arriba, lo que a su vez

complicaría la interpretación de los resultados.


Figura 28: Esquema de la geometría del túnel de aguas pluviales


Los hidrogramas de entrada tuvieron forma triangular y variaron en términos de duración

del flujo de entrada, tiempo en que se produjo el flujo máximo, e intensidad del flujo de

entrada máximo. Esta variaciones se hicieron con el fin de estudiar el impacto que

tendrían en el llenado del túnel: (1) los picos alcanzados rápidamente versus picos tardíos

en los hidrogramas, (2) la magnitud máxima del flujo de entrada y (3) la distribución

espacial de entradas. El rendimiento se evaluó en términos de condiciones operativas no

deseadas, como una sobretensión excesiva sobre las uniones, grandes cantidades de

atrapamiento de bolsas de aire y desplazamiento vertical de aire en los ejes verticales

creados por sobretensiones. Los resultados indicaron que las sobretensiones pico y las

salidas de aire a través de los ejes verticales se correlacionaron bien con los parámetros

de diseño como las áreas planas de los ejes de unión y las entradas al momento de la

presurización del túnel. Por el contrario, otras variables, como el volumen de la bolsa de

aire atrapado no se correlacionaron bien con los parámetros geométricos o de entrada

seleccionados en el estudio.

▪ Wright, Vasconcelos & Lewis (2017) presentaron una revisión de las investigaciones que

se han realizado para estudiar las interacciones aire – agua que se producen durante el

llenado rápido de conductos de gran diámetro, para comprender los fenómenos relevantes

e implementar diseños apropiados. A su vez, se estudiaron los requisitos de los modelos

numéricos para analizar conductos de llenado rápido, se presentó una revisión de las

estructuras de simulación existentes y también, una discusión de algunas limitaciones de

estos modelos y las posibles mejoras.

67

Este estudio destacó desde las diferentes observaciones de un túnel de transporte de aguas

pluviales y de los experimentos de laboratorio, que el atrapamiento de grandes volúmenes

de aire durante el llenado rápido puede explicar la formación de géiseres, así como las

grandes presiones del sistema asociadas con la compresión del aire atrapado. Dentro de

la revisión se consideraron tanto el problema de la formación de géiseres como la

aparición de grandes presiones dentro del sistema debido a la compresión del aire

atrapado. El estudio mencionó observaciones de investigaciones de laboratorio, un

conjunto limitado de observaciones de sistemas a gran escala y los métodos numéricos

recomendados para predecir el comportamiento del flujo en sistemas de llenado rápido,

como sistemas de alcantarillado pluvial y túneles de almacenamiento. Finalmente, los

autores identificaron que sería útil obtener una mejor comprensión de las condiciones

durante las cuales podrían ocurrir transitorios de presión severos.

▪ Vasconcelos, Eldayih, Zhao, & Jamily (2018) investigaron la precisión del modelo The

Storm Water Management Model (SWMM) para representar tres condiciones

experimentales de flujo mixto, evaluando los efectos de la discretización espacial y

temporal en los resultados obtenidos. Así mismo, revisaron las recomendaciones teóricas

originales de SWMM y se propusieron nuevas recomendaciones para mejorar los

resultados de simulaciones que involucren flujo mixto. Los ensayos evaluados se basaron

en los montajes experimentales de Trajkovic et al. (1999), y Aureli et al. (2015).

Los autores reconocieron la importancia de prever la ocurrencia de flujos mixtos

causados por el llenado rápido o por la excedencia de la capacidad de los sistemas de

aguas pluviales al momento de realizar estos diseños. Así mismo, reconocieron que la

aparición de este tipo de flujo genera problemas que implican, entre otros, sobrecargas

excesivas, daños estructurales, expulsión de agua a la superficie y atrapamiento de aire.

▪ Wang & Vasconcelos (2018) estudiaron los problemas de desplazamiento de las tapas de

cámaras de inspección en los sistemas de aguas pluviales. Este desplazamiento, entre

otros mecanismos, puede deberse al llenado rápido de alcantarillas y las sobrecargas de

presión dentro de estas. El trabajo desarrollado se centró en el aumento de presión de aire

y agua en cámaras de inspección en condiciones de llenado rápido. Para realizar esta

evaluación, se realizó una simulación de dinámica de fluidos computacional (CFD) de la

liberación de bolsas de aire en pozos con ventilación limitada en la cubierta. El montaje

que se modeló numéricamente se presenta en la Figura 29. Este montaje consta de un


túnel horizontal de 1.0 m de diámetro y 72.74 m de longitud, con un gran depósito aguas

arriba abierto a la atmósfera.

Figura 29: Esquema de la geometría del túnel

Fuente: (Wang & Vasconcelos, 2018)

A 30 m desde aguas arriba del depósito, se ubicó un eje de ventilación con 0.5 m de

diámetro y 100 m de altura, en cuyo extremo superior se instaló una tapa (que actúa como

una pared). Se simularon tapas con diferentes tamaños de ventilación, los cuales estaban

abiertos a la atmósfera. Esta investigación indicó que el desplazamiento de la tapa resultó

de la liberación de aire que se encontró presurizado dentro del sistema y dentro de las

cámaras de registro. Esto sucedió porque la presurización creó condiciones que hicieron

que el aire desarrollara la suficiente presión para superar el peso de la tapa y desplazarla.

Los autores buscaron hacer una contribución para mejorar la comprensión del

comportamiento de las bolsas de aire y establecer en qué medida, tales descargas de

bolsas de aire afectarían las fuerzas debajo de las tapas de alcantarilla con diversos grados

de ventilación. Aunque el trabajo sigue en proceso, las primeras conclusiones expuestas

indican que la magnitud de la presión del aire comprimido está estrechamente relacionada

con el tamaño de la ventilación.

▪ Hu, Li, Yao & Jin (2019) propusieron un modelo numérico con un solucionador lineal

para simular flujos mixtos en sistemas hidráulicos. Este modelo resolvió los dos

regímenes dentro de un conducto cerrado de manera unificada. En este trabajo se evaluó

tres tipos de flujo. En el flujo tipo 1, el flujo mixto se simuló en conductos no cerrados;

69

por ejemplo, en cámaras de inspección. En el flujo tipo 2, el flujo mixto se simuló en

conductos cerrados con secciones transversales que se contraen en la corona, como en el

caso de secciones circulares. El flujo tipo 3 es similar al flujo tipo 2, a excepción de que

la sección transversal del conducto era ancha y constante en profundidad; aplicable a

secciones rectangulares. El modelo numérico fue comparado con montajes

experimentales. Se obtuvo que el modelo numérico fue capaz de hacer una adecuada

representación de los flujos tipo 1 y 2. Sin embargo, la simulación del flujo tipo 3 presentó

inestabilidades que buscan ser resueltas añadiendo una ranura en la corona de la tubería.

Esta ranura dentro del modelo numérico se utilizaría únicamente para solucionar las

inestabilidades del flujo tipo 3.

▪ Choi, Hong & Lee (2019) estudiaron la ocurrencia de géiser en el sistema de drenaje de

aguas pluviales. El objetivo fue realizar una simulación computacional para proporcionar

una nueva metodología que permitiera predecir la presión que empuja una tapa de

alcantarilla hacia arriba, utilizando varias variables significativas que afectan la fuerza

del géiser. Se estudió la ocurrencia de un resalto de llenado de tubería debido a un flujo

de entrada repentino o, por un aumento de presión debido a la operación de una

compuerta o falla de una bomba. El modelo esquemático utilizado para la simulación

numérica consta de una tubería horizontal con un diámetro y longitud asignados, en la

cual se ubica hacia la mitad de su longitud, una tubería vertical de dimensiones menores

que simula una cámara de inspección. A través del análisis de sensibilidad para la presión

de la bolsa de aire, se descubrió que la relación de diámetro entre las tuberías horizontales

y verticales, la descarga de entrada y el área del eje aguas arriba tienen un efecto

importante sobre la presión del aire atrapado. Los resultados encontrados se resumieron

en un diagrama unificado en términos de los factores significativos, utilizando la

Metodología de superficie de respuesta (RSM). Este diagrama sugiere una forma de

calcular la fuerza de presión que empuja hacia arriba contra una tapa de registro.

Un análisis de la influencia que tiene la relación de diámetro entre las tuberías horizontal

- vertical y la profundidad inicial, en la presión del aire dentro de la bolsa de aire atrapada

fue realizado. Se encontró que la profundidad inicial es una condición requerida para la

ocurrencia del resalto, sin embargo, no tiene un efecto significativo sobre el valor de

presión; mientras que la relación de diámetro es el factor más importante, cuanto mayor

es la relación de diámetro, mayor es la presión del aire. También se destacó que para un

mismo valor de relación de diámetro, el valor máximo de las presiones de aire se produjo

en el caso con relación de llenado de 83.5%. Este hallazgo estuvo de acuerdo con Cardie


et al. (1989); Ferreri et al. (2014a) y Hamam & McCorquodale (1982) quienes destacan

que para una relación de llenado superior a 80% se produce un resalto completamente

presurizado.

Según este estudio y otros anteriores, las principales causas de los géiseres son la

formación de aire atrapado, la compresión de aire debido a la falta de ventilación, la

ocurrencia de transición de flujo, y el aumento repentino de la presión debajo de las tapas

de registro. De acuerdo con los resultados encontrados, para evitar el géiser en el sistema

de drenaje de aguas pluviales, se debe controlar la profundidad de la tubería y los factores

dominantes que actúan sobre la presión del aire, que son: la descarga de entrada, el área

de sección transversal del eje de caída y la relación de diámetros.

1.1.3 Consideraciones finales de la revisión de literatura

De lo anterior es posible afirmar que el flujo mixto en conductos cerrados de alcantarillado

pluvial ha sido estudiado tanto experimentalmente como numéricamente.

En la mayoría de los estudios experimentales, la entrada en presión de los sistemas fue

generada a través de la operación de compuertas en los extremos de la tubería. En la

literatura predominan los experimentos en los cuales la entrada en presión empieza desde el

extremo aguas abajo (Capart et al., 1997; Cardie et al., 1989; Ferreri et al., 2014; Guo &

Song, 1990; Hamam & McCorquodale, 1982; Li & McCorquodale, 2001; Szydłowski,

2014). Sin embargo, también existen, aunque en menor cantidad los estudios que han

evaluado la entrada en presión tanto por el extremo aguas abajo, como también por el

extremo aguas arriba (Aureli et al., 2015; Gómez & Achiaga, 2001; Trajkovic et al., 1999;

Vasconcelos & Wright, 2003). De estas investigaciones se resalta la conclusión obtenida por

Gómez & Achiaga (2001), quienes expusieron que cuando la transición se produjo desde el

extremo aguas arriba, la carga de presión fue el doble de cuando la transición se produjo

desde el extremo aguas abajo.

De la revisión de las investigaciones experimentales también se destaca que algunas se han

realizado con el fin de comprender el proceso de presurización del flujo en conductos

cerrados como alcantarillas pluviales y túneles de almacenamiento de agua pluvial (Cardie

et al., 1989; Ferreri et al., 2014; Guo & Song, 1990; Hamam & McCorquodale, 1982),

mientras que otras fueron realizadas con el objetivo de validar modelos numéricos (Aureli

71

et al., 2015; Capart et al., 1997; Li & McCorquodale, 2001; Szydłowski, 2014; Trajkovic

et al., 1999).

Los modelos numéricos desarrollados intentan predecir principalmente la presión generada

por la transición del flujo en lámina libre a flujo en presión. Los principales obstáculos

encontrados han sido la simulación de la interfaz, sobre todo cuando el cambio entre ambos

regímenes es brusco; y la simulación del atrapamiento de aire que resulta de la transición.

1.2 Identificación de normativas para el diseño de

alcantarillado pluvial

Esta sección tiene como propósito identificar los criterios definidos para el diseño de

conductos de alcantarillado pluvial en la normativa colombiana anterior (Reglamento

Técnico para el sector de Agua Potable y Saneamiento Básico, RAS 2000), actual

(Resolución 0330 de 2017) y local (Especificaciones técnicas – Aguas de Manizales S.A

E.S.P., 2016). Así mismo, identificar algunos elementos que se destacan a nivel

internacional.

1.2.1 Reglamento Técnico para el sector de Agua Potable y Saneamiento

Básico, RAS 2000

En el año 2000 en Colombia se adoptó el Reglamento Técnico para el sector de Agua Potable

y Saneamiento Básico (Ministerio de Desarrollo Económico, 2000). En esta normativa se

señalan los requisitos que deben cumplir las obras, equipos y procedimientos operativos que

se utilicen en la prestación de los servicios públicos domiciliarios de acueducto,

alcantarillado y aseo. Este Documento Técnico Normativo está dividido en tres secciones:

▪ La Sección I, Titulo A presenta el Reglamento Técnico del Sector de Agua Potable y

Saneamiento Básico, el cual contiene el acto resolutivo mediante el cual el Ministerio

de Desarrollo Económico, lo expide como tal y le confiere carácter oficial para su

aplicación en todo el territorio nacional.


▪ La Sección II contiene los siguientes Títulos: B. Acueducto; C. Potabilización; D.

Recolección y evacuación de aguas residuales, domésticas y pluviales; E. Tratamiento

de aguas residuales; y G. Aspectos complementarios.

Cada título de esta sección se presenta como un Manual de prácticas de buena

ingeniería, en donde se establecen los criterios y recomendaciones para el diseño,

construcción, supervisión técnica, interventoría, operación y mantenimiento propios del

Sector de Agua Potable y Saneamiento Básico.

▪ La Sección III, Título H contiene a manera de información, el listado completo de las

Normas Técnicas Colombianas y extranjeras que se aplican para los productos

terminados, sus procesos de fabricación y procedimientos propios del Sector. También

se incluye información sobre las principales leyes, decretos y resoluciones del orden

nacional, que aplican al Sector de Agua Potable y Saneamiento Básico a la fecha de su

publicación.

Dentro del Reglamento Técnico para el sector de Agua Potable y Saneamiento Básico, RAS

2000, el apartado D.4 describe las características y el procedimiento de diseño de Redes de

sistemas de alcantarillado pluvial, y el apartado D.6.5 trata el tema de Sumideros (tramo

inicial de un alcantarillado pluvial), y las consideraciones para su proyección y parámetros

de diseño.

La Tabla 1 a continuación presenta para los conductos que hacen parte de los alcantarillados

pluviales y para los sumideros, los parámetros, requisitos mínimos de diseño y el apartado

donde se encuentra ubicado en el Reglamento Técnico para el sector de Agua Potable y

Saneamiento Básico, RAS 2000.

73

Tabla 1: Requisitos técnicos para los sistemas de alcantarillado pluvial RAS 2000

Parámetro Requisito Apartado

Profundidad mínima a la

cota clave del conducto

Para vías peatonales o zonas verdes profundidad a la

cota clave del conducto de 0.75 m y para vías

vehiculares 1.20 m. En general deben considerarse que

no interfiera con otras redes.

Sección II

Título D

D.4.3.15

Diámetro interno

El diámetro nominal mínimo permitido en redes de

sistemas de recolección y evacuación de aguas lluvias

es 250 mm

Sección II

Título D

D.4.3.8

Velocidad mínima

Debe disponerse de una velocidad suficiente para

lavar los sólidos depositados durante periodos de

caudal bajo. La velocidad mínima real permitida en el

conducto es 0.75 m/s para el caudal de diseño.

Sección II

Título D

D.4.3.10

Velocidad máxima

Los valores máximos permisibles para la velocidad

media en los conductos dependen del material, en

función de su sensibilidad a la abrasión. Para concreto

5 m/s y para PVC 10 m/s

Sección II

Título D

D.4.3.11

Profundidad hidráulica

máxima

La profundidad hidráulica máxima en conductos de

aguas lluvias puede ser la correspondiente a flujo

lleno.

Sección II

Título D

D.4.3.14

Requisito de diseño de

sumideros

El dimensionamiento de la tubería de conexión del

sumidero al sistema de alcantarillado ya sea un pozo o

fuentes receptoras, debe tener un diámetro mínimo de

200 mm, pendiente superior al 2% y, en general, no

debe tener una longitud mayor de 15 m.

Sección II

Título D

D.6.5.2

1.2.2 Resolución número 0330 de 2017 del Ministerio de Ciudad, Vivienda

y Territorio. Colombia

La Resolución número 0330 de 2017 del Ministerio de Vivienda Ciudad y Territorio (2017)

deroga al Reglamento Técnico para el sector de Agua Potable y Saneamiento Básico 2000

en el año 2017 y es la resolución que hoy en día reglamenta en Colombia los requisitos

técnicos que se deben cumplir en las etapas de planeación, diseño, construcción, puesta en

marcha, operación, mantenimiento y rehabilitación de la infraestructura relacionada con los

servicios públicos domiciliarios de acueducto, alcantarillado y aseo. Este Documento

Técnico Normativo está dividido en seis títulos que son:


▪ Título 1: Aspectos generales

▪ Título 2: Requisitos técnicos

▪ Título 3: Gestión Documental

▪ Título 4: Permisos, licencias y otras autorizaciones

▪ Título 5: Junta técnica asesora del RAS

▪ Título 6: Control y régimen sancionatorio del reglamento técnico de acueductos y

alcantarillados.

Los requisitos técnicos para los sistemas de recolección y evacuación de aguas residuales

domésticas y pluviales se encuentran en el Título 2: Requisitos técnicos, Capítulo 4:

Sistemas de recolección y evacuación de aguas residuales domésticas y pluviales. Este

capítulo a su vez está formado por seis secciones:

▪ Sección 1: Consideraciones técnicas generales de las redes de alcantarillado

▪ Sección 2: Redes de alcantarillado convencional de aguas residuales

▪ Sección 3: Redes de alcantarillado no convencional de aguas residuales

▪ Sección 4: Redes de alcantarillado de aguas pluviales y combinadas

▪ Sección 5: Estructuras complementarias de las redes de alcantarillado

▪ Sección 6: Puesta en marcha, operación y mantenimiento de las redes de alcantarillado

La Tabla 2 presenta para los conductos que hacen parte de los alcantarillados pluviales y

combinados, y para los sumideros, los parámetros, requisitos mínimos de diseño y el

apartado donde se encuentra ubicado en este reglamento.

75

Tabla 2: Requisitos de alcantarillado pluvial Resolución 0330 de 2017


Profundidad de

instalación de la tubería

en alcantarillado

Los valores mínimos permisibles de

recubrimiento de los conductos que no requieren

protección a cargas vivas, con relación a la

rasante. Para vías peatonales o zonas verdes

profundidad a la cota clave del conducto de 0.75

m y para vías vehiculares 1.20 m.

Capítulo 4

Sección 1

Artículo 139

Diámetro interno real

mínimo

El diámetro interno real mínimo permitido en

redes de alcantarillado pluvial y combinado es 260

mm.

Capítulo 4

Sección 4

Artículo 148

Criterios de

autolimpieza en los

alcantarillados pluviales

y combinados

La velocidad mínima real permitida en el

conducto de alcantarillado pluvial o combinado es

aquella que genere un esfuerzo cortante en la

pared de la tubería mínimo de 2.0 Pa.

Capítulo 4

Sección 4

Artículo 149

Velocidad máxima en

los alcantarillados

pluviales y combinados

La velocidad máxima real en un conducto por

gravedad no debe sobrepasar 5.0 m/s, determinada

para el caudal de diseño.

Capítulo 4

Sección 4

Artículo 150

Relación máxima entre

profundidad y diámetro

de la tubería en los

alcantarillados pluviales

y combinados.

El valor máximo permisible de la profundidad del

flujo para el caudal de diseño en un conducto es

de 93% del diámetro interno real de este,

correspondiente a flujo lleno.

Capítulo 4

Sección 4

Artículo 151

Requisito de diseño de

sumideros

La tubería de conexión del sumidero debe tener un

diámetro interno real mínimo de 215 mm,

pendiente mínima de 2.0% y no debe tener una

longitud mayor de 15 m.

Capítulo 4

Sección 5

Artículo 156

En el presente reglamento se establece que para la estimación de los caudales de aguas

lluvias para el diseño de conductos pluviales se debe tener en cuenta los siguientes factores:

▪ Periodo de retorno

▪ Intensidad de lluvia

▪ Tipo de cobertura

▪ Tiempo de concentración

En Colombia, los conductos pluviales están diseñados para eventos de precipitación con

periodo de retorno entre 3 y 10 años dependiendo de la importancia de las áreas tributarias

y de los daños o molestias que las inundaciones puedan causar.


1.2.3 Especificaciones técnicas - Aguas de Manizales S.A. E.S.P. (2016)

Aguas de Manizales S.A. E.S.P. como empresa prestadora de los servicios de acueducto y

alcantarillado en la ciudad de Manizales cuenta con el documento “Aguas de Manizales S.A.

E.S.P." de (2016) emitido en Marzo de 2016, en el cual, la empresa proporciona a

contratistas o demás personas interesadas en la ejecución de obras para la empresa, las

normas, exigencias y procedimientos adicionales para ser empleados en los trabajos de obras

civiles dentro de la ciudad de Manizales.

Este documento está dividido en 13 capítulos. El capítulo 6: Alcantarillados, contiene las

especificaciones para construcción, modificación, optimización, reparación y/o

rehabilitación de las redes de alcantarillado pluvial, sanitario o combinado.

En la Tabla 3 a continuación se identifican las especificaciones técnicas adicionales dadas

por la empresa Aguas de Manizales S.A. E.S.P. para la tubería de salida del sumidero hacia

la cámara de inspección más cercana. La profundidad de instalación de la tubería, el

diámetro mínimo, la velocidad y la relación máxima entre profundidad y diámetro de los

demás conductos del alcantarillado pluvial son aquellos definidos en el reglamento técnico

nacional vigente.

Tabla 3: Especificaciones técnicas para tubería de conexión de sumideros


Diámetro mínimo de

tubería 10 pulgadas (260 mm)

Capítulo 6

Sección 6.9

Pendiente mínima de la

tubería 3%

Capítulo 6

Sección 6.9

Longitud máxima de

tubería 15 m

Capítulo 6

Sección 6.9

1.2.4 Algunos aspectos de normas internacionales destacados

Para tener una visión parcial del procedimiento de diseño que se lleva a cabo en otros países

y con el fin de ampliar las condiciones de diseño que se pueden considerar, se revisaron los

lineamientos expuestos en los documentos: (1) Standard Handbook for Civil Engineers

(Loftin, Merritt, & Rickett, 2004); (2) Drinking water distribution, sewage, and rainfall

77

collection (Briere, 2007); y (3) Storm water collection systems design handbook (Mays,

2001). A continuación, se destacan los principales parámetros que se debe cumplir en el

diseño hidráulico de los conductos de alcantarillado pluvial para asegurar el transporte del

caudal de diseño calculado.

▪ Standard Handbook for Civil Engineers – Estados Unidos

Este documento fue desarrollado por Ricketts, Loftin, & Merritt (2004); y reúne

información para la práctica actual en el campo profesional de la ingeniería civil:

planificación, diseño y construcción de edificios, puentes, túneles, instalaciones de

transporte y otras estructuras para el control ambiental y el manejo de los recursos naturales.

En la revisión de los parámetros de diseño para alcantarillado fue consultado el capítulo 22:

Environmental Engineering, Sección 22.5: Sewer Design. De manera general, según

Ricketts, Loftin, & Merritt (2004) el diseño del alcantarillado debe ser concebido en primer

lugar a partir de un estudio exhaustivo de la comunidad o área a ser atendida.

Se destacan las siguientes observaciones:

Condición de flujo: el flujo máximo ocurre cuando un conducto no está completamente

lleno. Por ejemplo, para una tubería circular, la descarga máxima tiene lugar a

aproximadamente 90% de la profundidad total de la sección. Sin embargo, las alcantarillas

deben estar diseñadas para soportar cierta presión hidráulica. Para alcantarillas pluviales, la

práctica común debe permitir que la tubería lleve el flujo de diseño a toda profundidad. En

general, se puede suponer que el flujo es uniforme en alcantarillas rectas. Sin embargo, los

cambios de velocidad ocurrirán en obstáculos y cambios en la sección transversal del

alcantarillado y deben considerarse al hacer cálculos hidráulicos.

Pendiente: la pendiente debe exceder el mínimo necesario para mantener la velocidad

mínima del flujo de diseño en la alcantarilla y garantizar la autolimpieza del conducto.

Debido a que generalmente el flujo a través de las alcantarillas es menor que el flujo de

diseño, la velocidad real puede ser menor que la velocidad que permite asegurar la

autolimpieza.

Diámetro: en muchas ciudades estadounidenses, 8 pulgadas (200 mm) se considera como

el diámetro mínimo de alcantarillado permitido, y en ciudades grandes y áreas

metropolitanas se recomienda que10 pulgadas (250 mm) puede ser el mínimo. En cualquier


caso, no se deben utilizar tuberías de menos de 6 pulgadas (150 mm) de diámetro debido a

la posibilidad de obstrucciones.

Velocidad: la velocidad mínima para alcantarillado pluvial o combinado debe ser de 3 ft/s

(0.91 m/s) debido a que el flujo puede transportar cantidades de sólidos como arena. Las

velocidades altas en las alcantarillas también deben evitarse porque los sólidos transportados

en el flujo pueden erosionar el conducto. Un límite superior habitual para alcantarillas

sanitarias es de 10 ft/s (3m/s). Sin embargo, las velocidades máximas de diseño para

alcantarillas pluviales pueden ser mucho mayores cuando es probable que tales flujos

ocurran con poca frecuencia. Los canales de hormigón por ejemplo han transportado flujos

con velocidades de 40 ft/s (12 m/s) sin daños.

Pérdidas de energía: la suposición de un flujo de canal abierto de forma única en el diseño

de alcantarillado implica que la línea de gradiente hidráulico, o superficie del agua, será

paralela al alineamiento del alcantarillado. Esto puede ser cierto, sin embargo, existen

condiciones que cambian la pendiente de la superficie del agua y, por tanto, la capacidad de

carga de la alcantarilla cambiará independientemente de la constancia de la pendiente de la

alcantarilla. Estas pérdidas de energía deben tenerse en cuenta en los cálculos hidráulicos

para el flujo cerca de intersecciones, para cualquier estructura que combine el flujo de dos

o más fuentes, para el intercambio de cabezales de velocidad y presión, y para las salidas

sumergidas en los desagües.

▪ Drinking water distribution, sewage, and rainfall collection - Canadá

Desarrollado por Briere (2007), el documento está enfocado en los problemas hidráulicos

prácticos que ocurren en las ciudades modernas. Este libro puede ser usado para aprender

los requisitos básicos para diseñar y evaluar redes de alcantarillado pluvial, redes de desagüe

y redes de distribución de agua. Para esta investigación fueron revisados el capítulo 8:

Design of Sewer Systems; y capítulo 9: Hydraulic Design of Sanitary, Storm and Combined

Sewer Systems.


Condición de flujo: los conductos de alcantarillado deben ser diseñados para garantizar una

capacidad hidráulica que transporte el flujo de diseño en condiciones de lámina libre.

79

Pendiente: la pendiente en sí misma no es un requisito en el diseño de tuberías de

alcantarillado; solo debe ser lo suficientemente empinado para generar una velocidad

mínima para garantizar la autolimpieza de las tuberías. Sin embargo, para tuberías de

conexión se recomienda mínimo 2%.

Diámetro: en Quebec, para fines de mantenimiento y autolimpieza, los diámetros mínimos

autorizados son 300 mm. Se requiere este diámetro porque el alcantarillado pluvial o

combinado, a menudo recibe material pesado como arena y grava durante la limpieza de

calles y fuertes precipitaciones.

Velocidad: la velocidad mínima para alcantarillado combinado y pluvial es de 0.9 m/s. De

acuerdo con las prácticas de ingeniería normales, las velocidades mínimas deben respetarse

cuando las tuberías fluyen llenas. La velocidad máxima se establece para evitar el desgaste

excesivo y el deterioro abrasivo de las tuberías y otros elementos (incluidos los pozos de

alcantarillado). En general, las organizaciones municipales y regionales establecen la

velocidad máxima de flujo en 3 m/s; sin embargo, este límite superior no es tan estricto

como el límite inferior.

Pérdida de energía: el diseñador de un sistema de alcantarillado no puede elegir la

pendiente de las tuberías sin determinar primero la pérdida de energía debido a la fricción y

la pérdida de energía menor. La pérdida de energía menor y la pérdida de energía debido a

la fricción permiten determinar la pendiente mínima necesaria para asegurar el flujo por

gravedad y velocidades de flujo adecuadas.

▪ Storm water collection systems design handbook – Estados Unidos

Mays (2001) presenta una referencia completa sobre el diseño de varios componentes de los

sistemas de recolección de aguas pluviales. Para esta investigación fue consultado el capítulo

6: Hydraulics of Sewer Systems.


Condición de flujo: debe existir flujo de superficie libre para la descarga de diseño. La

descarga de diseño utilizada es la descarga máxima del hidrograma de entrada total del

alcantarillado.


Pendiente: en general sigue aproximadamente la pendiente promedio del terreno a lo largo

de la alcantarilla.

Diámetro: se recomienda que el diámetro no sea menor que 8 pulgadas o 200 mm. En los

Estados Unidos, generalmente los tamaños comerciales en pulgadas son 8 y 10, que

corresponden a 200 mm y 250 mm, respectivamente.

Velocidad: para evitar o reducir la deposición permanente en los alcantarillados, se

especifica una velocidad de flujo mínima admisible para la descarga de diseño. Por lo

general, se recomienda o requiere una velocidad mínima de 2 ft/s o 0.5 m/s para la descarga

de diseño, considerando que este flujo ocupa toda la sección de la tubería. Para evitar la

aparición de socavación y otros efectos no deseados del flujo de alta velocidad, también se

especifica una velocidad de flujo máxima permitida. El valor más utilizado es 10 ft/s o 3

m/s. Sin embargo, estudios recientes indican que esta velocidad está determinada por la

calidad del material de la tubería de alcantarillado.

1.2.5 Comparativo de las normativas evaluadas

De la identificación de los criterios para el diseño de conductos de alcantarillado pluvial

definidos en la normativa colombiana RAS 2000 y Resolución 0330 de 2017 se observa que,

el diámetro interno real mínimo de los conductos aumentó, antes definido en 250 mm y

ahora 260 mm. De igual forma, en los requisitos de diseño para sumideros se mantiene el

valor de pendiente y longitud de la tubería de conexión, en tanto que el diámetro pasó de

200 mm a 215 mm. Con respecto a la especificación técnica de la empresa de prestación de

servicio de alcantarillado local, en comparación a la normativa nacional, cambia el valor de

pendiente mínima y diámetro mínimo de tubería de conexión de sumideros. En ambos casos

la especificación local aumenta estos valores de 2% a 3% y de 215 mm a 260 mm,

respectivamente.

A nivel internacional, el diámetro mínimo se establece entre 200 y 300 mm. Para la

velocidad mínima, las normas internacionales proponen un valor de entre 0.5 y 0.9 m/s, en

tanto que en la normativa colombiana se especifica un valor mínimo de esfuerzo cortante en

la pared de la tubería de 2.0 Pa; este último parámetro es difícil de cuantificar y depende de

la configuración y condición del flujo. Para la velocidad máxima, la normativa colombina

permite un valor mayor de 5 m/s, en tanto las normativas internacionales aconsejan un

81

máximo de 3 m/s, aunque se destaca que este valor puede cambiar dependiendo del material

de la tubería. Para el caso de la pendiente, los reglamentos apuntan a que es un factor que se

relaciona directamente con la velocidad mínima, por tanto, la recomendación general es

asignar una pendiente que permita que el flujo alcance la velocidad mínima especificada. La

pendiente de 2% es recomendada por la normativa colombiana para la tubería de conexión

del sumidero.

A continuación, en la Tabla 4 se presenta una comparación de los parámetros de diseño de

conductos pluviales descritos en esta sección, tanto en Colombia como a nivel internacional.

Tabla 4: Comparación de parámetros de diseño de normativas internacionales

Parámetro

de diseño

Normativa de estudio

Standard

Handbook

for Civil

Engineers

Drinking

water

distribution,

sewage, and

rainfall

collection

Storm water

collection

systems

design

handbook

RAS 2000

Resolución

0330 de

2017

Especificaciones

técnicas - Aguas

de Manizales

S.A. E.S.P.

Diámetro

(mm) 200 300 200 250 260 260

Velocidad

mínima

(m/s)

0.9 0.9 0.5 0.75

En función

del esfuerzo

cortante en

la pared de

la tubería

En función del

esfuerzo

cortante en la

pared de la

tubería

Velocidad

máxima

(m/s)

3 3 3 10 5 5

Pendiente

(%) 2 2 2 2 2 3

Condición

del flujo

Lámina

libre Lámina libre Lámina libre

Puede

corresponder

a flujo lleno

Máxima

relación

profundidad-

diámetro de

93%

Máxima

relación

profundidad-

diámetro de

93%


En la Figura 30 se presenta un esquema de la configuración y dimensiones mínimas

expuestas en anteriormente para el diseño del tramo inicial del alcantarillado pluvial. Las

etiquetas se presentan con color diferente dependiendo de la normativa, así: en color rojo

por el RAS 2000; en color azul por la Resolución 0330 de 2017: y en color verde por las

especificaciones técnicas de Aguas de Manizales S.A. E.S.P.

Figura 30: Esquema Sumidero – conducto pluvial

Sumidero

Rasante vía

RAS 2000

Resolución 0330 de 2017

Especificaciones técnicas - Aguas de Manizales S.A. E.S.P.

Cámara

Tubería: Pendiente mínima: 2%; 2%; 3%

Diámetro mínimo: 200 mm; 215 mm; 260 mm

Longitud máxima: 15 m; 15 m; 15 m

83

2. Marco teórico

En este capítulo se presenta el procedimiento y factores que se deben analizar para obtener

el caudal de diseño que será conducido por el alcantarillado pluvial, asimismo, una

descripción de las variables empleadas en el diseño hidráulico de conductos de sección

circular. También se presenta una clasificación general del flujo mixto y las ecuaciones que

describen los posibles tipos de flujo dentro de una alcantarilla.

2.1 Caudal de diseño

En esta sección en primer lugar se describen los componentes que hacen parte de la relación

lluvia – escorrentía. Se presenta también el método clásico para evaluar el volumen de

escorrentía, los parámetros que este método utiliza y sus limitantes.

Para una cuenca ubicada en un área urbana o en otra parte, la escorrentía y su volumen están

determinados por:

▪ Características de la lluvia como intensidad, duración y distribución espacial y temporal;

▪ Características de la superficie de la cuenca como naturaleza, permeabilidad y pendiente;

y

▪ Ecuaciones hidráulicas con respecto al agua que fluye libremente en la superficie.

La Tabla 5 muestra secuencialmente la relación entre una lluvia, una cuenca, la red de

alcantarillado y las características del hidrograma de escorrentía en la descarga de la cuenca.


Tabla 5: Relación entre una lluvia y un hidrograma de escorrentía

Fuente: (Briere, 2007)

Función Características

Fuente: Lluvia

Atmósfera

- Distribución espacio temporal de la lluvia o

hietograma sintético.

Transformación: Cuenca

Físico

- Superficies.

Impermeable, escurre directamente.

Impermeable, escurre indirectamente.

No escurre, permeable, escurre.

- Agua retenida inicialmente.

Por superficies permeables.

En asentamientos de superficies impermeables.

- Condiciones antes de la lluvia.

- Grado de infiltración de agua en el suelo durante la

lluvia.

Resultado: Hidrograma de

escorrentía Hidrograma de escorrentía en la salida de la cuenca

Transporte: Sistema de

alcantarillado

Hidráulico

- Características del sistema de alcantarillado

combinado o pluvial.

- Propagación del hidrograma de escorrentía en

sistemas de alcantarillado.

- Almacenamiento de agua (en tuberías o cuencas de

detención).

Existen muchos métodos computacionales que pueden determinar la escorrentía en áreas

urbanas. En este trabajo se expone el método de cálculo "racional" para determinar el

hidrograma en la salida de una cuenca urbana.

El método racional se utiliza para determinar rápidamente la escorrentía máxima de una

lluvia uniforme en cuencas hidrográficas de superficie pequeña1 bajo la hipótesis de que la

escorrentía máxima ocurre cuando la duración de la precipitación es igual al tiempo de

concentración de la cuenca.

1 La Resolución 0330 de 2017 (Ministerio de Vivienda Ciudad y Territorio, 2017) en el Artículo 135 establece

que para el cálculo del caudal de aguas lluvias se puede utilizar el método racional, siempre y cuando el área

de drenaje sea inferior a 80 ha, es decir 800,000 m2.

85

Para elaborar un hidrograma a partir del método racional se trazan en la cuenca varias

isócronas, curvas que conectan los puntos de la cuenca que tengan el mismo tiempo de

escurrimiento hasta la salida de la cuenca. Las isócronas determinan las áreas de diferentes

superficies que sumadas conforman la cuenca. Por ejemplo, la superficie 𝐴𝑗 está

determinada por las isócronas 𝑡𝑗 y 𝑡𝑗−1.

El método racional asume que sobre toda la cuenca la lluvia cae uniformemente con una

intensidad 𝐼 y una duración ∆𝑡. Se considera también que 𝑅𝑗 es la fracción de la lluvia que

cae sobre el área de superficie 𝐴𝑗, es decir el coeficiente es escorrentía. Por lo tanto, el

volumen de escorrentía en la descarga de la cuenca, procedente de la superficie 𝐴j en el

tiempo 𝑡j es 𝑄(𝑡𝑗), y se determina mediante:

𝑄(𝑡𝑗) = 𝐴𝑗𝐼𝑅𝑗 (1)

Donde 𝐴j𝐼 es el volumen de lluvia que cae sobre la superficie del área 𝐴j para los diferentes

intervalos 𝑡j desde el comienzo de la lluvia hasta el momento 𝑡j = ∆𝑡.

Finalmente, en la descarga de una cuenca hidrográfica la escorrentía máxima debida a la

precipitación de intensidad uniforme 𝐼, que cae sobre toda la superficie de la cuenca, y de

duración 𝑡𝑛 igual al tiempo de concentración 𝑡𝑐 de la cuenca, se obtiene de la siguiente

ecuación:

𝑄(𝑡𝑛) = 𝑄(𝑡𝑐) = ∑ 𝐴𝑗𝐼𝑅𝑗

𝑛

𝑗=1

= 𝐼 ∑ 𝐴𝑗𝑅𝑗

𝑛

𝑗=1

(2)

En general, el valor de 𝑅 se determina a partir de datos tomados in situ de cada superficie

𝐴𝑗.

Antes de que el alcantarillado pluvial sea diseñado es necesario estimar el caudal de aguas

lluvias que este conducirá. Los parámetros que permiten obtener este caudal son: periodo de

retorno, intensidad de lluvia, tipo de cobertura y tiempo de concentración. El periodo de

retorno se elige dependiendo de la importancia o afectación que generará el alcantarillado.

Dependiendo del periodo de retorno y de la ubicación geográfica de la cuenca se elige la

intensidad de la lluvia. Para evaluar el tiempo de concentración existen muchos modelos; a


continuación, se expone el modelo de Kerby, con el cual, posteriormente se evaluará el

tiempo de concentración para la zona de estudio.

El modelo de Kerby (1959) evalúa el tiempo necesario para que una capa delgada de agua

escurra en diferentes tipos de superficies. Este modelo parece dar los mejores resultados

para las subcuencas urbanas. La ecuación de Kerby para la estimación del tiempo de

concentración se expresa en la Ecuación (3):

𝑡𝑐 = (2.187 𝐿 𝑛

𝑆0.5)

0.467

(3)

Donde 𝑡𝑐 es el tiempo de concentración (minutos), 𝐿 es la distancia máxima que recorre el

agua en la superficie (m) (esta distancia no debe exceder los 365 m, cuando 𝐿 excede los

365 m, el agua fluye más rápido de lo que predice el modelo), 𝑛 es el coeficiente de

rugosidad de Manning y 𝑆 es la pendiente media de la ruta que recorre el agua (m/m).

2.2 Variables para el diseño hidráulico de un conducto circular

Los alcantarillados se diseñan como canales abiertos ya que los conductos no fluyen a

presión. El flujo de aguas lluvias no es permanente debido a que los caudales varían durante

la precipitación, sin embargo, el diseño de los conductos secundarios puede hacerse

suponiendo que el flujo es uniforme (Parra, 2002). En esta sección se destacan en primer

lugar, algunos aspectos del flujo uniforme en una tubería circular parcialmente llena, y en

segundo lugar, se presentan las ecuaciones y el procedimiento general para el diseño

hidráulico de conductos de alcantarillado pluvial de sección circular.

2.2.1 Flujo uniforme en una tubería circular parcialmente llena

Si en una conducción libre de sección circular fluye un caudal con régimen uniforme, se

pueden emplear varias fórmulas para flujo uniforme, entre las cuales se encuentran las

expresiones de Chézy y Manning (Briere, 2007). Dado que en un canal con flujo uniforme

la resistencia a la fricción aumenta con el perímetro mojado, y el caudal volumétrico

aumenta con el área transversal que ocupa el flujo, la velocidad y el caudal máximos en una

tubería circular ocurren antes de que la tubería esté completamente llena. Rocha (2007)

presenta una demostración que permite observar que la velocidad máxima ocurre cuando el

87

conducto está parcialmente lleno al 81.3% de su diámetro, independiente de la fórmula con

que se calcule la velocidad media; y que el caudal máximo circula cuando el tirante alcanza

el 93.8% del diámetro, cuando se usa la fórmula de Manning, y 94.9% cuando se usa la

fórmula de Chézy, considerando pendiente y coeficiente de fricción constantes en ambas

fórmulas.

Teniendo en cuenta una tubería de sección circular como la que se presenta en la Figura 31,

cuyo diámetro es 𝐷, el ángulo en el centro es 𝜃 y el tirante del flujo es 𝑦; se obtienen las

siguientes expresiones para la estimación del área (𝐴), el perímetro mojado (𝑃) y el radio

hidráulico (𝑅).

Figura 31: Conducción libre de sección circular

𝜃 = 2 cos−1 (1 − 2𝑦

𝐷) (4)

𝐴 = (𝐷2

8) (𝜃 − sin 𝜃) (5)

𝑃 = 𝐷

2 (6)

𝑅 =𝐴

𝑃 (7)

Empleando la expresión de Manning y el principio de continuidad se obtienen las siguientes

ecuaciones para la estimación del caudal y la velocidad.

𝑄 =1

𝑛𝐴𝑅

23⁄ 𝑆

12⁄ (8)

Sección llena

y

D

Sección parcialmente llena


𝑉 =𝑄

𝐴 (9)

Donde, 𝐴 es el área mojada en m2, 𝑅 es el radio hidráulico en metros, 𝑛 es el coeficiente de

resistencia de flujo de Manning, 𝑆 es la pendiente de la tubería en m/m, 𝑄 es el caudal en

m3/s, 𝑉 es la velocidad en m/s.

A continuación, en la Figura 32 se presenta para cada relación de llenado (𝑦/𝐷) de una

sección circular parcialmente llena con flujo uniforme, la relación que existe entre el caudal

𝑄 correspondiente a dicha sección y el caudal 𝑄𝑜 correspondiente al tubo lleno, esto es la

relación hidráulica de caudales (𝑄/𝑄𝑜). Asimismo se presentan las relaciones hidráulicas de

velocidades (𝑉/𝑉𝑜) y áreas (𝐴/𝐴𝑜). Para los cálculos de la sección parcialmente llena, en la

literatura es posible encontrar dos curvas para cada relación hidráulica, una para coeficiente

de rugosidad constante y otra para coeficiente de rugosidad variable, el cual es función de

la profundidad del flujo. En todos los casos, para el cálculo de las condiciones de toda la

sección se utiliza un coeficiente de Kutter de 0.015 (Briere, 2007). En esta figura se

presentan las curvas para coeficiente de rugosidad constante.


llena a los de la misma sección totalmente llena

Fuente: Adaptado de (Swan & Horton, 1922)

Q máx

V máx

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

1.1

1.2

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

1.1

1.2

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0

V/V

o;

Q/Q

o;

A/A

o

Relación de llenado, y/D

V/Vo Q/Qo A/Ao

89

Como el coeficiente de rugosidad de Kutter es prácticamente idéntico al coeficiente de

Manning, estas curvas se pueden utilizar como si se trazaran con base en el coeficiente de

Manning. Además, como estas curvas no se ven muy afectadas por la variación del

coeficiente de Manning, se pueden utilizar para diferentes valores de este coeficiente,

especialmente aquellos entre 0.009 y 0.015, más habituales en tuberías de hidráulica urbana.

Finalmente, se ha observado que el coeficiente de Manning varía en función de la altura del

agua en las tuberías. Esto generalmente no se considera al calcular las condiciones

hidráulicas cuando las tuberías de alcantarillado fluyen parcialmente llenas (Briere, 2007).

2.2.2 Cálculo de variables hidráulicas en conductos de sección circular

En esta sección se presentan las ecuaciones para el cálculo de las variables hidráulicas que

determinan el diseño de conductos de alcantarillado pluvial.

Existen varios métodos para estimar el tamaño de los conductos de alcantarillado pluvial.

Algunos son altamente sofisticados y utilizan las ecuaciones de Saint-Venant, mientras que

otros son relativamente simples, partiendo del análisis hidrológico obtenido del método

racional (Mays, 2001).

Las variables hidráulicas se dimensionan de manera que permitan evacuar el caudal

requerido asegurando que el flujo en lámina libre cumple con una velocidad mínima que

garantiza la autolimpieza del conducto, y una velocidad máxima que reduce la abrasión a

largo plazo en el conducto.

Si el caudal de diseño para un alcantarillado es conocido, las dimensiones requeridas se

pueden calcular utilizando la fórmula de Manning o la fórmula de Darcy-Weisbach, ambas

se obtienen suponiendo que la pendiente de fricción es igual a la pendiente de la alcantarilla.

Esta suposición implica que alrededor del momento de la descarga máxima, el flujo puede

considerarse aproximadamente como un flujo uniforme constante para el diseño, a pesar del

hecho de que las variaciones espaciales y temporales reales del flujo son mucho más

complicadas (Mays, 2001).

Los conductos de alcantarillado trabajan generalmente como tubos parcialmente llenos. Una

vez conocido el diámetro de diseño del conducto, inicialmente se emplean ecuaciones para

condiciones de flujo lleno y se calcula la velocidad y el caudal asociados a este diámetro.


Posteriormente, para el cálculo de la profundidad de la lámina de agua y su velocidad en

condiciones de lámina libre, se utilizan gráficos o tablas de relaciones hidráulicas que

describen la variación de caudales y velocidades en función de la relación de llenado, como

las curvas que se encuentran en la Figura 32 (Parra, 2002).

A continuación, se presentan según la fórmula de Manning, las ecuaciones que permiten

calcular en condiciones de flujo lleno y para un conducto circular con un material y una

pendiente longitudinal determinada, el diámetro mínimo para conducir un caudal de diseño,

y, el caudal y la velocidad asociados a un diámetro dado.

𝑑𝑟 = 1.548 [𝑛𝑄𝑑

𝑆1/2]

3/8

(10)

𝑄𝑜 = 0.312𝑑𝐷

8/3𝑆1/2

𝑛 (11)

𝑉𝑜 = 0.399𝑑𝐷

2/3𝑆1/2

𝑛 (12)

Donde, 𝑄𝑑 es el caudal para la descarga máxima de diseño en m3/s, 𝑑𝑟 es el diámetro mínimo

en metros, requerido para conducir 𝑄𝑑, n es el coeficiente de Manning, S es la pendiente

longitudinal del alcantarillado en m/m, 𝑑𝐷 es el diámetro comercial en metros,

inmediatamente superior al mínimo, 𝑄𝑜 es el caudal a flujo lleno que transporta el diámetro

comercial, en m3/s, 𝑉𝑜 es la velocidad a flujo lleno en m/s, asociada a el diámetro comercial.

El procedimiento de diseño que se presenta para calcular el tamaño del conducto es el

siguiente (Morales Nava & Parra Meza, 2013):

1. Con el caudal de diseño conocido (𝑄𝑑), se utiliza la Ecuación (10) para calcular el

diámetro mínimo (𝑑𝑟) requerido para garantizar las condiciones de flujo uniforme.

2. Seleccionar el diámetro de diseño (𝑑𝐷). Este debe ser un diámetro comercial

inmediatamente superior a 𝑑𝑟.

3. Con el valor de 𝑑𝐷 elegido, utilizar la Ecuación (11) y calcular el caudal a flujo lleno

(𝑄𝑜) que transporta el diámetro de diseño asignado.

91

4. Calcular la relación hidráulica de caudales (𝑄𝑑/𝑄𝑜). Esta relación permite evaluar

fácilmente las características hidráulicas de un conducto circular parcialmente lleno a

partir del conocimiento de las mismas características para el conducto en condiciones de

flujo lleno.

5. Con la Ecuación (12) se calcula la velocidad a flujo lleno (𝑉𝑜) para el diámetro de diseño

(𝑑𝐷) y el caudal transportado por este, 𝑄𝑜.

6. Con la relación hidráulica de caudales (𝑄𝑑/𝑄𝑜) se adquieren los valores correspondientes

de relación hidráulica de velocidades (𝑉𝑑/𝑉𝑜).

7. La velocidad real del flujo parcialmente lleno (𝑉𝑑) a través del conducto, se calcula

empleando la velocidad a flujo lleno (𝑉𝑜) y la relación hidráulica de velocidades estimada

antes.

2.3 Clasificación general del flujo mixto

El flujo mixto en conductos cerrados se puede producir por entrada en presión desde el

extremo aguas abajo, por la entrada en presión desde el extremo aguas arriba y por ambos

extremos simultáneamente (Aragón-Hernández et al., 2009), a continuación se presenta una

descripción de cada uno de estos.

▪ Entrada en presión desde el extremo aguas abajo: puede ser provocada por un cierre

gradual o brusco del conducto en el extremo aguas abajo. En la literatura técnica es el

ensayo más común ya que es también el que más se presenta en la práctica.

▪ Entrada en presión desde el extremo aguas arriba: puede ser provocada por un

incremento instantáneo de caudal debido a un evento de precipitación que supera el

evento de diseño o por la apertura brusca de una compuerta en la entrada del conducto.

▪ Entrada en presión por ambos extremos simultáneamente: esta situación no se

encuentra frecuentemente en la literatura técnica, quizás porque en la realidad no ocurre

comúnmente, pero no se encuentra imposible. Sencillamente se necesita una combinación

de los eventos que provocan la entrada en carga desde el extremo aguas arriba y desde el

extremo aguas abajo en el mismo conducto simultáneamente.


2.4 Ecuaciones fundamentales del flujo en alcantarillas

Se presenta ahora una descripción de los posibles tipos de flujo que pueden ocurrir dentro

de una alcantarilla o conducto de alcantarillado pluvial, y de los factores que influyen en el

desarrollo y control de cada tipo de flujo. Para cada tipo de flujo se presenta su respectiva

base teórica de cálculo de caudal, y al final se trata el tema de la transición entre tipos de

flujo.

Una alcantarilla es un conducto relativamente corto a través del cual se cruza el agua bajo

la vía de un costado a otro. Incluye, por lo tanto, conductos con cualquier sección

geométrica: circulares y alcantarillas de cajón principalmente. De la misma manera que en

el diseño de conductos pluviales, el diseño de una alcantarilla consiste en determinar el

diámetro más económico que permita pasar el caudal de diseño sin exceder la carga máxima

a la entrada (Hw) atendiendo también criterios de arrastre de sedimentos y de facilidad de

mantenimiento (INVIAS, 2009).

El flujo en un conducto de alcantarillado pluvial es similar a una alcantarilla (Yen & Pansic,

1980), puede tener dos condiciones de flujo, total y parcialmente lleno. En el primer caso

cuando la alcantarilla fluye totalmente llena, se denomina flujo en presión, en este caso si el

área de la sección transversal se incrementa, al área del flujo también se expende. La

capacidad de una alcantarilla que opera bajo flujo en presión se ve afectada por las

condiciones aguas arriba y aguas abajo y por las características hidráulicas de la alcantarilla.

En el segundo caso, ocurre un flujo de superficie libre o de canal abierto, que puede ser

categorizado como subcrítico, crítico o supercrítico, la determinación del régimen de flujo

apropiado se logra evaluando el número adimensional de Froude2 (Fr) que relaciona la

velocidad con la profundidad del flujo.

En la literatura se definen dos tipos básicos de condición de flujo, el control de entrada y el

control de salida. Esta clasificación depende de la ubicación de la sección de control,

definido como la posición donde existe una relación única entre el caudal y la elevación de

la superficie del agua, aguas arriba. La caracterización de los regímenes de presión, flujo

subcrítico y supercrítico juega un papel importante en la determinación de la ubicación de

2 Cuando Fr > 1.0, el flujo es supercrítico y se caracteriza como rápido. Cuando Fr <1.0, el flujo es subcrítico

y se caracteriza como tranquilo. Si Fr = 1.0, el flujo se define como crítico (Schall, 2012).

93

la sección de control y, por lo tanto, el tipo de control. La capacidad hidráulica de una

alcantarilla depende de una combinación diferente de factores para cada tipo de control. A

continuación, se describe estos dos tipos de control del flujo.

▪ Control de entrada: ocurre cuando el conducto de la alcantarilla es capaz de transportar

más flujo del que permite la entrada. La sección de control se encuentra justo dentro de

la entrada. La profundidad crítica ocurre, en o cerca, de esta ubicación, y el régimen de

flujo inmediatamente aguas abajo es supercrítico. Las características hidráulicas aguas

abajo de la sección de control de entrada no afectan la capacidad de la alcantarilla. La

elevación de la superficie del agua aguas arriba y la geometría de entrada representan los

principales controles de flujo. La geometría de entrada incluye la forma de entrada, el

área de la sección transversal de entrada y la configuración de entrada. La Figura 33

muestra una condición de flujo de control de entrada típica (Schall, 2012).

Figura 33: Sección de control de flujo de entrada típica

Fuente: (Schall, 2012)

▪ Control de salida: ocurre cuando el conducto de la alcantarilla no es capaz de transportar

tanto flujo como lo permite la entrada. La sección de control se encuentra en la salida del

conducto o más abajo. En estas condiciones, existe flujo subcrítico o de presión en el

conducto de la alcantarilla. Todas las características geométricas e hidráulicas de la

alcantarilla juegan un papel en la determinación de su capacidad. Estas características

incluyen todos los factores que rigen el control de entrada, la elevación de la superficie

del agua en la salida y las características del conducto. La pendiente del conducto es el

factor principal que influye en si una alcantarilla estará o no en el control de entrada o

salida. La Figura 34 muestra dos condiciones de flujo de control de salida típicas.


Figura 34: Sección de control de flujo de salida típica

Fuente: (Schall, 2012)

Para el diseño de una alcantarilla, la condición más favorable de flujo corresponde al control

de entrada, en el cual no existe sumergencia ni a la entrada ni a la salida. Sin embargo, en

los casos en que las condiciones específicas de la obra no permiten la obtención de este tipo

de flujo, es necesario estudiar todos los posibles casos de flujo bajo los cuales funciona la

estructura. En general, las dos condiciones de control de flujo determinan la capacidad de la

alcantarilla. Teniendo en cuenta que, en el primer caso, con control de entrada, la capacidad

es función de las características del flujo y de la geometría en la entrada de la alcantarilla.

Mientras que, en el segundo caso, con control de salida, además de las características en la

entrada, la capacidad también es función de las características propias del conducto de la

alcantarilla como, la sección, la rugosidad, el área, la longitud y la pendiente longitudinal.

La capacidad de una alcantarilla es afectada por la altura de la lámina que tenga el flujo

aguas arriba y aguas abajo. La elevación de la superficie del agua aguas arriba medida desde

la cota batea del conducto en la entrada es llamada carga en la entrada (Hw) y es un factor

95

propio de control de entrada. La elevación de la superficie del agua aguas abajo, medida

desde la cota batea del conducto en la salida es llamada carga en la salida (Tw) y es un factor

muy importante para determinar la capacidad de la alcantarilla en condiciones de control de

salida. La variación únicamente del nivel de agua en la salida puede hacer que una

alcantarilla funcione bajo control de salida, cuando de otra manera estaría bajo control de

entrada (Schall, 2012).

El servicio Geológico de los Estados Unidos (USGS) clasifica el flujo en alcantarillas en

seis tipos, dependiendo del nivel del agua en la entrada y en la salida de la alcantarilla, el

régimen del flujo en el conducto y de la pendiente (Bodhaine, 1982). El tipo de flujo puede

cambiar en una alcantarilla dada a medida que cambian el caudal y las elevaciones del agua

en a salida (Schall, 2012).

Las ecuaciones que permiten calcular el caudal a través de la alcantarilla para cada uno de

los seis tipos son obtenidas aplicando las ecuaciones de continuidad y de energía entre un

punto ubicado en una sección de aproximación y un punto en la salida de la alcantarilla

(Bodhaine, 1982). Una alcantarilla que fluye con control de entrada tiene un flujo superficial

de alta velocidad categorizado como "supercrítico" en el conducto. A este grupo pertenecen

los flujos Tipo 1 y 5. Una alcantarilla que fluye con control de salida tendrá un flujo

relativamente profundo y de menor velocidad denominado flujo "subcrítico" o podría estar

fluyendo lleno, a este grupo pertenecen los flujos Tipo 2, 3, 4 y 6. Por otra parte, los flujos

Tipo 1 y 2 son caracterizados por la ocurrencia de la profundidad crítica, los Tipo 3 y 4 por

un flujo con remanso y los Tipo 5 y 6 por un flujo con gran carga piezométrica. A

continuación, se presenta la descripción de cada tipo de flujo.

A continuación, en la Tabla 6 se presentan los factores que influyen en la capacidad de la

alcantarilla, dependiendo del tipo de control. Para control de entrada, el área y la forma

hacen referencia al área y forma de la entrada; mientras que, para control de salida, hacen

referencia al área y forma del conducto.


Tabla 6: Factores que influyen en la capacidad de la alcantarilla según el tipo de control

Fuente: Adaptado de (Schall, 2012)

Factor Control de

entrada

Control de

salida

Nivel en la entrada X X

Área X X

Forma X X

Rugosidad del conducto - X

Longitud del conducto - X

Pendiente longitudinal X X

Nivel en la salida - X

Ahora se presenta en detalle cada uno de los tipos de flujo.

▪ Tipo 1: Profundidad crítica en la entrada

ℎ1 − 𝑧

𝐷< 1.5

Figura 35: Flujo en alcantarillas Tipo 1

Fuente: (Dickinson, 2017)

ℎ4

ℎ𝑐< 1.0

𝑆𝑜 > 𝑆𝑐

En el flujo Tipo 1 mostrado en la Figura 35, el agua pasa a través de la profundidad crítica

cerca de la entrada del conducto. La relación ℎ1−𝑧

𝐷, se limita a máximo 1.5. El flujo a través

del conducto es parcialmente lleno. La pendiente del conducto 𝑆𝑜 es mayor que la pendiente

crítica 𝑆𝑐. La profundidad del agua en la salida ℎ4 debe ser menor que la elevación del agua

en la sección de control ℎ𝑐.

Para este tipo de flujo, el caudal en la alcantarilla puede ser calculado con la siguiente

ecuación.

97

𝑄 = 𝐶𝑑𝐴𝑐√2𝑔 (ℎ1 − 𝑧 +𝛼𝑣1

2

2𝑔− 𝑑𝑐 − ℎ𝑓,1−2) (13)

Donde 𝑄 es el caudal, 𝐶𝑑 es un coeficiente de descarga, 𝐴𝑐 es el área del flujo en la sección

de control, 𝑣1 es la velocidad promedio en la sección de aproximación, 𝛼 un coeficiente de

corrección para la velocidad en la sección de aproximación y ℎ𝑓,1−2 las pérdidas de energía

entre los puntos 1 y 2.

▪ Tipo 2: Profundidad crítica en la salida

ℎ1 − 𝑧

𝐷< 1.5



ℎ4

ℎ𝑐< 1.0

𝑆𝑜 < 𝑆𝑐

En el flujo Tipo 2 mostrado en la Figura 36, el agua pasa a través de la profundidad crítica

cerca de la salida del conducto. La relación ℎ1−𝑧

𝐷 no supera el valor de 1.5. El flujo a través

del conducto es parcialmente lleno. La pendiente del conducto 𝑆𝑜 es menor que la pendiente

crítica 𝑆𝑐. La profundidad del agua en la salida ℎ4 debe ser menor que la elevación del agua

en la sección de control ℎ3.


ecuación.

𝑄 = 𝐶𝑑𝐴𝑐√2𝑔 (ℎ1 +𝛼𝑣1

2

2𝑔− 𝑑𝑐 − ℎ𝑓,1−2 − ℎ𝑓,2−3) (14)

Donde 𝑄 es el caudal, 𝐶𝑑 es un coeficiente de descarga, 𝐴𝑐 es el área del flujo en la sección

de control, 𝑣1 es la velocidad promedio en la sección de aproximación, 𝛼 es un coeficiente


de corrección para la velocidad en la sección de aproximación, ℎ𝑓,1−2 son las pérdidas de

energía entre los puntos 1 y 2, y ℎ𝑓,2−3 son las pérdidas de energía entre los puntos 2 y 3.

▪ Tipo 3: Flujo subcrítico a través de la alcantarilla

ℎ1 − 𝑧

𝐷< 1.5



ℎ4

ℎ𝑐> 1.0

ℎ4

𝐷≤ 1.0

En el flujo Tipo 3 mostrado en la Figura 37, el flujo es subcrítico a través de la alcantarilla.

La relación ℎ1−𝑧

𝐷 es menor que 1.5. La alcantarilla está parcialmente llena. La salida no está

sumergida, pero la profundidad del agua en la salida ℎ4 supera la profundidad crítica en la

sección final.


ecuación.

𝑄 = 𝐶𝐴3√2𝑔 (ℎ1 +𝛼𝑣1

2

2𝑔− ℎ3 − ℎ𝑓,1−2 − ℎ𝑓,2−3) (15)

Donde 𝑄 es el caudal, 𝐶 es un coeficiente de descarga, 𝐴3 es el área del flujo en la sección

de control en el punto 3, 𝑣1 es la velocidad promedio en la sección de aproximación, 𝛼 es

un coeficiente de corrección para la velocidad en la sección de aproximación, ℎ𝑓,1−2 son las

pérdidas de energía entre los puntos 1 y 2, y ℎ𝑓,2−3 son las pérdidas de energía entre los

puntos 2 y 3.

99

▪ Tipo 4: Salida sumergida

ℎ1 − 𝑧

𝐷> 1.0



ℎ4

𝐷> 1.0

En el flujo Tipo 4 mostrado en la Figura 38, tanto la entrada como la salida de la alcantarilla

están sumergidas. La relación ℎ1−𝑧

𝐷 es mayor que 1.0. La alcantarilla se encuentra totalmente

llena sobre toda su longitud. El caudal puede ser calculado utilizando la ecuación de energía

entre los puntos 1 y 4, y este es independiente del valor que tenga la pendiente.

𝑄 = 𝐶𝑑𝐴0√2𝑔(ℎ1 − ℎ4) (16)

Donde 𝐴0 es el área del flujo en la alcantarilla.

▪ Tipo 5: Flujo rápido en la entrada

ℎ1 − 𝑧

𝐷≥ 1.5



ℎ4

𝐷≤ 1.0

En el flujo Tipo 5 mostrado en la Figura 39, el flujo es rápido en la entrada. La relación ℎ1−𝑧

𝐷

es mayor que 1.5. La profundidad del agua en la salida de la alcantarilla está por debajo de

la cota clave del tubo en la salida. El borde superior en la entrada de la alcantarilla contrae


el flujo de manera similar a una compuerta. El flujo es parcialmente lleno y la profundidad

es menor que la profundidad crítica.


ecuación.

𝑄 = 𝐶𝑑𝐴0√2𝑔(ℎ1 − 𝑧) (17)

Donde 𝐴0 es el área del flujo en la alcantarilla.

▪ Tipo 6: Flujo totalmente lleno en la alcantarilla – salida libre

ℎ1 − 𝑧

𝐷≥ 1.5



ℎ4

𝐷≤ 1.0

En el flujo Tipo 6 mostrado en la Figura 40, la alcantarilla está totalmente llena (el flujo se

encuentra a presión) con salida libre. La relación ℎ1−𝑧

𝐷 es mayor que 1.5. La profundidad del

agua en la salida de la alcantarilla no sumerge a la alcantarilla. La ecuación de caudal se

obtiene aplicando la ecuación de energía entre los puntos 1 y 3, despreciando la velocidad

en el punto 1 y las pérdidas debido a la fricción entre el punto 1 y 2.

𝑄 = 𝐶𝑑𝐴0√2𝑔(ℎ1 − ℎ3 − ℎ𝑓,2−3) (18)

101

▪ Curvas de transición entre tipos de flujo

Dado que las condiciones de carga en la entrada o en la salida de la alcantarilla pueden

cambiar, es posible tener transiciones entre los diferentes tipos de flujo al interior del

conducto. La zona de transición se puede definir empíricamente en una gráfica que relacione

el caudal versus la altura del agua en la entrada, como una curva entre y tangente a las curvas

definidas por las ecuaciones de cada tipo de flujo en un punto en específico dentro del

conducto (Bodhaine, 1982).

Dentro de las transiciones más comunes se encuentran las siguientes (Bodhaine, 1982):

• Tipo 1 a Tipo 5: en ambos casos el flujo tiene control de entrada. La transición se

produce por un aumento de carga en la entrada.

• Tipo 2 a Tipo 6: en ambos casos el flujo tiene control de salida. La transición se

produce porque aumenta la carga en la entrada y el conducto pasará a estar en

presión.

• Tipo 5 a Tipo 6: el flujo pasa de control de entrada a control de salida. El flujo dentro

del conducto pasa de lámina libre a flujo en presión.

• Tipo 4 a Tipo 5: el flujo pasa de control de salida a control de entrada. El flujo dentro

del conducto pasa de presión a lámina libre.

• Tipo 4 a Tipo 6: en ambos casos el flujo tiene control de salida. La transición se

produce porque disminuye la carga en la salida del conducto.

Los resultados empíricos muestran que cuando la relación ℎ1−𝑧

𝐷 está entre 1.2 y 1.5 se

presenta una condición de inestabilidad. La variación del caudal en estas transiciones puede

ser representado en gráficas de caudal versus carga en la entrada o en la salida de la

alcantarilla. Para una curva de transición entre flujo Tipo 1 a Tipo 5 es recomendable

representarla con una línea recta entre el caudal calculado para el flujo Tipo 1 y el calculado

para el caso de aumento en la carga de entrada calculada con el Tipo 5 (Bodhaine, 1982).

La Figura 41 presenta un ejemplo de curva de transición para un alcantarillado rectangular

y la Figura 42 para una alcantarilla de sección circular, de flujo Tipo 1 a Tipo 5. La línea

punteada representa la variación del cálculo entre los dos tipos de flujo, debido a que la

transición no es inmediata porque no se produce un cambio instantáneo en la descarga

(Bodhaine, 1982).


Figura 41: Curva de transición de flujo Tipo 1 a Tipo 5 en alcantarilla cajón.

Fuente: (Bodhaine, 1982)

Figura 42: Curva de transición de flujo Tipo 1 a Tipo 5 en alcantarilla circular.


103

En una curva que relaciona la transición de flujo Tipo 2 a Tipo 6 la relación ℎ1−𝑧

𝐷 está

limitada a entre 1.25 y 1.75. La transición se puede representar con una línea recta entre el

caudal calculado para el flujo Tipo 2 y el calculado para el caso de aumento en la carga de

entrada calculada con el Tipo 6 (Bodhaine, 1982).

La Figura 43 presenta un ejemplo de curva de transición para un alcantarillado rectangular

y la Figura 44 para una alcantarilla de sección circular, de flujo Tipo 2 a Tipo 6.

Figura 43: Curva de transición de flujo Tipo 2 a Tipo 6 en alcantarilla cajón.



Figura 44: Curva de transición de flujo Tipo 2 a Tipo 6 en alcantarilla circular.


Estas curvas son únicas para las características de una alcantarilla porque dependen de las

características que tenga cada sitio. La transición entre curvas es más notable en alcantarillas

con sección cuadrada que en sección circular, esto se debe a la reducción y contracción

gradual en área por unidad de diámetro de alcantarilla a medida que se acerca a la parte

superior del conducto (Bodhaine, 1982).

105

3. Análisis de diseño teórico de alcantarillado

pluvial en la ciudad de Manizales

Este capítulo se divide en dos secciones. La primera contiene una descripción del clima, la

topografía, localización y características de precipitación de la ciudad de Manizales. En la

segunda, se presenta el procedimiento para la obtención del caudal de aguas lluvias que

resulta de la escorrentía en un lote hipotético ubicado en la ciudad de Manizales, el cual se

suministra en la experimentación y se emplea para el diseño hidráulico del conducto de

alcantarillado pluvial que transportaría ese caudal, de acuerdo con la normativa colombiana

vigente.

3.1 Caracterización de la zona de aplicación

En esta sección se presenta una descripción de las características climáticas, topográficas y

de precipitación de la ciudad de Manizales, donde se analizan hipotéticamente las

características de un conducto de alcantarillado adelante.

La ciudad de Manizales, capital del Departamento de Caldas, está localizada en la región

central del occidente colombiano, sobre la prolongación de la cordillera de los Andes. La

ciudad tiene una población de 434,403 habitantes de acuerdo con el censo poblacional oficial

para el año 2018. El relieve de la ciudad es especialmente montañoso, sus alrededores

ofrecen gran diversidad climática, con paisajes de páramo y aguas termales, hasta paisajes

de clima cálido, variada vegetación, ríos y quebradas. Una particularidad de Manizales es

que posee 8 microclimas dentro de su zona urbana, la cual tiene una temperatura media de

18 °C (Vélez, Duque, Mejía, & Orozco, 2012). El relieve es especialmente montañoso, con

alturas que oscilan entre 2,233 y 1,900 msnm.

https://es.wikipedia.org/wiki/Msnm


La ubicación de Manizales coincide con una de las zonas más amenazadas del país. En

términos generales, se tiene un alto nivel de riesgo ocasionado principalmente por

terremotos, erupciones volcánicas, deslizamientos de tierra, avalanchas e inundaciones.

Estos últimos detonados principalmente por fuertes lluvias (Vélez et al., 2012). Con el fin

de proporcionar soluciones ambientales eficientes acordes con las necesidades del medio,

incluyendo el seguimiento de variables climáticas en el área urbana asociadas a la

prevención y atención de desastres, la Universidad Nacional de Colombia – sede Manizales

a través de su Instituto de Estudios Ambientales IDEA, junto con entidades de carácter

público y privado han logrado establecer una red de monitoreo para la cuantificación de las

variables hidrometeorológicas a través de una red de monitoreo en tiempo real, la cual viene

funcionando en la ciudad desde el año 2003 (Vélez et al., 2012). La red de estaciones

meteorológicas e hidrometeorológicas de Manizales está compuesta por una estación

hidrometeorológica (Quebrada Palogrande – Ruta 30), trece estaciones meteorológicas

(Alcázares, Aranjuez, Bosques del Norte, Chec-Uribe, El Carmen, Emas, Hospital de

Caldas, Ingeominas, La Nubia, La Palma, Milán-Planta Niza, Posgrados y Yarumos ) y una

estación central. Todas las estaciones se encuentran estratégicamente ubicadas en el área de

la ciudad y transmiten datos cada cinco minutos a un centro de acopio ubicado en el Instituto

IDEA (Vélez et al., 2012). La información recolectada por la red de monitoreo ha permitido

la generación de alertas tempranas para prevención de desastres, en particular, los

relacionados con eventos de lluvia extremos o extensos que accionan deslizamientos en

laderas y taludes de la ciudad, y, en general, al monitoreo permanente del clima para un

mejor conocimiento del entorno urbano ambiental (Mejía, Londoño, & Pachón, 2006).

En Manizales la topografía se caracteriza por dos geoformas con aspecto de “V”, en donde

las cotas más bajas corresponden a los principales afluentes de la ciudad, el río Chinchiná y

la quebrada Olivares. Debido a esta configuración la escorrentía de la ciudad fluye

principalmente a estos dos afluentes. Paralelo a estos ríos se localizan dos vías principales

de la ciudad que son: al lado de la Quebrada Olivares, la Avenida Kevin Ángel y al lado del

Río Chinchiná, la Vía Panamericana. La Avenida Santander, es el parteaguas general de la

ciudad (Rey Valencia, 2019). En la Figura 45 se presenta al lado izquierdo, el mapa de la

zona urbana de la ciudad de Manizales sobre la cual se ha trazado un corte A-A que en la

parte derecha de la figura permite representar el perfil topográfico de Manizales.

107

Figura 45: Caracterización topográfica de Manizales

Fuente: (Rey Valencia, 2019)

La empresa Aguas de Manizales S.A. E.S.P. se encarga de prestar los servicios de acueducto

y alcantarillado en la ciudad. Esta empresa presta sus servicios a los Estratos residenciales

1 al 6, Industrial, Comercial, Oficial y Especial. Actualmente cuenta con un total de

109,133 suscriptores de acueducto y 104,406 suscriptores de alcantarillado a 28 de febrero

de 2018.

▪ Inundaciones pluviales en Manizales

En Manizales, el problema de inundaciones pluviales se ha evidenciado debido entre otros,

a factores como: urbanización – impermeabilización, calles con pendientes altas que generan

grandes velocidades de flujo superficial, y cambios bruscos de pendiente, que combinado

con posibles deficiencias en el sistema de captación, hacen que la escorrentía se acumule

(Rey Valencia, 2019).

Así mismo, dentro de la red de drenaje de la ciudad, también se presentan problemas de

inundación relacionados con insuficiente capacidad hidráulica, sobre todo en el sector

centro, donde la infraestructura fue instalada entre 1930 y 1961 (Rey Valencia, 2019). A

esta causa se suman los factores climáticos locales, debido a la alta variabilidad

espaciotemporal del régimen de precipitaciones. En Manizales, la lluvia media anual

reportada entre 2003 y 2009 por la red meteorológica es de 2178 mm/año (Vélez et al.,

2012). Comparando el valor máximo de lluvia anual en la estación El Carmen (2948 mm)

con el valor mínimo de precipitación en La Enea (1620 mm), se presenta una diferencia del

55%, lo cual indica una elevada variabilidad espacial de la lluvia, teniendo en cuenta que las


dos estaciones se encuentran separadas a aproximadamente 11 km en línea recta (Pachón,

2011).

La Figura 46 y Figura 47 a continuación, ilustran respectivamente dos ejemplos de calles

inundadas en la ciudad, que corresponden a una inundación pluvial en la Avenida Kevin

Ángel durante la lluvia ocurrida el 12 de abril de 2016 y la inundación pluvial registrada el

20 de febrero de 2018 en un tramo de la Avenida Kevin Ángel, a la altura de la cancha del

barrio La Asunción. Este sector se encuentra dentro del área de influencia de la estación

meteorológica Hospital de caldas (Pachón Gómez, Mejía Fernández, & Zambrano Nájera,

2018), en la cual, de acuerdo con la base de datos del IDEA, el día 12 de abril de 2016 se

registró una precipitación con magnitud de 38.8 mm y una intensidad máxima de 11.38

mm/h, y el día 20 de febrero de 2018, una precipitación con magnitud de 3.8 mm e intensidad

máxima de 5.88 mm/h.

Figura 46: Avenida Kevin Ángel durante

aguacero, 12 abril 2016. Manizales

Fuente: (La Patria, 2016)

Figura 47: Inundación pluvial Avenida

Kevin Ángel, 20 febrero 2018. Manizales

Fuente: (La Patria, 2018)

En ambos casos se observó las limitaciones del sistema de drenaje para evacuar la

escorrentía. La prensa local reportó colapso de cámaras de inspección, las consecuencias

fueron inundaciones por las calles.

3.2 Diseño del conducto

En esta sección se expone el procedimiento para la obtención del caudal de aguas lluvias

presentado como un hidrograma, y los parámetros empleados para elaborarlo de acuerdo

con lo expuesto anteriormente en la Sección 2.1.

109

3.2.1 Hidrología de la zona de estudio

Se presenta ahora el procedimiento realizado para obtener el caudal que fue suministrado

como caudal de entrada en la experimentación. Esto comprende una caracterización

hidrológica de la zona de estudio. En primer lugar, se presenta la descripción del área de

drenaje; después, el periodo de retorno que se debe asignar según la normativa colombiana

vigente; posteriormente se evalúa el tiempo de concentración. Se evaluaron dos escenarios

de intensidad de lluvia. Finalmente, utilizando el método racional se obtuvieron dos

hidrogramas.

▪ Área de drenaje

El área de drenaje que se presenta en la Figura 48 corresponde a un lote urbano

rectangular hipotético ubicado en la ciudad de Manizales, los lados tienen dimensiones

L1 = 100 m y L2 = 50 m. Se considera que en el centro de este lote se ubica un sumidero

que se encarga de captar la escorrentía que se produce en toda el área. Este tipo de lote

se considera representativo de las condiciones que se podrían encontrar en la zona urbana

central de la ciudad.

Figura 48: Área de drenaje

Esta área de drenaje tiene las siguientes características:

• Cobertura en concreto, que corresponde un coeficiente de escorrentía 𝑅 de 0.95.

• La pendiente media de la superficie de escurrimiento hacia el sumidero es de 2%,

como así se considera para bombeos en vías y parqueaderos en Colombia (INVIAS,

2009).

• El área total 𝐴 corresponde a 5,000 m2 o 0.5 hectáreas.

L1 = 100 m

Lote hipotético

Sumidero L2 = 50 m


▪ Periodo de retorno

El periodo de retorno se seleccionó de acuerdo con la normativa vigente presentada

anteriormente. Para un tramo inicial de alcantarillado pluvial con área menor de 2

hectáreas se selecciona un periodo de retorno de 5 años.

▪ Tiempo de concentración

El tiempo de concentración fue evaluado con el modelo de Kerby. Para aplicar este

modelo se debe conocer la distancia máxima que recorre el agua en la superficie, la

pendiente media de la ruta recorrida y la cobertura de la superficie. A continuación, se

describe como se obtiene cada uno de estos parámetros.

• Longitud del curso de agua más largo une el punto localizado en cualquiera de las

cuatro esquinas con el centro del lote, donde se ubica el sumidero, corresponde a 96

m.

• La pendiente media de la superficie de escurrimiento es 2%.

• El factor para caracterizar la cobertura del área de drenaje se asocia a una cobertura

en concreto. Por tanto, para el modelo de Kerby se asigna un coeficiente de rugosidad

de Manning de 0.02 (Briere, 2007).

Para las características de estudio antes mencionadas y haciendo uso de la Ecuación (3),

el tiempo de concentración calculado corresponde a 4 minutos.

▪ Intensidad de lluvia

En este trabajo se evaluaron dos escenarios de precipitación que se exponen a

continuación después de presentar el procedimiento de que fue utilizado para obtener el

hidrograma asociado a cada escenario.

▪ Hidrograma de escorrentía

El caudal máximo en la salida de la cuenca se evaluó utilizando el método racional. Se

elaboraron los dos hidrogramas sintéticos para representar la distribución de estos

caudales en el tiempo. El tiempo total corresponde al tiempo de concentración y fue

dividido en intervalos de 30 segundos (0.5 minutos). En los hidrogramas, el caudal

111

empieza en 0 m3/s e incrementa en el tiempo en función del área de drenaje aportante,

hasta alcanzar el máximo con el aporte de toda el área de la cuenca. Las áreas aportantes

fueron construidas con isócronas que unen los puntos que tienen el mismo tiempo de

escurrimiento.

Conocidos los tiempos de escurrimiento, con la Ecuación de Kerby se determinó la

ubicación de los puntos dentro de la cuenca con igual tiempo de concentración. En esta

ecuación, ingresando 𝑡𝑐 como cada uno de los tiempos antes mencionados, se despeja 𝐿,

la longitud que ha recorrido el agua en ese tiempo, si se unieran esos puntos, las isócronas

formarían círculos, sin embargo, considerando que el lote hipotético es rectangular, las

áreas aportantes se aproximan a rectángulos y la longitud que se ha calculado será la

distancia desde una de las esquinas de este rectángulo hasta el centro del lote (sumidero).

En la Figura 49 se presenta esquemáticamente el área de drenaje de la cuenca, las

isócronas para un tiempo 𝑡𝑗 y 𝑡𝑗−1, las longitudes 𝐿𝑗 y 𝐿𝑗−1 que representan la distancia

que recorre el agua desde todos los puntos 𝑗 hasta la salida y el área aportante 𝐴𝑗

comprendida entre estas isócronas.

Figura 49: Esquema área aportante

Conocidos los valores de las áreas aportantes, el caudal que cada una genera se calcula con

la Ecuación del método racional, considerando el coeficiente de escorrentía 𝑅 y la intensidad

de la lluvia 𝐼 constantes para toda la cuenca y durante toda la duración de la lluvia. Al

𝐴𝑗

𝑡𝑗 𝐿𝑗−1

𝐿𝑗

𝑡𝑗−1


graficar estos caudales en función del tiempo se obtiene los hidrogramas presentados en la

Figura 51 para el escenario 1 y en la Figura 52 para el escenario 2. En ambos casos, el

descenso de la lluvia después de alcanzar el máximo aporte en un tiempo igual al tiempo de

concentración se representa como un comportamiento similar a la manera en cómo se fue

dando el aporte.

▪ Escenario 1: corresponde a la precipitación dada para la ciudad de Manizales a través de

las curvas IDF suministradas por el Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios

Ambientales IDEAM. La Figura 50 presenta la curva IDF para la ciudad de Manizales,

estas curvas se generaron a partir de información de la estación meteorológica ubicada

en el sector La Nubia. También se presenta la ecuación generalizada para calcular la

intensidad, en función de los coeficientes y la duración requerida. Estos coeficientes para

la ecuación de intensidades, para diferentes periodos de retorno se encuentran en los

Anexos.

Figura 50: Curva IDF para la ciudad de Manizales

Fuente: (IDEAM, 2018)

La intensidad de la lluvia 𝐼 obtenida es de 105.4 mm/h, asociada a un periodo de retorno

de 5 años y tiempo de concentración (duración de la lluvia) de 4 minutos. Con las

características de la zona de estudio, el caudal asociado a esta intensidad es de 0.14 m3/s.

En la Figura 51 a continuación se presenta el hidrograma para el escenario 1.

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

Inte

nsi

dad

, I,

(m

m/h

)

Duración, t, (minutos)

Tr = 2

Tr = 3

Tr = 5

Tr = 10

Tr = 25

Tr = 50

Tr = 100

𝐼 =𝐶1

(𝐷 + 𝑋0)𝐶2

113

Figura 51: Hidrograma de precipitación simulado en el escenario 1

▪ Escenario 2: corresponde a una intensidad de 117.6 mm/h que fue el valor de intensidad

máxima registrado en la estación Hospital de Caldas en el evento del 19 de abril de 2017.

Con las características de la zona de estudio, el caudal asociado a esta intensidad es de

0.16 m3/s. En la Figura 52 a continuación se presenta el hidrograma para el escenario 2.

Figura 52: Hidrograma de precipitación simulado en el escenario 2

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

5.5

6.0

6.5

7.0

7.5

8.0

Ca

ud

al,

Q (

l/s)

Tiempo, t (minutos)

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

5.5

6.0

6.5

7.0

7.5

8.0

Ca

ud

al,

Q (

l/s)

Tiempo, t (minutos)


A continuación en la Tabla 7 se presentan de forma resumida todos los parámetros descritos

en esta sección y que permitieron obtener el caudal de aguas lluvia. El caudal Q1

corresponde al escenario 1, por lo tanto, representa el caudal de diseño. El caudal Q2

corresponde al escenario 2 y representa un caudal superior al caudal de diseño.

Tabla 7: Parámetros para la obtención del caudal pico de lluvia de diseño

Parámetro Valor Unidad

Área (A) 5000 m2

Coeficiente escorrentía (C) 0.95 -

Pendiente (S) 0.02 m/m

Periodo de retorno (Tr) 5 años

Tiempo de concentración (Tc) 4.0 minutos

Intensidad escenario 1 (I1) 105.4 mm/h

Intensidad escenario 2 (I2) 117.6 mm/h

Caudal escenario 1 (Q1) 0.14 m3/s

Caudal escenario 2 (Q2) 0.16 m3/s

3.2.2 Hidráulica del alcantarillado

En esta sección se presenta el procedimiento desarrollado para estimar el tamaño de un

conducto de alcantarillado pluvial que siguiendo la normativa colombiana vigente, se

encargaría de conducir el caudal de diseño correspondiente al escenario 1 antes descrito. Los

pasos que se describen a continuación son los presentados en la sección 2.2.2 para el cálculo

de las variables hidráulicas del conducto, en este caso, para el transporte del caudal de diseño

𝑄𝑑 igual a 0.14 m3/s.

▪ En primer lugar, con la Ecuación (10) se calculó el diámetro mínimo (𝑑𝑟) requerido para

transportar el caudal de diseño (𝑄𝑑) en condiciones de flujo uniforme, este diámetro es

de 0.26 m.

▪ Posteriormente, se seleccionó el diámetro de diseño (𝑑𝐷) de 10 pulgadas, el cual tiene

asociado un diámetro interno de 0.26 m.

115

▪ Con el diámetro de diseño (𝑑𝐷) y la pendiente mínima asignada de 2%, se utilizó la

Ecuación (11) para calcular el caudal a flujo lleno (𝑄𝑜) que transportaría este conducto.

Este caudal corresponde a 0.14 m3/s.

▪ Con 𝑄𝑑 y 𝑄𝑜 conocidos, se calculó la relación hidráulica de caudales (𝑄𝑑/𝑄𝑜), el valor

obtenido fue 1.03. A esta relación hidráulica, se asoció una relación hidráulica de

velocidades (𝑉𝑑/𝑉𝑜) de 1.14.

▪ Con la Ecuación (12) se calculó la velocidad a flujo lleno (𝑉𝑜) para el diámetro de diseño

(𝑑𝐷) y la pendiente mínima asignada de 2%. Esta corresponde a 2.55 m/s.

▪ De esta manera, la velocidad real del flujo parcialmente lleno (𝑉𝑑) a través del conducto

se calculó empleando la velocidad a flujo lleno (𝑉𝑜) y la relación hidráulica de

velocidades para conductos circulares (𝑉𝑑/𝑉𝑜). La velocidad real es de 2.91 m/s, este

valor se encuentra por debajo del máximo establecido por la resolución 0330. Con

respecto a la velocidad mínima, se calculó el esfuerzo cortante3 (τ) en la pared de la

tubería y este satisface la limitación de la normativa.

Posteriormente, siguiendo el mismo procedimiento se evaluaron las variables hidráulicas de

diseño para el caso en el cual se suministre un caudal que supere al diseño, en este caso, el

correspondiente al escenario 2. Las variables obtenidas en ambos escenarios se encuentran

consignadas en la siguiente sección.

3.2.3 Resultados teóricos

En la Tabla 8 se presentan las variables hidráulicas de diseño que permiten transportar el

caudal con un régimen de flujo libre y cumpliendo con los requisitos de la normativa

colombiana expuestos en la Tabla 2, para el escenario 1. En esta misma tabla también se

presentan las variables hidráulicas obtenidas cuando se suministra el caudal del escenario 2

para la misma configuración del escenario 1.

3 Tanto para canales como para tuberías, el corte medio sobre el fondo es 𝜏 = 𝑔𝑅𝑆 (Rocha, 2007); donde

es la densidad del fluido, 𝑔 es la aceleración de la gravedad, 𝑅 es el radio hidráulico de la sección transversal,

y 𝑆 es la pendiente del conducto.


Tabla 8: Variables hidráulicas de diseño para los caudales suministrados en los escenarios

1 y 2

Escenario

𝑰 𝑸𝒅 𝑺 𝒅𝑫 𝒅𝒓 𝑸𝒐 𝑸𝒅

𝑸𝒐

𝑽𝒅

𝑽𝒐

𝑽𝒐 𝑽𝒅 τ 𝒚

𝒅𝑫

mm/h m3/s m/m m m m3/s m/s m/s Pa

1 105.4 0.14 0.02 0.26 0.26 0.14 1.03 1.14 2.55 2.91 15.5 0.85

2 117.6 0.16 0.02 0.26 0.27 0.14 1.15 1.00 2.55 2.55 12.8 1.004

La Tabla 8 permite observar que el caudal de diseño de 0.14 m3/s determinado para el lote

y sumidero hipotético puede ser evacuado con una pendiente de 2% y un diámetro de 0.26

m; en este caso se obtendrá una velocidad real de 2.91 m/s y el flujo alcanzará una relación

profundidad – diámetro de 0.85, el cual es menor a 0.93 (prescrito como el máximo

permitido por la normativa).

4 Cuando se suministra un caudal superior al de diseño (0.16 m3/s), la relación profundidad

– diámetro es mayor que 1.0 aunque en esta tabla se presenta como 1.0 debido a que este es

el máximo valor que se obtiene empleando la ecuación de Manning que considera el flujo

en lámina libre. La velocidad presentada en la tabla corresponde a la que tendría el conducto

si estuviera totalmente lleno, pero sin presión. Tener una relación profundidad – diámetro

superior a 1.0 indica que el flujo está en presión, es decir que, el flujo ha superado la

capacidad de la tubería y la ecuación de Manning ya no es aplicable.

117

4. Desarrollo experimental

Este capítulo se divide en cinco secciones. La primera describe el montaje experimental y

el proceso realizado para caracterizar el flujo dentro del conducto de alcantarillado. La

segunda presenta los resultados preliminares que fueron obtenidos en la experimentación.

La tercera expone la interpretación de estos resultados preliminares. La cuarta presenta los

resultados de las condiciones de flujo en transición y la última, las conclusiones del capítulo.

4.1 Caracterización experimental del alcantarillado de estudio

En esta sección se presenta en primer lugar, la descripción del montaje experimental y

posteriormente, el protocolo y proceso experimental.

4.1.1 Descripción del montaje experimental

El montaje experimental se realizó en el laboratorio de hidráulica “Jorge Ramírez Giraldo”

de la Universidad Nacional de Colombia sede Manizales. En la Figura 53 se presenta la foto

y en la Figura 54, el esquema de este montaje experimental, el cual consta de un tanque

elevado aguas arriba, un tanque aguas abajo, una tubería de CPVC de 18 m de longitud y

0.26 m de diámetro interno, y una válvula de control en el extremo aguas arriba que permite

controlar las condiciones del flujo. Durante la experimentación se realizaron diferentes

ensayos variando el caudal de entrada con operación de la válvula. Esta configuración

experimental representa un conducto de alcantarillado pluvial, que aguas arriba está

conectado a un sumidero por donde ingresa el flujo, y aguas abajo se conecta a una cámara

de inspección.


Figura 53: Foto del montaje experimental

1) tanque elevado; 2) válvula; 3) tubería; 4) ventana; 5) salida de la tubería; 6) tanque

aguas abajo; 7) tablero de piezómetros.

Figura 54: Esquema del montaje experimental

1.2 m

Tanque elevado

3.5 m 18.0 m

5.7 m

Válvula de control

D=8” tipo sluice gate

Tubería CPVC D=10”, S =2% Tanque bajo

Tubería PVC D=8”, S =0%

7

1

3

5

6

2

4

119

En la Figura 55 se presentan tres fotos del tanque elevado ubicado aguas arriba, y en la

Figura 56 se expone el esquema asociado. El tanque tiene una altura de 4 metros y se

compone de 3 cámaras que se pueden observar enumeradas en las fotos y en el esquema. El

agua fue suministrada por una tubería de 12 pulgadas que está conectada con la cámara 2,

la cual a su vez, entrega agua a las cámaras 1 y 3 a través de tuberías de 6 pulgadas. La

conexión del tanque elevado con la tubería de CPVC del montaje se hizo a través de la

cámara 1, que tiene capacidad de 35 m3. De esta manera, la cámara 1 representa propiamente

el tanque elevado, mientras que las cámaras 2 y 3 se encargan de almacenar el agua.

Figura 55: Fotos tanque elevado

Figura 56: Esquema tanque elevado

Cámara

No.1

Cámara

No. 2

Cámara No. 1 Cámara No. 3

Cámara No. 2

Tubería D=8”, S =0%

Válvula de control

D=8” tipo sluice gate

Válvula de control

D=6” tipo sluice gate 1.2 m

3.5 m

5.9 m

3.4 m


Para instalar la válvula de control del sistema, en primer lugar se conectó al tanque una

tubería de PVC de 8 pulgadas de diámetro y 1.20 m de longitud, con pendiente nula.

Posteriormente se ubicó la válvula de control del montaje, la cual es de tipo sluice gate de 8

pulgadas de diámetro. Por tanto, esta válvula se ubicó a una distancia de 1.20 m a partir de

la pared exterior del tanque y define el punto de inicio del conducto de estudio, es decir, la

tubería atrás de la válvula no se analizará en esta experimentación. A continuación en la

Figura 57 se presentan 3 fotos de la válvula de control.

Figura 57: Válvula de control tipo sluice gate de 8 pulgadas de diámetro

La tubería del montaje se elaboró con 3 tuberías de CPVC de 6 m de longitud y 10 pulgadas

de diámetro (diámetro interno de 0.26 m). Estas tuberías fueron unidas para obtener un solo

conducto de 18 m de longitud en el cual se fijó una pendiente longitudinal de 2%. A

continuación en la Figura 58 se presentan dos fotos de la tubería, la imagen del lado

izquierdo presenta el primer tramo de la tubería y la imagen del lado derecho presenta una

de las uniones utilizadas.

121

Figura 58: Fotos de la tubería de CPVC del montaje experimental

Una ventana rectangular en acrílico de dimensiones 0.30 m de alto y 0.40 m de largo fue

instalada a 0.70 m del inicio del conducto, con el fin de observar el comportamiento y la

altura de la lámina del flujo en esta sección. En la Figura 59 se presentan 3 fotos de la

ventana, en el lado derecho, la imagen superior presenta una visualización del flujo en

lámina libre, y la imagen inferior presenta la visualización del flujo en presión.

Figura 59: Ventana de acrílico instalada en el conducto

A una distancia de 0.50 m a partir del final del conducto, en la parte superior de este, se hizo

una perforación rectangular de dimensiones 0.12 m de largo y 0.10 m de ancho, con el fin

de permitir tomar las mediciones de caudal con un correntómetro. En la Figura 60 se

presentan 3 fotos de este tramo de la tubería.


Figura 60: Perforación en la tubería para medición de caudal

En la Figura 61 se presentan 2 fotos del tanque ubicado aguas abajo, el cual tiene

dimensiones externas 1.5 m de alto y 5.7 m de largo. Su capacidad de almacenamiento es de

9.2 m3 y su función dentro de la experimentación fue recibir el flujo que posteriormente fue

devuelto al tanque de almacenamiento del laboratorio que alimenta a todo el sistema. La

imagen del lado izquierdo es una visualización exterior y la del lado derecho una

visualización desde el interior.

Figura 61: Tanque ubicado aguas abajo

123

Instrumentación

El caudal en el sistema se midió en la salida de la tubería con un correntómetro OTT MF

pro. En las mediciones se utilizó una varilla de vadeo para ensamblar el sensor

electromagnético y ubicarlo en la perforación al final de la tubería. En la Figura 62 se

presentan 3 fotografías del medidor OTT y de los componentes utilizados, el medidor

portátil, el cable del sensor, el sensor y el ensamblaje en la varilla de vadeo.

Figura 62: Medidor de flujo electromagnético OTT MF pro y componentes utilizados

Para registrar el nivel de la lámina de agua a lo largo de la tubería, se instalaron 16

piezómetros a lo largo de la tubería. Medidos desde aguas arriba, el primero se ubicó a 0.30

m, el segundo a 0.60 m, el tercero a 1.50 m y de allí en adelante, los 13 piezómetros restantes

se ubicaron cada 1 m. Estos piezómetros fueron conectados a un tablero que se ubicó en una

de las paredes del tanque elevado. En la Figura 63 se presentan 3 fotos donde se puede

observar la ubicación del tablero y los piezómetros.

Para registrar la altura de la lámina y las condiciones del flujo en la ventana y en la salida,

se utilizó una cámara que permitió tomar 30 fotogramas por segundo.


Figura 63: Piezómetros utilizados para medir la presión a lo largo de la tubería

4.1.2 Proceso experimental

Con el montaje y el proceso experimental que se describe a continuación se busca simular

las condiciones que pueden llevar a la ocurrencia de flujo mixto dentro de un conducto de

alcantarillado pluvial. En esta investigación se estudió la entrada en presión desde el extremo

aguas arriba en un conducto que representa el tramo inicial del sistema de alcantarillado.

Para observar la transición del flujo, se tuvo como enfoque proporcionar un caudal variable

en el tiempo, que simule un incremento progresivo hasta alcanzar un valor máximo con el

cual la tubería entraría en presión; y así mismo, simular la disminución progresiva del caudal

y observar el comportamiento del flujo dentro de la tubería. De esta manera, el suministro

de caudal se realizó con la válvula de control de 8 pulgadas de diámetro que se muestra en

la Figura 54. Todas las pruebas comenzaron con un nivel inicial establecido en el tanque

elevado y tuvieron una duración de 300 segundos (5 minutos).

Dado que el desarrollo de las pruebas es controlado con la manipulación de la válvula de

control, y el nivel en el tanque es variable, se busca realizar pruebas para conocer la

evolución del nivel en el tanque elevado a través del tiempo y su relación con la apertura y

cierre progresivo de la válvula.

125

También se busca realizar pruebas para conocer la evolución de la velocidad del flujo en la

salida y la evolución de la relación de llenado en la ventana y en la salida, para obtener la

caracterización del flujo. A continuación en la Tabla 9 se presentan las condiciones para el

desarrollo de 14 pruebas, en las que se desea conocer la evolución a través del tiempo del

nivel en el tanque elevado, de la velocidad en la salida y de la relación de llenado en la

ventana y en la salida y su relación con el caudal suministrado, el cual está determinado por

la manipulación de la válvula.

Tabla 9: Protocolo para el desarrollo de las pruebas de experimentación

Serial Nivel inicial

(m)

No.

Ensayos Nota

0.0.1

0.0.1.A 3.0 2

Determinar la relación del nivel en el tanque

elevado con la apertura y cierre progresivo

de la válvula en el tiempo.

0.0.1.B

0.0.1.C

3.5 6

0.0.1.D

0.0.1.E

0.0.1.F

0.0.1.G

0.0.1.H

0.0.2

0.0.2.A

3.0 3

Evaluar la velocidad del flujo en la salida de

la tubería a través del tiempo para establecer

una relación con la apertura y cierre

progresivo de la válvula.

0.0.2.B

0.0.2.C

0.0.3

0.0.3.A 3.0 1 Registrar con grabaciones simultáneas el

comportamiento del flujo en la ventana y en

la salida de la tubería, para identificar el

régimen del flujo y el nivel de la lámina en

el tiempo, y la variación de estos parámetros

con la apertura y cierre progresivo de la

válvula.

0.0.3.B

3.5 2

0.0.3.C

Las pruebas experimentales se desarrollaron de acuerdo con el siguiente procedimiento:

1. Se dejó llenar el tanque elevado con agua hasta un nivel establecido, mientras la válvula

estuvo totalmente cerrada.


2. Cuando el nivel establecido fue alcanzado, se inició una apertura progresiva de la válvula

en el tiempo, que permitió la entrada de flujo a la tubería.

3. El suministro progresivo del flujo se llevó a cabo con una apertura de 1/5 de la válvula

cada 30 segundos.

4. Cuando transcurrieron 120 segundos, se alcanzó la apertura total de la válvula, a partir

de este momento, en la ventana se observó un frente de onda que ocupó toda la sección

de la tubería y viajó hacia aguas abajo.

5. La válvula estuvo totalmente abierta durante 30 segundos más, y a partir de allí, en el

instante de tiempo correspondiente a 150 segundos, se inició un cierre progresivo, de la

misma manera como se realizó la apertura.

6. En el momento que transcurrieron 270 segundos, la válvula se cerró totalmente. El

experimento finalizó cuando el flujo se evacuó totalmente de la tubería.

A continuación en la Figura 64 se presenta el hidrograma que se suministraría con la válvula

de control de acuerdo con el proceso experimental descrito, evaluado para condiciones de

flujo uniforme y, los hidrogramas correspondientes a los escenarios 1 y 2.

Figura 64: Hidrogramas: suministrado con la válvula de control, escenario 1 y 2

0.00

0.02

0.04

0.06

0.08

0.10

0.12

0.14

0.16

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300

Ca

ud

al,

Q(m

3/s

)

Tiempo, t (segundos)

Teórico con la válvula de control Escenario 1 Escenario 2

127

4.2 Resultados preliminares de la experimentación

De acuerdo con el protocolo para el desarrollo de las pruebas experimentales expuesto

anteriormente, en esta sección se presentan los resultados preliminares obtenidos de la

experimentación, los cuales fueron divididos en los subsecciones. La primera presenta los

resultados de las pruebas realizadas para un nivel inicial de 3.0 m en el tanque elevado y la

segunda, los resultados de las pruebas para un nivel inicial de 3.5 m.

4.2.1 Nivel en el tanque elevado 3.0 m

A continuación se exponen los resultados de 6 pruebas experimentales, la condición inicial

en todas las pruebas fue un nivel inicial en el tanque elevado de 3.0 m por encima de la cota

batea de la tubería.

En la Figura 65 se presenta la evolución del nivel en el tanque elevado a través del tiempo,

estos resultados corresponden al nivel promedio registrado durante las pruebas 0.0.1.A y

0.0.1.B.

En la Figura 66 se presenta la evolución de la velocidad en la salida de la tubería a través

del tiempo, estos resultados corresponden a la velocidad medida con el correntómetro OTT

MF pro en las pruebas 0.0.2.A, 0.0.2.B y 0.0.2.C. En esta misma figura también se presenta

la velocidad promedio de estas pruebas y la velocidad teórica considerando flujo uniforme,

calculada con la ecuación de Manning.

En la Figura 67 se presenta la evolución a través del tiempo de la relación de llenado teórica

de acuerdo con la apertura de la válvula y también, la registrada en las grabaciones de video

en la ventana y en la salida de la tubería en la prueba 0.0.3.A.

En la Tabla 10 se presentan las imágenes obtenidas cada 30 segundos de las grabaciones de

video realizadas en la ventana y en la salida de la tubería en la prueba 0.0.3.A, en estas

imágenes se puede observar además de la evolución de la lámina y la consecuente relación

de llenado, también el comportamiento del flujo, el oleaje que se forma en la superficie del

flujo y el contenido de aire que se mezcla con el agua. En la tabla también se presenta para

cada tiempo, el nivel observado en el tanque elevado.


Figura 65: Nivel en el tanque a través del tiempo para un nivel inicial de 3.0 m

Figura 66: Velocidad en la salida a través del tiempo para un nivel inicial de 3.0 m

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300

Niv

el e

n e

l ta

nq

ue,h

(m)


0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300

Vel

oci

dad

,V

(m

/s)


0.0.2.A 0.0.2.B 0.0.2.C Promedio Flujo uniforme

129

Figura 67: Relación de llenado en el tiempo para un nivel inicial de 3.0 m


0.0.3.A

Tiempo

(segundos)

Nivel

(m) Ventana de la tubería Salida de la tubería

30 3.10

60 3.02

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300

Rel

aci

ón

de

llen

ad

o,y/

D (

m/m

)


Teórico Ventana Salida


Tiempo

(segundos)

Nivel


90

2.85

120 2.62

150 2.30

180 2.04

210 1.94

240 1.97

131

Tiempo

(segundos)

Nivel


270 2.11

300 2.36


A continuación se exponen los resultados de 8 pruebas experimentales, la condición inicial

en todas las pruebas fue un nivel inicial en el tanque elevado de 3.5 m por encima de la cota

batea de la tubería.

En la Figura 68 se presenta la evolución del nivel en el tanque elevado a través del tiempo,

estos resultados corresponden al nivel promedio registrado durante las pruebas 0.0.1.C hasta

0.0.1.H.

En la Figura 69 se presenta la evolución a través del tiempo de la relación de llenado teórica

de acuerdo con la apertura de la válvula y también el promedio de la registrada en las

grabaciones de video en la ventana y en la salida de la tubería en la prueba 0.0.3.B y 0.0.3.C.

En la Tabla 11 se presentan las imágenes obtenidas cada 30 segundos de las grabaciones de

video realizadas en la ventana y en la salida de la tubería en la prueba 0.0.3.B. En esta serie

de imágenes se puede observar además de la evolución de la lámina y la consecuente

relación de llenado, también el comportamiento del flujo, el oleaje que se forma en la

superficie del flujo y el contenido de aire que se mezcla con el agua. En la tabla también se

presenta para cada tiempo, el nivel observado en el tanque elevado.


Figura 68: Nivel en el tanque a través del tiempo para un nivel inicial de 3.5 m

Figura 69: Relación de llenado teórico en el tiempo para un nivel inicial de 3.5 m

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300

Niv

el e

n e

l ta

nq

ue,h

(m)


0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300

Rel

aci

ón

de

llen

ad

o,y/

D (

m/m

)


Teórico Ventana Salida

133


0.0.3.B

Tiempo

(segundos)

Nivel


30 3.48

60

3.33

90

3.11

120 2.82

150 2.45


Tiempo

(segundos)

Nivel


180 2.17

210 2.05

240 2.07

270 2.21

300 2.46

135

4.3 Interpretación de los resultados experimentales

En esta sección se presenta una interpretación de los resultados expuestos, en primer lugar,

de las pruebas experimentales con un nivel inicial en el tanque elevado de 3.0 m y

posteriormente, para las pruebas con un nivel inicial de 3.5 m.


La Figura 70 a continuación presenta la evolución a través del tiempo del caudal, el

calculado por continuidad empleando la velocidad promedio medida y la profundidad del

agua observada, y el calculado considerando flujo uniforme empleando únicamente la

profundidad del agua observada. En esta figura, la línea de color naranja representa el caudal

asociado a una relación de llenado de 0.93, prescrita en la norma como la máxima permitida

para el caudal de diseño. En la Figura 71 se presenta la evolución en el tiempo de la

velocidad en la salida de la tubería y la relación de llenado en la ventana y en la salida.

En estas figuras se presentan 3 líneas con sus respectivas anotaciones, una indicando el

instante de tiempo en que la válvula empezó a cerrarse, en 150 segundos. Las otras dos,

representan el inicio y el fin del flujo a presión que se pudo observar en el registro de video

en la ventana de la tubería, que en este caso corresponden a 124 y 242 segundos,

respectivamente y, vinculan la información de velocidad, caudal y relación de llenado, con

la Tabla 12 y Tabla 13, que en la siguiente sección presentan una serie de imágenes que

permiten detallar estas transiciones del flujo para un nivel inicial de 3.0 m en el tanque

elevado. De esta manera, en la sección de la ventana en la tubería se pudo observar flujo en

presión durante 118 segundos. En el inicio de la presurización, el nivel del agua en el tanque

elevado fue de 2.55 m y en la salida se registró una velocidad de alrededor de 2.4 m/s.

La relación de llenado en la ventana incrementó bruscamente en 3 segundos y el flujo ocupó

toda la sección, esta onda viajó por la tubería y sus efectos se observaron aguas abajo

después de 11 segundos. En la Figura 71 se puede observar que el cierre de la válvula inició

a partir de 150 segundos, y sin embargo, el flujo en la ventana se mantuvo en presión durante

94 segundos más, es decir, durante este lapso, hubo presencia de flujo mixto dentro de la

tubería. Este resalto desapareció en el instante de tiempo correspondiente a 242 segundos, y

la transición fue brusca.


Figura 70: Caudal a través del tiempo para un nivel inicial de 3.0 m

Figura 71: Velocidad y relación de llenado en el tiempo para un nivel inicial de 3.0 m

Tabla 12 Tabla 13

Cierre de la válvula

0.00

0.02

0.04

0.06

0.08

0.10

0.12

0.14

0.16

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300

Ca

ud

al,

Q(m

3/s

)


Caudal para velocidad promedio Caudal para flujo uniforme

Caudal teórico cuando y/D = 0.93

Tabla 12 Tabla 13


0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300

Vel

oci

da

d,V

(m

/s)

Rel

aci

ón

de

llen

ad

o,y/

D (

m/m

)


Relación de llenado en la ventana Relación de llenado en la salida

Velocidad promedio

137


La Figura 72 a continuación presenta la evolución a través del tiempo del caudal calculado

considerando flujo uniforme a partir de la observación de la profundidad de la lámina de

agua en el tiempo y la relación de llenado en la ventana y en la salida de la tubería. La línea

de color naranja en esta figura representa el caudal asociado a una relación de llenado de

0.93, prescrita en la norma como la máxima permitida para el caudal de diseño.

En esta figura se presentan además, 3 líneas con sus respectivas anotaciones, una indicando

el instante de tiempo en que la válvula empezó a cerrarse, en 150 segundos. Las otras dos,

representan el inicio y el fin del flujo a presión que se pudo observar en el registro de video

en la ventana de la tubería, que en este caso corresponden a 128 y 252 segundos,

respectivamente. Estas últimas líneas también vinculan la información de caudal teórico y

relación de llenado con la Tabla 14 y Tabla 15, que en la siguiente sección presentan una

serie de imágenes que permiten detallar las transiciones del flujo para un nivel inicial de 3.5

m en el tanque elevado.

De esta manera, en la sección de la ventana en la tubería se pudo observar flujo en presión

durante 124 segundos. En el inicio de la presurización, el nivel del agua en el tanque elevado

fue de 2.72 m. Así como en el caso anterior, la relación de llenado en la ventana incrementó

bruscamente en 3 segundos y el flujo ocupó toda la sección, esta onda viajó por la tubería y

sus efectos se observaron aguas abajo después de 10 segundos.

En la Figura 72 se puede observar además, que el cierre de la válvula inició a partir de 150

segundos, y sin embargo, el flujo en la ventana se mantuvo en presión durante 102 segundos

más. En este momento hubo una transición a lámina libre, caracterizada por una disminución

brusca del nivel (relación de llenado).

138

Figura 72: Caudal y relación de llenado en el tiempo para un nivel inicial de 3.5 m

Tabla 14 Tabla 15


0.00

0.02

0.04

0.06

0.08

0.10

0.12

0.14

0.16

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300

Cau

dal,

Q (

m3/s

)

Rel

aci

ón

de

llen

ad

o,y/

D (

m/m

)


Relación de llenado en la ventna Relación de llenado en la salida

Caudal para flujo uniforme Caudal teórico cuando y/D = 0.93

139

4.4 Condiciones del flujo en transición

En esta sección se presenta una serie de imágenes de dos momentos dentro del experimento

donde se pudo observar la transición del flujo. En primer lugar, cuando la válvula se abrió

totalmente (120 segundos) y el flujo entró en presión desde el extremo aguas arriba, y

segundo, cuando la válvula estuvo cerrada 4/5 partes, permitiendo un ingreso mínimo del

flujo (tiempo alrededor de 240 – 250 segundos) y el resalto dentro de la tubería desapareció,

en consecuencia, el flujo fue nuevamente en lámina libre.

A continuación, para un nivel inicial de 3.0 m en el tanque elevado, se presenta

respectivamente en la Tabla 12 las condiciones del flujo en transición lámina libre – presión

y en la Tabla 13, las condiciones del flujo en transición presión – lámina libre. Para el nivel

inicial de 3.5 m en el tanque elevado, se presentan estas condiciones en el mismo orden en

la Tabla 14 y Tabla 15.

Para las condiciones del flujo en transición lámina libre – presión, el desarrollo de las etapas

presentadas fue similar, salvo que las imágenes que representan el nivel inicial en el tanque

de 3.5 m tienen en general mayor cantidad de aire mezclado con agua.

Para las condiciones del flujo en transición presión – lámina libre, también se desarrollaron

etapas similares, en este caso, la transición cuando el nivel inicial en el tanque elevado fue

de 3.0 m inició con una bolsa de aire de mayor espesor delante del resalto y el oleaje fue

menos intenso que cuando el nivel inicial fue de 3.5 m.

En las imágenes de dibujaron flechas de color rojo que indican la dirección del flujo, de

aguas arriba hacia aguas abajo. Las flechas de color verde que aparecen en algunas de las

imágenes indican la dirección de la onda de retroceso cuando se recuperaron las condiciones

de flujo en lámina libre.


Tabla 12: Flujo en transición lámina libre – presión, nivel inicial en el tanque de 3.0 m

Tiempo: 120 segundos

La relación de llenado es aproximadamente de 0.8, en

la imagen se puede observar el oleaje en la superficie

libre.


La relación de llenado es aproximadamente de 0.85,

en la imagen se observa gran cantidad de bolsas de

aire mezcladas con agua, sobre todo en la superficie

del flujo.


En la imagen se observa además de las bolsas de aire

mezcladas, también como se forma una bolsa de aire

en la corona de la tubería.

Tiempo: 123.5 segundos

Al igual que en la imagen anterior, se observa el

atrapamiento de aire en la corona de la tubería, en este

caso una forma alargada definida.


En esta imagen, aún queda una pequeña bolsa de aire

en la corona, en el momento antes de que el flujo sea

totalmente en presión.


La imagen permite observar que esta sección de la

tubería está totalmente llena y que hay gran cantidad

de aire mezclado con el agua. A partir de este

momento, esta sección se mantiene en presión

durante 118 segundos.

141

Tabla 13: Flujo en transición presión – lámina libre, nivel inicial en el tanque de 3.0 m


Empieza a ocurrir la transición del flujo en presión

hacia el flujo en lámina libre.


Conforme ocurre la transición se observa oleaje en la

corona de la tubería.


En el flujo aparece aire mezclado con el agua previo

a que la sección se despresurice totalmente.


El flujo regresó al régimen de lámina libre y se

observa una gran cantidad de aire mezclado con agua


Hay una rápida transición y la altura de la lámina

disminuyó bruscamente, hay presencia de una gran

cantidad de burbujas (perfil de línea delgada).


La relación de llenado de aproximadamente 0.1


Tabla 14: Flujo en transición lámina libre – presión, nivel inicial en el tanque de 3.5 m


La relación de llenado es aproximadamente de 0.8, en

la imagen se puede observar el oleaje en la superficie

libre, en mayor proporción que en el caso anterior.


La relación de llenado es aproximadamente de 0.85,

en la imagen se observa gran cantidad de bolsas de

aire mezcladas con agua, y la inestabilidad de la

superficie del flujo.


En la imagen se observa además de las bolsas de aire

mezcladas, también la formación de una bolsa de aire

en la corona de la tubería.


Al igual que en la imagen anterior se observa el

atrapamiento de aire en la corona de la tubería.


La imagen permite observar que esta sección de la

tubería está totalmente llena y que hay gran cantidad

de aire mezclado con el agua.


En esta imagen el tubo está totalmente lleno y la

cantidad de aire mezclado ha disminuido debido a que

es arrastrado hacia aguas abajo. A partir de este

momento, esta sección se mantiene en presión

durante 124 segundos.

143

Tabla 15: Flujo en transición presión – lámina libre, nivel inicial en el tanque de 3.5 m


Empieza a ocurrir la transición del flujo en presión

hacia el flujo en lámina libre.


Se evidencia la oleada de retroceso desde aguas

abajo.


En el flujo aparece aire que se mezcla con el agua y

se observa oleaje en la superficie libre.


Se continúa observando el efecto del oleaje, en este

caso, una parte alcanza la corona de la tubería.


Hay una rápida transición y la altura de la lámina

disminuyó bruscamente, asociado a esto se observa

una gran cantidad de burbujas (perfil de línea

delgada).


El flujo nuevamente está en el régimen de lámina

libre, con una relación de llenado de

aproximadamente 0.2, lo cual evidencia la transición

brusca y rápida.


4.5 Conclusiones del desarrollo experimental

Este capítulo tenía como enfoque presentar el desarrollo experimental que se realizó dentro

de esta investigación. Se presentó en primer lugar el procedimiento y el plan experimental,

posteriormente, los resultados y las observaciones con respecto a esto. Se presentaron

gráficos que relacionan en el tiempo la apertura y cierre de la válvula con el nivel de agua

en el tanque elevado, con la velocidad en la salida de la tubería, con la relación de llenado

en la ventana de la tubería y en la salida, y, con el caudal teórico estimado a partir de los

registros de profundidad de la lámina de agua.

Para la evolución del nivel de agua en el tanque, cuando el nivel inicial en el tanque elevado

fue de 3.0 m, la entrada en presión ocurrió para un nivel de 2.55 m, y, cuando el nivel inicial

en el tanque fue de 3.5 m, la entrada en presión ocurrió para un nivel de 2.72 m. En ambos

casos, el nivel mínimo alcanzado fue en el instante alrededor de 200 y 210 segundos, con

un nivel de 1.94 m para un nivel inicial de 3.0 m y, con un nivel de 2.05 m para un nivel

inicial de 3.5 m.

La entrada en presión del flujo ocurrió 4 segundos antes para la experimentación que tuvo

como condición inicial un nivel de 3.0 m en el tanque elevado. Sin embargo, una

comparación entre la duración de la condición de flujo mixto dentro del conducto permite

destacar que para el nivel inicial de 3.5 m en el tanque elevado hubo flujo en presión en

alguna parte de la tubería, durante 6 segundos más que cuando el nivel inicial fue de 3.0 m.

Los resultados presentados permitieron evidenciar la transición del flujo en lámina libre a

flujo en presión y viceversa. A través de una serie de imágenes se observó que esta transición

está caracterizada por una gran cantidad de aire mezclado con agua y también atrapado entre

la lámina de agua y la corona de la tubería. También se evidenció a través del cambio en la

altura de la lámina (relación de llenado), que hubo un proceso de transición muy rápido,

durante el cual, las condiciones del flujo cambian de manera abrupta.

A partir de la Figura 70 se identifica que de acuerdo con la medición experimental, por el

conducto fue suministrado un caudal máximo de 0.11 m3/s alcanzando condiciones de flujo

mixto, y que sin embargo, este valor se encuentra por debajo del caudal de diseño de 0.14

m3/s evaluado para el lote hipotético.

A continuación se analizan los resultados y se presenta una discusión sobre estos.

145

5. Análisis y Discusión

Este estudio se propuso con el fin de evaluar experimentalmente las condiciones de flujo

mixto en el tramo inicial de alcantarillado pluvial, en el cual se examinó la entrada en presión

desde el extremo aguas arriba, y también, valorar los criterios de diseño prescritos para el

diseño de este tipo de conductos en el reglamento colombiano, y a su vez, generar aportes

para su mejoramiento.

Este capítulo se divide en 5 secciones, en la primera se presenta una síntesis de los estudios

desarrollados anteriormente y una confrontación con los resultados preliminares obtenidos

en esta investigación. En la segunda, se describen con base en los resultados obtenidos, las

limitaciones del diseño teórico y las limitaciones de los criterios de diseño establecidos para

el tramo inicial de alcantarillado pluvial, y las consecuencias asociadas. En el tercero se

presentan recomendaciones a la norma que pueden ayudar a mitigar la ocurrencia de flujo

mixto dentro de los conductos de alcantarillado pluvial, a la luz de los resultados obtenidos.

En el cuarto se describen las limitaciones encontradas en el desarrollo de la experimentación

desarrollada; y en el último se presentan algunas sugerencias que podrían tenerse en cuenta

para estudios futuros en este campo.

5.1 Evaluación con respecto a estudios anteriores

En el análisis de la ocurrencia de flujo mixto dentro de alcantarillas pluviales y túneles de

almacenamiento pluvial, estudios previos han evaluado algunos parámetros de diseño que

pueden tener mayor influencia en el funcionamiento y rendimiento hidráulico de los

conductos (Chosie, Hatcher, & Vasconcelos, 2014; Hamam & McCorquodale, 1982;

Politano, Odgaard, & Klecan, 2007; Vasconcelos & Wright, 2003; Vasconcelos & Wright,

2017; Zhang, Cai, Zhou, & Hua, 2017). Factores como tamaño, forma y material de la


tubería, régimen de flujo, profundidad relativa, ventilación y condiciones de contorno aguas

arriba y aguas abajo tienen afectaciones en la magnitud de los transitorios de presión, que, a

su vez están asociados con el atrapamiento de aire dentro de los conductos.

Las investigaciones indican que la relación de llenado inicial tiene un papel importante en

la magnitud de presión y el atrapamiento de aire dentro de los conductos durante la transición

del régimen de flujo en lámina libre a flujo en presión. De manera general, cuando se

suministró un caudal elevado o hubo disminución en la capacidad de la tubería, para

relaciones de llenado pequeñas, se formó un resalto que frecuentemente no alcanzó a ocupar

toda la sección, por tanto, la presurización ocurrió por un aumento gradual de la superficie

libre (Capart et al., 1997; Ferreri et al., 2014a; Trajkovic et al., 1999). Para relaciones de

llenado intermedias (menores a 0.8) el resalto ocupó toda la sección transversal de la tubería.

Durante el avance del resalto, también fue arrastrada cierta cantidad de aire que

posteriormente se convirtió en bolsas de aire atrapadas (Ferreri et al., 2014b) que al ser

liberadas pueden desencadenar oscilaciones intensas de presión (Vasconcelos & Wright,

2005). Para relaciones de llenado superiores a 0.8, el resalto también ocupó toda la sección

transversal de la tubería. Hamam & McCorquodale (1982) señalan que para profundidades

relativas superiores a aproximadamente 0.8, la superficie del agua es muy inestable y el

mínimo flujo de aire a contracorriente puede provocar la presurización de la tubería; por esta

razón, el atrapamiento de aire se atribuye a la inestabilidad que produce oleaje, haciendo

que el aire quede atrapado entre las olas y el resalto. En este caso, también se tiene que en

una tubería con sección circular, para relaciones de llenado cercanas a 0.85 se pueden esperar

los transitorios de presión más bruscos en o cerca del flujo en lámina libre. Así mismo, se

observó que el desarrollo de las fases de interacción agua - aire se presentó como una

sucesión a medida que el nivel inicial de agua aumentó (Vasconcelos & Wright, 2005; Zhang

et al., 2017).

En la Tabla 16 a continuación, se presentan algunos eventos que fueron identificados en la

revisión de la literatura y que se ven afectados por la relación de llenado inicial. La relación

de llenado fue dividida en 3 rangos que pueden ser clasificados como pequeño (0.0 – 0.6),

intermedio (0.6 – 0.8) y grande (0.8 – 1.0).

147

Tabla 16: Eventos dentro del sistema según la relación de llenado del conducto

Evento dentro del

sistema

Relación de llenado del conducto

0.0 - 0.6 0.6 - 0.8 0.8 - 1.0

Transitorios de

presión

No se presenta (Zhang

et al., 2017).

Fluctuaciones no

significativas (Zhang

et al., 2017).

Oscilaciones intensas

(Ferreri et al., 2014b,

2014a)

Se presentan con alta

frecuencia (Zhang et al.,

2017).

Severos, se presentan los

máximos (Cardie et al.,

1989; Hamam &

McCorquodale, 1982).

Inestabilidad en la

superficie libre

No se presenta (Ferreri

et al., 2014b).

No se presenta (Cardie

et al., 1989; Ferreri et al.,

2014a, 2014b; Hamam &


Alta, puede llegar hasta la

altura del diámetro (Cardie

et al., 1989; Ferreri et al.,

2014a, 2014b; Hamam &


Interacción fases

aire - agua

No se presenta

(Vasconcelos & Wright,

2005; Zhang et al., 2017).

Interacción insignificante

(Zhang et al., 2017).

Movimiento Previo al

resalto (Vasconcelos &

Wright, 2005).

Movimiento previo al

resalto, contraflujo de aire,

frente ondulatorio,

intrusiones de aire en el

frente ondulatorio


2005).

Atrapamiento de

aire

Se presenta en muy pocas

ocasiones (Eldayih et al.,

2020; Zhang et al., 2017).

Poco atrapamiento


Solo cuando el nivel de

agua en el depósito aguas

arriba sea grande

(Eldayih et al., 2020).

Una bolsa de aire atrapada


Todas las condiciones de

nivel de agua en el depósito

aguas arriba indican

atrapamiento (Eldayih et al.,

2020).

Causa del

atrapamiento de aire

Ocurrencia de un resalto

(Ferreri et al., 2014a).

Ocurrencia de un resalto

(Ferreri et al., 2014a).

Inestabilidad de la superficie

en lámina libre (Ferreri

et al., 2014a).

Patrón de

presurización

Abrupto o suave

dependiendo del caudal

de entrada (Ferreri et al.,

2014a, 2014b).

Abrupto o suave

dependiendo del caudal

de entrada (Ferreri et al.,

2014a, 2014b).

Abrupto (Ferreri et al.,

2014a, 2014b).

Presurización de

aire en el depósito

aguas abajo

No se presenta porque

generalmente el resalto

no ocupa toda la sección

de la tubería


2005).

No se presenta. El nivel

de agua aumenta cuando

el resalto llega


2005).

Se presenta. Se observa

aumento del nivel de agua

inmediatamente el conducto

entra en carga (Vasconcelos

& Wright, 2005).


De acuerdo con los resultados del diseño teórico del conducto de alcantarillado pluvial y

con las investigaciones que describen los diferentes eventos que se podrían presentar dentro

del sistema según la relación de llenado del conducto, en este caso, para la relación de

llenado de 0.85 para el caudal de diseño, se presenta inestabilidad en la superficie libre que

fácilmente pude llevar al atrapamiento de aire y cuando ocurra un aumento de caudal, podría

producirse un patrón de presurización abrupto con transitorios de presión de alta frecuencia

asociados.

Durante el llenado rápido o presurización de los conductos cerrados es común que quede

aire atrapado entre el flujo de agua y la corona de la tubería, bien sea en pequeñas o grandes

bolsas de aire, especialmente si la ventilación del sistema es inadecuada (Eldayih et al.,

2020; Zhou, Hicks, & Steffler, 2002a). Algunos estudios como el de Vasconcelos & Wright

(2005) comprueban que no hay una forma única de atrapamiento de aire, sino que este

obedece a la relación y cantidad de aire y agua dentro de los conductos. El atrapamiento de

las bolsas de aire depende de la geometría del sistema y de la configuración del flujo de

entrada, principalmente (Vasconcelos & Wright, 2006). En las investigaciones de Ferreri

et al. (2014b); Hatcher & Vasconcelos (2014, 2017); Wright et al. (2017); Zhou et al.

(2002b); Zhou, Hicks, & Steffler (2004) se señala que el aire atrapado puede inducir

elevados transitorios de presión que a su vez, pueden causar daños a la infraestructura de

alcantarillado. Por esta razón, las investigaciones numéricas que intentan simular los

transitorios de presión durante la presurización de los conductos, reconocen la importancia

de incluir en los modelos el efecto del aire atrapado (Bourdarias, Ersoy, & Gerbi, 2013;

Ciraolo & Ferreri, 2008; Vasconcelos & Wright, 2004; Wang, Shen, & Zhang, 2003; Wright,

Klaver, & Vasconcelos, 2016), y también el movimiento de las bolsas de aire (Bousso &

Fuamba, 2014; Chosie et al., 2014; Vasconcelos, Klaver, & Lautenbach, 2015; Zhou & Liu,

2013). Todo esto con el fin de poder predecir la interacción agua – aire y proponer diseños

eficientes que disminuyan el impacto de la presurización en el funcionamiento y estado de

la infraestructura de alcantarillado.

Haciendo alusión al atrapamiento de aire, el estudio experimental realizado encontró que en

el frente de onda queda atrapada una cantidad de aire que no se puede cuantificar, tanto

mezclado con el agua, como en bolsas de aire delante del frente de onda de presión, y

también entre la lámina de agua y la corona de la tubería. Las imágenes que presentan este

evento se pueden observar en las Tablas 12 a 15. Los resultados son consistentes con

Vasconcelos & Wright (2005) confirmando que no hay una única manera en que se

desarrolla el atrapamiento de aire. En relación con esto, también sería interesante investigar

149

si las bolsas de aire tienden a permanecer atrapadas en la entrada de la tubería o si logran ser

evacuadas del sistema de conducción.

Los resultados presentados en la Tabla 12 y Tabla 13 confirman que la relación de llenado

de la tubería se asocia con la inestabilidad en la superficie libre como bien han demostrado

Cardie et al. (1989), Ferreri et al. (2014a, 2014b) y Hamam & McCorquodale (1982).

Un aspecto clave de los eventos transitorios en las redes de conductos cerrados es el geiser,

una erupción explosiva de una mezcla de aire y agua a través de cámaras de inspección en

alcantarillados pluviales o, a través de ejes verticales en túneles de almacenamiento.

Inicialmente, la investigación de Guo & Song (1990, 1991) estableció que la formación del

geiser es el resultado de un rápido aumento del flujo en la entrada a través de los ejes

verticales y de la inestabilidad del flujo en superficie libre dentro del conducto horizontal.

Por tanto, destacaron que sería suficiente analizar únicamente la hidrodinámica del sistema.

Posteriormente, la investigación de Wright, Lewis, & Vasconcelos (2007) sugiere que la

formación del geiser en los sistemas de aguas pluviales se relaciona con la llegada de una

bolsa de aire atrapado en la corona de los conductos horizontales, hasta un eje de ventilación

vertical parcialmente lleno de agua. Los resultados de investigaciones siguientes

(Vasconcelos & Wright, 2011; Wright, Lewis, & Vasconcelos, 2011a, 2011b; Wright,

Vasconcelos, Creech, & Lewis, 2008; Wright, 2013) coinciden en que el geiser es el

producto de la liberación conjunta de aire y agua, y que por tanto está relacionado con las

diferentes formas de atrapamiento de pequeñas o grandes cantidades de aire dentro de los

conductos. Estos resultados fueron respaldados con el argumento que la presión medida

dentro de las tuberías es incapaz de elevar el agua a través de las cámaras de inspección y

mucho menos llevarla a alturas entre 20 y 30 m sobre la superficie; razón por la cual también

los hallazgos de Muller et al. (2017) corroboran que no es necesario que la línea de nivel

hidráulico se acerque a la superficie del suelo para crear una condición de géiser.

En los últimos años ha habido un interés creciente en caracterizar el mecanismo de

formación del geiser (Cataño-Lopera et al., 2014; Cong, Chan, & Lee, 2017; Leon et al.,

2019; Liu, Shao, & Zhu, 2020; Qian et al., 2020). Los resultados que han obtenido las

investigaciones de Choi et al. (2019), Huang, Wu, Zhu, & Schulz (2018), X. Wang, Qian,

& Chen (2019) indican que: (1) la magnitud de la presión del aire comprimido se relaciona

con el tamaño de la ventilación, y (2) para evitar la formación del géiser en el sistema de

drenaje de aguas pluviales se debe controlar la relación de llenado del conducto, la descarga


de entrada, y para el caso de túneles de almacenamiento, el área de sección transversal del

eje de caída y la relación de diámetro entre el conducto y el eje de caída.

A su vez, una de las consecuencias del géiser es la expulsión de las tapas de las cámaras de

inspección o ejes de caída (Li & McCorquodale, 1999; Wang & Vasconcelos, 2018).

Algunos de los resultados obtenidos indican que la magnitud de la presión del aire

comprimido capaz de empujar las tapas se relacionó con el tamaño de la ventilación que

tengan dichas tapas y en general, el sistema. También se ha reconocido que durante la

expulsión del géiser se han registrado daños estructurales asociados a sobrecargas excesivas

en los sistemas de alcantarillado (Guo & Song, 1990; Vasconcelos et al., 2018).

5.2 Limitaciones del diseño teórico establecido y consecuencias

Tras revisar las normativas colombianas y algunas referencias bibliográficas

internacionales, se evidenció que para realizar el diseño de conductos de alcantarillado

pluvial, en primer lugar se debe evaluar el caudal de aguas lluvias y posteriormente, cumplir

una serie de criterios en los parámetros hidráulicos del conducto, tales como: diámetro,

velocidad, pendiente y relación de llenado. Se establece un valor mínimo del diámetro para

asegurar el transporte adecuado del flujo y evitar cualquier posibilidad de obstrucción,

teniendo en cuenta que al alcantarillado pluvial frecuentemente ingresa material como arena,

grava y basura. En el caso de la velocidad, se establece un valor mínimo para garantizar la

autolimpieza y un valor máximo para evitar el desgaste excesivo del material de la tubería.

En las normativas colombianas, en el caso del tramo inicial del alcantarillado pluvial se

establece un valor mínimo para la pendiente que corresponde a 2%, sin embargo, a nivel

internacional la pendiente por sí misma no es un requisito, sino que se relaciona con el

cumplimiento de la velocidad. En cuanto a la relación de llenado, a nivel internacional se

indica que el flujo sebe ser en lámina libre, y las normativas colombianas establecen un

límite máximo permisible de 93% para el caudal de diseño.

El montaje experimental desarrollado en esta investigación es una representación del tramo

inicial de un alcantarillado pluvial, el cual cumple con las limitaciones en los parámetros

hidráulicos establecidos en la Resolución 0330 de 2017 para la conducción de un caudal de

escorrentía evaluado en un lote hipotético ubicado en la ciudad de Manizales, siguiendo

también las limitaciones de la normativa. La tubería que resultó del diseño teórico tiene un

diámetro de 260 mm y pendiente de 2%. Con estos parámetros, teóricamente, cuando se

151

suministra el caudal de diseño estimado de 0.14 m3/s se obtiene un flujo con velocidad de

diseño de 2.91 m/s y con una relación de llenado de 0.85.

De acuerdo con el diseño del conducto de alcantarillado que se presentó en la Tabla 8, en

teoría, el caudal del escenario 2 es 10% mayor que el caudal del escenario 1; es decir, un

aumento del 10% del caudal de diseño, hace que el conducto ya se encuentre en condiciones

de presión. Sin embargo, haciendo un análisis teórico de este diseño (diámetro y pendiente

del conducto), es posible evidenciar que las condiciones de flujo en presión, entendidas

como una relación de llenado mayor o igual a 1.0 se alcanzan con un incremento de 5%

sobre el caudal de diseño. Es decir, teóricamente el conducto tiene capacidad de transportar

un caudal de diseño de 0.14 m3/s, alcanzando en este caso una relación de llenado de 0.85;

no obstante, cuando se suministra un caudal de 0.146 m3/s, el conducto entraría en presión.

Desde el punto de vista experimental, los resultados de este estudio muestran que las

condiciones de flujo en presión se alcanzaron para un caudal menor al caudal de diseño

teórico. En la Figura 64 se puede evidenciar cómo sería el suministro teórico de caudal en

el tiempo, de acuerdo con la manipulación de la válvula y asumiendo flujo uniforme. Así, el

caudal máximo que se suministraría teóricamente sería de 0.135 m3/s, alrededor de 120

segundos, cuando la válvula estaría totalmente abierta. Sin embargo, las mediciones de

velocidad y los registros de video de la profundidad de la lámina del agua en la tubería

presentados en las Figura 66 y Figura 67, respectivamente, permitieron obtener una

estimación del caudal real suministrado en el tiempo, esto se puede observar en la Figura

70, donde se identifica que el caudal máximo suministrado en el experimento fue de 0.11

m3/s y que incluso en estas condiciones, el tubo entró en presión desde aguas arriba.

Otro aspecto importante que se pudo identificar en la experimentación fue que una vez el

conducto entró en presión aguas arriba, a nivel de la ventana, esta condición se mantuvo

incluso cuando empezó el cierre de la válvula, es decir, la disminución del caudal. Las

condiciones de flujo en lámina libre se recuperaron cuando hubo un cierre de 4/5 de la

apertura total de la válvula, lo cual significó que una vez se formó el resalto que ocupó toda

la sección aguas arriba, se hizo necesario una disminución de aproximadamente 60% del

caudal máximo que puede transportar el conducto, para recuperar las condiciones de flujo

en lámina libre. Esto se puede evidenciar en la Figura 70 en la curva de caudal para velocidad

promedio, y en la Figura 72, en la curva de caudal para flujo uniforme. En estas Figuras y

también en la Figura 71 se puede observar que la recuperación de las condiciones de flujo


en lámina libre sucede de manera súbita, reflejado en el cambio abrupto de la relación de

llenado.

Estas condiciones de flujo dentro de la tubería son comparables con el flujo no permanente

rápidamente variado en un canal abierto, el cual ocurre cuando el frente de una onda presenta

un cambio abrupto en la curvatura o un cambio súbito en la profundidad, efecto que puede

producirse por un descenso o incremento abrupto del flujo, como el causado por el cierre

súbito o la apertura de una compuerta (Chow, 1994). En teoría existen 4 tipos de flujo no

permanente rápidamente variado, en comparación con la experimentación desarrollada, el

tipo A que tiene un frente de avance que se mueve hacia aguas abajo, se asemeja al instante

en que el conducto entra en presión desde aguas arriba; y el tipo D, que tiene un frente de

onda de retroceso que se mueve hacia aguas arriba, se asemeja con el instante en que se

recuperan las condiciones de flujo en lámina libre, tal como se pudo observar en las

imágenes de la Tabla 13 y Tabla 15, donde las condiciones se reestablecen a partir de un

retroceso desde aguas abajo. La diferencia entre la experimentación y el flujo no permanente

rápidamente variado radica en que en el último, un cambio en el nivel desde subcrítico a

supercrítico originará un resalto hidráulico móvil, también conocido como oleada, lo que

esto significa es que el resalto hidráulico se mueve; en cambio, las condiciones del flujo en

la experimentación muestran que el resalto que ocupa toda la sección no se mueve, es decir,

restringe el flujo a lámina libre, como una especie de tapón. Este “tapón” no es sólo líquido,

sino que en él, se pudo evidenciar una mezcla y movimiento continuo de pequeñas burbujas

de aire.

A partir de la información obtenida en la experimentación y con las características propias

del banco experimental, sería posible hacer un análisis del flujo empleando los valores

adimensionales característicos del flujo libre, como el número de Vedernikov y el número

de Froude. El número de Vedernikov es una medida de la estabilidad del flujo, que puede

ser clasificado como estable, neutro e inestable, dependiendo de si el valor del número de

Vedernikov es respectivamente, menor, igual o mayor que 1; es decir, la utilidad de este

número es determinar la existencia o no, de ondas en la superficie libre del flujo dentro de

un canal (Ponce, 1991). De manera general, el flujo uniforme en un canal abierto se vuelve

inestable cuando la velocidad es muy alta o la pendiente es muy pronunciada, en el caso del

criterio de Vedernikov, este evalúa la estabilidad del flujo en canales de fuerte pendiente,

razón por la cual, en nuestra opinión, la consideración de este número no es aplicable en este

estudio, debido a que la inestabilidad presente en la experimentación se genera por el

incremento de caudal.

153

Por su parte, el número de Froude relaciona el efecto de las fuerzas de inercia y las fuerzas

de gravedad que actúan sobre un fluido, en este caso el régimen puede ser subcrítico, crítico

o supercrítico. A continuación, en la Tabla 17 se presenta el número de Froude asociado a

un caudal, permitiendo observar la variación del régimen del flujo dentro de la tubería de la

experimentación que tiene un diámetro de 0.26 m y una pendiente de 2%. También se

presenta la clasificación del flujo en lámina libre como subcrítico o supercrítico, esta

clasificación fue realizada en función de la pendiente crítica (𝑆𝑐) asociada a una profundidad

crítica (𝑦𝑐) del flujo que está representado a través de una secuencia de caudales. Los

caudales que se presentan en esta tabla tienen asociada una relación de llenado (y/D) que

incluye valores desde 0.70 hasta 1.0. El propósito es identificar el régimen del flujo a medida

que este se acerca y supera el caudal de diseño del conducto, y también identificar el régimen

del flujo cuando la relación de llenado toma el valor máximo permisible prescrito en la

normativa, es decir, 0.93.

Tabla 17: Clasificación del flujo dentro de la tubería experimental

con una variación teórica del caudal

Caudal y 𝒚

𝑫

𝒚𝒄 𝑺𝒄 Régimen Fr

m3/s m m %

0.110 0.183 0.70 0.247 1.15 Super 2.22

0.120 0.196 0.75 0.250 1.38 Super 2.10

0.132 0.208 0.80 0.253 1.69 Super 1.98

0.135 0.213 0.82 0.254 1.78 Super 1.91

0.139 0.221 0.85 0.254 1.90 Super 1.81

0.144 0.234 0.90 0.255 2.04 Sub 1.61

0.145 0.242 0.93 0.255 2.08 Sub 1.44

0.145 0.247 0.95 0.255 2.08 Sub 1.31

0.144 0.250 0.96 0.255 2.06 Sub 1.23

0.143 0.255 0.98 0.255 2.00 Sub 1.01

0.141 0.257 0.99 0.255 1.94 Super 0.84

0.135 0.260 1.00 0.254 1.78 Super Indeterminado

Con el número de Froude (Fr) es posible identificar que inicialmente se presenta un flujo

supercrítico, posteriormente, a medida que aumenta la relación de llenado, el flujo es “menos

supercrítico”, y cuando el conducto está casi lleno se alcanzan las condiciones de flujo

subcrítico. A partir de la Figura 32, donde se presenta la relación hidráulica de caudales, se

observa que la relación de llenado de 0.93 es la condición óptima para tener el caudal

máximo en una tubería de sección circular; en este caso es adecuado tener en cuenta que la


profundidad crítica para una energía específica dada está asociada al caudal máximo. Por

esta razón, en la relación de llenado de 0.93 efectivamente se obtiene el caudal máximo, y

así mismo, la profundidad del flujo se encuentra cerca de las condiciones críticas. Esto

explica porque cuando las condiciones hacen que el flujo se acerque a una sección casi llena

de la tubería, en la superficie del flujo se presenten inestabilidades representadas a través de

remolinos y burbujas de aire. En la Figura 32 se puede observar que en efecto, en la relación

de llenado de 0.93, la relación hidráulica de áreas (𝐴/𝐴𝑜) es de 97%, por lo cual es válido

decir que incluso antes de 0.93, la sección está casi llena y en condiciones de inestabilidad.

En la Figura 32 también es posible observar que la relación hidráulica de caudales después

de alcanzar el valor máximo alrededor de la relación de llenado de 0.93, tiene un descenso,

desde este punto de vista, la razón de este comportamiento es la condición de flujo subcrítico

presente en este caso. Esta condición de flujo subcrítico es el “tapón” observado en la

experimentación, es decir, hay tanta agua en la tubería que en la entrada hubo una transición

de tipo supercrítico a subcrítico, y sin embargo, aguas abajo hay un flujo libre porque hay

flujo supercrítico, esto es la ocurrencia de flujo mixto dentro de la tubería.

Desde este punto de vista, la razón por la que anteriormente se mencionó la necesidad de

una disminución del caudal máximo de aproximadamente 60% para volver a las condiciones

de flujo libre, es porque debe existir una evacuación suficiente del flujo, para que el caudal

que mantiene el “tapón” disminuya hasta alcanzar un caudal lo suficientemente supercrítico,

capaz de reiniciar el flujo en este mismo régimen en toda la tubería.

Por otra parte, con base en la clasificación del flujo en alcantarillas de Bodhaine (1982)

expuesto en la sección 2.4 se puede afirmar que las condiciones en las que se espera que

funcione el tramo inicial de un alcantarillado pluvial corresponden a un flujo Tipo 1, en el

cual, el flujo a través del conducto es parcialmente lleno y supercrítico. Asimismo, las

condiciones no deseadas corresponden a un flujo Tipo 5 con resalto, o un Tipo 6, en el cual

el conducto está totalmente lleno y la profundidad aguas arriba es mayor que el diámetro.

Refiriéndose a la Tabla 6, si el flujo normal que se espera en el funcionamiento de un

conducto cuando por este circula un caudal igual o menor al de diseño es de Tipo 1, eso

significa que el conducto es capaz de transportar el flujo y que existe un control de entrada,

y por tanto, las variables que impactan el diseño son nivel en la entrada, geometría de la

sección en la entrada y pendiente longitudinal del conducto. Desde el momento en que se

supera el caudal de diseño, se podría esperar una transición a un flujo Tipo 5 con resalto, o

un Tipo 6; esto significa que a partir de ese momento, hay un control de salida y el conducto

155

no puede transportar todo el flujo que está entrando. En este caso, todas las características

geométricas e hidráulicas de la alcantarilla juegan un papel en la capacidad. Estas

características además de todos los factores que rigen el control de entrada, incluyen la

elevación de la superficie del agua en la salida y las características del conducto, como

rugosidad, longitud y pendiente.

Con respecto a lo anteriormente dicho de flujo Tipo 5 con resalto, se hace referencia a los

resultados de la experimentación realizada, en los cuales se puede observar que es posible

encontrar un flujo parcialmente lleno en un conducto y al mismo tiempo, aguas arriba, un

tramo totalmente lleno, cuando existe un caudal y nivel en la entrada con capacidad de

mantener estas condiciones.

En la Figura 73 se trae de la sección 2.4, la curva de transición de flujo Tipo 1 a Tipo 5 en

un conducto de sección circular expuesta por Bodhaine (1982). Ahora, en esta figura se

trazaron dos líneas que permiten comparar las pendientes de la relación elevación en la

entrada - descarga en el conducto, para un flujo Tipo 1 y uno Tipo 5.

Figura 73: Adaptación de la curva de transición de flujo Tipo 1 a Tipo 5 en alcantarilla

circular Fuente: (Bodhaine, 1982)

A pesar de que estas curvas están evaluadas para un contexto en específico, el propósito es

distinguir el cambio de pendiente en cada tipo de flujo. En la línea de color rojo se puede

Flujo Tipo 1

Flujo Tipo 5


evidenciar una relación entre la elevación en la entrada y la descarga en el conducto para el

flujo Tipo 1. Cuando el caudal aumenta, la profundidad en la entrada también aumenta y

ocurre la transición a un flujo Tipo 5. En este caso, la pendiente de la relación elevación en

la entrada - descarga en el conducto, representada por la línea de color azul, aumenta. Esto

significa que ahora no se está evacuando de la misma manera, sino que se ha perdido

capacidad y la elevación en la entrada aumenta a una tasa mayor. Esto a su vez, puede

traducirse en rebosamiento en la entrada debido a que en el conducto se está demorando la

evacuación del flujo.

Como síntesis de esta sección; para el dimensionamiento del diámetro y la pendiente de un

conducto de alcantarillado, en el diseño teórico se está haciendo uso de la ecuación de

Manning, considerando flujo uniforme. El propósito de este diseño es establecer para el

conducto, un diámetro y una pendiente que brinden la capacidad de evacuar rápidamente el

flujo en condiciones de lámina libre, para este efecto, la normativa colombiana ha estipulado

un valor máximo permisible de la profundidad del flujo de 93% del diámetro interno de la

tubería. Este valor de 93% está asociado a la capacidad máxima de transporte que tiene una

tubería de sección circular en condiciones de flujo uniforme. Por tal razón, es posible pensar

que este valor límite de la relación de llenado tiene como propósito garantizar el transporte

del caudal máximo sin entrar en presión. Sin embargo, a pesar de que una relación de llenado

de 0.93 puede brindar la idea de que hay un rango de 7% antes de alcanzar las condiciones

del flujo en presión, esta experimentación y los resultados de investigaciones anteriores

demuestran que se está ignorando la inestabilidad del flujo en la superficie, la cual tiene

asociadas consecuencias reales como atrapamiento de aire, sobrepresión en el alcantarillado

e inundaciones por las calles.

Los resultados experimentales muestran que con la entrada en carga desde aguas arriba se

desarrolla un flujo subcrítico a nivel de la entrada, y abajo, un flujo supercrítico. Una vez

que esto ocurre, el flujo en la entrada va a seguir subcrítico y ocupando toda la sección de

la tubería, en este caso se podría pensar que este flujo a presión tendría más capacidad de

transporte que un flujo libre, pero la experimentación permitió observar que el flujo a presión

está restringiendo al flujo en lámina libre, como un tapón. Es decir, que la ocurrencia de esta

transición disminuye la capacidad de evacuación de la tubería, y en este caso por ejemplo,

la limitación de 15 m como longitud máxima del tramo inicial del alcantarillado pluvial no

mejoraría las condiciones debido a que la obstrucción se encuentra aguas arriba.

157

Finalmente, se puede afirmar que la prescripción de la normativa de 93% como la máxima

relación de llenado permisible para el caudal de diseño hace que en el momento en que este

ocurra, dentro del conducto se presenten condiciones de flujo mixto, debido a que en

realidad el flujo no es uniforme y se presentan condiciones críticas, y a su vez, inestabilidad

en la superficie. Esta consecuencia no debería presentarse debido a que en general, un diseño

de cualquier tipo de estructura se hace para que bajo las condiciones de carga máxima o

caudal máximo, la estructura tenga la capacidad de seguir operando en condiciones óptimas.

5.3 Recomendaciones a la norma

En este estudio se buscó contestar a los objetivos específicos presentados con respecto a

cuáles son los factores que tienen mayor impacto en el diseño de conductos de alcantarillo

y cuáles son las recomendaciones que se pueden hacer para reducir este inconveniente. A

continuación se presentan dos sugerencias sobre limitaciones que se podrían mejorar en

cuanto a la máxima relación de llenado permitida para el caudal de diseño y, a la pendiente

mínima en el tramo inicial del alcantarillado.

La recomendación para la normativa colombiana sobre los criterios específicos para el

diseño del tramo inicial de un alcantarillado pluvial es reducir la máxima relación de llenado

estipulada actualmente de 93%. Esto debido a que el propósito del diseño de un

alcantarillado pluvial es que el flujo para el caudal de diseño suceda en condiciones de

lámina libre, sin embargo, los resultados experimentales y la revisión de la literatura

sintetizada en la Tabla 16 muestran que cuando el flujo ha alcanzado una profundidad del

93% del diámetro, en la superficie hay inestabilidades que se traducen en atrapamiento de

aire, transitorios de presión, condiciones de flujo mixto y disminución de la capacidad;

condiciones que no se tienen en cuenta en la prescripción actual de la norma. Por otro lado,

debido a que la relación de llenado de 0.93 está asociada a la máxima capacidad de transporte

de una tubería de sección circular, un diseño realizado para que cuando se presente el caudal

de diseño de la obra, este alcance una relación de 0.93 significa en primer lugar, que en el

conducto existirán condiciones de flujo mixto y en segundo lugar, que contrario a lo que se

podría esperar de que hay un rango de 7% antes de alcanzar el flujo en presión, una relación

de llenado de 94% por ejemplo, conlleva a inundaciones debido a que la capacidad máxima

fue superada al superar la relación de 0.93. En resumen, se está asignando al caudal máximo,

la máxima capacidad de la tubería, razón por la cual no existe un factor de seguridad para

garantizar el buen funcionamiento de la estructura.


De esta manera, se sugiere establecer al menos en el tramo inicial del alcantarillado, un valor

máximo de relación de llenado menor o igual de 0.80. A continuación, en la Figura 74 se

presenta la relación de los elementos hidráulicos en una sección circular, en la cual se

dibujaron dos puntos que permiten identificar el valor de 𝑄/𝑄𝑜 para las relaciones de llenado

de 0.8 y 0.93. Cuando se comparan estos dos valores es posible observar que la disminución

de la relación de llenado sugerida no genera un gran impacto en la capacidad de evacuación

del flujo y al contrario, en este caso se garantizan condiciones de lámina libre y una

velocidad mayor. Además, para esta relación de llenado es posible observar que se transporta

un caudal igual, al que transporta el conducto totalmente lleno (𝑄/𝑄𝑜 = 1.0).


llena a los de la misma sección totalmente llena

Con respecto a la pendiente, aun cuando en las recomendaciones internacionales de los

parámetros hidráulicos se indique que la pendiente es un condicionante de la velocidad, de

acuerdo con Bodhaine (1982), la pendiente del conducto es el factor principal que influye

en el control que dicho conducto tendrá, y este a su vez influye en la capacidad que tendrá

el conducto dependiendo de las características geométricas e hidráulicas. Por otro lado,

según Vasconcelos & Wright (2005) el efecto de la pendiente del conducto es importante

Q/Qo = 1.07

Q/Qo = 0.98

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

1.1

1.2

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

1.1

1.2

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0

V/V

o;

Q/Q

o;

A/A

o

Relación de llenado, y/D (m/m)

V/Vo Q/Qo A/Ao

159

para el comportamiento del oleaje debido al impacto que tiene en la expulsión de aire del

sistema. Lo cual puede disminuir la cantidad de aire atrapado durante la transición del flujo.

En este sentido, la sugerencia es aumentar la pendiente mínima en el tramo inicial del

alcantarillado, se recomienda estipular un valor de 3%. Este valor adaptado en la

experimentación podría hacer por ejemplo y de acuerdo con la Tabla 17, que la pendiente

del canal (3%) permanezca sobre la pendiente crítica (2.08%) cuando se presente un caudal

como el de diseño, es decir manteniendo condiciones de flujo supercrítico, mayor velocidad

y evitando inestabilidades que se pueden desarrollar en el límite entre un flujo supercrítico

y uno subcrítico.

En virtud de favorecer el flujo supercrítico, además del incremento de la pendiente, y

teniendo en cuenta los factores que influyen en la capacidad de los conductos de

alcantarillado descritos en la Tabla 6, también es importante recomendar que, se debe

favorecer la geometría de la entrada al conducto, es decir, reducir las posibles obstrucciones

y por ende, pérdidas de energía en la entrada. Esta recomendación es válida para mejorar el

funcionamiento del conducto, para la condición de flujo con control en la entrada y también

con control en la salida.

5.4 Limitaciones del experimento

Los resultados obtenidos han reforzado nuestro punto de vista sobre las condiciones de flujo

mixto, sin embargo, una limitación de este estudio fue la medición de la presión en diferentes

puntos a lo largo de la tubería. Esto debido a que se requieren equipos digitales como

transductores de presión que permitan registrar las oscilaciones de presión, los cambios

bruscos de esta, y la progresión de la onda de presión a lo largo de la tubería.

Otra limitación de la experimentación fue el diámetro de la válvula de control empleada. El

hecho de que la válvula de control con la que se suministró el flujo tuviera un diámetro de

8 pulgadas y el de la tubería fuera de 10 pulgadas pudo influir en el desarrollo del flujo en

la entrada. El propósito sería que estos diámetros fueran iguales, sin embargo, la variación

en estos diámetros radica en la disponibilidad de instrumentos en el laboratorio.

Finalmente, un aspecto que se podría mejorar es la condición de salida libre, debido a que

puede tener impacto en la curva de flujo. Sin embargo, también es adecuado recordar que


de acuerdo con la norma, la longitud del tramo inicial de alcantarillado debería ser como

máximo 15 m, y la longitud de la tubería en el experimento fue de 18 m, por lo cual hubo 3

m para reducir el efecto de salida libre y garantizar que aguas arriba se desarrollaran

condiciones de flujo normal.

5.5 Estudios futuros

Sería interesante realizar investigación complementaria sobre aspectos de ventilación dentro

del sistema como en los estudios de Zhou, Hicks, & Steffler (2002a) y Eldayih et al. (2020),

y establecer su relación con el atrapamiento y liberación descontrolada de aire. En el caso

del montaje experimental, se podría hacer que el tanque aguas abajo sea cerrado, esto

simularía de una manera más acertada una cámara de inspección y pudiera permitir observar

las afectaciones del atrapamiento de aire cuando no haya libre expulsión de aire aguas abajo.

En las Figuras 46 y 47 se presentaron dos ejemplos de inundación pluvial en las calles de la

ciudad de Manizales, que corresponden a inundaciones en la Avenida Kevin Ángel durante

los eventos de precipitación de los días 12 de abril de 2016 y 20 de febrero de 2018. En la

información que se registró, se encontró que la intensidad de estos eventos fue 11.38 mm/h

y 5.88 mm/h, respectivamente. Esta intensidad se encuentra muy alejada de la registrada

durante el evento del 19 de abril de 2018, asociado al escenario 2 de la experimentación,

para el cuál, el conducto del montaje experimental entraría en presión desde el extremo

aguas arriba. Esta información proporciona una idea para futuras investigaciones, en las

cuáles se podría revisar por ejemplo, cuál es el diámetro del tramo inicial de estos

alcantarillados e identificar las características que conllevan a la inundación por las calles,

debido a que en estos días se observaron limitaciones del sistema de drenaje para evacuar la

escorrentía.

161

Conclusión

Este estudio tuvo como propósito caracterizar experimentalmente el flujo mixto en el tramo

inicial de un alcantarillado pluvial para el caso de entrada en carga desde el extremo aguas

arriba debido al incremento instantáneo de caudal en la entrada que resulta de un evento de

precipitación que excede el diseño y, valorar los criterios de diseño prescritos para este tipo

de conductos en la normativa colombiana.

En la literatura técnica consultada se encontró que el flujo mixto ha sido investigado

experimentalmente para entender el fenómeno y establecer las principales causas y mitigar

los efectos asociados a este, como géiser, inundaciones, levantamiento de tapas y daños

estructurales del sistema. También se han desarrollado varias simulaciones numéricas para

predecir el comportamiento y se han empleado modelos experimentales para validarlos; las

principales limitaciones encontradas han sido la simulación de la interfaz entre los dos

regímenes del flujo y el atrapamiento de aire que se produce durante la transición.

Actualmente la normativa colombiana para el diseño de alcantarillado pluvial es la

Resolución 0330 de 2017. En esta se establece en primer lugar la caracterización de la

precipitación para determinar el caudal de diseño dependiendo de la afectación que pueda

causar el sistema de drenaje. Posteriormente expone las limitaciones del diseño hidráulico

de los conductos de tal manera que se asegure flujo en lámina libre para el caudal requerido.

El montaje experimental elaborado es una simulación del tramo inicial de un alcantarillado

pluvial, el cual fue diseñado de acuerdo con los limitantes de la Resolución 0330 de 2017

para la evacuación de un caudal que resulta de la escorrentía de un lote hipotético ubicado

en la ciudad de Manizales. En la experimentación, a través de una válvula de control ubicada

aguas arriba del conducto, se suministró una secuencia de caudales, entre los cuales se


encontró el caudal de diseño teórico. La evaluación del comportamiento del flujo, y de la

influencia de los parámetros de diseño del conducto evidenciaron debilidades en los criterios

actuales de diseño, debido a que en la experimentación, el conducto presentó condiciones

de flujo mixto para un caudal menor al caudal de diseño.

Los resultados obtenidos indican que:

▪ El flujo a través de un alcantarillado puede tener dos condiciones, parcial y totalmente

lleno. En el primer caso, se presenta flujo en lámina libre y la capacidad del conducto se

ve afectada por las condiciones aguas arriba, la elevación de la superficie del agua y la

geometría de entrada. En el segundo caso, se presenta flujo en presión y la capacidad del

conducto se ve afectada por las condiciones que este tenga aguas arriba y aguas abajo, y

también por las características hidráulicas del conducto, como pendiente, rugosidad,

diámetro y longitud. El propósito del diseño de un conducto de alcantarillado es que

cuando se presente un caudal menor o igual al de diseño, el flujo se encuentre en la

primera condición, y, se espera que en ningún caso el flujo se encuentre en la segunda

condición. Sin embargo, las condiciones del flujo pueden cambiar dependiendo del

caudal y de la elevación del agua en la salida, en este caso ocurre una transición entre

flujo en lámina libre a flujo en presión, o viceversa.

▪ En el diseño de un conducto de alcantarillado pluvial, en primer lugar debe tenerse en

cuenta el diámetro del conducto y el material, a partir de los cuales se determina la

capacidad de transporte y velocidad máxima. La pendiente es también una variable

fundamental, el valor mínimo y máximo de esta variable está asociado con los límites

mínimo y máximo de la velocidad. En la revisión de la literatura de este estudio se

encontró que para la condición de transición de flujo y atrapamiento de aire, la pendiente

favorece la expulsión de aire de la tubería hacia aguas abajo, y en consecuencia se pueden

disminuir o evitar las sobrepresiones.

▪ Dentro de un conducto de alcantarillado pluvial puede presentarse la transición del flujo

en lámina libre a flujo en presión cuando el caudal de entrada es superior al caudal de

diseño del conducto. En este caso, en el mismo conducto existe un tramo con flujo en

presión, y otro adelante, en lámina libre. Las características asociadas a esta transición

son: cambios bruscos en las condiciones del flujo, fuertes oscilaciones de presión, gran

cantidad de aire mezclado con agua e, inestabilidad en la superficie libre, que conlleva al

atrapamiento de aire entre la lámina de agua y la corona de la tubería.

163

▪ Sobre los criterios específicos para el diseño del tramo inicial de un alcantarillado pluvial

establecidos por el Reglamento Técnico para el sector de Agua Potable y Saneamiento

Básico a través de la resolución 0330 de 2017, se recomienda reducir el límite máximo

de la relación de llenado, en el sentido que para el actual valor de 0.93, se pueden

presentar fácilmente condiciones de fujo en presión y la norma no incorpora

recomendaciones para evitar la sobrepresión, asumiendo que si el caudal alcanza una

relación de llenado de 0.93 el conducto funcionará adecuadamente bajo condiciones de

lámina libre. Se sugiere establecer un valor de 0.8 o menor, que permita disminuir las

situaciones en que los conductos puedan entrar en presión, debido a que como se pudo

evidenciar en la experimentación, a diferencia del flujo no permanente rápidamente

variado en canales abiertos, en este caso, cuando se formó un resalto aguas arriba que

ocupó toda la sección, este no se movió, sino que se mantuvo como un tapón y obstruyó

la evacuación del flujo en lámina libre, hasta que se recuperaron las condiciones de flujo

supercrítico en todo el conducto, es decir, cuando el caudal disminuyó alrededor del 60%

del caudal máximo que puede transportar el conducto. Asimismo, la relación de llenado

de 0.8 puede evitar que la entrada en presión suceda por inestabilidad en la superficie

libre, evidenciada a través del oleaje en la superficie cuando la relación de llenado es

superior a 0.80.

Otra recomendación es establecer 3% como la pendiente mínima del tramo inicial de un

alcantarillado pluvial para garantizar un flujo supercrítico, en consecuencia, mitigar la

ocurrencia de flujo mixto y la colmatación del conducto.

Próximos estudios en este campo podrían evaluar las consecuencias o condiciones en que

se puede desarrollar el atrapamiento de aire en los conductos cuando aguas abajo no se

permita una adecuada ventilación. También sería interesante realizar más pruebas

experimentales en las cuales se pueda establecer un rango variable para la pendiente del

conducto, por ejemplo entre 1 y 4%, de tal manera que se pueda observar las condiciones

del flujo para una pendiente menor a la mínima establecida en la normativa colombiana y

observar las ventajas de tener una pendiente de 3% mínimo, por ejemplo, como lo sugieren

las especificaciones técnicas de Aguas de Manizales S.A. E.S.P. para la ejecución de sus

obras. Asimismo, sería de interés analizar a través de modelación numérica el fenómeno de

flujo mixto, tomando las condiciones de frontera y el caudal de entrada del banco

experimental que se utilizó en esta investigación.


Anexos

Tabla 18: Coeficientes para la ecuación de intensidades de la curva IDF

Estación APTO La Nubia (Manizales)

Fuente: (IDEAM, 2018)

TR (años) C1 X0 C2

2 2016.747 22.872 0.965

3 1910.595 20.463 0.935

5 1864.177 18.499 0.910

10 1862.799 16.702 0.888

25 1909.365 15.086 0.867

50 1963.732 14.188 0.855

100 2028.100 13.468 0.846

Tabla 19: Nivel en el tanque elevado (m) para un nivel inicial de 3.0 m

Tiempo

(segundos)

Pruebas experimentales

0.0.1.A 0.0.1.B Promedio

0 3.00 3.00 3.00

30 3.10 3.11 3.10

60 3.02 3.01 3.02

90 2.85 2.82 2.85

120 2.62 2.55 2.62

150 2.30 2.23 2.30

180 2.04 1.99 2.04

210 1.94 1.91 1.94

240 1.97 1.96 1.97

270 2.11 2.11 2.11

300 2.36 2.36 2.36

165

Tabla 20: Nivel en el tanque elevado (m) para un nivel inicial de 3.5 m

Tiempo

(segundos)

Pruebas experimentales

0.0.1.C 0.0.1.D 0.0.1.E 0.0.1.F 0.0.1.G 0.0.1.H Promedio

0 3.50 3.50 3.50 3.50 3.50 3.50 3.50

30 3.48 3.48 3.49 3.48 3.49 3.48 3.48

60 3.32 3.33 3.33 3.32 3.34 3.32 3.33

90 3.10 3.10 3.11 3.11 3.11 3.10 3.11

120 2.82 2.81 2.83 2.82 2.82 2.81 2.82

150 2.46 2.45 2.46 2.46 2.45 2.44 2.45

180 2.17 2.16 2.17 2.16 2.17 2.16 2.17

210 2.05 2.04 2.05 2.04 2.05 2.05 2.05

240 2.06 2.06 2.07 2.06 2.07 2.08 2.07

270 2.21 2.19 2.20 2.19 2.21 2.24 2.21

300 2.47 2.44 2.45 2.43 2.46 2.51 2.46

Tabla 21: Velocidad (m/s) en la salida, para un nivel inicial de 3.0 m

Tiempo

(segundos)

Pruebas experimentales Flujo

uniforme 0.0.2.A 0.0.2.B 0.0.2.C Promedio

0 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00

30 1.19 1.97 1.86 1.67 2.06

60 1.72 2.26 2.00 1.99 2.49

90 2.29 2.66 2.47 2.48 2.74

120 2.27 2.63 2.47 2.46 2.88

150 1.85 2.06 2.05 1.99 2.54

180 1.74 1.96 1.88 1.86 2.88

210 1.39 1.36 1.35 1.36 2.74

240 1.39 1.04 1.01 1.15 2.49

270 1.28 1.41 1.22 1.30 2.06

300 1.26 1.20 1.24 1.23


Tabla 22: Relación de llenado (m/m) en la ventana, para un nivel inicial de 3.0 m

Tiempo

(segundos)

Prueba experimental 0.0.3.A

y y/D y/D Teórico

0 0.00 0.00 0.00

10 0.03 0.12 0.09

20 0.03 0.12 0.19

30 0.05 0.19 0.28

40 0.08 0.31 0.35

50 0.10 0.38 0.42

60 0.11 0.42 0.48

70 0.13 0.50 0.53

80 0.15 0.58 0.58

90 0.17 0.65 0.63

100 0.17 0.65 0.67

110 0.18 0.69 0.72

120 0.19 0.73 0.76

121 0.20 0.77 0.77

122 0.22 0.85 0.78

123 0.24 0.92 0.79

124 0.26 1.00 0.80

130 0.26 1.00 0.84

140 0.26 1.00 0.92

150 0.26 1.00 1.00

160 0.26 1.00 0.92

170 0.26 1.00 0.84

180 0.26 1.00 0.76

190 0.26 1.00 0.72

200 0.26 1.00 0.67

210 0.26 1.00 0.63

220 0.26 1.00 0.58

230 0.26 1.00 0.53

240 0.26 1.00 0.48

242 0.25 0.96 0.47

243 0.23 0.88 0.46

244 0.14 0.54 0.46

245 0.04 0.15 0.45

250 0.03 0.12 0.42

260 0.03 0.12 0.35

270 0.02 0.08 0.28

280 0.02 0.08 0.19

290 0.01 0.04 0.09

300 0.00 0.00 0.00

167

Tabla 23: Relación de llenado (m/m) en la salida, para un nivel inicial de 3.0 m

Tiempo

(segundos)


y y/D y/D Teórico

0 0.00 0.00 0.00

10 0.07 0.27 0.09

20 0.07 0.27 0.19

30 0.07 0.27 0.28

40 0.11 0.42 0.35

50 0.12 0.44 0.42

60 0.12 0.46 0.48

70 0.13 0.50 0.53

80 0.14 0.52 0.58

90 0.14 0.54 0.63

100 0.14 0.54 0.67

110 0.16 0.60 0.72

120 0.16 0.62 0.76

121 0.17 0.65 0.77

122 0.17 0.65 0.78

123 0.18 0.69 0.79

124 0.18 0.69 0.80

128 0.18 0.69 0.83

129 0.19 0.73 0.83

130 0.20 0.77 0.84

131 0.21 0.81 0.85

132 0.22 0.85 0.86

135 0.23 0.88 0.88

136 0.24 0.92 0.89

140 0.24 0.90 0.92

150 0.24 0.92 1.00

160 0.21 0.81 0.92

170 0.21 0.81 0.84

180 0.20 0.75 0.76

190 0.19 0.73 0.72

200 0.18 0.69 0.67

210 0.18 0.69 0.63

220 0.16 0.62 0.58

230 0.15 0.56 0.53

240 0.14 0.54 0.48

242 0.13 0.50 0.47

243 0.13 0.50 0.46

244 0.12 0.46 0.46

245 0.11 0.42 0.45

250 0.07 0.27 0.42


Tiempo

(segundos)


y y/D y/D Teórico

260 0.06 0.23 0.35

270 0.03 0.12 0.28

280 0.02 0.08 0.19

290 0.01 0.04 0.09

300 0.00 0.00 0.00

Tabla 24: Relación de llenado (m/m) en la ventana, para un nivel inicial de 3.5 m

Tiempo

(segundos)

Pruebas experimentales y/D

Teórico 0.0.3.B 0.0.3.C Promedio

y y/D y y/D y y/D

0 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00

10 0.03 0.12 0.03 0.12 0.03 0.12 0.09

20 0.05 0.19 0.04 0.15 0.05 0.17 0.19

30 0.06 0.23 0.06 0.23 0.06 0.23 0.28

40 0.10 0.38 0.10 0.38 0.10 0.38 0.35

50 0.11 0.42 0.11 0.42 0.11 0.42 0.42

60 0.12 0.46 0.13 0.50 0.13 0.48 0.48

70 0.14 0.54 0.15 0.58 0.15 0.56 0.53

80 0.15 0.58 0.16 0.62 0.16 0.60 0.58

90 0.17 0.65 0.18 0.69 0.18 0.67 0.63

100 0.18 0.69 0.18 0.69 0.18 0.69 0.67

110 0.19 0.73 0.20 0.75 0.19 0.74 0.72

120 0.20 0.77 0.20 0.77 0.20 0.77 0.76

122 0.21 0.81 0.20 0.77 0.21 0.79 0.78

124 0.22 0.85 0.21 0.81 0.22 0.83 0.80

127 0.24 0.92 0.23 0.88 0.24 0.90 0.82

128 0.26 1.00 0.26 1.00 0.26 1.00 0.83

130 0.26 1.00 0.26 1.00 0.26 1.00 0.84

140 0.26 1.00 0.26 1.00 0.26 1.00 0.92

150 0.26 1.00 0.26 1.00 0.26 1.00 1.00

160 0.26 1.00 0.26 1.00 0.26 1.00 0.92

170 0.26 1.00 0.26 1.00 0.26 1.00 0.84

180 0.26 1.00 0.26 1.00 0.26 1.00 0.76

190 0.26 1.00 0.26 1.00 0.26 1.00 0.72

200 0.26 1.00 0.26 1.00 0.26 1.00 0.67

210 0.26 1.00 0.26 1.00 0.26 1.00 0.63

220 0.26 1.00 0.26 1.00 0.26 1.00 0.58

230 0.26 1.00 0.26 1.00 0.26 1.00 0.53

240 0.26 1.00 0.26 1.00 0.26 1.00 0.48

252 0.26 1.00 0.26 1.00 0.26 1.00 0.40

169

Tiempo

(segundos)



y y/D y y/D y y/D

253 0.21 0.81 0.21 0.81 0.21 0.81 0.40

254 0.13 0.50 0.08 0.31 0.11 0.40 0.39

255 0.07 0.27 0.06 0.23 0.07 0.25 0.38

260 0.06 0.23 0.05 0.19 0.06 0.21 0.35

270 0.05 0.19 0.04 0.15 0.05 0.17 0.28

280 0.01 0.04 0.00 0.00 0.01 0.02 0.19

290 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.09

300 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00

Tabla 25: Relación de llenado en la salida (m/m) para un nivel inicial de 3.5 m

Tiempo

(segundos)



y y/D y y/D y y/D

0 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00

10 0.06 0.23 0.07 0.27 0.07 0.25 0.09

20 0.07 0.25 0.08 0.31 0.07 0.28 0.19

30 0.08 0.29 0.09 0.33 0.08 0.31 0.28

40 0.11 0.42 0.11 0.42 0.11 0.42 0.35

50 0.13 0.48 0.13 0.50 0.13 0.49 0.42

60 0.13 0.50 0.13 0.50 0.13 0.50 0.48

70 0.14 0.54 0.14 0.54 0.14 0.54 0.53

80 0.16 0.62 0.15 0.58 0.16 0.60 0.58

90 0.16 0.62 0.16 0.62 0.16 0.62 0.63

100 0.17 0.65 0.17 0.65 0.17 0.65 0.67

110 0.19 0.73 0.19 0.73 0.19 0.73 0.72

120 0.19 0.73 0.19 0.73 0.19 0.73 0.76

122 0.19 0.73 0.19 0.73 0.19 0.73 0.78

124 0.19 0.73 0.19 0.73 0.19 0.73 0.80

126 0.19 0.73 0.20 0.75 0.19 0.74 0.81

128 0.19 0.73 0.20 0.75 0.19 0.74 0.83

130 0.18 0.69 0.18 0.69 0.18 0.69 0.84

132 0.19 0.73 0.17 0.65 0.18 0.69 0.86

133 0.20 0.75 0.19 0.73 0.19 0.74 0.87

134 0.22 0.85 0.20 0.77 0.21 0.81 0.87

135 0.23 0.88 0.22 0.85 0.23 0.87 0.88

136 0.24 0.90 0.23 0.88 0.23 0.89 0.89

137 0.24 0.92 0.24 0.92 0.240 0.92 0.90

138 0.23 0.88 0.25 0.96 0.240 0.92 0.91

140 0.23 0.88 0.24 0.92 0.235 0.90 0.92


Tiempo

(segundos)



y y/D y y/D y y/D

150 0.23 0.88 0.23 0.88 0.23 0.88 1.00

160 0.23 0.88 0.23 0.88 0.23 0.88 0.92

170 0.21 0.81 0.22 0.85 0.22 0.83 0.84

180 0.21 0.81 0.21 0.81 0.21 0.81 0.76

190 0.20 0.75 0.20 0.77 0.20 0.76 0.72

200 0.20 0.75 0.20 0.75 0.20 0.75 0.67

210 0.20 0.77 0.19 0.73 0.20 0.75 0.63

220 0.16 0.62 0.15 0.58 0.16 0.60 0.58

230 0.14 0.54 0.14 0.54 0.14 0.54 0.53

240 0.14 0.54 0.14 0.52 0.14 0.53 0.48

250 0.13 0.50 0.13 0.50 0.13 0.50 0.42

252 0.13 0.50 0.13 0.50 0.13 0.50 0.40

253 0.13 0.48 0.13 0.50 0.13 0.49 0.40

254 0.12 0.46 0.12 0.46 0.12 0.46 0.39

255 0.11 0.42 0.12 0.46 0.12 0.44 0.38

260 0.13 0.50 0.11 0.42 0.12 0.46 0.35

263 0.14 0.52 0.10 0.38 0.12 0.45 0.33

264 0.10 0.38 0.09 0.35 0.10 0.37 0.32

265 0.07 0.27 0.07 0.27 0.07 0.27 0.31

270 0.08 0.31 0.06 0.23 0.07 0.27 0.28

280 0.08 0.31 0.05 0.19 0.07 0.25 0.19

290 0.06 0.23 0.01 0.04 0.04 0.13 0.09

300 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00

171

Bibliografía

Aguas de Manizales S.A. E.S.P. (2016). Diseño de obras y especificaciones técnicas.

Aragón Hernández, J. L. (2013). Modelación numérica integrada de los procesos

hidráulicos en el drenaje urbano. Tesis doctoral.

Aragón Hernández, J. L., & Bladé, E. (2017). Modelación numérica de flujo mixto en

conductos cerrados con esquemas en volúmenes finitos. Tecnología y ciencias del

agua, 8(3), 127-142.

Aragón Hernández, J. L., Bladé i Castellet, E., & Gómez Valentín, M. (2011). Modelación

numérica de flujo mixto y bolsas de aire atrapado en colectores pluviales. En Jia 2011:

II Jornadas de ingenieria del agua. Modelos numéricos en dinámica fluvial. Barcelona

5 y 6 octubre 2011 (pp. 1-8).

Aragón Hernández, J. L., Concha Jopia, R. F., Bladé i Castellet, E., & Gómez Valentín, M.

(2009). Comparación de dos esquemas numéricos en la modelación de flujo mixto en

colectores pluviales. En I Jornadas de Ingeniería del Agua (pp. 1-9). International

Association for Hydro-Environment Engineering and Research.

Aureli, F., Dazzi, S., Maranzoni, A., & Mignosa, P. (2015). Validation of single- and two-

equation models for transient mixed flows: a laboratory test case. Journal of Hydraulic

Research, 53(4), 440-451.

Bodhaine, G. L. (1982). Measurement of peak discharge at culverts by indirect methods. US

Government Printing Office.

Bourdarias, C., Ersoy, M., & Gerbi, S. (2013). Air entrainment in transient flows in closed

water pipes: a two-layer approach. ESAIM: Mathematical Modelling and Numerical

Analysis, 47(2), 507-538.

Bourdarias, C., & Gerbi, S. (2007). A finite volume scheme for a model coupling free

surface and pressurised flows in pipes. Journal of Computational and Applied

Mathematics, 209(1), 109-131.

Bousso, S., Daynou, M., & Fuamba, M. (2013). Numerical modeling of mixed flows in

storm water systems: critical review of literature. Journal of Hydraulic Engineering,

139(4), 385-396.

Bousso, S., & Fuamba, M. (2014). Numerical and experimental analysis of the pressurized

wave front in a circular pipe. Journal of Hydraulic Engineering, 140(3), 300-312.

Briere, F. G. (2007). Drinking-water distribution, sewage, and rainfall collection. Presses

internationales Polytechnique.


Capart, H., Sillen, X., & Zech, Y. (1997). Numerical and experimental water transients in

sewer pipes. Journal of Hydraulic Research, 35(5), 659-672.

Cardie, J. A., Song, C. C., & Yuan, M. (1989). Measurements of mixed transient flows.

Journal of Hydraulic Engineering, 115(2), 169-182.

Cataño-Lopera, Y. A., Tokyay, T. E., Martin, J. E., Schmidt, A. R., Lanyon, R., Fitzpatrick,

K., … García, M. H. (2014). Modeling of a transient event in the tunnel and reservoir

plan system in Chicago, Illinois. Journal of Hydraulic Engineering, 140(9), 05014005.

Choi, S., Hong, S. H., & Lee, S. O. (2019). Practical Approach to Predict Geyser Occurrence

in Stormwater Drainage System. KSCE Journal of Civil Engineering, 23(3), 1108-

1117.

Chosie, C. D., Hatcher, T. M., & Vasconcelos, J. G. (2014). Experimental and numerical

investigation on the motion of discrete air pockets in pressurized water flows. Journal

of Hydraulic Engineering, 140(8), 1-12.

Chow, V. T. (1994). Hidráulica de canales abiertos. McGraw-Hill.

Ciraolo, G., & Ferreri, G. B. (2008). Sewer pressurization modelling by a rigid-column

method. En Proc. of 11th International Conference on Urban Drainage—11th ICUD,

Edinburgh, Scotland (UK), August 31st–September 5th, CD-ROM.

Cong, J., Chan, S. N., & Lee, J. H. (2017). Geyser formation by release of entrapped air

from horizontal pipe into vertical shaft. Journal of Hydraulic Engineering, 143(9), 1-

13.

Dolz Ripollès, J., & Gómez, M. (1994). Problemática del drenaje de aguas pluviales en

zonas urbanas y del estudio hidráulico de las redes de colectores. Ingeniería del agua,

1(1), 55-66.

Eldayih, Y., Cetin, M., & Vasconcelos, J. G. (2020). Air-Pocket Entrapment Caused by

Shear Flow Instabilities in Rapid-Filling Pipes. Journal of Hydraulic Engineering,

146(4), 04020016.

Ferreri, G. B., Ciraolo, G., & Lo Re, C. (2014a). Flow hydraulic characteristics determining

the occurrence of either smooth or abrupt sewer pressurization. Journal of Hydraulic

Research, 52(5), 676-683.

Ferreri, G. B., Ciraolo, G., & Lo Re, C. (2014b). Storm sewer pressurization transient - An

experimental investigation. Journal of Hydraulic Research, 52(5), 666-675.

Gómez, M., & Achiaga, V. (2001). Mixed flow modelling produced by pressure fronts from

upstream and downstream extremes. En Urban Drainage Modeling (pp. 461-470).

Reston, VA: American Society of Civil Engineers.

Guo, Q., & Song, C. C. (1990). Surging in Urban Storm Drainage Systems. Journal of

Hydraulic Engineering, 116(12), 1523-1537.

Guo, Q., & Song, C. C. (1991). Dropshaft hydrodynamics under transient conditions.


Hamam, M. A., & McCorquodale, J. A. (1982). Transient conditions in the transition from

gravity to surcharged sewer flow. Canadian Journal of Civil Engineering, 9(2), 189-

196.

Hatcher, T. M., & Vasconcelos, J. G. (2014). Experimental study on scale effects in surges

caused by sudden air pocket entrapments. En World Environmental and Water

Resources Congress 2014 (pp. 1282-1291). Reston, VA: American Society of Civil

Engineers.

Hatcher, T. M., & Vasconcelos, J. G. (2017). Peak pressure surges and pressure damping

173

following sudden air pocket compression. Journal of Hydraulic Engineering, 143(4),

04016094.

Hu, D., Li, S., Yao, S., & Jin, Z. (2019). A simple and unified linear solver for free-surface

and pressurized mixed flows in hydraulic systems. Water, 11(10), 1-15.

Huang, B., Wu, S., Zhu, D. Z., & Schulz, H. E. (2018). Experimental study of geysers

through a vent pipe connected to flowing sewers. Water Science and Technology,

2017(1), 66-76.

IDEAM. (2018). CURVAS IDF - Estación APTO La Nubia (Manizales). Recuperado 26 de

marzo de 2020, de http://www.ideam.gov.co/curvas-

idf?p_p_id=110_INSTANCE_WiU2xPoyv4KA&p_p_lifecycle=0&p_p_state=norma

l&p_p_mode=view&p_p_col_id=column-

1&p_p_col_pos=1&p_p_col_count=2&_110_INSTANCE_WiU2xPoyv4KA_redirect

=http%3A%2F%2Fwww.ideam.gov.co%2Fcurvas-idf%2F-%2Fdocum

INVIAS, I. N. D. V. (2009). Manual de Drenaje para Carreteras. Recuperado 26 de marzo

de 2020, de https://www.invias.gov.co/index.php/archivo-y-documentos/documentos-

tecnicos/especificaciones-tecnicas/984-manual-de-drenaje-para-carreteras/file

Kerby, W. S. (1959). Time of concentration for overland flow. Civil Engineering, 29, 60.

La Patria. (2016). Vías inundadas y recámaras tapadas, tras aguacero en Manizales.

Recuperado 12 de marzo de 2020, de https://www.lapatria.com/manizales/vias-

inundadas-y-recamaras-tapadas-tras-aguacero-en-manizales-222270.

La Patria. (2018). Fin de semana estuvo pasado por agua en Manizales. Recuperado 12 de

marzo de 2020, de https://www.lapatria.com/manizales/fin-de-semana-estuvo-pasado-

por-agua-en-manizales-411481.

Leon, A. S., Elayeb, I. S., & Tang, Y. (2019). An experimental study on violent geysers in

vertical pipes. Journal of Hydraulic Research, 57(3), 283-294.

Li, J., & McCorquodale, A. (1999). Modeling mixed flow in storm sewers. Journal of

Hydraulic Engineering, 125(11), 1170-1180.

Li, J., & McCorquodale, A. (2001). Modeling the transition from gravity to pressurized

flows in sewers. En Urban Drainage Modeling (pp. 134-145).

Liu, L., Shao, W., & Zhu, D. Z. (2020). Experimental Study on Stormwater Geyser in

Vertical Shaft above Junction Chamber. Journal of Hydraulic Engineering, 146(2),

04019055.

Loftin, M. K., Merritt, F. S., & Rickett, J. T. (2004). Standard Handbook for Civil Engineers.

McGraw-Hill.

Mays, L. W. (2001). Stormwater collection systems design handbook. McGraw-Hill

Professional.

McCorquodale, J., & Hamam, M. (1983). Modeling surcharged flow in sewers. En Int’l

Symposium on Urban Hydrology, Hydraulics and Sediment Control, University of

Kentucky, Lexington, Kentucky (pp. 331-338).

Mejía, F. F., Londoño, L. J., & Pachón, G. J. (2006). Red de estaciones meteorológicas para

prevención de desastres en Manizales - Caldas (Colombia). Taller internacional sobre

gestión del riesgo a nivel local el caso de Manizales, Colombia a la administración

pública y el rol de la universidad Manizales: una ciudad laboratorio.

Ministerio de Desarrollo Económico. (2000). Reglamento Técnico del Sector de Agua

Potable y Saneamiento Básico, RAS 2000.

Ministerio de Vivienda Ciudad y Territorio. (2017). Reolución 0330 de 2017. Recuperado


24 de marzo de 2020, de http://www.minvivienda.gov.co/ResolucionesAgua/0330 -

2017.pdf

Morales Nava, J. G., & Parra Meza, A. (2013). Mejoras al método usual de diseño hidráulico

de alcantarillas. Ingeniería hidráulica y ambiental, 34(1), 3-18.

Muller, K. Z., Wang, J., & Vasconcelos, J. G. (2017). Water displacement in shafts and

geysering created by uncontrolled air pocket releases. Journal of Hydraulic

Engineering, 143(10), 1-13.

Noto, L., & Tucciarelli, T. (2001). DORA Algorithm for network flow models with

improved stability and convergence properties. Journal of Hydraulic Engineering,

127(5), 380-391.

Pachón, A. (2011). Distribución de la lluvia en Manizales. Boletín Ambiental, 93.

Pachón Gómez, J. A., Mejía Fernández, F., & Zambrano Nájera, J. D. C. (2018). Sistema

Integrado de Monitoreo Ambiental de Caldas-SIMAC Red de estaciones

meteorológicas e hidrometeorológicas automáticas de Manizales Estaciones para la

gestión del riesgo ante desastres por deslizamientos PRIMERA PARTE. Boletín

Ambiental, 145.

Parra, J. A. P. (2002). Acueductos y alcantarillados. Universidad Nacional de Colombia.

Politano, M., Odgaard, A. J., & Klecan, W. (2007). Case Study: Numerical evaluation of

hydraulic transients in a combined sewer overflow tunnel system. Journal of Hydraulic

Engineering, 133(10), 1103-1110.

Ponce, V. M. (1991). New perspective on the Vedernikov Number. Water Resources

Research, 27(7), 1777-1779.

Qian, Y., Zhu, D. Z., Liu, L., Shao, W., Edwini-Bonsu, S., & Zhou, F. (2020). Numerical

and experimental study on mitigation of storm geysers in Edmonton, Alberta, Canada.


Rey Valencia, D. M. (2019). Propuesta de sistema de drenaje urbano sostenible para

cuencas de montaña con alta pendiente. Universidad Nacional de Colombia.

Recuperado de http://bdigital.unal.edu.co/73127/1/1053815688.2019.pdf

Robert Dickinson. (2017). General Culvert Information from Innovyze H2OCalc for All

Culvert Programs. Recuperado 24 de mayo de 2020, de

https://swmm5.org/2017/11/07/general-culvert-information-from-innovyze-h2ocalc-

for-all-culvert-programs/

Rocha, A. (2007). Hidráulica de tuberías y canales. Universidad Nacional de Ingeniería.

Facultad de Ingeniería Civil.

Schall, J. D. (2012). Hydraulic design of highway culverts, Third Edition (FHWA-HIF-12-

026). United States: Federal Highway Administration.

Song, C. C. S., Cardie, J. A., & Leung, K. S. (1983). Transient Mixed‐Flow Models for

Storm Sewers. Journal of Hydraulic Engineering, 109(11), 1487-1504.

Swan, & Horton. (1922). Hydraulic Diagrams for the Discharge of Conduits and Canals.

McGraw-Hill. Recuperado de

https://archive.org/details/hydraulicdiagram00swanrich/page/30/mode/2up

Szydłowski, M. (2014). Experimental verification of storm sewer transient flow simulation.

Archives of Hydroengineering and Environmental Mechanics, 61(3-4), 205-215.

Trajkovic, B., Ivetic, M., Calomino, F., & D’Ippolito, A. (1999). Investigation of transition

from free surface to pressurized flow in a circular pipe. Water Science and Technology,

39(9), 105-112.

175

Vasconcelos, J. G., Eldayih, Y., Zhao, Y., & Jamily, J. A. (2018). Evaluating storm water

management model accuracy in conditions of mixed flows. Journal of Water

Management Modeling.

Vasconcelos, J. G., Klaver, P. R., & Lautenbach, D. J. (2015). Flow regime transition

simulation incorporating entrapped air pocket effects. Urban Water Journal, 12(6),

488-501.

Vasconcelos, J. G., & Wright, S. J. (2003). Laboratory investigation of surges formed during

rapid filling of stormwater storage tunnels. En Proc., 30th IAHR Congress.

International Association for Hydraulic Research.

Vasconcelos, J. G., & Wright, S. J. (2004). Numerical Modeling of the Transition between

Free Surface and Pressurized Flow in Storm Sewers. Journal of Water Management

Modeling, 6062.

Vasconcelos, J. G., & Wright, S. J. (2005). Experimental Investigation of Surges in a

Stormwater Storage Tunnel. Journal of Hydraulic Engineering, 131(10), 853-861.

Vasconcelos, J. G., & Wright, S. J. (2006). Mechanisms for Air Pocket Entrapment in

Stormwater Storage Tunnels. En World Environmental and Water Resource Congress

2006 (pp. 1-10). Reston, VA: American Society of Civil Engineers.

Vasconcelos, J. G., & Wright, S. J. (2011). Geysering generated by large air pockets released

through water-filled ventilation shafts. Journal of Hydraulic Engineering, 137(5), 543-

555.

Vasconcelos, J. G., & Wright, S. J. (2017). Anticipating transient problems during the rapid

filling of deep stormwater storage tunnel systems. Journal of Hydraulic Engineering,

143(3), 1-8.

Vasconcelos, J. G., Wright, S. J., & Roe, P. L. (2006). Improved simulation of flow regime

transition in sewers: Two-component pressure approach. Journal of Hydraulic

Engineering, 132(6), 553-562.

Vélez, J. J., Duque, N. D., Mejía, F., & Orozco, M. (2012). Red de monitoreo climático para

dar apoyo a la prevención y atención de desastres en Manizales, Colombia. En

Convención Trópico (p. 12).

Wang, J., & Vasconcelos, J. G. (2018). Manhole cover displacement caused by the release

of entrapped air pockets. Journal of Water Management Modeling.

Wang, K. H., Shen, Q., & Zhang, B. (2003). Modeling propagation of pressure surges with

the formation of an air pocket in pipelines. Computers and Fluids, 32(9), 1179-1194.

Wang, X., Qian, S., & Chen, H. (2019). Experimental Study on Geysers Induced by the

Release of Trapped Air in Storage Tunnel Systems. Applied Sciences, 9(24), 5326.

Wright, S. J., Klaver, P., & Vasconcelos, J. G. (2016). Assessment of pressure transients due

to trapped air compression in rapidly filling combined sewer overflow tunnels. Journal

of Water Management Modeling, 1-8.

Wright, S. J. (2013). Influence of Air Pocket Volume on Manhole Surge. Journal of Water

Management Modeling.

Wright, S. J., Lewis, J. W., & Vasconcelos, J. G. (2007). Mechanisms for Stormwater Surges

in Vertical Shafts. Journal of Water Management Modeling.

Wright, S. J., Lewis, J. W., & Vasconcelos, J. G. (2011a). Geysering in Rapidly Filling

Storm-Water Tunnels. Journal of Hydraulic Engineering, 137(1), 112-115.

Wright, S. J., Lewis, J. W., & Vasconcelos, J. G. (2011b). Physical Processes Resulting in

Geysers in Rapidly Filling Storm-Water Tunnels. Journal of Irrigation and Drainage


Engineering, 137(3), 199-202.

Wright, S. J., Vasconcelos, J. G., Creech, C. T., & Lewis, J. W. (2008). Flow regime

transition mechanisms in rapidly filling stormwater storage tunnels. Environmental

Fluid Mechanics, 8(5-6), 605-616.

Wright, S. J., Vasconcelos, J. G., & Lewis, J. W. (2017). Air – water interactions in urban

drainage systems. Proceedings of the Institution of Civil Engineers-Engineering and

Computational Mechanics, 170(3), 91-106.

Yen, B. C., & Pansic, N. (1980). Surcharge of Sewer Systems. Research Report - University

of Illinois at Urbana-Champaign, Water Resources Center, (149).

Zhang, W., Cai, F., Zhou, J., & Hua, Y. (2017). Experimental Investigation on Air-Water

Interaction in a Hydropower Station Combining a Diversion Tunnel with a Tailrace

Tunnel. Water, 9(4), 274.

Zhou, F., Hicks, F. E., & Steffler, P. M. (2002a). Observations of Air–Water Interaction in

a Rapidly Filling Horizontal Pipe. Journal of Hydraulic Engineering, 128(6), 635-639.

Zhou, F., Hicks, F. E., & Steffler, P. M. (2002b). Transient Flow in a Rapidly Filling

Horizontal Pipe Containing Trapped Air. Journal of Hydraulic Engineering, 128(6),

625-634.

Zhou, F., Hicks, F. E., & Steffler, P. M. (2004). Analysis of effects of air pocket on hydraulic

failure of urban drainage infrastructure. Canadian Journal of Civil Engineering, 31(1),

86-94.

Zhou, L., & Liu, D. (2013). Experimental investigation of entrapped air pocket in a partially

full water pipe. Journal of Hydraulic Research, 51(4), 469-474.

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Caracterización experimental de condiciones de flujo mixto