ESCUELA DE INGENIERÍA CIVIL
INTRODUCCIÓN Una vez determinados los planes de cultivo, los requerimientos en agua, el área total regable, la repartición del Brea total entre los usuarios, el caudal de diseño, y la distribución de los sectores de riego y de los hidrantes, se puede proceder al diseño de las obras de conducción conducción y de repartición de agua desde la fuente hasta los hidrantes. El concepto básico del planteamiento hidráulico de los pequeños sistemas de riego desarrollado en este curso, consiste en: Una repartición del flujo de agua desde la captación o de la fuente, a través de una red de conducción y distribución, en forma proporcional hasta los sectores, en caudales continuos que alimentan pequeños reservorios 1 cámaras de carga y de abastecimiento de agua. La línea de conducción es la parte del sistema que transporta el agua desde el sitio de la captación ya sea por medio de bombeo y/o rebombeo, ó a gravedad, hasta un tanque de regulación, Planta potabilizadora ó un crucero predeterminado de la red. También se considera como parte de la línea de conducción al conjunto de conductos, estructuras de operación y especiales y cruceros.
ÍNDICE 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.
Contenido Obras de arte en las líneas de conducción Clasificación de las conducciones Información básica Trazado Componentes de las líneas de conducción Dimensionamiento Consideraciones de diseño BIBLIOGRAFÍA
LÍNEAS DE CONDUCCIÓN 1. Concepto: Se entiende por línea de conducción al tramo de tubería que transporta agua desde la captación hasta la planta potabilizadora, o bien hasta el tanque de regularización, dependiendo de la configuración del agua potable. Una línea de ING. ARBULÚ RAMOS
HIDRÁULICA II
conducción debe seguir, en lo posible, el perfil del terreno y debe ubicarse de manera que pueda inspeccionarse fácilmente. Esta puede diseñarse para trabajar por gravedad o bombeo.
A. Por Gravedad: Es necesario que la fuente de suministro, sea un lago o un embalse, este situado en algún punto elevado respecto a la cuidad, de manera que pueda mantenerse una presión suficiente en las tuberías principales. Para una línea de conducción por gravedad deben tenerse en cuenta los siguientes criterios:
Carga disponible o diferencia de de altura entre la captación y el tanque de distribución Capacidad para transportar el caudal día máximo (Qc) Clase de tubería capaz de soportar las presiones hidrostáticas Considerar obras necesarias en el trayecto de la línea de conducción Considerar diámetros mínimos para la economía del proyecto.
Se aplicará la fórmula de Hazen – Williams, la cual es:
Hf = Pérdida de carga (m). V = Velocidad de la tubería L = Longitud de la tubería + 5% por la topografía del terreno. Qc = Caudal de día máximo, o caudal de conducción (L/seg). Di = Diámetro interno de tubería (Pulg). C = Calidad de la tubería. Para PVC se usará C = 140 y para HG se usará C = 100.
Página 1
ESCUELA DE INGENIERÍA CIVIL
B. Por Bombeo: Cuando las condiciones de terreno o el gasto necesario del suministro de agua no permiten el diseño de la línea de conducción por gravedad, se utiliza el bombeo, teniendo dos variantes . 2. Obras de arte en las líneas de conducción: A. B. C. D. E. F.
Captación o bocatoma Sedimentador Obras de repartición Cámara de rompe-presión Cajas de válvulas de purga Reservorios/cámara de carga
3. Clasificación de las conducciones: A. Tipo de entrega: Las conducciones deberán entregar el agua a un tanque de regulación, como se indica en la figura I.2.1, y así facilitar el procedimiento de diseño hidráulico de los sistemas de agua potable, tener un mejor control en la operación de los mismos, y asegurar un funcionamiento adecuado del equipo de bombeo.
B. Conducción por bombeo: La conducción por bombeo es necesaria cuando se requiere adicionar energía para obtener la carga dinámica asociada con el gasto de diseño. Este tipo de conducción se usa generalmente cuando la elevación del agua en la fuente de abastecimiento es menor a la altura piezométrica requerida en el punto de entrega. El equipo de bombeo proporciona la energía necesaria para lograr el transporte del agua.
ING. ARBULÚ RAMOS
HIDRÁULICA II
C. Conducción por gravedad: Una conducción por gravedad se presenta cuando la elevación del agua en la fuente de abastecimiento es mayor a la altura piezométrica requerida o existente en el punto de entrega del agua, el transporte del fluido se logra por la diferencia de energías disponible. D. Conducción por bombeo-gravedad: Si la topografía del terreno obliga al trazo de la conducción a cruzar por partes más altas que la elevación de la superficie del agua en el tanque de regulación, conviene analizar la colocación de un tanque intermedio en ese lugar. La instalación de este tanque ocasiona que se forme una conducción por bombeogravedad, donde la primera parte es por bombeo y la segunda por gravedad. E. Red de distribución: En ciudades donde es necesario buscar fuentes alternas para el abastecimiento del agua, en este caso resultan a menudo conducciones más económicas al interconectar estas, formando una red de conducción. Las derivaciones de una conducción hacia dos o más tanques de regulación, ocasiona también la formación de redes de conducción. F. Líneas paralelas: Las líneas de conducción paralelas se forman cuando es necesario colocar dos o más tuberías sobre un mismo trazo. Esta instalación se recomienda previo análisis económico para evitar la colocación de diámetros mayores de 1.22 m, para efectuar la construcción por etapas según sean las necesidades de la demanda de agua, la disponibilidad de los recursos y facilitar la operación a diferentes gastos. 4. Información básica: A. Información de la población. B. Investigación de la fuente: Caudal y temporalidad C. Plano topográfico de la ruta seleccionada.
Página 2
ESCUELA DE INGENIERÍA CIVIL
D. Estudio de suelos y si es el caso estudio geológico para determinar la estabilidad del terreno. E. Calidad fisicoquímico de la fuente. 5. Trazado
Evitar pendientes mayores del 30% para evitar velocidades excesivas. En lo posible buscar el menor recorrido siempre y cuando esto no conlleve a excavaciones excesivas u otros aspectos. Evitar cruzar por terrenos privados o comprometidos para evitar problemas durante la construcción y en la operación y mantenimiento del sistema. Mantener las distancias permisibles de vertederos sanitarios, márgenes de ríos, terrenos aluviales, nivel freático alto, cementerios y otros servicios. Utilizar zonas que sigan o mantengan distancias cortas a vías existentes o que por su topografía permita la creación de caminos para la ejecución, operación y mantenimiento. Evitar zonas vulnerables a efectos producidos por fenómenos naturales y antrópicos. Tener en cuenta la ubicación de las canteras para los préstamos y zonas para la disposición del material sobrante, producto de la excavación. Establecer los puntos donde se ubicarán instalaciones, válvulas y accesorios, u otros; accesorios especiales que necesiten cuidados, vigilancia y operación.
6. Componentes de una línea de conducción
HIDRÁULICA II
densidad y cobre. Se puede observar que dentro del listado de las diferentes tuberías que se utilizan actualmente para líneas de conducción no se describieron las características y especificaciones de todas, esto es, porque el terreno y las características de la localidad obligan a utilizar tuberías muy resistentes. Los criterios para seleccionar el material adecuado son: Factores hidráulicos ( gastos, presiones y velocidades de diseño) Costo Diámetros disponibles Calidad del agua y tipo de suelo B. Piezas especiales Juntas Carretes Tes Extremidades Codos Reducciones
C. Válvulas: V. eliminadora de aire V. de admisión y expulsión de aire V. de no retorno V. de seccionamiento 7. Dimensionamiento: A. La Línea gradiente hidráulica (L.G.H): La línea gradiente hidráulica estará siempre por encima del terreno. En los puntos críticos se podrá cambiar el diámetro para mejorar la pendiente. B. Pérdida de carga unitaria (hf): Para el propósito de diseño se consideran: Ecuaciones de Hazen y Williams para diámetros mayores a 2 pulgadas o hay fórmulas diámetros menores a 2 pulgadas como la de Fair Whipple.
A. Tuberías: Comúnmente se utilizan para la construcción de líneas de conducción son: acero, fierro galvanizado, fierro fundido, asbesto-cemento, PVC, polietileno de alta ING. ARBULÚ RAMOS
Página 3
ESCUELA DE INGENIERÍA CIVIL
HIDRÁULICA II
La pérdida de carga total deseada Hf, es la suma de pérdidas de carga en los dos tramos de tubería.
C. Presión: En la línea de conducción, la presión representa la cantidad de energía gravitacional contenida en el agua. Se determina mediante la ecuación de Bernoulli.
Donde: = Cota de cota respecto a un nivel de referencia arbitraria. ⁄ = Altura de carga de presión “P es la presión y el peso específico del fluido”. (m)
= Velocidad media del punto considerado (m/s). = Es la pérdida de carga que se produce de 1 a 2. Si y como el punto 1 está a presión atmosférica, o sea P 1 = 0. Entonces:
D. Combinación de tuberías: Es posible diseñar la línea de conducción mediante la combinación de tuberías, tiene la ventaja de optimizar las pérdidas de carga, conseguir presiones dentro de los rangos admisibles y disminuir los costos del proyecto. Se define lo siguiente: Hf = Pérdida de carga total (m). L = Longitud total de tubería (m). X = Longitud de tubería de diámetro menor (m). L-X = Longitud de tubería de diámetro mayor (m). hf1 = Pérdida de carga unitaria de la tubería de mayor diámetro. hf2 = Perdida de carga unitaria de la tubería de menor diámetro. ING. ARBULÚ RAMOS
E. Ecuación de Manning
Pérdida por fricción (hf)
8. Consideraciones de diseño: A. Gastos de diseño: El gasto con el que se diseñan los tubos de una conducción, se obtiene en función de los gastos que deben entregar a los tanques y de los gastos que pueden proporcionar las fuentes de abastecimiento. Su capacidad de calculará con el gasto máximo diario (QMD). El caudal de una línea de impulsión será el correspondiente al consumo del máximo diario para el periodo de diseño. Tomando en cuenta que no resulta aconsejable ni práctico mantener períodos de bombeo de 24 horas diarias, habrá que incrementar el caudal de acuerdo a la relación de horas de bombeo, satisfaciendo así las necesidades de la población para el día completo.
N = bombeo QMD =
Número de horas de Caudal máximo diario
B. Presiones de diseño: Las líneas de conducción son ductos que siguen la topografía del terreno y trabajan a presión. Al diseñar una línea de conducción por gravedad, uno debe de tener en cuenta el cálculo de la línea piezométrica (línea de energía) y la línea de gradiente hidráulico (presión más elevación). Pues se debe cuidad que la línea de gradiente hidráulico se encuentre siempre por encima del eje de Página 4
ESCUELA DE INGENIERÍA CIVIL
la tubería, evitando así presiones negativas en la línea.
C. Diámetros: El diámetro se diseñará para velocidades mínima de 0,6 m/s y máxima de 3,0 m/s. El diámetro mínimo de la línea de conducción es de 3/4” para el caso de
sistemas rurales.
Selección de diámetro para línea de conducción de bombeo
HIDRÁULICA II
Hd = Altura de descarga, o sea, la altura del nivel superior con relación al eje de la bomba. Hg = Altura geométrica, esto es la diferencia de nivel; (altura estática total) Hs + Hd = Hg Hf total = Pérdida de carga (totales). Ps = Presión de llegada al reservorio (se recomienda 2 m) Ht = Altura dinámica total en el sistema de bombeo, que corresponde a:
BIBLIOGRAFÍA: http://www.bvsde.paho.org/tecapro/documentos/agua/e 105-04Disenoimpuls.pdf http://books.google.com.pe/books?id=1IJzjJPgqowC&pr intsec=frontcover&hl=es&source=gbs_ge_summary_r& cad=0#v=onepage&q&f=false http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/lic/de schamps_g_e/capitulo3.pdf http://www.bvsde.opsoms.org/bvsacg/guialcalde/2sas/2-3sas.htm
Altura Dinámica total (Ht): El conjunto elevador (motor-bomba) deberá vencer la diferencia de nivel entre el pozo o galería filtrante del reservorio, más las pérdidas de carga en todo el trayecto (pérdida por fricción a lo largo de la tubería, pérdidas locales debidas a las piezas y accesorios) y adicionarle la presión de llegada. Hs = Altura de aspiración o succión, esto es, altura del eje de la bomba sobre el nivel inferior.
http://books.google.com.pe/books?id=qSusnM4fsUC&printsec=frontcover&dq=abastecimiento+d e+agua&hl=es&ei=Xw58TpWGGorn0QHM1bzvDw&sa =X&oi=book_result&ct=bookthumbnail&resnum=1&ved=0CDYQ6wEwAA#v=onepag e&q&f=false http://biblioteca.usac.edu.gt/tesis/08/08_7781.pdf
EJERCICIO 1
ING. ARBULÚ RAMOS
Página 5
ESCUELA DE INGENIERÍA CIVIL
HIDRÁULICA II
Con relación a la figura 1, es necesario un caudal en el punto de descarga (B) de 400l/s (Qmax_d = 400l/s) a una presión de 3.5kg/cm2 (35 metros de columna de agua). Efectúese el cálculo hidráulico utilizando la ecuación de Manning, de la línea de aducción que tiene una longitud de 205 m asumiendo que las pérdidas locales son un 15% de las de fricción. Nota: La línea de conducción no termina en B, pero ahí se presentará una derivación y por esta razón se requiere la carga indicada en ese punto.
EJERCICIO 2
Sin hacer consideraciones económicas, efectúese el cálculo hidráulico de la línea de conducción A a B que se muestra en la Figura 3, utilizando la ecuación de Manning para una tubería de asbesto cemento. El caudal máximo diario es de 300 l/s (Qmax_d) y el bombeo es continuo durante 16 hrs.
ING. ARBULÚ RAMOS
Página 6
ESCUELA DE INGENIERÍA CIVIL
HIDRÁULICA II
EJERCICIO 3
Se solicita diseñar una línea de conducción de 221.87 m. de longitud, con el fin de abastecer a un pueblo de la ciudad de Trujillo. Para esto se tiene una captación de agua de cota 103.84 y el reservorio ubicado en el pueblo tiene una cota de 90.01 m. La calidad de tubería de PVC será de 140.
ING. ARBULÚ RAMOS
Página 7
