Organiza :
DIPLOMADO DE ESPECIALIZACIÓN
DISEÑO DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE AGUA POTABLE CLASE I
SISTEMAS DE CAPTACIÓN Y CONDICIÓN DE AGUA Auspicia :
Resolución № 097-2017-CU/UDL
Oicina Puno: 920 363034
-
Oicina Central: 950 964430
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INDICE
➢
Sistema de de Captación y Conducción de de Agua ▪ Contenido 1. Conceptos Generales y Normatividad - Mecánica de Fluidos de Tuberías y Canales - Métodos Racionales de Cálculo - Normativa Técnica 2. Diseño y Modelamiento Hidráulico - Proyección y Planteamiento - Criterios Hidráulicos - Criterios Estructurales - Etapas del Modelamiento - Tipos de Modelamiento 3. Captación de aguas Superficiales 4. Captación de Aguas Subterráneas
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01
01 01
Capítulo I - Conceptos Generales y Normatividad - Hidráulica de Tuberías y Canales Mecánica de Fluidos Métodos Racionales de Cálculo Normativa Técnicas
02 02 02 03 05 09
▪
Capítulo I I - Diseño y Modelamiento de sistemas de Conducción de Agua - Proyección y Planteamiento - Levantamiento Topográfico - Estudio de Suelos - Población de Diseño - Análisis de la Demanda - Criterios Hidráulicos - Criterios de Ejecución
10 10 11 12 13 14 15 16 16
▪
Capítulo II - Modelamiento Hidráulico en Redes de Agua Potable
17 17
▪
▪ ▪ ▪
➢
Modelamiento Modelamiento de Sistemas de Conducción de Agua I - Etapas de un Modelamiento Hidráulico 1. 2. 3. 4.
Determinar el Tipo de Modelamiento Planimetría Construcción Topográfica Información de los Componentes - Datos Físicos - Datos Operacionales
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18 18 18 18 18 18
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INDICE
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Sistema de de Captación y Conducción de de Agua ▪ Contenido 1. Conceptos Generales y Normatividad - Mecánica de Fluidos de Tuberías y Canales - Métodos Racionales de Cálculo - Normativa Técnica 2. Diseño y Modelamiento Hidráulico - Proyección y Planteamiento - Criterios Hidráulicos - Criterios Estructurales - Etapas del Modelamiento - Tipos de Modelamiento 3. Captación de aguas Superficiales 4. Captación de Aguas Subterráneas
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Capítulo I - Conceptos Generales y Normatividad - Hidráulica de Tuberías y Canales Mecánica de Fluidos Métodos Racionales de Cálculo Normativa Técnicas
02 02 02 03 05 09
▪
Capítulo I I - Diseño y Modelamiento de sistemas de Conducción de Agua - Proyección y Planteamiento - Levantamiento Topográfico - Estudio de Suelos - Población de Diseño - Análisis de la Demanda - Criterios Hidráulicos - Criterios de Ejecución
10 10 11 12 13 14 15 16 16
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Capítulo II - Modelamiento Hidráulico en Redes de Agua Potable
17 17
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▪ ▪ ▪
➢
Modelamiento Modelamiento de Sistemas de Conducción de Agua I - Etapas de un Modelamiento Hidráulico 1. 2. 3. 4.
Determinar el Tipo de Modelamiento Planimetría Construcción Topográfica Información de los Componentes - Datos Físicos - Datos Operacionales
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▪
▪
- Datos de Condición Co ndición Frontera - Datos de Carga 5. Algoritmo de Cálculo Hidráulico 6. Calibración 7. Análisis de Resultados Etapas de Modelamiento 1- Planimetría 2- Topología 2.2. Simbología de Modelamiento Hidráulico 2.3. Componentes del Sistema de Distribución de Agua 3- Información de los Componentes
18 18 18 18 19 19 20 20 21
Capítulo III - Diseño y Tipo de Captaciones de Aguas Superficiales Superficiales y Subterráneas - Captaciones de aguas Superficiales - Diseño de Barrajes Fijo - Captación Tipo Caisson - Captación de aguas Subterráneas - Captación Manantial de Ladera - Captación de Pozos Tubulares - Diseño de Galería Filtrantes
26 26 26 27 28 30 30 31 33
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SESION N°01:
SISTEMAS DE CAPTACIÓN Y CONDUCIÓN DE AGUA ING. SANTIAGO GUEVARA DOLORES
CONTENIDO I. CONCEPTOS GENERALES Y NORMATVIDAD • MECANICA DE FLUIDOS DE TUBERIAS Y CANALES • METODOS RACIONALES DE CALCULO • NORMATIVA TECNICA
II. DISEÑO Y MODELAMIENTO HIDRAULICO • • • • •
PROYECCION Y PLANTEMIENTO CRITERIOS HIDRAULICOS CRITERIOS ESTRUCTURALES ETAPAS DEL MODELAMIENTO TIPOS DE MODELAMIENTO
III. CAPTACION DE AGUAS SUPERFICIALES IV. CAPTACION DE AGUAS SUBTERRANEAS
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CAPITULO I
Conceptos Generales y Normatividad Ing. Santiago Guevara Dolores
HIDRAULICA DE TUBERIAS Y CANALES
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I. MECANICA DE FLUIDOS ▪
El flujo del liquido en la tubería de Agua puede ser con superficie libre o bajo de carga. Ecuación de la Energía en la Tubería.
Para el movimiento uniforme de flujo permanente
I. MECANICA DE FLUIDOS Para cada punto de la corriente tiene su propia velocidad. Esto significa que existe una distribución de velocidades en la sección transversal.
El movimiento Uniforme se presenta mayormente en conductos sometidos a la presión atmosférica
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I. MECANICA DE FLUIDOS La energía específica es, la suma del tirante y la energía de velocidad. Como está referida al fondo va a cambiar cada vez que éste ascienda o descienda. La ecuación de la energía específica a gasto constante puede ser graficada colocando en el eje de abscisas los valores de la energía específica y en el eje de ordenadas los del tirante
..…… (i)
..…… (ii)
I. MECANICA DE FLUIDOS Evaluación y Análisis en la Curva Critica en Tuberías con conducción a gravedad
F
V (m/s)
ENERGIA
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I. MECANICA DE FLUIDOS
ESQUEMA DE DEFINICION DE UN FLUJO VARIADO
II. METODOS RACIONALES DE CALCULO METODO DE MANNING V = (1/n)*R 2/3*S 1/2 Donde: V = Velocidad del Flujo (m/s) N = Coeficiente de Manning R = Radio Hidraulico (m) S = Pendiente (m/m)
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II. METODOS RACIONALES DE CALCULO METODO DE MANNING COEFICIENTE DE RUGOSIDAD DE MA NNING DE MATERIALES
Material
n
Material
n
HDPE y PVC
0,006-0,010
Hierro Fundido
0,012-0,015
Poliéster reforzado con fibra de vidrio
0,009
Hormigón
0,012-0,017
Acero
0,010-0,011
Hierro galvanizado
0,015-0,017
II. METODOS RACIONALES DE CALCULO METODO DE HAZEN Y WILLIAMS h = 10,674 * [Q1,852 /(C 1,852* D4,871 )] * L En donde: h: pérdida de carga o de energía (m) Q: caudal (m 3 /s) C: coeficiente de rugosidad (adimensional) D: diámetro interno de la tubería (m) L: longitud de la tubería (m)
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II. METODOS RACIONALES DE CALCULO METODO DE DARCY WEISBACH h = f *(L / D) * (v 2 / 2g) f = f (Re, εr ); Re = D * v * ρ / μ; εr = ε / D En donde: h: pérdida de carga o de energía (m) f: coeficiente de fricción (adimensional) L: longitud de la tubería (m) D: diámetro interno de la tubería (m) v: velocidad media (m/s) g: aceleración de la gravedad (m/s 2 ) ρ: densidad del agua (kg/m3) μ: viscosidad del agua ε: rugosidad absoluta de la tubería (m)
II. METODOS RACIONALES DE CALCULO METODO DE DARCY WEISBACH RUGOSIDAD ABSOLUTA DE MATERIALES
Material
ε ( mm)
Material
Plástico (PE, PVC)
0,0015
Fundición asfaltada
0,06-0,18
Poliéster reforzado con fibra de vidrio
0,01
Fundición
0,12-0,60
Tubos estirados de acero
0,0024
Acero comercial y soldado
0,03-0,09
Tubos de latón o cobre
0,0015
Hierro forjado
0,03-0,09
Fundición revestida de cemento
0,0024
Hierro galvanizado
0,06-0,24
Fundición con revestimiento bituminoso
0,0024
Madera
0,18-0,90
Fundición centrifugada
0,003
Hormigón
0,3-3,0
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ε ( mm)
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II. METODOS RACIONALES DE CALCULO
II. METODOS RACIONALES DE CALCULO METODO DE DARCY WEISBACH VISCOCIDAD CINEMATICA
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V. NORMATIVA TECNICA 1. REGLAMENTO NACIONAL DE EDIFICACIONES – OS 010 2. REGLAMENTO DE ELABORACIÓN DE PROYECTOS DE AGUA POTABLE y ALCANTARILLADO PARA HABILITACIONES URBANAS DE LIMA METROPOLITANA y CALLAO 3. GIA DE FORMULACION DE PROYECTOS DE SANEAMIENTO RURAL-MEF
V. NORMATIVA TECNICA 1. 2. 3. 4. 5. 6.
VELOCIDADES PRESIONES CAUDALES RUGOSIDAD DE LA TUBERIA ACCESORIOS CONSIDERACIONES ESPECIALES
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CAPITULO II
Diseño y Modelamiento de Sistemas de Conducción de Agua Ing. Santiago Guevara Dolores
DISEÑO DE SISTEMAS DE CONDUCCIÓN DE AGUA
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PROYECCION Y PLANTEMIENTO ESTUDIO DE TOPOGRAFIA ESTUDIO DE SUELOS ESTUDIO HIDROLOGICO CERTIFICADO DE INEXISTENCIA DE RESTOS ARQUEOLOGICOS - SANEMIENTO FISICO LEGAL - ESTUDIO DE LA DEMANDA DE AGUA
-
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1. LEVANTAMIENTO TOPOGRAFICO
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1. LEVANTAMIENTO TOPOGRAFICO
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2. ESTUDIO DE SUELOS
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2. ESTUDIO DE SUELOS
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3. POBLACION DE DISEÑO CRECIMIENTO POBLACIONAL FUTURO MÉTODOS MATEMÁTICOS 100,000 90,000 80,000 70,000 ) . B A H ( N Ó I C A L B O P
60,000 50,000 40,000 30,000 20,000 10,000 0 2,007
2,009
2,011
2,013
2,015
2,017
2,019
2,021
TIEMPO (AÑOS)
É
É
Ó
2,023
2,025
2,027
2,029
2,031
2,033
2,035
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3. POBLACION DE DISEÑO CRECIMIENTO POBLACIONAL FUTURO MÉTODOS MATEMÁTICOS 100,000 90,000 80,000 70,000 ) . B A H ( N Ó I C A L B O P
60,000 50,000 40,000 30,000 20,000 10,000 0 2,007
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2,023
2,025
2,027
2,029
2,031
2,033
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TIEMPO (AÑOS)
ARITMÉTICO
GEOMÉTRICO
PARABÓLICO
INC. VARIABLES
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3. POBLACION DE DISEÑO Qmh
F
(Población) (Consumo) 86400
Donde: QmhCD
=
Caudal máximo horario
F
=
Factor de mayoración Factor Pico Coeficiente de variación caudal (horaria (K 2 ), diaria (K 1 ), mínima (K 3 ))
Población
=
Población de diseño ó futura [hab] ó inicial
Consumo
=
Consumo de agua [l/hab/día]
INE 28348
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3. POBLACION DE DISEÑO Qmh
F
(Población) (Consumo) 86400
Donde: QmhCD
=
Caudal máximo horario
F
=
Factor de mayoración Factor Pico Coeficiente de variación caudal (horaria (K 2 ), diaria (K 1 ), mínima (K 3 ))
Población
=
Población de diseño ó futura [hab] ó inicial
Consumo
=
Consumo de agua [l/hab/día]
4. ANALISIS DE LA DEMANDA TIPOS DE USUARIOS 1. 2. 3.
4. 5. 6.
DOMESTICO COMERCIAL INDUSTRIAL
ESTATAL SOCIAL MULTIFAMILIAR
Balance Oferta y Demanda -Reservorio 100 90 80 ) a í d / 3 m l ( a d n a m e D
70 60 50 40 30 20 10 0 0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
Años Oferta (m3/día)
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Demanda (m3/día)
16
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5. CRITERIOS HIDRAULICOS
CRITERIOS A CONSIDERAR Coeficiente de rugosidad Flujo pico en las redes Criterio de velocidad Criterio de Presión Línea de Gradiente Hidráulico Perdida de Carga • • • • •
•
6. CRITERIOS DE EJECUCION ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪
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Planos de Diseño Definitivo Topografía Tipo de Suelo CIRA Saneamiento Físico Legal Material e Instalación Vías de Acceso Flete Terrestre Estudio Hidrológico Interferencias y Análisis
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CAPITULO II
Modelamiento Hidráulico en Redes de Agua Potable Ing. Santiago Guevara Dolores
MODELAMIENTO DE SISTEMAS DE CONDUCCIÓN DE AGUA
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I. ETAPAS DE UN MODELAMIENTO HIDRAULICO 1. 2. 3. 4.
DETERMINAR EL TIPO DE MODELAMIENTO PLANIMETRIA CONSTRUCCION TOPOLOGICA INFORMACION DE LOS COMPONENTES ▪ ▪ ▪ ▪
DATOS FISICOS DATOS OPERACIONALES DATOS DE CONDICIONES FRONTERA DATOS DE CARGA
4. ALGORITMO DE CALCULO HIDRAULICO 6. CALIBRACION 5. ANALISIS DE RESULTADOS
ETAPAS DEL MODELAMIENTO 1. DETERMINAR EL TIPO DE MODELAMIENTO
2. PLANIMETRIA
3. DESARROLLO DE LA TOPOLOGIA
4. INFORMACION: DATOS FISICOS, DEMANDA, INICIALES Y OPERACIONALES
5. ALGORITMO DE CALCULO HIDRAULICO
6. CALIBRACION DEL MODELO
7. ANALISIS DE RESULTADOS E IMPORTACION
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1. PLANIMETRIA MAPAS, CARTOGRAFIA DEL SISTEMA, PLANOS CATASTRO
ARCHIVOS: AUTOCAD, GIS E IMAGENES SATELITALES
2. TOPOLOGIA 2.1. COMPONENTES DEL SISTEMA DE DISTRIBUCION DE AGUA Tuberías a Gravedad
Tuberías a Presión
Tubería Principal Líneas de Conducción
Canales
Tubería Secundaria
Tubería Terciaria o Relleno
Válvulas
Reductoras de Presión (PRV)
Sostenedora de Presión (PSV)
Control de Flujo (FCV)
Válvulas de cierre (TCV)
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Bombas Centrifugas Condición: - Velocidad Constante - Velocidad Variable
Reservorios: - Tipo Apoyado -Tipo Elevado
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2.2. SIMBOLOGIA DE MODELAMIENTO HIDRAULICO
RESERVORIO
BOMBAS
NODOS TANQUE TUBERIAS DE GRAVEDAD Y A PRESION
VALVULAS
VALVULA DE AIRE OPCIONES GRAFICAS
2.3. COMPONENTES DEL SISTEMA DE DISTRIBUCION DE AGUA ✓IMPORTACION
DE ARCHIVOS CAD y GIS ✓PROCESOS AUTOMATICOS ✓IDENTIFICADORES DE NODOS Y CONEX. ✓VERIFICAR EN CAMPO ✓REVISAR LA CONECTIVIDAD ENTRE ELEMENTOS ✓INVOLUCRAR INDICADORES DE OPERACION DEL SISTEMA
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3. INFORMACION DE LOS COMPONENTES 3.1. DATOS FISICOS - RESERVORIOS (TANK) -
NIVEL MAXIMO NIVEL INICIAL NIVEL MINIMO ELEVACION DE LA BASE ELEVACION DE TERRENO DIAMETRO
3. INFORMACION DE LOS COMPONENTES 3.2. DATOS FISICOS - EMBALSES, NIVELES DINAMICOS (RESERVORIO)
- ELEVACION DE LA SUPERFICIE
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3. INFORMACION DE LOS COMPONENTES 3.3. DATOS FISICOS – REDES DE DISTRIBUCION (PIPE) – NODOS (JUNCTION) - DIAMETRO
- MATERIAL - RUGOSIDAD - LONGITUD - PERDIDAS DE CARGA LOCAL
3. INFORMACION DE LOS COMPONENTES 3.4. DATOS FISICOS – REDES DE DISTRIBUCION (PIPE)
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3. INFORMACION DE LOS COMPONENTES 3.5. DATOS FISICOS – NODOS (JUNCTION)
3. INFORMACION DE LOS COMPONENTES 3.6. DATOS FISICOS – BOMBA (PUMP) −
−
− −
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CURVA CARACTERISTICA ELEVACION DE LA BOMBA TIPO DE BOMBA CONTROLES OPERACIONALES
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3. INFORMACION DE LOS COMPONENTES 3.7. DATOS FISICOS – BOMBA (PUMP)
CURVA CARACTERISTICAS BOMBA
CURVA DEL MODELAMIENTO
FABRICANTE
3. INFORMACION DE LOS COMPONENTES 3.8. DATOS FISICOS
– VALVULA REDUCTORA DE PRESION (VRP) - DIAMETRO -PRESION DE SALIDA - HGL INICIAL - ELEVACION - PERDIDA DE CARGA LOCAL
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3. INFORMACION DE LOS COMPONENTES 3.9. DATOS FISICOS
– VALVULA SOSTENEDORA DE PRESION (PSV) - DIAMETRO -PRESION DE SALIDA - HGL INICIAL - ELEVACION - PERDIDA DE CARGA LOCAL
3. INFORMACION DE LOS COMPONENTES 3.10. DATOS FISICOS
– VALVULA CONTROL DE FLUJO(PSV) - ELEVACION - ESTADO DE LA VALVULA - TIPO DE VALVULA - PERDIDA DE CARGA LOCAL - DIAMETRO
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CAPITULO III
Diseño y Tipo de Captaciones de Aguas Superficiales y Subterraneas Ing. Santiago Guevara Dolores
CAPTACIONES DE AGUAS SUPERFICIALES
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DISEÑO DE BARRAJES FIJOS
DISEÑO DE BARRAJES FIJOS 1. COTAS Y ALTURAS DEL BARRAJE FIJO: a. Calculo de la elevacion del barraje (Elev. B)
donde:
Elev. B = CFC + Yn + hv + 0.20 =Cota de fondo de la razante del canal CFC de captacion =CFR + altura de sedimentos. =Cota del fondo de CFR razante 1.00 Altura de sedimentos =Tirante Normal del canal (m) Yn = =Carga de velocidad de Canal hv = =Perdidas por transicion, cambio de 0.20 direccion, etc.
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2. LONGITUD DEL BARRAJE FIJO Y DEL BARRAJE MOVIL
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DISEÑO DE BARRAJES FIJOS
a. Predimensionamiento: a.1 Por relacion de areas
El area hidraulica del canal desarenador tiene una relacione de 1/10 del area obstruida por el aliviadero, teniendose
1 = A2 /10
A1
A2
Ld
A2
=
70- Ld
Area del barraje ijo A2 = P * (70Ld)
A1 = P * Ld
CAPTACION TIPO CAISSON
Caisson de Pampachica- Loreto- Rio Nanay
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A1 = Area del barraje movil
P
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CAPTACION TIPO CAISSON CONSIDERACIONES - El diámetro interior tendrá entre 1,20 y 2,00 m dependiendo de la profundidad y niveles de la fuente. - El volumen útil debe garantizar que en condiciones críticas, la canastilla de succión o impulsores de la bomba tenga por lo menos un tirante de agua mínimo equivalente a 6 veces el diámetro de los impulsores o canastilla de succión. - La distancia media a la fuente de recarga en suelos semi gruesos, no debe ser mayor a 15 m. - La profundidad del caisson debe garantizar un tirante mínimo que permita su aprovechamiento en estaciones críticas.
MATERIAL FILTRANTE - En captaciones de aguas subterráneas, el fondo del caisson se debe proteger con material permeable dispuesto en capas. - La granulometría de las capas de grava seleccionada, podrá tener la siguiente configuración:
CAPTACION TIPO CAISSON CASETA DE BOMBEO -
La casetase debe ubicar sobre el caisson. Las dimensiones de la caseta estará en función deltipo de equipamiento y los espacios mínimos requeridos para su operación y mantenimiento. Se deben elevar 1,00 m por encima del nivel máximode crecida de la fuente para reducir su vulnerabilidad.
EQUIPAMIENTO -
La captación estará equipada con un sistema de bombeo, que permita elevar el agua a niveles adecuados para su utilización. La selección del equipo de bombeo será de acuerdo con los requerimientos de caudal de bombeo, la altura dinámica total y el NPSH requerido del sistema. La tubería de succión contará con unaválvula de pie y unacanastilla o filtro de succión.
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CAPTACIONES DE AGUAS SUBTERRANEAS
CAPTACION MANANTIAL DE LADERA
CRITERIOS
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DISEÑO DE LA CAPTACION MANANTIAL DE LADERA
CAPTACION POR POZOS TUBULARES DISEÑONORMATIVA
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CAPTACION POR POZOS TUBULARES
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DISEÑO DE GALERIAS FILTRANTES
CRITERIOS
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DISEÑO DE GALERIAS FILTRANTES
CRITERIOS
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DISEÑO DE GALERIAS FILTRANTES El caudal de diseño es el caudal máximo diario: ( Q md )
Qmd = Qmd =
0.537 1.9332
lps m3/hora
Transmisibilidad ( T ) : Dato obtenido de campo a través de perforaciones de pozos y extracciones por bombeo durante 24 horas
T= T=
6.490 0.075
m3/día/m l/seg/m
Pendiente del acuífero ( S ) : Puede ser similar a la del terreno
S=
5.00
por mil
Longitud de la galería filtrante ( L ) :
L= L=
Q md / T 7.15
Diámetro de la tubería de recolección ( D ) :
Q md = 0.000426 x C x D 263 x S 0.54
De acuerdo al Reglamento el diámetro mínimo que se debe considerar es 12", entonces: Velocidad ( V ) : Considerando que la tubería trabaja a medio tubo
D=
m m
12 ''
C=
140
tubo de PVC
D=
1.66
pulgadas
D=
12
pulgadas
Q md =
0.537
lps
n=
0.010
tubo de PVC
D=
12
Rh=
D/4
Rh=
0.076
pulgadas
m