galerias filtrantes memoria
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Diseño preliminar hidráulico de la captación de aguas para el
proyecto de Pre factibilidad "Mejoramiento e Instalacion del
Sistema de Agua Potable y Alcantarillado C.P. Los Angeles distrito
de Moquegua Provincia de Mariscal Nieto
1 Introducción.
Los cálculos de los diámetros de las líneas de conducción, red de
conducción de agua cruda, se realizan tomando en consideración
el área de influencia, de acuerdo a las áreas tributarias y a las
unidades abastecidas de la zona de amplitud del proyecto.
Los cálculos correspondieres a la tubería de conducción de agua
cruda hacia la planta de tratamiento para el presente proyecto, se
realizan tomando en consideración la ubicación de la captación, el
tipo de infraestructura a detallar además de las longitudes de
captación.
2 Bases Generales de Cálculos.
El cálculo del sistema de agua cruda (Diámetros de líneas de
conducción, Diámetros de Línea, cumple con las prescripciones de
las siguientes normas:
Reglamento Nacional de Edificaciones.
Normas INDECOPI
3 Ubicación del proyecto
Se considera la ubicación en la coordenada 301673.23 ,
8102445.70, ubicado en El rio Tumilaca sector Olleria Alta,
considerada en la Region Moquegua Provincia Mariscal Nieto
En la imagen se muestra la ubicación del proyecto
4 Ingenieria del Proyecto
la Ob ra d e c a p t a c i ó n
De acuerdo con lo especificado en los términos de referencia, la
obra de captación debe consistir en una Galería Filtrante, lo cual
al llevar a cabo la visita al sitio propuesto para la obra de
captación (Margen Derecha del Rio tumilaca sector Olleria Alta) se
corroboro este dato, ya que se presentan las condiciones
idóneas para llevar a cabo la proyección de una captación de
este tipo, por lo cual se llevaron a cabo los estudios de
campo pertinentes con objeto de conseguir las bases para
llevar a cabo el diseño más adecuado.
El sitio de captación, se localiza sobre la margen derecha del río
Tumilaca , a la altura de El Sector denominado “Olleria Alta”, en donde
se aprecia la existencia de una explanada de aproximadamente 600
metros de longitud y un ancho promedio de 45 metros para ser
aprovechado para la ubicación de la galería filtrante.
Como preámbulo, se comenta que una Galería Filtrante es una obra
sencilla emplazada en las orillas de los escurrimientos naturales (ríos)
constituidas por capas de arenas y gravas por donde circula el agua
subálvea alimentada por aguas superficiales, dichas galerías captan el
agua filtrada de manera natural funcionando como pozos horizontales,
es decir recolectan el agua subálvea o sub-superficial a todo lo largo
de su desarrollo, resultando ventajosas cuando se presentan las
condiciones para su construcción, constituyendo en la mayoría de los
casos, una importante alternativa de suministro de agua tanto en
cantidad como en calidad.
Entonces se entiende como Agua Subálvea, a la que se infiltra a poca
profundidad. Este tipo de obras está formada por una tubería ranurada
tipo canastilla, que se instala en el fondo de una zanja de sección
trapezoidal, con la pendiente adecuada, en donde para evitar que a
través de las ranuras entre arena o tierra del relleno de la zanja y
para lograr filtrar el agua al mismo tiempo, se coloca sobre el tubo,
como material de relleno, grava clasificada generalmente en capas o
espesores que varían según la profundidad del la zanja. La longitud
del dren o galería depende de la cantidad de agua requerida y de las
características del acuífero
La posición de la galería con respecto al río puede ser transversal o
paralela a la corriente y dentro o fuera del cauce; lo que está en
función de la distribución y la circulación del agua freática y/o
subálvea, la cual se determinará mediante la observación de
pozos de exploración emplazados en el área de estudio.
El agua captada por medio de una galería filtrante se conduce a una
estructura de almacenamiento generalmente un cárcamo de bombeo,
de donde se inicia la línea de conducción. Para obtener el gasto que se
puede captar de las aguas subálveas, es preciso definir las
condiciones geológicas y geohidrològicas, principalmente y como
resultado de los respectivos estudios el coeficiente de permeabilidad
“k” el cual determinara mediante la aplicación de fórmulas la longitud
y el diámetro de la tubería ranurada así como el número y
dimensiones de las ranuras y la profundidad de desplante, a fin de
obtener el gasto de diseño.
Orientación
Como ya se comentó, las galerías filtrantes deben orientarse de
acuerdo a la dirección predominante del flujo subterráneo natural
dentro del manto permeable. Por lo cual se tienen dos tipos de
orientaciones, la primera paralela al escurrimiento superficial y la
segunda en dirección perpendicular.
En el caso de que la corriente en el río alimente a un estrato de alta
permeabilidad, el eje de la galería se construirá paralela al eje del río;
así también se construirá la galería paralela al eje del río si el manto
permeable es de gran extensión y alimenta a la corriente, es decir, si
se presenta el flujo del acuífero hacia la corriente superficial.
Cuando se presenta un escurrimiento rápido en estratos de baja
permeabilidad, la galería se instalará perpendicular al eje del
escurrimiento.
Para nuestro caso, y por recomendación del estudio Geohidrológico, la
galería se ubicara paralela al rio, toda vez que el subsuelo profundo
presenta un valor alto de permeabilidad lo que se aprecia a simple
vista en la humedad natural de la zona, así también la geofísica indica
que se presentan las condiciones para aprovechar el paquete
de arcillas y gravas sensiblemente superficial, para la ubicación de
la obra; por lo anterior se procede al diseño de la captación.
Diseño Hidráulico
Toda vez que el gasto proporcionado por una galería filtrante es
directamente proporcional a la transmisividad del acuífero y al
abatimiento provocado, e inversamente proporcional a la distancia
entre el rio y la galería, resulta conveniente ubicarla lo más cercana
al rio para obtener la máxima eficiencia, es decir, obtener el gasto
necesario con la mínima longitud.
De las secciones elaboradas la más recomendables para el
emplazamiento de la galería son las que se ubican del km 0+000.00
del levantamiento aguas arriba al 0+020.00 de aguas bajo, en donde
los espesores de material permeable son los más favorables para la
construcción de la Galería filtrante.
Para el diseño de la Galería se determino lo siguiente:
*Longitud Requerida.
*Diámetro de la Tubería.
La longitud necesaria depende principalmente de la transmisividad del
acuífero determinado por el coeficiente de permeabilidad del suelo,
así como diámetro de la tubería de conducción y la ubicación de esta
con respecto al rio (distancia al rio y profundidad de desplante).
1.-Longitud
Requerida:
Formula:
q=
(H2−Hd2)×Kf2D
Donde:
gasto unitario por metro tubería ranurada (m³/dia-
q = m
H = Profundidad del acuífero (m) = 4.00
Hd = Espesor dinámico del Acuífero a la Galería (m) =
0.000
Kf = Conductividad Hidráulica (m/día) =
120.00
D = Distancia entre la Galería y el punto de recarga (m)
variable
Gasto de diseño
Q = (lt/seg) = 20.00
Para este caso, de acuerdo con los resultados de la
Geofísica Eléctrica se observa que el horizonte A
consistente en gravas empacadas en material arenoso, es
de espesor delgado, por lo que es factible aprovechar
parte del horizonte B, que subyace a esta unidad y que
aparece en algunos sondeos, su correlación es con arenas
con saturación de agua dulce. El horizonte A, el que
corresponde al playón de gravas, presenta un espesor
ligeramente uniforme con un mínimo de 1.8 metros
medido en los sondeos y máximo de 3.9 m.
El horizonte B, podría representar una alternativa
adicional de aportación, por lo que finalmente el horizonte
por explotar se estima en un espesor promedio
(desechando los espesores en los sondeos 506 y 507, ya
que difieren de manera importante del resto de los
sondeos) de 3.85 metros considerando el espesor
mínimo en el sondeo 502 (3.4 m) y el espesor máximo
en el sondeo 504 (4.3 m); por lo que para fines prácticos
consideraremos una altura de 4.0 metros por debajo del
terreno natural para la ubicación del tubo ranurado de la
galería filtrante.
Entonces, teóricamente se considerara que el estrato
impermeable se ubica a una profundidad de 4.0 m por
debajo del terreno natural con un espesor indefinido, por
lo que al ubicar el tubo a dicha profundidad la galería
por diseñar compromete todo el espesor permeable del
acuífero y la recarga o reposición del agua es
suministrada por el curso o cuerpo de agua superficial, en
este caso el Rio Tumilaca, por lo cual Hd=0; Igualmente el
espesor del Estrato permeable es de 4.0 m, determinado
por la geofísica.
Con las consideraciones ya comentadas se realizara el
caculo de la Longitud necesaria para la galería filtrante,
para lo cual se variaran los valores de la Distancia entre
la Galería y el punto de recarga (D) dentro de un rango
razonable de magnitud, para determinar el gasto unitario
por metro tubería ranurada (q) y finalmente se
determinara la Longitud (L) con la formula: L=Q/q, donde
Penetracion Promedio en el
Acuifero
Distancia al rio Espesor dinamico del acuifero a la
Galeria
Gasto Unitario Aportado
Longitud de tuberia
Requerida
Ho (m) L (m) Hd (m) q(lt/seg-m) (m)
4.00 3.00 0.00 3.70 10.84
4.00 4.00 0.00 2.78 14.15
4.00 5.00 0.00 2.22 18.07
4.00 6.00 0.00 1.85 21.68
4.00 7.00 0.00 1.59 25.30
H<<m>> = 4.00 4.00 4.00 4.00 4.00 4.00Hd<<m>> = 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00Kf<<m/dia>> = 120.00 120.00 120.00 120.00 120.00 120.00D<<m>> = 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00
<<m3/dia-m>> = 320.00 240.00 192.00 160.00 137.14 120.00q <<l/s-m>> = 3.70 2.78 2.22 1.85 1.59 1.39Q <<l/s-m>> = 40.16 40.16 40.16 40.16 40.16 40.16
Long Requerida = 10.84 14.46 18.07 21.68 25.31 28.91
Q es el Gasto de Diseño por extraer (Gasto de captacion
en 16 horas), de este parámetro de resultados se
seleccionara la longitud más adecuada.
EN RESUMEN:
Q = 40.16 lt/seg (Gasto requerido)
K = 120.00 m/día (Coeficiente de permeabilidad)
Se aprecia que la longitud mínima para captar el Gasto de
Diseño Q (bomb) de 40.16 l.p.s. ubicándola a 8 metros de
distancia del rio, no debe de ser menor de 28.91 metros, por lo
que se adoptara
convenientemente una longitud de 30 metros con lo que se
estima la suficiencia adecuada en la Galería para captar el
gasto requerido y consecuentemente se favorece el
procedimiento constructivo.
2.- Diámetro de la Tubería
En este apartado se determinara el diámetro adecuado para
captar y conducir el gasto de diseño, conforme a su diámetro y
área de infiltración, por lo que se procederá a determinar el
diámetro teórico de acuerdo con la Formula de Dupuit,
posterior a ello (con la especificación de TUBERIA LAGUNA,
S.A. DE C.V. fabricante de tuberías), se selecciona, de
acuerdo al diámetro de conducción requerido, el tipo de
ranura y la capacidad de infiltración para realizar el cálculo
estableciendo como velocidad de infiltración un valor de Vi =
0.03 m/seg, para evitar en lo posible el arrastre de partículas
finas. El objeto de esta revisión consistirá en verificar que con
la longitud requerida de la tubería propuesta determinada con
base en el área de infiltración, sea menor que la determinada
para la Galería filtrante calculada en el Apartado 1.
De acuerdo con la Formula de Dupuit, se tiene que:
Ø= 1.5 √ Q
Donde:
Ø = Diámetro Teórico <pulgadas> Q = Gasto de Diseño <l.p.s.> =
Ø = 9.50 pulg.
Por lo que se utilizara el diámetro inmediato superior
comercial el cual corresponde a 10 pulgadas
DATOS PROPUESTOS
Diámetro de tubería <m> 0.2731 ( 10 pulg)
Abertura de la ranura tipo canastilla (ranura tipo III) <mm> 1.00
Area de infiltración por metro lineal (Ai) <cm²/m> 451 (0.045 m2/m)
DATOS DE DISEÑO
Gasto de diseño Q = 20.16 lt/seg
Velocidad de infiltración Vi = 0.03 m/seg
El gasto que puede pasar por las ranuras de un metro lineal de tubería será:
Formula: q = Ai x Vi
q =0.0201 x 0.003= 0.0000603 m3/seg - m
= 0.0603 lt/seg - m
Entonces la longitud necesaria por Área de Infiltración de la
tubería propuesta para recaudar el gasto requerido es de: L =
Q /q
L =20.1 / 0.0603= 333.33 m
CONCLUYENDO: El Resultado directo de la longitud determinada
para que la galería capte el caudal necesario de acuerdo con los
parámetros de diseño estipulados en el apartado 1, es de 333.33
m., a su vez conforme a las especificaciones de la tubería
propuesta de 10 pulg. (0.2731 m.) la longitud necesaria es de
330.00 metros, por lo que el gasto de diseño a captar por la
galería no es capaz de infiltrarse en la longitud calcula de la
misma, lo que se aprecia en la diferencia de longitud.
Por lo cual realizando el ajuste en el apartado 1, a una longitud de
galería de 330.00 metros se lograría la longitud que por área
de infiltración se requiere, sin embargo se estimó
conveniente proponer un diámetro mayor, a fin de obtener un
resultado directo cuyo valor de longitud sea menor 330.00 metros
determinado en el apartado 1.
Fabricante de la tubería TUBERIA RANURADA MARCA TULSA
Diámetro de tubería <m> 0.3239 ( 12 pulg)
Abertura de la ranura tipo canastilla (ranura tipo III) <mm> 1.00
Area de infiltración por metro lineal (Ai) <cm²/m>
m2/m)
507 (0.051
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DATOS PROPUESTOS
DATOS DE DISEÑO
Gasto de diseño Q = 20.0 lt/seg
Velocidad de infiltración
Vi = 0.003 m/seg
El gasto que puede pasar por las ranuras de un metro lineal de tubería será:
Formula: q = Ai x Vi
q =0.0507 x 0.003=0.0001521 m3/seg - m
=0.1521 lt/seg - m
Entonces la longitud necesaria por Área de Infiltración de
la tubería propuesta para recaudar el gasto requerido es
de:
L = Q /q
L =20.00 / 0.1521= 131.50 m
La longitud para la galería calculada en el apartado 1, es de
330.00 m., mayor que la longitud determinada de 131.50
metros, de este modo se concluye que el gasto de diseño
captado por la galería tiene la capacidad necesaria para ser
conducido por la tubería propuesta de 12 pulg. (0.3239 m.)
con una abertura de ranura de 1 mm y un área de infiltración
de 0.0507 m2/m
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No obstante lo anterior se hace hincapié en que la longitud
de la Galería se ajuste a 350 metros de longitud, sin
embargo por la recomendación en el estudio hidrológico
indicando incrementar la longitud requerida en un 30 % por
que la permeabilidad no es constante, la
longitud de diseño necesaria seria de 39 metros, no obstante
para fines prácticos la longitud será de 40 metros.
De acuerdo con la fórmula de Manning, el cálculo de la
velocidad para conducciones de sección circular que
trabajaran como canal, esta determinada por la siguiente
fórmula:
V= R2/3 S1/2
n
Por otro lado, la ecuación de la continuidad indica que el
gasto a conducir dentro de una tubería se determinara
mediante el empleo de la siguiente formula:
Q = A x V
DONDE
Q = gasto en m3/seg
A = Area del conducto en m
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V = velocidad en m/seg
De lo anterior se deduce la fórmula que a continuación se
presenta, la cual nos determina el gasto capaz de conducirse
dentro de una tubería cuyo funcionamiento será como canal,
por estar en contacto a presiones externas para que fluya,
pero que de la misma manera trabajara a tubo lleno, por lo
tanto tenemos que:
Q=A∗R2/3 S1/2
n
Entonces si la galería filtrante supone una pendiente ( S)
hacia el cárcamo de bombeo de
0.002 entonces el diámetro propuesto de 0.3239 m. (12
pulgs.) es capaz de conducir un gasto de 49.23 l.p.s de
acuerdo con el cálculo siguiente:
DATOS:
Gasto de diseño Qd = 20. lps
Diámetro de la tubería d = 0.3239 m
Área hidráulica de la tubería (a tubo lleno) A = 0.0824 m2
Perímetro mojado de la tubería (a tubo lleno) P = 1.0185 m Radio hidráulico de la tubería R= A / P R = 0.0809 m Pendiente de la tubería S = 0.002
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Coeficiente de rugosidad (Manning) n = 0.014
El caudal que puede conducir la tubería de la galería
filtrante, a tubo lleno, bajo las condiciones anteriores es:
Q = 0.0824m2x (((0.0809m ^(2/3)) x (0.002 ^(1/2) ) )/ 0.014 )" Q = 0.0492357 m3/seg
Q = 49.23 lt/seg
Por lo tanto se aprecia que el gasto capaz de conducir la
tubería propuesta es de 49.23 l.p.s. superior al gasto de
proyecto de 40.16 l.ps. por lo cual se concluye que el
diámetro de la tubería propuesta es apta para captar y
conducir el gasto de diseño.
De los resultados de los cálculos hidráulicos mencionados se
concluyó lo siguiente:
Gasto de diseño 40.16 l.p.s.
Distancia del Eje de laGalería al Rio
8.00 metros
Longitud de la Galería
40.0 metros
Profundidad de la zanja
4.00 metros
Tipo de Tubería Tubo Ranurado de Acero de 305 mm (12”) de diámetro, 6.35 (1/4”) de espesor y 1 mm de Ranura
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Filtro y Relleno Material producto de excavación lavado y cribado.