Comisión Nacional del Agua
MANUAL DE AGUA POTABLE,
ALCANTARILLADO Y SANEAMIENTO
ALCANTARILLADO SANITARIO
Diciembre de 2007
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Diseño de Sistemas de Alcantarillado a Presión: Cálculo de Sifón Invertido, Apuntes de Ingeniería Civil
Información sobre el alcantarillado sanitario
Tipo: Apuntes
2019/2020
1 / 141
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Comisión Nacional del Agua
MANUAL DE AGUA POTABLE,
ALCANTARILLADO Y SANEAMIENTO
ALCANTARILLADO SANITARIO
Diciembre de 2007
www.cna.gob.mx
ADVERTENCIA
Se autoriza la reproducción sin alteraciones del material contenido en esta obra, sin fines de lucro y citando la fuente.
Esta publicación forma parte de los productos generados por la Subdirección General de Agua Potable, Drenaje y Saneamiento, cuyo cuidado editorial estuvo a cargo de la Gerencia de Cuencas Transfronterizas de la Comisión Nacional del Agua.
Manual de Agua Potable, Alcantarillado y Saneamiento.
Edición 2007 ISBN: 978-968-817-880-
Autor: Comisión Nacional del Agua Insurgentes Sur No. 2416 Col. Copilco El Bajo C.P. 04340, Coyoacán, México, D.F. Tel. (55) 5174- www.cna.gob.mx
Editor: Secretaría de Medio Ambiente y Recursos Naturales Boulevard Adolfo Ruiz Cortines No. 4209 Col. Jardines de la Montaña, C.P 14210, Tlalpan, México, D.F.
Impreso en México Distribución gratuita. Prohibida su venta.
i
- INTRODUCCIÓN ........................................................................................................ CONTENIDO
- 1 CARACTERÍSTICAS ...............................................................................................
- 1.1 SISTEMA DE ALCANTARILLADO........................................................................
- 1.1.1 Red de atarjeas ..................................................................................................
- 1.1.2 Colectores e interceptores..................................................................................
- 1.1.3 Emisores ............................................................................................................
- 1.1.4 Modelos de configuración para colectores, interceptores y emisores
- 1.2 COMPONENTES DE UN SISTEMA DE ALCANTARILLADO.............................
- 1.2.1 Tuberías ...........................................................................................................
- 1.2.2 Obras accesorias .............................................................................................
- 1.2.3 Estaciones de bombeo .....................................................................................
- 2 DISEÑO HIDRÁULICO ..........................................................................................
- 2.1 GENERALIDADES ..............................................................................................
- 2.1.1 Topografía ........................................................................................................
- 2.1.2 Planos ..............................................................................................................
- 2.1.3 Gastos de diseño .............................................................................................
- 2.1.4 Variables hidráulicas ........................................................................................
- 2.1.5 Profundidades de zanjas ..................................................................................
- 2.1.6 Obras accesorias .............................................................................................
- 2.1.7 Conexiones ......................................................................................................
- 2.2 DISEÑO HIDRÁULICO........................................................................................
- 2.2.1 Fórmulas para el diseño ...................................................................................
- 2.2.2 Metodología para el diseño hidráulico ..............................................................
- 2.3 RED DE ATARJEAS ...........................................................................................
- 2.4 COLECTORES E INTERCEPTORES .................................................................
- 2.5 EMISORES .........................................................................................................
- 2.5.1 Emisores a gravedad........................................................................................
- 2.5.2 Emisores a presión...........................................................................................
- 3 ESTRUCTURA DE DESCARGA ...........................................................................
- 3.1 ASPECTOS POR CONSIDERAR EN EL PROYECTO .......................................
- 3.2 SITIOS DE VERTIDO..........................................................................................
- 3.2.1 Vertido en corrientes superficiales ...................................................................
- 3.2.2 Vertido en terrenos ...........................................................................................
- 3.2.3 Vertido en el mar ..............................................................................................
- 3.2.4 Vertido en lagos y lagunas ...............................................................................
- 3.2.5 Recarga de aguas subterráneas por medio de pozos de absorción
- 4 HERMETICIDAD....................................................................................................
- 4.1 NORMATIVA .......................................................................................................
- 4.1.1 Especificaciones...............................................................................................
- 4.2 PRUEBAS ...........................................................................................................
- 4.2.1 Prueba de hermeticidad en campo...................................................................
- 4.2.2 Prueba hidrostática ..........................................................................................
- 4.2.3 Prueba neumática (a baja presión) ..................................................................
- 5 ANÁLISIS POR COMPUTADORA ........................................................................ ii
- SANITARIO ............................................................................................................... 5.1 PROGRAMA PARA EL CÁLCULO DE UN SISTEMA DE ALCANTARILLADO
- 5.1.1 Equipo necesario..............................................................................................
- 5.1.2 Alcance del programa ......................................................................................
- 5.1.3 Método empleado.............................................................................................
- 5.1.4 Archivos del programa......................................................................................
- 5.1.5 Capacidad ........................................................................................................
- 5.1.6 Unidades ..........................................................................................................
- 5.1.7 Generalidades de la captura de datos..............................................................
- 5.1.8 Preparación de datos .......................................................................................
- 5.1.9 Menú de opciones ............................................................................................
- 6 ELABORACIÓN DEL PROYECTO .......................................................................
- 6.1 PLANOS TOPOGRÁFICOS ................................................................................
- 6.1.1 Plano topográfico .............................................................................................
- 6.1.2 Plano de pavimentos y banquetas ...................................................................
- 6.1.3 Plano de red existente......................................................................................
- 6.1.4 Plano de agua potable......................................................................................
- 6.1.5 Plano predial ....................................................................................................
- 6.1.6 Plano de uso de suelo futuro............................................................................
- 6.2 DETERMINACIÓN DE DATOS BÁSICOS ..........................................................
- 6.2.1 Población de proyecto ......................................................................................
- 6.2.2 Dotación de agua por tipo de usuario...............................................................
- 6.2.3 Aportación de agua residual.............................................................................
- 6.2.4 Gastos de diseño .............................................................................................
- 6.2.5 Resumen de datos de proyecto........................................................................
- 6.3 PLANO DE PROYECTO .....................................................................................
- 6.4 DATOS DE ENTRADA DEL PROGRAMA ..........................................................
- 6.5 DATOS DE SALIDA DEL PROGRAMA...............................................................
- 6.5.1 Diseño hidráulico..............................................................................................
- 6.5.2 Cantidades de obra ..........................................................................................
- 6.6 SIMBOLOGÍA......................................................................................................
- 7 RECOMENDACIONES DE CONSTRUCCIÓN Y OPERACIÓN ..........................
- 7.1 RECOMENDACIONES DE CONSTRUCCIÓN .................................................
- 7.1.1 Excavación de zanja ......................................................................................
- 7.1.2 Plantilla o cama ..............................................................................................
- 7.1.3 Instalación de tubería .....................................................................................
- 7.1.4 Relleno de la zanja .........................................................................................
- 7.2 RECOMENDACIONES DE OPERACIÓN .........................................................
- 7.2.1 Mantenimiento preventivo y correctivo ...........................................................
El periodo de diseño para un sistema de alcantarillado sanitario debe definirse de acuerdo a los lineamientos establecidos.
En el dimensionamiento de los diferentes componentes de un sistema de alcantarillado, se debe analizar la conveniencia de programar las obras por etapas, existiendo congruencia entre los elementos que lo integran y entre las etapas que se propongan para este sistema, considerando el de agua potable.
El diseño hidráulico debe realizarse para la condición de proyecto, pero siempre considerando las diferentes etapas de construcción que se tengan definidas.
Los equipos en las estaciones de bombeo (cuando se requieran) y en la planta de tratamiento, deben obedecer a un diseño modular, que permita su construcción por etapas y puedan operar en las mejores condiciones de flexibilidad, de acuerdo con los gastos determinados a través del período de diseño establecido para el proyecto.
En el diseño de un sistema de alcantarillado sanitario se debe conocer la infraestructura existente en la localidad (agua potable, ductos de gas, teléfono, energía eléctrica, alcantarillado pluvial, etc.) para evitar que las tuberías diseñadas coincidan con estas instalaciones, y asegurar que, en los cruces con la red de agua potable, la tubería del alcantarillado siempre se localice por debajo.
La mayoría de los alcantarillados en localidades medianas y grandes se han diseñado y construido para funcionar en forma combinada, considerando las aportaciones pluviales. A través del tiempo se ha observado que esta práctica genera problemas de contaminación y de operación de los sistemas, por la imposibilidad de tratar, en época de lluvias, la totalidad de las aguas captadas. Aprovechando esta experiencia, los sistemas de alcantarillado sanitario y pluvial deben de diseñarse en forma separada.
Definiciones
Albañal interior.- Es la tubería que recoge las aguas negras de una edificación y termina en un registro.
Descarga domiciliaria o albañal exterior.- Instalación que conecta el último registro de una edificación (albañal interior) a la atarjea o colector.
Cabeza de atarjea.- Extremo inicial de una atarjea.
Colector.- Es la tubería que recoge las aguas negras de las atarjeas. Puede terminar en un interceptor, en un emisor o en la planta de tratamiento. No es conveniente conectar los albañales (tuberías de 15 y 20 cm) directamente a un colector de diámetro mayor a 76 cm, debido a que un colector mayor a este diámetro generalmente va instalado profundo; en estos casos el diseño debe prever atarjeas paralelas “madrinas” a los colectores, en las que se conecten los albañales de esos diámetros, para luego conectarlas a un colector, mediante un pozo de visita.
Interceptor.- Es la tubería que intercepta las aguas negras de los colectores y termina en un emisor o en la planta de tratamiento. En un modelo de interceptores las tuberías principales (colectores) se instalan en zonas con curvas de nivel más o menos paralelas y sin grandes desniveles, y descargan a una tubería de mayor diámetro (interceptor) generalmente paralelo a alguna corriente natural.
Emisor.- Es el conducto que recibe las aguas de un colector o de un interceptor. No recibe ninguna aportación adicional en su trayecto y su función es conducir las aguas negras a la caja de entrada de la planta de tratamiento. También se le denomina emisor al conducto que lleva las aguas tratadas (efluente) de la caja de salida de la planta de tratamiento al sitio de descarga.
Pozo de visita.- Estructura que permite la inspección, limpieza y ventilación de la red de alcantarillado. Se utiliza para la unión de dos o varias tuberías y en todos los cambios de diámetro, dirección y pendiente.
Pozos comunes.- Son pozos de visita que tienen forma cilíndrica en la parte inferior y troncocónica en la parte superior. Tienen un diámetro interior de 1.2 m y se utilizan en tuberías de hasta 0.61 m de diámetro.
Pozos especiales.- Al igual que los pozos de visita comunes, tienen forma cilíndrica en la parte inferior y troncocónica en la parte superior. Presentan un diámetro interior de 1.5 m para tuberías de 0.76 a 1.07 m de diámetro, y 2.0 m de diámetro interior para tuberías con diámetro de 1.22 m.
Pozos Caja.- Los pozos caja están formados por el conjunto de una caja de concreto reforzado y una chimenea de tabique idéntica a la de los pozos comunes y especiales. Generalmente a los pozos caja cuya sección horizontal es rectangular, se les llama simplemente pozos caja y se utilizan en tuberías con diámetro de 1.52 m en adelante.
Pozos caja de unión.- Son pozos caja de sección horizontal en forma de polígono irregular que se utilizan para unir tuberías de 0.91 m en adelante con tuberías de diámetros mayores a 1.52 m.
Pozos caja de deflexión- Son pozos caja que se utilizan para dar deflexiones máximas de 45 grados en tuberías de diámetros a partir de 1.52 m.
Estructuras de caída.- Estructuras que permitan efectuar en su interior los cambios bruscos de nivel, por condiciones topográficas o por tenerse elevaciones obligadas para las plantillas de algunas tuberías. Las estructuras de caída que se utilizan son: caídas libres, pozos con caída adosada, pozos con caída y estructuras de caída escalonada.
Caída libre.- Es la caída permisible en los pozos de visita hasta de 0.5 m sin la necesidad de utilizar alguna estructura especial (No se considera en este caso las uniones a claves de las tuberías).
1 CARACTERÍSTICAS
1.1 SISTEMA DE ALCANTARILLADO
1.1.1 Red de atarjeas
La red de atarjeas tiene por objeto recolectar y transportar las aportaciones de las descargas de aguas negras domésticas, comerciales e industriales, hacia los colectores, interceptores o emisores.
La red está constituida por un conjunto de tuberías por las que son conducidas las aguas negras captadas. El ingreso del agua a las tuberías es paulatino a lo largo de la red, acumulándose los caudales, lo que da lugar a ampliaciones sucesivas de la sección de los conductos en la medida en que se incrementan los caudales. De esta manera se obtienen en el diseño las mayores secciones en los tramos finales de la red. No es admisible diseñar reducciones en los diámetros en el sentido del flujo.
La red se inicia con la descarga domiciliaria o albañal, a partir del paramento exterior de las edificaciones. El diámetro del albañal en la mayoría de los casos es de 15 cm., siendo éste el mínimo aceptable. La conexión entre albañal y atarjea debe ser hermética y la tubería de interconexión debe de tener una pendiente mínima del 1%.
A continuación se tienen las atarjeas, localizadas generalmente al centro de las calles, las cuales van recolectando las aportaciones de los albañales. El diámetro mínimo que se utiliza en la red de atarjeas de un sistema de drenaje separado es de 20 cm, y su diseño, en general debe seguir la pendiente natural del terreno, siempre y cuando cumpla con los límites máximos y mínimos de velocidad y la condición mínima de tirante.
La estructura típica de liga entre dos tramos de la red es el pozo de visita, que permite el acceso del exterior para su inspección y maniobras de limpieza; también tiene la función de ventilación de la red para la eliminación de gases. Las uniones de la red de las tuberías con los pozos de visita deben ser herméticas.
Los pozos de visita deben localizarse en todos los cruceros, cambios de dirección, pendiente y diámetro y para dividir tramos que exceden la máxima longitud recomendada para las maniobras de limpieza y ventilación (ver apartado 2.2.2.2). Las separaciones máximas entre pozos de visita se indican en el apartado 3.1.6.
Con objeto de aprovechar al máximo la capacidad de los tubos, en el diseño de las atarjeas se debe dimensionar cada tramo con el diámetro mínimo, que cumpla las condiciones hidráulicas definidas por el proyecto.
Para realizar un análisis adecuado de la red de atarjeas, se requiere considerar, en forma simultánea, las posibles alternativas de trazo y funcionamiento de colectores, emisores y descarga final, como se describe en las secciones correspondientes.
1.1.1.1 Modelos de configuración de atarjeas
El trazo de atarjeas generalmente se realiza coincidiendo con el eje longitudinal de cada calle y de la ubicación de los frentes de los lotes. Los trazos más usuales se pueden agrupar en forma general en los siguientes tipos:
a) Trazo en bayoneta.
Se denomina así al trazo que iniciando en una cabeza de atarjea tiene un desarrollo en zig-zag o en escalera (ver Figura 1.1).
- Ventajas
Las ventajas de utilizar este tipo de trazo son reducir el número de cabezas de atarjeas y permitir un mayor desarrollo de las atarjeas, con lo que los conductos adquieren un régimen hidráulico establecido, logrando con ello aprovechar adecuadamente la capacidad de cada uno de los conductos.
- Desventajas
Dificultad en su utilización, debido a que el trazo requiere de terrenos con pendientes suaves más o menos estables y definidas.
Para este tipo de trazo, en las plantillas de los pozos de visita, las medias cañas usadas para el cambio de dirección de las tuberías que confluyen, son independientes y con curvatura opuesta, no debiendo tener una diferencia mayor de 0.50 m entre las dos medias cañas.
b) Trazo en peine.
Es el trazo que se forma cuando existen varias atarjeas con tendencia al paralelismo, empiezan su desarrollo en una cabeza de atarjea, descargando su contenido en una tubería común de mayor diámetro, perpendicular a ellas (ver Figura1.2).
Algunas ventajas y desventajas que se obtienen con este tipo de trazo son las siguientes:
- Ventajas.
⎯ Se garantizan aportaciones rápidas y directas de las cabezas de atarjeas a la tubería común de cada peine, y de éstas a los colectores, propiciando que se presente rápidamente un régimen hidráulico establecido.
⎯ Se tiene una amplia gama de valores para las pendientes de las cabezas de atarjeas, lo cual resulta útil en el diseño cuando la topografía es muy irregular.
- Desventajas.
⎯ Debido al corto desarrollo que generalmente tienen las atarjeas iniciales antes de descargar a un conducto mayor, en la mayoría de los casos aquellas trabajan por abajo de su capacidad, ocasionando que se desaproveche parte de dicha capacidad.
c) Trazo combinado.
Corresponde a una combinación de los dos trazos anteriores y a trazos particulares obligados por los accidentes topográficos de la zona (ver Figura 1.3).
Figura 1.3 Trazo de la red atarjeas combinado
Aunque cada tipo de trazo tiene ventajas y desventajas particulares respecto a su uso, el modelo de bayoneta tiene cierta ventaja sobre otros modelos, en lo que se refiere al aprovechamiento de la capacidad de las tuberías. Sin embargo este no es el único punto que se considera en la elección del tipo trazo, pues depende fundamentalmente de las condiciones topográficas del sitio en estudio.
1.1.2 Colectores e interceptores
Los colectores son las tuberías que reciben las aguas negras de las atarjeas, pueden terminar en un interceptor, en un emisor o en la planta de tratamiento.
Los interceptores, son las tuberías que interceptan las aportaciones de aguas negras de los colectores y terminan en un emisor o en la planta de tratamiento.
Por razones de economía, los colectores e interceptores deben tender a ser una réplica subterránea del drenaje superficial natural.
1.1.3 Emisores
El emisor es el conducto que recibe las aguas de uno o varios colectores o interceptores. No recibe ninguna aportación adicional (atarjeas o descargas domiciliarias) en su trayecto y su función es conducir las aguas negras a la planta de tratamiento. También se le denomina emisor al conducto que lleva las aguas tratadas (efluente) de la planta de tratamiento al sitio de descarga.
El escurrimiento debe ser por gravedad, excepto en donde se requiere el bombeo para las siguientes condiciones:
a) Elevar las aguas negras de un conducto profundo a otro más superficial, cuando constructivamente no es económico continuar con las profundidades resultantes.
b) Conducir las aguas negras de una cuenca a otra.
c) Entregar las aguas negras a una planta de tratamiento o a una estructura determinada de acuerdo a condiciones específicas que así lo requieran.
1.1.3.1 Emisores a gravedad
Las aguas negras de los emisores que trabajan a gravedad generalmente se conducen por tuberías o canales, o bien por estructuras diseñadas especialmente cuando las condiciones de proyecto (gasto, profundidad, etc.) lo ameritan.
1.1.3.2 Emisores a presión
Cuando la topografía no permite que el emisor sea a gravedad, en parte o en su totalidad, será necesario recurrir a un emisor a presión. También la localización de la
Figura 1.4 Modelo perpendicular
1.1.4.2 Modelo radial
En este modelo las aguas residuales fluyen hacia afuera de la localidad, en forma radial a través de colectores (ver Figura 1.5).
1.1.4.3 Modelo de interceptores
Este tipo de modelo se emplea para recolectar aguas residuales en zonas con curvas de nivel más o menos paralelas, sin grandes desniveles y cuyas tuberías principales (colectores) se conectan a una tubería mayor (interceptor) que es la encargada de transportar las aguas residuales hasta un emisor o una planta de tratamiento (ver Figura 1.6).
1.1.4.4 Modelo de abanico
Cuando la localidad se encuentra ubicada en un valle, se pueden utilizar las líneas convergentes hacia una tubería principal (colector) localizada en el interior de la localidad, originando una sola tubería de descarga (ver Figura 1.7).
Figura 1.5 Modelo radial
Figura 1.6 Modelo de interceptores
plástico poli (cloruro de vinilo) (PVC) y polietileno de alta densidad (PEAD) así corno acero. En los sistemas de alcantarillado sanitario a presión se pueden utilizar
diversos tipos de tuberías para conducción de agua potable, siempre y cuando
reúnan las características para conducir aguas negras.
A continuación, se detallan las características de las tuberías de alcantarillado mencionadas y de los sistemas de unión entre tuberías de los diversos materiales utilizados.
1.2.1.1 Tuberías de concreto simple (CS) y reforzado (CR) con junta hermética
Las tuberías de concreto simple con junta hermética, se fabrican de acuerdo con las especificaciones de las norma mexicana NMX-C-401-1996-0NNCCE, en donde se detalla la calidad de los materiales.
Las tuberías de concreto reforzado con junta hermética, se fabrican de acuerdo a la norma mexicana NMX-C-402-1,996-0NNCCE. Para su fabricación, a diferencia del tubo de concreto simple, su núcleo contiene acero de refuerzo longitudinal y transversal.
Las características principales de estos tipos de tuberías son las siguientes:
a) Los tubos de concreto simple se fabrican en diámetros de 10,15, 20, 25, 30, 38, 45 y 60 cm, con campana y espiga y tienen una longitud útil variable de acuerdo al diámetro (ver Tabla 1.1).
Las uniones usadas en las tuberías de concreto simple son del tipo espiga campana con junta hermética. En la junta se deben de utilizar anillos de hule de acuerdo a la norma mexicana NMX-C-401 (ver Figura 1.8a).
b) Los tubos de concreto reforzado se fabrican en diámetros de 30, 38, 45, 61, 76, 91, 107, 122, 152, 183, 213, 244 y 305 cm. La longitud útil de un tubo de concreto reforzado es variable de acuerdo a su diámetro. Los tubos de concreto armado se fabrican en cuatro tipos de grados y cada uno de ellos con tres espesores de pared (ver Tablas 2.2, 2.3, 2.4 y2.5).
Las uniones usadas en las tuberías de concreto reforzado son del tipo espiga campana con junta hermética para diámetros hasta 61 cm. En diámetros de 45 a 305 cm se utilizan juntas espiga - caja con junta hermética (ver Figura 1.8b). En las juntas se deben de utilizar anillos de hule de acuerdo a la norma mexicana NMX-C-402 (ver Figura 1.8b).
Las ventajas de los tubos de concreto incluyen:
⎯ Economía.- Bajo costo de adquisición y mantenimiento. ⎯ Hermeticidad.- El empleo de la junta hermética con anillo de hule impide infiltraciones de agua y contaminación debido a exfiltraciones.
⎯ Diversidad en diámetros mayores.- Se suministran diámetros hasta de 3.05 m. ⎯ Durabilidad.- Larga vida útil de las tuberías. ⎯ Alta resistencia mecánica. Resistencia especialmente a cargas externas. ⎯ Entre sus desventajas se tienen:
⎯ Fragilidad.- Los tubos requieren cuidados adicionales durante su transporte e instalación. ⎯ Capacidad de conducción.- La tubería de concreto presenta un coeficiente de rugosidad alto, lo que la hace menos eficiente hidráulicamente. ⎯ Corrosión cuando se encuentra en condiciones ácidas ó alcalinas.
Figura 1.8 Tipos de uniones en tuberías de concreto
1.2.1.2 Tuberías de fibrocemento (FC)
La tubería de fibrocemento se fabrica de acuerdo a la norma Mexicana NMX-C-039-
- Se fabrica en clases B-6, B-7.5, B-9 y B-12.5 (ver Tabla 1.6) y cada una de ellas para dos diferentes tipos de anillos de hule según el diámetro del tubo. Los anillos utilizados deben de cumplir con la norma NMX-T-021. En tuberías de 150 mm a 900 mm se usan anillos de hule circulares que se acoplan a un tipo de copie especial; en tuberías de 1000 mm a 2000 mm se usan anillos de hule rascados acoplados a un copie igualmente rascado (ver Figuras 1.9a y b).
Entre las ventajas de estas tuberías se encuentran:
⎯ Ligereza.- Debido a su bajo peso y su longitud de 5 m por tramo, su manejo e instalación es sencilla y rápida.