ACUEDUCTOS 2017 - estudio de acueductos

OBRAS HIDRÁULICAS - UNLP
ACUEDUCTOS

ACUEDUCTOS
CÁTEDRA DE OBRAS HIDRÁULICAS
TEMAS A TRATAR
1.- ASPECTOS GENERALES
2.- OBRA DE TOMA
3.- CONDUCCIONES
4.- ESTACIONES DE BOMBEO
5.- CÁMARAS PARA VÁLVULAS DE AIRE Y DE DESAGÜE
6.- OTRAS OBRAS ACCESORIAS

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Un ACUEDUCTO es toda aquella obra destinada al transporte de agua entre dos o más
puntos. Esta obra incluye tanto al medio físico a través del cual el fluido será
transportado (tuberías, canales, etc.) como a todas las obras adicionales necesarias
para lograr un funcionamiento adecuado de la instalación (Estaciones de Bombeo,
Válvulas de todo tipo, Compuertas, Reservas, Transmisión de energía, etc.).
Por lo general, la idea de construir un Acueducto surge ante la necesidad de proveer
de agua a sitios o poblaciones que no disponen en abundancia de la misma, o en caso
de disponer, que su calidad sea deficiente, con todas las consecuencias ingenieriles
que esto implica. Por estar transportando un recurso de primera necesidad para el
desarrollo humano y por estar involucrada en general una cantidad importante de
personas, de recursos de la Ingeniería e importantes recursos económicos, es que el
diseño correcto de esta obra se hace especialmente importante, sobre todo teniendo
en cuenta la trascendencia social de la obra en consideración.

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Las fuentes de agua pueden ser diversas, un río es una fuente común de abastecimiento
de agua, otras fuentes suelen ser los grandes lagos, aguas subterráneas, etc.
El río como fuente de agua puede resultar de abastecimiento directo, esto en general se
refiere a caudales de provisión menores o igual al mínimo del río, ya que es el que
puede ser satisfecho durante un porcentaje importante del tiempo (Q<=Qmín = 100 %
de garantía). Estos caudales se pueden proveer con la sola interposición de una obra de
toma lateral o flotante.
En general las demandas de agua para consumo humano son las que justifican y
requieren de grandes acueductos, por tal motivo estas notas se orientan a dicho
consumo. Las otras demandas presentan algunos condicionamientos que le son propios
pero pueden ser resultas siguiendo los lineamientos generales que aquí se aplican.
Los consumos de agua potable para poblaciones cuyo comportamiento demográfico se
encuentra en expansión siguen una evolución equivalente con el transcurso de los años.

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Es usual que el caudal medio diario del consumo vaya incrementándose como muestra
el gráfico adjunto.
Si analizamos consumos de riego o los industriales, su variabilidad es más
indeterminada, pues ambos se encuentran ligados a parámetros de difícil predicción.

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Un capítulo específico del tema se refiere a la Dotación, Población y Demanda
Incluye Población, Censos de Personas, Censos de Vivienda, Proyecciones de
Crecimiento, Densidades actuales y futuras.
Luego se estudian los Usos del Agua: Residencial, Industrial, Comercial, Pérdidas; y la
Dotación (neta mínima).
Cuando los acueductos deben funcionar con caudales con demandas variables en el
tiempo y que presenten valores diferenciales importantes se deben realizar
verificaciones o adaptaciones en los modos de operación para caudales intermedios.
Definido un caudal de diseño se deberán estudiar las dimensiones de la obra conducción
(Acueducto), excluyendo de este análisis la fuente de provisión de agua, que supera las
notas referidas al diseño del acueducto.
La dimensión principal de un acueducto es el diámetro de la conducción y el espesor de
la misma.
ESTUDIAREMOS, EN ESTE TEMA, LOS ACUEDUCTOS A PRESIÓN

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2.- OBRA DE TOMA
La Obra de Toma forma un conjunto de estructuras y sus auxiliares que permiten extraer
agua del curso de un río o de algún tipo de embalse (natural o artificial) en condiciones
satisfactorias de flujo y con un control adecuado.
El diseño de la misma varía mucho de acuerdo con las condiciones geológicas y
topográficas, el lugar de donde se realiza la extracción y las variaciones del caudal a
extraer. En grandes ríos o en grandes presas, incluso, se puede requerir de varias tomas,
o bien una toma con varios pasajes o conductos.
En general, una obra de toma consiste en una estructura de entrada, conductos,
mecanismos de regulación y emergencia con su equipo de operación y dispositivos para
disipación de energía.

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Para la determinación del ACUEDUCTO se debe separar el análisis en dos grandes
grupos claramente diferenciados:
1. Que el acueducto (o el tramo considerado) realice la conducción del agua
por gravedad.
2. Que el caudal sea impulsado por una bomba o un sistema de bombeo.
En el primer caso, por gravedad, el agua, en su fuente de provisión se encuentra a
una cota superior a la que le corresponde al lugar de entrega y la misma se puede
conducir sin la incorporación de energía adicional.
En este caso la diferencia topográfica entre el nivel mínimo disponible en la toma de
agua y el nivel máximo del cuerpo receptor, HT, dan la mínima energía por unidad de
peso disponible para trasladar el agua en el acueducto. En general el proyectista se
podrá tomar una revancha en la cota de llegada, la que se descontará de HT.
Es decir para el cálculo HT es la energía total disponible.
Dicha energía será disipada en su totalidad por lo que la ecuación elemental a
proponer es :

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Cálculos en Régimen Permanente
Por cuestiones vinculadas a los transitorios hidráulicos y a los problemas que genera el
aire dentro de la tubería en este tipo de conducciones, lo indicado es que la variación
del caudal, ya sea para un cambio de operación o para un cierre del mismo, se realice
mediante una válvula ubicada en su extremo de aguas abajo, evitar el Golpe de Ariete.
Por otro lado, para plantear las alternativas, debieron esbozarse los cálculos en régimen
permanente preliminares. En esta etapa, entonces, corresponderá afinar dichos cálculos.
Para hacerlo, se recomienda utilizar más de un método (fórmula de Hazen y Williams,
fórmula de Darcy-Weisbach, etc.), y contrastarlos para evitar resultados erróneos.

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Cálculos en Régimen Permanente
En escurrimiento a gravedad, cuando el acueducto esté en
régimen estático se darán los mayores esfuerzos sobre las
secciones de la tubería, por lo que inicialmente este es el
estado que se debe considerar para dimensionar los
espesores del material de la tubería que deberá soportar la
carga estructural de la presión interna que le ejerce el agua.
La clase de las tuberías dependen de las normas que se utilicen, y estas a su vez de
del tipo de material.

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VELOCIDADES Y DIÁMETROS EN LAS CONDUCCIONES o TUBERÍAS
Las velocidades máximas y mínimas del líquido deben ser tales que eviten la
sedimentación del material eventualmente transportado y la erosión de las paredes
de los conductos. Estas velocidades deben estar comprendidas entre 0,45 y 3,00 m/s
para el caso de agua cruda.
A requerimiento del ENOHSa se deberá presentar el cálculo de la velocidad mínima de
arrastre pudiendo utilizarse el método de las fuerzas tractices o el de Camp-Shield.
PENDIENTES DE LOS CONDUCTOS
Con el objeto de permitir la acumulación del aire en los puntos altos y su eliminación
por las válvulas, columnas o torres de ventilación colocadas a ese efecto y facilitar el
arrastre de los sedimentos hacia los puntos bajos, y acelerar el desagote de los
conductos, éstos no deben colocarse horizontales.
Las pendientes mínimas recomendadas son las siguientes: cuando el aire circula en el
sentido del escurrimiento del agua: 3 0/00; cuando el aire circula en el sentido contrario
al escurrimiento del agua: 6 0/00. En este último caso no debe ser menor que la
pendiente de la línea piezométrica de ese tramo.
Cuando se considere necesario uniformar pendientes a costa de mayor excavación, a
efectos de evitar un gran número de válvulas de aire y cámaras de limpieza, deberá
realizarse una comparación económica de ambas variantes.

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Cálculos en Régimen Permanente: espesores
En general clase 2 significa que la tubería puede trabajar con una presión interna de
hasta 2 kg/cm². Así se definen, clase 4 ( 4 kg/cm²), clase 6 (6 kg/cm²), etc. Las normas,
tendientes a optimizar toda la construcción de las tuberías, indican clases con números
discretos, por ejemplo 2, 4, 6, 8, 10, 12, 14, etc.

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En el segundo caso de los mencionados, por bombeo, las mayores solicitaciones se
producen cuando las bombas impulsan el máximo caudal de bombeo, ya que esto
significa la mayor pérdida de energía a vencer. Esto es así aún en los casos en que el
acueducto tenga un bombeo con el fin de incrementar el caudal máximo que escurre por
gravedad por la tubería.
En estos casos se combinan
la línea de energía debida al
bombeo del caudal máximo
con la línea de energía
estática, que en algunos
tramos, presenta la mayor
solicitación. Para el trazado
de la línea de presión
estática, o de reposo, se
debe siempre recordar que
los órganos de cierre deben
asegurar que el acueducto
no se vacíe.

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Como se puede apreciar en la definición de las clases de las tuberías, la topografía del
lugar es de influencia determinante ya que define los estados posibles de operación del
acueducto además del valor de la altura.
Cuando se trata de acueductos con impulsión por bombeo, la clase, (que define el
espesor en tramos discretos), y el diámetro, resultan contrapuestos a la hora de su
selección.

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Por una parte el aumento del diámetro disminuye las pérdidas de carga. Por otra parte, el
aumento del diámetro tiene dos implicancias, el cambio el espesor y el volumen de
material de la tubería.
Este cambio en principio sería de mayor costo pues está aumentando no sólo la cantidad
de material sino a su vez el ancho de excavación de la zanja donde se va a colocar. El
aumento del diámetro significa menores pérdidas de energía y por lo tanto la bomba
debe impulsar el agua a una presión menor traduciéndose esto en una presión interna
menor y consecuentemente menor espesor.
La altura de impulsión y el caudal a bombear por el acueducto permiten obtener la
potencia de la bomba.
Para un caudal dado, la variación del costo anual de bombeo según el diámetro de
tubería seleccionado, tendrá una variación como la mostrada en el gráfico adjunto.
Este costo actuará en todos los años que el acueducto opere. Si suponemos que operará
con el mismo caudal y tiempo de utilización el valor de los costos de los años siguientes
se deberán llevar al tiempo cero, (o al que elijamos como comparación), que se obtiene
de la siguiente manera:

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Por una parte el aumento del diámetro disminuye las pérdidas de carga. Por otra parte, el
aumento del diámetro tiene dos implicancias, el cambio el espesor y el volumen de
material de la tubería.

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Cálculos en Régimen Impermanente
Antes que nada, deberán plantearse alternativas de dispositivos anti-ariete que puedan
amortiguar lo suficiente las ondas de sobrepresión dadas por el transitorio, de manera
tal que las presiones resultantes puedan ser soportadas, sin inconvenientes, por las
tuberías (no nos olvidemos que las tuberías son diseñadas de forma tal que soporten 1.5
veces el valor de presión dado por la “clase”). A continuación, entonces, deberá
verificarse el sistema para cada alternativa haciendo los cálculos correspondientes.
Estos son los cálculos más complicados ya que implican simulaciones del
comportamiento del sistema en el tiempo, por lo que la cantidad de variables es
apreciable.
Actualmente, existen softwares de última generación que nos resuelven el problema,
pero es importante conocer el tema en profundidad para poder ingresar los datos
correctos al programa y analizar sus resultados.
Por ello, se recomienda realizar un primer cálculo “a mano” utilizando los métodos de
acotamiento conocidos (que nos informarán los valores máximos y mínimos posibles de
presión que ocurrirán en las tuberías). De esta forma, conociendo estos valores,
podremos analizar con mayor criterio los resultados que nos puede dar el programa.

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Las Estaciones de Bombeo, dispuestas convenientemente a lo largo de la traza del
Acueducto, son las encargadas de proveer al caudal, la energía hidráulica necesaria para
poder sortear los obstáculos dados por la topografía y para compensar las pérdidas de
energía ocurridas en la conducción (pérdidas por fricción y localizadas).
El estudio detallado del número y localización de estas estaciones de bombeo
posibilitará la optimización del sistema y, sobretodo, de la selección y
dimensionamiento de las tuberías.
Las Estaciones de Bombeo están integradas por un conjunto de equipos e instalaciones
electromecánicas montadas en una obra civil. Entre los equipos e instalaciones
electromecánicas cabe mencionar:
• Bombas
• Motores
• Instalaciones de la Fuente de Energía.
• Instalaciones auxiliares de comandos, control y seguridad.

ACUEDUCTOS
CÁTEDRA DE OBRAS HIDRÁULICAS
TEMAS A TRATAR
2.- OBRA DE TOMA
3.- CONDUCCIONES
5.- CÁMARAS PARA VÁLVULAS DE AIRE Y DE DESAGÜE y
OTRAS
6.- OTRAS OBRAS ACCESORIAS

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5.- CÁMARAS PARA VÁLVULAS DE AIRE Y DE DESAGÜE Y OTRAS
CÁMARA PARA VÁLVULAS DE AIRE
La función de las válvulas de aire es la de controlar el aire en el interior de las
conducciones, posibilitando ingresos y egresos, de acuerdo a las necesidades y tratando
de evitar, o al menos minimizar, la posibilidad de que quede atrapado en algún sector
alto de la misma, con las consecuencias que esto implica. Deben disponerse en todos
los puntos altos o picos de la conducción y espaciadas en no más 1000 m entre sí. En la
Figura puede verse un esquema de estas cámaras.

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CÁMARA PARA VÁLVULAS DE DESAGÜE (o DE PURGA)
Estas cámaras se disponen en los puntos bajos (distanciadas unas de otras en no más de
3000 m) con el fin de permitir el desagote de la tubería en cada sector, en caso de tener
que vaciar algún tramo del acueducto (ya sea por razones de limpieza, operativas o por
alguna rotura sufrida en algún sector). La Figura muestra un esquema de estas cámaras.
Si la pendiente es MUY
BAJA, < 3 0/00, entonces
se colocan cada 350 m.
Cuando se AISLA un
tramo de acueducto,
deben permitir el
vaciado total de dicho
tramo.
Si la velocidad de
desagüe es > 3 m/s, se
debe disipar la energía.

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VÁLVULAS DE CORTE, CIERRE o SECCIONADORAS
Las válvulas seccionadoras son las encargadas de posibilitar la división del acueducto en
tramos independientes. De esta manera, en caso de hacerse necesaria la reparación de
algún sector de tubería, o de algún otro accesorio, no hace falta el vaciado del acueducto,
sólo se aísla el tramo en problemas, cerrando las válvulas seccionadoras al comienzo y al
final del mismo.
La cantidad, tipo y distribución de estas válvulas en la
instalación dependerá, de la configuración de cada
problema en particular y de la decisión del proyectista.
En la Figura puede apreciarse un esquema de cámara
para estas válvulas.
Asimismo, todos los componentes mecánicos de la
obra (bombas, válvulas, etc.) deben colocarse entre
dos de estas válvulas con el mismo fin (permitir el
reemplazo de los mismos sin sacar de funcionamiento
el tramo entero).

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CÁMARA PARA VÁLVULAS DE CONTROL
Las válvulas de control, como su nombre lo dice, se encargan de controlar la presión o el
caudal, en el lugar donde están emplazadas, en valores especificados por el operador
del sistema. En la Figura se muestra un esquema de una cámara tipo para estas válvulas.
Por lo general, existen cuatro tipos de válvulas de control:
1. Válvulas Reductoras de Presión:
2. Válvulas Sostenedoras de Presión:
3. Válvulas para Caída de Presión Constante:
4. Válvulas Controladoras de Caudal:

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CÁMARA PARA VÁLVULAS DE CONTROL
1. Válvulas Reductoras de Presión: Estas válvulas mantienen una presión de control
(especificada por el operador) constante aguas abajo del lugar de su emplazamiento,
siempre y cuando ésta sea menor que el valor de la presión aguas arriba (en caso
contrario, la habilidad de control se pierde).
2. Válvulas Sostenedoras de Presión: Estas válvulas son similares a las anteriores en
cuanto a que controlan la presión en el lugar. Pero, en este caso, la presión de control se
mantiene aguas arriba del lugar de emplazamiento de la válvula. Si la presión aguas
abajo de la misma es superior a la de control, la habilidad de mantener esta presión se
pierde.
3. Válvulas para Caída de Presión Constante: Estas mantienen una caída de presión
constante en el lugar de emplazamiento.
4. Válvulas Controladoras de Caudal: Estas válvulas mantienen el caudal fijo en el valor
de control especificado por el operador del sistema. Estas válvulas pierden, por lo
general, su capacidad de control cuando no existe pérdida de carga a través de las
mismas o cuando se encuentran con un flujo en reversa.

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Es así que en régimen estático, Q = 0, aguas abajo de la válvula la presión queda igualada al
valor de seteo. Con esta disposición la máxima carga que el acueducto debe soportar aguas
abajo de las VRP puede ser considerablemente menor que la que actuaría si ella no
estuviese. Se reducen así las clases de la tubería.

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6.- OBRAS ACCESORIAS
CÁMARAS COMPENSADORAS
DEPÓSITOS DE DESCARGA
CISTERNAS
Estas cámaras consisten en tanques conectados al acueducto que mantienen un flujo
bidireccional con el mismo. Debido a esta conexión permanente, el nivel de agua en
estas cámaras, para cada instante, se mantiene fluctuante en correspondencia con la
cota de la línea piezométrica dada por el funcionamiento del sistema en ese punto. En
la Figura puede observarse un esquema de este tipo de tanques.
Su función primordial consiste en brindar
un nivel de energía estática adecuado (en
caso de detenimiento del sistema). No
obstante, si está correctamente
dimensionado, pueden ayudar en acotar
las ondas de sobrepresión durante un
transitorio.

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CISTERNAS

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Estos son también tanques conectados al acueducto, pero esta vez no en forma
permanente.
La conexión posee una válvula de retención que sólo permite el flujo desde el depósito
en dirección hacia la tubería principal. No existe el ingreso de agua proveniente del
acueducto en el tanque.
El propósito de este tipo de dispositivo es el de proveer de agua al acueducto durante
las ondas de depresión que ocurren durante los transitorios y minimizar así sus efectos
indeseables.
Producida la descarga, su recarga posterior, se realiza mediante una conexión especial
proveniente del mismo acueducto.
Existen otros tipos de instalación anti-ariete.

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CISTERNAS
Consisten también en reservas de agua, de flujo bidireccional como en las cámaras
compensadoras. Sin embargo, a diferencia de éstas, las cisternas son generalmente
capaces de contener volúmenes de agua mucho mayores, suficientes como para poder
considerarla, a los fines prácticos, como un reservorio infinito (es decir que el nivel del
pelo del agua en el interior de las cisternas se mantiene prácticamente constante, aún
durante los transitorios).
Se utilizan generalmente para imponer condiciones de borde al sistema (el nivel de
agua en ese punto) y, sobretodo, cuando se necesita almacenar gran cantidad de agua
(para provisión de agua potable de una localidad cercana, por ejemplo).

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7.- GOLPE DE ARIETE
• SIN CAPACIDAD DE ALMACENAR ENERGÍA
VENTOSAS O VÁLVULAS DE AIRE
Utilizan la presión atmosférica como fuente de energía, evitan las presiones negativas
solo en las inmediaciones de su ubicación mediante la incorporación de aire a la
tubería. Tienen limitada capacidad de protección, su tiempo de respuesta no es
instantáneo, requieren inspección periódica y mantenimiento. Las versiones "anti golpe
de ariete" evitan el golpe del flotador interno de la ventosa cuando ésta cierra.
VÁLVULAS ANTICIPADORAS DE ONDA
Evitan las presiones positivas en las inmediaciones de la estación de bombeo al
descargar fluido al medio ambiente. Solo son efectivas en bombeos cortos con
importantes diferencias de altura. No tienen efecto sobre las presiones
negativas. No brindan protección en la generalidad de los sistemas de transporte de
fluidos.

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7.- GOLPE DE ARIETE
CON CAPACIDAD DE ALMACENAR ENERGÍA
TANQUES HIDRONEUMATICOS (con membrana,
o con compresor)
Almacenan aire comprimido y su capacidad de
protección es proporcional a su volumen.
Pueden eliminar por completo las presiones
negativas y positivas resultantes de cualquier
evento que genere un transitorio hidráulico.
Los tanques hidroneumáticos
con membrana (tecnología más moderna) no
necesitan utilizar compresores, resultan más
económicos a largo plazo y no requieren
mantenimiento.

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7.- GOLPE DE ARIETE
CON CAPACIDAD DE ALMACENAR ENERGÍA
TANQUES HIDRONEUMATICOS CON TUBO DE INMERSIÓN
Almacenan aire comprimido y su capacidad de protección es
proporcional a su volumen. Pueden eliminar por completo las
presiones negativas y positivas resultantes de cualquier
evento que genere un transitorio hidráulico. Por no tener
membrana ni compresor, las bombas deben detenerse y
volver a arrancar al menos una vez al día para evitar la
disolución del aire en el líquido. Ideales para bombeos de
aguas residuales.
TANQUES UNIDIRECCIONALES Y CHIMENEAS DE EQUILIBRIO
Disponen de energía gravitacional por lo tanto su capacidad
de protección es limitada. Altos costos de construcción, libres
de mantenimiento.
En algunos casos se utilizan en combinación con los tanques
hidroneumáticos para obtener soluciones más económicas.

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