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Líneas de conducción por gravedad
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Líneas de conducción por gravedad
20
Introducción
Dentro de un sistema de abastecimiento de
agua, se le llama línea de conducción, al
conjunto integrado por tuberías, y dispositivos
de control, que permiten el transporte del agua
en condiciones adecuadas de calidad, cantidad
y presión- desde la fuente de abastecimiento,
hasta el sitio donde será distribuida.
La pérdida de presión es la principal
consideración en el diseño de cualquier tubería.
Aunque existen innumerables fuentes de
pérdida de presión a lo largo de las tuberías,
éstas se pueden dividir para su estudio en
pérdidas mayores o de fricción y en pérdidas
menores o localizadas.
Las líneas de conducción de agua se calculan
siguiendo varios procedimientos existentes. Su
diseño en general consiste en definir el diámetro
en función de las pérdidas de carga, a partir del
gasto que se conducirá y el material de la
tubería. Las pérdidas de carga, se obtienen
aplicando las ecuaciones de Darcy-Weisbach,
Scobey, Manning o Hazen-Williams (3).
Se pueden presentar dos condiciones de
operación de la tubería, por bombeo o gravedad.
Pero para los propósitos del presente
documento solo se analiza la presión dada por
la gravedad, es decir, por la diferencia de
elevación. En el caso de tuberías sujetas a la
presión de la gravedad se pueden presentar dos
situaciones:
Donde la diferencia de alturas apenas es
suficiente, para proporcionar una presión
adecuada para el funcionamiento, el problema
consiste en conservar la energía usando tubos
de diámetros grandes para tener mínimas
pérdidas de carga por fricción y evitar bombeo
de auxilio.
Cuando la diferencia de altura entre la fuente de
abastecimiento y la ubicación del sitio a
abastecer, es tal que la presión proporcionada
es mayor a la requerida, el problema radica en
reducir las ganancias de presión, lo cual se logra
seleccionando tuberías de diámetros más
pequeños o en su caso la construcción de cajas
rompedoras de presión.
Definición
En hidráulica se entiende por tubería cualquier
conducto cerrado de desarrollo importante
(como mínimo alrededor de 500 veces su
diámetro) (1).
Se considera como tubería a todo conducto
cerrado de desarrollo importante (mayor de 500
veces su diámetro interior), que transporta agua
sin superficie libre, es decir, a presión y en la
que el movimiento del líquido no depende
exclusivamente de una pendiente favorable
continua (8).
Objetivo
Proporcionar las bases de diseño de las líneas
de conducción y establecer los requisitos
mínimos de seguridad que deben cubrir, así
como la selección de los materiales apropiados
y obras de control para su manejo y los
lineamientos generales para la instalación en las
líneas de conducción de agua a gravedad.
Ventajas
• Al tratarse de un conducto cerrado no se
presenta perdidas por evaporación y
filtración.
Líneas de conducción por gravedad
20
• Por el tipo de material, las líneas de
conducción tienden a soportar presiones
altas.
• Las tuberías normalmente superan una
vida útil de 50 años.
• El uso de tuberías permite distribuir de
manera eficiente en terrenos agrícolas.
• Permiten el paso en arroyos y cruces
carreteros más fácilmente.
Desventajas
• Los costos de adquisición e instalación
son altos.
• En algunos materiales, se requiere de
mano especializada para su instalación.
Datos generales del diseño
Los datos generales a recabar para el diseño de
una línea de conducción, son, entre otros:
• Ubicación de la fuente de abastecimiento
y gasto disponible.
• Ubicación de las parcelas agrícolas y/o
zona poblada en caso de que el agua sea
para uso potable.
• Trazo y levantamiento topográfico la línea
de conducción.
• Caracterización de la zona (clima, suelo,
vegetación, tipo de cultivo, vías de
comunicación, etc)
• Las descargas, el clima, los medios de
comunicación al lugar y usos del agua.
• Demanda de agua en el punto de
entrega.
Para definir cotas, distancias y posibles
afectaciones, sobre el derecho de vía propuesto,
el proyectista podrá ayudarse de las cartas
topográficas del INEGI o de información
geográfica de Google Earth.
Sistema de conducción
Del diseño hidráulico debe determinarse para
todo el sistema o por tramos, la mayor presión
estática o dinámica (incluyendo los fenómenos
transitorios). De acuerdo con estas presiones,
se escoge la clase de tubería que se debe
instalar de forma que la presión de trabajo o
servicio recomendada por el fabricante sea
mayor o igual a la máxima presión a la que va a
estar sometido durante su vida útil (7).
La amplia gama de materiales usados
industrialmente, para el sistema de conducción,
se resumen en la tabla de clasificación, que a
continuación se presenta:
En el caso de lineas de conduccion con fines
agricolas los materiales mas utilizados son:
Fierro Galvanizado (Fo. Go.) y Polietieno de Alta
Densidad (PEAD).
Tuberías de fierro galvanizado (Fo.Go.)
El uso de fierro galvanizado en las instalaciones
hidráulicas es fundamental, en tuberías
exteriores. Esto es por la alta resistencia a los
golpes, proporcionada por su propia estructura
Líneas de conducción por gravedad
20
interna y por las gruesas paredes de los tubos y
conexiones.
La materia básica que constituye el fierro
galvanizado es principalmente hierro, del cual se
hace una fundición maleable para conseguir
tubos y piezas especiales, las cuales se
someten posteriormente al proceso de
galvanizado.
El galvanizado es un recubrimiento de zinc, que
se obtiene por inmersión en caliente, hecho con
la finalidad de proporcionar una protección a la
oxidación y en cierto porcentaje a la corrosión,
Figura 1.
Las tuberías y conexiones de fierro galvanizado
están fabricadas para trabajar a presiones
máximas de 10.5 kg cm-2
y 21.2 kg cm-2
.
Figura 1. Tubería de Fierro Galvanizado (Fo.Go)
(Fuente: Imagen propia)
Tuberías de Polietileno de Alta Densidad
(PEAD)
Fabricada con resina de polietileno de alta
densidad, de alto peso molecular y con paredes
externa e interna lisas, esta tubería se une a
través de la termofusión y electrofusión
garantizando un sistema totalmente hermético.
Tiene alta resistencia química, a la abrasión, a la
intemperie (7).
La tubería PEAD, está diseñada para una vida
útil mínima de 50 años considerando que
trabajaran enterradas a 20° C, sin embargo se
puede concluir que su vida útil es mucho mayor,
considerando que a partir de 0.80 m de
profundidad dejan de influir sobre ésta, las
condiciones de temperatura ambiental.
Se ha demostrado que la tubería PEAD al ser
sometida a flujos abrasivos, posee una mayor
resistencia al desgaste en comparación con
tuberías de acero y concreto.
La tubería PEAD, permite sensibles variaciones
de dirección con curvaturas en frío sin
necesidad de accesorios, adaptándose a
trazados quebrados. Se acomoda al terreno y se
ahorra en curvas y codos, Figura 2.
Figura 2. Tubería de Polietileno de Alta Densidad
(PEAD)
(Fuente: Imagen propia)
Selección de tubería
La selección de materiales de tubería para
cualquier aplicación, debe estar basada en las
recomendaciones de códigos aplicables,
estándares dimensionales y especificaciones de
material establecidas. Sin embargo, el ingeniero
de diseño debe considerar también los
Líneas de conducción por gravedad
20
requerimientos de servicio y parámetros tales
como: resistencia mecánica, resistencia a la
corrosión, facilidad de instalación, costo y vida
útil. El criterio económico estará determinado
por el tipo de tubería, su diámetro y el espesor.
La tubería debe seguir, en lo posible, el perfil del
terreno; en cuanto a su localización se escoge
para que sea la más favorable, con respecto al
costo de construcción y a las presiones
resultantes. Se debe tener especial atención en
la línea del gradiente hidráulico, mientras más
cercana esté ésta a la tubería la presión en el
acueducto será menor; condición que conlleva
un ahorro en el costo de la tubería. En
ocasiones, las altas presiones internas se
pueden eliminar rompiendo la línea de gradiente
hidráulico con la instalación de
almacenamientos auxiliares, como embalses o
cajas rompedoras de presión (7).
La velocidad de agua en la tubería debe ser la
adecuada para evitar que se depositen
sedimentos en ella, sin provocar problemas de
desgaste de las mismas.
En las obras de conducción por lo general, las
tuberías se instalan en zanja; en el trazo
topográfico debe procurarse evitar en lo posible,
la excavación en roca.
Cuando la topografía es accidentada, se debe
considerar en el proyecto la utilización de
válvulas de admisión y expulsión de aire
localizadas en los sitios más elevados del perfil,
mientras que, cuando la topografía sea
moderadamente plana, se ubicarán en puntos
situados a cada 1.5 km, como máximo, así como
en los puntos más altos del perfil de la línea, o
provocar con el perfil de la línea de conducción
puntos elevados para propiciar la salida del aire.
En tramos con pendiente fuerte, ascendente o
descendente, se debe analizar la conveniencia
de instalar válvulas de admisión o expulsión de
aire en puntos intermedios.
Componentes de una línea de conducción
Materiales
En la fabricación de tuberías utilizadas en los
sistemas de agua potable, los materiales de
mayor uso son: Fierro Galvanizado (Fo.Go),
fibrocemento, concreto pre esforzado, cloruro de
polivinilo (PVC), hierro dúctil y polietileno de alta
densidad (4).
Para el caso de tuberías con fines agrícolas,
estos son principalmente de Polietileno de Alta
Densidad y de Fierro Galvanizado.
Piezas especiales
! Juntas
Las juntas se utilizan para unir dos tuberías.
! Carretes
Los carretes son tubos de pequeña longitud
provistos de bridas en los extremos para su
unión.
! Extremidades
Las extremidades son tubos de pequeña
longitud que se colocan sobre alguna descarga
por medio de una brida en uno de sus extremos.
! Tees
Las tees se utilizan para unir tres conductos en
forma de té, donde las tres uniones pueden ser
del mismo diámetro, o dos de igual diámetro y
uno menor. En el segundo caso se llama te
reducción.
Líneas de conducción por gravedad
20
! Cruces
Las cruces se utilizan para unir cuatro conductos
en forma de cruz, donde las cuatro uniones
pueden ser del mismo diámetro, o dos mayores
de igual diámetro y dos menores de igual
diámetro. En el segundo caso se llama cruz
reducción.
! Codos
Los codos tienen la función de unir dos
conductos del mismo diámetro en un cambio de
dirección ya sea horizontal o vertical. Los codos
pueden tener deflexiones de 11.25°, 22.5°, 30°,
45°, 60° y 90°.
! Reducciones
Las reducciones se emplean para unir dos tubos
de diferente diámetro. En materiales de PVC, las
reducciones pueden ser en forma de espiga o
de campana.
! Coples
Los coples son pequeños tramos de tubo de
PVC o de fibrocemento que se utilizan para unir
las espigas de dos conductos del mismo
diámetro. Los coples pueden ser también de
reparación, los cuales se pueden deslizar
libremente sobre el tubo para facilitar la unión de
los dos tubos en el caso de una reparación.
! Tapones y tapas
Los tapones y las tapas se colocan en los
extremos de un conducto con el objetivo de
evitar la salida de flujo. En materiales de PVC,
es costumbre llamarlos tapones, pudiendo ser
en forma de campana o espiga. En materiales
de fierro fundido, se acostumbra llamarlos tapas
ciegas (7).
Válvulas
! Válvula eliminadora de aire
La válvula eliminadora de aire cumple la función
de expulsar el aire en la tubería que
continuamente se acumula en las partes altas
sobre el trazo de la conducción, cuando ésta se
encuentra en operación. Es útil principalmente
en el evento de llenado de la conducción, Figura
3.
! Válvula de admisión y expulsión de aire
La válvula de admisión y expulsión de aire se
utiliza para expulsar el aire que contiene la
tubería al momento de iniciar el llenado del
conducto. Una vez que el agua ejerce presión
sobre el flotador de la válvula, ésta se cierra y
no se abre mientras exista presión en el
conducto.
Otra función de esta válvula es permitir la
entrada de aire dentro del tubo al momento de
iniciar el vaciado de la tubería, y con ello evitar
que se presenten presiones negativas.
! Válvula de no retorno (Válvula Check)
La válvula de no retorno tiene la función de
evitar la circulación del flujo en el sentido
contrario al definido en el diseño.
! Válvula de seccionamiento
La válvula de seccionamiento se utiliza para
controlar el flujo dentro del tubo, ya sea para
impedir el paso del agua o reducir el gasto a un
valor requerido.
Las válvulas de seccionamiento pueden ser, por
ejemplo, tipo compuerta, de mariposa, o de
esfera (7).
! Válvula de limpieza o desagüe
Líneas de conducción por gravedad
20
Los sedimentos acumulados en los puntos bajos
de la línea de conducción con topografía
accidentada, provocan la reducción del área de
flujo del agua, siendo necesario instalar válvulas
de limpieza que permitan periódicamente la
limpieza de las tuberías, se conforman a través
de una tee y su válvula de seccionamiento en la
parte más baja de la línea de conducción (4).
Figura 3. Ubicación de válvulas (5).
Medios para control de transitorios
Se conoce con el nombre de “transitorios” a
los fenómenos de variación de presiones en las
conducciones a presión, motivadas en
variaciones proporcionales en las velocidades
(7). Algunos medios para su control son los
siguientes:
! Torre de oscilación
La torre de oscilación es un depósito a menudo
de forma circular en contacto con la atmósfera
por la parte superior, cuyo diámetro por lo
general es relativamente grande con relación al
diámetro de la conducción. Cumple la función de
aliviar las sobrepresiones y depresiones
causadas por un fenómeno transitorio.
Para evitar los derrames de agua cuando la
conducción se encuentra funcionando, la
elevación de la corona de la torre de oscilación
debe ser mayor al nivel del agua del punto de
descarga, y para evitar los derrames cuando el
gasto de la conducción es igual cero, el nivel de
la corona debe ser mayor a los niveles del agua
de cualquier depósito conectado a la
conducción.
La torre de oscilación, es de las estructuras más
confiables para el control de los transitorios, sin
riesgos de funcionamiento al no contener
dispositivos de control mecánico (7).
! Válvula aliviadora de presión
La válvula aliviadora de presión se coloca en la
tubería para disminuir las sobrepresiones
causadas por un fenómeno transitorio.
Es un dispositivo provisto de un resorte
calibrado para abrir una compuerta cuando la
presión sobrepasa un valor determinado. Se
recomienda colocar este tipo de elemento, en
conducciones con diámetros pequeños; sin
embargo, no debe olvidarse que las presiones
negativas tendrán que resolverse con algún otro
dispositivo.
! Caja rompedora de presión
Cuando existe mucho desnivel entre la
captación y algunos puntos a lo largo de la línea
de conducción, pueden generarse presiones
superiores a la máxima que puede soportar una
tubería. En esta situación, es necesaria la
construcción de cajas rompedoras de presión
que permitan disipar la energía y reducir la
presión relativa a cero (presión atmosférica), con
la finalidad de evitar daños en la tubería. Estas
estructuras permiten utilizar tuberías de menor
clase reduciendo considerablemente los costos
en las obras de abastecimiento de agua.
Líneas de conducción por gravedad
20
Gasto de diseño
El gasto con el que se diseña la línea de
conducción, se obtiene en función del gasto de
diseño requerido, así como del gasto disponible
que pueden proporcionar las fuentes de
abastecimiento. Es importante conocer los
gastos que pueden proporcionar las fuentes de
abastecimiento, sus niveles del agua y el tipo de
fuente (galería filtrante, manantial, presa, bordo,
olla, etc.) (6).
Para evitar los trabajos de un constante cierre y
apertura de válvulas, en una conducción por
gravedad, su funcionamiento deberá cubrir las
24 horas del día. Es por ello que al existir una
sola descarga, el gasto de ésta es igual al gasto
máximo diario.
Si el gasto disponible de la fuente es menor al
gasto máximo diario que requiere la población,
es necesario buscar otra fuente de
abastecimiento complementaria para
proporcionar la diferencia faltante.
Tomando en cuenta que el tiempo de
funcionamiento es de 24 horas, el gasto faltante
se obtiene con la siguiente fórmula:
	
𝑄 =
24
𝑁
𝑄!" − 𝑄!"#$%&"'() … … … … … … … … … (1)
Donde:
Qmd = Gasto máximo diario, lps.
Qdisponible= Gasto disponible, lps.
N = Tiempo de funcionamiento del gasto Q
faltante, hr.
En una línea de conducción por gravedad,
donde el gasto de la fuente de abastecimiento
sea mayor o igual al gasto máximo horario, no
es necesario construir un tanque de
amortiguamiento o regulación.
En este caso la línea de conducción se diseña
para el gasto máximo horario, considerando a
ésta como si fuera una línea de alimentación,
que abastece del tanque de amortiguamiento a
la red de distribución.
Cuando el gasto de la fuente de abastecimiento
es menor al gasto máximo horario, es necesario
construir un tanque de amortiguamiento o
regulación.
Hidráulica de tuberías
Ecuaciones para flujo permanente
Las ecuaciones fundamentales de la hidráulica
que aquí se aplican son dos, la de continuidad y
la de energía, que se presentan para el caso de
un flujo permanente.
Flujo uniforme en tuberías
En flujo uniforme, las características del flujo
(presión y velocidad media) permanecen
constantes en el espacio y en el tiempo. Por
consiguiente, es el tipo de flujo más fácil de
analizar y sus ecuaciones se utilizan para el
diseño de sistemas de tuberías. Como la
velocidad no está cambiando, el fluido no está
siendo acelerado. De acuerdo con la segunda
ley de Newton:
𝐹! = 𝑄 = 0 ……………………………………(2)
Es decir, la ecuación de continuidad estable con
la suma de gastos en un nodo es igual a cero,
observando si entran o salen del nodo.
La ecuación de la energía, aplicada en los
recorridos, expresa que el flujo de agua en
Líneas de conducción por gravedad
20
tuberías está siempre acompañado de pérdidas
de presión debidas a la fricción del agua con las
paredes de la tubería; por lo que requiere un
análisis especial y detallado. En la Figura 4, se
representa un flujo permanente y uniforme en
una sección transversal constante, con lo que
las velocidades medias en las secciones 1 y 2,
(v1 y v2), son iguales. Por otro lado, se considera
que a lo largo de este movimiento líquido no
existen transiciones locales, de manera que las
pérdidas menores serán nulas. Teniendo en
cuenta estas dos consideraciones, el teorema
de Bernoulli entre los puntos 1 y 2, se puede
establecer como sigue:
𝑍! +
𝑃!
𝛾
+
𝑉!
!
2𝑔
= 𝑍! +
𝑃!
𝛾
+
𝑉!
!
2𝑔
+ ℎ! … … … (3)	
Donde
Zi = Carga de posición (m), también considerada
carga hidrostática.
Pi = Presión estática a la que está sometido el
fluido, kg m-2
.
γ= Peso específico del fluido, kg m-3
.
Vi = Velocidad, m s-1.
g = Aceleración gravitatoria 9,81 m s-2
.
ℎ! = Son las pérdidas de energía que existen
en el recorrido, más las pérdidas locales de
energía provocadas por dispositivos como
válvulas,codos, reducciones, etc., en m.
Figura 4. Flujo permanente y uniforme para la
deducción del teorema de Bernoulli
Pérdidas de energía por fricción en la
conducción
Para calcular las pérdidas de energía por
fricción en la conducción, entre otras
ecuaciones, existen las de Darcy-Weisbach,
Hazen - Williams, y Manning, de las cuales se
recomienda utilizar la primera, por su carácter
general y mejor modelación del fenómeno.
La fórmula de Hazen-Williams se utiliza
particularmente para determinar la velocidad
del agua en tuberías circulares llenas, o
conductos cerrados es decir, que trabajan
a presión.
La fórmula de Hazen-Williams Surge, a
principios del siglo XX, como una tendencia para
solventar lo complejo que resultaba el cálculo de
estas pérdidas con la Ecuación de Darcy-
Weisbach; siendo la Ecuación de Hazen-
Williams una de las de uso más extendido,
desarrollaremos aquí lo relacionado con su
utilización en sistemas de tuberías operando a
presión.
Si consideramos que la aplicación de esta
ecuación es para el cálculo de las pérdidas por
fricción en tuberías completamente llenas de
Líneas de conducción por gravedad
20
agua (a presión) y utilizando la ecuación de
continuidad para expresarla en función del gasto
conducido (Q) así como el diámetro (D) y
longitud (L) de la tubería, tendremos la
expresión más conocida para las pérdidas por
fricción totales (hf):
ℎ! =
𝑣
0.355𝐶! 𝐷!.!"
!.!"#
𝐿 … … … … … … (4)
Donde:
CH = Coeficiente de pérdida de Hazen-Williams
que depende del material del tubo, según el
cuadro 1, adimensional.
L y D = Longitud y diámetro interior del tubo, m.
V = Velocidad media del flujo, m/s.
hf = Pérdida de energía por fricción, m.
De acuerdo a la ecuación de continuidad, se
despeja la velocidad:
De: 𝑄 = 𝐴𝑉 , se despeja V.
𝑉 =
𝑄
𝐴
=
𝑄
𝜋𝐷!
4
=
4𝑄
𝜋𝐷!
… … (5)
Sustituyendo V en la ecuación (4) tenemos la
siguiente expresión:
ℎ! =
4𝑄
𝜋𝐷!
0.355𝐶! 𝐷!.!"
!.!"#
𝐿 … … … … … … (6)
ℎ! = 10.67
𝑄
𝐶!
!.!"#
𝐿
𝐷!.!"
… … … … … . … (7)
Donde:
CH = Coeficiente de pérdida de Hazen-Williams
que depende del material del tubo, según el
Cuadro 1, adimensional.
L y D = Longitud y diámetro interior del tubo, m.
Q = Gasto del flujo, m3
s-1
.
hf = Pérdida de energía por fricción, m.
Cuadro 1. Coeficiente de pérdida de Hazen-
Williams
Material CH
Acero corrugado 60
Acero con juntas lokbar (nuevo) 135
Acero galvanizado (nuevo y usado) 125
Acero remachado (nuevo) 110
Acero remachado (usado) 85
Acero soldado o con remache avellanado y embutido
(nuevo)
120
Acero soldado o con remache avellanado y embutido
(usado)
90
Acero soldado con revestimiento especial (nuevo o
usado)
130
Fierro fundido limpio (nuevo) 130
Fierro fundido sin incrustaciones (usado) 110
Fierro fundido con incrustaciones (viejo) 90
Plástico (PVC o PE) 150
Asbesto-cemento (nuevo) 135
Cobre y latón 130
Conductos con acabado interior de cemento pulido 100
Concreto, acabado liso 130
Concreto, acabado común 120
Tubos de barro vitrificado (drenes) 110
Madera cepillada o en duelas 120
Fuente: Hidráulica Elemental, (1)
Pérdidas Locales
Las pérdidas locales de energía se generan en
distancias relativamente cortas, por accesorios
de la conducción tales como codos, tés, cruces,
válvulas, entre otras (Cuadro 2).
Líneas de conducción por gravedad
20
Cuadro 2. Valores de k para diferentes
accesorios.
Accesorio Coeficiente k
1. De depósito a tubería (pérdida a la entrada)
Conexión a ras de la pared 0.50
Tubería entrante 1.0
Conexión abocinada 0.05
2. De tubería a deposito (perdida a la
salida)
1
3. Contracción brusca
Kc, ver
Cuadro 3
4. Codos y tés
Codo de 45° 0.35 a 0.45
Codo de 90° 0.50 a 0.75
Tés 1.50 a 2.00
	
Para calcular las pérdidas locales de energía se
utiliza la expresión general:
ℎ! = 𝑘𝑥
𝑣!
2𝑔
… … … … … … … … … … … … … (8)
Donde:
kx = Coeficiente de pérdida que depende del
accesorio x que lo genera.
g = Gravedad terrestre, 9.81 m s-2
.
v = Velocidad media del flujo, m.
Para el caso de un ensanchamiento brusco
(Cuadro 3):
	
Cuadro 3. Valores de k para contracción brusca.
D1/D2 Kc
1.20 0.08
1.40 0.17
1.60 0.26
1.80 0.34
2.00 0.37
2.50 0.41
3.00 0.43
4.00 0.45
5.00 0.46
Diseño de líneas de conducción por
gravedad
Las conducciones por gravedad pueden ser
líneas o redes de conducción (2).
Para una línea de conducción por gravedad
(Figura 5), se presenta un modelo para
encontrar el tubo necesario que transporta al
gasto de diseño sobre una topografía que
proporciona un desnivel favorable hacia el punto
de descarga. En este tipo de conducción se
tiene un desnivel disponible (Hdis), dado entre
las cargas hidráulicas existentes en el inicio (en
la fuente) y el final (la descarga) de la
conducción. El problema consiste entonces en
determinar el diámetro del tubo, que conducirá
el gasto deseado Q con una pérdida de carga en
la conducción igual a Hdisp.
Figura 5. Esquema de una línea de conducción
por gravedad
(Fuente: elaboración propia).
En principio, de la fórmula de pérdidas de carga
para una h=Hdisp y un Q dados, podría
despejarse un valor teórico para el diámetro,
que daría la pérdida de carga Hdisp. Ese
diámetro seguramente no corresponderá a un
diámetro comercial. Para salvar el
inconveniente, se propone construir una parte
de la conducción con el diámetro inmediato
inferior comercial y el resto con el diámetro
Líneas de conducción por gravedad
20
inmediato superior; de forma tal que la pérdida
de carga total en los dos tramos diera el valor de
Hdisp.
Para definir los diámetros inmediato inferior e
inmediato superior al teórico, bastaría calcular
por la Ecuación 7, la pérdida de carga en la
conducción para varios pares de diámetros
comerciales vecinos, hasta encontrar que para
el menor diámetro se obtenga una pérdida de
carga mayor que Hdisp y para el mayor diámetro
se obtenga una pérdida de carga menor que
Hdisp.
Presiones máximas
Se recomienda que la presión estática máxima
no sea mayor al 80% de la presión nominal de
trabajo de las tuberías a emplearse, debiendo
ser compatibles con las presiones de servicio de
los accesorios y válvulas a emplearse.
Estaciones reductoras de presión
Si en el perfil aparecen depresiones muy
profundas, puede ser económico colocar
depósitos intermedios llamados cajas
rompedoras de presión, que tienen por objeto
fragmentar la línea piezométrica, reducir la
altura de presión y establecer un nuevo nivel
estático que dará lugar a tuberías de menor
espesor y por consiguiente, de menor costo
(Figura 6).
Su empleo se recomienda también cuando la
calidad de las tuberías, válvulas y accesorios de
la tubería no permiten soportar altas presiones,
así como mantener las presiones máximas de
servicio dentro de una red de distribución.
	
Figura 6. Depósito intermedio o caja rompedora
de presión para disminuir la presión en la tubería.
Válvulas, uso y ubicación
Cada vez que la conducción se pone en
funcionamiento, es necesario expulsar el aire de
la tubería para permitir que el tubo pueda
llenarse de agua. En ocasiones, esto no es
necesario ya que el perfil puede ser tal, que la
tubería puede mantenerse llena.
Cuando la conducción se encuentra llena
requiere desaguarse, por ejemplo, para realizar
alguna reparación de la tubería, es necesario
abrir las válvulas de desagüe colocadas en los
puntos bajos de la tubería, y en los puntos altos
es preciso admitir aire a la tubería.
Para que se logre el llenado y el vaciado de la
tubería, se colocan válvulas de admisión y
expulsión de aire, las cuales hacen la doble
función de expulsar el aire cuando la tubería se
está llenando, o admitir aire a la tubería cuando
ésta se está vaciando.
Se recomienda colocar válvulas eliminadoras de
aire y válvulas de admisión y expulsión de aire
en todos los puntos altos de la conducción y en
los tramos largos sensiblemente planos a
distancias de 400 a 800 m. Las válvulas de
desagüe o limpieza se colocan en los puntos
bajos, Figura 7.
Líneas de conducción por gravedad
20
Se recomienda además, colocar válvulas de aire
después de una obra de toma o cualquier
válvula de compuerta para evitar daños a la
tubería al momento del cierre de la misma.
Figura 7. Perfil de una línea de conducción y sus
respectivas válvulas así como su rompedora de
presión
(Fuente: elaboración propia).
El diámetro necesario de la válvula de admisión
y expulsión de aire se obtiene con base en las
curvas de funcionamiento de las válvulas
(Figuras 8 y 9).
	
Figura 8. Curvas de funcionamiento de válvulas
de admisión y expulsión de aire con orificio de
1’’a 3’’.
Figura 9. Curvas de funcionamiento de válvulas
de admisión y expulsión de aire con orificio de
4”a 12”.	
El diámetro de expulsión se obtiene con el gasto
de llenado de la tubería y una presión máxima
de aire en la válvula de 0.14 Pa (1 Pa =
0.000145 lb pulg-2
).
El diámetro de admisión se obtiene con base al
gasto máximo de vaciado, considerando una
depresión máxima admisible de 0.35 Pa y un
adecuado tiempo de vaciado. Además, debe
tomarse en cuenta la presión mínima permitida
por el material del tubo donde se coloca la
válvula.
Llenado programado en la línea de
conducción
El llenado programado considera la evacuación
del aire existente en las tuberías, a través de
válvulas de expulsión ubicadas a lo largo de la
conducción en los sitios donde el aire puede
quedar atrapado. La expulsión genera
sobrepresiones, debidas a la alteración súbita
que sufre el gasto con que se llena la
conducción al cerrarse las válvulas. Estas
válvulas cierran cuando el agua llega hasta ellas
y empuja el flotador contra el orificio, Figura 10.
Líneas de conducción por gravedad
20
Figura 10. Llenado de la línea de conducción.	
Vaciado programado en la línea de
conducción
El vaciado programado considera la entrada de
aire por medio de válvulas de admisión que
eviten depresiones en la conducción; la
ubicación de éstas deberá ser en los puntos
altos del trazo. El vaciado se efectúa mediante
válvulas de compuerta ubicadas en las partes
bajas y en todo sitio donde sea posible el
estancamiento de agua a lo largo de la
conducción (Figura 11).
Figura 11. Localización de las válvulas de
vaciado en una línea de conducción.
Anclaje
En el diseño de líneas de aducción colocadas
sobre soportes, se presentan con frecuencia
cambios de dirección tanto horizontal como
vertical, los que provocan un desequilibrio entre
las distintas fuerzas actuantes que intentarán
desplazar la tubería. A fin de evitar estos
posibles desplazamientos, se diseñan anclajes
especiales, capaces de absorber el desequilibrio
de las fuerzas que puedan ocurrir, en cualquier
cambio, en el trazado de la tubería. En la Figura
11 y 12 se muestran algunos anclajes.
En tuberías de aducción deben preverse los
anclajes de seguridad necesarios, ya sea de
hormigón (ciclópeo, simple o armado) o
metálicos, en los siguientes casos:
a) En tuberías expuestas a la intemperie que
requieran estar apoyadas en soportes, o
adosadas a formaciones naturales de
rocas (mediante anclajes metálicos).
b) En los cambios de dirección tanto
horizontales como verticales de tramos
enterrados o expuestos, siempre que el
cálculo estructural lo justifique.
Figura 11. Anclaje sobre línea de conducción.
Fuente: Imagen Propia
Líneas de conducción por gravedad
20
Figura 12. Anclajes mínimos en sistemas de
distribución de agua.
Topografía
Para llevar a cabo el proyecto de una
conducción resulta útil apoyarse sobre cartas
topográficas del INEGI para estudiar los posibles
trazos, además de vistas satelitales como ahora
lo ofrece Google Earth, para visualizar y dar un
apoyo extra al proyectista para lo que será el
recorrido de campo.
Sobre el trazo de la conducción, será necesario
obtener un levantamiento topográfico en
planimetría y altimetría, marcando las
elevaciones del terreno natural preferentemente
con cadenamientos a cada 20 metros, en los
puntos donde existen cambios importantes de la
pendiente del terreno y, en los puntos donde
cambia el trazo horizontal de la conducción.
Es importante localizar, sobre el trazo, los
cruces importantes de la conducción; tales como
ríos, arroyos, canales, carreteras y vías del
ferrocarril.
Durante el levantamiento topográfico se deben
dejar puntos de apoyo estáticos en caso de que
dicho trabajo requiera ser corroborado durante
el proceso de diseño.
En el proyecto ejecutivo, el plano de la línea de
conducción deberá contener como mínimo la
siguiente información:
" PLANTA TOPOGRÁFICA: será necesario
presentar las curvas de nivel, así como
etiquetar la elevación correspondiente a
una escala que pueda leerse fácilmente
en el plano, así como los respectivos
cadenamientos. Además resulta útil
colocar una retícula UTM o con
coordenadas geográficas según sea el
gusto del diseñador para facilidad de
ubicación del proyecto.
Se señalará la ubicación de Válvulas de
Admisión y Expulsión de Aire (VAEA´S), obras
de toma, válvulas de limpieza, rompedoras de
presión, etc. Al igual el paso de arroyos,
caminos o parcelas para mejor interpretación.
! PERFIL DE LA LÍNEA: el perfil será
trazado con una escala que permita la
visualización de los cambios de elevación
en terrenos accidentados, además de
ubicar VAEA´S, obras de toma, válvulas
de limpieza, rompedoras de presión, etc.
en el cadenamiento correspondiente.
! PLANTA HIDRÁULICA: en este apartado
del plano se presentarán las cotas
piezométricas de cada nodo de la línea,
la elevación del terreno natural en dicho
punto y los metros de columna de agua
disponible.
! DETALLES: En el plano será conveniente
colocar detalles de obras de toma,
válvulas de aire, rompedoras de presión,
así como un cuadro resumen donde se
presenten los diámetros y RD o calibre de
Líneas de conducción por gravedad
20
los tramos de tubería, al igual del
despiece de la línea.
! ESPECIFICACIÓNES TÉCNICAS: El
proyectista mencionará datos y
recomendaciones técnicas que
favorezcan el proceso de instalación de la
línea.
! INFORMACIÓN DE PLANO Y
MEMBRETE: es indispensable colocar un
mapa de Macro y microlocalización del
lugar de estudio, así como un cuadro de
simbología donde únicamente se
mencionarán los símbolos que fueron
utilizados en el plano presentado y un
membrete donde se presentarán los
datos generales del proyecto, por
ejemplo: Nombre del plano, logos,
nombre del diseñador o nombre del
equipo de trabajo, fecha, numero de
plano, escala, etc.
Ejemplo de cálculo de pérdida de carga y
carga piezométrica de la línea de conducción
Se tomará como ejemplo una línea de
conducción diseñada en el estado de Oaxaca, la
cual fue propuesta con tubería de Polietileno de
Alta densidad de 4” de diámetro, para un caudal
de 12.8 lps, en un tramo de 600 m desde la
captación hasta una olla de almacenamiento con
descarga libre.
Para el cálculo de la línea piezométrica se
seguirá el método de Hazen Williams para
obtener la perdida de carga por fricción la cual
estará dada por la ecuación 7.
Datos de entrada:
! Caudal de diseño= 12.8 m3
s-1
! Longitud total= 600 m
! Diámetro= 4 in= 101.6 mm
! CH= 150
! Carga inicial= 3.00 m
Se analizará el primer tramo, con una longitud
de 20 m y posteriormente se presentará el
cuadro resumen de la línea de conducción.
ℎ! = 10.67
𝑄
𝐶!
!.!"#
𝐿
𝐷!.!"
ℎ! = 10.67
0.0128
150
!.!"#
20
0.1016!.!"
ℎ! = 0.427 𝑚
Para este ejemplo se despreciará las pérdidas
localizadas, puesto que la longitud de la línea es
menor de 1000 m, según recomendación de
Arteaga, pero para fines de próximos diseños
puede considerarse un 10% de la perdida de
carga por fricción.
El cadenamiento 0+000 presenta una elevación
de 1656.958 y el cadenamiento posterior 0+020
de 1656.942, por lo que se tiene una diferencia
de nivel de 0.016 m.
De acuerdo a los datos anteriores la carga en el
segundo nodo (cadenamiento 0+020) será igual
a la diferencia de ambas cotas menos la perdida
de carga por fricción.
𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑁𝑜𝑑𝑜 = 1656.958 − 1656.942 − 0.427
= 0.016 − 0.427
𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑁𝑜𝑑𝑜 = −0.411
Por lo que la carga disponible en el segundo
nodo será igual a la carga inicial más la carga en
el nodo siguiente:
Líneas de conducción por gravedad
20
𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑑𝑖𝑠𝑝𝑜𝑛𝑖𝑏𝑙𝑒 = 3.0 + −0.411
= 3.0 − 0.411
𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑑𝑖𝑠𝑝𝑜𝑛𝑖𝑏𝑙𝑒 = 2.589 𝑚
Finalmente las cotas piezométricas del nodo
inicial y el posterior será de:
𝐶𝑜𝑡𝑎 𝑃𝑖𝑒𝑧𝑜𝑚é𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎
= 𝐶𝑜𝑡𝑎 𝑑𝑒 𝑡𝑒𝑟𝑟𝑒𝑛𝑜
+ 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑑𝑖𝑠𝑝𝑜𝑛𝑖𝑏𝑙𝑒
𝑁𝑜𝑑𝑜 1 = 1656.958 + 3.00 = 1659.958 𝑚
𝑁𝑜𝑑𝑜 2 = 1656.942 + 2.589 = 1659.531 𝑚
Y Así sucesivamente, de acuerdo con el
Cuadro 4.
Cuadro 4 Cálculo de cota piezométrica a descarga libre
Cadenamiento Cota (m)
Desnivel
(m)
Longitud
(m)
Diámetro
(m)
Gasto
(m3/s)
C
(Adim.)
hf Hazen-
Williams (m)
hT ACUMULADO
(m)
Carga
Nodo (m)
Carga
Disponible
(m)
Cota
Piezométrica
(m)
0+000 1656.958 0.000 0.00 0.1016 0.0128 150 0.000 0.000 3.000 3.000 1659.958
0+020 1656.942 0.016 20.000 0.1016 0.0128 150 0.427 0.427 -0.411 2.589 1659.531
0+056 1656.345 0.597 35.802 0.1016 0.0128 150 0.764 1.190 -0.167 2.423 1658.768
0+075 1656.141 0.204 19.232 0.1016 0.0128 150 0.410 1.601 -0.206 2.216 1658.357
0+087 1656.192 -0.051 12.457 0.1016 0.0128 150 0.266 1.866 -0.317 1.900 1658.092
0+131 1652.517 3.675 43.734 0.1016 0.0128 150 0.933 2.799 2.742 4.642 1657.159
0+165 1651.542 0.975 33.761 0.1016 0.0128 150 0.720 3.519 0.255 4.897 1656.439
0+209 1653.299 -1.757 43.972 0.1016 0.0128 150 0.938 4.457 -2.695 2.202 1655.501
0+241 1649.813 3.486 32.161 0.1016 0.0128 150 0.686 5.143 2.800 5.002 1654.815
0+270 1648.702 1.111 28.576 0.1016 0.0128 150 0.610 5.753 0.501 5.503 1654.205
0+304 1647.063 1.639 34.575 0.1016 0.0128 150 0.738 6.491 0.901 6.404 1653.467
0+328 1646.884 0.179 24.195 0.1016 0.0128 150 0.516 7.007 -0.337 6.067 1652.951
0+350 1646.402 0.482 22.014 0.1016 0.0128 150 0.470 7.476 0.012 6.080 1652.482
0+387 1645.120 1.282 36.545 0.1016 0.0128 150 0.780 8.256 0.502 6.582 1651.702
0+424 1644.786 0.334 36.839 0.1016 0.0128 150 0.786 9.042 -0.452 6.130 1650.916
0+431 1644.282 0.504 6.863 0.1016 0.0128 150 0.146 9.188 0.358 6.488 1650.770
0+451 1643.867 0.415 20.596 0.1016 0.0128 150 0.439 9.627 -0.024 6.464 1650.331
0+488 1643.120 0.747 36.957 0.1016 0.0128 150 0.788 10.416 -0.041 6.422 1649.542
0+529 1642.822 0.298 40.237 0.1016 0.0128 150 0.858 11.274 -0.560 5.862 1648.684
Líneas de conducción por gravedad
18
Cadenamiento Cota (m)
Desnivel
(m)
Longitud
(m)
Diámetro
(m)
Gasto
(m3/s)
C
(Adim.)
hf Hazen-
Williams (m)
hT ACUMULADO
(m)
Carga
Nodo (m)
Carga
Disponible
(m)
Cota
Piezométrica
(m)
0+554 1642.590 0.232 25.884 0.1016 0.0128 150 0.552 11.826 -0.320 5.542 1648.132
0+600 1642.549 0.041 45.595 0.1016 0.0128 150 0.973 12.799 -0.932 4.610 1647.159
Se debe garantizar que la cota piezométrica se
encuentre por arriba de la cota del terreno
natural o de la zanja para garantizar que fluya el
agua por la tubería, tal como se muestra en la
Figura 13.
Figura 13. Perfil de terreno y cota piezométrica
Además la carga disponible en cada nodo será
de gran importancia para definir el espesor de la
tubería, para este caso el RD correspondiente,
el cual debe resistir la presión necesaria para
evitar la ruptura del material y lograr con ello
economizar el costo del material.
En el cuadro 4 se observa que la presión
máxima a lo largo de la tubería es de 6.582 m,
dicho dato podrá ser comparado con catálogos
de materiales como se presenta en la Figura 14.
De acuerdo con esto, se elige en RD 32.5 que
soporta una presión de trabajo de 4 kg cm-2
equivalente a 40 mca; aunque un RD 41
también soporta la presión de 6.582 se
recomienda elegir espesores de tubería que
faciliten el pegado mediante termofusión.
1640.00	
1642.00	
1644.00	
1646.00	
1648.00	
1650.00	
1652.00	
1654.00	
1656.00	
1658.00	
1660.00	
1662.00	
0+000	 0+100	 0+200	 0+300	 0+400	 0+500	 0+600	
Elevación	(m)	
Cadenamiento	(m)	
C.	Terreno	
C.Piezométrica
Líneas de conducción por gravedad
19
Figura 14. Catálogo de tubería PEAD y rango de presiones
(Fuente: Catalogo de presiones Valtic).
Bibliografía
1. Arteaga T. R. E., 2009. Hidráulica
Elemental. Universidad Autónoma
Chapingo, Texcoco, Estado de México.
2. Azevedo N. J. M., Acosta A. G., 1976.
Manual de Hidráulica. Editorial Harla,
México.
3. CNA 2007. Manual de agua potable
alcantarillado y saneamiento:
Conducción. México, D.F.
4. CNA 2007. Manual de agua potable
alcantarillado y saneamiento: Diseño,
selección e instalación de tuberías de
acero para líneas de conducción de agua
potable. México, D.F.
5. CONAGUA 2016. Manual de Agua
Potable, Alcantarillado y Saneamiento.
Conducciones. México. D.F. Disponible
en: http://aneas.com.mx/wp-
content/uploads/2016/04/SGAPDS-1-15-
Libro10.pdf, consultado el día 30 de
Octubre de 2017.
6. https://es.slideshare.net/pool2014/linea-
de-conduccion.
7. Martínez P. A. R., 2014. Intrusión
patógena en conductos a presión
causada por transitorios con aire
atrapado. Universidad Nacional
Autónoma de México. México, D. F. A.
8. Montiel V. Á., 2008. Fundamentos de
Hidráulica para diseño y revisión de riego
presurizado. Universidad Autónoma
Chapingo, Texcoco, Estado de México.
Líneas de conducción por gravedad
20
“LÍNEAS DE CONDUCCIÓN POR
GRAVEDAD”
Segunda Edición
México, Noviembre 2017
Secretaría de Agricultura,
Ganadería, Desarrollo Rural,
Pesca y Alimentación
Subsecretaría de Desarrollo Rural,
Dirección General de Producción
Rural Sustentable en Zonas
Prioritarias
Responsables de la Ficha
Dr. Mario R. Martínez Menes
(mmario@colpos.mx)
Dr. Demetrio Fernández Reynoso
(demetrio@colpos.mx)
M. C. Hilario Ramírez Cruz
(ramirezcruzhi@gmail.com)
Ing. Ricardo Castillo Vega
Ing. Daisy Yessica Uribe Chávez
Colegio de Postgraduados
Carretera México-Texcoco, km 36.5
Montecillo, Edo. de México
56230Tel. 01 (595) 95 2 02 00 (ext.
1213)

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Líneas de conducción por gravedad (2da ed.)

  • 1. Líneas de conducción por gravedad 20
  • 2. Líneas de conducción por gravedad 20 Introducción Dentro de un sistema de abastecimiento de agua, se le llama línea de conducción, al conjunto integrado por tuberías, y dispositivos de control, que permiten el transporte del agua en condiciones adecuadas de calidad, cantidad y presión- desde la fuente de abastecimiento, hasta el sitio donde será distribuida. La pérdida de presión es la principal consideración en el diseño de cualquier tubería. Aunque existen innumerables fuentes de pérdida de presión a lo largo de las tuberías, éstas se pueden dividir para su estudio en pérdidas mayores o de fricción y en pérdidas menores o localizadas. Las líneas de conducción de agua se calculan siguiendo varios procedimientos existentes. Su diseño en general consiste en definir el diámetro en función de las pérdidas de carga, a partir del gasto que se conducirá y el material de la tubería. Las pérdidas de carga, se obtienen aplicando las ecuaciones de Darcy-Weisbach, Scobey, Manning o Hazen-Williams (3). Se pueden presentar dos condiciones de operación de la tubería, por bombeo o gravedad. Pero para los propósitos del presente documento solo se analiza la presión dada por la gravedad, es decir, por la diferencia de elevación. En el caso de tuberías sujetas a la presión de la gravedad se pueden presentar dos situaciones: Donde la diferencia de alturas apenas es suficiente, para proporcionar una presión adecuada para el funcionamiento, el problema consiste en conservar la energía usando tubos de diámetros grandes para tener mínimas pérdidas de carga por fricción y evitar bombeo de auxilio. Cuando la diferencia de altura entre la fuente de abastecimiento y la ubicación del sitio a abastecer, es tal que la presión proporcionada es mayor a la requerida, el problema radica en reducir las ganancias de presión, lo cual se logra seleccionando tuberías de diámetros más pequeños o en su caso la construcción de cajas rompedoras de presión. Definición En hidráulica se entiende por tubería cualquier conducto cerrado de desarrollo importante (como mínimo alrededor de 500 veces su diámetro) (1). Se considera como tubería a todo conducto cerrado de desarrollo importante (mayor de 500 veces su diámetro interior), que transporta agua sin superficie libre, es decir, a presión y en la que el movimiento del líquido no depende exclusivamente de una pendiente favorable continua (8). Objetivo Proporcionar las bases de diseño de las líneas de conducción y establecer los requisitos mínimos de seguridad que deben cubrir, así como la selección de los materiales apropiados y obras de control para su manejo y los lineamientos generales para la instalación en las líneas de conducción de agua a gravedad. Ventajas • Al tratarse de un conducto cerrado no se presenta perdidas por evaporación y filtración.
  • 3. Líneas de conducción por gravedad 20 • Por el tipo de material, las líneas de conducción tienden a soportar presiones altas. • Las tuberías normalmente superan una vida útil de 50 años. • El uso de tuberías permite distribuir de manera eficiente en terrenos agrícolas. • Permiten el paso en arroyos y cruces carreteros más fácilmente. Desventajas • Los costos de adquisición e instalación son altos. • En algunos materiales, se requiere de mano especializada para su instalación. Datos generales del diseño Los datos generales a recabar para el diseño de una línea de conducción, son, entre otros: • Ubicación de la fuente de abastecimiento y gasto disponible. • Ubicación de las parcelas agrícolas y/o zona poblada en caso de que el agua sea para uso potable. • Trazo y levantamiento topográfico la línea de conducción. • Caracterización de la zona (clima, suelo, vegetación, tipo de cultivo, vías de comunicación, etc) • Las descargas, el clima, los medios de comunicación al lugar y usos del agua. • Demanda de agua en el punto de entrega. Para definir cotas, distancias y posibles afectaciones, sobre el derecho de vía propuesto, el proyectista podrá ayudarse de las cartas topográficas del INEGI o de información geográfica de Google Earth. Sistema de conducción Del diseño hidráulico debe determinarse para todo el sistema o por tramos, la mayor presión estática o dinámica (incluyendo los fenómenos transitorios). De acuerdo con estas presiones, se escoge la clase de tubería que se debe instalar de forma que la presión de trabajo o servicio recomendada por el fabricante sea mayor o igual a la máxima presión a la que va a estar sometido durante su vida útil (7). La amplia gama de materiales usados industrialmente, para el sistema de conducción, se resumen en la tabla de clasificación, que a continuación se presenta: En el caso de lineas de conduccion con fines agricolas los materiales mas utilizados son: Fierro Galvanizado (Fo. Go.) y Polietieno de Alta Densidad (PEAD). Tuberías de fierro galvanizado (Fo.Go.) El uso de fierro galvanizado en las instalaciones hidráulicas es fundamental, en tuberías exteriores. Esto es por la alta resistencia a los golpes, proporcionada por su propia estructura
  • 4. Líneas de conducción por gravedad 20 interna y por las gruesas paredes de los tubos y conexiones. La materia básica que constituye el fierro galvanizado es principalmente hierro, del cual se hace una fundición maleable para conseguir tubos y piezas especiales, las cuales se someten posteriormente al proceso de galvanizado. El galvanizado es un recubrimiento de zinc, que se obtiene por inmersión en caliente, hecho con la finalidad de proporcionar una protección a la oxidación y en cierto porcentaje a la corrosión, Figura 1. Las tuberías y conexiones de fierro galvanizado están fabricadas para trabajar a presiones máximas de 10.5 kg cm-2 y 21.2 kg cm-2 . Figura 1. Tubería de Fierro Galvanizado (Fo.Go) (Fuente: Imagen propia) Tuberías de Polietileno de Alta Densidad (PEAD) Fabricada con resina de polietileno de alta densidad, de alto peso molecular y con paredes externa e interna lisas, esta tubería se une a través de la termofusión y electrofusión garantizando un sistema totalmente hermético. Tiene alta resistencia química, a la abrasión, a la intemperie (7). La tubería PEAD, está diseñada para una vida útil mínima de 50 años considerando que trabajaran enterradas a 20° C, sin embargo se puede concluir que su vida útil es mucho mayor, considerando que a partir de 0.80 m de profundidad dejan de influir sobre ésta, las condiciones de temperatura ambiental. Se ha demostrado que la tubería PEAD al ser sometida a flujos abrasivos, posee una mayor resistencia al desgaste en comparación con tuberías de acero y concreto. La tubería PEAD, permite sensibles variaciones de dirección con curvaturas en frío sin necesidad de accesorios, adaptándose a trazados quebrados. Se acomoda al terreno y se ahorra en curvas y codos, Figura 2. Figura 2. Tubería de Polietileno de Alta Densidad (PEAD) (Fuente: Imagen propia) Selección de tubería La selección de materiales de tubería para cualquier aplicación, debe estar basada en las recomendaciones de códigos aplicables, estándares dimensionales y especificaciones de material establecidas. Sin embargo, el ingeniero de diseño debe considerar también los
  • 5. Líneas de conducción por gravedad 20 requerimientos de servicio y parámetros tales como: resistencia mecánica, resistencia a la corrosión, facilidad de instalación, costo y vida útil. El criterio económico estará determinado por el tipo de tubería, su diámetro y el espesor. La tubería debe seguir, en lo posible, el perfil del terreno; en cuanto a su localización se escoge para que sea la más favorable, con respecto al costo de construcción y a las presiones resultantes. Se debe tener especial atención en la línea del gradiente hidráulico, mientras más cercana esté ésta a la tubería la presión en el acueducto será menor; condición que conlleva un ahorro en el costo de la tubería. En ocasiones, las altas presiones internas se pueden eliminar rompiendo la línea de gradiente hidráulico con la instalación de almacenamientos auxiliares, como embalses o cajas rompedoras de presión (7). La velocidad de agua en la tubería debe ser la adecuada para evitar que se depositen sedimentos en ella, sin provocar problemas de desgaste de las mismas. En las obras de conducción por lo general, las tuberías se instalan en zanja; en el trazo topográfico debe procurarse evitar en lo posible, la excavación en roca. Cuando la topografía es accidentada, se debe considerar en el proyecto la utilización de válvulas de admisión y expulsión de aire localizadas en los sitios más elevados del perfil, mientras que, cuando la topografía sea moderadamente plana, se ubicarán en puntos situados a cada 1.5 km, como máximo, así como en los puntos más altos del perfil de la línea, o provocar con el perfil de la línea de conducción puntos elevados para propiciar la salida del aire. En tramos con pendiente fuerte, ascendente o descendente, se debe analizar la conveniencia de instalar válvulas de admisión o expulsión de aire en puntos intermedios. Componentes de una línea de conducción Materiales En la fabricación de tuberías utilizadas en los sistemas de agua potable, los materiales de mayor uso son: Fierro Galvanizado (Fo.Go), fibrocemento, concreto pre esforzado, cloruro de polivinilo (PVC), hierro dúctil y polietileno de alta densidad (4). Para el caso de tuberías con fines agrícolas, estos son principalmente de Polietileno de Alta Densidad y de Fierro Galvanizado. Piezas especiales ! Juntas Las juntas se utilizan para unir dos tuberías. ! Carretes Los carretes son tubos de pequeña longitud provistos de bridas en los extremos para su unión. ! Extremidades Las extremidades son tubos de pequeña longitud que se colocan sobre alguna descarga por medio de una brida en uno de sus extremos. ! Tees Las tees se utilizan para unir tres conductos en forma de té, donde las tres uniones pueden ser del mismo diámetro, o dos de igual diámetro y uno menor. En el segundo caso se llama te reducción.
  • 6. Líneas de conducción por gravedad 20 ! Cruces Las cruces se utilizan para unir cuatro conductos en forma de cruz, donde las cuatro uniones pueden ser del mismo diámetro, o dos mayores de igual diámetro y dos menores de igual diámetro. En el segundo caso se llama cruz reducción. ! Codos Los codos tienen la función de unir dos conductos del mismo diámetro en un cambio de dirección ya sea horizontal o vertical. Los codos pueden tener deflexiones de 11.25°, 22.5°, 30°, 45°, 60° y 90°. ! Reducciones Las reducciones se emplean para unir dos tubos de diferente diámetro. En materiales de PVC, las reducciones pueden ser en forma de espiga o de campana. ! Coples Los coples son pequeños tramos de tubo de PVC o de fibrocemento que se utilizan para unir las espigas de dos conductos del mismo diámetro. Los coples pueden ser también de reparación, los cuales se pueden deslizar libremente sobre el tubo para facilitar la unión de los dos tubos en el caso de una reparación. ! Tapones y tapas Los tapones y las tapas se colocan en los extremos de un conducto con el objetivo de evitar la salida de flujo. En materiales de PVC, es costumbre llamarlos tapones, pudiendo ser en forma de campana o espiga. En materiales de fierro fundido, se acostumbra llamarlos tapas ciegas (7). Válvulas ! Válvula eliminadora de aire La válvula eliminadora de aire cumple la función de expulsar el aire en la tubería que continuamente se acumula en las partes altas sobre el trazo de la conducción, cuando ésta se encuentra en operación. Es útil principalmente en el evento de llenado de la conducción, Figura 3. ! Válvula de admisión y expulsión de aire La válvula de admisión y expulsión de aire se utiliza para expulsar el aire que contiene la tubería al momento de iniciar el llenado del conducto. Una vez que el agua ejerce presión sobre el flotador de la válvula, ésta se cierra y no se abre mientras exista presión en el conducto. Otra función de esta válvula es permitir la entrada de aire dentro del tubo al momento de iniciar el vaciado de la tubería, y con ello evitar que se presenten presiones negativas. ! Válvula de no retorno (Válvula Check) La válvula de no retorno tiene la función de evitar la circulación del flujo en el sentido contrario al definido en el diseño. ! Válvula de seccionamiento La válvula de seccionamiento se utiliza para controlar el flujo dentro del tubo, ya sea para impedir el paso del agua o reducir el gasto a un valor requerido. Las válvulas de seccionamiento pueden ser, por ejemplo, tipo compuerta, de mariposa, o de esfera (7). ! Válvula de limpieza o desagüe
  • 7. Líneas de conducción por gravedad 20 Los sedimentos acumulados en los puntos bajos de la línea de conducción con topografía accidentada, provocan la reducción del área de flujo del agua, siendo necesario instalar válvulas de limpieza que permitan periódicamente la limpieza de las tuberías, se conforman a través de una tee y su válvula de seccionamiento en la parte más baja de la línea de conducción (4). Figura 3. Ubicación de válvulas (5). Medios para control de transitorios Se conoce con el nombre de “transitorios” a los fenómenos de variación de presiones en las conducciones a presión, motivadas en variaciones proporcionales en las velocidades (7). Algunos medios para su control son los siguientes: ! Torre de oscilación La torre de oscilación es un depósito a menudo de forma circular en contacto con la atmósfera por la parte superior, cuyo diámetro por lo general es relativamente grande con relación al diámetro de la conducción. Cumple la función de aliviar las sobrepresiones y depresiones causadas por un fenómeno transitorio. Para evitar los derrames de agua cuando la conducción se encuentra funcionando, la elevación de la corona de la torre de oscilación debe ser mayor al nivel del agua del punto de descarga, y para evitar los derrames cuando el gasto de la conducción es igual cero, el nivel de la corona debe ser mayor a los niveles del agua de cualquier depósito conectado a la conducción. La torre de oscilación, es de las estructuras más confiables para el control de los transitorios, sin riesgos de funcionamiento al no contener dispositivos de control mecánico (7). ! Válvula aliviadora de presión La válvula aliviadora de presión se coloca en la tubería para disminuir las sobrepresiones causadas por un fenómeno transitorio. Es un dispositivo provisto de un resorte calibrado para abrir una compuerta cuando la presión sobrepasa un valor determinado. Se recomienda colocar este tipo de elemento, en conducciones con diámetros pequeños; sin embargo, no debe olvidarse que las presiones negativas tendrán que resolverse con algún otro dispositivo. ! Caja rompedora de presión Cuando existe mucho desnivel entre la captación y algunos puntos a lo largo de la línea de conducción, pueden generarse presiones superiores a la máxima que puede soportar una tubería. En esta situación, es necesaria la construcción de cajas rompedoras de presión que permitan disipar la energía y reducir la presión relativa a cero (presión atmosférica), con la finalidad de evitar daños en la tubería. Estas estructuras permiten utilizar tuberías de menor clase reduciendo considerablemente los costos en las obras de abastecimiento de agua.
  • 8. Líneas de conducción por gravedad 20 Gasto de diseño El gasto con el que se diseña la línea de conducción, se obtiene en función del gasto de diseño requerido, así como del gasto disponible que pueden proporcionar las fuentes de abastecimiento. Es importante conocer los gastos que pueden proporcionar las fuentes de abastecimiento, sus niveles del agua y el tipo de fuente (galería filtrante, manantial, presa, bordo, olla, etc.) (6). Para evitar los trabajos de un constante cierre y apertura de válvulas, en una conducción por gravedad, su funcionamiento deberá cubrir las 24 horas del día. Es por ello que al existir una sola descarga, el gasto de ésta es igual al gasto máximo diario. Si el gasto disponible de la fuente es menor al gasto máximo diario que requiere la población, es necesario buscar otra fuente de abastecimiento complementaria para proporcionar la diferencia faltante. Tomando en cuenta que el tiempo de funcionamiento es de 24 horas, el gasto faltante se obtiene con la siguiente fórmula: 𝑄 = 24 𝑁 𝑄!" − 𝑄!"#$%&"'() … … … … … … … … … (1) Donde: Qmd = Gasto máximo diario, lps. Qdisponible= Gasto disponible, lps. N = Tiempo de funcionamiento del gasto Q faltante, hr. En una línea de conducción por gravedad, donde el gasto de la fuente de abastecimiento sea mayor o igual al gasto máximo horario, no es necesario construir un tanque de amortiguamiento o regulación. En este caso la línea de conducción se diseña para el gasto máximo horario, considerando a ésta como si fuera una línea de alimentación, que abastece del tanque de amortiguamiento a la red de distribución. Cuando el gasto de la fuente de abastecimiento es menor al gasto máximo horario, es necesario construir un tanque de amortiguamiento o regulación. Hidráulica de tuberías Ecuaciones para flujo permanente Las ecuaciones fundamentales de la hidráulica que aquí se aplican son dos, la de continuidad y la de energía, que se presentan para el caso de un flujo permanente. Flujo uniforme en tuberías En flujo uniforme, las características del flujo (presión y velocidad media) permanecen constantes en el espacio y en el tiempo. Por consiguiente, es el tipo de flujo más fácil de analizar y sus ecuaciones se utilizan para el diseño de sistemas de tuberías. Como la velocidad no está cambiando, el fluido no está siendo acelerado. De acuerdo con la segunda ley de Newton: 𝐹! = 𝑄 = 0 ……………………………………(2) Es decir, la ecuación de continuidad estable con la suma de gastos en un nodo es igual a cero, observando si entran o salen del nodo. La ecuación de la energía, aplicada en los recorridos, expresa que el flujo de agua en
  • 9. Líneas de conducción por gravedad 20 tuberías está siempre acompañado de pérdidas de presión debidas a la fricción del agua con las paredes de la tubería; por lo que requiere un análisis especial y detallado. En la Figura 4, se representa un flujo permanente y uniforme en una sección transversal constante, con lo que las velocidades medias en las secciones 1 y 2, (v1 y v2), son iguales. Por otro lado, se considera que a lo largo de este movimiento líquido no existen transiciones locales, de manera que las pérdidas menores serán nulas. Teniendo en cuenta estas dos consideraciones, el teorema de Bernoulli entre los puntos 1 y 2, se puede establecer como sigue: 𝑍! + 𝑃! 𝛾 + 𝑉! ! 2𝑔 = 𝑍! + 𝑃! 𝛾 + 𝑉! ! 2𝑔 + ℎ! … … … (3) Donde Zi = Carga de posición (m), también considerada carga hidrostática. Pi = Presión estática a la que está sometido el fluido, kg m-2 . γ= Peso específico del fluido, kg m-3 . Vi = Velocidad, m s-1. g = Aceleración gravitatoria 9,81 m s-2 . ℎ! = Son las pérdidas de energía que existen en el recorrido, más las pérdidas locales de energía provocadas por dispositivos como válvulas,codos, reducciones, etc., en m. Figura 4. Flujo permanente y uniforme para la deducción del teorema de Bernoulli Pérdidas de energía por fricción en la conducción Para calcular las pérdidas de energía por fricción en la conducción, entre otras ecuaciones, existen las de Darcy-Weisbach, Hazen - Williams, y Manning, de las cuales se recomienda utilizar la primera, por su carácter general y mejor modelación del fenómeno. La fórmula de Hazen-Williams se utiliza particularmente para determinar la velocidad del agua en tuberías circulares llenas, o conductos cerrados es decir, que trabajan a presión. La fórmula de Hazen-Williams Surge, a principios del siglo XX, como una tendencia para solventar lo complejo que resultaba el cálculo de estas pérdidas con la Ecuación de Darcy- Weisbach; siendo la Ecuación de Hazen- Williams una de las de uso más extendido, desarrollaremos aquí lo relacionado con su utilización en sistemas de tuberías operando a presión. Si consideramos que la aplicación de esta ecuación es para el cálculo de las pérdidas por fricción en tuberías completamente llenas de
  • 10. Líneas de conducción por gravedad 20 agua (a presión) y utilizando la ecuación de continuidad para expresarla en función del gasto conducido (Q) así como el diámetro (D) y longitud (L) de la tubería, tendremos la expresión más conocida para las pérdidas por fricción totales (hf): ℎ! = 𝑣 0.355𝐶! 𝐷!.!" !.!"# 𝐿 … … … … … … (4) Donde: CH = Coeficiente de pérdida de Hazen-Williams que depende del material del tubo, según el cuadro 1, adimensional. L y D = Longitud y diámetro interior del tubo, m. V = Velocidad media del flujo, m/s. hf = Pérdida de energía por fricción, m. De acuerdo a la ecuación de continuidad, se despeja la velocidad: De: 𝑄 = 𝐴𝑉 , se despeja V. 𝑉 = 𝑄 𝐴 = 𝑄 𝜋𝐷! 4 = 4𝑄 𝜋𝐷! … … (5) Sustituyendo V en la ecuación (4) tenemos la siguiente expresión: ℎ! = 4𝑄 𝜋𝐷! 0.355𝐶! 𝐷!.!" !.!"# 𝐿 … … … … … … (6) ℎ! = 10.67 𝑄 𝐶! !.!"# 𝐿 𝐷!.!" … … … … … . … (7) Donde: CH = Coeficiente de pérdida de Hazen-Williams que depende del material del tubo, según el Cuadro 1, adimensional. L y D = Longitud y diámetro interior del tubo, m. Q = Gasto del flujo, m3 s-1 . hf = Pérdida de energía por fricción, m. Cuadro 1. Coeficiente de pérdida de Hazen- Williams Material CH Acero corrugado 60 Acero con juntas lokbar (nuevo) 135 Acero galvanizado (nuevo y usado) 125 Acero remachado (nuevo) 110 Acero remachado (usado) 85 Acero soldado o con remache avellanado y embutido (nuevo) 120 Acero soldado o con remache avellanado y embutido (usado) 90 Acero soldado con revestimiento especial (nuevo o usado) 130 Fierro fundido limpio (nuevo) 130 Fierro fundido sin incrustaciones (usado) 110 Fierro fundido con incrustaciones (viejo) 90 Plástico (PVC o PE) 150 Asbesto-cemento (nuevo) 135 Cobre y latón 130 Conductos con acabado interior de cemento pulido 100 Concreto, acabado liso 130 Concreto, acabado común 120 Tubos de barro vitrificado (drenes) 110 Madera cepillada o en duelas 120 Fuente: Hidráulica Elemental, (1) Pérdidas Locales Las pérdidas locales de energía se generan en distancias relativamente cortas, por accesorios de la conducción tales como codos, tés, cruces, válvulas, entre otras (Cuadro 2).
  • 11. Líneas de conducción por gravedad 20 Cuadro 2. Valores de k para diferentes accesorios. Accesorio Coeficiente k 1. De depósito a tubería (pérdida a la entrada) Conexión a ras de la pared 0.50 Tubería entrante 1.0 Conexión abocinada 0.05 2. De tubería a deposito (perdida a la salida) 1 3. Contracción brusca Kc, ver Cuadro 3 4. Codos y tés Codo de 45° 0.35 a 0.45 Codo de 90° 0.50 a 0.75 Tés 1.50 a 2.00 Para calcular las pérdidas locales de energía se utiliza la expresión general: ℎ! = 𝑘𝑥 𝑣! 2𝑔 … … … … … … … … … … … … … (8) Donde: kx = Coeficiente de pérdida que depende del accesorio x que lo genera. g = Gravedad terrestre, 9.81 m s-2 . v = Velocidad media del flujo, m. Para el caso de un ensanchamiento brusco (Cuadro 3): Cuadro 3. Valores de k para contracción brusca. D1/D2 Kc 1.20 0.08 1.40 0.17 1.60 0.26 1.80 0.34 2.00 0.37 2.50 0.41 3.00 0.43 4.00 0.45 5.00 0.46 Diseño de líneas de conducción por gravedad Las conducciones por gravedad pueden ser líneas o redes de conducción (2). Para una línea de conducción por gravedad (Figura 5), se presenta un modelo para encontrar el tubo necesario que transporta al gasto de diseño sobre una topografía que proporciona un desnivel favorable hacia el punto de descarga. En este tipo de conducción se tiene un desnivel disponible (Hdis), dado entre las cargas hidráulicas existentes en el inicio (en la fuente) y el final (la descarga) de la conducción. El problema consiste entonces en determinar el diámetro del tubo, que conducirá el gasto deseado Q con una pérdida de carga en la conducción igual a Hdisp. Figura 5. Esquema de una línea de conducción por gravedad (Fuente: elaboración propia). En principio, de la fórmula de pérdidas de carga para una h=Hdisp y un Q dados, podría despejarse un valor teórico para el diámetro, que daría la pérdida de carga Hdisp. Ese diámetro seguramente no corresponderá a un diámetro comercial. Para salvar el inconveniente, se propone construir una parte de la conducción con el diámetro inmediato inferior comercial y el resto con el diámetro
  • 12. Líneas de conducción por gravedad 20 inmediato superior; de forma tal que la pérdida de carga total en los dos tramos diera el valor de Hdisp. Para definir los diámetros inmediato inferior e inmediato superior al teórico, bastaría calcular por la Ecuación 7, la pérdida de carga en la conducción para varios pares de diámetros comerciales vecinos, hasta encontrar que para el menor diámetro se obtenga una pérdida de carga mayor que Hdisp y para el mayor diámetro se obtenga una pérdida de carga menor que Hdisp. Presiones máximas Se recomienda que la presión estática máxima no sea mayor al 80% de la presión nominal de trabajo de las tuberías a emplearse, debiendo ser compatibles con las presiones de servicio de los accesorios y válvulas a emplearse. Estaciones reductoras de presión Si en el perfil aparecen depresiones muy profundas, puede ser económico colocar depósitos intermedios llamados cajas rompedoras de presión, que tienen por objeto fragmentar la línea piezométrica, reducir la altura de presión y establecer un nuevo nivel estático que dará lugar a tuberías de menor espesor y por consiguiente, de menor costo (Figura 6). Su empleo se recomienda también cuando la calidad de las tuberías, válvulas y accesorios de la tubería no permiten soportar altas presiones, así como mantener las presiones máximas de servicio dentro de una red de distribución. Figura 6. Depósito intermedio o caja rompedora de presión para disminuir la presión en la tubería. Válvulas, uso y ubicación Cada vez que la conducción se pone en funcionamiento, es necesario expulsar el aire de la tubería para permitir que el tubo pueda llenarse de agua. En ocasiones, esto no es necesario ya que el perfil puede ser tal, que la tubería puede mantenerse llena. Cuando la conducción se encuentra llena requiere desaguarse, por ejemplo, para realizar alguna reparación de la tubería, es necesario abrir las válvulas de desagüe colocadas en los puntos bajos de la tubería, y en los puntos altos es preciso admitir aire a la tubería. Para que se logre el llenado y el vaciado de la tubería, se colocan válvulas de admisión y expulsión de aire, las cuales hacen la doble función de expulsar el aire cuando la tubería se está llenando, o admitir aire a la tubería cuando ésta se está vaciando. Se recomienda colocar válvulas eliminadoras de aire y válvulas de admisión y expulsión de aire en todos los puntos altos de la conducción y en los tramos largos sensiblemente planos a distancias de 400 a 800 m. Las válvulas de desagüe o limpieza se colocan en los puntos bajos, Figura 7.
  • 13. Líneas de conducción por gravedad 20 Se recomienda además, colocar válvulas de aire después de una obra de toma o cualquier válvula de compuerta para evitar daños a la tubería al momento del cierre de la misma. Figura 7. Perfil de una línea de conducción y sus respectivas válvulas así como su rompedora de presión (Fuente: elaboración propia). El diámetro necesario de la válvula de admisión y expulsión de aire se obtiene con base en las curvas de funcionamiento de las válvulas (Figuras 8 y 9). Figura 8. Curvas de funcionamiento de válvulas de admisión y expulsión de aire con orificio de 1’’a 3’’. Figura 9. Curvas de funcionamiento de válvulas de admisión y expulsión de aire con orificio de 4”a 12”. El diámetro de expulsión se obtiene con el gasto de llenado de la tubería y una presión máxima de aire en la válvula de 0.14 Pa (1 Pa = 0.000145 lb pulg-2 ). El diámetro de admisión se obtiene con base al gasto máximo de vaciado, considerando una depresión máxima admisible de 0.35 Pa y un adecuado tiempo de vaciado. Además, debe tomarse en cuenta la presión mínima permitida por el material del tubo donde se coloca la válvula. Llenado programado en la línea de conducción El llenado programado considera la evacuación del aire existente en las tuberías, a través de válvulas de expulsión ubicadas a lo largo de la conducción en los sitios donde el aire puede quedar atrapado. La expulsión genera sobrepresiones, debidas a la alteración súbita que sufre el gasto con que se llena la conducción al cerrarse las válvulas. Estas válvulas cierran cuando el agua llega hasta ellas y empuja el flotador contra el orificio, Figura 10.
  • 14. Líneas de conducción por gravedad 20 Figura 10. Llenado de la línea de conducción. Vaciado programado en la línea de conducción El vaciado programado considera la entrada de aire por medio de válvulas de admisión que eviten depresiones en la conducción; la ubicación de éstas deberá ser en los puntos altos del trazo. El vaciado se efectúa mediante válvulas de compuerta ubicadas en las partes bajas y en todo sitio donde sea posible el estancamiento de agua a lo largo de la conducción (Figura 11). Figura 11. Localización de las válvulas de vaciado en una línea de conducción. Anclaje En el diseño de líneas de aducción colocadas sobre soportes, se presentan con frecuencia cambios de dirección tanto horizontal como vertical, los que provocan un desequilibrio entre las distintas fuerzas actuantes que intentarán desplazar la tubería. A fin de evitar estos posibles desplazamientos, se diseñan anclajes especiales, capaces de absorber el desequilibrio de las fuerzas que puedan ocurrir, en cualquier cambio, en el trazado de la tubería. En la Figura 11 y 12 se muestran algunos anclajes. En tuberías de aducción deben preverse los anclajes de seguridad necesarios, ya sea de hormigón (ciclópeo, simple o armado) o metálicos, en los siguientes casos: a) En tuberías expuestas a la intemperie que requieran estar apoyadas en soportes, o adosadas a formaciones naturales de rocas (mediante anclajes metálicos). b) En los cambios de dirección tanto horizontales como verticales de tramos enterrados o expuestos, siempre que el cálculo estructural lo justifique. Figura 11. Anclaje sobre línea de conducción. Fuente: Imagen Propia
  • 15. Líneas de conducción por gravedad 20 Figura 12. Anclajes mínimos en sistemas de distribución de agua. Topografía Para llevar a cabo el proyecto de una conducción resulta útil apoyarse sobre cartas topográficas del INEGI para estudiar los posibles trazos, además de vistas satelitales como ahora lo ofrece Google Earth, para visualizar y dar un apoyo extra al proyectista para lo que será el recorrido de campo. Sobre el trazo de la conducción, será necesario obtener un levantamiento topográfico en planimetría y altimetría, marcando las elevaciones del terreno natural preferentemente con cadenamientos a cada 20 metros, en los puntos donde existen cambios importantes de la pendiente del terreno y, en los puntos donde cambia el trazo horizontal de la conducción. Es importante localizar, sobre el trazo, los cruces importantes de la conducción; tales como ríos, arroyos, canales, carreteras y vías del ferrocarril. Durante el levantamiento topográfico se deben dejar puntos de apoyo estáticos en caso de que dicho trabajo requiera ser corroborado durante el proceso de diseño. En el proyecto ejecutivo, el plano de la línea de conducción deberá contener como mínimo la siguiente información: " PLANTA TOPOGRÁFICA: será necesario presentar las curvas de nivel, así como etiquetar la elevación correspondiente a una escala que pueda leerse fácilmente en el plano, así como los respectivos cadenamientos. Además resulta útil colocar una retícula UTM o con coordenadas geográficas según sea el gusto del diseñador para facilidad de ubicación del proyecto. Se señalará la ubicación de Válvulas de Admisión y Expulsión de Aire (VAEA´S), obras de toma, válvulas de limpieza, rompedoras de presión, etc. Al igual el paso de arroyos, caminos o parcelas para mejor interpretación. ! PERFIL DE LA LÍNEA: el perfil será trazado con una escala que permita la visualización de los cambios de elevación en terrenos accidentados, además de ubicar VAEA´S, obras de toma, válvulas de limpieza, rompedoras de presión, etc. en el cadenamiento correspondiente. ! PLANTA HIDRÁULICA: en este apartado del plano se presentarán las cotas piezométricas de cada nodo de la línea, la elevación del terreno natural en dicho punto y los metros de columna de agua disponible. ! DETALLES: En el plano será conveniente colocar detalles de obras de toma, válvulas de aire, rompedoras de presión, así como un cuadro resumen donde se presenten los diámetros y RD o calibre de
  • 16. Líneas de conducción por gravedad 20 los tramos de tubería, al igual del despiece de la línea. ! ESPECIFICACIÓNES TÉCNICAS: El proyectista mencionará datos y recomendaciones técnicas que favorezcan el proceso de instalación de la línea. ! INFORMACIÓN DE PLANO Y MEMBRETE: es indispensable colocar un mapa de Macro y microlocalización del lugar de estudio, así como un cuadro de simbología donde únicamente se mencionarán los símbolos que fueron utilizados en el plano presentado y un membrete donde se presentarán los datos generales del proyecto, por ejemplo: Nombre del plano, logos, nombre del diseñador o nombre del equipo de trabajo, fecha, numero de plano, escala, etc. Ejemplo de cálculo de pérdida de carga y carga piezométrica de la línea de conducción Se tomará como ejemplo una línea de conducción diseñada en el estado de Oaxaca, la cual fue propuesta con tubería de Polietileno de Alta densidad de 4” de diámetro, para un caudal de 12.8 lps, en un tramo de 600 m desde la captación hasta una olla de almacenamiento con descarga libre. Para el cálculo de la línea piezométrica se seguirá el método de Hazen Williams para obtener la perdida de carga por fricción la cual estará dada por la ecuación 7. Datos de entrada: ! Caudal de diseño= 12.8 m3 s-1 ! Longitud total= 600 m ! Diámetro= 4 in= 101.6 mm ! CH= 150 ! Carga inicial= 3.00 m Se analizará el primer tramo, con una longitud de 20 m y posteriormente se presentará el cuadro resumen de la línea de conducción. ℎ! = 10.67 𝑄 𝐶! !.!"# 𝐿 𝐷!.!" ℎ! = 10.67 0.0128 150 !.!"# 20 0.1016!.!" ℎ! = 0.427 𝑚 Para este ejemplo se despreciará las pérdidas localizadas, puesto que la longitud de la línea es menor de 1000 m, según recomendación de Arteaga, pero para fines de próximos diseños puede considerarse un 10% de la perdida de carga por fricción. El cadenamiento 0+000 presenta una elevación de 1656.958 y el cadenamiento posterior 0+020 de 1656.942, por lo que se tiene una diferencia de nivel de 0.016 m. De acuerdo a los datos anteriores la carga en el segundo nodo (cadenamiento 0+020) será igual a la diferencia de ambas cotas menos la perdida de carga por fricción. 𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑁𝑜𝑑𝑜 = 1656.958 − 1656.942 − 0.427 = 0.016 − 0.427 𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑁𝑜𝑑𝑜 = −0.411 Por lo que la carga disponible en el segundo nodo será igual a la carga inicial más la carga en el nodo siguiente:
  • 17. Líneas de conducción por gravedad 20 𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑑𝑖𝑠𝑝𝑜𝑛𝑖𝑏𝑙𝑒 = 3.0 + −0.411 = 3.0 − 0.411 𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑑𝑖𝑠𝑝𝑜𝑛𝑖𝑏𝑙𝑒 = 2.589 𝑚 Finalmente las cotas piezométricas del nodo inicial y el posterior será de: 𝐶𝑜𝑡𝑎 𝑃𝑖𝑒𝑧𝑜𝑚é𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 = 𝐶𝑜𝑡𝑎 𝑑𝑒 𝑡𝑒𝑟𝑟𝑒𝑛𝑜 + 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑑𝑖𝑠𝑝𝑜𝑛𝑖𝑏𝑙𝑒 𝑁𝑜𝑑𝑜 1 = 1656.958 + 3.00 = 1659.958 𝑚 𝑁𝑜𝑑𝑜 2 = 1656.942 + 2.589 = 1659.531 𝑚 Y Así sucesivamente, de acuerdo con el Cuadro 4. Cuadro 4 Cálculo de cota piezométrica a descarga libre Cadenamiento Cota (m) Desnivel (m) Longitud (m) Diámetro (m) Gasto (m3/s) C (Adim.) hf Hazen- Williams (m) hT ACUMULADO (m) Carga Nodo (m) Carga Disponible (m) Cota Piezométrica (m) 0+000 1656.958 0.000 0.00 0.1016 0.0128 150 0.000 0.000 3.000 3.000 1659.958 0+020 1656.942 0.016 20.000 0.1016 0.0128 150 0.427 0.427 -0.411 2.589 1659.531 0+056 1656.345 0.597 35.802 0.1016 0.0128 150 0.764 1.190 -0.167 2.423 1658.768 0+075 1656.141 0.204 19.232 0.1016 0.0128 150 0.410 1.601 -0.206 2.216 1658.357 0+087 1656.192 -0.051 12.457 0.1016 0.0128 150 0.266 1.866 -0.317 1.900 1658.092 0+131 1652.517 3.675 43.734 0.1016 0.0128 150 0.933 2.799 2.742 4.642 1657.159 0+165 1651.542 0.975 33.761 0.1016 0.0128 150 0.720 3.519 0.255 4.897 1656.439 0+209 1653.299 -1.757 43.972 0.1016 0.0128 150 0.938 4.457 -2.695 2.202 1655.501 0+241 1649.813 3.486 32.161 0.1016 0.0128 150 0.686 5.143 2.800 5.002 1654.815 0+270 1648.702 1.111 28.576 0.1016 0.0128 150 0.610 5.753 0.501 5.503 1654.205 0+304 1647.063 1.639 34.575 0.1016 0.0128 150 0.738 6.491 0.901 6.404 1653.467 0+328 1646.884 0.179 24.195 0.1016 0.0128 150 0.516 7.007 -0.337 6.067 1652.951 0+350 1646.402 0.482 22.014 0.1016 0.0128 150 0.470 7.476 0.012 6.080 1652.482 0+387 1645.120 1.282 36.545 0.1016 0.0128 150 0.780 8.256 0.502 6.582 1651.702 0+424 1644.786 0.334 36.839 0.1016 0.0128 150 0.786 9.042 -0.452 6.130 1650.916 0+431 1644.282 0.504 6.863 0.1016 0.0128 150 0.146 9.188 0.358 6.488 1650.770 0+451 1643.867 0.415 20.596 0.1016 0.0128 150 0.439 9.627 -0.024 6.464 1650.331 0+488 1643.120 0.747 36.957 0.1016 0.0128 150 0.788 10.416 -0.041 6.422 1649.542 0+529 1642.822 0.298 40.237 0.1016 0.0128 150 0.858 11.274 -0.560 5.862 1648.684
  • 18. Líneas de conducción por gravedad 18 Cadenamiento Cota (m) Desnivel (m) Longitud (m) Diámetro (m) Gasto (m3/s) C (Adim.) hf Hazen- Williams (m) hT ACUMULADO (m) Carga Nodo (m) Carga Disponible (m) Cota Piezométrica (m) 0+554 1642.590 0.232 25.884 0.1016 0.0128 150 0.552 11.826 -0.320 5.542 1648.132 0+600 1642.549 0.041 45.595 0.1016 0.0128 150 0.973 12.799 -0.932 4.610 1647.159 Se debe garantizar que la cota piezométrica se encuentre por arriba de la cota del terreno natural o de la zanja para garantizar que fluya el agua por la tubería, tal como se muestra en la Figura 13. Figura 13. Perfil de terreno y cota piezométrica Además la carga disponible en cada nodo será de gran importancia para definir el espesor de la tubería, para este caso el RD correspondiente, el cual debe resistir la presión necesaria para evitar la ruptura del material y lograr con ello economizar el costo del material. En el cuadro 4 se observa que la presión máxima a lo largo de la tubería es de 6.582 m, dicho dato podrá ser comparado con catálogos de materiales como se presenta en la Figura 14. De acuerdo con esto, se elige en RD 32.5 que soporta una presión de trabajo de 4 kg cm-2 equivalente a 40 mca; aunque un RD 41 también soporta la presión de 6.582 se recomienda elegir espesores de tubería que faciliten el pegado mediante termofusión. 1640.00 1642.00 1644.00 1646.00 1648.00 1650.00 1652.00 1654.00 1656.00 1658.00 1660.00 1662.00 0+000 0+100 0+200 0+300 0+400 0+500 0+600 Elevación (m) Cadenamiento (m) C. Terreno C.Piezométrica
  • 19. Líneas de conducción por gravedad 19 Figura 14. Catálogo de tubería PEAD y rango de presiones (Fuente: Catalogo de presiones Valtic). Bibliografía 1. Arteaga T. R. E., 2009. Hidráulica Elemental. Universidad Autónoma Chapingo, Texcoco, Estado de México. 2. Azevedo N. J. M., Acosta A. G., 1976. Manual de Hidráulica. Editorial Harla, México. 3. CNA 2007. Manual de agua potable alcantarillado y saneamiento: Conducción. México, D.F. 4. CNA 2007. Manual de agua potable alcantarillado y saneamiento: Diseño, selección e instalación de tuberías de acero para líneas de conducción de agua potable. México, D.F. 5. CONAGUA 2016. Manual de Agua Potable, Alcantarillado y Saneamiento. Conducciones. México. D.F. Disponible en: http://aneas.com.mx/wp- content/uploads/2016/04/SGAPDS-1-15- Libro10.pdf, consultado el día 30 de Octubre de 2017. 6. https://es.slideshare.net/pool2014/linea- de-conduccion. 7. Martínez P. A. R., 2014. Intrusión patógena en conductos a presión causada por transitorios con aire atrapado. Universidad Nacional Autónoma de México. México, D. F. A. 8. Montiel V. Á., 2008. Fundamentos de Hidráulica para diseño y revisión de riego presurizado. Universidad Autónoma Chapingo, Texcoco, Estado de México.
  • 20. Líneas de conducción por gravedad 20 “LÍNEAS DE CONDUCCIÓN POR GRAVEDAD” Segunda Edición México, Noviembre 2017 Secretaría de Agricultura, Ganadería, Desarrollo Rural, Pesca y Alimentación Subsecretaría de Desarrollo Rural, Dirección General de Producción Rural Sustentable en Zonas Prioritarias Responsables de la Ficha Dr. Mario R. Martínez Menes (mmario@colpos.mx) Dr. Demetrio Fernández Reynoso (demetrio@colpos.mx) M. C. Hilario Ramírez Cruz (ramirezcruzhi@gmail.com) Ing. Ricardo Castillo Vega Ing. Daisy Yessica Uribe Chávez Colegio de Postgraduados Carretera México-Texcoco, km 36.5 Montecillo, Edo. de México 56230Tel. 01 (595) 95 2 02 00 (ext. 1213)