U15.09 – EXPLANADA PUERTO
DE PAYSANDÚ – MEMORIA DE
CÁLCULO DE DRENAJE
PLUVIAL
Noviembre de 2015
Descripción breve
Memoria de cálculo del sistema de drenaje pluvial.
ADMINISTRACIÓN NACIONAL DE PUERTOS
REPUBLICA ORIENTAL DEL URUGUAY
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Memoria de calculo drenaje pluvial, Apuntes de Ingeniería de Aguas y Aguas Residuales
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Tipo: Apuntes
2019/2020
1 / 19
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U15.09 – EXPLANADA PUERTO
DE PAYSANDÚ – MEMORIA DE
CÁLCULO DE DRENAJE
PLUVIAL
Noviembre de 2015
Descripción breve
Memoria de cálculo del sistema de drenaje pluvial.
ADMINISTRACIÓN NACIONAL DE PUERTOS
REPUBLICA ORIENTAL DEL URUGUAY
Versión Detalle Elaboró Fecha Aprobó A Versión Original AP 23 /1 1 /2015 - B Ajuste de cálculo de captaciones superficiales AP 29/11/2015 -
- Noviembre – 2015 Página 3 de
- 1 INTRODUCCIÓN................................................................................................................................. CONTENIDO
- 1.1 OBJETIVO
- 1.2 ALCANCE
- 1.3 ESTRUCTURA DEL INFORME
- 2 DESCRIPCIÓN GENERAL
- 2.1 INFRAESTRUCTURA PLUVIAL EXISTENTE
- 2.2 ESCURRIMIENTO PLUVIAL PROYECTADO
- 3 CRITERIOS DE DISEÑO
- 3.1 PERÍODO DE RETORNO
- 3.2 CAUDALES DE DISEÑO
- 3.2.1 Período de retorno
- 3.2.2 Cálculo de caudales
- 3.3 DIMENSIONADO DE CAPTACIONES
- 3.3.1 Reja operando como vertedero
- 3.3.2 Reja operando como orificio
- 3.4 DIMENSIONADO DE CONDUCCIONES
- 3.4.1 Condición de borde de niveles en el Río Uruguay
- 3.4.2 Velocidad máxima
- 3.4.3 Tirante máximo
- 4 RESULTADOS OBTENIDOS
- 4.1 ESCURRIMIENTO SUPERFICIAL
- 4.2 ESCURRIMIENTO POR TUBERÍAS Y CANALES
- 4.2.1 Capacidad hidráulica
- 4.2.2 Velocidad máxima
- 4.2.3 Desbordes en el sistema
- 4.3 CONCLUSIONES
- Tabla 1 - Niveles del río según períodos de recurrencia............................................................................. TABLAS
- Tabla 2 - Coeficientes de la ley de Montana
- Tabla 3 - Verificación de la abertura de pasaje de reguera
- Ilustración 1 - Ubicación de explanada FIGURAS
- Ilustración 2 - Obras de drenaje existentes
- Ilustración 3 – Distribución Gumbel para niveles máximos anuales, Paysandú (estación 31.0)
- Ilustración 4 – Curva de frecuencia de niveles en el Río Uruguay (escala del Puerto de Paysandú)
- Ilustración 5 – Esquema de modelo en EPA SWMM
- Ilustración 6 – Geometría de captación superficial
- Página 4 de 19 Noviembre – Memoria de Cálculo de Drenaje Pluvial
- Ilustración 7 – Capacidad hidráulica de las conducciones (descarga libre en el río) cds@cdsingenieros.com www.cdsingenieros.com
- Ilustración 8 – Capacidad hidráulica de las conducciones (descarga ahogada en el río)
- Ilustración 9 – Perfil longitudinal del colector sur (descarga libre)
- Ilustración 10 – Perfil longitudinal del colector norte (descarga libre)
- Ilustración 11 – Perfil longitudinal del colector sur (descarga ahogada)
- Ilustración 12 – Perfil longitudinal del colector norte (descarga ahogada)
- Ilustración 13 – Velocidades máximas en conducciones (descarga libre)
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1 INTRODUCCIÓN
El presente informe corresponde a la memoria de cálculo hidráulico del sistema de drenaje pluvial
proyectado en la explanada a construirse en el Puerto de Paysandú.
Se realiza aquí una breve descripción del sistema proyectado, y luego se exponen los criterios de
diseño considerados, la metodología empleada y los resultados obtenidos.
1.1 Objetivo
El trabajo tiene como objetivo específico el proyecto de las obras de infraestructura pluvial que
permitirán la adecuada evacuación de las aguas pluviales generadas en la explanada a construirse
en un área de aproximadamente 1,4 há en el Puerto de Paysandú.
1.2 Alcance
El trabajo comprende el proyecto ejecutivo de estructuras de captación de escorrentía, colectores
pluviales y cámaras de descarga. Se incluyen dos subsistemas de drenaje según se trate del sector
norte o sur de la explanada.
1.3 Estructura del informe
El presente informe se estructura básicamente es cuatro capítulos que se sintetizan a seguir:
Capítulo 1 – Se corresponde con la presente introducción.
Capítulo 2 – Se efectúa una descripción general de las obras existentes de drenaje pluvial y
del sistema proyectado.
Capítulo 3 – Se exponen criterios de diseño empleados en el proyecto.
Capítulo 4 – Se muestran resultados y conclusiones generales.
Se adjuntan las láminas de proyecto que señalan los detalles de las obras de drenaje previstas.
2 DESCRIPCIÓN GENERAL
La explanada a construir se ejecutará en un área de aproximadamente 13.600 m^2 (280 x 45 m) que
actualmente se encuentra desocupada, sin edificaciones y con recubrimiento de suelo vegetal.
De acuerdo al relevamiento de topografía efectuado en el marco del presente proyecto, el área
de estudio tiene pendiente suave hacia el río.
Memoria de Cálculo de Drenaje Pluvial
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www.cdsingenieros.com cds@cdsingenieros.com Ilustración 2 - Obras de drenaje existentes
A continuación se presentan registros fotográficos de los colectores pluviales y de las regueras de
piso:
Fotografía 1 – Colector y reguera existentes Canalón de desagüe / Reguera Explanada sur y canalón de desagüe central Reacondicionamiento de cámara pluvial dañada por calle L. Gómez en acceso al predio Colector rectangular por calle L. Gómez en acceso al predio
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cds@cdsingenieros.com www.cdsingenieros.com Cámara en colector pluvial interior al predio por calle prolongación L. Gómez. Conexión de desagüe de techos Cámara en colector pluvial interior al predio por calle prolongación de Av. Brasil
2.2 Escurrimiento pluvial proyectado
Como fue mencionado con anterioridad, la explanada tiene una longitud total de
aproximadamente 280 m y un ancho máximo de 45 m. De acuerdo a la planialtimetría definida en
el proyecto vial, la explanada cuenta con pendiente transversal variable entre 0,5-1,3% y
pendiente longitudinal prácticamente nula.
Las condiciones anteriores conllevan a que sea necesario un planteamiento de proyecto de
drenaje a dos aguas, distinguiéndose así dos sub-sistemas independientes con descarga al río
(sector norte y sector sur). Véase la lámina de proyecto DP-PA-01, con información plani-
altimétrica del proyecto de drenaje pluvial.
El escurrimiento superficial en la explanada se efectuará hacia estructuras de captación de tipo
reguera, ubicadas a lo largo del eje central (longitudinal) del pavimento. Los canales de reguera
tendrán 0,60 m de ancho, pendiente del 0,5% y altura variable entre 0,40 y 0,90 m. Consistirán en
ductos con losa superior ranurada, intercalándose rejas removibles para limpieza según
indicaciones en planos (véase lámina DP-DE-02).
Los canales de colecta de agua superficial descargan luego hacia colectores pluviales con
pendiente mínima de 0,30% y diámetros de 500 y 600 mm, según se trate del colector del sector
norte y sur respectivamente. Estos colectores descargan luego en el Río Uruguay.
Las cámaras de inspección de los colectores tendrán fondo descendido, actuando así como
trampas de arena. Por otro lado, previo a las descargas en el río, se instalarán válvulas anti-retorno
tipo pico de pato, para impedir el retroceso de caudal y consecuentes desbordes, debidos a un
incremento de nivel en el río.
3 CRITERIOS DE DISEÑO
3.1 Período de retorno
Se ha realizado la solicitud a la División de Hidrografía de Dinagua (MVOTMA), de la serie histórica
de registros máximos diarios de niveles del Río Uruguay en la escala limnimétrica del Puerto de
Paysandú. Dicha estación corresponde a la Estación 31.0, con cero de regla a cota 1,02 Wharton.
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Por otro lado se calculó la curva de frecuencia de niveles máximos anuales. En el histórico de datos
se tiene que se ha superado este nivel con una frecuencia del 36% (véase Ilustración 4 ).
Ilustración 4 – Curva de frecuencia de niveles en el Río Uruguay (escala del Puerto de Paysandú)
Como resultado de este análisis, el período de retorno que se adopta para el cálculo de las
intensidades máximas de precipitación es de 3,2 años.
Por otro lado, para el análisis hidráulico de los colectores pluviales proyectados se consideran dos
condiciones de borde:
Diseño de colectores con capacidad hidráulica suficiente, considerando descarga libre en el
río.
Verificación del sistema pluvial para que no existan desbordes, cuando el nivel en el río es
7,01 Wh, valor vinculado a una frecuencia de niveles del 50%.
3.2 Caudales de diseño
3.2.1 Período de retorno
Como fue mencionado, para el cálculo de caudales de escurrimiento se consideró un período de
retorno de diseño de 3,2 años.
3.2.2 Cálculo de caudales
La determinación del caudal de aguas pluviales se realizó mediante el empleo del método racional.
Éste relaciona el escurrimiento en un determinado punto, con el área de cuenca que escurre
naturalmente a ese punto, la intensidad de lluvia que cae sobre la cuenca y un coeficiente de
escurrimiento, valor semiempírico que relaciona el agua que efectivamente escurre con el agua
precipitada sobre la cuenca.
La hipótesis implícita del método, de que la precipitación una vez que comienza perdura
indefinidamente en el tiempo, al menos hasta tanto se posea escorrentía en el punto de interés,
es perfectamente válida para cuencas pequeñas como las del presente proyecto.
A continuación se presenta la fórmula que permite determinar el caudal de escorrentía pluvial:
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𝑄𝑝 = 𝐾 × 𝐶 × 𝑖 × 𝐴
Dónde:
Qp = caudal máximo (L/s)
K = coeficiente que para las unidades especificadas toma el valor 166,
C = coeficiente de escurrimiento
i = intensidad de lluvia (mm/min)
A = área de la cuenca (ha)
La intensidad de lluvia es constante y se calculó para una duración d igual a 5 minutos (tiempo en
que permanece el agua en la explanada).
Para la verificación hidráulica del sistema de colectores se confeccionaron hidrogramas
trapezoidales. Éstos fueron estimados a partir del método racional modificado, en donde el caudal
aumenta en forma lineal hasta el caudal pico del método racional ( Qp ), en el instante igual al
tiempo de tránsito ( to = 5 min ) de la sub-cuenca. A partir del instante to el caudal se mantiene
constante e igual a Qp, y luego disminuye linealmente hasta 0.
a. Coeficiente de escurrimiento
El coeficiente de escurrimiento depende del uso y tipo de suelo, que suele relacionarse con el
porcentaje de impermeabilización de la cuenca.
Dadas las características de la pavimentación de la explanada, se consideró un coeficiente de
escurrimiento C=1,0. Esto implica que la totalidad del agua que precipita, escurre luego en forma
superficial.
b. Intensidad de precipitación
La intensidad de lluvia es la tasa promedio de lluvia, expresada generalmente en milímetros por
unidad de tiempo sobre una cuenca dada. El valor que ésta asuma está íntimamente ligado al
período de retorno de la tormenta y a la duración de la lluvia.
A efectos del cálculo de la intensidad de lluvia a adoptarse en la ecuación del método racional, se
empleó la Ley de Montana:
b
i a. t
Dónde:
i = intensidad (mm/hora)
t = duración (hora)
a, b = coeficientes característicos que para duraciones menores a 3,5 horas se obtienen a través
de la siguiente expresión:
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Se considera que la reja se encuentra sucia en una proporción de área (1-X) respecto al total. El
perímetro queda entonces calculado como:
P = 2. W + 2. L. X
Dónde:
P = perímetro de la abertura de captación (m)
W = ancho de la abertura (m)
X= porción de área de reja limpia respecto al área total (m^2 /m^2 )
L= largo de la abertura de captación (m)
Para el diseño se consideró que la reja se encuentra 50% sucia.
3.3.2 Reja operando como orificio
El caudal interceptado por una reja operando como orificio puede determinarse mediante la
siguiente ecuación:
𝑄𝑜𝑟𝑖𝑓𝑖𝑐𝑖𝑜 = 0 , 67 × 𝐴𝑔 × √ 2 𝑔𝑑
Dónde:
Q orificio = caudal interceptado por la reja (m^3 /s)
Ag = área limpia útil de la reja (m^2 )
g = gravedad (m/s^2 )
d = profundidad del flujo (m)
En caso de que la reja se encuentre sucia en una proporción (1-X) respecto a su área total, el caudal
interceptado cuando opera como orificio se determina multiplicando por X el caudal de la reja
limpia.
Para el diseño se consideró que la reja se encuentra 50% sucia.
3.4 Dimensionado de conducciones
Para la verificación del sistema de colectores se utilizó el sistema de modelación SWMM,
desarrollado por la agencia de protección ambiental (EPA) de los EEUU.
El SWMM (Stormwater Management Model), modelo de gestión de aguas pluviales de la EPA, es
un modelo dinámico de simulación de precipitaciones, que se puede utilizar para un único
acontecimiento o para realizar una simulación continua en periodo extendido.
En el modelo implementado se ingresó información geométrica del sistema proyectado (tramos
de colectores y cámaras), y la información hidrológica asociada (hidrogramas trapezoidales de
escorrentía). Luego, mediante la simulación fue posible analizar el recorrido del agua a través del
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sistema de tuberías y obtener como datos de salida distintas variables que interesan controlar
(capacidad de conducción, velocidades, perfiles hidráulicos).
La figura que sigue ilustra el esquema geométrico implementado en el modelo:
Ilustración 5 – Esquema de modelo en EPA SWMM
Las descargas de los canales de reguera hacia las cámaras pluviales fueron modeladas como
orificios y vertederos.
Las descargas de los colectores en el río se modelaron como elementos outfalls.
3.4.1 Condición de borde de niveles en el Río Uruguay
Como fue mencionado en el ítem 3.1 , el proyecto hidráulico toma en consideración dos
escenarios:
Diseño de colectores con capacidad de conducción suficiente (85%) cuando éstos se
encuentran funcionando con descarga libre en el río.
Verificación del sistema para que no existan desbordes, cuando el nivel en el río alcanza un
valor de 7,01 Wh (frecuencia histórica de niveles del 50%).
3.4.2 Velocidad máxima
En el diseño de los colectores se consideró una velocidad máxima admisible de 5 m/s.
Si bien los colectores proyectados serán de PVC, se consideró un número de Manning de 0,013.
3.4.3 Tirante máximo
Tanto para tuberías como para canales, no se admiten tirantes de agua superiores al 85% de la
altura de sección.
4 RESULTADOS OBTENIDOS
Colector sur Colector sur Colector norte Descarga en el río Reguera Reguera Descarga en el río Reguera Reguera
Memoria de Cálculo de Drenaje Pluvial
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4.2.1 Capacidad hidráulica
Según el criterio de diseño adoptado, se admite una relación máxima tirante/altura o
tirante/diámetro del 85%.
Las figuras que siguen se corresponden a salida del modelo en donde se visualiza mediante escala
de colores la capacidad hidráulica de las conducciones.
La Ilustración 7 representa el escenario en el que la descarga de los colectores al río se efectúa
libremente, y la Ilustración 8 se corresponde a la situación en la que el nivel del río se sitúa a cota
7,01 Wh.
Ilustración 7 – Capacidad hidráulica de las conducciones (descarga libre en el río) Ilustración 8 – Capacidad hidráulica de las conducciones (descarga ahogada en el río)
De las figuras anteriores se desprende que se cumplen los criterios anteriormente establecidos:
El diseño de las conducciones es tal que se satisface la condición de tirante máximo cuando
el nivel en el río es bajo y la descarga es libre ( Ilustración 7 ).
Cuando el nivel en el río es alto, algunos tramos de colector trabajan a presión y las regueras
tienen margen de conducción previo a que se produzcan desbordes en el sistema
( Ilustración 8 ).
A continuación se presentan los perfiles hidráulicos máximos en los colectores pluviales, de
acuerdo a la condición de borde en el río.
Memoria de Cálculo de Drenaje Pluvial
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www.cdsingenieros.com cds@cdsingenieros.com Ilustración 9 – Perfil longitudinal del colector sur (descarga libre) Ilustración 10 – Perfil longitudinal del colector norte (descarga libre)
Memoria de Cálculo de Drenaje Pluvial
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4.2.3 Desbordes en el sistema
Para la condición de diseño más crítica, no se tienen desbordes en el sistema (flooding=0,0 L/s en
nodos).
4.3 Conclusiones
Se tiene que para cada una de las componentes del proyecto (regueras y colectores) se cumplen
los criterios de buen funcionamiento hidráulico.
p. CDS Ingenieros
Andrea Pintos Traversa