eficiencia hidráulica de rejillas transversales continuas para todo el ancho. ... si se consideran...
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Tema C: Agua y Ciudad
Eficiencia hidráulica de rejillas transversales continuas
Manuel Gómez1, Beniamino Russo
2
1Catedrático de Universidad, E. T. S. de Caminos (UPC), [email protected]
2Profesor Titular de Escuela Universitaria, Escuela Universitaria Politécnica de La Almunia
(Universidad de Zaragoza), [email protected]
1 Introducción
1.1 Enfoque de la problemática
Durante un evento de lluvia los caudales de escorrentía deben introducirse en la red de drenaje en los puntos
previstos, para que el agua no circule descontrolada por la superficie de la ciudad y no implique condiciones de
riesgo para la circulación vehicular y peatonal (DCG, 1969).
Si el agua de escorrentía no entra en la red en el sitio donde se hizo la hipótesis que entrara, debido a un escaso
número de imbornales o a una inadecuada capacidad de captación de los mismos, el esquema hidrológico e
hidráulico de cálculo supuesto en una cuenca en fase de diseño queda modificado. Esto quiere decir que costosas
obras de drenaje urbano diseñadas con una metodología hidrológica e hidráulica rigurosa, pueden funcionar de
manera inadecuada y diferente a lo previsto. Para garantizar la captación sobre calzadas y aceras normalmente se
utilizan imbornales con rejillas, con buzones laterales juntos al bordillo o combinaciones de las dos soluciones.
Hoy en día la eficiencia hidráulica de estos elementos empieza a estudiarse con una atención adecuada a la
importancia del tema (Spaliviero F. y May R. W. P., 1998; Gómez M. y Russo B., 2005).
En un medio urbano, aparte de las superficies conectadas directamente a la red de drenaje de la ciudad como
terrazas y tejados y de las calles y aceras en las cuales, para garantizar la captación de escorrentía superficial,
contamos con imbornales convencionales, hay toda una serie de superficies como plazas, grandes viales
peatonales, zonas ajardinadas y otras grandes superficies abiertas urbanizadas. En estos casos, colocar algunos
imbornales de forma aleatoria y esporádica a lo largo de toda la superficie urbanizada representa una solución de
escasa eficacia a nivel de captación superficial y por eso se suelen utilizar estructuras de captación transversal
continuas formadas por el conjunto de rejillas y canaletas de desagüe asociadas (Figura 1).
Figura 1 Rejillas transversales continuas en el Campus Nord de la Universidad Politécnica de Catalunya.
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1.2 Justificación del estudio
El estudio de estos elementos de drenaje superficial debería tener en cuenta, por un lado, la eficiencia hidráulica
de las rejillas transversales continuas y, por el otro, la capacidad de desagüe de las canaletas asociadas. El caudal
de desagüe de paso por la canaleta (Qdesagüe) se puede calcular considerando un régimen de flujo espacialmente
variado en el caso de incremento de caudal en la dirección del flujo que corresponde a la situación bajo la cual
las mismas canaletas desaguan los caudales interceptados (qint).
Figura 2 Esquema de funcionamiento de un sistema de drenaje superficial formado por el conjunto rejillas-canaleta.
En bibliografía existen diferentes publicaciones que explican de manera adecuada como se puede resolver este
tipo de flujo teniendo en cuenta la pérdida de carga debidas a la fricción de las partículas de fluido con las
tuberías y las pérdidas de impacto (“impact loses”) generadas por el choque producido por los caudales
interceptados y los caudales de paso por la canaleta. Cuanto más pequeñas sean las canaletas, mayores serán las
pérdidas de impacto. En canaletas de desagüe asociadas a rejillas transversales continuas, gran parte de las
pérdidas de carga producidas son de este tipo debido a que el caudal interceptado muchas veces es del mismo
orden de magnitud que el caudal circulante (French R. H., 1985).
Si el cálculo de los caudales máximos circulantes por una canaleta de desagüe es un problema ya conocido y
suficientemente estudiado, el cálculo de la capacidad hidráulica de rejillas transversales continuas es, sin
embargo, algo mucho menos común, no obstante el uso muy difundido de este tipo de estructuras.
De hecho, la gran mayoría de las veces, el diseño de estas estructuras de captación se decide según criterios
estéticos atendiendo principalmente a sus dimensiones, formas e integración en el mobiliario urbano. Los
suministradores y fabricantes proporcionan numerosos datos sobre su comportamiento estructural pero nunca lo
hacen sobre su capacidad de capturar caudales. Por otro lado, tampoco las normas europeas específicas sobre
elementos de captación, las EN 124 (ECS, 1994) y la EN 1433 (ECS, 2002), proporcionan informaciones
adecuadas sobre la capacidad hidráulica de estos elementos.
En este contexto, queda claro que la única forma de caracterizar hidráulicamente estos elementos consiste en
análisis experimentales a través de modelos físicos. Una campaña experimental para la estimación de la
eficiencia de captación de rejillas transversales continuas ha sido desarrollada en el Laboratorio de Hidráulica de
la Escuela de Caminos de la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC) y los resultados de la fase experimental
se presentan en esta memoria.
El objetivo de la campaña experimental ha sido lo de hallar formulaciones que permitieran estimar la capacidad
hidráulica de estos elementos sin la necesidad de ensayos previos. En particular se han buscado expresiones que
pudieran también ser útiles para introducirse en códigos de cálculo y así simular el correcto comportamiento
hidráulico de zonas urbanas durante sucesos de lluvias.
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2 Capacidad hidráulica de las rejillas transversales continuas
2.1 Definición de eficiencia hidráulica
La eficiencia hidráulica de un elemento de drenaje superficial se puede definir como el cociente entre el caudal
interceptado por él, y el caudal de paso por la cuneta:
Q
QE int
= (1)
donde:
E es la eficiencia hidráulica de la estructura de captación;
Qint es el caudal captado por la estructura de captación;
Q es el caudal de paso por la cuneta.
La eficiencia hidráulica de un elemento de drenaje superficial depende de muchos parámetros entre los cuales
destacan el caudal de paso por la cuneta (Q), el tipo de rejilla de captación, la pendiente longitudinal (Iy), la
rugosidad (n) y la geometría de la cuneta, el bombeo transversal de la calle (Ix), y del factor de colmatación
debido a fenómenos de obstrucción del área de huecos de la estructura.
La eficiencia hidráulica de rejillas transversales continuas puede expresarse también en términos de eficiencia
unitaria E (eficiencia por metro de rejilla):
q
qE int
= (2)
donde:
qint es el caudal captado por un metro de estructura de captación;
q es el caudal unitario circulante.
2.2 Antecedentes
En publicaciones recientes, ecuaciones experimentales potenciales han sido propuestas para relacionar la
eficiencia hidráulica de rejas de alcantarillado convencionales al calado del flujo (y) (NFCO, 1998) o al cociente
(Q/y) (Spaliviero y May, 1998; Gómez y Russo 2005a, b). Especialmente, durante una campaña experimental
desarrollada en el Laboratorio de Hidráulica de la UPC, las rejas más comunes en Barcelona fueron ensayadas a
través de una plataforma experimental que simula el comportamiento hidráulico de una calle urbana frente a
fenómenos de episodios de fuertes lluvias (Figura 3). Los resultados de esta campaña proporcionaron unas
expresiones experimentales que permiten estimar la eficiencia hidráulica de rejas convencionales sobre la base
de su geometría, para cualquier condición de flujo en cunetas uniformes (Gómez y Russo 2005a, b).
Figura 3 Plataforma para el ensayo de rejas en el Laboratorio de Hidráulica de la Escuela de Caminos de la UPC
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3 Campaña experimental
3.1 Estructuras ensayadas
El uso de rejillas transversales continuas es generalmente común en todas aquellas superficies del medio urbano
que no presenten claras zonas de acumulación de caudales (como cunetas, puntos bajos, etc.) y que por lo tanto
no pueden ser drenadas a través de elementos de captación aislados como los imbornales convencionales.
Ejemplos de este tipo de superficies son plazas duras, parques y jardines, superficies aeroportuales, calles
peatonales, etc.
No obstante la importancia y difusión de este tipo de estructuras, al estado del arte, no existen estudios sobre la
caracterización hidráulica de las rejillas transversales continuas. Debido a todo eso, el Grupo Flumen de la UPC
empezó en el año 2006 una nueva campaña experimental orientada al conocimiento del comportamiento
hidráulico de rejas continuas. Con este objetivo 4 diferentes rejillas se ensayaron en el laboratorio de hidráulica
de la UPC (Figura 4; Tabla 1) utilizando el modelo físico de la plataforma precedentemente descrito después de
aportar algunas significativas modificaciones para poder estudiar un adecuado rango de caudales unitarios.
Rejilla 1
Rejilla 2
Rejilla 3
Rejilla 4
Figura 4 Rejillas transversales continuas ensayadas
Tabla 1 Datos geométricos de las rejillas expresados por metro lineal de estructura de captación.
Rejilla Ancho Longitud Longitud efectiva
Área total
Área de huecos
Numero de barras
longitudinales
Numero de barras
transversales
Numero de barras diagonales
cm cm cm cm2 cm2
1 100 30.2 25.0 3020 1112.4 35 1 0
2 100 19.5 15.0 1950 751.9 36 0 0
3 100 12.4 10.4 1240 397.4 36 0 0
4 100 12.4 12.0 1240 582.4 1 3 59
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3.2 Descripción de las instalaciones y del protocolo experimental
Los ensayos se desarrollaron en escala 1:1 utilizando parte de la superficie de la plataforma. En particular se
limitó el área de circulación del flujo a una superficie de 1.5 m de ancho y 5.5 m de largo (Figura 5) y se estudió
el funcionamiento hidráulico de las rejillas anteriores para un rango de caudales entre 0 y 200 l/s y un rango de
pendientes longitudinales entre 0 y 10%.
Figura 5 Rejillas transversales continuas instaladas y bajo condiciones de ensayos en el
Laboratorio de Hidráulica de la Escuela de Caminos de la UPC
El laboratorio dispone de un grupo de bombeo capaz de impulsar un caudal de hasta 200 l/s desde un depósito
situado en el subsuelo del edificio hasta otro situado en la azotea del mismo. Una válvula de compuerta
motorizada, de tipo multichorro, regula el caudal de suministro a la plataforma. El agua entra en la plataforma a
través de un depósito en la cabecera encargado de tranquilizar y proporcionar una horizontalidad con respecto al
terreno de la lámina de agua. De este modo se favorece que el agua cumpla la condición de movimiento
unidimensional en lámina libre: en una sección (perpendicular a la dirección del flujo) la cota del agua es la
misma para todo el ancho. Así se consigue que el flujo alcance con más facilidad las condiciones de
aproximación en régimen permanente y uniforme. Se pretende así reproducir lo más fielmente posible la llegada
del agua a una estructura de captación en condiciones reales en medio urbano. El agua entra en la plataforma de
ensayo con una distribución transversal de calados muy similar a la que se produce en la realidad en una
superficie urbanizada.
El protocolo de ensayo supuso los siguientes caudales de paso por la plataforma (1.5 me de ancho):
10 l/s, 25 l/s, 50 l/s, 75 l/s, 100 l/s
Si se consideran los datos por metro lineal de rejilla, los 5 caudales unitarios de paso correspondientes serían:
6.7 l/s, 16.7 l/s, 33.3 l/s, 50 l/s, 66.7 l/s por metro lineal
El rango de caudales analizado es próximo a los caudales reales que nos encontramos en zonas urbanas durante
episodios de lluvias intensos.
La pendiente transversal se fijó al 0% debido a que estas rejillas se colocan en superficies que generalmente no
presentan bombeos. Las pendientes longitudinales de ensayo fueron:
0%, 0.5%, 1%, 2%, 4%, 6%, 8%, 10%
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3.3 Resultados de los ensayos experimentales
Los datos de los ensayos se presentaron en términos de eficiencia hidráulica (definida como el cociente entre el
caudal captado y el caudal de paso) por metro lineal de rejilla considerando que esa sea la forma más adecuada
para un uso directo de los resultados por parte de los técnicos y fabricantes que quieran manejar esta
información.
Inicialmente los resultados de los ensayos se propusieron en formatos de ábacos cuyos datos pueden también ser
representados a través de gráficas específicas de cada rejilla. Como ejemplo se representa a continuación la
gráfica de la rejilla 3 en la Figura 6 a continuación. Gráficas parecidas fueron elaboradas para las otras rejillas
analizadas. Como se puede comprobar las eficiencias hidráulicas de cada rejilla depende, por un lado, del caudal
de paso, y por el otro, de la pendiente longitudinal. Analizando la gráfica de la Figura 6 se puede observar que la
eficiencia hidráulica de una rejilla disminuye al aumentar de la pendiente longitudinal pasando de un rango entre
el 80 y el 100% para un caudal específico de 6.6 l/s, y un rango de valores comprendidos entre el 20 y el 30%
para caudales 10 veces mayores.
Eficiencia hidráulica E para la rejilla 3
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
10864210.50
Pendiente longitudinal (%)
E
q=6.6 l/s
q=16.7 l/s
q=33.3 l/s
q=50 l/s
q=66.7 l/s
Figura 6 Resultados de los ensayos de captación para la Rejilla 3 en función de los
caudales unitarios y de las pendientes longitudinales
En general se puede observar que este tipo de estructura de captación presenta altos valores de eficiencia de
captación (muy por encima de rejas convencionales). En la Tabla 2 se presenta el rango de valores de la
eficiencia hidráulica para cada rejilla analizada.
Tabla 2 Rango de eficiencia hidráulica de las rejillas considerando los diferentes caudales de paso y las configuraciones geométricas establecidas en el protocolo de ensayo
Tipología
de rejilla
Rango de
eficiencia (%)
1 53 - 100
2 40 - 100
3 19 - 97
4 15 - 97
Después de obtener datos directos a partir de los ensayos de captación, se ha intentado relacionar la eficiencia
hidráulica de las rejillas de captación a los parámetros del flujo. Las condiciones del flujo durante los ensayos se
caracterizaron por tener altos número de Reynolds (entre 67.000 y 267.000) así que el flujo pudo considerarse
como flujo turbulento completamente desarrollado. Para este tipo de flujo se pueden considerar despreciables los
efectos de la viscosidad. Además, al desarrollarse los ensayos a escala real y debido a las dimensiones de las
rejillas y de sus elementos (barras, áreas de huecos, etc.), se pueden despreciar también las tensiones
superficiales de la lámina de agua. Considerando el análisis adimensional del problema, y por todo lo dicho
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anteriormente, es posible deducir que una cantidad adimensional como la eficiencia hidráulica E debería
depender sólo de la geometría de la rejilla (dimensiones, diseño hidráulico, área de huecos, etc.) y de otro
parámetro adimensional que describa las características inerciales y gravitacionales del flujo: el número de
Froude F del flujo de paso por la rejilla.
El número de Fraude del flujo es un parámetro estrictamente asociado al caudal de paso, la rugosidad superficial
y a parámetros geométricos como las pendientes longitudinales y transversales. Los datos experimentales fueron
elaborados y finalmente se encontró una relación linear entre la eficiencia hidráulica E y el número de Froude
del flujo, para cada rejilla y cada caudal de paso:
baFE += (3)
donde:
a y b son parámetros característicos de las rejillas y del caudal circulante
F es el número de Froude relacionado al caudal circulante q definido como:
qint es el caudal captado por un metro de estructura de captación;
q es el caudal unitario circulante.
B
Ag
vF = (4)
donde:
v es la velocidad del flujo
A es la sección transversal del flujo
B es el ancho superficial del flujo.
Los coeficientes de correlación R2 entre los datos experimentales y las líneas de tendencias lineales resultan
extraordinariamente altos muy altos y el buen ajuste se puede observar también en la gráfica siguiente que
muestra la relación lineal entre E y F para las rejillas con diferentes caudales de paso. (Figura 7).
Figura 7 Correspondencia lineal entre E y F para diferentes rejillas y diferentes caudales de paso
Gráfica E-Fr
Rejilla 2
y = -0.1027x + 0.766
R2 = 0.9834
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0Fr
E
Datosexperimentalespara q= 66.67 l/sAjuste lineal
Gráfica E-Fr
Rejil la 3
y = -0.0575x + 0.7603
R2 = 0.9683
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0Fr
E
Datosexperimentalespara q = 16.67 l/sAjuste lineal
Gráfica E-Fr
Rejil la 4
y = -0.1494x + 0.8403
R2 = 0.9859
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0Fr
E
Datosexperimentalespara q = 50 l/sAjuste lineal
Gráfica E-Fr
Rejilla 1
y = -0.0512x + 1.0297
R2 = 0.9809
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0Fr
EDatosexperimentalespara q = 33.33 l/sAjuste lineal
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Los resultados obtenidos pueden ser utilizados para calcular la eficiencia hidráulica de estas rejillas considerando
un caudal circulante constante. En este caso, como primera aproximación, podrían emplearse el modelo de la
onda cinemática suponiendo condiciones de flujo normal para calcular el número de Froude. Para caudales
intermedios habría que interpolar entre los valores calculados para los caudales de ensayo. En la Tabla 3 se
presentan los coeficientes a y b para cada rejilla y cada flujo considerado durante los ensayos.
Tabla 3 Coeficientes a y b para todas las rejillas ensayadas y todos los caudales considerados durante la campaña
experimental.
Rejilla 1 Rejilla 2 Rejilla 3 Rejilla 4
q (l/s) a b a b a b a b
66.70 -0.03 0.85 -0.10 0.77 -0.05 0.37 -0.16 0.66
50.00 -0.03 1.00 -0.15 0.96 -0.07 0.46 -0.20 0.8
33.30 -0.01 0.98 -0.08 0.99 -0.06 0.56 -0.15 0.84
16.70 -0.01 1.03 -0.07 1.05 -0.06 0.76 -0.15 1.00
6.70 Eficiencia hidráulica cercana al 100%
3.4 Comprobación de las leyes experimentales
Finalmente para comprobar los resultados obtenidos otra rejilla transversal de dimensiones más grandes fue
ensayada en el laboratorio de la UPC. Las características geométricas de esta rejilla se pueden apreciar en la
Figura 8 y en la Tabla 4.
Figura 8 Rejilla transversal 5 ensayada en el Laboratorio de Hidráulica de la Escuela de Caminos de la UPC
Tabla 4 Coeficientes a y b para todas las rejillas ensayadas y todos los caudales considerados durante la campaña
experimental
Rejilla Ancho Longitud Longitud efectiva
Área total
Área de huecos
Numero de barras
longitudinales
Numero de barras
transversales
Numero de barras diagonales
cm cm cm cm2 cm2
5 100 50 25.0 5000 2012 1 3 21
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Con la rejilla 5, el protocolo de ensayo (relacionado con los caudales) fue cambiado debido a la alta eficiencia hidráulica de
la estructura y a las limitaciones del modelo en términos de caudales captados. En este caso se instaló en la plataforma sólo
un metro de estructura de captación así como se puede observar en la Figura 9.
Figura 9 Rejilla transversal 5 bajo condiciones de ensayo colocada por un metro de ancho
Finalmente el nuevo protocolo de ensayo, en términos de caudales circulantes por la plataforma, ha sido:
10 l/s, 25 l/s, 50 l/s, 75 l/s, 100 l/s por metro lineal
El protocolo en términos de pendientes longitudinales no ha variado durante este ensayo. Los resultados obtenidos con la
nueva rejilla transversal han comprobado que la eficiencia hidráulica de una estructura de captación de este tipo puede
relacionarse al número de Froude del caudal circulante a través de una relación lineal para cada caudal de paso. De hecho los
coeficientes de correlación también en este caso fueron muy altos como en el primer caso (generalmente por encima del
90%) (Figura 10).
Gráfica E-Fr
Rejilla 5
y = -0.1129x + 1.0258
R2 = 0.9383
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0Fr
E
Datosexperimentalespara q=75 l/sAjuste lineal
Figura 10 Correspondencia lineal entre E y F para la rejilla 5 y un caudal de 75 l/s
También para la rejilla 5 se presentan los coeficientes a y b para los diferentes caudales ensayados en la Tabla 5.
Tabla 5 Coeficientes a y b para la rejilla 5 y todos los caudales considerados durante la campaña experimental.
Rejilla 5 q (l/s) a b
100 -0.07 0.87
75 -0.11 1.03
50 -0.12 1.15
25 -0.04 1.00
10 Eficiencia hidráulica cercana al 100%
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4 Conclusiones Se ha estudiado la eficiencia hidráulica de algunas rejillas transversales continuas de captación. Este tipo de
rejillas son las más utilizadas en zonas peatonales urbanas (explanadas, plazas, zonas ajardinadas, etc.) donde la
presencia de imbornales aislados no sería eficaz para introducir en la red de alcantarillado toda la escorrentía
producida durante un evento de lluvia.
Los resultados de los ensayos proporcionan informaciones directamente utilizables por los técnicos de las
Administraciones Públicas y suministradores de estas tipologías de estructura de captación.
El análisis de los resultados de los ensayos llevó a la propuesta de una ecuación experimental lineal para todas
las rejillas ensayadas y que relaciona la eficiencia hidráulica de captación superficial con parámetros que
dependen del flujo y de la geometría de las rejillas.
A través de dicha expresión se puede estudiar la eficiencia de captación de las rejillas analizadas para cualquier
configuración geométrica (diferentes pendientes longitudinales) y diferentes caudales de paso.
La metodología se puede aplicar utilizando en primera aproximación el modelo de la onda cinemática
considerando condiciones de flujo normal.
Los resultados obtenidos han sido comprobados con una segunda fase experimental.
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