CENTRO DE SERVICIO DISEÑO

Informe de Diseño

Planos y Especificaciones

Proyecto: PG Pailas Unidad II

Diseño de alcantarillado pluvial dentro del

área de la casa de máquinas

Consecutivo CSD:2013-085

Número de Orden de Servicio: 9112-13-011

Consecutivo Informe de Diseño: CSD-ID-2014-005

Áreas Participantes

Ingeniería Hidráulica

Enero, 2014

Diseño de alcantarillado pluvial dentro del área de la casa de máquinas

CSD-ID-2014-005

CONTROL DE ELABORACIÓN, REVISIÓN Y APROBACIÓN

CONTROL DE CAMBIOS

Versión Apartado

Modificado Fecha de

Modificación Justificación

1

Elaboró Dependencia Firma Fecha

Priscilla Riggioni Hidráulica

Revisó Dependencia Firma Fecha

Eugenia Gutiérrez Hidráulica

Aprobó Dependencia Firma Fecha

Federico Aviles Hidráulica

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INDICE DE CONTENIDO

1. INTRODUCCIÓN ................................................................................................ 2

2. METODOLOGÍA .................................................................................................. 3

3. DESARROLLO .................................................................................................... 3

3.1. Criterios hidrológicos .................................................................................... 3

3.2. Criterios hidráulicos ...................................................................................... 6

3.3. Resumen de resultados de diseño ............................................................... 7

3.4. Desfogue al río Colorado .............................................................................. 1

4. BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................... 1

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1. INTRODUCCIÓN

El presente informe resume la memoria de cálculo del alcantarillado pluvial de la casa de máquinas del Proyecto Geotérmico Las Pailas Unidad II. El diseño comprende los tragantes, las tuberías de conexión entre tragantes y pozos pluviales y los pozos pluviales. El sitio propuesto para la nueva central eléctrica de Las Pailas Unidad II es un espacio rectangular de 125m x 140m situado al este de la actual plataforma PGP-2 del Centro de Generación de Las Pailas Unidad I. En la Figura 1 se muestra la ubicación de casa máquinas respecto a las plataformas que conforman el proyecto. El diseño no incluye la estructura de desfogue final del alcantarillado, ni la estructura de trasiego del agua de este punto al río Colorado, ni ninguna estructura intermedia. Estos diseños quedarán para una etapa posterior al diseño básico del proyecto.

Área de casa Máquinas

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Figura 1. Campo geotérmico de Pailas Unidad II.

2. METODOLOGÍA

Se procedió a realizar un arreglo geométrico de las tuberías y los pozos de registro pluvial de forma tal que se pudiera asignar a cada tramo y pozo un área tributaria y un tiempo de concentración. Con estos datos y con la curva de Intensidad Duración Frecuencia (IDF) de Vahrson para la ciudad de Liberia se obtuvieron las diferentes intensidades de lluvia en mm/hora correspondientes a cada tramo. Con estos valores y los coeficientes de escorrentía basados en Ven te Chow (1994) se procedió a utilizar la fórmula del Método Racional para el cálculo de los caudales. Con los datos de caudal se procedió a realizar el cálculo hidráulico del colector pluvial según las formulas establecidas para el diseño de alcantarillados. Las premisas de diseño, metodología de cálculo, detalles y arreglo de estructuras son basadas en las normativas y lineamientos que dispone el Instituto Costarricense de Acueductos y Alcantarillados (AyA) para dichas estructuras.

3. DESARROLLO

3.1. Criterios hidrológicos

El área de la casa de máquinas se dividió en áreas tributarias; a cada una de estas áreas se les asigno un tiempo de concentración y un coeficiente de escorrentía. El área tributaria se estimó de acuerdo con la topografía del sitio y con la disposición de tragantes y pozos. A cada tragante y a cada pozo le corresponde un área tributaria. Las áreas tributarias se muestran en la Figura 2. Cada una de estas áreas se muestra en un color diferente. Las aguas de los taludes en los alrededores de la casa de máquinas deberán de contar con un control independiente aguas arriba y una canalización aparte. Estos valores no fueron contemplados para el cálculo de las tuberías pluviales.

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Figura 2. Área tributarias para el cálculo de la escorrentía.

Para el cálculo de la intensidad de la lluvia se debió calcular el tiempo de concentración. El tiempo de concentración (Tc) se compone del tiempo de entrada (Te) y el Tiempo de recorrido (Tr) en los colectores pluviales. A continuación el tiempo de concentración:

(1)

El tiempo de entrada se calcula:

(2)

Donde, C: coeficiente de escorrentía en función de la permeabilidad del área de drenaje. L: Longitud máxima de flujo de escorrentía superficial (m).

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S= gradiente hidráulico (m/m). El tiempo de recorrido de un colector Tr se calcula como:

(3)

Donde, Lc: longitud del colector en m. V: velocidad media del flujo en el colector en m/s.

El tiempo de concentración mínimo en pozos iniciales es de 10 minutos y el tiempo máximo es de 20 minutos. El tiempo mínimo de entrada es de 5 minutos. Se estimó un tiempo de concentración de entrada a cada pozo como la suma del tiempo de concentración del pozo anterior y el tiempo de recorrido en el tramo anterior. En los pozos donde se reciben varios aportes se tomó el tiempo más largo de todos los tramos convergentes. El caudal se calcula con la siguiente fórmula:

(4)

Dónde: Q: Caudal máximo en m3/s. C: Coeficiente de escorrentía, que depende de la cobertura vegetal, pendiente y el tipo de suelo. I: Intensidad máxima de la lluvia para una duración igual al tiempo de concentración y para un periodo de retorno dado en mm/h. A: Área de la cuenca en km2. El coeficiente de escorrentía empleado fue de 0.80 para toda el área de la casa de máquinas. No se tomó en cuenta ninguna infiltración en zonas verdes. La curva de intensidad duración frecuencia (IDF) de lluvia utilizada es la de la ciudad de Liberia, la cual posee la siguiente fórmula:

(5)

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Se utilizará un periodo de retorno (tn) de 50 años para una duración (dur) de lluvia igual al tiempo de concentración de cada tramo. El caudal de diseño final para cada tramo de tubería es la suma del aporte de áreas tributarias en cada pozo más el caudal proveniente de las tuberías y pozos aguas arriba de cada tramo considerado.

3.2. Criterios hidráulicos

Para el diseño y cálculo del alcantarillado pluvial de la casa de máquinas se utilizaron las siguientes premisas de diseño:

La escorrentía superficial generada en la plazoleta de casa máquinas se conducirá por medio de una red de tuberías enterradas y canales superficiales hasta un colector principal, llamada sistema de alcantarillado pluvial. Este colector principal desfogará en una estructura final que conducirá el agua hasta el río Colorado.

El sistema de alcantarillado pluvial de la casa de máquinas está diseñado como un sistema a gravedad. El ICE tiene a cargo el diseño del alcantarillado pluvial de dicha zona únicamente. El contratista por lo tanto deberá de realizar las interconexiones (cajas de registro, tuberías, etc) necesarias para conectar dichas estructuras al colector diseñado por el ICE.

Se deberán de construir pozos de registro en todo inicio, intersección de tuberías, cambios de material, cambios de diámetro y cambios de pendiente. La distancia máxima entre pozos permitida es de 120 metros.

Las tuberías del sistema de alcantarillado serán de concreto reforzado , con una rugosidad de n=0,014 (Manning).

El alineamiento en planta y perfil se basó en la normativa de AyA (Reglamentación Técnica para Diseño y Construcción de Urbanizaciones, Condominios y Fraccionamientos, 2007) y en el arreglo arquitectónico realizado por el área de Estructuras y Arquitectura de la UEN PySA.

En general, las tuberías se ubicarán por debajo de la calzada en los ejes indicados en planos.

La velocidad a tubo lleno (vo en m/s) se definió de la siguiente manera:

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(6)

Donde: D: diámetro de la tubería en m. S: pendiente de fondo del tubo. n: coeficiente de rugosidad de Manning.

El dimensionamiento de la tubería se realizó para que la velocidad a tubo lleno no excediera en ningún caso los 5 m/s. Además, se verificó que la velocidad mínima no fuera inferior a 1.0 m/s y que la fuerza tractiva fuera mayor a 0.1 kg/m2 Para este dimensionamiento se respetó el criterio de diámetro mínimo impuesto por AyA de 400 mm (16 pulgadas) para los colectores pluviales.

El cálculo a tubo lleno (Qo en l/s) se estima de la siguiente manera:

(7)

Donde: D: diámetro del tubo en m. Vo: velocidad a tubo lleno m/s.

El valor de caudal a tubo lleno permite calcular la razón de caudal de diseño a caudal a tubo lleno (Qdiseño/Qo). Con esta razón, se puede obtener los valores de velocidad y tirantes del agua en las condiciones de diseño. Para lo anterior se utilizan las curvas para flujo en tubos parcialmente llenos disponibles en los libros de hidráulica. Se verificó que el diámetro de los tubos permitiera tener una relación tirante entre diámetro que no excediera de un valor de 0.80

3.3. Resumen de resultados de diseño

En la Tabla 1 y en la Tabla 2 se muestran los resultados de los cálculos de

las tuberías y los pozos de registro pluvial.

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Tabla 1. Resultados de cálculo

Pozo incial Pozo final L (m) Pendiente Diámetro (mm) Vo (tubo lleno) m/s Qo (tubo lleno) l/sA tributaria

(km2)

Ce

ponderadotc (min)

I 50

años

(mm/h)

Q diseño

(l/s)Qd/Qo y/D y (mm) τ (kg/m

2) v (m/s)

6 5 46.0 0.0050 600 1.54 434.6099 0.0061 0.80 19 181.0455 244.73 0.56 0.536 321.60 0.78 1.58

5 4 41.0 0.0050 600 1.54 434.6099 0.0033 0.80 18 181.0455 377.70 0.87 0.720 432.00 0.90 1.73

4 3 55.9 0.0050 600 1.54 434.6099 0.0050 0.80 18 181.0455 332.72 0.77 0.655 393.00 0.87 1.69

3 2 55.9 0.0050 600 1.54 434.6099 0.0054 0.80 17 181.0455 415.36 0.96 0.782 469.20 0.91 1.75

Pozo incial Pozo final L (m) Pendiente Diámetro (mm) Vo (tubo lleno) m/s Qo (tubo lleno) l/sA tributaria

(km2)

Ce

ponderadotc (min)

I 50

años

(mm/h)

Q diseño

(l/s)Qd/Qo y/D y (m) τ (kg/m

2) v (m/s)

8 7 46.0 0.0050 600 1.54 434.6099 0.0066 0.80 20 177.6980 258.77 0.60 0.555 333.00 0.80 1.60

7 2 41.0 0.0050 600 1.54 434.6099 0.0014 0.80 17 177.6980 313.46 0.72 0.629 377.40 0.85 1.67

Pozo incial Pozo final L (m) Pendiente Diámetro (mm) Vo (tubo lleno) m/s Qo (tubo lleno) l/sA tributaria

(km2)

Ce

ponderadotc (min)

I 50

años

(mm/h)

Q diseño

(l/s)Qd/Qo y/D y (m) τ (kg/m2) v (m/s)

2 1 68.5 0.0050 900 2.01 1281.3751 0.0277 0.80 20 177.6980 728.82 0.57 0.540 486.00 1.18 2.08

Tabla 2. Resultados de cálculo

De

PozoA Pozo

Nivel de

terreno De

Nivel de

terreno A

Distancia

acumulada

(m) de A

CIC CIB c CFC CFB CIC CIB c CFC CFB

DIST. Vertical

entre CFB y el

otro CFB

Cota Batea

inicial

(msnm)

Cota Batea

final

(msnm)

Diámetro

de Tubo

(m)

Cota clave

inicial

(msnm)

Cota clave

final

(msnm)

8 7 670.00 670.00 46.00 1.00 1.60 0.20 1.20 1.80 1.43 2.03 0.20 1.63 2.23 0.23 668.40 668.20 0.60 669.00 668.80

7 2 670.00 670.00 87.00 1.43 2.03 0.20 1.63 2.23 1.84 2.44 0.20 3.00 3.60 0.21 667.97 667.77 0.60 668.57 668.37

De

PozoA Pozo

Nivel de

terreno De

Nivel de

terreno A

Distancia

acumulada

(m) de A

CIC CIB c CFC CFB CIC CIB c CFC CFB

DIST. Vertical

entre CFB y el

otro CFB

Cota Batea

inicial

Cota Batea

final

Diámetro

de Tubo

(m)

Cota clave

inicial

Cota clave

final

6 5 670.00 670.00 46.00 1.00 1.60 0.20 1.20 1.80 1.43 2.03 0.20 1.63 2.23 0.23 668.40 668.20 0.60 669.00 668.80

5 4 670.00 670.00 87.00 1.43 2.03 0.20 1.63 2.23 1.84 2.44 0.20 2.04 2.64 0.21 667.97 667.77 0.60 668.57 668.37

4 3 670.00 670.00 142.90 1.84 2.44 0.20 2.04 2.64 2.32 2.92 0.20 2.52 3.12 0.28 667.57 667.37 0.60 668.17 667.97

3 2 670.00 670.00 198.80 2.32 2.92 0.20 2.52 3.12 2.80 3.40 0.20 3.00 3.60 0.28 667.09 666.89 0.60 667.69 667.49

De

PozoA Pozo

Nivel de

terreno De

Nivel de

terreno A

Distancia

acumulada

(m) de A

CIC CIB c CFC CFB CIC CIB c CFC CFB

DIST. Vertical

entre CFB y el

otro CFB

Cota Batea

inicial

Cota Batea

final

Diámetro

de Tubo

Cota clave

inicial

Cota clave

final

2 1 670.00 666.00 68.50 2.80 3.40 0.20 3.00 3.60 3.38 4.28 0.20 4.48 3.58 0.69 666.61 662.41 0.90 667.51 663.31

ENTRADA

DATOS DE CAD ENTRADA

SALIDA

SALIDA

SALIDA

ENTRADADATOS DE CAD

DATOS DE CAD

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3.4. Desfogue al río Colorado

El diseño del desfogue al río Colorado no se realizara hasta no llevar a cabo las giras de reconocimiento a campo para el diseño básico. A pesar de que se posee la topografía del perfil, no se puede definir el tipo de estructura a utilizarse (canal o alcantarillado) sin antes revisar todos los detalles de la ruta. Además, se debe verificar las condiciones del sitio de desfogue en el río Colorado pera ver la necesidad de diseñar un cabezal de desfogue o algún disipador de energía. Entre la casa de máquinas y el inicio de la estructura de desfogue (P1 en la Figura 3) hacia el río Colorado existen aproximadamente 68.64 m de distancia. La totalidad de longitud de esta obra será aproximadamente de 680 metros.

Figura 3. Perfil desde casa máquinas al río Colorado.

4. BIBLIOGRAFÍA

Chow, V. t. (1994). Hidrología Aplicada. McGraw Hill.

Instituto Costarricense de Acueductos y Alcantarillados. (2007). Reglamentación

Técnica para Diseño y Construcción de Urbanizaciones, Condominios y

Fraccionamientos.

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Instituto Costarricense de Acueductos y Alcantarillados. (2011). Uso de tuberías

de concreto en proyectos de alcantarillados sanitarios, pluviales y

alcantarillas en carreteras.

Vahrson, Alfaro, & Aráuz. (1992). Curvas de intensidad, duración y frecuencia para

los centros urbanos más importantes de Costa Rica. San José: Asociación

Costarricense de recursos Hídricos y Saneamiento Ambiental.