Diseño hidráulico de estructuras de conexión (pozos) en sistemas de alcantarillado

Estructura de conexión o estructura-pozo

Definición: Estructura construida para la unión de uno o más colectores, con el fin de permitir cambios de alineamiento horizontal y vertical en el sistema de alcantarillado, entre otros propósitos.

Casos en que deben disponerse estructuras de conexión

• Inicio de sistemas.
• Cambios de dirección de colectores.
• Cambios de diámetro de colectores.
• Cambios de pendiente de colectores.
• Cambios de sección de colectores.
• Intersección de colectores.
• Entre tramos rectos de colectores de determinada longitud.

Consideraciones prácticas inmediatas

• Siempre hay que mirar aguas abajo del pozo para verificar el flujo.
• Cuando la profundidad del pozo es muy alta (> 7 m) se puede aumentar el diámetro. Se recomienda que Dp ≥ Dpi. El diámetro solo se puede aumentar.

Fundamento del diseño hidráulico

El diseño hidráulico de las estructuras de conexión depende del régimen de flujo de los colectores afluentes y del colector de salida o principal. Se basa fundamentalmente en la determinación de las pérdidas de cabeza hidráulica producidas por la unión, con el fin de estimar la cota batea del colector de salida. El análisis es diferente dependiendo del régimen de flujo, tanto en los colectores de entrada como en los de salida.

Régimen subcrítico

Casos posibles:

• a. Entrada y salida sumergida.
• b. Entrada sumergida y conducto con flujo totalmente lleno.
• c. Entrada sumergida y salida con flujo libre.
• d. Entrada no sumergida y salida sumergida.
• e. Entrada y salida no sumergida.

Relaciones energéticas principales: ΔHe = ΔE + hm, donde ΔE = (y2 + Hv2) − (y1 + Hv1).

Si ΔHe es negativo o cero, se debe dejar una caída mínima de 2 cm entre cotas clave de las tuberías.

También se puede expresar: ΔH = ΔH2 − ΔH1 < 0 → no hay grada.

Régimen supercrítico

Casos posibles:

• a. Salida no sumergida.
• b. Entrada no sumergida y salida sumergida.
• c. Entrada sumergida.
• d. Salida y entrada sumergida.

Pérdidas en la estructura

Las pérdidas en la estructura son causadas por la superposición de varios efectos presentes en la estructura, como los cambios de dirección del flujo, contracciones, expansiones, efecto de la cañuela y confluencia de chorros.

Valores del coeficiente Kk en pozos sin caída

Coeficiente Kk de pérdidas de energía en la unión de colectores:

• 0.1 para velocidad creciente.
• 0.2 para velocidad decreciente.

Valores del coeficiente Kc en pozos sin caída

Coeficiente Kc de pérdidas de energía por cambio en la dirección del flujo (en función del radio de curvatura):

• Radio/Diámetro = 1.0–1.5 → Kc ≈ 0.40
• Radio/Diámetro = 1.5–3.0 → Kc ≈ 0.20
• Radio/Diámetro > 3.0 → Kc ≈ 0.05

En general se toma un valor de Radio de curvatura / Diámetro de salida = 6.

Situaciones básicas de diseño hidráulico

Las consideraciones básicas de diseño hidráulico permiten establecer dos situaciones: unión de colectores sin caída en la estructura de unión y unión de colectores con cámara de caída.

1) Unión de colectores sin caída

Esta situación corresponde al caso en el cual la cota de la superficie de agua en los colectores afluentes a la estructura es aproximadamente la misma y la cota de energía del colector de salida es menor que la de los de entrada para evitar la formación de resaltos hidráulicos.

1. La cota de la superficie de agua en los colectores afluentes a la estructura debe ser aproximadamente la misma.
2. La cota de energía del colector de salida debe ser menor que la de los de entrada para evitar la formación de resaltos hidráulicos en la estructura de conexión.
3. Es necesario adecuar la unión en la estructura para evitar alteraciones en el flujo y disminuir las pérdidas en la confluencia de los colectores.
4. Cuando se unen dos colectores con diámetros mayores a 900 mm, el análisis hidráulico de la estructura de conexión debe basarse en la ecuación de cantidad de movimiento.

2) Unión de colectores con cámara de caída

Esta condición corresponde a los casos en los cuales no es justificable o no hay espacio para construir estructuras de unión como las anteriores. En particular, cuando los diámetros son mayores que 900 mm, pueden hacerse pozos convencionales con cámaras de caída.

En este caso la entrada de agua al colector de salida puede presentarse de manera sumergida o no sumergida, dependiendo del diámetro del colector y del caudal efluente.

Notas finales y recomendaciones

• Si hay cambio de dirección y no hay caída, se debe hacer cañuela; es decir, calcular la curva (adaptación de la dirección del flujo).
• Cuando hay caída, no se hace cañuela.