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Ingenieria de Proyecto

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Sistemas de agua potable y alcantarillado sanitario para el programa de mejoramiento de barrios de la urb.

“La Joya” (Distrito 9)

CAPITULO 3
INGENIERÍA DEL PROYECTO

SISTEMA DE AGUA POTABLE

3.1 MEMORIA DESCRIPTIVA

Se describe a continuación, la concepción del proyecto, el periodo de diseño, calculado de


la población futura, este análisis cuantitativo se lo realiza en función del índice de
crecimiento con el objeto de asegurarse de que el servicio de sistema garantice por todo
el tiempo calculado en el periodo de diseño.

a) PERIODO DE DISEÑO

Se denomina período de diseño, al número de años durante los cuales el sistema debe
proporcionar un servicio satisfactorio. El periodo de diseño está en función de la
capacidad económica de la población. Se debe considerar un periodo de diseño que
corresponde a la vida económica activa en las personas para que puedan disfrutar del
servicio durante todo el tiempo indicado, en que tienen capacidad de pagarlo. Este
periodo por lo tanto, varía en función a la población.
El valor asumido para el proyecto esta en base a la población de la ciudad de
Cochabamba.

b) POBLACIÓN

Analizando con criterio los datos estadísticos del Instituto Nacional de Estadística (INE)
del distrito 9, para la zona de proyecto que tiene características especiales ya explicadas,
por el lugar en el que se encuentra y las actividades que realiza la población, que no es la
de residencia exclusivamente, se tomaron valores de acuerdo a la situación que se
observa en la actualidad.

La población debe ser ajustada de acuerdo a las siguientes consideraciones:


a) Población estable.

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b) Población migratoria, que depende de las condiciones de planificación sectorial


en relación con los recursos naturales, humanos y/o económicos de cada
localidad.
La zona del proyecto tiene la tendencia a una concentración y crecimiento de actividades
comerciales. Tomando en cuenta la cantidad de locales y edificios que empiezan a
construirse sucesivamente, etc.

c) CÁLCULO DE LA POBLACIÓN FUTURA

Para el cálculo de la población futura se emplean métodos de cálculo como ser: el método
de crecimiento Aritmético, Geométrico, Wappaus, Exponencial, etc. Según la norma N.B.
689 se recomienda métodos que dependen de la población inicial.

Las proyecciones de población se consideran en función de los datos obtenidos en un


estudio previo, y un análisis detallado tomando en cuenta en la tasa de crecimiento.
Tasa de crecimiento según el INE para el distrito 9 es de 2,39 %, analizando la zona
sometida al diseño, se considera este valor razonable. Entonces i = 2.39 %.

 Crecimiento Aritmético:

 Crecimiento Geométrico:

 Crecimiento Wappaus:

 Crecimiento Exponencial:

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Donde:
Pf = Población futura (habitantes).
Po = Población inicial de referencia (habitantes).
i = Índice de crecimiento anual (porcentual).
t = Periodo de diseño a partir del año dato para la población inicial (años).

d) ÁREA DE PROYECTO

Se considera área de proyecto, a aquella que contará con el servicio de agua potable,
para el periodo de diseño del proyecto.
Se debe señalar la existencia de establecimientos educativos, hospitales, cuarteles y
otros, que representan consumos de carácter público / institucional a ser considerados en
el diseño.

e) CONSUMO DE AGUA

- Dotación Media Diaria

La dotación media diaria se refiere al consumo anual total provisto en un centro poblado
dividido por la población abastecida y el número de días del año. Es el número
equivalente de agua utilizado por una persona en un día.
Para casos de diseño de sistemas de implementación nueva, la dotación media diaria
recomendada para el diseño de agua potable, según la Norma Boliviana NB 689.

- Dotación Futura

En base a estudios socio económicos, deberá compatibilizarse un incremento en la


dotación, el mismo que se justifica por el mayor hábito en el uso de agua y por la
disponibilidad de la misma.
Se considerara en el diseño una dotación futura para el periodo de diseño, la misma que
se utilizara para la estimación de los caudales de diseño.
La dotación futura de debe estimar con un incremento anual entre el 0,50 % y el 2 % de la
dotación media diaria.

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Donde:
Df = Dotación futura en l/hab./día.

Do = Dotación inicial en l/hab./día.

d = Incremento anual de la dotación.

t = Número de años de estudio.

f) CAUDALES DE DISEÑO

Los caudales de diseño deben ser estimados para el dimensionamiento de los diferentes
componentes del sistema de agua potable.

Se deben considerar los siguientes caudales:

- Consumo Medio Diario

El consumo medio diario se define como la contribución durante el periodo de 24 horas,


obtenida como el promedio durante un año y será determinada en base a la población y
dotación calculada, de acuerdo a la siguiente expresión:

Donde:
Qmd = Consumo medio diario en l/s.
Pf = Población futura en habitantes.
Df = Dotación futura en l/hab./día.

- Consumo Máximo Diario

Es la demanda máxima que se presenta en un día del año, es decir representa el día de
mayor consumo del año. Se determina multiplicando el caudal medio diario por el
coeficiente k1, que varia según las características de la población.

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Donde:
Qmáx-d = Caudal máximo diario en l/s.
K1 = Coeficiente de caudal máximo diario, varia entre 1.2 a 1.5.
Qmd = Caudal medio diario en l/s.

- Consumo Máximo Horario

Es la demanda máxima que se presenta en una hora durante un año completo. Se


determina multiplicando el caudal máximo diario por el coeficiente k2 que varia, según el
número de habitantes de 1.5 a 2.2.

Donde:
Qmáx-h =Caudal máximo horario en l/s.
k2 =Coeficiente de caudal máximo horario.
Qmáx-d =Caudal máximo diario en l/s.

g) CONSIDERACIONES DE DISEÑO SEGÚN LA NORMA BOLIVIANA N.B. 689

- Presiones De Servicio

Durante el periodo de la demanda máxima horaria, la presión dinámica mínima en


cualquier punto de la red no debe ser menor a:

- Poblaciones iguales o menores a 2000 habitantes 5 m.c.a.


- Poblaciones entre 2000 y 10000 habitantes 10 m.c.a.
- Poblaciones mayores a 10000 habitantes 13 m.c.a.

Las presiones arriba mencionadas podrán incrementarse observando disposiciones


municipales o locales de políticas de desarrollo urbano y según las características
técnicas del sistema de distribución.

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La presión estática máxima en la red no debe ser superior a los 70 m.c.a. La presión debe
estar referida al nivel máximo de agua.

- Velocidades

La velocidad mínima en la red principal de distribución en ningún caso debe ser menor a
0.30 m/s para garantizar su auto limpieza. La velocidad máxima en la red de distribución
no debe ser mayor a 2.00 m/s.

- Diámetros Mínimos

Los diámetros mínimos de las tuberías principales para redes cerradas deben ser:

En poblaciones menores a 2 000 habitantes 1"


En poblaciones de 2001 a 20 000 habitantes 1 1/2'
En poblaciones mayores a 20 000 habitantes 2"
Y en el área rural con poblaciones menores a 5000 habitantes en sistemas cerrados se
acepta como 1”, aceptándose ramales de ¾”

- Ubicación de tuberías

La separación entre tuberías de agua potable y alcantarillado debe ser de 1.5 metros en
planta, debiendo colocarse la tubería de agua potable a 0.3 metros como mínimo por
encima del alcantarillado.

- Profundidad de instalación

La profundidad mínima a la cual debe instalarse la tubería de la red de distribución debe


ser 0.8 metros medida desde la rasante del terreno hasta la clave de la tubería. En
aquellos casos en que exista o se prevea volumen alto de tráfico o tráfico de vehículos de
alto tonelaje, la profundidad mínima deberá ser de 1.00 metro desde la clave de la tubería.

- Válvulas

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Válvulas de control o bloqueo, Deben utilizarse para aislar tramos o zonas de


abastecimiento, en las intersecciones de redes principales cuyo desarrollo no debe
sobrepasar:

-1500 m en poblaciones menores y de baja densidad (menor a 250 hab./ha.).


-800 m en poblaciones con densidad mayor a 250 hab./ha.

Válvulas de purga de aire o ventosa: En los puntos altos de la red y cuando el ángulo
formado por la línea horizontal y la tubería sea mayor o igual a 30º debe instalarse una
válvula de purga o ventosa a efectos de facilitar la salida de aire.

Válvulas de limpieza o desagüe: Deben utilizarse en los puntos bajos de la red. En los
puntos terminales más bajos deben disponerse de válvulas de purga. El número de las
mismas las determinará el proyectista de acuerdo a las características topográficas del
terreno.

3.2 MEMORIA DE CÁLCULO

3.2.1 PARÁMETROS BÁSICOS DE DISEÑO - SISTEMA DE AGUA POTABLE

a) POBLACIÓN

Periodo de Diseño:

La ciudad de Cochabamba tiene una población de más de 20000 habitantes, el Periodo


de Diseño para sistemas de Redes de distribución, anotados en la Norma Boliviana,
Instalaciones de Agua - Diseño para Sistemas de Agua potable.

Fuente: Norma Boliviana, Instalaciones de Agua - Diseño para Sistemas de Agua potable.
Segunda Revisión, ICS91.140.60, Sistemas de Agua potable, Diciembre de 2004.

Población menor a Población mayor a


Componentes del sistema
20 000 hab. 20 000 hab.

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OBRA DE CAPTACION 10 - 20 30
ADUCCIÓN 20 30
POZOS PROFUNDOS 10 15 - 20
ESTACIONES DE BOMBEO 20 30
PLANTAS DE TRATAMIENTO 15 - 20 20 - 30
TANQUES DE ALMACENAMIENTO 20 20 - 30
REDES DE DISTRIBUCIÓN 20 30
Equipamiento:
Equipo eléctricos 5 - 10 5 - 10
Equipos de combustión interna 5 5

FUENTE: NORMA BOLIVIANA NB-689, TABLA 2.4 PERIODO DE DISEÑO (AÑOS), Pág. 24.

Se asume un Periodo de Diseño de 20 años, debido al tipo de población que habita la


zona del proyecto, resulta contradictorio a primera vista que se asuma un valor para
poblaciones mayores a 20.000 habitantes siendo la del proyecto 1974 hab. Este periodo
de diseño asumido a su vez es respaldado por la ubicación del área del proyecto.

Población Actual

Para obtener la población inicial en la zona de proyecto se asumió 7 (hab./Lote) de donde


se obtuvo lo siguiente:
Po = 282 (Lotes) x 7 (hab. /Lote) = 1974 habitantes

Población y su Crecimiento

Tomando en cuenta la población se toma un crecimiento del 2.39% (INE).


Tasa de crecimiento (i) = 2.39 %

Calculo de la Población Futura

Para el calculo de la población futura usaremos los métodos de crecimiento Aritmético


Geométrico, Wappaus y Exponencial, en función a las características socio-económicas y
guardando relación de acuerdo a lo especificado en la siguiente tabla.
Población (Habitantes)
Método
Hasta 5000 De 5000 a 20000 De 20000 a 100000 Mayores a 100000
Aritmético X x
Geométrico X x x x

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Wappaus X x x x
Exponenciales X(2) X(2) X(1) x
Curva Logística x
(1) Optativo, recomendable.
(2) Sujeto a justificación.

FUENTE: Norma Boliviana NB 689.

Tabla 2.1. Aplicación de Métodos de cálculo para la estimación de la población futura.

Wappaus:

Donde:
Po =1974 => Población inicial (hab.)
t = 20 => Tiempo de Proyección (años)
i = 2.39 =>Tasa de crecimiento (%)

La población futura calculada por el método de crecimiento Wappaus es de 3214


habitantes.
Pf = 3214 hab.

b) CONSUMO DE AGUA

Dotación:

Para una población de mas de 100000 habitantes (ciudad de Cochabamba), en la zona de


los valles se considera una dotación de 70 - 100 l/hab./día. Según la tabla de referencia.

Población (habitantes)
De 2001 a De 5001 a De 20001 a Más de
Zona Hasta 500 De 501 a 2000
5000 20000 100000 100000
Del altiplano 30 - 50 30 - 70 50 - 80 80 - 100 100 - 150 150 - 200
De lo valles 50 - 70 50 - 90 70 - 100 100 - 140 150 - 200 200 - 250
De lo llanos 70 - 90 170 - 110 190 - 120 1120 - 180 200 - 250 250 - 350
Notas: 1 2

1 justificar a través de un estudio social

2 Justifica a través de un estudio socio-económico

Fuente: Norma NB 689. Tabla 2.2. Dotación media diaria (l/hab./día).

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Para el proyecto se tomara la dotación futura proyectada en el estudio socioeconómico ya

mencionada anteriormente para el año 2027, de donde se verifica que la dotación futura

se encuentra dentro del rango establecido en la tabla 2.2 de la NB 689.

Por lo tanto la dotación futura será:

Df = 92 l/hab./día

c) CAUDALES DE DISEÑO

Los caudales de diseño deben ser estimados para el dimensionamiento de los diferentes
componentes del sistema de agua potable.
Se deben considerar los siguientes:

Consumo Medio Diario:

Es el consumo medio diario tomara los parámetros adoptados del periodo de diseño y
dotación.

Donde:

Pf =3214 => Población futura en habitantes.

Df = 92 => Dotación futura en l/hab./día.

Por lo tanto:

Consumo medio diario

Qmd= 3.42 l/s.

Consumo Máximo Diario:

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Según norma N.B. 689 recomienda valores para K1, entre 1.2 a 1.5 que varia según las
características de la población, para una población de más de 100 000 habitantes será de
1.2, pero para menores a 5000 habitantes se tomo el valor de 1.3.

Donde:

K1 =1.3 => Coeficiente de caudal máximo diario.


Qmd=3.42 => Consumo medio diario en l/s.

Por lo tanto:
Caudal máximo diario
Qmáx-d = 4.45 l/s.

Consumo Máximo Horario:

Según norma N.B. 689 recomienda valores para k2 que varia, según el número de
habitantes de 1.5 a 2.2, para el proyecto con una población de más de 100000 habitantes
es de 1.5, pero para menores a 5000 habitantes se tomo el valor de 1.97.

Coeficiente
Población (habitantes)
k2
Hasta 2000 2,2 a 2,00
De 2001 a 10000 2,00 a 1,80
De 10001 a 100000 1,80 a 1,50

Fuente: Norma NB689. Tabla 2.3. Valores del coeficiente k2

Donde:
k2 = 1.97 =>Coeficiente de caudal máximo horario (interpolación tabla
. 2.3 NB 689)
Qmáx-d = 4.45 =>Consumo máximo diario en l/s

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Por lo tanto:
Caudal máximo horario
Qmáx-h = 8.77 l/s

d) CONSIDERACIONES DE DISENO SEGUN LA NORMA BOLIVIANA NB 689

- Presiones De Servicio

Durante el periodo de la demanda máxima horaria, la presión dinámica mínima en


cualquier punto de la red no debe ser menor a:

Poblaciones entre 2000 y 10 000 habitantes 10 m.c.a.

La presión máxima en la red no debe ser superior a los 70 m.c.a. La presión debe estar
referida al nivel máximo de agua.

- Velocidades

La velocidad mínima en la red principal de distribución en ningún caso debe ser menor a
0.30 m/s para garantizar su auto limpieza.

La velocidad máxima en la red de distribución no debe ser mayor a 2.00 m/s (NB 689.).

- Diámetros Mínimos

Los diámetros mínimos de las tuberías principales para redes cerradas deben ser: En
poblaciones mayores a 20 000 habitantes 2" y en el área rural con poblaciones menores
a 5000 habitantes en sistemas cerrados se acepta como 1”, aceptándose ramales de ¾”

- Ubicación de Tuberías

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La separación entre tuberías de agua potable y alcantarillado debe ser de 1.5 metros en
planta, debiendo colocarse la tubería de agua potable a 0.3 metros como mínimo por
encima de la del alcantarillado.

- Profundidad de instalación

La profundidad mínima a la cual debe instalarse la tubería de la red de distribución debe


ser 0.8 metros medida desde la rasante del terreno hasta la clave de la tubería.

3.2.2 ANÁLISIS HIDRÁULICO

Para el análisis hidráulico de un sistema de distribución cerrado se utilizara, el método


computacional Water CAD en su versión 4.1.1, con un error de cierre menor a 10 m.c.a
perdida de presión como máximo en cada malla y/o simultáneamente debe cumplirse
todas las mallas.

Proceso de cálculo hidráulico por pasos.

1º Paso:

Trazar la red principal del sistema, en nuestro caso con su respectivo reservorio (Pozo),
Bomba y Tanque elevado de agua para simular la presión de la tubería de entrada o
tubería matriz.

2º Paso:

Teniendo el volumen de consumo, cada red con su respectiva cota, se recurre al


programa Watercad, para realizar el cálculo hidráulico con una distribución equitativa.

3º Paso:

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Colocar como dato:


El tipo de material de las tuberías.
El diámetro de las tuberías a utilizar.
Las longitudes de los tramos.

4º Paso:

Hacer correr el programa (GO)


Verificar que las velocidades y pendientes cumplan según la norma N.B. 689. Si no
cumplen, hacer varias iteraciones, hasta que los resultados estén dentro de lo admisible.
- Los nudos (joint), las presiones de servicio que no deben ser mayores a 70 m.c.a y
tampoco menores a 10 m.c.a.
- Las tuberías (pipes), las velocidades tiene que estar entre 0.3 m/s y 2 m/s.

3.2.3 MEMORIA DE CÁLCULO DE LA BOMBA

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Para el diseño del equipo de bombeo, así como los de más componentes del sistema, se
han utilizado una simulación con el programa Watercad, para asumir una bomba
adecuada para lo cual se utilizo las siguientes características de la bomba.

Esquema del sistema de bombeo

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3.2.3.2 CALCULO DE TUBERIA DE IMPULSIÓN

DATOS DE PARTIDA:
Caudal de bombeo: 4.45 l/s
Longitud horizontal: 1.00 m.
Altura de succión: 0
Altura del tanque elevado: 17.30 m.
Cota tubería ingreso a tanque: 2590.66 m.s.n.m.
Cota boca pozo: 2573.36 m.s.n.m.

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Longitud de tubería Ltotal: 54.30 (m)


Longitud horizontal 1.00 (m)
Altura geométrica 53.30 (m)
Nível estático: 4.50. (m)
Nivel dinámico: 12.50 (m)
Ubicación de la bomba 36.00 (m). (Recomendado por SEMAPA)
Perforación de la bomba: 136.00 m.

3.2.3.3 CALCULO DE TUBERIA DE IMPULSIÓN

Caudal de bombeo Qb = 4.45 l/s


Periodo de funcionamiento N = 4 Hrs. (2 veces al día de acuerdo al tiempo requerido)

D = 1.30* (N/24)0.25*Qb0.5

D = 1.30* (4/24)0.25*Qb0.5

D = 0.0554 m.
Diámetro comercial = 2” o 2½”
Debido que es muy próximo a 0.0508 metros la cual se aproxima a Ø = 2” y además
verificando con la gráficas del sistema-bomba y la eficiencia, es la de Ø = 2”

Diámetro asumido = 2“

Determinación de la velocidad de impulsión

V = Q/((3.14159265/4)*D2)

Qb = 4.45 l/s = 0.00445 (m3/s)


D = 2“= 0.0508 (m)

V = 2.19 (m/s)

Perdidas de cargas locales:

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Fuente: Manual de hidráulica J.M. de Azevedo Netto Pág. 211

hfc = K *V2/ (2*g)

hfc = 2.457 m/m

Determinación de pérdidas por fricción en la tubería

Datos de la tubería

Tipo de Longitud Diámetro Diámetro


Tubería (m) (pulg.) (m)
Tubería Galvanizada 54,3 2 0,0508

Se tiene por la ecuación de Darcy – weisbach

hfs = f * L * V2/(D * 2 * g)
f = 0.018 (para tubería galvanizado)
g = 9.81 (m/s)
V = 2.19 (m/s)

hfs = 4.70 m/m

e = presión de llegada (recomendado >2m)

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e = 2.5 m. Asumida

3.2.3.4 CALCULO DE LA ALTURA DE BOMBEO

La altura tota de bombeo (Hb) está en función de la altura geométrica al elevar el agua y
las perdidas de carga por fricción, perdidas de carga por accesorios.

La altura de bombeo o altura manométrica será presenta de la siguiente forma:

Hm = hg + hfc + hfs + e

hg = altura geométrica
hfc = perdidas locales
hfs = perdidas por fricción
e = perdida de llegada
Hm = 53.30 + 2.457 + 4.70 + 2.5

Hm = 63 (m)

Cálculo de la potencia de la bomba

P = Qb* * H * 1000 / (75*η)

Donde:
P = Potencia de la bomba
Y = Peso especifico de del liquido (Kg./m3)
Qb = Caudal de bombeo (m3/s)
Hm = Altura manométrica (m)
η = Eficiencia de lá bomba

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P = 6.23 Hp
Comercialmente = 7 ½ Hp

Gráfica del bomba-sistema en función a la eficiencia del diámetro elegido (Ø = 2”)


(hfs+hm
Q Q Hg Ht e hfs K ) V
(m3/s) (m3/hr.) (m) (m) (m) (m) (m) (m/s)

0 0 53,3 55,8 2,5 0 0 2,5 0


0,00138 5 53,3 56,48 2,5 0,45 0,23 3,18 0,68
0,00277 10 53,3 58,59 2,5 1,83 0,96 5,29 1,367
0,00416 15 53,3 62,09 2,5 4,13 2,16 8,79 2,05
0,00445 16,02 53,3 63 2,5 4,73 2,47 9,7 2,19
0,00555 20 53,3 66,99 2,5 7,35 3,84 13,69 2,74
0,00694 25 53,3 73,29 2,5 11,49 6 19,99 3,42
0,00833 30 53,3 81,01 2,5 16,56 8,65 27,71 4,11

Curva de S ist e ma Ø =2" Curva de S ist e ma Ø =2"

90

80

70

60

50

40

30

20

10

0
0 5 10 15 20 25 30 35
Q ( m3 / h)

Sobre ponen la grafica del sistema se obtiene el siguiente resultado


Ø = 2”, Ø = 2½” y Ø = 3”

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3.2.3.5 TIEMPO DE VACIADO DEL TANQUE

Este cálculo se realiza de acuerdo a la recomendación del manual de Diseño de sistemas


de Abastecimiento de Agua Potable para poblaciones menores a 5000 habitantes.
Se recomienda que el tiempo de vaciado del tanque no exceda de 2 a 4 horas.

Formula:
T = 2*S*h0.5/( m*w*(2*g)0.5 )

Donde: T = Tiempo de vaciado (seg.)


S = Superficie del tanque (cm2)
h = carga sobre el desagüe o limpieza (cm.)
m = Coeficiente de contracción (0.60 – 0.65)
W = Superficie de desagüe o limpieza (cm2)
g = Aceleración de la gravedad (cm./seg2)

Datos: h = 2.10 (m.)


m = 0.625

Dimensiones del tanque


L = 4.95m.
A = 4.95m.

Diámetro asumido de la tubería de limpieza.


Ø = 2”
Ø = 5.08cm.
g = 9.81 m/seg2
S = 245025 (cm2)
W = 20.268 (cm2)

Se obtiene remplazando valores el siguiente resultado.


T = 12656.384 (segundos)

T = 3.52 Hrs. < 4 Hrs. OK!

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3.2.3.6 CALCULO DE TUBERIA DE REBOSE

La tubería de rebose se debe dimensionar para posibilitar la descarga del caudal máximo
diario que podrá alimentar al tanque.

Este caso se presenta en el caso de que el automático o el temporizador no funcionaran.


Para lo cual se empleará la siguiente formula general del orificio:

Q = Cd* A* (2*g*h)0.5

Donde: Q = Caudal máximo diario o caudal de bombeo en (m3/seg.)


Cd = Coeficiente de contracción (Cd = 0.60)
A = Área de orificio de descarga (m2)
g = 9.81 m/seg2
h = Carga hidráulica sobre la tubería de desagüe en (m.)

Q = 0.60* A* (2*9.81*2.10)0.5

Resolviendo la ecuación se obtiene el diámetro de:


Ø = 0.0384 (m) el comercial Ø = 2”

El diámetro de la tubería no debe ser inferior al diámetro de la tubería de ingreso


La tubería de rebose se conectará con descarga libre a la tubería de limpieza, permitiendo
la descarga en cualquier momento, para lo cual no se preverá de válvula

ADOPTADOS: Por factores económicos asumimos la tubería de rebalse y de limpieza


que estarán conectados y tendrán la misma tubería, de donde se asume el diámetro de
Ø = 2”

- 39 -
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3.2.3.1 CARACTERISTICAS DE LA BOMBA SUMERGIBLE

Motor Sumergible: Jacuzzi: Estándar: 6"

- 40 -
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SISTEMA DE ALCANTARILLADO SANITARIO

3.3 MEMORIA DESCRIPTIVA

a) PERIODO DE DISENO

Se denomina período de diseño, al número de años durantes los cuales el sistema debe
proporcionar un servicio satisfactorio. El periodo de diseño está en función de la
capacidad económica de la población, varía en función a la población.
El valor asumido para el proyecto esta en base a la población de la ciudad de
Cochabamba.

b) POBLACION

Para el calculo del alcantarillado sanitario se toma un valor de densidad que esta en
función a la concentración y actividad que realiza la población, tomando en cuenta la
construcción de edificios y locales que van apareciendo paulatinamente, debido a este
incremento y con la tendencia de velar la seguridad de la población se asumió una
densidad poblacional de 250 hab./Ha.

c) CALCULO DE LA POBLACIÓN FUTURA

Para el cálculo de la población futura se emplea el método de Wappaus.

Método de Wappaus:

Donde:
Pf = Población futura (habitantes).
Po = Población inicial de referencia (habitantes).
i = Índice de crecimiento anual (porcentual).
t =Periodo de diseño a partir del año dato para la población inicial (años).

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d) DOTACIÓN DE AGUA POTABLE

Como no se dispone la información de aportes de aguas residuales, se cuantifica este


aporte de aguas domésticas en base a la dotación de agua potable.
Se considerara una dotación media diaria para la población de la ciudad de Cochabamba
entre 2000 a 5000 habitantes situado en la zona Sur.

El calculo de la dotación futura esta en base al estudio socioeconómico ya mencionado


anteriormente en el capítulo 2.

e) CAUDALES DE DISEÑO

Coeficiente de Retorno o de Aporte (Cr)

Este coeficiente toma en cuenta el hecho de que no toda el agua consumida es devuelta
al alcantarillado, por razón de sus múltiples usos como riego, lavado de pisos, y otros.
Entonces se puede establecer que solo un porcentaje total del agua consumida es
devuelta al alcantarillado. Este porcentaje es el coeficiente de retorno o de aporte. Según
estudios estadísticos han estimado el porcentaje de agua abastecida que llega a la red de
alcantarillado, varía entre el 60% y 80% de la dotación de agua potable.

Coeficiente de Punta (M)

El gasto de escurrimiento del resto de las aguas residuales tiene variaciones horarias,
diarias y mensuales, depende de las características culturales y socio económicas como
de las condiciones climatológicas. En toda la red de alcantarillado existe una hora de un
día de un mes de un año en que el gasto será máximo.

La relación entre el gasto medio y el máximo se denomina coeficiente de punta.

Según norma N.B. 688 los coeficientes de punta mas usuales son el Harmon (para
poblaciones de 1000 a 100000 habitantes), Habbit (para poblaciones hasta un máximo
1000 habitantes), Gifft (sin limites poblacionales).

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- Caudal por Infiltración:

El caudal de infiltración es un caudal adicional al caudal de diseño debido a la infiltración


del agua en el subsuelo. El coeficiente de infiltración varía según la altura del nivel
freático, la permeabilidad del suelo, la cantidad de precipitación pluvial, y las dimensiones,
estado y tipo de alcantarillas y cuidado en la construcción de las cámaras de inspección.

- Caudal por malas conexiones:

En los caudales de aguas residuales se deben considerar los caudales pluviales


provenientes de malas conexiones o conexiones clandestinas, por lo que se debe fijar una
coeficiente de seguridad que varía entre el 5 y 1 0% del caudal máximo previsto de aguas
residuales.

- Caudal Medio diario

Se define como la contribución durante el periodo de 24 horas, obtenida como el


promedio durante un año. Como no se dispone de aportes de aguas residuales, se
cuantifica este aporte en base al consumo de agua potable obtenido en el diseño del
sistema de agua potable.

Donde:
Cr = Coeficiente de retorno
P = Población que ocupa el área de aporte en cada.
d = Dotación de agua potable

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-Caudal Máximo Horario

El caudal máximo horario se determina a partir del producto entre el caudal medio diario y
el coeficiente de punta.

Donde:
Qmax = Caudal máximo horario (l/s)
Qm = Caudal medio diario (l/s)
M = Coeficiente de punta

- Caudal de Diseño

Finalmente, se tiene el caudal de diseño, que viene a ser el caudal máximo y se le


adiciona los caudales de infiltración y por malas conexiones, entonces se tiene:

Donde:
Qd = Caudal de diseño (l/s).
Qmax = Caudal máximo (l/s).
Qi = Caudal de infiltración (l/s).
Qe = Caudal por malas conexiones (l/s).

f) CONSIDERACIONES DE DISEÑO SEGÚN LA NORMA BOLIVIANA NB 688

El sistema de alcantarillado será diseñado bajo los dos criterios siguientes:


 Velocidad mínima
 Fuerza tractiva

- Velocidad Mínima

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Las alcantarillas se proyectarán con pendientes que aseguren una velocidad mínima de
0.6 m/s a tubo lleno. Y para garantizar la capacidad transportadora del agua que fluye se
tomara una velocidad media de 0.3 m/s para evitar un deposito importante de sólidos.

- Velocidad Máxima

Para evitar daños por abrasión en las alcantarillas se limitará la velocidad a una velocidad
máxima de 5 m/s.
Para verificar la velocidad crítica el tirante no deberá ser igual o superior a 0.75 del
diámetro para colectores primarios, secundarios, interceptores y emisarios.

- Fuerza Tractiva

La pendiente mínima del colector se calculará considerando que el transporte de sólidos


es proporcional a la fuerza tractiva que es el esfuerzo tangencial unitario ejercido por el
líquido sobre el colector y en consecuencia sobre el material depositado.

Para esto se debe asegurar que la fuerza tractiva sea mayor a 0.15 Kg. /m2 para asegurar
el arrastre de los sólidos.

- Diámetro mínimo

El diámetro mínimo de los colectores de alcantarillado sanitario será de 150 mm (6").

- Caudal Mínimo

El valor que se acepta como límite inferior del menor caudal probable para cualquier
tramo de alcantarilla, tiene un valor de 2.0 l/seg., que corresponde a la descarga de un
inodoro. Considera además la aplicación de la probabilidad de uso.

- Profundidad mínima

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La profundidad mínima de instalación de una tubería será definida en función de los


siguientes aspectos:

Recubrimiento mínimo: La profundidad del recubrimiento será definida por el cálculo


estructural de la tubería instalada en zanja, considerando que los esfuerzos a la que está
sometida depende de las características del suelo, cargas de relleno y vehicular, tipo de
material de la tubería, cama de asiento, ubicación y trazado en el terreno.

Conexión de descargas domiciliarias: La profundidad mínima del colector deberá permitir


la correcta conexión de las descargas domiciliarias a la red pública de alcantarillado. La
norma vigente de instalaciones domiciliarias de alcantarillado, establece una pendiente
mínima del 2% desde la cámara de inspección domiciliaria hasta la tubería de recolección.

- Profundidad máxima

Profundidad máxima será aquella que nos ofrezca dificultades constructivas, de acuerdo
de suelo y que no obligue al tendido de alcantarillas auxiliares. La profundidad máxima
admisible recomendada, será de 5.0 metros.

- Ancho de zanja

Según la norma N.B. 688 recomienda dimensiones de zanja en función al diámetro de la


tubería, la profundidad de excavación y si esta será con/sin entibado.

g) FORMULAS PARA EL DISEÑO

La técnica de cálculo que admite el escurrimiento en el régimen permanente y uniforme,


donde el caudal y la velocidad media permanecen constantes en una determinada
longitud de conducto. Las formulas para el diseño son las siguientes:

Formula de Manning

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Tiene la siguiente expresión:

En función al caudal:

Donde:
Rh = Radio hidráulico (m).
S = Pendiente (m/m).
A = Área de la sección transversal (m²).
n = Coeficiente de Manning.
V = Velocidad (m/s)
Q = Caudal (m³/s).

Para tuberías con sección llena:

Radio hidráulico:

Velocidad:

Ecuación de continuidad: Q = V*A

Caudal:

Para tuberías con sección parcialmente llena:

En los sistemas sanitarios, las alcantarillas circulares se proyectan para funcionar a tubo
parcialmente lleno.

Durante el diseño del sistema, normalmente se conoce la relación entre el caudal de


diseño y el caudal a tubo lleno (q/Q) y se desea hallar la relación entre la velocidad real y
la velocidad a tubo lleno (v/V).

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Angulo central (en grado sexagésimal):

Radio hidráulico:

Velocidad:

Caudal:

Criterio de la tensión tractiva

La pendiente del colector será calculada con el criterio de la tensión tractiva, según la
siguiente expresión:

Pendiente para tuberías con sección llena:

Donde:
S = pendiente de la tubería (m/m).
=Tensión tractiva o tensión de arrastre en Pascal (Pa).
P = Densidad del agua (kg. /m3)

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= Peso específico
g = Aceleración de la gravedad - 9.81 (m/s²).
Rh = Radio hidráulico (m)

Para tuberías con sección parcialmente llena:

3.4 MEMORIA DE CÁLCULO

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3.4.1 PARÁMETROS BÁSICOS DE DISEÑO

a) POBLACIÓN

- Periodo de Diseño

a) En función a la población se tiene lo siguiente:


Localidades de 1 000 a 15 000 habitantes 10 a 15 años
Localidades de 15 000 a 50 000 habitantes 15 a 20 años
Localidades con más de 50 000 habitantes 30 años (podrá ser mayor o menor
siempre que el proyectista justifique)
b) En función a los componentes se tiene lo siguiente:
Colectores secundarios y principales 20 a 30 años
Colectores, interceptores y emisarios 20 a 50 años

Periodo de diseño (t) =20 años

- Población Actual

Para obtener la población inicial en la zona de estudio se tomó de la siguiente manera:

Po = 282 (Lotes) * 7(hab. /Lote)= 1974 hab.

Para el cálculo del alcantarillado sanitario se asume una densidad poblacional de 250
(hab./ha.), la cual fue justificado con anterioridad en la memoria descriptiva.

Densidad = 250 (hab. /ha.)

- Población y su Crecimiento

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Tomando en cuenta la población y según la información obtenida del Instituto Nacional de


Estadística (INE) se tomó un incremento de: 30%.

Tasa de crecimiento (i) = 2.39% (INE)

- Calculo de la Población Futura

Para el cálculo de la población futura usaremos los métodos de crecimiento de Wappaus.

Wappaus:

Donde:
Po = 1974 => Población inicial (hab.)
t = 20 => Tiempo de Proyección (años)
i = 2.39 =>Tasa de crecimiento (%)

Por lo tanto la población futura es:

Pf = 3214 habitantes

b) CONSUMO DE AGUA

La dotación futura corresponde al sistema de agua potable que fue ya mencionado en la


memoria descriptiva:

Df = 92 litros/habitantes/dia

c) CAUDALES DE DISEÑO

- Coeficiente de Retorno o de Aporte

Cr = 70%.
- Coeficiente de Punta.

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El coeficiente de punta que tomamos para el proyecto corresponde al método de:

Coeficiente de Harmon.

Donde:
M = Coeficiente de punta
P = Población en miles de habitantes

d) CAUDALES DE APORTE

- Caudal Medio diario

Calculo lo previo: Este servirá como referencia de comparación al cálculo obtenido en la


planilla.

Donde:
Cr = 70% => Coeficiente de retorno en %
P = 3214 => Población de diseño en Hab.
d = 92 => Dotación futura de agua potable en l/hab./día

Por lo tanto:
Caudal Medio diario
Qm = 2.40 (l/s)

- Caudal Máximo

Donde:
Qm = Caudal medio diario (I/s).
M = Coeficiente de punta.
- Caudal por Infiltración

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Tomando en cuenta los factores que afectan a este caudal, los valores de la tabla
Muestran el caudal de infiltración por metro, en función del tipo de unión entre tuberías y
la ubicación del nivel freático.

Valores de Infiltración Qi (l/s/m)


Tubo de Arcilla
Tubo de Cemento Tubo de Arcilla Tubo de P.V.C.
Vitrificada
Unión con: Cemento Goma Cemento Goma Cemento Goma Cemento Goma
Nivel Freático
0,0005 0,0002 0,0005 0,0001 0,0002 0,0001 0,0001 0,00005
bajo
Nivel Freático
0,0008 0,0002 0,0007 0,0001 0,0003 0,0001 0,00015 0,0005
alto
Fuente: Norma Boliviana N.B. 688.

Asumiendo un nivel freático alto, para tuberías de PVC con tipo de unión de goma.
El caudal por infiltración es de:

Zona Húmeda 3 (l/s/km.) X Long. Tubería


Zona Semihúmeda 2 (l/s/km.) X Long. Tubería
Zona Seca 1 (l/s/km.) X Long. Tubería

Coeficiente por Infiltración:


Qi = 0.003 l/s/m

- Caudal por conexiones erradas

Según norma N.B. 688, este factor de seguridad asumido es de 10%:

Qe = 0.1*Qmax

Donde:
Qmax = Caudal máximo horario (l/s)
Qe = Caudal por conexiones erradas (l/s)

- Caudal de Diseño

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Finalmente, se tiene el caudal de diseño, que viene a ser el caudal máximo y se le


adiciona los caudales de infiltración y por malas conexiones, entonces se tiene:

Donde:
Qmax = Caudal máximo en (I/s).
Qi = 0.003 =>Caudal de infiltración en (l/s/m).
Qe = Caudal por malas conexiones en (l/s).
Qd = Caudal de diseño (l/s).

e) CONSIDERACIONES DE DISEÑO SEGÚN LA NORMA BOLIVIANA NB 688

- Velocidad Mínima
Las alcantarillas se proyectaron con pendientes que aseguren una velocidad mínima de
0.6 m/s a tubo lleno.

- Velocidad Máxima
Para evitar daños por abrasión en las alcantarillas la velocidad máxima es de 5 m/s.

- Fuerza Tractiva
La fuerza tractiva debe ser mayor a 0. 1 5 Kg. /m2 para asegurar el arrastre de los sólidos.

- Diámetro mínimo
El diámetro mínimo de los colectores de alcantarillado sanitario será de 100 mm. (4").

- Caudal Mínimo
El valor para cualquier tramo de alcantarilla, tiene un valor mínimo de 2.0 l/s, que
corresponde a la descarga de un inodoro.

- Profundidad mínima
La profundidad mínima de instalación de las tuberías es de 1.00 m medido desde la clave.

- Profundidad máxima

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La profundidad máxima admisible es de 5.0 m.

- Ancho de zanja
Dimensiones de zanja recomendadas por la norma N.B. 688.

Profundidad de excavación
Diámetro de 0 a 2 m de 2 a 4 m de 4 a 5 m
(mm) Ancho de Zanja (m)
s/entibado c/entibado s/entibado c/entibado s/entibado c/entibado
100 0,50 0,60 0,65 0,75 0,75 0,95
150 0,60 0,70 0,70 0,80 0,80 1,00
200 0,65 0,75 0,75 0,85 0,85 1,05
250 0,70 0,80 0,80 0,90 0,90 1,10
300 0,80 0,90 0,90 1,00 1,00 1,20
400 0,90 1,00 1,00 1,10 1,10 1,30
450 0,95 1,05 1,05 1,15 1,15 1,35
500 1,00 1,10 1,10 1,20 1,20 1,40
550 1,10 1,20 1,20 1,30 1,30 1,50
600 1,15 1,25 1,25 1,40 1,35 1,60
700 1,25 1,35 1,35 1,50 1,45 1,70
800 1,35 1,45 1,45 1,60 1,55 1,80
900 1,50 1,60 1,60 1,75 1,70 1,95
1000 1,60 1,70 1,70 1,80 1,80 2,05

3.4.2 ANALISIS HIDRAULICO

El cálculo se ha realizado de acuerdo al esquema que se muestra en el (Anexo # 6). En


la cual se puede observar toda la red, que será dividida en 2 redes porque la zona esta
dividida en 2 sectores (A y B), debido a que en medio de la urbanización existe un área
verde de considerable tamaño.
Red 1: Es la red más pequeña que abarca el sector A de la urbanización.
Red 2: Es la red más grande que abarca el sector B de la urbanización.

Para el cálculo Hidráulico se utilizo una Planilla de Cálculo, y con los datos de esta planilla
se modelo la red en el programa Sewercad.
Proceso de cálculo hidráulico por pasos.

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De la planilla de cálculo se sacaron los datos necesarios de las Cámaras (Manholes) y de


las Tuberías (Pipes).

Datos:
El tipo de material de las tuberías.
El diámetro de las tuberías a utilizar.
Las longitudes de los tramos.
Cotas terreno.
Cotas Solera.

Con estos datos se entro al programa para el análisis, hacer correr, después verificar si
cumple con velocidades mínimas, si ocurren resaltos, etc. Según la norma N.B. 688.

La salida de resultados se muestra en el (ANEXO # 6)

Descripción de la planilla de Cálculo

Los cálculos que se muestran en la planilla EXCEL se inician desde el extremo superior,
aguas arriba de la red, hacia el extremo inferior, aguas abajo y así sucesivamente hasta
cubrir toda la red de alcantarillado.

-Columna 1, 2: Numeración del colector.


En estas columnas se anotan los números de los pozos inicial y final, de cada tramo
respectivamente.

-Columna 3: Longitud de cada colector en metros.

-Columna 4: Longitud tributaría.


Es la suma de las longitudes acumuladas, en metros, de todos los colectores que
preceden a este tramo.

-Columna 5: Longitud acumulada en metros.

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-Columna 6: Área propia en Hectáreas.


Corresponde al área aferente a cada colector de acuerdo con el plano.

-Columna 7: Área tributario en Hectáreas.


Es la suma de las áreas acumuladas que corresponden a los colectores que preceden a
este tramo.

- Columna 8: Área Acumulada en Hectáreas.

-Columna 9: Población que aporta a cada colector.


Resulta del producto de la densidad poblacional por el área propia:
Densidad poblacional x

-Columna 10: Población Acumulada.


Densidad poblacional x

-Columna 11: Coeficiente de mayoración o coeficiente de punta.


Elegido de acuerdo a las características de la población, para el ejemplo se utilizara una
constante.

-Columna 12: Caudal Medio (l/s).


El cálculo del Qm se obtiene del producto de la columna 10 por la dotación y el coeficiente
de retorno divido entre 86400.

-Columna 13: Caudal Máximo.

-Columna 14: Caudal de infiltración.


Es el resultado de multiplicar la columna 5 por el coeficiente de infiltración de 0.003
(l/s/m).

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Sistemas de agua potable y alcantarillado sanitario para el programa de mejoramiento de barrios de la urb. “La Joya” (Distrito 9)

-Columna 15: Caudal debido a las malas conexiones.


Este caudal debe ser considerado como un porcentaje del caudal máximo, se adopta un
10 %.
0.1 x

-Columna 16: Caudal acumulado.

-Columna 17: Caudal de diseño.


La Norma Boliviana NB 688 indica que el caudal mínimo de diseño será de 2.00 l/s. Por
tanto se tomará como caudal de diseño al caudal acumulado, si éste es mayor o igual a
2.00 l/s.

-Columna 18: Pendiente del colector (en %).


La pendiente será calculada de la diferencia de cotas soleras inicial y final, dividida entre
la longitud del colector.

-Columna 19: Diámetro de la tubería en milímetros.

-Columna 20: Radio hidráulico, a tubo lleno (en metros).


Para secciones circulares el radio hidráulico es la cuarta parte del diámetro.

-Columna 21: Caudal a tubo lleno en l/s.

-Columna 22: Velocidad a tubo lleno en m/s.


Se debe verificar que el valor de esta columna no sea menor a 0.6 m/s.

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-Columna 23: Relación entre el caudal de diseño y caudal a tubo lleno.

-Columna 24: Relación entre velocidad real y la velocidad a tubo lleno.


Obtenida del (Tabla 3.2 de la NB 688).

-Columna 25: Relación entre la lamina de agua y diámetro de la tubería.


Encontrada en (Tabla 3.2 de la NB 688).

-Columna 26: Relación del radio hidráulico real y el radio hidráulico a tubo lleno.
Encontrado en (Tabla 3.2 de la NB 688).

-Columna 27: Velocidad real en m/s.

-Columna 28: Tirante de escurrimiento en milímetros.


Los valores de esta columna deben cumplir con las condiciones mínimas y máximas del
tirante de escurrimiento.

-Columna 29: Radio Hidráulico real en metros.

-Columna 30: Velocidad crítica (m/s)


Es posible identificar el tipo de flujo en la tubería comparando este valor con la velocidad
real. Este análisis es importante para realizar el control del tirante de escurrimiento.
Si la columna 27 < columna 30, el escurrimiento es subcrítico.
Si la columna 27 > columna 30, el escurrimiento es supercrítico.
-Columna 31: Fuerza tractiva (Kg./m2).
Es el resultado de la multiplicación del peso específico del agua (Kg./m 3) por el radio
hidráulico real y la pendiente.
Se debe asegurar que la fuerza tractiva sea mayor a 0.15 Kg./m 2 para asegurar el arrastre
de los sólidos.

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-Columna 32: Cota del terreno en el pozo inicial.


Se obtiene del plano topográfico (Anexo 2).

-Columna 33: Cota del terreno en el pozo final.


Se obtiene del plano topográfico.

-Columna 34: Profundidad de excavación en el pozo inicial.


Se debe adoptar valores de excavación según las recomendaciones de la Norma
Boliviana NB 688.

-Columna 35: Profundidad de excavación en el pozo final.


Se debe adoptar valores de excavación según las recomendaciones de la Norma
Boliviana NB 688.

-Columna 36: Promedio de las profundidades de excavación.

-Columna 37: Cota Solera en el pozo inicial.


Se resta la profundidad de excavación y el diámetro de la tubería, los empates son de
Cota solera.
[37] = [32] - [34] - [19]/1000

-Columna 38: Cota Solera en el pozo final.


[38] = [33] - [35] - [19]/1000

-Columna 39: Ancho de zanja.


Se adopta este valor según la profundidad y el diámetro de la tubería. Capitulo 3.4.1 e).

-Columna 40: Volumen de excavación (m3).

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Es el resultado del producto del ancho de zanja por la longitud de la tubería y por la altura
de excavación más el diámetro más el espesor de la cama de arena

-Columna 41: Volumen de Cama de arena (m3).


Longitud por ancho de zanja por el espesor. Espesor = 10 cm.
[41] = [3]*[39]*0.1

-Columna 42: Volumen de relleno (m3).

3.5 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

3.5.1 AGUA POTABLE

Conclusiones:
* Cálculo realizado de acuerdo a la Norma Boliviana N.B. 689.

* La alternativa seleccionada cumple con los objetivos propuestos.

- 61 -
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* Condiciones adecuadas para la zona, en función a la población que se constituye en


parámetro de diseño principal, las fluctuaciones de esta durante el día y la noche
provocan variaciones al servicio, siendo determinante al momento del Diseño.

Recomendaciones:

* Es importante prestar atención al proceso de construcción, el periodo de diseño


usado es de 20 años, durante este tiempo la red y sus componentes estará
sometido a diferentes esfuerzos, y la calidad de la construcción es determinante
para su vida útil y el de los demás componentes como el del paquete estructural.

* Así también se recomienda, como constituye este diseño, la independización de


las redes para garantizar presiones y velocidades en los distintos componentes de
la red.

* Por ultimo tener en cuenta que las aguas para consumo humano cada día se
constituyen en el mundo entero un artículo de primera necesidad y más difícil de
conseguir, recomendar el consumo y empleo de esta de forma moderada y
consiente cuidando nuestro entorno, que mañana se convertirá en el hogar de
nuestros hijos.

* La implementación de programas informativos y educativos que enseñen a la


población al correcto empleo de las redes de agua y el racionamiento en su uso de
esta manera crear una conciencia de conservación del recurso natural.

3.5.2 ALCANTARILLADO SANITARIO

Conclusiones:

* El diámetro mínimo adoptado es suficiente para los caudales del que han sido
calculados.

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Sistemas de agua potable y alcantarillado sanitario para el programa de mejoramiento de barrios de la urb. “La Joya” (Distrito 9)

* El diseño del sistema se dividió en 2 redes para su aplicación en el programa


SEWER CAD.

Recomendaciones:

* Durante el proceso de construcción deben conservarse las pendientes calculadas, por lo


que se debe prestar mayor atención, y hacer énfasis en los controles que garanticen su
calidad.

* Se debe evitar filtraciones de aguas pluviales, la red esta diseñada en función a un


porcentaje de infiltración tanto por nivel freático como por filtraciones provenientes de
precipitaciones pluviales, pero esto no significa que soportara la descarga desmedida de
aguas pluviales.

* Implementar un programa de información y educativo por parte de la institución que


presta el servicio informando y recomendando los usos y cuidados para conservar las
redes de alcantarillado en condiciones buenas. De esta manera evitar los taponamientos
y sobre todo los rebalses que son comunes en la época de lluvias, debido al mal uso de la
Red de Alcantarillado Sanitario.

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