caracterización experimental de condiciones de flujo mixto
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Caracterización experimental de
condiciones de flujo mixto en
alcantarillado pluvial debido a eventos
que exceden el caudal de diseño
Evelyn Esperanza Burbano Argoty
Universidad Nacional de Colombia
Facultad de Ingeniería y Arquitectura
Departamento de Ingeniería Civil
Manizales, Colombia
2020
Caracterización experimental de
condiciones de flujo mixto en
alcantarillado pluvial debido a eventos
que exceden el caudal de diseño
Experimental characterization of mixed flow
conditions in storm sewers caused by precipitation
events that exceeds design flow
Evelyn Esperanza Burbano Argoty
Trabajo de grado presentado como requisito parcial para optar al título de:
Magister en Ingeniería – Recursos Hidráulicos
Director:
Philippe Chang PhD.
Grupo de Investigación:
Grupo Académico de Trabajo en Ingeniería Hidráulica y Ambiental
Universidad Nacional de Colombia
Facultad de Ingeniería y Arquitectura
Departamento de Ingeniería Civil
Manizales, Colombia
2020
Algunas veces solo miro hacia arriba, sonrío y digo,
“¡Sé que fuiste tú Dios!
¡Gracias!”
- Anónimo
Cuando trates con el agua consulta primero la práctica, y luego la teoría.
- Leonardo da Vinci
Agradecimientos
Desarrollar este trabajo fue un reto para mí, y por eso deseo transmitir mis más sinceros
agradecimientos a quienes estuvieron alentándome y guiándome en este proceso.
En primer lugar a mi director, PhD. Philippe Chang, por su orientación, su atención en todo
momento, por creer en mí y brindarme además, consejos y palabras oportunas que me han
ayudado a crecer personal y profesionalmente. Gracias también por su gestión en el
laboratorio de hidráulica para el desarrollo de este trabajo experimental.
A mi mamá, Esperanza Argoty, por su amor y apoyo en cada propósito de mi vida, espero
algún día poder corresponder a todo lo que día a día hace por mí.
A mi papá, Orlando Burbano y a mis hermanos Leonel y Danilo, por estar siempre conmigo
y para mí. Gracias por soportar mi ausencia y vivir con amor mis logros.
Al laboratorio de hidráulica de la Universidad Nacional de Colombia sede Manizales,
especialmente al operador Wilmar Aguirre por su acompañamiento.
Resumen y Abstract IX
Resumen
Esta investigación caracteriza experimentalmente el flujo mixto en el tramo inicial de un
alcantarillado pluvial para el caso de entrada en carga desde el extremo aguas arriba, debido
al incremento instantáneo de caudal que resulta de la escorrentía de un evento de
precipitación que excede el diseño. Un evento de precipitación significativo puede, en
muchas ocasiones exceder las medidas de diseño de algunos elementos del drenaje urbano
como elementos de captación y conductos, provocando que el sistema de drenaje se
encuentre rebosando. En los conductos, se presenta un aumento progresivo del caudal de
entrada y, por tanto, inicia una entrada en carga desde el extremo aguas arriba que puede
derivar inundación por las calles con las consecuencias asociadas.
En este trabajo se revisaron las diferentes formulaciones teóricas que describen el fenómeno
de flujo mixto en alcantarillados pluviales y, se estudiaron los criterios prescritos para el
diseño de este tipo de conductos en algunas referencias internacionales y en la normativa
colombiana. La normativa colombiana proporciona en primer lugar, los criterios para
caracterizar la precipitación y la incidencia del drenaje urbano. Posteriormente, establece
unos valores límite de las variables que hacen parte del diseño hidráulico de conductos y
también específicamente del tramo inicial del alcantarillado pluvial. Sobre los criterios para
el diseño hidráulico del tramo inicial, se destacan la estipulación de una pendiente mínima
de 2% y un valor máximo permisible de la relación de llenado para el caudal de diseño, de
93%. Siguiendo estos criterios, se desarrolló el diseño teórico del tramo inicial de un
alcantarillado pluvial que se encargaría de la evacuación de un caudal que resultaría de la
escorrentía de un lote hipotético ubicado en la ciudad de Manizales. Después, se elaboró un
montaje experimental que representó este conducto del tramo inicial. El montaje estuvo
compuesto de una tubería de 18 m de longitud, 0.26 m de diámetro y 2% de pendiente, en
la cual se suministró un aporte variable de caudal con un aumento progresivo hasta alcanzar
un caudal pico teórico de 0.14 m3/s. Mediante grabaciones y mediciones de velocidad se
observó la evolución del flujo.
X Resumen y Abstract
A la luz de las conclusiones de este estudio, se recomendaría a la normativa colombiana
integrar nuevas limitantes para el diseño del tramo inicial del alcantarillado pluvial, estas
sugerencias son una pendiente mínima de 3% y una relación de llenado máxima de 80%.
Debido a que al hacer el diseño teórico y el experimento, se evidenció que incluso cuando
se cumplieron los requisitos actualmente estipulados, el diseño presenta debilidades que
pueden llevar a inundaciones sobre la calle o la ocurrencia no prevista de un flujo mixto en
la tubería.
Palabras clave: Alcantarillado pluvial, caracterización experimental, entrada en carga, flujo
mixto, oleada.
Resumen y Abstract XI
Abstract
This experimental study investigated mixed flow conditions in storm sewers that exceed
design flow, as it arises from the sudden increase in discharge. Significant precipitation
runoff can occasionally exceed the design capacity of some urban drainage elements such
as sewer intakes, causing the system to overflow. An increase in the inlet flow may result in
a pressure surge that is induced upstream and may lead to flooding with the associated
consequences.
This investigation reviewed the different theoretical principles that describe the mixed flow
phenomenon in storm sewers and examined the various considerations prescribed for storm
sewer design internationally and in Colombia. The Colombian regulation for sewer design
provides specific standards to characterize precipitation and its incident runoff in an urban
context. It subsequently establishes design limit values for the various hydraulic variables,
specifically for sewer length and intake to the system; of those, a minimum channel slope
of 2% and maximum permissible relative flow depth of 93% stand out.
In accordance with such standards, this study undertook the hydraulic design of a storm
sewer associated with a hypothetical parking lot located in the city of Manizales. An
experimental setup was then implemented to represent the actual intake design of the storm
sewer. The experimental setup included a 18 m long pipe, 0.26 m ID upon a 2% longitudinal
grade, and was provided with a variable flow intake tank that supplied a progressive but
increasing discharge flow over time, up to a theoretical design peak flow of 0.14 m3/s.
Through high frequency video recording and velocity measurements, the evolution of the
flow over time was characterized.
This investigation concluded that the Colombian storm sewer design standard may be
improved by providing new guidelines of 3% minimum slope and a maximum relative depth
of 80% at the channel intake. The later experiment evidenced that even though the stipulated
design standard may be met, flooding may occur at the upstream sewer intake, although the
XII Contenido
maximum design flow may not have yet been reached, as unanticipated mixed flow
conditions is developing in the pipe.
Keywords: Storm sewer system, experimental characterization, surcharged, mixed flow,
pressure bore.
Contenido XIII
Contenido
Pág.
Resumen ............................................................................................................................. IX
Abstract .............................................................................................................................. XI
Contenido ........................................................................................................................ XIII
Lista de figuras ................................................................................................................. XV
Lista de tablas .............................................................................................................. XVIII
Introducción .......................................................................................................................19
Contexto .......................................................................................................................... 20 Objetivos ......................................................................................................................... 22
Objetivo general ...........................................................................................................22
Objetivos específicos ....................................................................................................22 Metodología .................................................................................................................... 22
1. Revisión de literatura y normas de interés ...............................................................25
1.1 Revisión de literatura ........................................................................................... 25 1.1.1 Investigación Experimental – Flujo mixto ........................................................25 1.1.2 Investigación Numérica – Flujo mixto ..............................................................59 1.1.3 Consideraciones finales de la revisión de literatura ..........................................70
1.2 Identificación de normativas para el diseño de alcantarillado pluvial ................. 71
1.2.1 Reglamento Técnico para el sector de Agua Potable y Saneamiento Básico,
RAS 2000 .....................................................................................................................71
1.2.2 Resolución número 0330 de 2017 del Ministerio de Ciudad, Vivienda y
Territorio. Colombia .....................................................................................................73 1.2.3 Especificaciones técnicas - Aguas de Manizales S.A. E.S.P. (2016) ................76 1.2.4 Algunos aspectos de normas internacionales destacados ..................................76 1.2.5 Comparativo de las normativas evaluadas.........................................................80
2. Marco teórico ..............................................................................................................83 2.1 Caudal de diseño .................................................................................................. 83 2.2 Variables para el diseño hidráulico de un conducto circular ............................... 86
XIV Contenido
2.2.1 Flujo uniforme en una tubería circular parcialmente llena ................................86 2.2.2 Cálculo de variables hidráulicas en conductos de sección circular ...................89
2.3 Clasificación general del flujo mixto ................................................................... 91 2.4 Ecuaciones fundamentales del flujo en alcantarillas ............................................ 92
3. Análisis de diseño teórico de alcantarillado pluvial en la ciudad de Manizales .105 3.1 Caracterización de la zona de aplicación ........................................................... 105 3.2 Diseño del conducto ........................................................................................... 108
3.2.1 Hidrología de la zona de estudio .....................................................................109 3.2.2 Hidráulica del alcantarillado ............................................................................114
3.2.3 Resultados teóricos ..........................................................................................115
4. Desarrollo experimental ...........................................................................................117
4.1 Caracterización experimental del alcantarillado de estudio ............................... 117 4.1.1 Descripción del montaje experimental ............................................................117
4.1.2 Proceso experimental .......................................................................................124
4.2 Resultados preliminares de la experimentación ................................................. 127 4.2.1 Nivel en el tanque elevado 3.0 m ....................................................................127 4.2.2 Nivel en el tanque elevado 3.5 m ....................................................................131
4.3 Interpretación de los resultados experimentales ................................................. 135 4.3.1 Nivel en el tanque elevado 3.0 m ....................................................................135 4.3.2 Nivel en el tanque elevado 3.5 m ....................................................................137
4.4 Condiciones del flujo en transición .................................................................... 139 4.5 Conclusiones del desarrollo experimental .......................................................... 144
5. Análisis y Discusión ..................................................................................................145
5.1 Evaluación con respecto a estudios anteriores ................................................... 145 5.2 Limitaciones del diseño teórico establecido y consecuencias ............................ 150
5.3 Recomendaciones a la norma ............................................................................. 157 5.4 Limitaciones del experimento ............................................................................ 159 5.5 Estudios futuros .................................................................................................. 160
Conclusión ........................................................................................................................161
Anexos ...............................................................................................................................164
Bibliografía .......................................................................................................................171
Contenido XV
Lista de figuras
Pág.
Figura 1: Flujo mixto: superficie libre y a presión ............................................................. 21
Figura 2: Modelo experimental de Hamam & McCorquodale (1982) ............................... 26
Figura 3: Montaje experimental de Cardie, Song & Yuan (1989) ...................................... 28
Figura 4: Modelo experimental de Capart et al. (1997) ...................................................... 31
Figura 5: Niveles de agua calculados y medidos en C3, C4 y C6. ..................................... 32
Figura 6: Resalto moviéndose lentamente hacia aguas arriba ............................................ 32
Figura 7: Liberación repentina de agua del tanque aguas abajo. ........................................ 33
Figura 8: Modelo experimental de Trajkovic (1999). ......................................................... 34
Figura 9: Experimento Tipo A: nivel piezométrico P5 y P7 - apertura de la compuerta
aguas abajo .......................................................................................................................... 35
Figura 10: Experimento Tipo C: nivel piezométrico medido en P2, P4, P6 y P8. ............. 35
Figura 11: Experimento Tipo D: nivel piezométrico medido en P5, P6 y P7. ................... 36
Figura 12: Modelo experimental de Gómez (2001) ............................................................ 37
Figura 13: Modelo experimental de Li & McCorquodale (2001) ....................................... 39
Figura 14: Comparación de transitorios de presión, profundidad de flujo relativa de 0.75 40
Figura 15: Montaje experimental de Vasconcelos & Wright (2003) .................................. 41
Figura 16: Presión observada en el canal horizontal para diferentes caudales y niveles
iniciales ............................................................................................................................... 42
Figura 17: Presión observada en el canal con pendiente favorable del 0.2% para diferentes
caudales y niveles iniciales ................................................................................................. 42
Figura 18: Presión observada en el canal con pendiente adversa (0.1%) para diferentes
caudales y niveles iniciales ................................................................................................. 43
Figura 19: Esquema de movimiento previo del resalto e interfaz de presurización ........... 46
Figura 20: Modelo experimental de Ferreri, Ciraolo y Lo Re (2014) ................................ 47
Figura 21: Montaje experimental de Szydłowski (2014) .................................................... 51
Figura 22: Montaje experimental de Aureli (2015) ............................................................ 53
Figura 23: Montaje experimental de atrapamiento de aire por llenado rápido de tuberías . 57
Figura 24: Comparación de hidrogramas de salida calculados por los modelos
HydroWorks y DORA. ....................................................................................................... 61
Figura 25: Comparación numérico experimental en la sección P5..................................... 63
XVI Contenido
Figura 26: Comparación numérico experimental en la sección P7..................................... 63
Figura 27: Comparación numérico experimental de la entrada en presión aguas abajo ..... 64
Figura 28: Esquema de la geometría del túnel de aguas pluviales ..................................... 66
Figura 29: Esquema de la geometría del túnel .................................................................... 68
Figura 30: Esquema Sumidero – conducto pluvial ............................................................. 82
Figura 31: Conducción libre de sección circular ................................................................ 87
Figura 32: Relación de los elementos hidráulicos de una alcantarilla circular parcialmente
llena a los de la misma sección totalmente llena ................................................................ 88
Figura 33: Sección de control de flujo de entrada típica .................................................... 93
Figura 34: Sección de control de flujo de salida típica ....................................................... 94
Figura 35: Flujo en alcantarillas Tipo 1 .............................................................................. 96
Figura 36: Flujo en alcantarillas Tipo 2 .............................................................................. 97
Figura 37: Flujo en alcantarillas Tipo 3 .............................................................................. 98
Figura 38: Flujo en alcantarillas Tipo 4 .............................................................................. 99
Figura 39: Flujo en alcantarillas Tipo 5 .............................................................................. 99
Figura 40: Flujo en alcantarillas Tipo 6 ............................................................................ 100
Figura 41: Curva de transición de flujo Tipo 1 a Tipo 5 en alcantarilla cajón. ................ 102
Figura 42: Curva de transición de flujo Tipo 1 a Tipo 5 en alcantarilla circular. ............. 102
Figura 43: Curva de transición de flujo Tipo 2 a Tipo 6 en alcantarilla cajón. ................ 103
Figura 44: Curva de transición de flujo Tipo 2 a Tipo 6 en alcantarilla circular. ............. 104
Figura 45: Caracterización topográfica de Manizales ...................................................... 107
Figura 46: Avenida Kevin Ángel durante aguacero, 12 abril 2016. Manizales ................ 108
Figura 47: Inundación pluvial Avenida Kevin Ángel, 20 febrero 2018. Manizales ......... 108
Figura 48: Área de drenaje ................................................................................................ 109
Figura 49: Esquema área aportante ................................................................................... 111
Figura 50: Curva IDF para la ciudad de Manizales .......................................................... 112
Figura 51: Hidrograma de precipitación simulado en el escenario 1 ................................ 113
Figura 52: Hidrograma de precipitación simulado en el escenario 2 ................................ 113
Figura 53: Foto del montaje experimental ........................................................................ 118
Figura 54: Esquema del montaje experimental ................................................................. 118
Figura 55: Fotos tanque elevado ....................................................................................... 119
Figura 56: Esquema tanque elevado ................................................................................. 119
Figura 57: Válvula de control tipo sluice gate de 8 pulgadas de diámetro ....................... 120
Figura 58: Fotos de la tubería de CPVC del montaje experimental ................................. 121
Figura 59: Ventana de acrílico instalada en el conducto .................................................. 121
Figura 60: Perforación en la tubería para medición de caudal .......................................... 122
Figura 61: Tanque ubicado aguas abajo ............................................................................ 122
Figura 62: Medidor de flujo electromagnético OTT MF pro y componentes utilizados .. 123
Figura 63: Piezómetros utilizados para medir la presión a lo largo de la tubería ............. 124
Figura 64: Hidrogramas: suministrado con la válvula de control, escenario 1 y 2 ........... 126
Contenido XVII
Figura 65: Nivel en el tanque a través del tiempo para un nivel inicial de 3.0 m ............. 128
Figura 66: Velocidad en la salida a través del tiempo para un nivel inicial de 3.0 m ...... 128
Figura 67: Relación de llenado en el tiempo para un nivel inicial de 3.0 m ..................... 129
Figura 68: Nivel en el tanque a través del tiempo para un nivel inicial de 3.5 m ............. 132
Figura 69: Relación de llenado teórico en el tiempo para un nivel inicial de 3.5 m ......... 132
Figura 70: Caudal a través del tiempo para un nivel inicial de 3.0 m ............................... 136
Figura 71: Velocidad y relación de llenado en el tiempo para un nivel inicial de 3.0 m .. 136
Figura 72: Caudal y relación de llenado en el tiempo para un nivel inicial de 3.5 m ....... 138
Figura 73: Adaptación de la curva de transición de flujo Tipo 1 a Tipo 5 en alcantarilla
circular Fuente: (Bodhaine, 1982) .................................................................................... 155
Figura 74: Relación de los elementos hidráulicos de una alcantarilla circular parcialmente
llena a los de la misma sección totalmente llena .............................................................. 158
XVIII Contenido
Lista de tablas
Pág.
Tabla 1: Requisitos técnicos para los sistemas de alcantarillado pluvial RAS 2000 .......... 73
Tabla 2: Requisitos de alcantarillado pluvial Resolución 0330 de 2017 ............................ 75
Tabla 3: Especificaciones técnicas para tubería de conexión de sumideros ....................... 76
Tabla 4: Comparación de parámetros de diseño de normativas internacionales ................ 81
Tabla 5: Relación entre una lluvia y un hidrograma de escorrentía ................................... 84
Tabla 6: Factores que influyen en la capacidad de la alcantarilla según el tipo de control 96
Tabla 7: Parámetros para la obtención del caudal pico de lluvia de diseño ..................... 114
Tabla 8: Variables hidráulicas de diseño para los caudales suministrados en los escenarios
1 y 2................................................................................................................................... 116
Tabla 9: Protocolo para el desarrollo de las pruebas de experimentación ........................ 125
Tabla 10: Imágenes de la grabación en la ventana y en la salida de la tubería, prueba
0.0.3.A ............................................................................................................................... 129
Tabla 11: Imágenes de la grabación en la ventana y en la salida de la tubería, prueba
0.0.3.B ............................................................................................................................... 133
Tabla 12: Flujo en transición lámina libre – presión, nivel inicial en el tanque de 3.0 m 140
Tabla 13: Flujo en transición presión – lámina libre, nivel inicial en el tanque de 3.0 m 141
Tabla 14: Flujo en transición lámina libre – presión, nivel inicial en el tanque de 3.5 m 142
Tabla 15: Flujo en transición presión – lámina libre, nivel inicial en el tanque de 3.5 m 143
Tabla 16: Eventos dentro del sistema según la relación de llenado del conducto ............ 147
Tabla 17: Clasificación del flujo dentro de la tubería experimental ................................. 153
Tabla 18: Coeficientes para la ecuación de intensidades de la curva IDF ........................ 164
Tabla 19: Nivel en el tanque elevado (m) para un nivel inicial de 3.0 m ......................... 164
Tabla 20: Nivel en el tanque elevado (m) para un nivel inicial de 3.5 m ......................... 165
Tabla 21: Velocidad (m/s) en la salida, para un nivel inicial de 3.0 m ............................. 165
Tabla 22: Relación de llenado (m/m) en la ventana, para un nivel inicial de 3.0 m ......... 166
Tabla 23: Relación de llenado (m/m) en la salida, para un nivel inicial de 3.0 m ............ 167
Tabla 24: Relación de llenado (m/m) en la ventana, para un nivel inicial de 3.5 m ......... 168
Tabla 25: Relación de llenado en la salida (m/m) para un nivel inicial de 3.5 m ............. 169
19
Introducción
Un alcantarillado pluvial tiene como función la conducción y evacuación de aguas pluviales
para prevenir la inundación de la superficie urbana. El diseño de los elementos de drenaje
urbano como conductos y sumideros de captación procede de la caracterización de la
precipitación, de la incidencia de la escorrentía en la zona y de la afectación que pueda
causar el sistema de drenaje presente. El diseño hidráulico de los conductos se hace para que
funcionen a lámina libre. Sin embargo, cuando ocurre un evento de precipitación superior
al considerado en el diseño, los conductos pueden entrar en presión, y el flujo a lo largo del
conducto puede estar de manera simultánea a presión en una parte y a lámina libre en otra,
esto se conoce como flujo mixto.
La presente investigación tenía como propósitos simular experimentalmente las condiciones
de flujo mixto en un conducto de alcantarillado pluvial, condiciones que resultarían de una
precipitación ocurrida en la ciudad de Manizales y que sobrepasa el caudal de diseño
previsto para la obra. Y también, caracterizar el flujo mixto en términos de relación
velocidad – relación de llenado, en el tramo inicial de un alcantarillado pluvial, permitiendo
valorar el Reglamento Técnico para el sector de Agua Potable y Saneamiento Básico
(adoptado a través de la resolución número 0330 de 2017) de Colombia y hacer
recomendaciones al respecto.
A continuación, se presenta el contexto, los objetivos y la metodología empleada en el
presente estudio.
20 Caracterización experimental de condiciones de flujo mixto
Contexto
Un alcantarillado pluvial está formado por un conjunto de conductos interconectados. Estos
conductos normalmente se diseñan para que trabajen en lámina libre cuando por ellos circula
el caudal de diseño o un caudal inferior. Este régimen de flujo en lámina libre permite
establecer una conexión entre las condiciones del diseño del conducto y la escorrentía que
se observa a nivel de la superficie de la ciudad, de tal manera que los caudales de escorrentía
ingresen sin problema al alcantarillado pluvial. Por el contrario, si el conducto en algún
momento funciona en condiciones de flujo en presión, puede producirse un paso de caudales
del conducto al exterior (Dolz Ripollès & Gómez, 1994).
El caudal de aguas lluvias se calcula en principio, a través de un estudio hidrológico
utilizando modelos que relacionan lluvia a la escorrentía, que permiten evaluar el volumen
de la precipitación en el tiempo en términos de caudal. El diseño de un conducto de
alcantarillado pluvial consiste en dimensionar el diámetro y la pendiente que permitan
evacuar el caudal requerido (estimado) asegurando que el flujo en lámina libre cumple con
una velocidad mínima que garantiza la autolimpieza del conducto, y una velocidad máxima
que reduce la abrasión a largo plazo en el conducto.
La ocurrencia de un evento de precipitación que supera el caudal de diseño de un
alcantarillado pluvial puede exceder la capacidad del sistema de drenaje urbano, incluyendo
los elementos de captación del sumidero y del conducto, provocando de manera simultánea
condiciones de flujo en presión y flujo en lámina libre dentro del conducto cerrado del
alcantarillado. Estas condiciones se conocen comúnmente como flujo mixto que se puede
encontrar en conductos pluviales, túneles, tuberías de obras de toma de instalaciones
hidroeléctricas, llenado/vaciado de tuberías y conductos de almacenamiento (Aragón-
Hernández & Bladé, 2017; Bourdarias & Gerbi, 2007). Asimismo, el crecimiento continuo
de las ciudades que modifica la cobertura de las cuencas hace que en el tiempo, los elementos
de diseño de los conductos pluviales sean sobrepasados y el alcantarillado en este caso se
encuentre incapaz de conducir el escurrimiento, lo que resulta en una inundación pluvial
(Aragón-Hernández, 2013). La propia entrada en presión del conducto o la liberación de aire
a través de los pozos puede inducir severos transitorios de presión dañando los conductos
también (Song, Cardie, & Leung, 1983). Las consecuencias de lo anterior son retroceso de
flujo, desbordamiento y expulsión de agua, especialmente; que a su vez pueden conllevar a
21
problemas de circulación para vehículos y personas, daños materiales, e incluso la pérdida
de vidas humanas.
La Figura 1 presenta de manera conceptual las condiciones de un flujo mixto dentro de un
conducto cerrado.
Figura 1: Flujo mixto: superficie libre y a presión
Fuente: Adaptado de (Bourdarias & Gerbi, 2007)
La presurización de los alcantarillados puede ocurrir tanto en sistemas existentes como en
diseños de sistemas nuevos. Según Yen & Pansic (1980) algunas de las razones de la entrada
en carga del alcantarillado son:
i. Diseños inadecuados que resultan de imprecisiones en las ecuaciones teóricas utilizadas,
junto con la incertidumbre en los parámetros de diseño como, por ejemplo, la rugosidad
de la tubería,
ii. Riesgo hidrológico porque siempre existe la probabilidad, por pequeña que sea, de que
la descarga de diseño se pueda exceder una o más veces durante la vida útil del
alcantarillado,
iii. Errores de construcción y desviaciones del material que hacen que el alcantarillado en el
lugar no se ajuste al diseño,
iv. Fallo de estaciones de bombeo,
v. Inmersión de las tuberías de conexión.
Tubería
Resalto hidráulico
Punto de transición
Lámina libre
Flujo a presión
22 Caracterización experimental de condiciones de flujo mixto
Objetivos
Objetivo general
El presente estudio tiene como objetivo general:
▪ Caracterizar experimentalmente las condiciones de flujo mixto en el tramo inicial de un
alcantarillado pluvial, debido al incremento súbito de caudal que simula la ocurrencia de
un evento de precipitación en la ciudad de Manizales, con el fin de valorar el reglamento
colombiano actual.
Objetivos específicos
El trabajo se ha desarrollado a través de los siguientes objetivos específicos:
1. Identificar las condiciones de flujo a través de un alcantarillado contrastando sus
diferentes características;
2. Caracterizar y cuantificar las variables fundamentales que se deben considerar en el
diseño del tramo inicial de un alcantarillado pluvial, para la ciudad de Manizales;
3. Establecer experimentalmente las características de un flujo mixto dentro del tramo
inicial de un alcantarillado pluvial; y
4. Evaluar el Reglamento Técnico para el sector de Agua Potable y Saneamiento Básico
(RAS) y hacer recomendaciones sobre los criterios específicos para el diseño del tramo
inicial de un alcantarillado pluvial.
Metodología
La metodología de este trabajo se conforma de cuatro fases, las cuales se describen a
continuación:
23
Fase 1: Revisión de la literatura técnica existente de flujo mixto en
conductos cerrados
1.1. Revisar y analizar la información de investigaciones experimentales principalmente,
realizadas para caracterizar o interpretar el flujo mixto.
1.2. Identificar cómo se clasifica el flujo mixto dependiendo de la forma en que el conducto
entra en presión.
1.3. Identificar el posible comportamiento del flujo dentro de una alcantarilla y las
ecuaciones que lo describen.
Fase 2: Caracterización de la zona de aplicación e identificación de
parámetros de diseño de conductos
Caracterización de la zona de aplicación y revisión de las variables fundamentales utilizadas
en el diseño de conductos de alcantarillado pluvial, para la ciudad de Manizales.
2.1. Identificar la topografía, características de precipitación, clima y localización
geográfica de Manizales.
2.2. Planteamiento de un lote hipotético urbano ubicado en la ciudad de Manizales, en el
cuál se desarrolló un modelo lluvia – escorrentía.
2.3. Revisar los criterios y variables utilizados en el Reglamento Técnico para el sector de
Agua Potable y Saneamiento Básico (RAS) y en las especificaciones técnicas emitidas
por Aguas de Manizales S.A. E.S.P. para el diseño del tramo inicial de un
alcantarillado pluvial.
Fase 3: Evaluación experimental
La evaluación experimental tenía como propósito caracterizar el flujo mixto en el tramo
inicial de un alcantarillado pluvial.
3.1. Elaborar un banco experimental de un conducto de alcantarillado pluvial compuesto de:
un tanque elevado, una tubería de CPVC de 10 pulgadas de diámetro y una válvula de
control de tipo sluice gate asociada con las características. El diámetro y la pendiente
mínima de la tubería son adoptados del reglamento colombiano.
24 Caracterización experimental de condiciones de flujo mixto
3.2. Hacer pruebas para corroborar el buen funcionamiento y comportamiento del banco
experimental.
3.3. Simulación de eventos de precipitación mediante el suministro de caudal variable con
aumento progresivo.
3.4. Caracterizar las condiciones experimentales de relación de llenado y velocidad
observadas.
Fase 4: Análisis
Análisis crítico de los resultados obtenidos en el banco experimental, con el fin de interpretar
las condiciones de flujo mixto y valorar los criterios y variables utilizados para el diseño del
tramo inicial de un alcantarillado pluvial en el Reglamento Técnico para el sector de Agua
Potable y Saneamiento Básico (RAS).
El presente trabajo se encuentra organizado de la siguiente forma:
El capítulo 1 presenta una revisión de la literatura técnica previa, acerca del problema de las
condiciones de flujo mixto en conductos cerrados y también, una identificación de las
especificaciones de diseño empleadas en los reglamentos para el diseño de conductos
pluviales a nivel nacional e internacional.
En el capítulo 2, se presentan los conceptos teóricos que sustentan la obtención del caudal
de diseño de la red de drenaje pluvial, la descripción y las ecuaciones de las variables
empleadas en el diseño hidráulico de un conducto circular, la clasificación general del flujo
mixto y las ecuaciones fundamentales del flujo en alcantarillas y alcantarillados.
En el capítulo 3, se describen en primer lugar, las características específicas de la zona de
Manizales que permitan dar un contexto de las condiciones topográficas y climáticas de la
ciudad; y posteriormente se presenta la descripción de un lote hipotético ubicado en la zona
de estudio, sobre el cuál se aplicarán los conceptos teóricos de obtención de caudal y diseño
hidráulico, descritos anteriormente.
En el capítulo 4, se presenta la descripción del montaje experimental, el proceso
experimental para el desarrollo de las pruebas, los resultados preliminares obtenidos y su
respectiva interpretación.
En el capítulo 5, se presentan el análisis y la discusión de los resultados obtenidos.
25
1. Revisión de literatura y normas de interés
Este capítulo presenta antecedentes técnicos destacados en la caracterización experimental
y numérica de flujo mixto en conductos cerrados. El objetivo es conocer el desarrollo que
han tenido las experimentaciones empleadas para caracterizar el flujo mixto. También se
hace una identificación de los criterios empleados a nivel nacional e internacional, para el
diseño de conductos de alcantarillado pluvial. Un reconocimiento de los parámetros
mínimos que deben cumplirse en los diseños del tramo inicial de un alcantarillado pluvial
es presentado.
1.1 Revisión de literatura
En esta sección se presentan los antecedentes investigados en la literatura técnica con
relación a la ocurrencia de flujo mixto en conductos cerrados. Esta revisión se divide en
investigaciones experimentales y numéricas, dándole más importancia a las primeras. Las
investigaciones revisadas permiten obtener una perspectiva de los estudios que se han
realizado y los resultados obtenidos.
1.1.1 Investigación Experimental – Flujo mixto
▪ Hamam & McCorquodale (1982) estudiaron las oscilaciones de presión y las
inestabilidades que ocurren dentro de un sistema de alcantarillado pluvial cuando el flujo
cambia repentinamente de lámina libre a flujo en presión.
En su investigación, desarrollaron un modelo experimental para estudiar la presurización
en los conductos de alcantarillado pluvial y las presiones transitorias agregadas. En la
26 Caracterización experimental de condiciones de flujo mixto
Figura 2 se presenta el esquema del montaje experimental realizado. Este consta de un
conducto de plexiglás intercambiable con sección transversal cuadrada de 140 mm de
lado, o circular con 152 mm de diámetro; de un tanque aguas arriba, a través del cual se
suministra el agua, y de un depósito de descarga. El conducto representa una tubería de
alcantarillado que descarga en un depósito, el cual tiene controlada la salida por una
compuerta y simula una estación de bombeo. La compuerta se podía cerrar rápidamente
para bloquear la salida del flujo. Para medir el caudal se utilizó un medidor de flujo
magnético. La presión fue medida en nueve puntos a lo largo del conducto utilizando
piezómetros que registraron la elevación de la superficie del agua en la tubería. Dos
transductores de presión (P.T.1 y P.T.2) fueron utilizados para medir transitorios de
presión.
Figura 2: Modelo experimental de Hamam & McCorquodale (1982)
Fuente: (Hamam & McCorquodale, 1982)
En el montaje experimental se llevaron a cabo dos análisis. En el primero se generó un
flujo de aire-agua contracorriente para analizar la velocidad en la interfaz, suministrando
agua a una descarga constante desde el extremo aguas arriba, mientras se forzaba la
entrada de aire a través del extremo aguas abajo. En el segundo, las pruebas se realizaron
suministrando descargas constantes al sistema para tener diferentes elevaciones iniciales
de agua dentro de la tubería, posteriormente, para demostrar que el golpe de ariete puede
resultar de la presurización rápida de una parte de la alcantarilla, aguas abajo, se restringió
la salida del flujo produciendo sobrepresiones que viajan hacia aguas arriba.
27
En este estudio se concluyó que pueden ocurrir presiones transitorias en alcantarillas
durante la transición del flujo en lámina libre a flujo en presión y que la secuencia de
eventos sigue estas etapas:
i. Formación de una oleada, durante la cual se produce un flujo aire-agua en contra
corriente;
ii. Formación de la inestabilidad de interfaz, cuando la velocidad relativa del aire
alcanza la inestabilidad; y
iii. Transición a flujo sobrecargado cuando la inestabilidad produce un bloqueo
completo del flujo de aire.
Además, se destacaron los siguientes aspectos: (1) el flujo en lámina libre en una sección
circular es más inestable que en una sección rectangular; (2) para relaciones de llenado
superiores a aproximadamente 0.80 la superficie del agua es muy inestable y el mínimo
flujo de aire a contracorriente puede provocar la presurización de la tubería; (3) se puede
esperar transitorios de presión bruscos en o cerca del flujo en lámina libre máximo, por
ejemplo, en una sección circular con relaciones de llenado cercanas a 0.85; (4) una
alcantarilla circular típica, con una velocidad inicial de 1.5 m/s, podría experimentar
aumentos de presión transitorios en el rango de 6 - 40 m, por lo tanto, se podría desarrollar
una presión suficiente para provocar inundaciones y levantar las tapas de cámaras de
inspección para los flujos cercanos a la precipitación de diseño; (5) una transición abrupta
crea las fluctuaciones de presión más severas; y (6) factores como tamaño, forma y
material de la tubería, régimen de flujo, profundidad relativa, ventilación y condiciones
de contorno como bombas, tienen afectación en la magnitud de los transitorios de presión.
▪ Cardie, Song & Yuan (1989) realizaron experimentos en el laboratorio de hidráulica Saint
Anthony Falls, en la Universidad de Minnesota, Estados Unidos, para observar en una
tubería circular, las condiciones de flujo presurizado y el mecanismo de transición de
flujo en superficie libre a flujo en presión.
El montaje experimental de Cardie et al. (1989) mostrado en la Figura 3 consta de una
tubería de PVC transparente de 48.8 m de longitud y 0.1626 m de diámetro interno; la
tubería se sostenía por vigas de acero que también permitían cambiar la pendiente. Aguas
arriba la tubería estaba unida a un tanque elevado y aguas abajo a un depósito. El agua se
suministró al tanque elevado a través de una tubería ubicada en la parte superior. El
tanque elevado estuvo dividido en dos compartimentos por una pared divisoria con una
28 Caracterización experimental de condiciones de flujo mixto
compuerta, al operar esta compuerta, el flujo podría cambiar rápidamente. También hubo
una compuerta de descarga en el depósito aguas abajo que permitía un cambio rápido en
el flujo de salida y en el nivel del depósito. La pared aguas abajo del tanque era móvil,
por lo que el área de la superficie de este depósito podía variar.
Figura 3: Montaje experimental de Cardie, Song & Yuan (1989)
Fuente: (Cardie et al., 1989)
En la experimentación se registró el nivel del agua en diez puntos (W), siete de ellos
ubicados a lo largo de la tubería y tres en los tanques. La presión fue medida en seis
puntos (P) ubicados a lo largo de la tubería.
Cardie et al. (1989) definieron una interfaz como positiva cuando la transición del agua
se realiza desde la zona con flujo en presión hacia la zona con flujo en lámina libre, lo
que indica que el conducto se está llenando, por el contrario, una interfaz fue definida
como negativa cuando el flujo se mueve de la zona con flujo en lámina libre hacia la zona
con flujo en presión, en este caso, el conducto se está despresurizando.
En esta investigación experimental se llevaron a cabo tres evaluaciones del flujo, en la
primera, se generó una entrada en presión desde el extremo aguas abajo de la tubería, en
la segunda, se analizó la despresurización de la tubería y en la tercera, se examinó una
transición de una interfaz positiva a una negativa.
En la primera prueba, para la entrada en presión desde el extremo aguas abajo, se
estableció una entrada de flujo constante y tiempo después se cerró la compuerta ubicada
aguas abajo. El caudal máximo suministrado fue de 7.36 l/s. Una vez cerrada la
29
compuerta, se formó un resalto que avanzó hacia aguas arriba creando pulsos de presión
más grandes, delante de este resalto el aire fue empujado y causó inestabilidad. Los
autores afirman que, si se permitía que el resalto alcance el extremo aguas arriba, la
tubería se presurizaba totalmente y los pulsos de presión desaparecían, indicando que
estos pulsos de presión fueron generados por la interfaz. Se presentaron gráficas de
presión en el tiempo en los transductores de presión P1, P3 y P5. En P1 y P3 la
inestabilidad aún no se desarrollaba, sin embargo, cuando la interfaz alcanzó el
transductor de presión P5, el flujo se volvió inestable y con una gran cantidad de pulsos
de presión.
En la segunda prueba, el proceso de despresurización generó una interfaz negativa.
Después de cerrar la compuerta aguas abajo, cuando la interfaz positiva alcanzó algún
punto, esta compuerta se abrió nuevamente haciendo que el flujo que avanzaba aguas
arriba invirtiera su dirección y retrocediera hacia aguas abajo. La liberación de presión
empezó a ocurrir desde los dos extremos de la tubería, aunque en mayor medida desde el
extremo aguas abajo, esto se evidenció con una caída de nivel registrada en W2. En esta
prueba no se observó empuje de aire.
En la tercera prueba, se combinó el procedimiento de las dos pruebas anteriores,
suministrando un flujo constante se cerró la compuerta aguas abajo y se produjo una
interfaz positiva, después se liberó el flujo haciendo que este invierta su dirección para
obtener una interfaz negativa. La transición a la presurización no ocurrió repentinamente,
sino que a medida que la interfaz avanzó, también arrastró aire cerca de la corona de la
tubería formando burbujas de aire hasta que nuevamente se abrió el paso de aire en la
interfaz negativa y se obtuvo el régimen en lámina libre.
Dentro de las conclusiones de este estudio se resaltó la importancia de los efectos del
arrastre de aire en la interfaz entre el flujo en lámina libre y el flujo en presión. Así mismo,
se reconoció que estos efectos toman mayor importancia cuando la velocidad del aire
delante de la interfaz se vuelve mayor que la velocidad del agua, en estas condiciones se
desarrollarían inestabilidades en la superficie del agua originando presiones de golpe de
ariete. Este proceso podría presentarse comúnmente cuando la superficie libre se
encuentra en una región inestable debido a la geometría de la tubería, los autores afirman
que, para una tubería de sección circular, se presentan inestabilidades cuando la relación
de llenado es superior a 0.81. En el proceso de despresurización no se encontraron
grandes pulsos de presión transitorios como los producidos durante la presurización, en
30 Caracterización experimental de condiciones de flujo mixto
este proceso, se encontraron presiones negativas en la zona presurizada que se encontraba
delante de la interfaz que se movía hacia aguas abajo. Se observó que una interfaz
negativa hacía un cambio muy repentino a una interfaz positiva. Finalmente, los autores
reconocieron la importancia del estudio del atrapamiento de aire dentro de los conductos
de alcantarillado que tiene mayor importancia en tuberías inclinadas.
▪ Guo & Song (1990) investigaron el problema de presurización que se puede presentar en
sistemas de drenaje pluvial o en túneles de almacenamiento cuando un evento de
precipitación supera su capacidad de transporte. En este trabajo se describió
conceptualmente y a través de registros de campo, la existencia de sobrepresiones y
problemas relacionados, como desbordamiento, expulsión de chorros de agua y daños
estructurales en los sistemas. Se aplicó un modelo de flujo transitorio mixto a los sistemas
TARP (the Tunnel and Reservoir Plan) de Chicago, en este modelo matemático se
presentaron dos opciones para resolver el problema de flujo mixto, por la ranura de
Preissmann o por el método de ajuste de choque. El modelo se verificó primero
comparando la salida con los datos de campo. Luego se usó para estudiar posibles medios
de mitigación de problemas de sobrepresión. Se descubrió que el factor más crítico fue
la intensidad de sobrepresión al final del proceso de presurización. Se investigaron los
siguientes cuatro posibles métodos operativos y estructurales para los sistemas de
almacenamiento en línea: (1) reducción de la velocidad de entrada cuando el sistema se
acerca al período final de presurización, (2) un depósito de almacenamiento en el extremo
aguas abajo, (3) regulación del volumen de almacenamiento inicial, y (4) el uso de un
tanque de compensación en un extremo aguas arriba.
▪ Capart, Sillen, & Zech (1997), realizaron un modelo experimental en laboratorio para
comparar y validar los resultados de un modelo numérico que desarrollaron para analizar
la transición del flujo en lámina libre a flujo en presión en una tubería cerrada.
El modelo experimental de Capart et al. (1997) mostrado en la Figura 4 consiste en una
tubería de 12.74 m de longitud y un diámetro interior de 0.145 m. La tubería consta de
tres partes, con pendientes de 0.01954 (0 m‐3.48 m), 0.01704 (3.48 m‐9.23 m) y 0.01255
(9.23 m‐12.74 m). El coeficiente de rugosidad de Manning medido experimentalmente
fue de 0.009 s/m1/3. Debido a la elevada pendiente de la tubería, el flujo en lámina libre
aguas arriba fue casi siempre supercrítico, mientras que aguas abajo el régimen de flujo
depende del nivel de agua en el depósito ubicado en el extremo aguas abajo. Se
31
observaron variaciones rápidas de este nivel de agua cuando se operó el vertedero
ajustable localizado en la salida del depósito.
Figura 4: Modelo experimental de Capart et al. (1997)
Fuente: (Capart et al., 1997)
El experimento se realizó suministrando un caudal de entrada constante de 0.00421 m3/s.
El nivel de agua en el depósito ubicado aguas abajo se mantuvo por debajo del fondo de
la tubería. El experimento inició con un flujo permanente supercrítico, posteriormente, el
vertedero ajustable del extremo aguas abajo fue elevado hasta suprimir la salida de agua.
A medida que el nivel de agua en el extremo aguas abajo subió, se formó un resalto
hidráulico dentro de la tubería que migró hacia aguas arriba.
Cuando el resalto hidráulico llegó cerca a la entrada en el extremo aguas arriba, la
compuerta del extremo aguas abajo se abrió abruptamente. Este proceso simuló una
súbita disminución del nivel de agua en el extremo aguas abajo, que con un rápido flujo
transitorio regresó el flujo a sus condiciones iniciales. La Figura 5 muestra la variación
en el tiempo de la profundidad del agua (o cabeza piezométrica) para tres secciones de
medición ubicadas a 3.06 m (C3), 5.50 m (C4) y 7.64 m (C6) desde el extremo aguas
arriba de la tubería. Las líneas punteadas corresponden a las mediciones experimentales,
mientras que las líneas continuas presentan resultados numéricos simulados con una
malla de 18 nodos y con un número de Courant, Cn = 0.7.
32 Caracterización experimental de condiciones de flujo mixto
Figura 5: Niveles de agua calculados y medidos en C3, C4 y C6.
Fuente: (Capart et al., 1997)
Una comparación entre los perfiles de agua calculados y observados en diferentes pasos
de tiempo se muestra en la Figura 6 y en la Figura 7. La Figura 6 muestra
la lenta progresión del resalto hacia arriba a medida que sube el nivel aguas abajo. Las
líneas continuas presentan los perfiles de agua calculados numéricamente cada 20
segundos a partir de los 25 segundos desde el inicio del experimento. Los marcadores
muestran los niveles de agua medidos experimentalmente.
Figura 6: Resalto moviéndose lentamente hacia aguas arriba
Perfil piezométrico calculado numéricamente (línea continua) y modelado
experimentalmente (marcador).
Fuente: (Capart et al., 1997)
33
La Figura 7 muestra el flujo transitorio rápido correspondiente a la liberación repentina
de agua del tanque aguas abajo. El intervalo de tiempo en este caso fue de 2 segundos,
desde el tiempo 161 segundos después del inicio del experimento.
Figura 7: Liberación repentina de agua del tanque aguas abajo.
Perfil piezométrico calculado numéricamente (línea continua) y modelado
experimentalmente (marcador).
Fuente: (Capart et al., 1997)
▪ Trajkovic, Ivetic, Calomino, & D’Ippolito (1999) realizaron experimentos en una
plataforma de prueba. Los resultados experimentales se utilizaron para la verificación de
un modelo numérico basado en un método de captura de choque que utilizó el esquema
explícito de diferencias finitas de McCormack.
El dispositivo experimental utilizado por Trajkovic et al. (1999) presentado en la Figura
8, consiste en una tubería de metacrilato de 10 m de longitud con un diámetro interno de
0.10 m, un espesor de las paredes de 0.005 m y un coeficiente de fricción de Manning
estimado en 0.008 s/m1/3. Se colocaron dos compuertas automáticas en los extremos
aguas arriba y aguas abajo de la tubería, con la operación de estas compuertas las
condiciones del flujo se pudieron cambiar rápidamente. En la cota batea del tramo de
tubería comprendido entre las dos compuertas, fueron instaladas 8 entradas piezométricas
que se conectaron con tubos al panel de control. La presión registrada en cada punto fue
medida en la entrada piezométrica con un transductor de presión. Se colocaron tubos de
ventilación en la cota clave de la tubería para evitar la posible interferencia de la fase de
34 Caracterización experimental de condiciones de flujo mixto
aire. Se realizaron seis diferentes tipos de ensayos variando la pendiente de la tubería, las
condiciones iniciales y la apertura de la compuerta aguas arriba, e1 y aguas abajo, e2.
Figura 8: Modelo experimental de Trajkovic (1999).
1) tanque aguas arriba; 2) medidor de flujo; 3) compuerta G1; 4) compuerta G2; 5) tanque
aguas abajo; 6) vertedero; 7) tubos de ventilación; 8) transductor de presión; 9) panel de
control; 10) sistema de adquisición de datos; 11) entrada y salida.
Fuente: (Trajkovic et al., 1999)
En los experimentos Tipo A se utilizó una pendiente de la tubería del 2.7%. Las
condiciones del experimento fueron un caudal de entrada constante de alrededor de
0.0013 m3/s, correspondiente a una apertura de la compuerta en el extremo aguas arriba
de e1 = 0.014 m y en el extremo aguas abajo, la compuerta fue totalmente abierta con un
calado normal de aproximadamente 0.10 m, debido a ello, el tipo de flujo fue permanente
y supercrítico. En el extremo aguas abajo no se precisa las condiciones de salida. En un
instante dado del experimento, la compuerta del extremo aguas abajo se cerró
rápidamente (cierre no instantáneo), generando un transitorio en forma de frente de onda
positivo que se movió hacia aguas arriba. Después de 30 segundos del cierre, la
compuerta fue reabierta parcialmente produciendo un fenómeno transitorio. Se probaron
diferentes valores para la reapertura de la compuerta, para la validación fue utilizada una
apertura de e2 = 0.008 m. En este caso se registró una pequeña disminución de la carga
de presión en el instante de tiempo 30 segundos, sin embargo, debido a que el caudal de
salida en la tubería fue menor que el de entrada, la carga de presión continúo
incrementándose. Se midieron valores de la carga de presión en las secciones P5 (x = 7.2
m) y P7 (x = 9.2 m). La Figura 9 muestra los niveles piezométricos medidos (en relación
con el fondo de la tubería) en las secciones P5 y P7 para tres reaperturas diferentes de la
compuerta G2.
35
Figura 9: Experimento Tipo A: nivel piezométrico P5 y P7 - apertura de la compuerta
aguas abajo
Fuente: (Trajkovic et al., 1999)
Un desarrollo similar fue obtenido para los experimentos Tipo B.
En los experimentos Tipo C se midieron los niveles en cuatro secciones como se muestra
en la Figura 10, las condiciones iniciales fueron e1 = 0.017 m, descarga de 0.0016 m3/s,
e2 = 0.027 m. En esa situación el flujo de superficie libre con un resalto hidráulico (entre
P5 y P6), estuvo presente prácticamente en toda la tubería.
Figura 10: Experimento Tipo C: nivel piezométrico medido en P2, P4, P6 y P8.
Fuente: (Trajkovic et al., 1999)
36 Caracterización experimental de condiciones de flujo mixto
Los cambios medidos de los niveles piezométricos durante un experimento de Tipo D se
presentan en la Figura 11. Las condiciones iniciales fueron e1 = 0.015 m, descarga de
0.0015 m3/s y pendiente de 0.014. La apertura inicial e2 fue de 0.033 m, lo que produjo
un resalto hidráulico estacionario entre las secciones P6 y P7. La compuerta aguas abajo
se cerró por completo y se volvió a abrir a la posición inicial después de 16 segundos.
Figura 11: Experimento Tipo D: nivel piezométrico medido en P5, P6 y P7.
Fuente: (Trajkovic et al., 1999)
Un desarrollo similar fue obtenido para los experimentos Tipo E.
En los experimentos Tipo F la apertura de la compuerta aguas arriba e1 pasa de cero a la
posición máxima (e1 = D = 0.10 m), y en este caso se formó una oleada positiva con un
frente empinado y se desplazó hacia abajo.
▪ Gómez & Achiaga (2001) desarrollaron una instalación experimental para analizar la
transición del flujo en superficie libre a flujo en presión, producida desde ambos extremos
de una tubería cerrada de alcantarillado. En este estudio realizaron varias pruebas
experimentales para obtener conocimiento de este fenómeno, y posteriormente para
reproducir mediante modelos numéricos los resultados observados.
El modelo experimental empleando se presenta en la Figura 12, se compone de una
tubería de metacrilato transparente de 12 m de longitud con un diámetro interior de 0.153
m y una pendiente del 0.001. La tubería se conecta aguas arriba a un tanque elevado que
alimenta el modelo. La instalación dispuso de dos válvulas localizadas en los extremos
de la tubería para crear frentes de onda por ambos extremos. Para medir la descarga de la
tubería se incluyó una medición electromagnética de flujo. La carga de presión se midió
con cuatro transductores de presión localizados desde aguas arriba en los puntos 0 m, 4
37
m, 8 m y 12 m. Se realizaron experimentos con descargas iniciales de 2 a 8 I/s. El flujo
subcrítico fue la condición del régimen inicial en todas las pruebas.
Figura 12: Modelo experimental de Gómez (2001)
Fuente: (Gómez & Achiaga, 2001)
Con esta configuración experimental se realizaron tres tipos diferentes de experimentos:
i. Cierre repentino de la válvula aguas abajo, creando un frente de presión que se mueve
aguas arriba.
ii. Apertura repentina de la válvula aguas arriba, produciendo un aumento de descarga, y
una onda de presión moviéndose aguas abajo.
iii. Operación simultánea de válvulas aguas arriba y aguas abajo, creando dos ondas de
presión que se mueven hacia aguas abajo y aguas arriba, convergiendo en el centro de
la tubería.
Los experimentos de tipo i y ii tuvieron desenlaces similares, se alcanzaron valores de
presión del orden del diámetro de la tubería. Los resultados se pudieron reproducir bien
con los enfoques numéricos disponibles. Sin embargo, los experimentos de tipo iii fueron
diferentes a los anteriores, y a partir de los datos de prueba analizados, se concluyó que
no podrían explicarse como una superposición de dos frentes como el tipo i o el tipo ii.
En los ensayos experimentales desarrollados en este trabajo, se obtuvo que cuando la
entrada en carga se produjo desde el extremo aguas abajo, el avance de la interfaz
38 Caracterización experimental de condiciones de flujo mixto
aumenta la carga de presión en forma moderada hasta que la altura de la columna de agua
fue aproximadamente igual al doble de la altura de la tubería. Cuando la transición se
produjo desde el extremo aguas arriba, la altura de la columna de agua fue
aproximadamente igual a la altura de la tubería multiplicada por cuatro. Cuando hubo dos
transiciones de flujo, se presentaron dos sobrepresiones que avanzaron una desde aguas
arriba y otra desde aguas abajo, y la presión fue más importante que cuando solo hubo
una transición, por lo que este caso fue más peligroso. Para este último experimento se
presentaron dos opciones, en la primera, inicialmente se cerró la válvula aguas abajo y
posteriormente se abrió la válvula aguas arriba, en este caso, el valor de presión más alta
fue aproximadamente igual a la altura de la tubería multiplicada por diez. En la segunda,
inicialmente se abrió la válvula aguas arriba y posteriormente se cerró la válvula aguas
abajo, este caso fue el más peligroso porque el valor de presión más alto fue
aproximadamente igual a la altura de la tubería multiplicada por veinticinco.
Además del modelo experimental, en este trabajo también fue desarrollado un modelo
numérico basado en el método de características (MOC), capaz de reproducir las
mediciones. Se seleccionó la celeridad de onda como el parámetro para reproducir las
presiones observadas y se usaron dos valores diferentes, uno antes y otro después de la
combinación frontal de los frentes de presión. Finalmente, una de las observaciones más
significativas fue que cuando el aire atrapado no se liberó fácilmente, los valores de
presión encontrados fueron de 20 veces el diámetro de la tubería.
▪ Li & McCorquodale (2001) desarrollaron un modelo experimental para calibrar un
modelo numérico que simule la transición del flujo en lámina libre a flujo en presión en
conductos de alcantarilla. El montaje experimental utilizado se presenta en la Figura 13,
este se compone de un tubo de plexiglás de 12 mm de diámetro y 12.12 m de longitud,
que conecta una sección de canal abierta aguas arriba y un tanque aguas abajo. En la
experimentación, desde un tanque elevado se descargó agua en la sección de canal abierto
y esta pasó a través de la tubería hacia el tanque aguas abajo. El tanque aguas abajo tenía
una compuerta manual y una válvula de salida controlada. Para proporcionar el flujo de
entrada al tanque elevado se utilizó una bomba centrífuga con una descarga nominal de
220 l/s y una altura nominal de 6.7 m. La descarga de entrada en el sistema fue regulada
por una válvula de control. Se ubicaron nueve piezómetros a lo largo de la tubería y se
usaron dos transductores de presión de resistencia variable para la medición de presiones
transitorias. Usando un convertidor de señal analógico a digital, las señales de salida de
39
los transductores de presión se convirtieron en señales digitales que luego fueron
grabadas por un microordenador.
Figura 13: Modelo experimental de Li & McCorquodale (2001)
Fuente: (Li & McCorquodale, 2001)
Se realizaron dos tipos de experimentos: (1) detención completa del flujo mediante un
cierre rápido de la compuerta manual aguas abajo (simulación de compuerta trasera); y
(2) inundación del tanque de almacenamiento aguas abajo debido al cierre de la válvula
de salida (simulación de falla de la bomba).
El modelo numérico que desarrollaron extendió el modelo de columna rígida de
McCorquodale, J., & Hamam (1983). Este modelo simuló una bolsa de aire atrapado en
movimiento y la liberación final de aire en la cámara de acceso aguas arriba. La
comparación de los transitorios de presión registrados durante el experimento de cierre
repentino de la compuerta y los simulados por el modelo numérico se presentan en la
Figura 14.
40 Caracterización experimental de condiciones de flujo mixto
Figura 14: Comparación de transitorios de presión, profundidad de flujo relativa de 0.75
Fuente: (Li & McCorquodale, 2001)
Se observó que los transitorios de presión simulados por el modelo matemático fluctúan
de manera similar a los registrados durante los experimentos. Para los transitorios de
presión iniciales del tipo de golpe de ariete, el modelo subestimó la amortiguación de las
fluctuaciones de presión.
▪ Vasconcelos & Wright (2003) investigaron experimentalmente la transición de flujo en
lámina libre a flujo en presión, que se puede producir en túneles de almacenamiento de
aguas pluviales durante un llenado rápido. El objetivo fue determinar el papel de las
principales variables de diseño de un conducto, en la ocurrencia de los transitorios de
presión.
El modelo de laboratorio fue una simulación esquemática en una escala 1:50 de un
segmento de túnel de 750 m de longitud, equivalente a la distancia entre un eje de entrada
y un eje de compensación en el diseño del túnel de almacenamiento propuesto para la
ciudad de Dearborn en Michigan, Estados Unidos. El montaje experimental presentado
en la Figura 15 se compone de una tubería con pendiente variable de 14.6 m de longitud
y 0.10 m de diámetro. Aguas arriba la tubería se conectó a una caja de llenado rectangular
de dimensiones 0.25 m de lado, en la cual se fijó un nivel de desbordamiento de 0.15 m
sobre la cota clave del tubo; aguas abajo el tubo se conectó a un tanque de forma cilíndrica
de 0.19 m de diámetro y con una altura mucho mayor que el nivel de derrame de la caja
de llenado. Se realizaron 3 tipos de experimentación variando la pendiente de la tubería:
41
con pendiente nula, con pendiente favorable (la tubería se inclina hacia abajo en dirección
aguas arriba) y con pendiente adversa (la tubería se inclina hacia abajo en dirección aguas
abajo). Las principales variables investigadas fueron el caudal de entrada al sistema, el
nivel de agua inicial en el sistema y la pendiente del conducto. Se investigaron más de
150 experimentos con diferentes combinaciones de estas tres variables.
Figura 15: Montaje experimental de Vasconcelos & Wright (2003)
Fuente: (Vasconcelos & Wright, 2003)
El caudal que se suministró al sistema simuló el efecto de un hidrograma de entrada con
una descarga constante e igual al valor pico del hidrograma. Este caudal se suministró al
sistema que inicialmente estaba parcialmente lleno con nivel inicial entre 0.02 m y 0.12
m, dependiendo del valor de la pendiente.
La magnitud de presión fue medida en el tanque cilíndrico en relación con el nivel de
desbordamiento en la caja de llenado, por tanto, es denominada presión relativa. Una
cámara de video digital de 30 cuadros por segundo grabó el comportamiento en el tanque
aguas abajo. Los resultados de presión relativa contra nivel inicial de agua en la caja de
llenado para caudales de 2.1 l/s, 3.1 l/s y 4.1 l/s son presentados gráficamente para los
casos de la tubería con pendiente nula, favorable y adversa en las Figura 16, 17 y 18,
respectivamente.
42 Caracterización experimental de condiciones de flujo mixto
Figura 16: Presión observada en el canal horizontal para diferentes caudales y niveles
iniciales
Fuente: (Vasconcelos & Wright, 2003)
Figura 17: Presión observada en el canal con pendiente favorable del 0.2% para diferentes
caudales y niveles iniciales
Fuente: (Vasconcelos & Wright, 2003)
Los resultados obtenidos de la experimentación fueron similares para el caso de la tubería
con pendiente nula y favorable. En estos casos las presiones máximas observadas ocurren
a niveles de agua iniciales intermedios. En estos experimentos se formó un resalto desde
aguas arriba cuando la sección transversal de la tubería se llenó.
43
Figura 18: Presión observada en el canal con pendiente adversa (0.1%) para diferentes
caudales y niveles iniciales
Fuente: (Vasconcelos & Wright, 2003)
Para el caso de la pendiente adversa, el comportamiento de la presión fue diferente a los
casos anteriores. En este caso se observó una caída repentina de la presión para niveles
de agua iniciales intermedios, inmediatamente después de haber alcanzado los máximos.
Este comportamiento fue atribuido a la presurización del aire que arrastró el resalto. Por
esta razón, en la experimentación se instalaron 2 tubos ascendentes de 0.038 m de
diámetro, ubicados a 1.0 m y 3.6 m desde el extremo aguas abajo; y se realizaron
experimentos con ambos tubos abiertos y también alternando su apertura. En este caso se
obtuvo que el aumento de las condiciones de ventilación cambió el comportamiento de
las oleadas dentro de la tubería a medida que se cambiaba el nivel inicial de agua. Cuando
hubo ventilación con los 2 tubos no se presentó la caída repentina de presión. Por tanto,
a menos que las condiciones de ventilación sean suficientes, la fase de aire tendrá un
papel importante en la descripción del movimiento del flujo dentro de los conductos.
En los 3 experimentos se observó que la presión máxima ocurrió cuando el flujo de
entrada formaba un resalto que llenó la sección transversal de la tubería. En los casos de
niveles de agua iniciales menores, cuando el resalto no llenó la sección transversal, el
aire quedaba atrapado y producía un efecto de amortiguación que reducía la magnitud de
la oleada generada con el resalto. Los resultados que se obtuvieron permitieron concluir
que el hidrograma de entrada, el nivel inicial de agua y la pendiente tienen un papel
importante en la magnitud de la presión del sistema.
44 Caracterización experimental de condiciones de flujo mixto
▪ Vasconcelos & Wright (2005) utilizaron el montaje experimental desarrollado por
Vasconcelos & Wright (2003) que se presentó en la Figura 15, para (1) investigar la
combinación de pendiente y condiciones de flujo de entrada que generarían las
transiciones de presión más fuertes al inicio del flujo de llenado rápido en un sistema de
túnel de almacenamiento de aguas pluviales; y (2) observar las interacciones entre las
fases de aire y agua durante el proceso de llenado.
Para que el montaje experimental entre en presión, en primer lugar, se introdujo en la
tubería un volumen de agua inicial, y se permitió que el sistema se detuviera para que se
desarrollaran condiciones de reposo; posteriormente se suministró repentinamente un
flujo de entrada a través de la caja de llenado ubicada aguas arriba, de esta manera se
formó un resalto que se propagó hacia aguas abajo. En el momento en que el resalto llegó
al elevador, el nivel del agua aumentó. Cuando el resalto inicial llenó la sección
transversal de la tubería, se alcanzó el valor máximo de presión y dentro del conducto se
presentó una parte de flujo en presión y otra delante, en lámina libre; cuando el resalto
no logró presurizar la sección transversal se produjeron algunos efectos de oleaje hasta
que la tubería se llenó completamente.
Los resultados de esta experimentación fueron divididos en experimentación de
sobrecarga y experimentación de la fase de aire. En el primer caso, los resultados se
obtuvieron de la combinación de las condiciones iniciales de nivel, caudal de entrada y
pendiente. En función de la relación nivel de agua inicial – diámetro de a tubería se
obtuvo que:
• para valores pequeños, al suministrar el flujo de entrada se creó un resalto que se
movió hacia aguas abajo pero que no ocupó toda la sección transversal de la tubería,
en este caso el aumento de caudal de entrada no significó aumento de presión;
• para valores intermedios, cuando se suministró el caudal, se formó un resalto que
presurizó una parte de la tubería y produjo grandes presiones, en algunos casos el flujo
atrapó alguna cantidad de aire que fue liberado posteriormente en los extremos de la
tubería o en los orificios de ventilación; y
• para valores cercanos a la unidad, cuando se suministró el caudal, la presión fue similar
para diferentes caudales; no se produjo resalto debido a que el nivel de agua llenó la
tubería completamente al suministrar el caudal.
45
En el segundo caso, en el estudio de las interacciones entre las fases de agua y aire, se
realizaron 60 corridas, para 3 pendientes (todas adversas para garantizar el atrapamiento
de aire), con 3 caudales de entrada y varias elevaciones iniciales. Estas corridas
experimentales demostraron que pueden existir hasta 5 resultados diferentes que
describen las posibles interacciones entre las fases de agua y aire durante el proceso de
llenado rápido.
i. Sin interacción: cuando el resalto avanza a lo largo de la tubería sin presurización de
aire, es decir que el escape de aire no está obstaculizado.
ii. Movimiento previo al resalto: movimiento del agua hacia aguas abajo antes de la
aparición del resalto. Este movimiento causó un cambio en la forma del flujo en la
región de superficie libre, en forma de una onda de depresión que se movía hacia
aguas arriba, como se muestra en la imagen superior de la Figura 19. Cuando esta
cavidad y el resalto se encontraron, disminuyó la velocidad que llevaba el resalto.
iii. Contraflujo de aire: la característica principal de esta condición fue una ruptura en
la interfaz de presurización debido a la presión del aire. En este caso, la presión del
aire es suficiente para crear una intrusión de aire en la corona de la tubería y por
tanto, la tubería no se presuriza completamente, como se muestra en la imagen
inferior de la Figura 19.
iv. Frente ondulatorio: esta condición ocurrió con más frecuencia en pendientes
pronunciadas y niveles de agua iniciales mayores. Se caracterizó por la formación
de un frente ondulado en lugar de un resalto hidráulico, y por la expulsión casi
inmediata de aire en el extremo aguas arriba. No se llenó completamente la sección
transversal.
v. Intrusión de aire en el frente ondulatorio: esta condición rara vez se observó y se
caracterizó por la intrusión de aire, como se describe en el caso iii, en el caso de
frente ondulatorio cuando se cierra la sección transversal de la tubería mientras la
interfaz se mueve hacia el extremo aguas abajo.
46 Caracterización experimental de condiciones de flujo mixto
Figura 19: Esquema de movimiento previo del resalto e interfaz de presurización
Fuente:(Vasconcelos & Wright, 2005)
Se observó que estas fases de agua y aire se presentan como una sucesión cuando se
aumenta el nivel inicial de agua. Para niveles iniciales de agua pequeños no hay ninguna
interacción notable entre las fases de aire y agua. A medida que aumenta el nivel del
agua, se produce el desarrollo de la característica de movimiento antes del resalto. Un
mayor aumento en el nivel del agua desencadena la aparición de la característica de
contraflujo de aire y, finalmente, en el límite superior de los niveles de agua considerados,
se produjo la formación de frentes ondulantes, con o sin intrusión de aire. De esta manera
se observó que la variable controladora que determina el tipo de interacción es el nivel
inicial de agua en el punto de expulsión de aire, esto se debe a que en ausencia de otra
ventilación, la ruta principal para el escape de aire de la tubería fue proporcionada por la
salida aguas abajo.
Así mismo se obtuvo que a medida que aumenta el nivel de agua inicial y disminuye el
área de ventilación, el aumento del nivel de agua en el extremo aguas abajo ocurre casi
inmediatamente después del inicio de la entrada de flujo aguas arriba. El burbujeo
empieza aguas arriba y, a medida que las burbujas se expulsan, generan picos de presión
dentro de la fase de aire. El aumento de presión debido a la presurización del aire fue
47
significativo y algunos picos de presión de corta duración fueron más grandes que los
picos reales.
Entre los resultados obtenidos en esta investigación se destaca que (1) para niveles
iniciales de agua pequeños no se observaron presurizaciones grandes, esto debido a que
no se alcanzaba a llenar la sección transversal de la tubería; (2) para niveles de agua
iniciales intermedios, se producen las máximas presurizaciones durante el llenado rápido,
en estos casos, en la corona de la tubería se presenta un contraflujo de aire y la formación
de frentes ondulantes; y (3) el efecto de la pendiente del túnel resultó importante para el
comportamiento del oleaje debido al impacto que tuvo en la expulsión de aire del sistema.
▪ Ferreri, Ciraolo, & Lo Re (2014b) estudiaron experimentalmente la presurización en un
conducto de alcantarillado pluvial a través de 144 ensayos en laboratorio. El experimento
utilizó una tubería circular inclinable entre dos tanques, que tenía un diámetro de
aproximadamente 250 mm y una longitud de 26 m. Los 144 ensayos resultaron de la
combinación de: pendiente de la tubería (entre 0 y 3%), caudal (entre 15 y 65 dm3/s),
relación de llenado del flujo en superficie libre (entre 0.30 y 0.80), velocidad (entre 0.79
y 2.8 m/s) y número de Froude (entre 0.70 y 3.0). En todos los ensayos, la presurización
se inició dejando que la compuerta del tanque aguas abajo cayera libremente, es decir
entrada en carga desde el extremo aguas abajo.
En la Figura 20 se presenta el esquema del montaje experimental utilizado, compuesto
de una tubería de plexiglás y dos tanques de acero; en esta figura también se presenta la
ubicación de siete transductores que midieron la presión a lo largo de la tubería.
Figura 20: Modelo experimental de Ferreri, Ciraolo y Lo Re (2014)
Fuente: (Ferreri et al., 2014)
48 Caracterización experimental de condiciones de flujo mixto
Se presentaron resultados experimentales de los tres comportamientos más comunes
observados durante la experimentación, así: (1) patrones de presurización, (2)
oscilaciones de presión, y (3) análisis del proceso completo de presurización. Para el
primer caso se observaron dos patrones de presurización diferentes, definidos como
"suave" y "brusco", según si el frente producido por la operación de cierre no alcanzaba
o superaba la corona de la tubería. El patrón de presurización suave fue evaluado para
relaciones de llenado entre 0.311 y 0.545. En este patrón durante el avance del resalto
quedó atrapada una cantidad moderada de aire en forma de una bolsa larga y delgada
entre la superficie del flujo y la corona de la tubería, a veces de más de la mitad de la
longitud de una tubería. Luego, la bolsa se dividió en otras más pequeñas, cada una de
pocos metros de longitud, que migraron aguas arriba para finalmente ser liberadas a
través del tanque. Durante la presurización del conducto se observó una velocidad de
elevación de superficie libre aproximadamente uniforme a lo largo de la tubería. El patrón
de presurización brusco fue evaluado para relaciones de llenado entre 0.316 y 0.525. En
este patrón el paso del resalto causó una presurización casi instantánea de la sección
transversal de la tubería, mientras avanzaba, el resalto arrastró un conjunto de pequeñas
burbujas de aire, que se juntaba en la corona de la tubería donde se formaron bolsas
(generalmente solo una). Las bolsas tenían algunos metros de longitud y en varios casos
alcanzaron los 6 - 8 m; fueron más o menos gruesas, dependiendo de las características
del flujo de superficie libre. Estos fueron seguidos por algunas bolsas de menor tamaño
(generalmente centímetros o decímetros de longitud). En general, las bolsas más grandes
se liberaron a través del tanque aguas arriba después de que terminó la presurización,
mientras que las bolsas pequeñas fueron liberadas en el extremo aguas abajo. Este patrón
se presentó siempre que el caudal fue superior a 25 dm3/s.
Para el segundo caso, se observaron dos tipos diferentes de oscilación de presión. El
primer tipo apareció durante todo el tiempo de prueba (incluido el flujo constante) y solo
tuvo una amplitud moderada. Por el contrario, el segundo tipo apareció sólo durante unos
pocos lapsos de tiempo durante el flujo inestable; estas oscilaciones pueden tener una
amplitud baja o alta dependiendo de las características de funcionamiento. Durante la
experimentación se notaron oscilaciones bajas en prácticamente todas las pruebas (con
presurización suave o brusca), tanto antes como después de que fluyera el resalto, estas
oscilaciones parecieron no ser peligrosas para la estabilidad del alcantarillado. Las
oscilaciones de gran amplitud, por el contrario, se observaron sólo en la presurización
brusca y generalmente ocurrieron después de que toda la tubería había sido presurizada,
con varias excepciones en las que dichas oscilaciones comenzaron antes de que el frente
49
fluyera hacia el tanque aguas arriba. Para este comportamiento del flujo se concluyó que
las oscilaciones de presión son atribuibles a las bolsas de aire atrapadas en el flujo de
agua. En particular, las altas oscilaciones fueron causadas por las pulsaciones de las
bolsas durante su proceso de migración-liberación y desaparecieron cuando las bolsas se
liberaron por completo; así mismo sólo ocurrieron oscilaciones bajas cuando no quedó
atrapado mucho aire en el flujo de agua.
Sólo el patrón brusco produjo oscilaciones de presión intensas, y por tanto es el que se
examinó con detalle en el análisis completo de la presurización. En este análisis del
comportamiento se destacó que para el caso de patrón de presurización brusco con
oscilaciones de amplitud baja (caudal de entrada entre 25 y 30 dm3/s) no se capturó gran
cantidad de aire; para caudales de entrada entre 35 y 60 dm3/s las oscilaciones de presión
también dependían de las características geométricas de la entrada; y para caudales de
entrada entre 60 y 65 dm3/s el aire quedó atrapado debido a que el tanque aguas arriba se
llenó antes que pudiera ser liberado, de esta manera el aire se liberó posteriormente por
el extremo aguas abajo produciendo oscilaciones de presión.
Se destacó que en estos experimentos la formación de bolsas de aire fue debido a la
acumulación progresiva de aire arrastrado por el resalto a medida que avanzaba y no por
atrapamiento de aire producto de la inestabilidad en la superficie libre. Esta diferencia
fue explicada porque las pruebas en esta experimentación se realizaron con relaciones de
llenado inferiores a 0.80, mientras que en las experimentaciones encontradas en la
literatura que atribuyen el atrapamiento de aire a la inestabilidad, las pruebas se
desarrollaron utilizando relaciones de llenado superiores al valor límite de 0.81, para el
cual, cualquier inestabilidad puede crecer hasta la corona de la tubería de sección circular.
Por lo tanto, se dedujo que puede producirse una presurización brusca siguiendo, a su
vez, dos patrones diferentes según si la relación de llenado inicial es mayor o menor que
el límite de inestabilidad 0.81.
La comparación entre todos los aumentos repentinos de presión en la tubería mostró
cómo cambiaron las oscilaciones en el tiempo de inicio, la intensidad y la duración a
medida que variaba la pendiente de la tubería, la velocidad de flujo y la relación de
llenado del flujo de superficie libre.
▪ Ferreri, Ciraolo, & Lo Re (2014a) con base en el estudio experimental que realizaron y
expusieron Ferreri et al. (2014b), en este estudio examinaron a través de un enfoque
50 Caracterización experimental de condiciones de flujo mixto
teórico las características de flujo de superficie libre que determinan un patrón de
presurización suave o brusco que puede producirse como consecuencia de una reducción
drástica en la descarga aguas abajo de la tubería. En este estudio se reconoció que el flujo
mixto debido a un cierre brusco aguas abajo ha sido estudiado experimentalmente por
varios autores y se han distinguido 3 tipos de patrones de presurización así: (1) el primer
patrón (estudiado por Capart et al., 1997; Trajkovic et al., 1999; Ferreri et al., 2014b) se
caracterizó porque el resalto no ocupó toda la sección de la tubería y la presurización
ocurrió por un aumento gradual de la superficie libre; (2) el segundo patrón (estudiado
por Hamam & McCorquodale, 1982; Cardie et al., 1989) se caracterizó porque el resalto
ocupó toda la sección transversal de la tubería y provocó una inestabilidad de la superficie
libre que aumentó hasta alcanzar la corona de la tubería. En este patrón, las proporciones
de llenado fueron superiores a 0.80 y una bolsa de aire quedó atrapada entre el resalto y
la ola causada por la inestabilidad; la interacción aire-agua produjo oscilaciones de
presión. (3) El tercer patrón (estudiado por Ferreri et al., 2014b) al igual que el segundo
patrón, se caracterizó porque el resalto ocupó toda la sección transversal de la tubería. En
este patrón a diferencia del anterior, las proporciones de llenado fueron inferiores a 0.80,
por tanto, no ocurrió inestabilidad de la superficie libre; sin embargo, debido al arrastre
progresivo de aire a medida que avanzaba el resalto, se formaron bolsas de aire dentro
del flujo de agua que produjeron intensas oscilaciones de presión a medida que se
liberaban a través del tanque aguas arriba.
En este estudio a partir de un enfoque matemático se buscó responder las siguientes dos
preguntas: (1) ¿existe un valor único de caudal que independientemente del valor de la
pendiente de la tubería determine el patrón de presurización? y (2) ¿existen otras
condiciones físicas que determinen la ocurrencia de los patrones de presurización?
Se concluyó que para una relación fija entre el caudal de salida del tanque aguas abajo y
el caudal de la tubería, existe un caudal máximo que depende únicamente del diámetro
de la tubería, para el cual puede producirse una presurización suave. Para tasas de flujo
más altas, solo puede ocurrir una presurización brusca, mientras que, para tasas de flujo
más bajas, el patrón de presurización (suave o brusco) está determinado por la
profundidad del flujo de superficie libre. Ambos patrones pueden ocurrir con flujo
subcrítico y supercrítico. En el caso de presurización brusca sin salida del tanque, para
las proporciones de llenado de diseño habituales (0.70 - 0.80) se puede esperar una
presión de hasta aproximadamente un diámetro para los túneles más grandes (10 m de
diámetro o más) y hasta aproximadamente 20 diámetros para las alcantarillas más
51
pequeñas (pocos decímetros de diámetro). Se espera una sobrepresión considerable
incluso con un flujo de salida del tanque distinto de cero, pero disminuye notablemente
a medida que aumenta el flujo de salida. La presurización brusca puede ocurrir en
situaciones prácticas incluso para profundidades de flujo de menos 0.50, lo que implica
que puede ocurrir una presurización brusca no solo para inundaciones “extremas”
(fluyendo con relaciones de llenado superiores a 0.70), sino también para inundaciones
anuales. La posibilidad de que se puedan generar presiones considerables durante la
formación del resalto explica además la expulsión de la tapa de las cámaras de registro y
el daño al alcantarillado durante algunos eventos de lluvia.
▪ Szydłowski (2014) verificó experimentalmente la validez de las ecuaciones de Saint-
Venant como modelo hidráulico de simulación de flujo transitorio y transcrítico en
alcantarillas pluviales. El modelo experimental fue elaborado en el laboratorio de
hidráulica de la Gdańsk University of Technology en Polonia. El montaje experimental
presentado en la Figura 21 está compuesto de un tubo circular de 0.15 de diámetro y
10.55 m de longitud y está unido a dos tanques. El material de la tubería tiene un
coeficiente de rugosidad de Manning de 0.009 s/m1/3 y una pendiente fija de 0.005.
El tanque aguas arriba suministró agua a la tubería. El nivel de agua en el tanque aguas
abajo se mantuvo inicialmente debajo de la salida de la tubería. El experimento comenzó
desde un estado estable. En la sección de entrada, se mantuvo una descarga constante.
Figura 21: Montaje experimental de Szydłowski (2014)
Fuente: (Szydłowski, 2014)
52 Caracterización experimental de condiciones de flujo mixto
La entrada en presión en el conducto fue generada por un repentino cierre de compuerta
en el extremo aguas abajo, ocasionando un resalto hidráulico que viajó hacia aguas arriba.
La variación de la carga de presión en el tiempo se midió con sondas hidrostáticas en dos
puntos ubicados a lo largo de la tubería, a 1.0 m (C4) y 6.54 m (C2) desde el extremo
aguas abajo de la tubería. Además, los niveles de la superficie del agua en ambos tanques
fueron monitoreados por ultrasonido (P1, P2). El flujo constante en el sistema hidráulico
del laboratorio se midió con un vertedero de control en la sección de salida. Un caudal
constante de 0.0055 m3/s fue suministrado. La profundidad del agua a lo largo del
conducto fue de 0.062 m. En la fase final del experimento, la puerta en el tanque aguas
abajo se abrió en poco tiempo, lo que condujo a una disminución repentina de la
superficie del agua. En esta fase, un transitorio rápido en forma de onda negativa devolvió
el flujo a sus condiciones iniciales.
Se obtuvieron resultados de cabeza de presión versus tiempo en los puntos C4, C2 y P1.
Se observó que después del cierre de compuerta aguas abajo se formó un resalto dentro
del conducto que viajó hacia aguas arriba en condición de flujo en lámina libre
alcanzando los puntos de control C4 y C2. Después de un tiempo, el resalto hidráulico
alcanzó el tanque aguas arriba (punto P1) y comenzó a llenarlo con agua. Debido al
aumento continuo del nivel del agua en el tanque aguas abajo, la presurización de la
tubería comenzó después del resalto hidráulico. Este efecto se pudo observar en los
puntos C4 y C2 cuando la altura de presión excedió el diámetro de la tubería. Ambos
fenómenos hidráulicos, relacionados con el flujo de agua rápidamente variable y
transitorio, se reprodujeron con bastante precisión en la simulación numérica.
▪ Aureli, Dazzi, Maranzoni, & Mignosa (2015) realizaron un modelo experimental con el
cual pudieran comparar y validar los resultados obtenidos de un modelo numérico
propuesto para simular flujo mixto dentro de conductos cerrados.
El modelo experimental fue instalado en el Laboratorio de Hidráulica de la Universidad
de Parma en Italia. Este montaje se presenta esquemáticamente en la Figura 22 y está
compuesto por una tubería de plexiglás de 12.12 m de longitud con 0.192 m de diámetro
interno. A 7 m del extremo aguas arriba, la pendiente de la tubería cambia abruptamente
de aproximadamente 8.4% (hacia abajo) a aproximadamente −27.7% (hacia arriba). Una
compuerta se ubica a aproximadamente 5 m aguas abajo del extremo superior del sistema.
Esta compuerta se podía levantar rápidamente (ortogonalmente al eje de la tubería). El
53
extremo aguas abajo de la tubería estaba totalmente abierto, mientras que el extremo
aguas arriba fue cerrado solo parcialmente para permitir un mayor llenado en condiciones
estáticas. La presencia de presión atmosférica en los dos extremos del conducto mantuvo
aireada la tubería, evitando perturbaciones e irregularidades de flujo causadas por el
atrapamiento de bolsas de aire.
Figura 22: Montaje experimental de Aureli (2015)
Fuente: (Aureli et al., 2015)
Para medir la presión se utilizaron seis transductores piezoeléctricos que fueron sujetados
al fondo de la tubería y ubicados perpendicularmente al eje de la tubería para obtener una
medición de la presión estática local. Para medir la velocidad se utilizó un velocímetro
Doppler ultrasónico en seis secciones transversales de medición ubicadas a pocos
centímetros aguas arriba de los manómetros.
Una condición estática inicial, caracterizada por una carga de presión de 22.5 cm en el
medidor G1 se mantuvo aguas arriba de la compuerta de descarga. Aguas abajo, el
conducto estaba inicialmente seco. La apertura repentina de la compuerta provocó un
transitorio rápido, lo que indujo un flujo mixto.
El frente de propagación se movió aguas abajo, rápidamente alcanzó el punto G6 y se
produjo un régimen de superficie libre en todo el sistema. El avance de la onda en la
pendiente adversa del sistema indujo una presurización parcial de la tubería y la
formación de una onda de transición que viajó aguas arriba. Luego, se desarrolló un flujo
oscilatorio amortiguado en el dispositivo con una presurización casi persistente de los
tres medidores más bajos G3, G4 y G5. Después el medidor G6 registró solo los niveles
de agua de superficie libre, y finalmente el medidor del extremo aguas arriba G1 ya no
detectó flujo.
54 Caracterización experimental de condiciones de flujo mixto
El estudio presentó resultados de presión y velocidad en el tiempo en seis puntos ubicados
a lo largo de la tubería. Estos resultados mostraron que el flujo tiene un comportamiento
oscilatorio tanto de presión como de velocidad. La máxima presión se registró en los
puntos G4 y G5. Esta situación se produjo cuando el flujo se invierte al alcanzar el tramo
de tubería con pendiente adversa en los primeros segundos. La máxima velocidad se
registró en los puntos V3 y V4 (no se muestran en la Figura 22, sin embargo, se ubican a
pocos centímetros aguas arriba de G3 y G4, respectivamente) también en los primeros
segundos antes de que el flujo alcanzara el tramo con pendiente negativa. Con el modelo
numérico se realizó un análisis de sensibilidad variando el coeficiente de rugosidad de
Manning entre los típicamente asumidos para el plexiglás. Los resultados muestran que
este parámetro tiene una influencia débil en el pico de presión de las transiciones del
régimen del flujo y también en la velocidad de propagación de la onda, aunque se
concluye que afecta el proceso oscilatorio a largo plazo. El montaje experimental pudo
utilizarse únicamente para la validación de modelos numéricos de flujo mixto monofásico
ya que no investigaron la fase de aire.
▪ Muller, Wang, & Vasconcelos (2017) estudiaron los eventos de géiser que resultan de la
liberación de grandes volúmenes de aire a través de cámaras llenas de agua en los
sistemas de aguas pluviales. Los autores reconocen que estos sucesos son perjudiciales
desde el punto de vista ambiental y de salud pública, y que pueden causar daños
materiales y estructurales dentro del sistema de alcantarillado. También admiten que las
causas, la frecuencia, la magnitud y la ubicación de los eventos de géiseres no se conocen
bien y plantean dificultades prácticas a los diseñadores con respecto a cómo crear ejes de
caída que tengan menos probabilidades de presentar este problema. Este estudio integró
investigaciones experimentales y numéricas sobre el fenómeno de géiser en alcantarillas
y proporcionó información sobre los mecanismos de liberación de aire y desplazamiento
del agua en pozos verticales.
Para simular las características de un túnel de aguas pluviales, en el desarrollo
experimental se utilizó una tubería de PVC transparente de 302 mm de diámetro, unida
en sus dos extremos a dos tanques que controlan la presión en el sistema. Cerca del
extremo aguas abajo, se localizó una tubería vertical con diámetros que varían de 0.10 a
0.20 m, y cerca del extremo aguas arriba se localizó una tubería vertical de 0.20 m de
diámetro, a través de la cual se suministró el volumen de aire. Los volúmenes
predeterminados de bolsas de aire se liberaron en la tubería horizontal y eventualmente
55
alcanzaron las tuberías verticales, esto provocó el desplazamiento del agua y en ocasiones
la ocurrencia de géiseres.
La cinemática de la liberación de las bolsas de aire en el pozo aguas abajo se evaluó junto
con las presiones en puntos seleccionados del banco experimental. En comparación con
estudios anteriores, este estudio utilizó grandes diámetros para las tuberías horizontal y
verticales del banco experimental, esto permitió la observación de fuertes descargas que
excedieron varios metros de altura y tuvieron una naturaleza explosiva. Estos resultados
fueron utilizados en la calibración de un modelo de dinámica de fluidos computacional
(CFD). Los resultados de este trabajo proporcionan más detalles sobre la naturaleza y la
fuerza de los eventos de géiseres, y también sugerencias para futuros estudios sobre este
tema. Así mismo, se confirmó que el geiser puede ocurrir aun cuando la carga de presión
en el conducto principal se encuentre por debajo del nivel de la tapa en el extremo
superior de las tuberías verticales.
▪ Zhang, Cai, Zhou, & Hua (2017) desarrollaron una investigación experimental sobre las
interacciones aire-agua durante la transición del regimen de flujo lámina libre – presión
en un túnel de desvío en una central hidroeléctrica. Se investigaron las interacciones entre
las fases sujetas a diferentes combinaciones de cambios en el flujo y en el nivel inicial de
agua en la salida. Estas interacciones fueron clasificadas en cuatro tipos dependiendo del
valor de la profundidad inicial del agua, así: (1) movimiento de una sola bolsa de aire;
(2) movimiento de múltiples bolsas de aire; (3) inestabilidad interfacial; y (4) interacción
insignificante. Los dos primeros tipos estuvieron asociados a un nivel inicial de agua en
la salida superior al diámetro del conducto, mientras que el tercer y cuarto tipo
correspondieron a un nivel inicial de agua en la salida menor que el diámetro.
Se analizaron resultados de patrones de oscilación de presión y se encontró que para un
nivel inicial de agua de 0.963 se produjo el patrón la condición de inestabilidad
interfacial. Bajo esta condición se generaron grandes presiones de impacto cuando las
ondas de la superficie libre alcanzaron la corona del túnel. Posteriormente, la colisión y
fractura de bolsas de aire atrapadas entre las ondas adyacentes provocaron oscilaciones
de presión de alta frecuencia. La condición de interacción insignificante fue evaluada
para un nivel inicial de agua de 0.868, en este caso, la presión del aire sobre la superficie
libre se mantuvo a presión atmosférica sin fluctuaciones significativas.
56 Caracterización experimental de condiciones de flujo mixto
Con esta experimentación se confirmó que el nivel inicial de agua es la variable de control
que determina el tipo de interacción. La condición de movimiento de múltiples bolsas de
aire y la condición de inestabilidad interfacial tuvieron un efecto crítico sobre la presión
máxima durante la transición. Se observaron picos de presión en las dos condiciones. La
presión máxima en el túnel alcanzó el máximo cuando el nivel inicial de agua en la salida
fue aproximadamente igual a la corona del túnel. A diferencia de Vasconcelos & Wright
(2005), los resultados indicaron que el cambio en el flujo también tiene un efecto sobre
los tipos de interacciones.
▪ Leon, Elayeb, & Tang (2019) desarrollaron un estudio experimental para evaluar en una
tubería vertical, la ocurrencia de géiseres violentos que se asemejan a los observados en
sistemas de aguas pluviales y combinados, cuando durante un evento de lluvia intensa se
presentan condiciones dinámicas y atrapamiento de aire que es liberado al llegar a un eje
vertical. Cada géiser producido consistió en unas pocas erupciones violentas consecutivas
dentro de un marco de tiempo de pocos segundos con alturas que pueden exceder los 30
m. En este estudio el término "violento" fue utilizado para distinguir este trabajo de
algunos que se han desarrollado antes, en los cuales la altura alcanzada por el géiser fue
menor. Este estudio muestra que una vez la bolsa de aire atraviesa la superficie libre y
produce un derrame de agua, la dinámica del flujo de la tubería horizontal impulsa todo
el mecanismo del géiser, en particular el gradiente de presión que cambia rápidamente
después de la primera erupción.
▪ Eldayih, Cetin, & Vasconcelos (2020) estudiaron las características del atrapamiento de
bolsas de aire producido durante el llenado rápido de conductos cerrados como
alcantarillados pluviales o túneles de almacenamiento, durante eventos de precipitación
intensa. Las bolsas de aire influyen en el oleaje del flujo en lámina libre dentro del
conducto y en caso de liberación incontrolada provocan problemas como expulsión de
tapas de cámaras de inspección. El enfoque principal del estudio fue la inestabilidad del
flujo provocada por el movimiento relativo de las capas de aire y agua, denominado en
este trabajo como inestabilidad de flujo de corte. Esta inestabilidad y su relación con la
formación de bolsas de aire fue estudiado a través de observaciones experimentales y un
modelo computacional en 3D.
El montaje experimental empleado se presenta en la Figura 23. Este montaje está
compuesto por una tubería horizontal de PVC transparente de 9.8 m de longitud y 0.102
m de diámetro. Aguas arriba la tubería se une con un tanque de almacenamiento que se
57
llenó con alturas variables, y aguas abajo se ubicó un reservorio. El sistema tenía dos
válvulas, una ubicada a 0.102 m desde el tanque aguas arriba y otra a 0.102 m desde el
extremo aguas abajo. Adicionalmente, en el extremo aguas abajo fueron instalados
vertederos para restringir el flujo de salida. Se realizaron doce pruebas al menos 3 veces
cada una, en las que se varió el nivel inicial del tanque aguas arriba (3 opciones diferentes)
y el vertedero aguas abajo (4 opciones de altura). Cada vertedero tenía un espacio
diferente, medido entre la cresta del vertedero y la corona de la tubería. Este espacio
correspondió a 20, 27 y 38 mm; y cuando no hubo compuerta fue de 102 mm. Estos
vertederos tenían como objetivo crear diferentes posibilidades de condiciones de flujo
que produjeran inestabilidades.
Dentro de la instrumentación se utilizaron los siguientes instrumentos, todos medidos
desde el extremo aguas arriba, así: un transductor de presión a 3.9 m, un manómetro que
midió la presión al inicio y al final del experimento a 4.5 m y un velocímetro ADV a 3.8
m.
Figura 23: Montaje experimental de atrapamiento de aire por llenado rápido de tuberías
Fuente: (Eldayih et al., 2020)
El experimento se inició estableciendo el nivel inicial que tendría el taque aguas arriba y
el tipo de vertedero que se ubicaría en el extremo aguas abajo. Después se llenó
completamente la tubería con agua, dejándola en reposo. El procedimiento comprendió
dos etapas, en la primera se permitió la salida del flujo aguas abajo y por tanto, la entrada
de aire al conducto (se permitió que la bolsa de aire avanzara hasta 2.2 m o 3.5 m medidos
desde aguas arriba antes que iniciara la segunda etapa). En la segunda etapa se abrió
58 Caracterización experimental de condiciones de flujo mixto
completamente la válvula aguas arriba y la bolsa de aire cambió de dirección
rápidamente, avanzando ahora hacia aguas abajo empujada por un frente de agua. La
apertura de la válvula creó condiciones de llenado rápido y presurización en la tubería.
En el tanque aguas arriba se permitió un suministro de agua para que el nivel no cambiara
cuando la válvula aguas arriba fuera abierta.
Este trabajo presenta datos de celeridad de la cavidad de aire y también velocidad del
frente de agua producida al abrir la válvula aguas arriba. Como se pudiera anticipar, los
valores de velocidad del frente de agua aumentaron con el aumento de cabeza del tanque
aguas arriba.
Se concluyó que el atrapamiento de bolsas de aire es un problema importante en
alcantarillas de aguas pluviales y túneles de llenado rápido. En general, el modelo
numérico pudo reproducir los resultados experimentales. Sin embargo, el modelo predijo
más atrapamiento de aire que el observado, así mismo como predijo velocidades de flujo
mayores, lo que permitió pensar que se debe a que en el modelo numérico se estableció
el nivel aguas arriba en el tanque como un valor fijo a pesar de que en la realidad este
fluctúa un poco. Tanto experimental como numéricamente, se determinó que pueden
ocurrir múltiples atrapamientos de bolsas de aire en un solo tramo de tubería durante el
avance de una interfaz de presurización. A medida que este proceso se repite, las
condiciones presurizadas pueden extenderse mucho más rápidamente dentro de los
conductos cerrados, lo que lleva a una cadena de bolsas de aire atrapadas. Se especuló
que las observaciones de múltiples géiseres en los sistemas de aguas pluviales podrían
desencadenarse por procesos similares, es decir por atrapamiento de aire durante el
llenado rápido y la posible liberación incontrolada. De acuerdo con las observaciones
experimentales, los resultados numéricos también produjeron múltiples formaciones de
bolsas de aire durante el llenado rápido; sin embargo, las bolsas de aire simuladas fueron
en general más delgadas y más largas que las observadas en los experimentos. Tanto los
experimentos como el modelo coincidieron en que las bolsas de aire atrapadas pueden
fusionarse y convertirse en una bolsa larga durante el proceso de llenado rápido.
59
1.1.2 Investigación Numérica – Flujo mixto
En el estudio de flujo mixto se han desarrollado diferentes modelos numéricos para
predecir aproximadamente el comportamiento de este tipo de flujo en los conductos
cerrados. Para este desarrollo se hace necesario tener en cuenta las ecuaciones que
permitan describir los dos regímenes de flujo, a presión y lámina libre, el desarrollo de la
interfaz en la transición entre ambos tipos de flujo, y el efecto del aire que puede quedar
atrapado. De esta manera, los modelos se pueden clasificar de acuerdo con la estrategia
de solución empleada para modelar las inestabilidades en la interfaz, el número de
ecuaciones empleadas y el efecto de aire (Bousso, Daynou, & Fuamba, 2013).
Los modelos numéricos pueden clasificarse en función de la estrategia de solución, en
métodos de aislamiento del frente de onda (shock fitting or interfase tracking methods) y
métodos directos (shock capturing methods); en función del número de ecuaciones, en
modelos de una ecuación, los que emplean una única ecuación para describir los dos tipos
de flujo, y dos ecuaciones, los que emplean una ecuación para flujo a presión y otra para
flujo en lámina libre; en función del efecto de aire, en modelos de una fase, los que
consideran una mezcla homogénea de agua – aire y los modelos de dos fases, los que
consideran una fase para el agua y otra para el aire, bien sea el que está presente en el
flujo en lámina libre, así como también para el que queda atrapado durante la transición
(Bousso et al., 2013).
Cuando los modelos emplean una única ecuación de solución, generalmente se basan en
las ecuaciones de Saint Venant en 1D y por tanto, para modelar el flujo en presión
necesitan de una aproximación. Las dos aproximaciones comúnmente utilizadas son la
ranura de Preissman y el método TPA (Two - component Pressure Approach). El método
de la ranura de Preissman consiste en simular una ranura hipotética en la clave del
conducto, de tal manera que cuando la lámina de agua exceda el diámetro del conducto,
las características del flujo puedan ser también descritas por las ecuaciones de Saint
Venant en 1D (Li & McCorquodale, 1999). Sin embargo, esta aproximación tiene
asociadas limitaciones como la escogencia adecuada del ancho de la ranura y la
incapacidad de simular flujos subatmosféricos. El método TPA fue propuesto por
(Vasconcelos, Wright, & Roe, 2006) y consiste en modificar las ecuaciones de Saint
Venant en 1D para permitir flujo en presión asumiendo un comportamiento elástico de la
60 Caracterización experimental de condiciones de flujo mixto
pared del conducto, lo que permite una relación directa entre el almacenamiento adicional
ganado por el flujo en presión y la carga de presión resultante (Aragón-Hernández, 2013).
Numéricamente el flujo mixto ha sido ampliamente estudiado, a continuación se
describen solo algunos de esos trabajos ya que el interés de este trabajo está orientado
principalmente al componente experimental, si se requiere más información al respecto,
se recomienda revisar el trabajo de Bousso et al. (2013), en el cual se presenta una
revisión crítica sobre el estado del arte del flujo mixto bajo el enfoque numérico.
A continuación se describen algunas de las investigaciones desarrolladas bajo este
enfoque, resaltando principalmente los resultados que proporcionan aspectos clave para
una mejor comprensión de las características del flujo mixto dentro de conductos
cerrados.
▪ Li & McCorquodale (1999) analizaron la formación y el desplazamiento de las bolsas de
aire que se forman durante el llenado rápido de conductos de alcantarillado pluvial y que
pueden provocar transitorios severos de presión. En esta investigación se modificó el
enfoque de columna rígida de McCorquodale, J., & Hamam (1983) para permitir el
transporte y la posterior liberación de la burbuja de aire atrapada dentro del conducto.
Para esto se usó un modelo matemático que se basó en la suposición de una columna de
agua rígida que interactúa con una burbuja de aire compresible. Esta es una de las
primeras investigaciones en destacar el papel que tiene el atrapamiento de aire en el flujo
mixto, así como también, la posterior liberación que puede conducir a desprendimiento
de tapas de las cámaras de inspección.
▪ Noto & Tucciarelli (2001) aplicaron una nueva metodología numérica (Double Order
Approximation, DORA) para el cálculo del flujo no permanente en redes de
alcantarillado, que no incluye los términos inerciales en la ecuación de cantidad de
movimiento. Esta metodología se aplicó a un conducto de alcantarillado para el caso de
régimen en flujo libre. En el flujo mixto, la transición de flujo en presión a flujo en lámina
libre y viceversa se resolvió sin la aproximación de la ranura de Preissmann. El algoritmo
también permitió sin ningún cambio en su estructura, el cálculo de la componente
difusiva en el caso de discontinuidades topográficas verticales, en este caso, se evaluó un
ejemplo de campo. Los resultados y el rendimiento se compararon con los de otros
códigos comerciales.
61
La evaluación del modelo numérico para el caso de flujo mixto se hizo con un conducto
propuesto hipotéticamente por el autor. Se supuso un conducto con 200 m de longitud,
0.50 m de diámetro y una pendiente de 0.001 m/m. Inicialmente, el conducto tenía un
caudal máximo de 0.049 m3/s, después se suministró un hidrograma triangular con tiempo
de base de 2000 segundos y un caudal pico de 0.20 m3/s en 1000 segundos. En la Figura
24 se presenta el hidrograma de entrada y los resultados obtenidos de hidrograma de
salida, calculado con los métodos HydroWorks y DORA. Los resultados que se presentan
en la Figura 24 indicaron que el conducto entra en carga desde el extremo aguas arriba
en el instante T1. Después en el instante T2, el conducto se sobrecarga totalmente durante
un tiempo Tp y; cuando el hidrograma disminuye, el flujo dentro del conducto vuelve a
tener la condición de lámina libre.
Figura 24: Comparación de hidrogramas de salida calculados por los modelos
HydroWorks y DORA.
Fuente: (Noto & Tucciarelli, 2001)
▪ Zhou, Hicks, & Steffler (2002) investigaron experimental y numéricamente la presión
dentro de una bolsa de aire atrapada en una tubería horizontal, que se produjo debido a
un llenado rápido de esta tubería. El modelo numérico desarrollado empleó el enfoque de
columna rígida y asumió que la interfaz agua – aire es vertical. Este modelo fue capaz de
calcular la presión de la bolsa de aire y la presión máxima de una columna de agua que
colapsó al final de una tubería horizontal. Los resultados obtenidos son comparados con
el modelo experimental. En esta investigación se concluyó que el aire atrapado en una
tubería de llenado rápido puede inducir altas oleadas de presión, especialmente cuando
se produce una fuga de aire.
62 Caracterización experimental de condiciones de flujo mixto
▪ Vasconcelos, Wright, & Roe (2006) desarrollaron un modelo numérico para predecir el
comportamiento del flujo en conductos cerrados de alcantarillado pluvial cuando se
presentan inundaciones repentinas. Este modelo tiene la capacidad de simular presiones
negativas que pueden presentarse en la sección del conducto que se encuentre a presión
y el proceso de despresurización asociado. El modelo numérico desacopla el término de
presión hidrostática del término de presión que aparece únicamente en el régimen
presurizado, asumiendo un comportamiento elástico de la tubería. El montaje
experimental desarrollado por Vasconcelos & Wright (2003) y presentado en la Figura
15, fue utilizado para validar este modelo numérico, el cual fue modificado para
considerar presiones negativas.
▪ Aragón-Hernández, Concha, Bladé, & Gómez (2009) analizaron el fenómeno de flujo
mixto aplicando los modelos numéricos CARPA (Cálculo en Alta Resolución de
Propagación de Avenidas) y EPA SWMM 5.0 (Storm Water Management Model) al caso
particular del experimento tipo A1 de Trajkovic et al. (1999) sin considerar la posibilidad
de aire atrapado.
Se desarrolló una comparación para la modelación de flujo mixto en una tubería entre los
dos modelos numéricos. Para esta comparación se realizó un análisis de la influencia de
la velocidad de onda de presión y el tamaño de celda de la malla. De los resultados
obtenidos, se concluyó que la velocidad de la onda de presión es complicada de
determinar sin datos empíricos. Además, se destacó que la velocidad de la onda de
presión influyó en la carga de presión y en menor medida también en la velocidad del
frente de onda. En la Figura 25 y Figura 26 se presenta una comparación de los resultados
medidos y simulados en las secciones P5 y P7 respectivamente; considerando una
velocidad de la onda de presión de 3 m/s y un tamaño de celda de 0.10 m con el modelo
CARPA y 0.25 m con EPA SWMM 5.0.
63
Figura 25: Comparación numérico experimental en la sección P5.
Fuente: (Aragón Hernández et al., 2009)
Figura 26: Comparación numérico experimental en la sección P7.
Fuente: (Aragón Hernández et al., 2009)
▪ Aragón-Hernández, Bladé, & Gómez (2011) presentaron un modelo numérico para
simular flujo mixto (flujo en lámina libre y flujo en presión). Este fue comparado con un
ensayo de laboratorio de Gómez & Achiaga (2001) clasificado como tipo I, que
corresponde a la entrada en presión desde aguas abajo. El ensayo de laboratorio es
especial, ya que en su desarrollo queda atrapado una cantidad de aire tanto mezclado con
64 Caracterización experimental de condiciones de flujo mixto
el agua como en bolsas de aire delante del frente de onda de presión, por lo que fue
necesario incluir una formulación para considerar la fase de aire (mezcla agua-aire no
incluido).
Para la simulación numérica de flujo mixto se empleó un modelo que se ubica dentro de
los modelos dinámicos que utilizan dos sistemas de ecuaciones y consideró flujo
incompresible (Aragón-Hernández, 2009). Por lo tanto, para considerar el
almacenamiento debido a la presión, permite un comportamiento elástico de la tubería.
Por otra parte, para modelar y propagar numéricamente las bolsas de aire atrapado y la
liberación de este, se empleó la ley de gas ideal asumiendo un proceso isotérmico (Zhou
et al., 2002). La solución numérica de las ecuaciones utilizó la técnica de los volúmenes
finitos a través del método de Godunov y el Riemann Solver de Roe.
En la Figura 27, se presenta la carga de presión medida en las estaciones 4.0 y 8.0 m
desde el extremo aguas arriba, los resultados del modelo numérico para simular flujo
mixto sin considerar la fase de aire, y los resultados considerando el aire atrapado delante
del frente de onda en presión.
Figura 27: Comparación numérico experimental de la entrada en presión aguas abajo
Fuente: (Aragón-Hernández et al., 2011)
Como conclusión de este estudio se destacó de la comparación de la carga de presión
medida y simulada, que los modelos numéricos presentados son capaces de reproducir
de forma bastante aproximada los ensayos de laboratorio, tanto la llegada del frente de
onda de presión, como la carga de presión del primer pico de presión transitorio. El
modelo numérico que incluyó la formulación para considerar la fase de aire se comportó
65
ligeramente mejor frente al modelo que no la consideró. El ensayo experimental presentó
oscilaciones de presión que los modelos numéricos no fueron capaces de reproducir en
su totalidad (longitud y altura de ondas simuladas mayores a las medidas), pero si los
valores medios de la carga de presión de dichas oscilaciones.
▪ Vasconcelos & Wright (2017) proporcionaron una evaluación de la relación entre los
principales parámetros de diseño y el rendimiento hidráulico de los túneles de aguas
pluviales sometidos a un llenado rápido. Para realizar este estudio se desarrollaron
diferentes simulaciones numéricas, en las cuales se consideraron tres geometrías de túnel,
y para cada geometría, se probaron 72 condiciones diferentes del hidrograma de entrada,
en total 216 escenarios diferentes de llenado rápido de túneles. Se consideraron las
interacciones aire-agua como el atrapamiento, la compresión y la expansión de las bolsas
de aire. Las configuraciones se simularon con un modelo numérico que emplea el enfoque
TPA (Two-Component Pressure Approach).
En la Figura 28 se presenta un esquema de la geometría del túnel. Cada geometría estuvo
compuesta por cuatro tramos de igual longitud con cinco uniones (ejes verticales de
diámetro constante) que se extendieron desde el túnel. El túnel tuvo un diámetro uniforme
de 8.0 m. Las configuraciones de geometría difieren entre sí de acuerdo con el diámetro
de las uniones del eje vertical; el cual reveló ser un parámetro clave para limitar la
magnitud de las sobretensiones y también para reducir el potencial de ocurrencia de
géiseres. Todas estas uniones de túnel, para todas las geometrías tuvieron una longitud
vertical de 100 m, excepto la última en el extremo aguas abajo que tuvo una longitud
vertical de 25 m. El objetivo de esta configuración fue reducir el número de condiciones
simuladas que provocarían desbordamientos en las uniones aguas arriba, lo que a su vez
complicaría la interpretación de los resultados.
66 Caracterización experimental de condiciones de flujo mixto
Figura 28: Esquema de la geometría del túnel de aguas pluviales
Fuente: (Vasconcelos & Wright, 2017)
Los hidrogramas de entrada tuvieron forma triangular y variaron en términos de duración
del flujo de entrada, tiempo en que se produjo el flujo máximo, e intensidad del flujo de
entrada máximo. Esta variaciones se hicieron con el fin de estudiar el impacto que
tendrían en el llenado del túnel: (1) los picos alcanzados rápidamente versus picos tardíos
en los hidrogramas, (2) la magnitud máxima del flujo de entrada y (3) la distribución
espacial de entradas. El rendimiento se evaluó en términos de condiciones operativas no
deseadas, como una sobretensión excesiva sobre las uniones, grandes cantidades de
atrapamiento de bolsas de aire y desplazamiento vertical de aire en los ejes verticales
creados por sobretensiones. Los resultados indicaron que las sobretensiones pico y las
salidas de aire a través de los ejes verticales se correlacionaron bien con los parámetros
de diseño como las áreas planas de los ejes de unión y las entradas al momento de la
presurización del túnel. Por el contrario, otras variables, como el volumen de la bolsa de
aire atrapado no se correlacionaron bien con los parámetros geométricos o de entrada
seleccionados en el estudio.
▪ Wright, Vasconcelos & Lewis (2017) presentaron una revisión de las investigaciones que
se han realizado para estudiar las interacciones aire – agua que se producen durante el
llenado rápido de conductos de gran diámetro, para comprender los fenómenos relevantes
e implementar diseños apropiados. A su vez, se estudiaron los requisitos de los modelos
numéricos para analizar conductos de llenado rápido, se presentó una revisión de las
estructuras de simulación existentes y también, una discusión de algunas limitaciones de
estos modelos y las posibles mejoras.
67
Este estudio destacó desde las diferentes observaciones de un túnel de transporte de aguas
pluviales y de los experimentos de laboratorio, que el atrapamiento de grandes volúmenes
de aire durante el llenado rápido puede explicar la formación de géiseres, así como las
grandes presiones del sistema asociadas con la compresión del aire atrapado. Dentro de
la revisión se consideraron tanto el problema de la formación de géiseres como la
aparición de grandes presiones dentro del sistema debido a la compresión del aire
atrapado. El estudio mencionó observaciones de investigaciones de laboratorio, un
conjunto limitado de observaciones de sistemas a gran escala y los métodos numéricos
recomendados para predecir el comportamiento del flujo en sistemas de llenado rápido,
como sistemas de alcantarillado pluvial y túneles de almacenamiento. Finalmente, los
autores identificaron que sería útil obtener una mejor comprensión de las condiciones
durante las cuales podrían ocurrir transitorios de presión severos.
▪ Vasconcelos, Eldayih, Zhao, & Jamily (2018) investigaron la precisión del modelo The
Storm Water Management Model (SWMM) para representar tres condiciones
experimentales de flujo mixto, evaluando los efectos de la discretización espacial y
temporal en los resultados obtenidos. Así mismo, revisaron las recomendaciones teóricas
originales de SWMM y se propusieron nuevas recomendaciones para mejorar los
resultados de simulaciones que involucren flujo mixto. Los ensayos evaluados se basaron
en los montajes experimentales de Trajkovic et al. (1999), y Aureli et al. (2015).
Los autores reconocieron la importancia de prever la ocurrencia de flujos mixtos
causados por el llenado rápido o por la excedencia de la capacidad de los sistemas de
aguas pluviales al momento de realizar estos diseños. Así mismo, reconocieron que la
aparición de este tipo de flujo genera problemas que implican, entre otros, sobrecargas
excesivas, daños estructurales, expulsión de agua a la superficie y atrapamiento de aire.
▪ Wang & Vasconcelos (2018) estudiaron los problemas de desplazamiento de las tapas de
cámaras de inspección en los sistemas de aguas pluviales. Este desplazamiento, entre
otros mecanismos, puede deberse al llenado rápido de alcantarillas y las sobrecargas de
presión dentro de estas. El trabajo desarrollado se centró en el aumento de presión de aire
y agua en cámaras de inspección en condiciones de llenado rápido. Para realizar esta
evaluación, se realizó una simulación de dinámica de fluidos computacional (CFD) de la
liberación de bolsas de aire en pozos con ventilación limitada en la cubierta. El montaje
que se modeló numéricamente se presenta en la Figura 29. Este montaje consta de un
68 Caracterización experimental de condiciones de flujo mixto
túnel horizontal de 1.0 m de diámetro y 72.74 m de longitud, con un gran depósito aguas
arriba abierto a la atmósfera.
Figura 29: Esquema de la geometría del túnel
Fuente: (Wang & Vasconcelos, 2018)
A 30 m desde aguas arriba del depósito, se ubicó un eje de ventilación con 0.5 m de
diámetro y 100 m de altura, en cuyo extremo superior se instaló una tapa (que actúa como
una pared). Se simularon tapas con diferentes tamaños de ventilación, los cuales estaban
abiertos a la atmósfera. Esta investigación indicó que el desplazamiento de la tapa resultó
de la liberación de aire que se encontró presurizado dentro del sistema y dentro de las
cámaras de registro. Esto sucedió porque la presurización creó condiciones que hicieron
que el aire desarrollara la suficiente presión para superar el peso de la tapa y desplazarla.
Los autores buscaron hacer una contribución para mejorar la comprensión del
comportamiento de las bolsas de aire y establecer en qué medida, tales descargas de
bolsas de aire afectarían las fuerzas debajo de las tapas de alcantarilla con diversos grados
de ventilación. Aunque el trabajo sigue en proceso, las primeras conclusiones expuestas
indican que la magnitud de la presión del aire comprimido está estrechamente relacionada
con el tamaño de la ventilación.
▪ Hu, Li, Yao & Jin (2019) propusieron un modelo numérico con un solucionador lineal
para simular flujos mixtos en sistemas hidráulicos. Este modelo resolvió los dos
regímenes dentro de un conducto cerrado de manera unificada. En este trabajo se evaluó
tres tipos de flujo. En el flujo tipo 1, el flujo mixto se simuló en conductos no cerrados;
69
por ejemplo, en cámaras de inspección. En el flujo tipo 2, el flujo mixto se simuló en
conductos cerrados con secciones transversales que se contraen en la corona, como en el
caso de secciones circulares. El flujo tipo 3 es similar al flujo tipo 2, a excepción de que
la sección transversal del conducto era ancha y constante en profundidad; aplicable a
secciones rectangulares. El modelo numérico fue comparado con montajes
experimentales. Se obtuvo que el modelo numérico fue capaz de hacer una adecuada
representación de los flujos tipo 1 y 2. Sin embargo, la simulación del flujo tipo 3 presentó
inestabilidades que buscan ser resueltas añadiendo una ranura en la corona de la tubería.
Esta ranura dentro del modelo numérico se utilizaría únicamente para solucionar las
inestabilidades del flujo tipo 3.
▪ Choi, Hong & Lee (2019) estudiaron la ocurrencia de géiser en el sistema de drenaje de
aguas pluviales. El objetivo fue realizar una simulación computacional para proporcionar
una nueva metodología que permitiera predecir la presión que empuja una tapa de
alcantarilla hacia arriba, utilizando varias variables significativas que afectan la fuerza
del géiser. Se estudió la ocurrencia de un resalto de llenado de tubería debido a un flujo
de entrada repentino o, por un aumento de presión debido a la operación de una
compuerta o falla de una bomba. El modelo esquemático utilizado para la simulación
numérica consta de una tubería horizontal con un diámetro y longitud asignados, en la
cual se ubica hacia la mitad de su longitud, una tubería vertical de dimensiones menores
que simula una cámara de inspección. A través del análisis de sensibilidad para la presión
de la bolsa de aire, se descubrió que la relación de diámetro entre las tuberías horizontales
y verticales, la descarga de entrada y el área del eje aguas arriba tienen un efecto
importante sobre la presión del aire atrapado. Los resultados encontrados se resumieron
en un diagrama unificado en términos de los factores significativos, utilizando la
Metodología de superficie de respuesta (RSM). Este diagrama sugiere una forma de
calcular la fuerza de presión que empuja hacia arriba contra una tapa de registro.
Un análisis de la influencia que tiene la relación de diámetro entre las tuberías horizontal
- vertical y la profundidad inicial, en la presión del aire dentro de la bolsa de aire atrapada
fue realizado. Se encontró que la profundidad inicial es una condición requerida para la
ocurrencia del resalto, sin embargo, no tiene un efecto significativo sobre el valor de
presión; mientras que la relación de diámetro es el factor más importante, cuanto mayor
es la relación de diámetro, mayor es la presión del aire. También se destacó que para un
mismo valor de relación de diámetro, el valor máximo de las presiones de aire se produjo
en el caso con relación de llenado de 83.5%. Este hallazgo estuvo de acuerdo con Cardie
70 Caracterización experimental de condiciones de flujo mixto
et al. (1989); Ferreri et al. (2014a) y Hamam & McCorquodale (1982) quienes destacan
que para una relación de llenado superior a 80% se produce un resalto completamente
presurizado.
Según este estudio y otros anteriores, las principales causas de los géiseres son la
formación de aire atrapado, la compresión de aire debido a la falta de ventilación, la
ocurrencia de transición de flujo, y el aumento repentino de la presión debajo de las tapas
de registro. De acuerdo con los resultados encontrados, para evitar el géiser en el sistema
de drenaje de aguas pluviales, se debe controlar la profundidad de la tubería y los factores
dominantes que actúan sobre la presión del aire, que son: la descarga de entrada, el área
de sección transversal del eje de caída y la relación de diámetros.
1.1.3 Consideraciones finales de la revisión de literatura
De lo anterior es posible afirmar que el flujo mixto en conductos cerrados de alcantarillado
pluvial ha sido estudiado tanto experimentalmente como numéricamente.
En la mayoría de los estudios experimentales, la entrada en presión de los sistemas fue
generada a través de la operación de compuertas en los extremos de la tubería. En la
literatura predominan los experimentos en los cuales la entrada en presión empieza desde el
extremo aguas abajo (Capart et al., 1997; Cardie et al., 1989; Ferreri et al., 2014; Guo &
Song, 1990; Hamam & McCorquodale, 1982; Li & McCorquodale, 2001; Szydłowski,
2014). Sin embargo, también existen, aunque en menor cantidad los estudios que han
evaluado la entrada en presión tanto por el extremo aguas abajo, como también por el
extremo aguas arriba (Aureli et al., 2015; Gómez & Achiaga, 2001; Trajkovic et al., 1999;
Vasconcelos & Wright, 2003). De estas investigaciones se resalta la conclusión obtenida por
Gómez & Achiaga (2001), quienes expusieron que cuando la transición se produjo desde el
extremo aguas arriba, la carga de presión fue el doble de cuando la transición se produjo
desde el extremo aguas abajo.
De la revisión de las investigaciones experimentales también se destaca que algunas se han
realizado con el fin de comprender el proceso de presurización del flujo en conductos
cerrados como alcantarillas pluviales y túneles de almacenamiento de agua pluvial (Cardie
et al., 1989; Ferreri et al., 2014; Guo & Song, 1990; Hamam & McCorquodale, 1982),
mientras que otras fueron realizadas con el objetivo de validar modelos numéricos (Aureli
71
et al., 2015; Capart et al., 1997; Li & McCorquodale, 2001; Szydłowski, 2014; Trajkovic
et al., 1999).
Los modelos numéricos desarrollados intentan predecir principalmente la presión generada
por la transición del flujo en lámina libre a flujo en presión. Los principales obstáculos
encontrados han sido la simulación de la interfaz, sobre todo cuando el cambio entre ambos
regímenes es brusco; y la simulación del atrapamiento de aire que resulta de la transición.
1.2 Identificación de normativas para el diseño de
alcantarillado pluvial
Esta sección tiene como propósito identificar los criterios definidos para el diseño de
conductos de alcantarillado pluvial en la normativa colombiana anterior (Reglamento
Técnico para el sector de Agua Potable y Saneamiento Básico, RAS 2000), actual
(Resolución 0330 de 2017) y local (Especificaciones técnicas – Aguas de Manizales S.A
E.S.P., 2016). Así mismo, identificar algunos elementos que se destacan a nivel
internacional.
1.2.1 Reglamento Técnico para el sector de Agua Potable y Saneamiento
Básico, RAS 2000
En el año 2000 en Colombia se adoptó el Reglamento Técnico para el sector de Agua Potable
y Saneamiento Básico (Ministerio de Desarrollo Económico, 2000). En esta normativa se
señalan los requisitos que deben cumplir las obras, equipos y procedimientos operativos que
se utilicen en la prestación de los servicios públicos domiciliarios de acueducto,
alcantarillado y aseo. Este Documento Técnico Normativo está dividido en tres secciones:
▪ La Sección I, Titulo A presenta el Reglamento Técnico del Sector de Agua Potable y
Saneamiento Básico, el cual contiene el acto resolutivo mediante el cual el Ministerio
de Desarrollo Económico, lo expide como tal y le confiere carácter oficial para su
aplicación en todo el territorio nacional.
72 Caracterización experimental de condiciones de flujo mixto
▪ La Sección II contiene los siguientes Títulos: B. Acueducto; C. Potabilización; D.
Recolección y evacuación de aguas residuales, domésticas y pluviales; E. Tratamiento
de aguas residuales; y G. Aspectos complementarios.
Cada título de esta sección se presenta como un Manual de prácticas de buena
ingeniería, en donde se establecen los criterios y recomendaciones para el diseño,
construcción, supervisión técnica, interventoría, operación y mantenimiento propios del
Sector de Agua Potable y Saneamiento Básico.
▪ La Sección III, Título H contiene a manera de información, el listado completo de las
Normas Técnicas Colombianas y extranjeras que se aplican para los productos
terminados, sus procesos de fabricación y procedimientos propios del Sector. También
se incluye información sobre las principales leyes, decretos y resoluciones del orden
nacional, que aplican al Sector de Agua Potable y Saneamiento Básico a la fecha de su
publicación.
Dentro del Reglamento Técnico para el sector de Agua Potable y Saneamiento Básico, RAS
2000, el apartado D.4 describe las características y el procedimiento de diseño de Redes de
sistemas de alcantarillado pluvial, y el apartado D.6.5 trata el tema de Sumideros (tramo
inicial de un alcantarillado pluvial), y las consideraciones para su proyección y parámetros
de diseño.
La Tabla 1 a continuación presenta para los conductos que hacen parte de los alcantarillados
pluviales y para los sumideros, los parámetros, requisitos mínimos de diseño y el apartado
donde se encuentra ubicado en el Reglamento Técnico para el sector de Agua Potable y
Saneamiento Básico, RAS 2000.
73
Tabla 1: Requisitos técnicos para los sistemas de alcantarillado pluvial RAS 2000
Parámetro Requisito Apartado
Profundidad mínima a la
cota clave del conducto
Para vías peatonales o zonas verdes profundidad a la
cota clave del conducto de 0.75 m y para vías
vehiculares 1.20 m. En general deben considerarse que
no interfiera con otras redes.
Sección II
Título D
D.4.3.15
Diámetro interno
El diámetro nominal mínimo permitido en redes de
sistemas de recolección y evacuación de aguas lluvias
es 250 mm
Sección II
Título D
D.4.3.8
Velocidad mínima
Debe disponerse de una velocidad suficiente para
lavar los sólidos depositados durante periodos de
caudal bajo. La velocidad mínima real permitida en el
conducto es 0.75 m/s para el caudal de diseño.
Sección II
Título D
D.4.3.10
Velocidad máxima
Los valores máximos permisibles para la velocidad
media en los conductos dependen del material, en
función de su sensibilidad a la abrasión. Para concreto
5 m/s y para PVC 10 m/s
Sección II
Título D
D.4.3.11
Profundidad hidráulica
máxima
La profundidad hidráulica máxima en conductos de
aguas lluvias puede ser la correspondiente a flujo
lleno.
Sección II
Título D
D.4.3.14
Requisito de diseño de
sumideros
El dimensionamiento de la tubería de conexión del
sumidero al sistema de alcantarillado ya sea un pozo o
fuentes receptoras, debe tener un diámetro mínimo de
200 mm, pendiente superior al 2% y, en general, no
debe tener una longitud mayor de 15 m.
Sección II
Título D
D.6.5.2
1.2.2 Resolución número 0330 de 2017 del Ministerio de Ciudad, Vivienda
y Territorio. Colombia
La Resolución número 0330 de 2017 del Ministerio de Vivienda Ciudad y Territorio (2017)
deroga al Reglamento Técnico para el sector de Agua Potable y Saneamiento Básico 2000
en el año 2017 y es la resolución que hoy en día reglamenta en Colombia los requisitos
técnicos que se deben cumplir en las etapas de planeación, diseño, construcción, puesta en
marcha, operación, mantenimiento y rehabilitación de la infraestructura relacionada con los
servicios públicos domiciliarios de acueducto, alcantarillado y aseo. Este Documento
Técnico Normativo está dividido en seis títulos que son:
74 Caracterización experimental de condiciones de flujo mixto
▪ Título 1: Aspectos generales
▪ Título 2: Requisitos técnicos
▪ Título 3: Gestión Documental
▪ Título 4: Permisos, licencias y otras autorizaciones
▪ Título 5: Junta técnica asesora del RAS
▪ Título 6: Control y régimen sancionatorio del reglamento técnico de acueductos y
alcantarillados.
Los requisitos técnicos para los sistemas de recolección y evacuación de aguas residuales
domésticas y pluviales se encuentran en el Título 2: Requisitos técnicos, Capítulo 4:
Sistemas de recolección y evacuación de aguas residuales domésticas y pluviales. Este
capítulo a su vez está formado por seis secciones:
▪ Sección 1: Consideraciones técnicas generales de las redes de alcantarillado
▪ Sección 2: Redes de alcantarillado convencional de aguas residuales
▪ Sección 3: Redes de alcantarillado no convencional de aguas residuales
▪ Sección 4: Redes de alcantarillado de aguas pluviales y combinadas
▪ Sección 5: Estructuras complementarias de las redes de alcantarillado
▪ Sección 6: Puesta en marcha, operación y mantenimiento de las redes de alcantarillado
La Tabla 2 presenta para los conductos que hacen parte de los alcantarillados pluviales y
combinados, y para los sumideros, los parámetros, requisitos mínimos de diseño y el
apartado donde se encuentra ubicado en este reglamento.
75
Tabla 2: Requisitos de alcantarillado pluvial Resolución 0330 de 2017
Parámetro Requisito Apartado
Profundidad de
instalación de la tubería
en alcantarillado
Los valores mínimos permisibles de
recubrimiento de los conductos que no requieren
protección a cargas vivas, con relación a la
rasante. Para vías peatonales o zonas verdes
profundidad a la cota clave del conducto de 0.75
m y para vías vehiculares 1.20 m.
Capítulo 4
Sección 1
Artículo 139
Diámetro interno real
mínimo
El diámetro interno real mínimo permitido en
redes de alcantarillado pluvial y combinado es 260
mm.
Capítulo 4
Sección 4
Artículo 148
Criterios de
autolimpieza en los
alcantarillados pluviales
y combinados
La velocidad mínima real permitida en el
conducto de alcantarillado pluvial o combinado es
aquella que genere un esfuerzo cortante en la
pared de la tubería mínimo de 2.0 Pa.
Capítulo 4
Sección 4
Artículo 149
Velocidad máxima en
los alcantarillados
pluviales y combinados
La velocidad máxima real en un conducto por
gravedad no debe sobrepasar 5.0 m/s, determinada
para el caudal de diseño.
Capítulo 4
Sección 4
Artículo 150
Relación máxima entre
profundidad y diámetro
de la tubería en los
alcantarillados pluviales
y combinados.
El valor máximo permisible de la profundidad del
flujo para el caudal de diseño en un conducto es
de 93% del diámetro interno real de este,
correspondiente a flujo lleno.
Capítulo 4
Sección 4
Artículo 151
Requisito de diseño de
sumideros
La tubería de conexión del sumidero debe tener un
diámetro interno real mínimo de 215 mm,
pendiente mínima de 2.0% y no debe tener una
longitud mayor de 15 m.
Capítulo 4
Sección 5
Artículo 156
En el presente reglamento se establece que para la estimación de los caudales de aguas
lluvias para el diseño de conductos pluviales se debe tener en cuenta los siguientes factores:
▪ Periodo de retorno
▪ Intensidad de lluvia
▪ Tipo de cobertura
▪ Tiempo de concentración
En Colombia, los conductos pluviales están diseñados para eventos de precipitación con
periodo de retorno entre 3 y 10 años dependiendo de la importancia de las áreas tributarias
y de los daños o molestias que las inundaciones puedan causar.
76 Caracterización experimental de condiciones de flujo mixto
1.2.3 Especificaciones técnicas - Aguas de Manizales S.A. E.S.P. (2016)
Aguas de Manizales S.A. E.S.P. como empresa prestadora de los servicios de acueducto y
alcantarillado en la ciudad de Manizales cuenta con el documento “Aguas de Manizales S.A.
E.S.P." de (2016) emitido en Marzo de 2016, en el cual, la empresa proporciona a
contratistas o demás personas interesadas en la ejecución de obras para la empresa, las
normas, exigencias y procedimientos adicionales para ser empleados en los trabajos de obras
civiles dentro de la ciudad de Manizales.
Este documento está dividido en 13 capítulos. El capítulo 6: Alcantarillados, contiene las
especificaciones para construcción, modificación, optimización, reparación y/o
rehabilitación de las redes de alcantarillado pluvial, sanitario o combinado.
En la Tabla 3 a continuación se identifican las especificaciones técnicas adicionales dadas
por la empresa Aguas de Manizales S.A. E.S.P. para la tubería de salida del sumidero hacia
la cámara de inspección más cercana. La profundidad de instalación de la tubería, el
diámetro mínimo, la velocidad y la relación máxima entre profundidad y diámetro de los
demás conductos del alcantarillado pluvial son aquellos definidos en el reglamento técnico
nacional vigente.
Tabla 3: Especificaciones técnicas para tubería de conexión de sumideros
Parámetro Requisito Apartado
Diámetro mínimo de
tubería 10 pulgadas (260 mm)
Capítulo 6
Sección 6.9
Pendiente mínima de la
tubería 3%
Capítulo 6
Sección 6.9
Longitud máxima de
tubería 15 m
Capítulo 6
Sección 6.9
1.2.4 Algunos aspectos de normas internacionales destacados
Para tener una visión parcial del procedimiento de diseño que se lleva a cabo en otros países
y con el fin de ampliar las condiciones de diseño que se pueden considerar, se revisaron los
lineamientos expuestos en los documentos: (1) Standard Handbook for Civil Engineers
(Loftin, Merritt, & Rickett, 2004); (2) Drinking water distribution, sewage, and rainfall
77
collection (Briere, 2007); y (3) Storm water collection systems design handbook (Mays,
2001). A continuación, se destacan los principales parámetros que se debe cumplir en el
diseño hidráulico de los conductos de alcantarillado pluvial para asegurar el transporte del
caudal de diseño calculado.
▪ Standard Handbook for Civil Engineers – Estados Unidos
Este documento fue desarrollado por Ricketts, Loftin, & Merritt (2004); y reúne
información para la práctica actual en el campo profesional de la ingeniería civil:
planificación, diseño y construcción de edificios, puentes, túneles, instalaciones de
transporte y otras estructuras para el control ambiental y el manejo de los recursos naturales.
En la revisión de los parámetros de diseño para alcantarillado fue consultado el capítulo 22:
Environmental Engineering, Sección 22.5: Sewer Design. De manera general, según
Ricketts, Loftin, & Merritt (2004) el diseño del alcantarillado debe ser concebido en primer
lugar a partir de un estudio exhaustivo de la comunidad o área a ser atendida.
Se destacan las siguientes observaciones:
Condición de flujo: el flujo máximo ocurre cuando un conducto no está completamente
lleno. Por ejemplo, para una tubería circular, la descarga máxima tiene lugar a
aproximadamente 90% de la profundidad total de la sección. Sin embargo, las alcantarillas
deben estar diseñadas para soportar cierta presión hidráulica. Para alcantarillas pluviales, la
práctica común debe permitir que la tubería lleve el flujo de diseño a toda profundidad. En
general, se puede suponer que el flujo es uniforme en alcantarillas rectas. Sin embargo, los
cambios de velocidad ocurrirán en obstáculos y cambios en la sección transversal del
alcantarillado y deben considerarse al hacer cálculos hidráulicos.
Pendiente: la pendiente debe exceder el mínimo necesario para mantener la velocidad
mínima del flujo de diseño en la alcantarilla y garantizar la autolimpieza del conducto.
Debido a que generalmente el flujo a través de las alcantarillas es menor que el flujo de
diseño, la velocidad real puede ser menor que la velocidad que permite asegurar la
autolimpieza.
Diámetro: en muchas ciudades estadounidenses, 8 pulgadas (200 mm) se considera como
el diámetro mínimo de alcantarillado permitido, y en ciudades grandes y áreas
metropolitanas se recomienda que10 pulgadas (250 mm) puede ser el mínimo. En cualquier
78 Caracterización experimental de condiciones de flujo mixto
caso, no se deben utilizar tuberías de menos de 6 pulgadas (150 mm) de diámetro debido a
la posibilidad de obstrucciones.
Velocidad: la velocidad mínima para alcantarillado pluvial o combinado debe ser de 3 ft/s
(0.91 m/s) debido a que el flujo puede transportar cantidades de sólidos como arena. Las
velocidades altas en las alcantarillas también deben evitarse porque los sólidos transportados
en el flujo pueden erosionar el conducto. Un límite superior habitual para alcantarillas
sanitarias es de 10 ft/s (3m/s). Sin embargo, las velocidades máximas de diseño para
alcantarillas pluviales pueden ser mucho mayores cuando es probable que tales flujos
ocurran con poca frecuencia. Los canales de hormigón por ejemplo han transportado flujos
con velocidades de 40 ft/s (12 m/s) sin daños.
Pérdidas de energía: la suposición de un flujo de canal abierto de forma única en el diseño
de alcantarillado implica que la línea de gradiente hidráulico, o superficie del agua, será
paralela al alineamiento del alcantarillado. Esto puede ser cierto, sin embargo, existen
condiciones que cambian la pendiente de la superficie del agua y, por tanto, la capacidad de
carga de la alcantarilla cambiará independientemente de la constancia de la pendiente de la
alcantarilla. Estas pérdidas de energía deben tenerse en cuenta en los cálculos hidráulicos
para el flujo cerca de intersecciones, para cualquier estructura que combine el flujo de dos
o más fuentes, para el intercambio de cabezales de velocidad y presión, y para las salidas
sumergidas en los desagües.
▪ Drinking water distribution, sewage, and rainfall collection - Canadá
Desarrollado por Briere (2007), el documento está enfocado en los problemas hidráulicos
prácticos que ocurren en las ciudades modernas. Este libro puede ser usado para aprender
los requisitos básicos para diseñar y evaluar redes de alcantarillado pluvial, redes de desagüe
y redes de distribución de agua. Para esta investigación fueron revisados el capítulo 8:
Design of Sewer Systems; y capítulo 9: Hydraulic Design of Sanitary, Storm and Combined
Sewer Systems.
Se destacan las siguientes observaciones:
Condición de flujo: los conductos de alcantarillado deben ser diseñados para garantizar una
capacidad hidráulica que transporte el flujo de diseño en condiciones de lámina libre.
79
Pendiente: la pendiente en sí misma no es un requisito en el diseño de tuberías de
alcantarillado; solo debe ser lo suficientemente empinado para generar una velocidad
mínima para garantizar la autolimpieza de las tuberías. Sin embargo, para tuberías de
conexión se recomienda mínimo 2%.
Diámetro: en Quebec, para fines de mantenimiento y autolimpieza, los diámetros mínimos
autorizados son 300 mm. Se requiere este diámetro porque el alcantarillado pluvial o
combinado, a menudo recibe material pesado como arena y grava durante la limpieza de
calles y fuertes precipitaciones.
Velocidad: la velocidad mínima para alcantarillado combinado y pluvial es de 0.9 m/s. De
acuerdo con las prácticas de ingeniería normales, las velocidades mínimas deben respetarse
cuando las tuberías fluyen llenas. La velocidad máxima se establece para evitar el desgaste
excesivo y el deterioro abrasivo de las tuberías y otros elementos (incluidos los pozos de
alcantarillado). En general, las organizaciones municipales y regionales establecen la
velocidad máxima de flujo en 3 m/s; sin embargo, este límite superior no es tan estricto
como el límite inferior.
Pérdida de energía: el diseñador de un sistema de alcantarillado no puede elegir la
pendiente de las tuberías sin determinar primero la pérdida de energía debido a la fricción y
la pérdida de energía menor. La pérdida de energía menor y la pérdida de energía debido a
la fricción permiten determinar la pendiente mínima necesaria para asegurar el flujo por
gravedad y velocidades de flujo adecuadas.
▪ Storm water collection systems design handbook – Estados Unidos
Mays (2001) presenta una referencia completa sobre el diseño de varios componentes de los
sistemas de recolección de aguas pluviales. Para esta investigación fue consultado el capítulo
6: Hydraulics of Sewer Systems.
Se destacan las siguientes observaciones:
Condición de flujo: debe existir flujo de superficie libre para la descarga de diseño. La
descarga de diseño utilizada es la descarga máxima del hidrograma de entrada total del
alcantarillado.
80 Caracterización experimental de condiciones de flujo mixto
Pendiente: en general sigue aproximadamente la pendiente promedio del terreno a lo largo
de la alcantarilla.
Diámetro: se recomienda que el diámetro no sea menor que 8 pulgadas o 200 mm. En los
Estados Unidos, generalmente los tamaños comerciales en pulgadas son 8 y 10, que
corresponden a 200 mm y 250 mm, respectivamente.
Velocidad: para evitar o reducir la deposición permanente en los alcantarillados, se
especifica una velocidad de flujo mínima admisible para la descarga de diseño. Por lo
general, se recomienda o requiere una velocidad mínima de 2 ft/s o 0.5 m/s para la descarga
de diseño, considerando que este flujo ocupa toda la sección de la tubería. Para evitar la
aparición de socavación y otros efectos no deseados del flujo de alta velocidad, también se
especifica una velocidad de flujo máxima permitida. El valor más utilizado es 10 ft/s o 3
m/s. Sin embargo, estudios recientes indican que esta velocidad está determinada por la
calidad del material de la tubería de alcantarillado.
1.2.5 Comparativo de las normativas evaluadas
De la identificación de los criterios para el diseño de conductos de alcantarillado pluvial
definidos en la normativa colombiana RAS 2000 y Resolución 0330 de 2017 se observa que,
el diámetro interno real mínimo de los conductos aumentó, antes definido en 250 mm y
ahora 260 mm. De igual forma, en los requisitos de diseño para sumideros se mantiene el
valor de pendiente y longitud de la tubería de conexión, en tanto que el diámetro pasó de
200 mm a 215 mm. Con respecto a la especificación técnica de la empresa de prestación de
servicio de alcantarillado local, en comparación a la normativa nacional, cambia el valor de
pendiente mínima y diámetro mínimo de tubería de conexión de sumideros. En ambos casos
la especificación local aumenta estos valores de 2% a 3% y de 215 mm a 260 mm,
respectivamente.
A nivel internacional, el diámetro mínimo se establece entre 200 y 300 mm. Para la
velocidad mínima, las normas internacionales proponen un valor de entre 0.5 y 0.9 m/s, en
tanto que en la normativa colombiana se especifica un valor mínimo de esfuerzo cortante en
la pared de la tubería de 2.0 Pa; este último parámetro es difícil de cuantificar y depende de
la configuración y condición del flujo. Para la velocidad máxima, la normativa colombina
permite un valor mayor de 5 m/s, en tanto las normativas internacionales aconsejan un
81
máximo de 3 m/s, aunque se destaca que este valor puede cambiar dependiendo del material
de la tubería. Para el caso de la pendiente, los reglamentos apuntan a que es un factor que se
relaciona directamente con la velocidad mínima, por tanto, la recomendación general es
asignar una pendiente que permita que el flujo alcance la velocidad mínima especificada. La
pendiente de 2% es recomendada por la normativa colombiana para la tubería de conexión
del sumidero.
A continuación, en la Tabla 4 se presenta una comparación de los parámetros de diseño de
conductos pluviales descritos en esta sección, tanto en Colombia como a nivel internacional.
Tabla 4: Comparación de parámetros de diseño de normativas internacionales
Parámetro
de diseño
Normativa de estudio
Standard
Handbook
for Civil
Engineers
Drinking
water
distribution,
sewage, and
rainfall
collection
Storm water
collection
systems
design
handbook
RAS 2000
Resolución
0330 de
2017
Especificaciones
técnicas - Aguas
de Manizales
S.A. E.S.P.
Diámetro
(mm) 200 300 200 250 260 260
Velocidad
mínima
(m/s)
0.9 0.9 0.5 0.75
En función
del esfuerzo
cortante en
la pared de
la tubería
En función del
esfuerzo
cortante en la
pared de la
tubería
Velocidad
máxima
(m/s)
3 3 3 10 5 5
Pendiente
(%) 2 2 2 2 2 3
Condición
del flujo
Lámina
libre Lámina libre Lámina libre
Puede
corresponder
a flujo lleno
Máxima
relación
profundidad-
diámetro de
93%
Máxima
relación
profundidad-
diámetro de
93%
82 Caracterización experimental de condiciones de flujo mixto
En la Figura 30 se presenta un esquema de la configuración y dimensiones mínimas
expuestas en anteriormente para el diseño del tramo inicial del alcantarillado pluvial. Las
etiquetas se presentan con color diferente dependiendo de la normativa, así: en color rojo
por el RAS 2000; en color azul por la Resolución 0330 de 2017: y en color verde por las
especificaciones técnicas de Aguas de Manizales S.A. E.S.P.
Figura 30: Esquema Sumidero – conducto pluvial
Sumidero
Rasante vía
RAS 2000
Resolución 0330 de 2017
Especificaciones técnicas - Aguas de Manizales S.A. E.S.P.
Cámara
Tubería: Pendiente mínima: 2%; 2%; 3%
Diámetro mínimo: 200 mm; 215 mm; 260 mm
Longitud máxima: 15 m; 15 m; 15 m
83
2. Marco teórico
En este capítulo se presenta el procedimiento y factores que se deben analizar para obtener
el caudal de diseño que será conducido por el alcantarillado pluvial, asimismo, una
descripción de las variables empleadas en el diseño hidráulico de conductos de sección
circular. También se presenta una clasificación general del flujo mixto y las ecuaciones que
describen los posibles tipos de flujo dentro de una alcantarilla.
2.1 Caudal de diseño
En esta sección en primer lugar se describen los componentes que hacen parte de la relación
lluvia – escorrentía. Se presenta también el método clásico para evaluar el volumen de
escorrentía, los parámetros que este método utiliza y sus limitantes.
Para una cuenca ubicada en un área urbana o en otra parte, la escorrentía y su volumen están
determinados por:
▪ Características de la lluvia como intensidad, duración y distribución espacial y temporal;
▪ Características de la superficie de la cuenca como naturaleza, permeabilidad y pendiente;
y
▪ Ecuaciones hidráulicas con respecto al agua que fluye libremente en la superficie.
La Tabla 5 muestra secuencialmente la relación entre una lluvia, una cuenca, la red de
alcantarillado y las características del hidrograma de escorrentía en la descarga de la cuenca.
84 Caracterización experimental de condiciones de flujo mixto
Tabla 5: Relación entre una lluvia y un hidrograma de escorrentía
Fuente: (Briere, 2007)
Función Características
Fuente: Lluvia
Atmósfera
- Distribución espacio temporal de la lluvia o
hietograma sintético.
Transformación: Cuenca
Físico
- Superficies.
Impermeable, escurre directamente.
Impermeable, escurre indirectamente.
No escurre, permeable, escurre.
- Agua retenida inicialmente.
Por superficies permeables.
En asentamientos de superficies impermeables.
- Condiciones antes de la lluvia.
- Grado de infiltración de agua en el suelo durante la
lluvia.
Resultado: Hidrograma de
escorrentía Hidrograma de escorrentía en la salida de la cuenca
Transporte: Sistema de
alcantarillado
Hidráulico
- Características del sistema de alcantarillado
combinado o pluvial.
- Propagación del hidrograma de escorrentía en
sistemas de alcantarillado.
- Almacenamiento de agua (en tuberías o cuencas de
detención).
Existen muchos métodos computacionales que pueden determinar la escorrentía en áreas
urbanas. En este trabajo se expone el método de cálculo "racional" para determinar el
hidrograma en la salida de una cuenca urbana.
El método racional se utiliza para determinar rápidamente la escorrentía máxima de una
lluvia uniforme en cuencas hidrográficas de superficie pequeña1 bajo la hipótesis de que la
escorrentía máxima ocurre cuando la duración de la precipitación es igual al tiempo de
concentración de la cuenca.
1 La Resolución 0330 de 2017 (Ministerio de Vivienda Ciudad y Territorio, 2017) en el Artículo 135 establece
que para el cálculo del caudal de aguas lluvias se puede utilizar el método racional, siempre y cuando el área
de drenaje sea inferior a 80 ha, es decir 800,000 m2.
85
Para elaborar un hidrograma a partir del método racional se trazan en la cuenca varias
isócronas, curvas que conectan los puntos de la cuenca que tengan el mismo tiempo de
escurrimiento hasta la salida de la cuenca. Las isócronas determinan las áreas de diferentes
superficies que sumadas conforman la cuenca. Por ejemplo, la superficie 𝐴𝑗 está
determinada por las isócronas 𝑡𝑗 y 𝑡𝑗−1.
El método racional asume que sobre toda la cuenca la lluvia cae uniformemente con una
intensidad 𝐼 y una duración ∆𝑡. Se considera también que 𝑅𝑗 es la fracción de la lluvia que
cae sobre el área de superficie 𝐴𝑗, es decir el coeficiente es escorrentía. Por lo tanto, el
volumen de escorrentía en la descarga de la cuenca, procedente de la superficie 𝐴j en el
tiempo 𝑡j es 𝑄(𝑡𝑗), y se determina mediante:
𝑄(𝑡𝑗) = 𝐴𝑗𝐼𝑅𝑗 (1)
Donde 𝐴j𝐼 es el volumen de lluvia que cae sobre la superficie del área 𝐴j para los diferentes
intervalos 𝑡j desde el comienzo de la lluvia hasta el momento 𝑡j = ∆𝑡.
Finalmente, en la descarga de una cuenca hidrográfica la escorrentía máxima debida a la
precipitación de intensidad uniforme 𝐼, que cae sobre toda la superficie de la cuenca, y de
duración 𝑡𝑛 igual al tiempo de concentración 𝑡𝑐 de la cuenca, se obtiene de la siguiente
ecuación:
𝑄(𝑡𝑛) = 𝑄(𝑡𝑐) = ∑ 𝐴𝑗𝐼𝑅𝑗
𝑛
𝑗=1
= 𝐼 ∑ 𝐴𝑗𝑅𝑗
𝑛
𝑗=1
(2)
En general, el valor de 𝑅 se determina a partir de datos tomados in situ de cada superficie
𝐴𝑗.
Antes de que el alcantarillado pluvial sea diseñado es necesario estimar el caudal de aguas
lluvias que este conducirá. Los parámetros que permiten obtener este caudal son: periodo de
retorno, intensidad de lluvia, tipo de cobertura y tiempo de concentración. El periodo de
retorno se elige dependiendo de la importancia o afectación que generará el alcantarillado.
Dependiendo del periodo de retorno y de la ubicación geográfica de la cuenca se elige la
intensidad de la lluvia. Para evaluar el tiempo de concentración existen muchos modelos; a
86 Caracterización experimental de condiciones de flujo mixto
continuación, se expone el modelo de Kerby, con el cual, posteriormente se evaluará el
tiempo de concentración para la zona de estudio.
El modelo de Kerby (1959) evalúa el tiempo necesario para que una capa delgada de agua
escurra en diferentes tipos de superficies. Este modelo parece dar los mejores resultados
para las subcuencas urbanas. La ecuación de Kerby para la estimación del tiempo de
concentración se expresa en la Ecuación (3):
𝑡𝑐 = (2.187 𝐿 𝑛
𝑆0.5)
0.467
(3)
Donde 𝑡𝑐 es el tiempo de concentración (minutos), 𝐿 es la distancia máxima que recorre el
agua en la superficie (m) (esta distancia no debe exceder los 365 m, cuando 𝐿 excede los
365 m, el agua fluye más rápido de lo que predice el modelo), 𝑛 es el coeficiente de
rugosidad de Manning y 𝑆 es la pendiente media de la ruta que recorre el agua (m/m).
2.2 Variables para el diseño hidráulico de un conducto circular
Los alcantarillados se diseñan como canales abiertos ya que los conductos no fluyen a
presión. El flujo de aguas lluvias no es permanente debido a que los caudales varían durante
la precipitación, sin embargo, el diseño de los conductos secundarios puede hacerse
suponiendo que el flujo es uniforme (Parra, 2002). En esta sección se destacan en primer
lugar, algunos aspectos del flujo uniforme en una tubería circular parcialmente llena, y en
segundo lugar, se presentan las ecuaciones y el procedimiento general para el diseño
hidráulico de conductos de alcantarillado pluvial de sección circular.
2.2.1 Flujo uniforme en una tubería circular parcialmente llena
Si en una conducción libre de sección circular fluye un caudal con régimen uniforme, se
pueden emplear varias fórmulas para flujo uniforme, entre las cuales se encuentran las
expresiones de Chézy y Manning (Briere, 2007). Dado que en un canal con flujo uniforme
la resistencia a la fricción aumenta con el perímetro mojado, y el caudal volumétrico
aumenta con el área transversal que ocupa el flujo, la velocidad y el caudal máximos en una
tubería circular ocurren antes de que la tubería esté completamente llena. Rocha (2007)
presenta una demostración que permite observar que la velocidad máxima ocurre cuando el
87
conducto está parcialmente lleno al 81.3% de su diámetro, independiente de la fórmula con
que se calcule la velocidad media; y que el caudal máximo circula cuando el tirante alcanza
el 93.8% del diámetro, cuando se usa la fórmula de Manning, y 94.9% cuando se usa la
fórmula de Chézy, considerando pendiente y coeficiente de fricción constantes en ambas
fórmulas.
Teniendo en cuenta una tubería de sección circular como la que se presenta en la Figura 31,
cuyo diámetro es 𝐷, el ángulo en el centro es 𝜃 y el tirante del flujo es 𝑦; se obtienen las
siguientes expresiones para la estimación del área (𝐴), el perímetro mojado (𝑃) y el radio
hidráulico (𝑅).
Figura 31: Conducción libre de sección circular
𝜃 = 2 cos−1 (1 − 2𝑦
𝐷) (4)
𝐴 = (𝐷2
8) (𝜃 − sin 𝜃) (5)
𝑃 = 𝐷
2 (6)
𝑅 =𝐴
𝑃 (7)
Empleando la expresión de Manning y el principio de continuidad se obtienen las siguientes
ecuaciones para la estimación del caudal y la velocidad.
𝑄 =1
𝑛𝐴𝑅
23⁄ 𝑆
12⁄ (8)
Sección llena
y
D
Sección parcialmente llena
88 Caracterización experimental de condiciones de flujo mixto
𝑉 =𝑄
𝐴 (9)
Donde, 𝐴 es el área mojada en m2, 𝑅 es el radio hidráulico en metros, 𝑛 es el coeficiente de
resistencia de flujo de Manning, 𝑆 es la pendiente de la tubería en m/m, 𝑄 es el caudal en
m3/s, 𝑉 es la velocidad en m/s.
A continuación, en la Figura 32 se presenta para cada relación de llenado (𝑦/𝐷) de una
sección circular parcialmente llena con flujo uniforme, la relación que existe entre el caudal
𝑄 correspondiente a dicha sección y el caudal 𝑄𝑜 correspondiente al tubo lleno, esto es la
relación hidráulica de caudales (𝑄/𝑄𝑜). Asimismo se presentan las relaciones hidráulicas de
velocidades (𝑉/𝑉𝑜) y áreas (𝐴/𝐴𝑜). Para los cálculos de la sección parcialmente llena, en la
literatura es posible encontrar dos curvas para cada relación hidráulica, una para coeficiente
de rugosidad constante y otra para coeficiente de rugosidad variable, el cual es función de
la profundidad del flujo. En todos los casos, para el cálculo de las condiciones de toda la
sección se utiliza un coeficiente de Kutter de 0.015 (Briere, 2007). En esta figura se
presentan las curvas para coeficiente de rugosidad constante.
Figura 32: Relación de los elementos hidráulicos de una alcantarilla circular parcialmente
llena a los de la misma sección totalmente llena
Fuente: Adaptado de (Swan & Horton, 1922)
Q máx
V máx
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
V/V
o;
Q/Q
o;
A/A
o
Relación de llenado, y/D
V/Vo Q/Qo A/Ao
89
Como el coeficiente de rugosidad de Kutter es prácticamente idéntico al coeficiente de
Manning, estas curvas se pueden utilizar como si se trazaran con base en el coeficiente de
Manning. Además, como estas curvas no se ven muy afectadas por la variación del
coeficiente de Manning, se pueden utilizar para diferentes valores de este coeficiente,
especialmente aquellos entre 0.009 y 0.015, más habituales en tuberías de hidráulica urbana.
Finalmente, se ha observado que el coeficiente de Manning varía en función de la altura del
agua en las tuberías. Esto generalmente no se considera al calcular las condiciones
hidráulicas cuando las tuberías de alcantarillado fluyen parcialmente llenas (Briere, 2007).
2.2.2 Cálculo de variables hidráulicas en conductos de sección circular
En esta sección se presentan las ecuaciones para el cálculo de las variables hidráulicas que
determinan el diseño de conductos de alcantarillado pluvial.
Existen varios métodos para estimar el tamaño de los conductos de alcantarillado pluvial.
Algunos son altamente sofisticados y utilizan las ecuaciones de Saint-Venant, mientras que
otros son relativamente simples, partiendo del análisis hidrológico obtenido del método
racional (Mays, 2001).
Las variables hidráulicas se dimensionan de manera que permitan evacuar el caudal
requerido asegurando que el flujo en lámina libre cumple con una velocidad mínima que
garantiza la autolimpieza del conducto, y una velocidad máxima que reduce la abrasión a
largo plazo en el conducto.
Si el caudal de diseño para un alcantarillado es conocido, las dimensiones requeridas se
pueden calcular utilizando la fórmula de Manning o la fórmula de Darcy-Weisbach, ambas
se obtienen suponiendo que la pendiente de fricción es igual a la pendiente de la alcantarilla.
Esta suposición implica que alrededor del momento de la descarga máxima, el flujo puede
considerarse aproximadamente como un flujo uniforme constante para el diseño, a pesar del
hecho de que las variaciones espaciales y temporales reales del flujo son mucho más
complicadas (Mays, 2001).
Los conductos de alcantarillado trabajan generalmente como tubos parcialmente llenos. Una
vez conocido el diámetro de diseño del conducto, inicialmente se emplean ecuaciones para
condiciones de flujo lleno y se calcula la velocidad y el caudal asociados a este diámetro.
90 Caracterización experimental de condiciones de flujo mixto
Posteriormente, para el cálculo de la profundidad de la lámina de agua y su velocidad en
condiciones de lámina libre, se utilizan gráficos o tablas de relaciones hidráulicas que
describen la variación de caudales y velocidades en función de la relación de llenado, como
las curvas que se encuentran en la Figura 32 (Parra, 2002).
A continuación, se presentan según la fórmula de Manning, las ecuaciones que permiten
calcular en condiciones de flujo lleno y para un conducto circular con un material y una
pendiente longitudinal determinada, el diámetro mínimo para conducir un caudal de diseño,
y, el caudal y la velocidad asociados a un diámetro dado.
𝑑𝑟 = 1.548 [𝑛𝑄𝑑
𝑆1/2]
3/8
(10)
𝑄𝑜 = 0.312𝑑𝐷
8/3𝑆1/2
𝑛 (11)
𝑉𝑜 = 0.399𝑑𝐷
2/3𝑆1/2
𝑛 (12)
Donde, 𝑄𝑑 es el caudal para la descarga máxima de diseño en m3/s, 𝑑𝑟 es el diámetro mínimo
en metros, requerido para conducir 𝑄𝑑, n es el coeficiente de Manning, S es la pendiente
longitudinal del alcantarillado en m/m, 𝑑𝐷 es el diámetro comercial en metros,
inmediatamente superior al mínimo, 𝑄𝑜 es el caudal a flujo lleno que transporta el diámetro
comercial, en m3/s, 𝑉𝑜 es la velocidad a flujo lleno en m/s, asociada a el diámetro comercial.
El procedimiento de diseño que se presenta para calcular el tamaño del conducto es el
siguiente (Morales Nava & Parra Meza, 2013):
1. Con el caudal de diseño conocido (𝑄𝑑), se utiliza la Ecuación (10) para calcular el
diámetro mínimo (𝑑𝑟) requerido para garantizar las condiciones de flujo uniforme.
2. Seleccionar el diámetro de diseño (𝑑𝐷). Este debe ser un diámetro comercial
inmediatamente superior a 𝑑𝑟.
3. Con el valor de 𝑑𝐷 elegido, utilizar la Ecuación (11) y calcular el caudal a flujo lleno
(𝑄𝑜) que transporta el diámetro de diseño asignado.
91
4. Calcular la relación hidráulica de caudales (𝑄𝑑/𝑄𝑜). Esta relación permite evaluar
fácilmente las características hidráulicas de un conducto circular parcialmente lleno a
partir del conocimiento de las mismas características para el conducto en condiciones de
flujo lleno.
5. Con la Ecuación (12) se calcula la velocidad a flujo lleno (𝑉𝑜) para el diámetro de diseño
(𝑑𝐷) y el caudal transportado por este, 𝑄𝑜.
6. Con la relación hidráulica de caudales (𝑄𝑑/𝑄𝑜) se adquieren los valores correspondientes
de relación hidráulica de velocidades (𝑉𝑑/𝑉𝑜).
7. La velocidad real del flujo parcialmente lleno (𝑉𝑑) a través del conducto, se calcula
empleando la velocidad a flujo lleno (𝑉𝑜) y la relación hidráulica de velocidades estimada
antes.
2.3 Clasificación general del flujo mixto
El flujo mixto en conductos cerrados se puede producir por entrada en presión desde el
extremo aguas abajo, por la entrada en presión desde el extremo aguas arriba y por ambos
extremos simultáneamente (Aragón-Hernández et al., 2009), a continuación se presenta una
descripción de cada uno de estos.
▪ Entrada en presión desde el extremo aguas abajo: puede ser provocada por un cierre
gradual o brusco del conducto en el extremo aguas abajo. En la literatura técnica es el
ensayo más común ya que es también el que más se presenta en la práctica.
▪ Entrada en presión desde el extremo aguas arriba: puede ser provocada por un
incremento instantáneo de caudal debido a un evento de precipitación que supera el
evento de diseño o por la apertura brusca de una compuerta en la entrada del conducto.
▪ Entrada en presión por ambos extremos simultáneamente: esta situación no se
encuentra frecuentemente en la literatura técnica, quizás porque en la realidad no ocurre
comúnmente, pero no se encuentra imposible. Sencillamente se necesita una combinación
de los eventos que provocan la entrada en carga desde el extremo aguas arriba y desde el
extremo aguas abajo en el mismo conducto simultáneamente.
92 Caracterización experimental de condiciones de flujo mixto
2.4 Ecuaciones fundamentales del flujo en alcantarillas
Se presenta ahora una descripción de los posibles tipos de flujo que pueden ocurrir dentro
de una alcantarilla o conducto de alcantarillado pluvial, y de los factores que influyen en el
desarrollo y control de cada tipo de flujo. Para cada tipo de flujo se presenta su respectiva
base teórica de cálculo de caudal, y al final se trata el tema de la transición entre tipos de
flujo.
Una alcantarilla es un conducto relativamente corto a través del cual se cruza el agua bajo
la vía de un costado a otro. Incluye, por lo tanto, conductos con cualquier sección
geométrica: circulares y alcantarillas de cajón principalmente. De la misma manera que en
el diseño de conductos pluviales, el diseño de una alcantarilla consiste en determinar el
diámetro más económico que permita pasar el caudal de diseño sin exceder la carga máxima
a la entrada (Hw) atendiendo también criterios de arrastre de sedimentos y de facilidad de
mantenimiento (INVIAS, 2009).
El flujo en un conducto de alcantarillado pluvial es similar a una alcantarilla (Yen & Pansic,
1980), puede tener dos condiciones de flujo, total y parcialmente lleno. En el primer caso
cuando la alcantarilla fluye totalmente llena, se denomina flujo en presión, en este caso si el
área de la sección transversal se incrementa, al área del flujo también se expende. La
capacidad de una alcantarilla que opera bajo flujo en presión se ve afectada por las
condiciones aguas arriba y aguas abajo y por las características hidráulicas de la alcantarilla.
En el segundo caso, ocurre un flujo de superficie libre o de canal abierto, que puede ser
categorizado como subcrítico, crítico o supercrítico, la determinación del régimen de flujo
apropiado se logra evaluando el número adimensional de Froude2 (Fr) que relaciona la
velocidad con la profundidad del flujo.
En la literatura se definen dos tipos básicos de condición de flujo, el control de entrada y el
control de salida. Esta clasificación depende de la ubicación de la sección de control,
definido como la posición donde existe una relación única entre el caudal y la elevación de
la superficie del agua, aguas arriba. La caracterización de los regímenes de presión, flujo
subcrítico y supercrítico juega un papel importante en la determinación de la ubicación de
2 Cuando Fr > 1.0, el flujo es supercrítico y se caracteriza como rápido. Cuando Fr <1.0, el flujo es subcrítico
y se caracteriza como tranquilo. Si Fr = 1.0, el flujo se define como crítico (Schall, 2012).
93
la sección de control y, por lo tanto, el tipo de control. La capacidad hidráulica de una
alcantarilla depende de una combinación diferente de factores para cada tipo de control. A
continuación, se describe estos dos tipos de control del flujo.
▪ Control de entrada: ocurre cuando el conducto de la alcantarilla es capaz de transportar
más flujo del que permite la entrada. La sección de control se encuentra justo dentro de
la entrada. La profundidad crítica ocurre, en o cerca, de esta ubicación, y el régimen de
flujo inmediatamente aguas abajo es supercrítico. Las características hidráulicas aguas
abajo de la sección de control de entrada no afectan la capacidad de la alcantarilla. La
elevación de la superficie del agua aguas arriba y la geometría de entrada representan los
principales controles de flujo. La geometría de entrada incluye la forma de entrada, el
área de la sección transversal de entrada y la configuración de entrada. La Figura 33
muestra una condición de flujo de control de entrada típica (Schall, 2012).
Figura 33: Sección de control de flujo de entrada típica
Fuente: (Schall, 2012)
▪ Control de salida: ocurre cuando el conducto de la alcantarilla no es capaz de transportar
tanto flujo como lo permite la entrada. La sección de control se encuentra en la salida del
conducto o más abajo. En estas condiciones, existe flujo subcrítico o de presión en el
conducto de la alcantarilla. Todas las características geométricas e hidráulicas de la
alcantarilla juegan un papel en la determinación de su capacidad. Estas características
incluyen todos los factores que rigen el control de entrada, la elevación de la superficie
del agua en la salida y las características del conducto. La pendiente del conducto es el
factor principal que influye en si una alcantarilla estará o no en el control de entrada o
salida. La Figura 34 muestra dos condiciones de flujo de control de salida típicas.
94 Caracterización experimental de condiciones de flujo mixto
Figura 34: Sección de control de flujo de salida típica
Fuente: (Schall, 2012)
Para el diseño de una alcantarilla, la condición más favorable de flujo corresponde al control
de entrada, en el cual no existe sumergencia ni a la entrada ni a la salida. Sin embargo, en
los casos en que las condiciones específicas de la obra no permiten la obtención de este tipo
de flujo, es necesario estudiar todos los posibles casos de flujo bajo los cuales funciona la
estructura. En general, las dos condiciones de control de flujo determinan la capacidad de la
alcantarilla. Teniendo en cuenta que, en el primer caso, con control de entrada, la capacidad
es función de las características del flujo y de la geometría en la entrada de la alcantarilla.
Mientras que, en el segundo caso, con control de salida, además de las características en la
entrada, la capacidad también es función de las características propias del conducto de la
alcantarilla como, la sección, la rugosidad, el área, la longitud y la pendiente longitudinal.
La capacidad de una alcantarilla es afectada por la altura de la lámina que tenga el flujo
aguas arriba y aguas abajo. La elevación de la superficie del agua aguas arriba medida desde
la cota batea del conducto en la entrada es llamada carga en la entrada (Hw) y es un factor
95
propio de control de entrada. La elevación de la superficie del agua aguas abajo, medida
desde la cota batea del conducto en la salida es llamada carga en la salida (Tw) y es un factor
muy importante para determinar la capacidad de la alcantarilla en condiciones de control de
salida. La variación únicamente del nivel de agua en la salida puede hacer que una
alcantarilla funcione bajo control de salida, cuando de otra manera estaría bajo control de
entrada (Schall, 2012).
El servicio Geológico de los Estados Unidos (USGS) clasifica el flujo en alcantarillas en
seis tipos, dependiendo del nivel del agua en la entrada y en la salida de la alcantarilla, el
régimen del flujo en el conducto y de la pendiente (Bodhaine, 1982). El tipo de flujo puede
cambiar en una alcantarilla dada a medida que cambian el caudal y las elevaciones del agua
en a salida (Schall, 2012).
Las ecuaciones que permiten calcular el caudal a través de la alcantarilla para cada uno de
los seis tipos son obtenidas aplicando las ecuaciones de continuidad y de energía entre un
punto ubicado en una sección de aproximación y un punto en la salida de la alcantarilla
(Bodhaine, 1982). Una alcantarilla que fluye con control de entrada tiene un flujo superficial
de alta velocidad categorizado como "supercrítico" en el conducto. A este grupo pertenecen
los flujos Tipo 1 y 5. Una alcantarilla que fluye con control de salida tendrá un flujo
relativamente profundo y de menor velocidad denominado flujo "subcrítico" o podría estar
fluyendo lleno, a este grupo pertenecen los flujos Tipo 2, 3, 4 y 6. Por otra parte, los flujos
Tipo 1 y 2 son caracterizados por la ocurrencia de la profundidad crítica, los Tipo 3 y 4 por
un flujo con remanso y los Tipo 5 y 6 por un flujo con gran carga piezométrica. A
continuación, se presenta la descripción de cada tipo de flujo.
A continuación, en la Tabla 6 se presentan los factores que influyen en la capacidad de la
alcantarilla, dependiendo del tipo de control. Para control de entrada, el área y la forma
hacen referencia al área y forma de la entrada; mientras que, para control de salida, hacen
referencia al área y forma del conducto.
96 Caracterización experimental de condiciones de flujo mixto
Tabla 6: Factores que influyen en la capacidad de la alcantarilla según el tipo de control
Fuente: Adaptado de (Schall, 2012)
Factor Control de
entrada
Control de
salida
Nivel en la entrada X X
Área X X
Forma X X
Rugosidad del conducto - X
Longitud del conducto - X
Pendiente longitudinal X X
Nivel en la salida - X
Ahora se presenta en detalle cada uno de los tipos de flujo.
▪ Tipo 1: Profundidad crítica en la entrada
ℎ1 − 𝑧
𝐷< 1.5
Figura 35: Flujo en alcantarillas Tipo 1
Fuente: (Dickinson, 2017)
ℎ4
ℎ𝑐< 1.0
𝑆𝑜 > 𝑆𝑐
En el flujo Tipo 1 mostrado en la Figura 35, el agua pasa a través de la profundidad crítica
cerca de la entrada del conducto. La relación ℎ1−𝑧
𝐷, se limita a máximo 1.5. El flujo a través
del conducto es parcialmente lleno. La pendiente del conducto 𝑆𝑜 es mayor que la pendiente
crítica 𝑆𝑐. La profundidad del agua en la salida ℎ4 debe ser menor que la elevación del agua
en la sección de control ℎ𝑐.
Para este tipo de flujo, el caudal en la alcantarilla puede ser calculado con la siguiente
ecuación.
97
𝑄 = 𝐶𝑑𝐴𝑐√2𝑔 (ℎ1 − 𝑧 +𝛼𝑣1
2
2𝑔− 𝑑𝑐 − ℎ𝑓,1−2) (13)
Donde 𝑄 es el caudal, 𝐶𝑑 es un coeficiente de descarga, 𝐴𝑐 es el área del flujo en la sección
de control, 𝑣1 es la velocidad promedio en la sección de aproximación, 𝛼 un coeficiente de
corrección para la velocidad en la sección de aproximación y ℎ𝑓,1−2 las pérdidas de energía
entre los puntos 1 y 2.
▪ Tipo 2: Profundidad crítica en la salida
ℎ1 − 𝑧
𝐷< 1.5
Figura 36: Flujo en alcantarillas Tipo 2
Fuente: (Dickinson, 2017)
ℎ4
ℎ𝑐< 1.0
𝑆𝑜 < 𝑆𝑐
En el flujo Tipo 2 mostrado en la Figura 36, el agua pasa a través de la profundidad crítica
cerca de la salida del conducto. La relación ℎ1−𝑧
𝐷 no supera el valor de 1.5. El flujo a través
del conducto es parcialmente lleno. La pendiente del conducto 𝑆𝑜 es menor que la pendiente
crítica 𝑆𝑐. La profundidad del agua en la salida ℎ4 debe ser menor que la elevación del agua
en la sección de control ℎ3.
Para este tipo de flujo, el caudal en la alcantarilla puede ser calculado con la siguiente
ecuación.
𝑄 = 𝐶𝑑𝐴𝑐√2𝑔 (ℎ1 +𝛼𝑣1
2
2𝑔− 𝑑𝑐 − ℎ𝑓,1−2 − ℎ𝑓,2−3) (14)
Donde 𝑄 es el caudal, 𝐶𝑑 es un coeficiente de descarga, 𝐴𝑐 es el área del flujo en la sección
de control, 𝑣1 es la velocidad promedio en la sección de aproximación, 𝛼 es un coeficiente
98 Caracterización experimental de condiciones de flujo mixto
de corrección para la velocidad en la sección de aproximación, ℎ𝑓,1−2 son las pérdidas de
energía entre los puntos 1 y 2, y ℎ𝑓,2−3 son las pérdidas de energía entre los puntos 2 y 3.
▪ Tipo 3: Flujo subcrítico a través de la alcantarilla
ℎ1 − 𝑧
𝐷< 1.5
Figura 37: Flujo en alcantarillas Tipo 3
Fuente: (Dickinson, 2017)
ℎ4
ℎ𝑐> 1.0
ℎ4
𝐷≤ 1.0
En el flujo Tipo 3 mostrado en la Figura 37, el flujo es subcrítico a través de la alcantarilla.
La relación ℎ1−𝑧
𝐷 es menor que 1.5. La alcantarilla está parcialmente llena. La salida no está
sumergida, pero la profundidad del agua en la salida ℎ4 supera la profundidad crítica en la
sección final.
Para este tipo de flujo, el caudal en la alcantarilla puede ser calculado con la siguiente
ecuación.
𝑄 = 𝐶𝐴3√2𝑔 (ℎ1 +𝛼𝑣1
2
2𝑔− ℎ3 − ℎ𝑓,1−2 − ℎ𝑓,2−3) (15)
Donde 𝑄 es el caudal, 𝐶 es un coeficiente de descarga, 𝐴3 es el área del flujo en la sección
de control en el punto 3, 𝑣1 es la velocidad promedio en la sección de aproximación, 𝛼 es
un coeficiente de corrección para la velocidad en la sección de aproximación, ℎ𝑓,1−2 son las
pérdidas de energía entre los puntos 1 y 2, y ℎ𝑓,2−3 son las pérdidas de energía entre los
puntos 2 y 3.
99
▪ Tipo 4: Salida sumergida
ℎ1 − 𝑧
𝐷> 1.0
Figura 38: Flujo en alcantarillas Tipo 4
Fuente: (Dickinson, 2017)
ℎ4
𝐷> 1.0
En el flujo Tipo 4 mostrado en la Figura 38, tanto la entrada como la salida de la alcantarilla
están sumergidas. La relación ℎ1−𝑧
𝐷 es mayor que 1.0. La alcantarilla se encuentra totalmente
llena sobre toda su longitud. El caudal puede ser calculado utilizando la ecuación de energía
entre los puntos 1 y 4, y este es independiente del valor que tenga la pendiente.
𝑄 = 𝐶𝑑𝐴0√2𝑔(ℎ1 − ℎ4) (16)
Donde 𝐴0 es el área del flujo en la alcantarilla.
▪ Tipo 5: Flujo rápido en la entrada
ℎ1 − 𝑧
𝐷≥ 1.5
Figura 39: Flujo en alcantarillas Tipo 5
Fuente: (Dickinson, 2017)
ℎ4
𝐷≤ 1.0
En el flujo Tipo 5 mostrado en la Figura 39, el flujo es rápido en la entrada. La relación ℎ1−𝑧
𝐷
es mayor que 1.5. La profundidad del agua en la salida de la alcantarilla está por debajo de
la cota clave del tubo en la salida. El borde superior en la entrada de la alcantarilla contrae
100 Caracterización experimental de condiciones de flujo mixto
el flujo de manera similar a una compuerta. El flujo es parcialmente lleno y la profundidad
es menor que la profundidad crítica.
Para este tipo de flujo, el caudal en la alcantarilla puede ser calculado con la siguiente
ecuación.
𝑄 = 𝐶𝑑𝐴0√2𝑔(ℎ1 − 𝑧) (17)
Donde 𝐴0 es el área del flujo en la alcantarilla.
▪ Tipo 6: Flujo totalmente lleno en la alcantarilla – salida libre
ℎ1 − 𝑧
𝐷≥ 1.5
Figura 40: Flujo en alcantarillas Tipo 6
Fuente: (Dickinson, 2017)
ℎ4
𝐷≤ 1.0
En el flujo Tipo 6 mostrado en la Figura 40, la alcantarilla está totalmente llena (el flujo se
encuentra a presión) con salida libre. La relación ℎ1−𝑧
𝐷 es mayor que 1.5. La profundidad del
agua en la salida de la alcantarilla no sumerge a la alcantarilla. La ecuación de caudal se
obtiene aplicando la ecuación de energía entre los puntos 1 y 3, despreciando la velocidad
en el punto 1 y las pérdidas debido a la fricción entre el punto 1 y 2.
𝑄 = 𝐶𝑑𝐴0√2𝑔(ℎ1 − ℎ3 − ℎ𝑓,2−3) (18)
101
▪ Curvas de transición entre tipos de flujo
Dado que las condiciones de carga en la entrada o en la salida de la alcantarilla pueden
cambiar, es posible tener transiciones entre los diferentes tipos de flujo al interior del
conducto. La zona de transición se puede definir empíricamente en una gráfica que relacione
el caudal versus la altura del agua en la entrada, como una curva entre y tangente a las curvas
definidas por las ecuaciones de cada tipo de flujo en un punto en específico dentro del
conducto (Bodhaine, 1982).
Dentro de las transiciones más comunes se encuentran las siguientes (Bodhaine, 1982):
• Tipo 1 a Tipo 5: en ambos casos el flujo tiene control de entrada. La transición se
produce por un aumento de carga en la entrada.
• Tipo 2 a Tipo 6: en ambos casos el flujo tiene control de salida. La transición se
produce porque aumenta la carga en la entrada y el conducto pasará a estar en
presión.
• Tipo 5 a Tipo 6: el flujo pasa de control de entrada a control de salida. El flujo dentro
del conducto pasa de lámina libre a flujo en presión.
• Tipo 4 a Tipo 5: el flujo pasa de control de salida a control de entrada. El flujo dentro
del conducto pasa de presión a lámina libre.
• Tipo 4 a Tipo 6: en ambos casos el flujo tiene control de salida. La transición se
produce porque disminuye la carga en la salida del conducto.
Los resultados empíricos muestran que cuando la relación ℎ1−𝑧
𝐷 está entre 1.2 y 1.5 se
presenta una condición de inestabilidad. La variación del caudal en estas transiciones puede
ser representado en gráficas de caudal versus carga en la entrada o en la salida de la
alcantarilla. Para una curva de transición entre flujo Tipo 1 a Tipo 5 es recomendable
representarla con una línea recta entre el caudal calculado para el flujo Tipo 1 y el calculado
para el caso de aumento en la carga de entrada calculada con el Tipo 5 (Bodhaine, 1982).
La Figura 41 presenta un ejemplo de curva de transición para un alcantarillado rectangular
y la Figura 42 para una alcantarilla de sección circular, de flujo Tipo 1 a Tipo 5. La línea
punteada representa la variación del cálculo entre los dos tipos de flujo, debido a que la
transición no es inmediata porque no se produce un cambio instantáneo en la descarga
(Bodhaine, 1982).
102 Caracterización experimental de condiciones de flujo mixto
Figura 41: Curva de transición de flujo Tipo 1 a Tipo 5 en alcantarilla cajón.
Fuente: (Bodhaine, 1982)
Figura 42: Curva de transición de flujo Tipo 1 a Tipo 5 en alcantarilla circular.
Fuente: (Bodhaine, 1982)
103
En una curva que relaciona la transición de flujo Tipo 2 a Tipo 6 la relación ℎ1−𝑧
𝐷 está
limitada a entre 1.25 y 1.75. La transición se puede representar con una línea recta entre el
caudal calculado para el flujo Tipo 2 y el calculado para el caso de aumento en la carga de
entrada calculada con el Tipo 6 (Bodhaine, 1982).
La Figura 43 presenta un ejemplo de curva de transición para un alcantarillado rectangular
y la Figura 44 para una alcantarilla de sección circular, de flujo Tipo 2 a Tipo 6.
Figura 43: Curva de transición de flujo Tipo 2 a Tipo 6 en alcantarilla cajón.
Fuente: (Bodhaine, 1982)
104 Caracterización experimental de condiciones de flujo mixto
Figura 44: Curva de transición de flujo Tipo 2 a Tipo 6 en alcantarilla circular.
Fuente: (Bodhaine, 1982)
Estas curvas son únicas para las características de una alcantarilla porque dependen de las
características que tenga cada sitio. La transición entre curvas es más notable en alcantarillas
con sección cuadrada que en sección circular, esto se debe a la reducción y contracción
gradual en área por unidad de diámetro de alcantarilla a medida que se acerca a la parte
superior del conducto (Bodhaine, 1982).
105
3. Análisis de diseño teórico de alcantarillado
pluvial en la ciudad de Manizales
Este capítulo se divide en dos secciones. La primera contiene una descripción del clima, la
topografía, localización y características de precipitación de la ciudad de Manizales. En la
segunda, se presenta el procedimiento para la obtención del caudal de aguas lluvias que
resulta de la escorrentía en un lote hipotético ubicado en la ciudad de Manizales, el cual se
suministra en la experimentación y se emplea para el diseño hidráulico del conducto de
alcantarillado pluvial que transportaría ese caudal, de acuerdo con la normativa colombiana
vigente.
3.1 Caracterización de la zona de aplicación
En esta sección se presenta una descripción de las características climáticas, topográficas y
de precipitación de la ciudad de Manizales, donde se analizan hipotéticamente las
características de un conducto de alcantarillado adelante.
La ciudad de Manizales, capital del Departamento de Caldas, está localizada en la región
central del occidente colombiano, sobre la prolongación de la cordillera de los Andes. La
ciudad tiene una población de 434,403 habitantes de acuerdo con el censo poblacional oficial
para el año 2018. El relieve de la ciudad es especialmente montañoso, sus alrededores
ofrecen gran diversidad climática, con paisajes de páramo y aguas termales, hasta paisajes
de clima cálido, variada vegetación, ríos y quebradas. Una particularidad de Manizales es
que posee 8 microclimas dentro de su zona urbana, la cual tiene una temperatura media de
18 °C (Vélez, Duque, Mejía, & Orozco, 2012). El relieve es especialmente montañoso, con
alturas que oscilan entre 2,233 y 1,900 msnm.
106 Caracterización experimental de condiciones de flujo mixto
La ubicación de Manizales coincide con una de las zonas más amenazadas del país. En
términos generales, se tiene un alto nivel de riesgo ocasionado principalmente por
terremotos, erupciones volcánicas, deslizamientos de tierra, avalanchas e inundaciones.
Estos últimos detonados principalmente por fuertes lluvias (Vélez et al., 2012). Con el fin
de proporcionar soluciones ambientales eficientes acordes con las necesidades del medio,
incluyendo el seguimiento de variables climáticas en el área urbana asociadas a la
prevención y atención de desastres, la Universidad Nacional de Colombia – sede Manizales
a través de su Instituto de Estudios Ambientales IDEA, junto con entidades de carácter
público y privado han logrado establecer una red de monitoreo para la cuantificación de las
variables hidrometeorológicas a través de una red de monitoreo en tiempo real, la cual viene
funcionando en la ciudad desde el año 2003 (Vélez et al., 2012). La red de estaciones
meteorológicas e hidrometeorológicas de Manizales está compuesta por una estación
hidrometeorológica (Quebrada Palogrande – Ruta 30), trece estaciones meteorológicas
(Alcázares, Aranjuez, Bosques del Norte, Chec-Uribe, El Carmen, Emas, Hospital de
Caldas, Ingeominas, La Nubia, La Palma, Milán-Planta Niza, Posgrados y Yarumos ) y una
estación central. Todas las estaciones se encuentran estratégicamente ubicadas en el área de
la ciudad y transmiten datos cada cinco minutos a un centro de acopio ubicado en el Instituto
IDEA (Vélez et al., 2012). La información recolectada por la red de monitoreo ha permitido
la generación de alertas tempranas para prevención de desastres, en particular, los
relacionados con eventos de lluvia extremos o extensos que accionan deslizamientos en
laderas y taludes de la ciudad, y, en general, al monitoreo permanente del clima para un
mejor conocimiento del entorno urbano ambiental (Mejía, Londoño, & Pachón, 2006).
En Manizales la topografía se caracteriza por dos geoformas con aspecto de “V”, en donde
las cotas más bajas corresponden a los principales afluentes de la ciudad, el río Chinchiná y
la quebrada Olivares. Debido a esta configuración la escorrentía de la ciudad fluye
principalmente a estos dos afluentes. Paralelo a estos ríos se localizan dos vías principales
de la ciudad que son: al lado de la Quebrada Olivares, la Avenida Kevin Ángel y al lado del
Río Chinchiná, la Vía Panamericana. La Avenida Santander, es el parteaguas general de la
ciudad (Rey Valencia, 2019). En la Figura 45 se presenta al lado izquierdo, el mapa de la
zona urbana de la ciudad de Manizales sobre la cual se ha trazado un corte A-A que en la
parte derecha de la figura permite representar el perfil topográfico de Manizales.
107
Figura 45: Caracterización topográfica de Manizales
Fuente: (Rey Valencia, 2019)
La empresa Aguas de Manizales S.A. E.S.P. se encarga de prestar los servicios de acueducto
y alcantarillado en la ciudad. Esta empresa presta sus servicios a los Estratos residenciales
1 al 6, Industrial, Comercial, Oficial y Especial. Actualmente cuenta con un total de
109,133 suscriptores de acueducto y 104,406 suscriptores de alcantarillado a 28 de febrero
de 2018.
▪ Inundaciones pluviales en Manizales
En Manizales, el problema de inundaciones pluviales se ha evidenciado debido entre otros,
a factores como: urbanización – impermeabilización, calles con pendientes altas que generan
grandes velocidades de flujo superficial, y cambios bruscos de pendiente, que combinado
con posibles deficiencias en el sistema de captación, hacen que la escorrentía se acumule
(Rey Valencia, 2019).
Así mismo, dentro de la red de drenaje de la ciudad, también se presentan problemas de
inundación relacionados con insuficiente capacidad hidráulica, sobre todo en el sector
centro, donde la infraestructura fue instalada entre 1930 y 1961 (Rey Valencia, 2019). A
esta causa se suman los factores climáticos locales, debido a la alta variabilidad
espaciotemporal del régimen de precipitaciones. En Manizales, la lluvia media anual
reportada entre 2003 y 2009 por la red meteorológica es de 2178 mm/año (Vélez et al.,
2012). Comparando el valor máximo de lluvia anual en la estación El Carmen (2948 mm)
con el valor mínimo de precipitación en La Enea (1620 mm), se presenta una diferencia del
55%, lo cual indica una elevada variabilidad espacial de la lluvia, teniendo en cuenta que las
108 Caracterización experimental de condiciones de flujo mixto
dos estaciones se encuentran separadas a aproximadamente 11 km en línea recta (Pachón,
2011).
La Figura 46 y Figura 47 a continuación, ilustran respectivamente dos ejemplos de calles
inundadas en la ciudad, que corresponden a una inundación pluvial en la Avenida Kevin
Ángel durante la lluvia ocurrida el 12 de abril de 2016 y la inundación pluvial registrada el
20 de febrero de 2018 en un tramo de la Avenida Kevin Ángel, a la altura de la cancha del
barrio La Asunción. Este sector se encuentra dentro del área de influencia de la estación
meteorológica Hospital de caldas (Pachón Gómez, Mejía Fernández, & Zambrano Nájera,
2018), en la cual, de acuerdo con la base de datos del IDEA, el día 12 de abril de 2016 se
registró una precipitación con magnitud de 38.8 mm y una intensidad máxima de 11.38
mm/h, y el día 20 de febrero de 2018, una precipitación con magnitud de 3.8 mm e intensidad
máxima de 5.88 mm/h.
Figura 46: Avenida Kevin Ángel durante
aguacero, 12 abril 2016. Manizales
Fuente: (La Patria, 2016)
Figura 47: Inundación pluvial Avenida
Kevin Ángel, 20 febrero 2018. Manizales
Fuente: (La Patria, 2018)
En ambos casos se observó las limitaciones del sistema de drenaje para evacuar la
escorrentía. La prensa local reportó colapso de cámaras de inspección, las consecuencias
fueron inundaciones por las calles.
3.2 Diseño del conducto
En esta sección se expone el procedimiento para la obtención del caudal de aguas lluvias
presentado como un hidrograma, y los parámetros empleados para elaborarlo de acuerdo
con lo expuesto anteriormente en la Sección 2.1.
109
3.2.1 Hidrología de la zona de estudio
Se presenta ahora el procedimiento realizado para obtener el caudal que fue suministrado
como caudal de entrada en la experimentación. Esto comprende una caracterización
hidrológica de la zona de estudio. En primer lugar, se presenta la descripción del área de
drenaje; después, el periodo de retorno que se debe asignar según la normativa colombiana
vigente; posteriormente se evalúa el tiempo de concentración. Se evaluaron dos escenarios
de intensidad de lluvia. Finalmente, utilizando el método racional se obtuvieron dos
hidrogramas.
▪ Área de drenaje
El área de drenaje que se presenta en la Figura 48 corresponde a un lote urbano
rectangular hipotético ubicado en la ciudad de Manizales, los lados tienen dimensiones
L1 = 100 m y L2 = 50 m. Se considera que en el centro de este lote se ubica un sumidero
que se encarga de captar la escorrentía que se produce en toda el área. Este tipo de lote
se considera representativo de las condiciones que se podrían encontrar en la zona urbana
central de la ciudad.
Figura 48: Área de drenaje
Esta área de drenaje tiene las siguientes características:
• Cobertura en concreto, que corresponde un coeficiente de escorrentía 𝑅 de 0.95.
• La pendiente media de la superficie de escurrimiento hacia el sumidero es de 2%,
como así se considera para bombeos en vías y parqueaderos en Colombia (INVIAS,
2009).
• El área total 𝐴 corresponde a 5,000 m2 o 0.5 hectáreas.
L1 = 100 m
Lote hipotético
Sumidero L2 = 50 m
110 Caracterización experimental de condiciones de flujo mixto
▪ Periodo de retorno
El periodo de retorno se seleccionó de acuerdo con la normativa vigente presentada
anteriormente. Para un tramo inicial de alcantarillado pluvial con área menor de 2
hectáreas se selecciona un periodo de retorno de 5 años.
▪ Tiempo de concentración
El tiempo de concentración fue evaluado con el modelo de Kerby. Para aplicar este
modelo se debe conocer la distancia máxima que recorre el agua en la superficie, la
pendiente media de la ruta recorrida y la cobertura de la superficie. A continuación, se
describe como se obtiene cada uno de estos parámetros.
• Longitud del curso de agua más largo une el punto localizado en cualquiera de las
cuatro esquinas con el centro del lote, donde se ubica el sumidero, corresponde a 96
m.
• La pendiente media de la superficie de escurrimiento es 2%.
• El factor para caracterizar la cobertura del área de drenaje se asocia a una cobertura
en concreto. Por tanto, para el modelo de Kerby se asigna un coeficiente de rugosidad
de Manning de 0.02 (Briere, 2007).
Para las características de estudio antes mencionadas y haciendo uso de la Ecuación (3),
el tiempo de concentración calculado corresponde a 4 minutos.
▪ Intensidad de lluvia
En este trabajo se evaluaron dos escenarios de precipitación que se exponen a
continuación después de presentar el procedimiento de que fue utilizado para obtener el
hidrograma asociado a cada escenario.
▪ Hidrograma de escorrentía
El caudal máximo en la salida de la cuenca se evaluó utilizando el método racional. Se
elaboraron los dos hidrogramas sintéticos para representar la distribución de estos
caudales en el tiempo. El tiempo total corresponde al tiempo de concentración y fue
dividido en intervalos de 30 segundos (0.5 minutos). En los hidrogramas, el caudal
111
empieza en 0 m3/s e incrementa en el tiempo en función del área de drenaje aportante,
hasta alcanzar el máximo con el aporte de toda el área de la cuenca. Las áreas aportantes
fueron construidas con isócronas que unen los puntos que tienen el mismo tiempo de
escurrimiento.
Conocidos los tiempos de escurrimiento, con la Ecuación de Kerby se determinó la
ubicación de los puntos dentro de la cuenca con igual tiempo de concentración. En esta
ecuación, ingresando 𝑡𝑐 como cada uno de los tiempos antes mencionados, se despeja 𝐿,
la longitud que ha recorrido el agua en ese tiempo, si se unieran esos puntos, las isócronas
formarían círculos, sin embargo, considerando que el lote hipotético es rectangular, las
áreas aportantes se aproximan a rectángulos y la longitud que se ha calculado será la
distancia desde una de las esquinas de este rectángulo hasta el centro del lote (sumidero).
En la Figura 49 se presenta esquemáticamente el área de drenaje de la cuenca, las
isócronas para un tiempo 𝑡𝑗 y 𝑡𝑗−1, las longitudes 𝐿𝑗 y 𝐿𝑗−1 que representan la distancia
que recorre el agua desde todos los puntos 𝑗 hasta la salida y el área aportante 𝐴𝑗
comprendida entre estas isócronas.
Figura 49: Esquema área aportante
Conocidos los valores de las áreas aportantes, el caudal que cada una genera se calcula con
la Ecuación del método racional, considerando el coeficiente de escorrentía 𝑅 y la intensidad
de la lluvia 𝐼 constantes para toda la cuenca y durante toda la duración de la lluvia. Al
𝐴𝑗
𝑡𝑗 𝐿𝑗−1
𝐿𝑗
𝑡𝑗−1
112 Caracterización experimental de condiciones de flujo mixto
graficar estos caudales en función del tiempo se obtiene los hidrogramas presentados en la
Figura 51 para el escenario 1 y en la Figura 52 para el escenario 2. En ambos casos, el
descenso de la lluvia después de alcanzar el máximo aporte en un tiempo igual al tiempo de
concentración se representa como un comportamiento similar a la manera en cómo se fue
dando el aporte.
▪ Escenario 1: corresponde a la precipitación dada para la ciudad de Manizales a través de
las curvas IDF suministradas por el Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios
Ambientales IDEAM. La Figura 50 presenta la curva IDF para la ciudad de Manizales,
estas curvas se generaron a partir de información de la estación meteorológica ubicada
en el sector La Nubia. También se presenta la ecuación generalizada para calcular la
intensidad, en función de los coeficientes y la duración requerida. Estos coeficientes para
la ecuación de intensidades, para diferentes periodos de retorno se encuentran en los
Anexos.
Figura 50: Curva IDF para la ciudad de Manizales
Fuente: (IDEAM, 2018)
La intensidad de la lluvia 𝐼 obtenida es de 105.4 mm/h, asociada a un periodo de retorno
de 5 años y tiempo de concentración (duración de la lluvia) de 4 minutos. Con las
características de la zona de estudio, el caudal asociado a esta intensidad es de 0.14 m3/s.
En la Figura 51 a continuación se presenta el hidrograma para el escenario 1.
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60
Inte
nsi
dad
, I,
(m
m/h
)
Duración, t, (minutos)
Tr = 2
Tr = 3
Tr = 5
Tr = 10
Tr = 25
Tr = 50
Tr = 100
𝐼 =𝐶1
(𝐷 + 𝑋0)𝐶2
113
Figura 51: Hidrograma de precipitación simulado en el escenario 1
▪ Escenario 2: corresponde a una intensidad de 117.6 mm/h que fue el valor de intensidad
máxima registrado en la estación Hospital de Caldas en el evento del 19 de abril de 2017.
Con las características de la zona de estudio, el caudal asociado a esta intensidad es de
0.16 m3/s. En la Figura 52 a continuación se presenta el hidrograma para el escenario 2.
Figura 52: Hidrograma de precipitación simulado en el escenario 2
0
20
40
60
80
100
120
140
160
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
5.0
5.5
6.0
6.5
7.0
7.5
8.0
Ca
ud
al,
Q (
l/s)
Tiempo, t (minutos)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
5.0
5.5
6.0
6.5
7.0
7.5
8.0
Ca
ud
al,
Q (
l/s)
Tiempo, t (minutos)
114 Caracterización experimental de condiciones de flujo mixto
A continuación en la Tabla 7 se presentan de forma resumida todos los parámetros descritos
en esta sección y que permitieron obtener el caudal de aguas lluvia. El caudal Q1
corresponde al escenario 1, por lo tanto, representa el caudal de diseño. El caudal Q2
corresponde al escenario 2 y representa un caudal superior al caudal de diseño.
Tabla 7: Parámetros para la obtención del caudal pico de lluvia de diseño
Parámetro Valor Unidad
Área (A) 5000 m2
Coeficiente escorrentía (C) 0.95 -
Pendiente (S) 0.02 m/m
Periodo de retorno (Tr) 5 años
Tiempo de concentración (Tc) 4.0 minutos
Intensidad escenario 1 (I1) 105.4 mm/h
Intensidad escenario 2 (I2) 117.6 mm/h
Caudal escenario 1 (Q1) 0.14 m3/s
Caudal escenario 2 (Q2) 0.16 m3/s
3.2.2 Hidráulica del alcantarillado
En esta sección se presenta el procedimiento desarrollado para estimar el tamaño de un
conducto de alcantarillado pluvial que siguiendo la normativa colombiana vigente, se
encargaría de conducir el caudal de diseño correspondiente al escenario 1 antes descrito. Los
pasos que se describen a continuación son los presentados en la sección 2.2.2 para el cálculo
de las variables hidráulicas del conducto, en este caso, para el transporte del caudal de diseño
𝑄𝑑 igual a 0.14 m3/s.
▪ En primer lugar, con la Ecuación (10) se calculó el diámetro mínimo (𝑑𝑟) requerido para
transportar el caudal de diseño (𝑄𝑑) en condiciones de flujo uniforme, este diámetro es
de 0.26 m.
▪ Posteriormente, se seleccionó el diámetro de diseño (𝑑𝐷) de 10 pulgadas, el cual tiene
asociado un diámetro interno de 0.26 m.
115
▪ Con el diámetro de diseño (𝑑𝐷) y la pendiente mínima asignada de 2%, se utilizó la
Ecuación (11) para calcular el caudal a flujo lleno (𝑄𝑜) que transportaría este conducto.
Este caudal corresponde a 0.14 m3/s.
▪ Con 𝑄𝑑 y 𝑄𝑜 conocidos, se calculó la relación hidráulica de caudales (𝑄𝑑/𝑄𝑜), el valor
obtenido fue 1.03. A esta relación hidráulica, se asoció una relación hidráulica de
velocidades (𝑉𝑑/𝑉𝑜) de 1.14.
▪ Con la Ecuación (12) se calculó la velocidad a flujo lleno (𝑉𝑜) para el diámetro de diseño
(𝑑𝐷) y la pendiente mínima asignada de 2%. Esta corresponde a 2.55 m/s.
▪ De esta manera, la velocidad real del flujo parcialmente lleno (𝑉𝑑) a través del conducto
se calculó empleando la velocidad a flujo lleno (𝑉𝑜) y la relación hidráulica de
velocidades para conductos circulares (𝑉𝑑/𝑉𝑜). La velocidad real es de 2.91 m/s, este
valor se encuentra por debajo del máximo establecido por la resolución 0330. Con
respecto a la velocidad mínima, se calculó el esfuerzo cortante3 (τ) en la pared de la
tubería y este satisface la limitación de la normativa.
Posteriormente, siguiendo el mismo procedimiento se evaluaron las variables hidráulicas de
diseño para el caso en el cual se suministre un caudal que supere al diseño, en este caso, el
correspondiente al escenario 2. Las variables obtenidas en ambos escenarios se encuentran
consignadas en la siguiente sección.
3.2.3 Resultados teóricos
En la Tabla 8 se presentan las variables hidráulicas de diseño que permiten transportar el
caudal con un régimen de flujo libre y cumpliendo con los requisitos de la normativa
colombiana expuestos en la Tabla 2, para el escenario 1. En esta misma tabla también se
presentan las variables hidráulicas obtenidas cuando se suministra el caudal del escenario 2
para la misma configuración del escenario 1.
3 Tanto para canales como para tuberías, el corte medio sobre el fondo es 𝜏 = 𝑔𝑅𝑆 (Rocha, 2007); donde
es la densidad del fluido, 𝑔 es la aceleración de la gravedad, 𝑅 es el radio hidráulico de la sección transversal,
y 𝑆 es la pendiente del conducto.
116 Caracterización experimental de condiciones de flujo mixto
Tabla 8: Variables hidráulicas de diseño para los caudales suministrados en los escenarios
1 y 2
Escenario
𝑰 𝑸𝒅 𝑺 𝒅𝑫 𝒅𝒓 𝑸𝒐 𝑸𝒅
𝑸𝒐
𝑽𝒅
𝑽𝒐
𝑽𝒐 𝑽𝒅 τ 𝒚
𝒅𝑫
mm/h m3/s m/m m m m3/s m/s m/s Pa
1 105.4 0.14 0.02 0.26 0.26 0.14 1.03 1.14 2.55 2.91 15.5 0.85
2 117.6 0.16 0.02 0.26 0.27 0.14 1.15 1.00 2.55 2.55 12.8 1.004
La Tabla 8 permite observar que el caudal de diseño de 0.14 m3/s determinado para el lote
y sumidero hipotético puede ser evacuado con una pendiente de 2% y un diámetro de 0.26
m; en este caso se obtendrá una velocidad real de 2.91 m/s y el flujo alcanzará una relación
profundidad – diámetro de 0.85, el cual es menor a 0.93 (prescrito como el máximo
permitido por la normativa).
4 Cuando se suministra un caudal superior al de diseño (0.16 m3/s), la relación profundidad
– diámetro es mayor que 1.0 aunque en esta tabla se presenta como 1.0 debido a que este es
el máximo valor que se obtiene empleando la ecuación de Manning que considera el flujo
en lámina libre. La velocidad presentada en la tabla corresponde a la que tendría el conducto
si estuviera totalmente lleno, pero sin presión. Tener una relación profundidad – diámetro
superior a 1.0 indica que el flujo está en presión, es decir que, el flujo ha superado la
capacidad de la tubería y la ecuación de Manning ya no es aplicable.
117
4. Desarrollo experimental
Este capítulo se divide en cinco secciones. La primera describe el montaje experimental y
el proceso realizado para caracterizar el flujo dentro del conducto de alcantarillado. La
segunda presenta los resultados preliminares que fueron obtenidos en la experimentación.
La tercera expone la interpretación de estos resultados preliminares. La cuarta presenta los
resultados de las condiciones de flujo en transición y la última, las conclusiones del capítulo.
4.1 Caracterización experimental del alcantarillado de estudio
En esta sección se presenta en primer lugar, la descripción del montaje experimental y
posteriormente, el protocolo y proceso experimental.
4.1.1 Descripción del montaje experimental
El montaje experimental se realizó en el laboratorio de hidráulica “Jorge Ramírez Giraldo”
de la Universidad Nacional de Colombia sede Manizales. En la Figura 53 se presenta la foto
y en la Figura 54, el esquema de este montaje experimental, el cual consta de un tanque
elevado aguas arriba, un tanque aguas abajo, una tubería de CPVC de 18 m de longitud y
0.26 m de diámetro interno, y una válvula de control en el extremo aguas arriba que permite
controlar las condiciones del flujo. Durante la experimentación se realizaron diferentes
ensayos variando el caudal de entrada con operación de la válvula. Esta configuración
experimental representa un conducto de alcantarillado pluvial, que aguas arriba está
conectado a un sumidero por donde ingresa el flujo, y aguas abajo se conecta a una cámara
de inspección.
118 Caracterización experimental de condiciones de flujo mixto
Figura 53: Foto del montaje experimental
1) tanque elevado; 2) válvula; 3) tubería; 4) ventana; 5) salida de la tubería; 6) tanque
aguas abajo; 7) tablero de piezómetros.
Figura 54: Esquema del montaje experimental
1.2 m
Tanque elevado
3.5 m 18.0 m
5.7 m
Válvula de control
D=8” tipo sluice gate
Tubería CPVC D=10”, S =2% Tanque bajo
Tubería PVC D=8”, S =0%
7
1
3
5
6
2
4
119
En la Figura 55 se presentan tres fotos del tanque elevado ubicado aguas arriba, y en la
Figura 56 se expone el esquema asociado. El tanque tiene una altura de 4 metros y se
compone de 3 cámaras que se pueden observar enumeradas en las fotos y en el esquema. El
agua fue suministrada por una tubería de 12 pulgadas que está conectada con la cámara 2,
la cual a su vez, entrega agua a las cámaras 1 y 3 a través de tuberías de 6 pulgadas. La
conexión del tanque elevado con la tubería de CPVC del montaje se hizo a través de la
cámara 1, que tiene capacidad de 35 m3. De esta manera, la cámara 1 representa propiamente
el tanque elevado, mientras que las cámaras 2 y 3 se encargan de almacenar el agua.
Figura 55: Fotos tanque elevado
Figura 56: Esquema tanque elevado
Cámara
No.1
Cámara
No. 2
Cámara No. 1 Cámara No. 3
Cámara No. 2
Tubería D=8”, S =0%
Válvula de control
D=8” tipo sluice gate
Válvula de control
D=6” tipo sluice gate 1.2 m
3.5 m
5.9 m
3.4 m
120 Caracterización experimental de condiciones de flujo mixto
Para instalar la válvula de control del sistema, en primer lugar se conectó al tanque una
tubería de PVC de 8 pulgadas de diámetro y 1.20 m de longitud, con pendiente nula.
Posteriormente se ubicó la válvula de control del montaje, la cual es de tipo sluice gate de 8
pulgadas de diámetro. Por tanto, esta válvula se ubicó a una distancia de 1.20 m a partir de
la pared exterior del tanque y define el punto de inicio del conducto de estudio, es decir, la
tubería atrás de la válvula no se analizará en esta experimentación. A continuación en la
Figura 57 se presentan 3 fotos de la válvula de control.
Figura 57: Válvula de control tipo sluice gate de 8 pulgadas de diámetro
La tubería del montaje se elaboró con 3 tuberías de CPVC de 6 m de longitud y 10 pulgadas
de diámetro (diámetro interno de 0.26 m). Estas tuberías fueron unidas para obtener un solo
conducto de 18 m de longitud en el cual se fijó una pendiente longitudinal de 2%. A
continuación en la Figura 58 se presentan dos fotos de la tubería, la imagen del lado
izquierdo presenta el primer tramo de la tubería y la imagen del lado derecho presenta una
de las uniones utilizadas.
121
Figura 58: Fotos de la tubería de CPVC del montaje experimental
Una ventana rectangular en acrílico de dimensiones 0.30 m de alto y 0.40 m de largo fue
instalada a 0.70 m del inicio del conducto, con el fin de observar el comportamiento y la
altura de la lámina del flujo en esta sección. En la Figura 59 se presentan 3 fotos de la
ventana, en el lado derecho, la imagen superior presenta una visualización del flujo en
lámina libre, y la imagen inferior presenta la visualización del flujo en presión.
Figura 59: Ventana de acrílico instalada en el conducto
A una distancia de 0.50 m a partir del final del conducto, en la parte superior de este, se hizo
una perforación rectangular de dimensiones 0.12 m de largo y 0.10 m de ancho, con el fin
de permitir tomar las mediciones de caudal con un correntómetro. En la Figura 60 se
presentan 3 fotos de este tramo de la tubería.
122 Caracterización experimental de condiciones de flujo mixto
Figura 60: Perforación en la tubería para medición de caudal
En la Figura 61 se presentan 2 fotos del tanque ubicado aguas abajo, el cual tiene
dimensiones externas 1.5 m de alto y 5.7 m de largo. Su capacidad de almacenamiento es de
9.2 m3 y su función dentro de la experimentación fue recibir el flujo que posteriormente fue
devuelto al tanque de almacenamiento del laboratorio que alimenta a todo el sistema. La
imagen del lado izquierdo es una visualización exterior y la del lado derecho una
visualización desde el interior.
Figura 61: Tanque ubicado aguas abajo
123
Instrumentación
El caudal en el sistema se midió en la salida de la tubería con un correntómetro OTT MF
pro. En las mediciones se utilizó una varilla de vadeo para ensamblar el sensor
electromagnético y ubicarlo en la perforación al final de la tubería. En la Figura 62 se
presentan 3 fotografías del medidor OTT y de los componentes utilizados, el medidor
portátil, el cable del sensor, el sensor y el ensamblaje en la varilla de vadeo.
Figura 62: Medidor de flujo electromagnético OTT MF pro y componentes utilizados
Para registrar el nivel de la lámina de agua a lo largo de la tubería, se instalaron 16
piezómetros a lo largo de la tubería. Medidos desde aguas arriba, el primero se ubicó a 0.30
m, el segundo a 0.60 m, el tercero a 1.50 m y de allí en adelante, los 13 piezómetros restantes
se ubicaron cada 1 m. Estos piezómetros fueron conectados a un tablero que se ubicó en una
de las paredes del tanque elevado. En la Figura 63 se presentan 3 fotos donde se puede
observar la ubicación del tablero y los piezómetros.
Para registrar la altura de la lámina y las condiciones del flujo en la ventana y en la salida,
se utilizó una cámara que permitió tomar 30 fotogramas por segundo.
124 Caracterización experimental de condiciones de flujo mixto
Figura 63: Piezómetros utilizados para medir la presión a lo largo de la tubería
4.1.2 Proceso experimental
Con el montaje y el proceso experimental que se describe a continuación se busca simular
las condiciones que pueden llevar a la ocurrencia de flujo mixto dentro de un conducto de
alcantarillado pluvial. En esta investigación se estudió la entrada en presión desde el extremo
aguas arriba en un conducto que representa el tramo inicial del sistema de alcantarillado.
Para observar la transición del flujo, se tuvo como enfoque proporcionar un caudal variable
en el tiempo, que simule un incremento progresivo hasta alcanzar un valor máximo con el
cual la tubería entraría en presión; y así mismo, simular la disminución progresiva del caudal
y observar el comportamiento del flujo dentro de la tubería. De esta manera, el suministro
de caudal se realizó con la válvula de control de 8 pulgadas de diámetro que se muestra en
la Figura 54. Todas las pruebas comenzaron con un nivel inicial establecido en el tanque
elevado y tuvieron una duración de 300 segundos (5 minutos).
Dado que el desarrollo de las pruebas es controlado con la manipulación de la válvula de
control, y el nivel en el tanque es variable, se busca realizar pruebas para conocer la
evolución del nivel en el tanque elevado a través del tiempo y su relación con la apertura y
cierre progresivo de la válvula.
125
También se busca realizar pruebas para conocer la evolución de la velocidad del flujo en la
salida y la evolución de la relación de llenado en la ventana y en la salida, para obtener la
caracterización del flujo. A continuación en la Tabla 9 se presentan las condiciones para el
desarrollo de 14 pruebas, en las que se desea conocer la evolución a través del tiempo del
nivel en el tanque elevado, de la velocidad en la salida y de la relación de llenado en la
ventana y en la salida y su relación con el caudal suministrado, el cual está determinado por
la manipulación de la válvula.
Tabla 9: Protocolo para el desarrollo de las pruebas de experimentación
Serial Nivel inicial
(m)
No.
Ensayos Nota
0.0.1
0.0.1.A 3.0 2
Determinar la relación del nivel en el tanque
elevado con la apertura y cierre progresivo
de la válvula en el tiempo.
0.0.1.B
0.0.1.C
3.5 6
0.0.1.D
0.0.1.E
0.0.1.F
0.0.1.G
0.0.1.H
0.0.2
0.0.2.A
3.0 3
Evaluar la velocidad del flujo en la salida de
la tubería a través del tiempo para establecer
una relación con la apertura y cierre
progresivo de la válvula.
0.0.2.B
0.0.2.C
0.0.3
0.0.3.A 3.0 1 Registrar con grabaciones simultáneas el
comportamiento del flujo en la ventana y en
la salida de la tubería, para identificar el
régimen del flujo y el nivel de la lámina en
el tiempo, y la variación de estos parámetros
con la apertura y cierre progresivo de la
válvula.
0.0.3.B
3.5 2
0.0.3.C
Las pruebas experimentales se desarrollaron de acuerdo con el siguiente procedimiento:
1. Se dejó llenar el tanque elevado con agua hasta un nivel establecido, mientras la válvula
estuvo totalmente cerrada.
126 Caracterización experimental de condiciones de flujo mixto
2. Cuando el nivel establecido fue alcanzado, se inició una apertura progresiva de la válvula
en el tiempo, que permitió la entrada de flujo a la tubería.
3. El suministro progresivo del flujo se llevó a cabo con una apertura de 1/5 de la válvula
cada 30 segundos.
4. Cuando transcurrieron 120 segundos, se alcanzó la apertura total de la válvula, a partir
de este momento, en la ventana se observó un frente de onda que ocupó toda la sección
de la tubería y viajó hacia aguas abajo.
5. La válvula estuvo totalmente abierta durante 30 segundos más, y a partir de allí, en el
instante de tiempo correspondiente a 150 segundos, se inició un cierre progresivo, de la
misma manera como se realizó la apertura.
6. En el momento que transcurrieron 270 segundos, la válvula se cerró totalmente. El
experimento finalizó cuando el flujo se evacuó totalmente de la tubería.
A continuación en la Figura 64 se presenta el hidrograma que se suministraría con la válvula
de control de acuerdo con el proceso experimental descrito, evaluado para condiciones de
flujo uniforme y, los hidrogramas correspondientes a los escenarios 1 y 2.
Figura 64: Hidrogramas: suministrado con la válvula de control, escenario 1 y 2
0.00
0.02
0.04
0.06
0.08
0.10
0.12
0.14
0.16
0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300
Ca
ud
al,
Q(m
3/s
)
Tiempo, t (segundos)
Teórico con la válvula de control Escenario 1 Escenario 2
127
4.2 Resultados preliminares de la experimentación
De acuerdo con el protocolo para el desarrollo de las pruebas experimentales expuesto
anteriormente, en esta sección se presentan los resultados preliminares obtenidos de la
experimentación, los cuales fueron divididos en los subsecciones. La primera presenta los
resultados de las pruebas realizadas para un nivel inicial de 3.0 m en el tanque elevado y la
segunda, los resultados de las pruebas para un nivel inicial de 3.5 m.
4.2.1 Nivel en el tanque elevado 3.0 m
A continuación se exponen los resultados de 6 pruebas experimentales, la condición inicial
en todas las pruebas fue un nivel inicial en el tanque elevado de 3.0 m por encima de la cota
batea de la tubería.
En la Figura 65 se presenta la evolución del nivel en el tanque elevado a través del tiempo,
estos resultados corresponden al nivel promedio registrado durante las pruebas 0.0.1.A y
0.0.1.B.
En la Figura 66 se presenta la evolución de la velocidad en la salida de la tubería a través
del tiempo, estos resultados corresponden a la velocidad medida con el correntómetro OTT
MF pro en las pruebas 0.0.2.A, 0.0.2.B y 0.0.2.C. En esta misma figura también se presenta
la velocidad promedio de estas pruebas y la velocidad teórica considerando flujo uniforme,
calculada con la ecuación de Manning.
En la Figura 67 se presenta la evolución a través del tiempo de la relación de llenado teórica
de acuerdo con la apertura de la válvula y también, la registrada en las grabaciones de video
en la ventana y en la salida de la tubería en la prueba 0.0.3.A.
En la Tabla 10 se presentan las imágenes obtenidas cada 30 segundos de las grabaciones de
video realizadas en la ventana y en la salida de la tubería en la prueba 0.0.3.A, en estas
imágenes se puede observar además de la evolución de la lámina y la consecuente relación
de llenado, también el comportamiento del flujo, el oleaje que se forma en la superficie del
flujo y el contenido de aire que se mezcla con el agua. En la tabla también se presenta para
cada tiempo, el nivel observado en el tanque elevado.
128 Caracterización experimental de condiciones de flujo mixto
Figura 65: Nivel en el tanque a través del tiempo para un nivel inicial de 3.0 m
Figura 66: Velocidad en la salida a través del tiempo para un nivel inicial de 3.0 m
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300
Niv
el e
n e
l ta
nq
ue,h
(m)
Tiempo, t (segundos)
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300
Vel
oci
dad
,V
(m
/s)
Tiempo, t (segundos)
0.0.2.A 0.0.2.B 0.0.2.C Promedio Flujo uniforme
129
Figura 67: Relación de llenado en el tiempo para un nivel inicial de 3.0 m
Tabla 10: Imágenes de la grabación en la ventana y en la salida de la tubería, prueba
0.0.3.A
Tiempo
(segundos)
Nivel
(m) Ventana de la tubería Salida de la tubería
30 3.10
60 3.02
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300
Rel
aci
ón
de
llen
ad
o,y/
D (
m/m
)
Tiempo, t (segundos)
Teórico Ventana Salida
130 Caracterización experimental de condiciones de flujo mixto
Tiempo
(segundos)
Nivel
(m) Ventana de la tubería Salida de la tubería
90
2.85
120 2.62
150 2.30
180 2.04
210 1.94
240 1.97
131
Tiempo
(segundos)
Nivel
(m) Ventana de la tubería Salida de la tubería
270 2.11
300 2.36
4.2.2 Nivel en el tanque elevado 3.5 m
A continuación se exponen los resultados de 8 pruebas experimentales, la condición inicial
en todas las pruebas fue un nivel inicial en el tanque elevado de 3.5 m por encima de la cota
batea de la tubería.
En la Figura 68 se presenta la evolución del nivel en el tanque elevado a través del tiempo,
estos resultados corresponden al nivel promedio registrado durante las pruebas 0.0.1.C hasta
0.0.1.H.
En la Figura 69 se presenta la evolución a través del tiempo de la relación de llenado teórica
de acuerdo con la apertura de la válvula y también el promedio de la registrada en las
grabaciones de video en la ventana y en la salida de la tubería en la prueba 0.0.3.B y 0.0.3.C.
En la Tabla 11 se presentan las imágenes obtenidas cada 30 segundos de las grabaciones de
video realizadas en la ventana y en la salida de la tubería en la prueba 0.0.3.B. En esta serie
de imágenes se puede observar además de la evolución de la lámina y la consecuente
relación de llenado, también el comportamiento del flujo, el oleaje que se forma en la
superficie del flujo y el contenido de aire que se mezcla con el agua. En la tabla también se
presenta para cada tiempo, el nivel observado en el tanque elevado.
132 Caracterización experimental de condiciones de flujo mixto
Figura 68: Nivel en el tanque a través del tiempo para un nivel inicial de 3.5 m
Figura 69: Relación de llenado teórico en el tiempo para un nivel inicial de 3.5 m
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300
Niv
el e
n e
l ta
nq
ue,h
(m)
Tiempo, t (segundos)
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300
Rel
aci
ón
de
llen
ad
o,y/
D (
m/m
)
Tiempo, t (segundos)
Teórico Ventana Salida
133
Tabla 11: Imágenes de la grabación en la ventana y en la salida de la tubería, prueba
0.0.3.B
Tiempo
(segundos)
Nivel
(m) Ventana de la tubería Salida de la tubería
30 3.48
60
3.33
90
3.11
120 2.82
150 2.45
134 Caracterización experimental de condiciones de flujo mixto
Tiempo
(segundos)
Nivel
(m) Ventana de la tubería Salida de la tubería
180 2.17
210 2.05
240 2.07
270 2.21
300 2.46
135
4.3 Interpretación de los resultados experimentales
En esta sección se presenta una interpretación de los resultados expuestos, en primer lugar,
de las pruebas experimentales con un nivel inicial en el tanque elevado de 3.0 m y
posteriormente, para las pruebas con un nivel inicial de 3.5 m.
4.3.1 Nivel en el tanque elevado 3.0 m
La Figura 70 a continuación presenta la evolución a través del tiempo del caudal, el
calculado por continuidad empleando la velocidad promedio medida y la profundidad del
agua observada, y el calculado considerando flujo uniforme empleando únicamente la
profundidad del agua observada. En esta figura, la línea de color naranja representa el caudal
asociado a una relación de llenado de 0.93, prescrita en la norma como la máxima permitida
para el caudal de diseño. En la Figura 71 se presenta la evolución en el tiempo de la
velocidad en la salida de la tubería y la relación de llenado en la ventana y en la salida.
En estas figuras se presentan 3 líneas con sus respectivas anotaciones, una indicando el
instante de tiempo en que la válvula empezó a cerrarse, en 150 segundos. Las otras dos,
representan el inicio y el fin del flujo a presión que se pudo observar en el registro de video
en la ventana de la tubería, que en este caso corresponden a 124 y 242 segundos,
respectivamente y, vinculan la información de velocidad, caudal y relación de llenado, con
la Tabla 12 y Tabla 13, que en la siguiente sección presentan una serie de imágenes que
permiten detallar estas transiciones del flujo para un nivel inicial de 3.0 m en el tanque
elevado. De esta manera, en la sección de la ventana en la tubería se pudo observar flujo en
presión durante 118 segundos. En el inicio de la presurización, el nivel del agua en el tanque
elevado fue de 2.55 m y en la salida se registró una velocidad de alrededor de 2.4 m/s.
La relación de llenado en la ventana incrementó bruscamente en 3 segundos y el flujo ocupó
toda la sección, esta onda viajó por la tubería y sus efectos se observaron aguas abajo
después de 11 segundos. En la Figura 71 se puede observar que el cierre de la válvula inició
a partir de 150 segundos, y sin embargo, el flujo en la ventana se mantuvo en presión durante
94 segundos más, es decir, durante este lapso, hubo presencia de flujo mixto dentro de la
tubería. Este resalto desapareció en el instante de tiempo correspondiente a 242 segundos, y
la transición fue brusca.
136 Caracterización experimental de condiciones de flujo mixto
Figura 70: Caudal a través del tiempo para un nivel inicial de 3.0 m
Figura 71: Velocidad y relación de llenado en el tiempo para un nivel inicial de 3.0 m
Tabla 12 Tabla 13
Cierre de la válvula
0.00
0.02
0.04
0.06
0.08
0.10
0.12
0.14
0.16
0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300
Ca
ud
al,
Q(m
3/s
)
Tiempo, t (segundos)
Caudal para velocidad promedio Caudal para flujo uniforme
Caudal teórico cuando y/D = 0.93
Tabla 12 Tabla 13
Cierre de la válvula
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300
Vel
oci
da
d,V
(m
/s)
Rel
aci
ón
de
llen
ad
o,y/
D (
m/m
)
Tiempo, t (segundos)
Relación de llenado en la ventana Relación de llenado en la salida
Velocidad promedio
137
4.3.2 Nivel en el tanque elevado 3.5 m
La Figura 72 a continuación presenta la evolución a través del tiempo del caudal calculado
considerando flujo uniforme a partir de la observación de la profundidad de la lámina de
agua en el tiempo y la relación de llenado en la ventana y en la salida de la tubería. La línea
de color naranja en esta figura representa el caudal asociado a una relación de llenado de
0.93, prescrita en la norma como la máxima permitida para el caudal de diseño.
En esta figura se presentan además, 3 líneas con sus respectivas anotaciones, una indicando
el instante de tiempo en que la válvula empezó a cerrarse, en 150 segundos. Las otras dos,
representan el inicio y el fin del flujo a presión que se pudo observar en el registro de video
en la ventana de la tubería, que en este caso corresponden a 128 y 252 segundos,
respectivamente. Estas últimas líneas también vinculan la información de caudal teórico y
relación de llenado con la Tabla 14 y Tabla 15, que en la siguiente sección presentan una
serie de imágenes que permiten detallar las transiciones del flujo para un nivel inicial de 3.5
m en el tanque elevado.
De esta manera, en la sección de la ventana en la tubería se pudo observar flujo en presión
durante 124 segundos. En el inicio de la presurización, el nivel del agua en el tanque elevado
fue de 2.72 m. Así como en el caso anterior, la relación de llenado en la ventana incrementó
bruscamente en 3 segundos y el flujo ocupó toda la sección, esta onda viajó por la tubería y
sus efectos se observaron aguas abajo después de 10 segundos.
En la Figura 72 se puede observar además, que el cierre de la válvula inició a partir de 150
segundos, y sin embargo, el flujo en la ventana se mantuvo en presión durante 102 segundos
más. En este momento hubo una transición a lámina libre, caracterizada por una disminución
brusca del nivel (relación de llenado).
138
Figura 72: Caudal y relación de llenado en el tiempo para un nivel inicial de 3.5 m
Tabla 14 Tabla 15
Cierre de la válvula
0.00
0.02
0.04
0.06
0.08
0.10
0.12
0.14
0.16
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300
Cau
dal,
Q (
m3/s
)
Rel
aci
ón
de
llen
ad
o,y/
D (
m/m
)
Tiempo, t (segundos)
Relación de llenado en la ventna Relación de llenado en la salida
Caudal para flujo uniforme Caudal teórico cuando y/D = 0.93
139
4.4 Condiciones del flujo en transición
En esta sección se presenta una serie de imágenes de dos momentos dentro del experimento
donde se pudo observar la transición del flujo. En primer lugar, cuando la válvula se abrió
totalmente (120 segundos) y el flujo entró en presión desde el extremo aguas arriba, y
segundo, cuando la válvula estuvo cerrada 4/5 partes, permitiendo un ingreso mínimo del
flujo (tiempo alrededor de 240 – 250 segundos) y el resalto dentro de la tubería desapareció,
en consecuencia, el flujo fue nuevamente en lámina libre.
A continuación, para un nivel inicial de 3.0 m en el tanque elevado, se presenta
respectivamente en la Tabla 12 las condiciones del flujo en transición lámina libre – presión
y en la Tabla 13, las condiciones del flujo en transición presión – lámina libre. Para el nivel
inicial de 3.5 m en el tanque elevado, se presentan estas condiciones en el mismo orden en
la Tabla 14 y Tabla 15.
Para las condiciones del flujo en transición lámina libre – presión, el desarrollo de las etapas
presentadas fue similar, salvo que las imágenes que representan el nivel inicial en el tanque
de 3.5 m tienen en general mayor cantidad de aire mezclado con agua.
Para las condiciones del flujo en transición presión – lámina libre, también se desarrollaron
etapas similares, en este caso, la transición cuando el nivel inicial en el tanque elevado fue
de 3.0 m inició con una bolsa de aire de mayor espesor delante del resalto y el oleaje fue
menos intenso que cuando el nivel inicial fue de 3.5 m.
En las imágenes de dibujaron flechas de color rojo que indican la dirección del flujo, de
aguas arriba hacia aguas abajo. Las flechas de color verde que aparecen en algunas de las
imágenes indican la dirección de la onda de retroceso cuando se recuperaron las condiciones
de flujo en lámina libre.
140 Caracterización experimental de condiciones de flujo mixto
Tabla 12: Flujo en transición lámina libre – presión, nivel inicial en el tanque de 3.0 m
Tiempo: 120 segundos
La relación de llenado es aproximadamente de 0.8, en
la imagen se puede observar el oleaje en la superficie
libre.
Tiempo: 122 segundos
La relación de llenado es aproximadamente de 0.85,
en la imagen se observa gran cantidad de bolsas de
aire mezcladas con agua, sobre todo en la superficie
del flujo.
Tiempo: 123 segundos
En la imagen se observa además de las bolsas de aire
mezcladas, también como se forma una bolsa de aire
en la corona de la tubería.
Tiempo: 123.5 segundos
Al igual que en la imagen anterior, se observa el
atrapamiento de aire en la corona de la tubería, en este
caso una forma alargada definida.
Tiempo: 124 segundos
En esta imagen, aún queda una pequeña bolsa de aire
en la corona, en el momento antes de que el flujo sea
totalmente en presión.
Tiempo: 124.5 segundos
La imagen permite observar que esta sección de la
tubería está totalmente llena y que hay gran cantidad
de aire mezclado con el agua. A partir de este
momento, esta sección se mantiene en presión
durante 118 segundos.
141
Tabla 13: Flujo en transición presión – lámina libre, nivel inicial en el tanque de 3.0 m
Tiempo: 242 segundos
Empieza a ocurrir la transición del flujo en presión
hacia el flujo en lámina libre.
Tiempo: 243 segundos
Conforme ocurre la transición se observa oleaje en la
corona de la tubería.
Tiempo: 243.5 segundos
En el flujo aparece aire mezclado con el agua previo
a que la sección se despresurice totalmente.
Tiempo: 244 segundos
El flujo regresó al régimen de lámina libre y se
observa una gran cantidad de aire mezclado con agua
Tiempo: 244.5 segundos
Hay una rápida transición y la altura de la lámina
disminuyó bruscamente, hay presencia de una gran
cantidad de burbujas (perfil de línea delgada).
Tiempo: 245 segundos
La relación de llenado de aproximadamente 0.1
142 Caracterización experimental de condiciones de flujo mixto
Tabla 14: Flujo en transición lámina libre – presión, nivel inicial en el tanque de 3.5 m
Tiempo: 125 segundos
La relación de llenado es aproximadamente de 0.8, en
la imagen se puede observar el oleaje en la superficie
libre, en mayor proporción que en el caso anterior.
Tiempo: 127 segundos
La relación de llenado es aproximadamente de 0.85,
en la imagen se observa gran cantidad de bolsas de
aire mezcladas con agua, y la inestabilidad de la
superficie del flujo.
Tiempo: 128.2 segundos
En la imagen se observa además de las bolsas de aire
mezcladas, también la formación de una bolsa de aire
en la corona de la tubería.
Tiempo: 128.4 segundos
Al igual que en la imagen anterior se observa el
atrapamiento de aire en la corona de la tubería.
Tiempo: 128.6 segundos
La imagen permite observar que esta sección de la
tubería está totalmente llena y que hay gran cantidad
de aire mezclado con el agua.
Tiempo: 128.8 segundos
En esta imagen el tubo está totalmente lleno y la
cantidad de aire mezclado ha disminuido debido a que
es arrastrado hacia aguas abajo. A partir de este
momento, esta sección se mantiene en presión
durante 124 segundos.
143
Tabla 15: Flujo en transición presión – lámina libre, nivel inicial en el tanque de 3.5 m
Tiempo: 252 segundos
Empieza a ocurrir la transición del flujo en presión
hacia el flujo en lámina libre.
Tiempo: 252.5 segundos
Se evidencia la oleada de retroceso desde aguas
abajo.
Tiempo: 253 segundos
En el flujo aparece aire que se mezcla con el agua y
se observa oleaje en la superficie libre.
Tiempo: 253.5 segundos
Se continúa observando el efecto del oleaje, en este
caso, una parte alcanza la corona de la tubería.
Tiempo: 254 segundos
Hay una rápida transición y la altura de la lámina
disminuyó bruscamente, asociado a esto se observa
una gran cantidad de burbujas (perfil de línea
delgada).
Tiempo: 254.5 segundos
El flujo nuevamente está en el régimen de lámina
libre, con una relación de llenado de
aproximadamente 0.2, lo cual evidencia la transición
brusca y rápida.
144 Caracterización experimental de condiciones de flujo mixto
4.5 Conclusiones del desarrollo experimental
Este capítulo tenía como enfoque presentar el desarrollo experimental que se realizó dentro
de esta investigación. Se presentó en primer lugar el procedimiento y el plan experimental,
posteriormente, los resultados y las observaciones con respecto a esto. Se presentaron
gráficos que relacionan en el tiempo la apertura y cierre de la válvula con el nivel de agua
en el tanque elevado, con la velocidad en la salida de la tubería, con la relación de llenado
en la ventana de la tubería y en la salida, y, con el caudal teórico estimado a partir de los
registros de profundidad de la lámina de agua.
Para la evolución del nivel de agua en el tanque, cuando el nivel inicial en el tanque elevado
fue de 3.0 m, la entrada en presión ocurrió para un nivel de 2.55 m, y, cuando el nivel inicial
en el tanque fue de 3.5 m, la entrada en presión ocurrió para un nivel de 2.72 m. En ambos
casos, el nivel mínimo alcanzado fue en el instante alrededor de 200 y 210 segundos, con
un nivel de 1.94 m para un nivel inicial de 3.0 m y, con un nivel de 2.05 m para un nivel
inicial de 3.5 m.
La entrada en presión del flujo ocurrió 4 segundos antes para la experimentación que tuvo
como condición inicial un nivel de 3.0 m en el tanque elevado. Sin embargo, una
comparación entre la duración de la condición de flujo mixto dentro del conducto permite
destacar que para el nivel inicial de 3.5 m en el tanque elevado hubo flujo en presión en
alguna parte de la tubería, durante 6 segundos más que cuando el nivel inicial fue de 3.0 m.
Los resultados presentados permitieron evidenciar la transición del flujo en lámina libre a
flujo en presión y viceversa. A través de una serie de imágenes se observó que esta transición
está caracterizada por una gran cantidad de aire mezclado con agua y también atrapado entre
la lámina de agua y la corona de la tubería. También se evidenció a través del cambio en la
altura de la lámina (relación de llenado), que hubo un proceso de transición muy rápido,
durante el cual, las condiciones del flujo cambian de manera abrupta.
A partir de la Figura 70 se identifica que de acuerdo con la medición experimental, por el
conducto fue suministrado un caudal máximo de 0.11 m3/s alcanzando condiciones de flujo
mixto, y que sin embargo, este valor se encuentra por debajo del caudal de diseño de 0.14
m3/s evaluado para el lote hipotético.
A continuación se analizan los resultados y se presenta una discusión sobre estos.
145
5. Análisis y Discusión
Este estudio se propuso con el fin de evaluar experimentalmente las condiciones de flujo
mixto en el tramo inicial de alcantarillado pluvial, en el cual se examinó la entrada en presión
desde el extremo aguas arriba, y también, valorar los criterios de diseño prescritos para el
diseño de este tipo de conductos en el reglamento colombiano, y a su vez, generar aportes
para su mejoramiento.
Este capítulo se divide en 5 secciones, en la primera se presenta una síntesis de los estudios
desarrollados anteriormente y una confrontación con los resultados preliminares obtenidos
en esta investigación. En la segunda, se describen con base en los resultados obtenidos, las
limitaciones del diseño teórico y las limitaciones de los criterios de diseño establecidos para
el tramo inicial de alcantarillado pluvial, y las consecuencias asociadas. En el tercero se
presentan recomendaciones a la norma que pueden ayudar a mitigar la ocurrencia de flujo
mixto dentro de los conductos de alcantarillado pluvial, a la luz de los resultados obtenidos.
En el cuarto se describen las limitaciones encontradas en el desarrollo de la experimentación
desarrollada; y en el último se presentan algunas sugerencias que podrían tenerse en cuenta
para estudios futuros en este campo.
5.1 Evaluación con respecto a estudios anteriores
En el análisis de la ocurrencia de flujo mixto dentro de alcantarillas pluviales y túneles de
almacenamiento pluvial, estudios previos han evaluado algunos parámetros de diseño que
pueden tener mayor influencia en el funcionamiento y rendimiento hidráulico de los
conductos (Chosie, Hatcher, & Vasconcelos, 2014; Hamam & McCorquodale, 1982;
Politano, Odgaard, & Klecan, 2007; Vasconcelos & Wright, 2003; Vasconcelos & Wright,
2017; Zhang, Cai, Zhou, & Hua, 2017). Factores como tamaño, forma y material de la
146 Caracterización experimental de condiciones de flujo mixto
tubería, régimen de flujo, profundidad relativa, ventilación y condiciones de contorno aguas
arriba y aguas abajo tienen afectaciones en la magnitud de los transitorios de presión, que, a
su vez están asociados con el atrapamiento de aire dentro de los conductos.
Las investigaciones indican que la relación de llenado inicial tiene un papel importante en
la magnitud de presión y el atrapamiento de aire dentro de los conductos durante la transición
del régimen de flujo en lámina libre a flujo en presión. De manera general, cuando se
suministró un caudal elevado o hubo disminución en la capacidad de la tubería, para
relaciones de llenado pequeñas, se formó un resalto que frecuentemente no alcanzó a ocupar
toda la sección, por tanto, la presurización ocurrió por un aumento gradual de la superficie
libre (Capart et al., 1997; Ferreri et al., 2014a; Trajkovic et al., 1999). Para relaciones de
llenado intermedias (menores a 0.8) el resalto ocupó toda la sección transversal de la tubería.
Durante el avance del resalto, también fue arrastrada cierta cantidad de aire que
posteriormente se convirtió en bolsas de aire atrapadas (Ferreri et al., 2014b) que al ser
liberadas pueden desencadenar oscilaciones intensas de presión (Vasconcelos & Wright,
2005). Para relaciones de llenado superiores a 0.8, el resalto también ocupó toda la sección
transversal de la tubería. Hamam & McCorquodale (1982) señalan que para profundidades
relativas superiores a aproximadamente 0.8, la superficie del agua es muy inestable y el
mínimo flujo de aire a contracorriente puede provocar la presurización de la tubería; por esta
razón, el atrapamiento de aire se atribuye a la inestabilidad que produce oleaje, haciendo
que el aire quede atrapado entre las olas y el resalto. En este caso, también se tiene que en
una tubería con sección circular, para relaciones de llenado cercanas a 0.85 se pueden esperar
los transitorios de presión más bruscos en o cerca del flujo en lámina libre. Así mismo, se
observó que el desarrollo de las fases de interacción agua - aire se presentó como una
sucesión a medida que el nivel inicial de agua aumentó (Vasconcelos & Wright, 2005; Zhang
et al., 2017).
En la Tabla 16 a continuación, se presentan algunos eventos que fueron identificados en la
revisión de la literatura y que se ven afectados por la relación de llenado inicial. La relación
de llenado fue dividida en 3 rangos que pueden ser clasificados como pequeño (0.0 – 0.6),
intermedio (0.6 – 0.8) y grande (0.8 – 1.0).
147
Tabla 16: Eventos dentro del sistema según la relación de llenado del conducto
Evento dentro del
sistema
Relación de llenado del conducto
0.0 - 0.6 0.6 - 0.8 0.8 - 1.0
Transitorios de
presión
No se presenta (Zhang
et al., 2017).
Fluctuaciones no
significativas (Zhang
et al., 2017).
Oscilaciones intensas
(Ferreri et al., 2014b,
2014a)
Se presentan con alta
frecuencia (Zhang et al.,
2017).
Severos, se presentan los
máximos (Cardie et al.,
1989; Hamam &
McCorquodale, 1982).
Inestabilidad en la
superficie libre
No se presenta (Ferreri
et al., 2014b).
No se presenta (Cardie
et al., 1989; Ferreri et al.,
2014a, 2014b; Hamam &
McCorquodale, 1982).
Alta, puede llegar hasta la
altura del diámetro (Cardie
et al., 1989; Ferreri et al.,
2014a, 2014b; Hamam &
McCorquodale, 1982).
Interacción fases
aire - agua
No se presenta
(Vasconcelos & Wright,
2005; Zhang et al., 2017).
Interacción insignificante
(Zhang et al., 2017).
Movimiento Previo al
resalto (Vasconcelos &
Wright, 2005).
Movimiento previo al
resalto, contraflujo de aire,
frente ondulatorio,
intrusiones de aire en el
frente ondulatorio
(Vasconcelos & Wright,
2005).
Atrapamiento de
aire
Se presenta en muy pocas
ocasiones (Eldayih et al.,
2020; Zhang et al., 2017).
Poco atrapamiento
(Zhang et al., 2017).
Solo cuando el nivel de
agua en el depósito aguas
arriba sea grande
(Eldayih et al., 2020).
Una bolsa de aire atrapada
(Zhang et al., 2017).
Todas las condiciones de
nivel de agua en el depósito
aguas arriba indican
atrapamiento (Eldayih et al.,
2020).
Causa del
atrapamiento de aire
Ocurrencia de un resalto
(Ferreri et al., 2014a).
Ocurrencia de un resalto
(Ferreri et al., 2014a).
Inestabilidad de la superficie
en lámina libre (Ferreri
et al., 2014a).
Patrón de
presurización
Abrupto o suave
dependiendo del caudal
de entrada (Ferreri et al.,
2014a, 2014b).
Abrupto o suave
dependiendo del caudal
de entrada (Ferreri et al.,
2014a, 2014b).
Abrupto (Ferreri et al.,
2014a, 2014b).
Presurización de
aire en el depósito
aguas abajo
No se presenta porque
generalmente el resalto
no ocupa toda la sección
de la tubería
(Vasconcelos & Wright,
2005).
No se presenta. El nivel
de agua aumenta cuando
el resalto llega
(Vasconcelos & Wright,
2005).
Se presenta. Se observa
aumento del nivel de agua
inmediatamente el conducto
entra en carga (Vasconcelos
& Wright, 2005).
148 Caracterización experimental de condiciones de flujo mixto
De acuerdo con los resultados del diseño teórico del conducto de alcantarillado pluvial y
con las investigaciones que describen los diferentes eventos que se podrían presentar dentro
del sistema según la relación de llenado del conducto, en este caso, para la relación de
llenado de 0.85 para el caudal de diseño, se presenta inestabilidad en la superficie libre que
fácilmente pude llevar al atrapamiento de aire y cuando ocurra un aumento de caudal, podría
producirse un patrón de presurización abrupto con transitorios de presión de alta frecuencia
asociados.
Durante el llenado rápido o presurización de los conductos cerrados es común que quede
aire atrapado entre el flujo de agua y la corona de la tubería, bien sea en pequeñas o grandes
bolsas de aire, especialmente si la ventilación del sistema es inadecuada (Eldayih et al.,
2020; Zhou, Hicks, & Steffler, 2002a). Algunos estudios como el de Vasconcelos & Wright
(2005) comprueban que no hay una forma única de atrapamiento de aire, sino que este
obedece a la relación y cantidad de aire y agua dentro de los conductos. El atrapamiento de
las bolsas de aire depende de la geometría del sistema y de la configuración del flujo de
entrada, principalmente (Vasconcelos & Wright, 2006). En las investigaciones de Ferreri
et al. (2014b); Hatcher & Vasconcelos (2014, 2017); Wright et al. (2017); Zhou et al.
(2002b); Zhou, Hicks, & Steffler (2004) se señala que el aire atrapado puede inducir
elevados transitorios de presión que a su vez, pueden causar daños a la infraestructura de
alcantarillado. Por esta razón, las investigaciones numéricas que intentan simular los
transitorios de presión durante la presurización de los conductos, reconocen la importancia
de incluir en los modelos el efecto del aire atrapado (Bourdarias, Ersoy, & Gerbi, 2013;
Ciraolo & Ferreri, 2008; Vasconcelos & Wright, 2004; Wang, Shen, & Zhang, 2003; Wright,
Klaver, & Vasconcelos, 2016), y también el movimiento de las bolsas de aire (Bousso &
Fuamba, 2014; Chosie et al., 2014; Vasconcelos, Klaver, & Lautenbach, 2015; Zhou & Liu,
2013). Todo esto con el fin de poder predecir la interacción agua – aire y proponer diseños
eficientes que disminuyan el impacto de la presurización en el funcionamiento y estado de
la infraestructura de alcantarillado.
Haciendo alusión al atrapamiento de aire, el estudio experimental realizado encontró que en
el frente de onda queda atrapada una cantidad de aire que no se puede cuantificar, tanto
mezclado con el agua, como en bolsas de aire delante del frente de onda de presión, y
también entre la lámina de agua y la corona de la tubería. Las imágenes que presentan este
evento se pueden observar en las Tablas 12 a 15. Los resultados son consistentes con
Vasconcelos & Wright (2005) confirmando que no hay una única manera en que se
desarrolla el atrapamiento de aire. En relación con esto, también sería interesante investigar
149
si las bolsas de aire tienden a permanecer atrapadas en la entrada de la tubería o si logran ser
evacuadas del sistema de conducción.
Los resultados presentados en la Tabla 12 y Tabla 13 confirman que la relación de llenado
de la tubería se asocia con la inestabilidad en la superficie libre como bien han demostrado
Cardie et al. (1989), Ferreri et al. (2014a, 2014b) y Hamam & McCorquodale (1982).
Un aspecto clave de los eventos transitorios en las redes de conductos cerrados es el geiser,
una erupción explosiva de una mezcla de aire y agua a través de cámaras de inspección en
alcantarillados pluviales o, a través de ejes verticales en túneles de almacenamiento.
Inicialmente, la investigación de Guo & Song (1990, 1991) estableció que la formación del
geiser es el resultado de un rápido aumento del flujo en la entrada a través de los ejes
verticales y de la inestabilidad del flujo en superficie libre dentro del conducto horizontal.
Por tanto, destacaron que sería suficiente analizar únicamente la hidrodinámica del sistema.
Posteriormente, la investigación de Wright, Lewis, & Vasconcelos (2007) sugiere que la
formación del geiser en los sistemas de aguas pluviales se relaciona con la llegada de una
bolsa de aire atrapado en la corona de los conductos horizontales, hasta un eje de ventilación
vertical parcialmente lleno de agua. Los resultados de investigaciones siguientes
(Vasconcelos & Wright, 2011; Wright, Lewis, & Vasconcelos, 2011a, 2011b; Wright,
Vasconcelos, Creech, & Lewis, 2008; Wright, 2013) coinciden en que el geiser es el
producto de la liberación conjunta de aire y agua, y que por tanto está relacionado con las
diferentes formas de atrapamiento de pequeñas o grandes cantidades de aire dentro de los
conductos. Estos resultados fueron respaldados con el argumento que la presión medida
dentro de las tuberías es incapaz de elevar el agua a través de las cámaras de inspección y
mucho menos llevarla a alturas entre 20 y 30 m sobre la superficie; razón por la cual también
los hallazgos de Muller et al. (2017) corroboran que no es necesario que la línea de nivel
hidráulico se acerque a la superficie del suelo para crear una condición de géiser.
En los últimos años ha habido un interés creciente en caracterizar el mecanismo de
formación del geiser (Cataño-Lopera et al., 2014; Cong, Chan, & Lee, 2017; Leon et al.,
2019; Liu, Shao, & Zhu, 2020; Qian et al., 2020). Los resultados que han obtenido las
investigaciones de Choi et al. (2019), Huang, Wu, Zhu, & Schulz (2018), X. Wang, Qian,
& Chen (2019) indican que: (1) la magnitud de la presión del aire comprimido se relaciona
con el tamaño de la ventilación, y (2) para evitar la formación del géiser en el sistema de
drenaje de aguas pluviales se debe controlar la relación de llenado del conducto, la descarga
150 Caracterización experimental de condiciones de flujo mixto
de entrada, y para el caso de túneles de almacenamiento, el área de sección transversal del
eje de caída y la relación de diámetro entre el conducto y el eje de caída.
A su vez, una de las consecuencias del géiser es la expulsión de las tapas de las cámaras de
inspección o ejes de caída (Li & McCorquodale, 1999; Wang & Vasconcelos, 2018).
Algunos de los resultados obtenidos indican que la magnitud de la presión del aire
comprimido capaz de empujar las tapas se relacionó con el tamaño de la ventilación que
tengan dichas tapas y en general, el sistema. También se ha reconocido que durante la
expulsión del géiser se han registrado daños estructurales asociados a sobrecargas excesivas
en los sistemas de alcantarillado (Guo & Song, 1990; Vasconcelos et al., 2018).
5.2 Limitaciones del diseño teórico establecido y consecuencias
Tras revisar las normativas colombianas y algunas referencias bibliográficas
internacionales, se evidenció que para realizar el diseño de conductos de alcantarillado
pluvial, en primer lugar se debe evaluar el caudal de aguas lluvias y posteriormente, cumplir
una serie de criterios en los parámetros hidráulicos del conducto, tales como: diámetro,
velocidad, pendiente y relación de llenado. Se establece un valor mínimo del diámetro para
asegurar el transporte adecuado del flujo y evitar cualquier posibilidad de obstrucción,
teniendo en cuenta que al alcantarillado pluvial frecuentemente ingresa material como arena,
grava y basura. En el caso de la velocidad, se establece un valor mínimo para garantizar la
autolimpieza y un valor máximo para evitar el desgaste excesivo del material de la tubería.
En las normativas colombianas, en el caso del tramo inicial del alcantarillado pluvial se
establece un valor mínimo para la pendiente que corresponde a 2%, sin embargo, a nivel
internacional la pendiente por sí misma no es un requisito, sino que se relaciona con el
cumplimiento de la velocidad. En cuanto a la relación de llenado, a nivel internacional se
indica que el flujo sebe ser en lámina libre, y las normativas colombianas establecen un
límite máximo permisible de 93% para el caudal de diseño.
El montaje experimental desarrollado en esta investigación es una representación del tramo
inicial de un alcantarillado pluvial, el cual cumple con las limitaciones en los parámetros
hidráulicos establecidos en la Resolución 0330 de 2017 para la conducción de un caudal de
escorrentía evaluado en un lote hipotético ubicado en la ciudad de Manizales, siguiendo
también las limitaciones de la normativa. La tubería que resultó del diseño teórico tiene un
diámetro de 260 mm y pendiente de 2%. Con estos parámetros, teóricamente, cuando se
151
suministra el caudal de diseño estimado de 0.14 m3/s se obtiene un flujo con velocidad de
diseño de 2.91 m/s y con una relación de llenado de 0.85.
De acuerdo con el diseño del conducto de alcantarillado que se presentó en la Tabla 8, en
teoría, el caudal del escenario 2 es 10% mayor que el caudal del escenario 1; es decir, un
aumento del 10% del caudal de diseño, hace que el conducto ya se encuentre en condiciones
de presión. Sin embargo, haciendo un análisis teórico de este diseño (diámetro y pendiente
del conducto), es posible evidenciar que las condiciones de flujo en presión, entendidas
como una relación de llenado mayor o igual a 1.0 se alcanzan con un incremento de 5%
sobre el caudal de diseño. Es decir, teóricamente el conducto tiene capacidad de transportar
un caudal de diseño de 0.14 m3/s, alcanzando en este caso una relación de llenado de 0.85;
no obstante, cuando se suministra un caudal de 0.146 m3/s, el conducto entraría en presión.
Desde el punto de vista experimental, los resultados de este estudio muestran que las
condiciones de flujo en presión se alcanzaron para un caudal menor al caudal de diseño
teórico. En la Figura 64 se puede evidenciar cómo sería el suministro teórico de caudal en
el tiempo, de acuerdo con la manipulación de la válvula y asumiendo flujo uniforme. Así, el
caudal máximo que se suministraría teóricamente sería de 0.135 m3/s, alrededor de 120
segundos, cuando la válvula estaría totalmente abierta. Sin embargo, las mediciones de
velocidad y los registros de video de la profundidad de la lámina del agua en la tubería
presentados en las Figura 66 y Figura 67, respectivamente, permitieron obtener una
estimación del caudal real suministrado en el tiempo, esto se puede observar en la Figura
70, donde se identifica que el caudal máximo suministrado en el experimento fue de 0.11
m3/s y que incluso en estas condiciones, el tubo entró en presión desde aguas arriba.
Otro aspecto importante que se pudo identificar en la experimentación fue que una vez el
conducto entró en presión aguas arriba, a nivel de la ventana, esta condición se mantuvo
incluso cuando empezó el cierre de la válvula, es decir, la disminución del caudal. Las
condiciones de flujo en lámina libre se recuperaron cuando hubo un cierre de 4/5 de la
apertura total de la válvula, lo cual significó que una vez se formó el resalto que ocupó toda
la sección aguas arriba, se hizo necesario una disminución de aproximadamente 60% del
caudal máximo que puede transportar el conducto, para recuperar las condiciones de flujo
en lámina libre. Esto se puede evidenciar en la Figura 70 en la curva de caudal para velocidad
promedio, y en la Figura 72, en la curva de caudal para flujo uniforme. En estas Figuras y
también en la Figura 71 se puede observar que la recuperación de las condiciones de flujo
152 Caracterización experimental de condiciones de flujo mixto
en lámina libre sucede de manera súbita, reflejado en el cambio abrupto de la relación de
llenado.
Estas condiciones de flujo dentro de la tubería son comparables con el flujo no permanente
rápidamente variado en un canal abierto, el cual ocurre cuando el frente de una onda presenta
un cambio abrupto en la curvatura o un cambio súbito en la profundidad, efecto que puede
producirse por un descenso o incremento abrupto del flujo, como el causado por el cierre
súbito o la apertura de una compuerta (Chow, 1994). En teoría existen 4 tipos de flujo no
permanente rápidamente variado, en comparación con la experimentación desarrollada, el
tipo A que tiene un frente de avance que se mueve hacia aguas abajo, se asemeja al instante
en que el conducto entra en presión desde aguas arriba; y el tipo D, que tiene un frente de
onda de retroceso que se mueve hacia aguas arriba, se asemeja con el instante en que se
recuperan las condiciones de flujo en lámina libre, tal como se pudo observar en las
imágenes de la Tabla 13 y Tabla 15, donde las condiciones se reestablecen a partir de un
retroceso desde aguas abajo. La diferencia entre la experimentación y el flujo no permanente
rápidamente variado radica en que en el último, un cambio en el nivel desde subcrítico a
supercrítico originará un resalto hidráulico móvil, también conocido como oleada, lo que
esto significa es que el resalto hidráulico se mueve; en cambio, las condiciones del flujo en
la experimentación muestran que el resalto que ocupa toda la sección no se mueve, es decir,
restringe el flujo a lámina libre, como una especie de tapón. Este “tapón” no es sólo líquido,
sino que en él, se pudo evidenciar una mezcla y movimiento continuo de pequeñas burbujas
de aire.
A partir de la información obtenida en la experimentación y con las características propias
del banco experimental, sería posible hacer un análisis del flujo empleando los valores
adimensionales característicos del flujo libre, como el número de Vedernikov y el número
de Froude. El número de Vedernikov es una medida de la estabilidad del flujo, que puede
ser clasificado como estable, neutro e inestable, dependiendo de si el valor del número de
Vedernikov es respectivamente, menor, igual o mayor que 1; es decir, la utilidad de este
número es determinar la existencia o no, de ondas en la superficie libre del flujo dentro de
un canal (Ponce, 1991). De manera general, el flujo uniforme en un canal abierto se vuelve
inestable cuando la velocidad es muy alta o la pendiente es muy pronunciada, en el caso del
criterio de Vedernikov, este evalúa la estabilidad del flujo en canales de fuerte pendiente,
razón por la cual, en nuestra opinión, la consideración de este número no es aplicable en este
estudio, debido a que la inestabilidad presente en la experimentación se genera por el
incremento de caudal.
153
Por su parte, el número de Froude relaciona el efecto de las fuerzas de inercia y las fuerzas
de gravedad que actúan sobre un fluido, en este caso el régimen puede ser subcrítico, crítico
o supercrítico. A continuación, en la Tabla 17 se presenta el número de Froude asociado a
un caudal, permitiendo observar la variación del régimen del flujo dentro de la tubería de la
experimentación que tiene un diámetro de 0.26 m y una pendiente de 2%. También se
presenta la clasificación del flujo en lámina libre como subcrítico o supercrítico, esta
clasificación fue realizada en función de la pendiente crítica (𝑆𝑐) asociada a una profundidad
crítica (𝑦𝑐) del flujo que está representado a través de una secuencia de caudales. Los
caudales que se presentan en esta tabla tienen asociada una relación de llenado (y/D) que
incluye valores desde 0.70 hasta 1.0. El propósito es identificar el régimen del flujo a medida
que este se acerca y supera el caudal de diseño del conducto, y también identificar el régimen
del flujo cuando la relación de llenado toma el valor máximo permisible prescrito en la
normativa, es decir, 0.93.
Tabla 17: Clasificación del flujo dentro de la tubería experimental
con una variación teórica del caudal
Caudal y 𝒚
𝑫
𝒚𝒄 𝑺𝒄 Régimen Fr
m3/s m m %
0.110 0.183 0.70 0.247 1.15 Super 2.22
0.120 0.196 0.75 0.250 1.38 Super 2.10
0.132 0.208 0.80 0.253 1.69 Super 1.98
0.135 0.213 0.82 0.254 1.78 Super 1.91
0.139 0.221 0.85 0.254 1.90 Super 1.81
0.144 0.234 0.90 0.255 2.04 Sub 1.61
0.145 0.242 0.93 0.255 2.08 Sub 1.44
0.145 0.247 0.95 0.255 2.08 Sub 1.31
0.144 0.250 0.96 0.255 2.06 Sub 1.23
0.143 0.255 0.98 0.255 2.00 Sub 1.01
0.141 0.257 0.99 0.255 1.94 Super 0.84
0.135 0.260 1.00 0.254 1.78 Super Indeterminado
Con el número de Froude (Fr) es posible identificar que inicialmente se presenta un flujo
supercrítico, posteriormente, a medida que aumenta la relación de llenado, el flujo es “menos
supercrítico”, y cuando el conducto está casi lleno se alcanzan las condiciones de flujo
subcrítico. A partir de la Figura 32, donde se presenta la relación hidráulica de caudales, se
observa que la relación de llenado de 0.93 es la condición óptima para tener el caudal
máximo en una tubería de sección circular; en este caso es adecuado tener en cuenta que la
154 Caracterización experimental de condiciones de flujo mixto
profundidad crítica para una energía específica dada está asociada al caudal máximo. Por
esta razón, en la relación de llenado de 0.93 efectivamente se obtiene el caudal máximo, y
así mismo, la profundidad del flujo se encuentra cerca de las condiciones críticas. Esto
explica porque cuando las condiciones hacen que el flujo se acerque a una sección casi llena
de la tubería, en la superficie del flujo se presenten inestabilidades representadas a través de
remolinos y burbujas de aire. En la Figura 32 se puede observar que en efecto, en la relación
de llenado de 0.93, la relación hidráulica de áreas (𝐴/𝐴𝑜) es de 97%, por lo cual es válido
decir que incluso antes de 0.93, la sección está casi llena y en condiciones de inestabilidad.
En la Figura 32 también es posible observar que la relación hidráulica de caudales después
de alcanzar el valor máximo alrededor de la relación de llenado de 0.93, tiene un descenso,
desde este punto de vista, la razón de este comportamiento es la condición de flujo subcrítico
presente en este caso. Esta condición de flujo subcrítico es el “tapón” observado en la
experimentación, es decir, hay tanta agua en la tubería que en la entrada hubo una transición
de tipo supercrítico a subcrítico, y sin embargo, aguas abajo hay un flujo libre porque hay
flujo supercrítico, esto es la ocurrencia de flujo mixto dentro de la tubería.
Desde este punto de vista, la razón por la que anteriormente se mencionó la necesidad de
una disminución del caudal máximo de aproximadamente 60% para volver a las condiciones
de flujo libre, es porque debe existir una evacuación suficiente del flujo, para que el caudal
que mantiene el “tapón” disminuya hasta alcanzar un caudal lo suficientemente supercrítico,
capaz de reiniciar el flujo en este mismo régimen en toda la tubería.
Por otra parte, con base en la clasificación del flujo en alcantarillas de Bodhaine (1982)
expuesto en la sección 2.4 se puede afirmar que las condiciones en las que se espera que
funcione el tramo inicial de un alcantarillado pluvial corresponden a un flujo Tipo 1, en el
cual, el flujo a través del conducto es parcialmente lleno y supercrítico. Asimismo, las
condiciones no deseadas corresponden a un flujo Tipo 5 con resalto, o un Tipo 6, en el cual
el conducto está totalmente lleno y la profundidad aguas arriba es mayor que el diámetro.
Refiriéndose a la Tabla 6, si el flujo normal que se espera en el funcionamiento de un
conducto cuando por este circula un caudal igual o menor al de diseño es de Tipo 1, eso
significa que el conducto es capaz de transportar el flujo y que existe un control de entrada,
y por tanto, las variables que impactan el diseño son nivel en la entrada, geometría de la
sección en la entrada y pendiente longitudinal del conducto. Desde el momento en que se
supera el caudal de diseño, se podría esperar una transición a un flujo Tipo 5 con resalto, o
un Tipo 6; esto significa que a partir de ese momento, hay un control de salida y el conducto
155
no puede transportar todo el flujo que está entrando. En este caso, todas las características
geométricas e hidráulicas de la alcantarilla juegan un papel en la capacidad. Estas
características además de todos los factores que rigen el control de entrada, incluyen la
elevación de la superficie del agua en la salida y las características del conducto, como
rugosidad, longitud y pendiente.
Con respecto a lo anteriormente dicho de flujo Tipo 5 con resalto, se hace referencia a los
resultados de la experimentación realizada, en los cuales se puede observar que es posible
encontrar un flujo parcialmente lleno en un conducto y al mismo tiempo, aguas arriba, un
tramo totalmente lleno, cuando existe un caudal y nivel en la entrada con capacidad de
mantener estas condiciones.
En la Figura 73 se trae de la sección 2.4, la curva de transición de flujo Tipo 1 a Tipo 5 en
un conducto de sección circular expuesta por Bodhaine (1982). Ahora, en esta figura se
trazaron dos líneas que permiten comparar las pendientes de la relación elevación en la
entrada - descarga en el conducto, para un flujo Tipo 1 y uno Tipo 5.
Figura 73: Adaptación de la curva de transición de flujo Tipo 1 a Tipo 5 en alcantarilla
circular Fuente: (Bodhaine, 1982)
A pesar de que estas curvas están evaluadas para un contexto en específico, el propósito es
distinguir el cambio de pendiente en cada tipo de flujo. En la línea de color rojo se puede
Flujo Tipo 1
Flujo Tipo 5
156 Caracterización experimental de condiciones de flujo mixto
evidenciar una relación entre la elevación en la entrada y la descarga en el conducto para el
flujo Tipo 1. Cuando el caudal aumenta, la profundidad en la entrada también aumenta y
ocurre la transición a un flujo Tipo 5. En este caso, la pendiente de la relación elevación en
la entrada - descarga en el conducto, representada por la línea de color azul, aumenta. Esto
significa que ahora no se está evacuando de la misma manera, sino que se ha perdido
capacidad y la elevación en la entrada aumenta a una tasa mayor. Esto a su vez, puede
traducirse en rebosamiento en la entrada debido a que en el conducto se está demorando la
evacuación del flujo.
Como síntesis de esta sección; para el dimensionamiento del diámetro y la pendiente de un
conducto de alcantarillado, en el diseño teórico se está haciendo uso de la ecuación de
Manning, considerando flujo uniforme. El propósito de este diseño es establecer para el
conducto, un diámetro y una pendiente que brinden la capacidad de evacuar rápidamente el
flujo en condiciones de lámina libre, para este efecto, la normativa colombiana ha estipulado
un valor máximo permisible de la profundidad del flujo de 93% del diámetro interno de la
tubería. Este valor de 93% está asociado a la capacidad máxima de transporte que tiene una
tubería de sección circular en condiciones de flujo uniforme. Por tal razón, es posible pensar
que este valor límite de la relación de llenado tiene como propósito garantizar el transporte
del caudal máximo sin entrar en presión. Sin embargo, a pesar de que una relación de llenado
de 0.93 puede brindar la idea de que hay un rango de 7% antes de alcanzar las condiciones
del flujo en presión, esta experimentación y los resultados de investigaciones anteriores
demuestran que se está ignorando la inestabilidad del flujo en la superficie, la cual tiene
asociadas consecuencias reales como atrapamiento de aire, sobrepresión en el alcantarillado
e inundaciones por las calles.
Los resultados experimentales muestran que con la entrada en carga desde aguas arriba se
desarrolla un flujo subcrítico a nivel de la entrada, y abajo, un flujo supercrítico. Una vez
que esto ocurre, el flujo en la entrada va a seguir subcrítico y ocupando toda la sección de
la tubería, en este caso se podría pensar que este flujo a presión tendría más capacidad de
transporte que un flujo libre, pero la experimentación permitió observar que el flujo a presión
está restringiendo al flujo en lámina libre, como un tapón. Es decir, que la ocurrencia de esta
transición disminuye la capacidad de evacuación de la tubería, y en este caso por ejemplo,
la limitación de 15 m como longitud máxima del tramo inicial del alcantarillado pluvial no
mejoraría las condiciones debido a que la obstrucción se encuentra aguas arriba.
157
Finalmente, se puede afirmar que la prescripción de la normativa de 93% como la máxima
relación de llenado permisible para el caudal de diseño hace que en el momento en que este
ocurra, dentro del conducto se presenten condiciones de flujo mixto, debido a que en
realidad el flujo no es uniforme y se presentan condiciones críticas, y a su vez, inestabilidad
en la superficie. Esta consecuencia no debería presentarse debido a que en general, un diseño
de cualquier tipo de estructura se hace para que bajo las condiciones de carga máxima o
caudal máximo, la estructura tenga la capacidad de seguir operando en condiciones óptimas.
5.3 Recomendaciones a la norma
En este estudio se buscó contestar a los objetivos específicos presentados con respecto a
cuáles son los factores que tienen mayor impacto en el diseño de conductos de alcantarillo
y cuáles son las recomendaciones que se pueden hacer para reducir este inconveniente. A
continuación se presentan dos sugerencias sobre limitaciones que se podrían mejorar en
cuanto a la máxima relación de llenado permitida para el caudal de diseño y, a la pendiente
mínima en el tramo inicial del alcantarillado.
La recomendación para la normativa colombiana sobre los criterios específicos para el
diseño del tramo inicial de un alcantarillado pluvial es reducir la máxima relación de llenado
estipulada actualmente de 93%. Esto debido a que el propósito del diseño de un
alcantarillado pluvial es que el flujo para el caudal de diseño suceda en condiciones de
lámina libre, sin embargo, los resultados experimentales y la revisión de la literatura
sintetizada en la Tabla 16 muestran que cuando el flujo ha alcanzado una profundidad del
93% del diámetro, en la superficie hay inestabilidades que se traducen en atrapamiento de
aire, transitorios de presión, condiciones de flujo mixto y disminución de la capacidad;
condiciones que no se tienen en cuenta en la prescripción actual de la norma. Por otro lado,
debido a que la relación de llenado de 0.93 está asociada a la máxima capacidad de transporte
de una tubería de sección circular, un diseño realizado para que cuando se presente el caudal
de diseño de la obra, este alcance una relación de 0.93 significa en primer lugar, que en el
conducto existirán condiciones de flujo mixto y en segundo lugar, que contrario a lo que se
podría esperar de que hay un rango de 7% antes de alcanzar el flujo en presión, una relación
de llenado de 94% por ejemplo, conlleva a inundaciones debido a que la capacidad máxima
fue superada al superar la relación de 0.93. En resumen, se está asignando al caudal máximo,
la máxima capacidad de la tubería, razón por la cual no existe un factor de seguridad para
garantizar el buen funcionamiento de la estructura.
158 Caracterización experimental de condiciones de flujo mixto
De esta manera, se sugiere establecer al menos en el tramo inicial del alcantarillado, un valor
máximo de relación de llenado menor o igual de 0.80. A continuación, en la Figura 74 se
presenta la relación de los elementos hidráulicos en una sección circular, en la cual se
dibujaron dos puntos que permiten identificar el valor de 𝑄/𝑄𝑜 para las relaciones de llenado
de 0.8 y 0.93. Cuando se comparan estos dos valores es posible observar que la disminución
de la relación de llenado sugerida no genera un gran impacto en la capacidad de evacuación
del flujo y al contrario, en este caso se garantizan condiciones de lámina libre y una
velocidad mayor. Además, para esta relación de llenado es posible observar que se transporta
un caudal igual, al que transporta el conducto totalmente lleno (𝑄/𝑄𝑜 = 1.0).
Figura 74: Relación de los elementos hidráulicos de una alcantarilla circular parcialmente
llena a los de la misma sección totalmente llena
Con respecto a la pendiente, aun cuando en las recomendaciones internacionales de los
parámetros hidráulicos se indique que la pendiente es un condicionante de la velocidad, de
acuerdo con Bodhaine (1982), la pendiente del conducto es el factor principal que influye
en el control que dicho conducto tendrá, y este a su vez influye en la capacidad que tendrá
el conducto dependiendo de las características geométricas e hidráulicas. Por otro lado,
según Vasconcelos & Wright (2005) el efecto de la pendiente del conducto es importante
Q/Qo = 1.07
Q/Qo = 0.98
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
V/V
o;
Q/Q
o;
A/A
o
Relación de llenado, y/D (m/m)
V/Vo Q/Qo A/Ao
159
para el comportamiento del oleaje debido al impacto que tiene en la expulsión de aire del
sistema. Lo cual puede disminuir la cantidad de aire atrapado durante la transición del flujo.
En este sentido, la sugerencia es aumentar la pendiente mínima en el tramo inicial del
alcantarillado, se recomienda estipular un valor de 3%. Este valor adaptado en la
experimentación podría hacer por ejemplo y de acuerdo con la Tabla 17, que la pendiente
del canal (3%) permanezca sobre la pendiente crítica (2.08%) cuando se presente un caudal
como el de diseño, es decir manteniendo condiciones de flujo supercrítico, mayor velocidad
y evitando inestabilidades que se pueden desarrollar en el límite entre un flujo supercrítico
y uno subcrítico.
En virtud de favorecer el flujo supercrítico, además del incremento de la pendiente, y
teniendo en cuenta los factores que influyen en la capacidad de los conductos de
alcantarillado descritos en la Tabla 6, también es importante recomendar que, se debe
favorecer la geometría de la entrada al conducto, es decir, reducir las posibles obstrucciones
y por ende, pérdidas de energía en la entrada. Esta recomendación es válida para mejorar el
funcionamiento del conducto, para la condición de flujo con control en la entrada y también
con control en la salida.
5.4 Limitaciones del experimento
Los resultados obtenidos han reforzado nuestro punto de vista sobre las condiciones de flujo
mixto, sin embargo, una limitación de este estudio fue la medición de la presión en diferentes
puntos a lo largo de la tubería. Esto debido a que se requieren equipos digitales como
transductores de presión que permitan registrar las oscilaciones de presión, los cambios
bruscos de esta, y la progresión de la onda de presión a lo largo de la tubería.
Otra limitación de la experimentación fue el diámetro de la válvula de control empleada. El
hecho de que la válvula de control con la que se suministró el flujo tuviera un diámetro de
8 pulgadas y el de la tubería fuera de 10 pulgadas pudo influir en el desarrollo del flujo en
la entrada. El propósito sería que estos diámetros fueran iguales, sin embargo, la variación
en estos diámetros radica en la disponibilidad de instrumentos en el laboratorio.
Finalmente, un aspecto que se podría mejorar es la condición de salida libre, debido a que
puede tener impacto en la curva de flujo. Sin embargo, también es adecuado recordar que
160 Caracterización experimental de condiciones de flujo mixto
de acuerdo con la norma, la longitud del tramo inicial de alcantarillado debería ser como
máximo 15 m, y la longitud de la tubería en el experimento fue de 18 m, por lo cual hubo 3
m para reducir el efecto de salida libre y garantizar que aguas arriba se desarrollaran
condiciones de flujo normal.
5.5 Estudios futuros
Sería interesante realizar investigación complementaria sobre aspectos de ventilación dentro
del sistema como en los estudios de Zhou, Hicks, & Steffler (2002a) y Eldayih et al. (2020),
y establecer su relación con el atrapamiento y liberación descontrolada de aire. En el caso
del montaje experimental, se podría hacer que el tanque aguas abajo sea cerrado, esto
simularía de una manera más acertada una cámara de inspección y pudiera permitir observar
las afectaciones del atrapamiento de aire cuando no haya libre expulsión de aire aguas abajo.
En las Figuras 46 y 47 se presentaron dos ejemplos de inundación pluvial en las calles de la
ciudad de Manizales, que corresponden a inundaciones en la Avenida Kevin Ángel durante
los eventos de precipitación de los días 12 de abril de 2016 y 20 de febrero de 2018. En la
información que se registró, se encontró que la intensidad de estos eventos fue 11.38 mm/h
y 5.88 mm/h, respectivamente. Esta intensidad se encuentra muy alejada de la registrada
durante el evento del 19 de abril de 2018, asociado al escenario 2 de la experimentación,
para el cuál, el conducto del montaje experimental entraría en presión desde el extremo
aguas arriba. Esta información proporciona una idea para futuras investigaciones, en las
cuáles se podría revisar por ejemplo, cuál es el diámetro del tramo inicial de estos
alcantarillados e identificar las características que conllevan a la inundación por las calles,
debido a que en estos días se observaron limitaciones del sistema de drenaje para evacuar la
escorrentía.
161
Conclusión
Este estudio tuvo como propósito caracterizar experimentalmente el flujo mixto en el tramo
inicial de un alcantarillado pluvial para el caso de entrada en carga desde el extremo aguas
arriba debido al incremento instantáneo de caudal en la entrada que resulta de un evento de
precipitación que excede el diseño y, valorar los criterios de diseño prescritos para este tipo
de conductos en la normativa colombiana.
En la literatura técnica consultada se encontró que el flujo mixto ha sido investigado
experimentalmente para entender el fenómeno y establecer las principales causas y mitigar
los efectos asociados a este, como géiser, inundaciones, levantamiento de tapas y daños
estructurales del sistema. También se han desarrollado varias simulaciones numéricas para
predecir el comportamiento y se han empleado modelos experimentales para validarlos; las
principales limitaciones encontradas han sido la simulación de la interfaz entre los dos
regímenes del flujo y el atrapamiento de aire que se produce durante la transición.
Actualmente la normativa colombiana para el diseño de alcantarillado pluvial es la
Resolución 0330 de 2017. En esta se establece en primer lugar la caracterización de la
precipitación para determinar el caudal de diseño dependiendo de la afectación que pueda
causar el sistema de drenaje. Posteriormente expone las limitaciones del diseño hidráulico
de los conductos de tal manera que se asegure flujo en lámina libre para el caudal requerido.
El montaje experimental elaborado es una simulación del tramo inicial de un alcantarillado
pluvial, el cual fue diseñado de acuerdo con los limitantes de la Resolución 0330 de 2017
para la evacuación de un caudal que resulta de la escorrentía de un lote hipotético ubicado
en la ciudad de Manizales. En la experimentación, a través de una válvula de control ubicada
aguas arriba del conducto, se suministró una secuencia de caudales, entre los cuales se
162 Caracterización experimental de condiciones de flujo mixto
encontró el caudal de diseño teórico. La evaluación del comportamiento del flujo, y de la
influencia de los parámetros de diseño del conducto evidenciaron debilidades en los criterios
actuales de diseño, debido a que en la experimentación, el conducto presentó condiciones
de flujo mixto para un caudal menor al caudal de diseño.
Los resultados obtenidos indican que:
▪ El flujo a través de un alcantarillado puede tener dos condiciones, parcial y totalmente
lleno. En el primer caso, se presenta flujo en lámina libre y la capacidad del conducto se
ve afectada por las condiciones aguas arriba, la elevación de la superficie del agua y la
geometría de entrada. En el segundo caso, se presenta flujo en presión y la capacidad del
conducto se ve afectada por las condiciones que este tenga aguas arriba y aguas abajo, y
también por las características hidráulicas del conducto, como pendiente, rugosidad,
diámetro y longitud. El propósito del diseño de un conducto de alcantarillado es que
cuando se presente un caudal menor o igual al de diseño, el flujo se encuentre en la
primera condición, y, se espera que en ningún caso el flujo se encuentre en la segunda
condición. Sin embargo, las condiciones del flujo pueden cambiar dependiendo del
caudal y de la elevación del agua en la salida, en este caso ocurre una transición entre
flujo en lámina libre a flujo en presión, o viceversa.
▪ En el diseño de un conducto de alcantarillado pluvial, en primer lugar debe tenerse en
cuenta el diámetro del conducto y el material, a partir de los cuales se determina la
capacidad de transporte y velocidad máxima. La pendiente es también una variable
fundamental, el valor mínimo y máximo de esta variable está asociado con los límites
mínimo y máximo de la velocidad. En la revisión de la literatura de este estudio se
encontró que para la condición de transición de flujo y atrapamiento de aire, la pendiente
favorece la expulsión de aire de la tubería hacia aguas abajo, y en consecuencia se pueden
disminuir o evitar las sobrepresiones.
▪ Dentro de un conducto de alcantarillado pluvial puede presentarse la transición del flujo
en lámina libre a flujo en presión cuando el caudal de entrada es superior al caudal de
diseño del conducto. En este caso, en el mismo conducto existe un tramo con flujo en
presión, y otro adelante, en lámina libre. Las características asociadas a esta transición
son: cambios bruscos en las condiciones del flujo, fuertes oscilaciones de presión, gran
cantidad de aire mezclado con agua e, inestabilidad en la superficie libre, que conlleva al
atrapamiento de aire entre la lámina de agua y la corona de la tubería.
163
▪ Sobre los criterios específicos para el diseño del tramo inicial de un alcantarillado pluvial
establecidos por el Reglamento Técnico para el sector de Agua Potable y Saneamiento
Básico a través de la resolución 0330 de 2017, se recomienda reducir el límite máximo
de la relación de llenado, en el sentido que para el actual valor de 0.93, se pueden
presentar fácilmente condiciones de fujo en presión y la norma no incorpora
recomendaciones para evitar la sobrepresión, asumiendo que si el caudal alcanza una
relación de llenado de 0.93 el conducto funcionará adecuadamente bajo condiciones de
lámina libre. Se sugiere establecer un valor de 0.8 o menor, que permita disminuir las
situaciones en que los conductos puedan entrar en presión, debido a que como se pudo
evidenciar en la experimentación, a diferencia del flujo no permanente rápidamente
variado en canales abiertos, en este caso, cuando se formó un resalto aguas arriba que
ocupó toda la sección, este no se movió, sino que se mantuvo como un tapón y obstruyó
la evacuación del flujo en lámina libre, hasta que se recuperaron las condiciones de flujo
supercrítico en todo el conducto, es decir, cuando el caudal disminuyó alrededor del 60%
del caudal máximo que puede transportar el conducto. Asimismo, la relación de llenado
de 0.8 puede evitar que la entrada en presión suceda por inestabilidad en la superficie
libre, evidenciada a través del oleaje en la superficie cuando la relación de llenado es
superior a 0.80.
Otra recomendación es establecer 3% como la pendiente mínima del tramo inicial de un
alcantarillado pluvial para garantizar un flujo supercrítico, en consecuencia, mitigar la
ocurrencia de flujo mixto y la colmatación del conducto.
Próximos estudios en este campo podrían evaluar las consecuencias o condiciones en que
se puede desarrollar el atrapamiento de aire en los conductos cuando aguas abajo no se
permita una adecuada ventilación. También sería interesante realizar más pruebas
experimentales en las cuales se pueda establecer un rango variable para la pendiente del
conducto, por ejemplo entre 1 y 4%, de tal manera que se pueda observar las condiciones
del flujo para una pendiente menor a la mínima establecida en la normativa colombiana y
observar las ventajas de tener una pendiente de 3% mínimo, por ejemplo, como lo sugieren
las especificaciones técnicas de Aguas de Manizales S.A. E.S.P. para la ejecución de sus
obras. Asimismo, sería de interés analizar a través de modelación numérica el fenómeno de
flujo mixto, tomando las condiciones de frontera y el caudal de entrada del banco
experimental que se utilizó en esta investigación.
164 Caracterización experimental de condiciones de flujo mixto
Anexos
Tabla 18: Coeficientes para la ecuación de intensidades de la curva IDF
Estación APTO La Nubia (Manizales)
Fuente: (IDEAM, 2018)
TR (años) C1 X0 C2
2 2016.747 22.872 0.965
3 1910.595 20.463 0.935
5 1864.177 18.499 0.910
10 1862.799 16.702 0.888
25 1909.365 15.086 0.867
50 1963.732 14.188 0.855
100 2028.100 13.468 0.846
Tabla 19: Nivel en el tanque elevado (m) para un nivel inicial de 3.0 m
Tiempo
(segundos)
Pruebas experimentales
0.0.1.A 0.0.1.B Promedio
0 3.00 3.00 3.00
30 3.10 3.11 3.10
60 3.02 3.01 3.02
90 2.85 2.82 2.85
120 2.62 2.55 2.62
150 2.30 2.23 2.30
180 2.04 1.99 2.04
210 1.94 1.91 1.94
240 1.97 1.96 1.97
270 2.11 2.11 2.11
300 2.36 2.36 2.36
165
Tabla 20: Nivel en el tanque elevado (m) para un nivel inicial de 3.5 m
Tiempo
(segundos)
Pruebas experimentales
0.0.1.C 0.0.1.D 0.0.1.E 0.0.1.F 0.0.1.G 0.0.1.H Promedio
0 3.50 3.50 3.50 3.50 3.50 3.50 3.50
30 3.48 3.48 3.49 3.48 3.49 3.48 3.48
60 3.32 3.33 3.33 3.32 3.34 3.32 3.33
90 3.10 3.10 3.11 3.11 3.11 3.10 3.11
120 2.82 2.81 2.83 2.82 2.82 2.81 2.82
150 2.46 2.45 2.46 2.46 2.45 2.44 2.45
180 2.17 2.16 2.17 2.16 2.17 2.16 2.17
210 2.05 2.04 2.05 2.04 2.05 2.05 2.05
240 2.06 2.06 2.07 2.06 2.07 2.08 2.07
270 2.21 2.19 2.20 2.19 2.21 2.24 2.21
300 2.47 2.44 2.45 2.43 2.46 2.51 2.46
Tabla 21: Velocidad (m/s) en la salida, para un nivel inicial de 3.0 m
Tiempo
(segundos)
Pruebas experimentales Flujo
uniforme 0.0.2.A 0.0.2.B 0.0.2.C Promedio
0 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
30 1.19 1.97 1.86 1.67 2.06
60 1.72 2.26 2.00 1.99 2.49
90 2.29 2.66 2.47 2.48 2.74
120 2.27 2.63 2.47 2.46 2.88
150 1.85 2.06 2.05 1.99 2.54
180 1.74 1.96 1.88 1.86 2.88
210 1.39 1.36 1.35 1.36 2.74
240 1.39 1.04 1.01 1.15 2.49
270 1.28 1.41 1.22 1.30 2.06
300 1.26 1.20 1.24 1.23
166 Caracterización experimental de condiciones de flujo mixto
Tabla 22: Relación de llenado (m/m) en la ventana, para un nivel inicial de 3.0 m
Tiempo
(segundos)
Prueba experimental 0.0.3.A
y y/D y/D Teórico
0 0.00 0.00 0.00
10 0.03 0.12 0.09
20 0.03 0.12 0.19
30 0.05 0.19 0.28
40 0.08 0.31 0.35
50 0.10 0.38 0.42
60 0.11 0.42 0.48
70 0.13 0.50 0.53
80 0.15 0.58 0.58
90 0.17 0.65 0.63
100 0.17 0.65 0.67
110 0.18 0.69 0.72
120 0.19 0.73 0.76
121 0.20 0.77 0.77
122 0.22 0.85 0.78
123 0.24 0.92 0.79
124 0.26 1.00 0.80
130 0.26 1.00 0.84
140 0.26 1.00 0.92
150 0.26 1.00 1.00
160 0.26 1.00 0.92
170 0.26 1.00 0.84
180 0.26 1.00 0.76
190 0.26 1.00 0.72
200 0.26 1.00 0.67
210 0.26 1.00 0.63
220 0.26 1.00 0.58
230 0.26 1.00 0.53
240 0.26 1.00 0.48
242 0.25 0.96 0.47
243 0.23 0.88 0.46
244 0.14 0.54 0.46
245 0.04 0.15 0.45
250 0.03 0.12 0.42
260 0.03 0.12 0.35
270 0.02 0.08 0.28
280 0.02 0.08 0.19
290 0.01 0.04 0.09
300 0.00 0.00 0.00
167
Tabla 23: Relación de llenado (m/m) en la salida, para un nivel inicial de 3.0 m
Tiempo
(segundos)
Prueba experimental 0.0.3.A
y y/D y/D Teórico
0 0.00 0.00 0.00
10 0.07 0.27 0.09
20 0.07 0.27 0.19
30 0.07 0.27 0.28
40 0.11 0.42 0.35
50 0.12 0.44 0.42
60 0.12 0.46 0.48
70 0.13 0.50 0.53
80 0.14 0.52 0.58
90 0.14 0.54 0.63
100 0.14 0.54 0.67
110 0.16 0.60 0.72
120 0.16 0.62 0.76
121 0.17 0.65 0.77
122 0.17 0.65 0.78
123 0.18 0.69 0.79
124 0.18 0.69 0.80
128 0.18 0.69 0.83
129 0.19 0.73 0.83
130 0.20 0.77 0.84
131 0.21 0.81 0.85
132 0.22 0.85 0.86
135 0.23 0.88 0.88
136 0.24 0.92 0.89
140 0.24 0.90 0.92
150 0.24 0.92 1.00
160 0.21 0.81 0.92
170 0.21 0.81 0.84
180 0.20 0.75 0.76
190 0.19 0.73 0.72
200 0.18 0.69 0.67
210 0.18 0.69 0.63
220 0.16 0.62 0.58
230 0.15 0.56 0.53
240 0.14 0.54 0.48
242 0.13 0.50 0.47
243 0.13 0.50 0.46
244 0.12 0.46 0.46
245 0.11 0.42 0.45
250 0.07 0.27 0.42
168 Caracterización experimental de condiciones de flujo mixto
Tiempo
(segundos)
Prueba experimental 0.0.3.A
y y/D y/D Teórico
260 0.06 0.23 0.35
270 0.03 0.12 0.28
280 0.02 0.08 0.19
290 0.01 0.04 0.09
300 0.00 0.00 0.00
Tabla 24: Relación de llenado (m/m) en la ventana, para un nivel inicial de 3.5 m
Tiempo
(segundos)
Pruebas experimentales y/D
Teórico 0.0.3.B 0.0.3.C Promedio
y y/D y y/D y y/D
0 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
10 0.03 0.12 0.03 0.12 0.03 0.12 0.09
20 0.05 0.19 0.04 0.15 0.05 0.17 0.19
30 0.06 0.23 0.06 0.23 0.06 0.23 0.28
40 0.10 0.38 0.10 0.38 0.10 0.38 0.35
50 0.11 0.42 0.11 0.42 0.11 0.42 0.42
60 0.12 0.46 0.13 0.50 0.13 0.48 0.48
70 0.14 0.54 0.15 0.58 0.15 0.56 0.53
80 0.15 0.58 0.16 0.62 0.16 0.60 0.58
90 0.17 0.65 0.18 0.69 0.18 0.67 0.63
100 0.18 0.69 0.18 0.69 0.18 0.69 0.67
110 0.19 0.73 0.20 0.75 0.19 0.74 0.72
120 0.20 0.77 0.20 0.77 0.20 0.77 0.76
122 0.21 0.81 0.20 0.77 0.21 0.79 0.78
124 0.22 0.85 0.21 0.81 0.22 0.83 0.80
127 0.24 0.92 0.23 0.88 0.24 0.90 0.82
128 0.26 1.00 0.26 1.00 0.26 1.00 0.83
130 0.26 1.00 0.26 1.00 0.26 1.00 0.84
140 0.26 1.00 0.26 1.00 0.26 1.00 0.92
150 0.26 1.00 0.26 1.00 0.26 1.00 1.00
160 0.26 1.00 0.26 1.00 0.26 1.00 0.92
170 0.26 1.00 0.26 1.00 0.26 1.00 0.84
180 0.26 1.00 0.26 1.00 0.26 1.00 0.76
190 0.26 1.00 0.26 1.00 0.26 1.00 0.72
200 0.26 1.00 0.26 1.00 0.26 1.00 0.67
210 0.26 1.00 0.26 1.00 0.26 1.00 0.63
220 0.26 1.00 0.26 1.00 0.26 1.00 0.58
230 0.26 1.00 0.26 1.00 0.26 1.00 0.53
240 0.26 1.00 0.26 1.00 0.26 1.00 0.48
252 0.26 1.00 0.26 1.00 0.26 1.00 0.40
169
Tiempo
(segundos)
Pruebas experimentales y/D
Teórico 0.0.3.B 0.0.3.C Promedio
y y/D y y/D y y/D
253 0.21 0.81 0.21 0.81 0.21 0.81 0.40
254 0.13 0.50 0.08 0.31 0.11 0.40 0.39
255 0.07 0.27 0.06 0.23 0.07 0.25 0.38
260 0.06 0.23 0.05 0.19 0.06 0.21 0.35
270 0.05 0.19 0.04 0.15 0.05 0.17 0.28
280 0.01 0.04 0.00 0.00 0.01 0.02 0.19
290 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.09
300 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
Tabla 25: Relación de llenado en la salida (m/m) para un nivel inicial de 3.5 m
Tiempo
(segundos)
Pruebas experimentales y/D
Teórico 0.0.3.B 0.0.3.C Promedio
y y/D y y/D y y/D
0 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
10 0.06 0.23 0.07 0.27 0.07 0.25 0.09
20 0.07 0.25 0.08 0.31 0.07 0.28 0.19
30 0.08 0.29 0.09 0.33 0.08 0.31 0.28
40 0.11 0.42 0.11 0.42 0.11 0.42 0.35
50 0.13 0.48 0.13 0.50 0.13 0.49 0.42
60 0.13 0.50 0.13 0.50 0.13 0.50 0.48
70 0.14 0.54 0.14 0.54 0.14 0.54 0.53
80 0.16 0.62 0.15 0.58 0.16 0.60 0.58
90 0.16 0.62 0.16 0.62 0.16 0.62 0.63
100 0.17 0.65 0.17 0.65 0.17 0.65 0.67
110 0.19 0.73 0.19 0.73 0.19 0.73 0.72
120 0.19 0.73 0.19 0.73 0.19 0.73 0.76
122 0.19 0.73 0.19 0.73 0.19 0.73 0.78
124 0.19 0.73 0.19 0.73 0.19 0.73 0.80
126 0.19 0.73 0.20 0.75 0.19 0.74 0.81
128 0.19 0.73 0.20 0.75 0.19 0.74 0.83
130 0.18 0.69 0.18 0.69 0.18 0.69 0.84
132 0.19 0.73 0.17 0.65 0.18 0.69 0.86
133 0.20 0.75 0.19 0.73 0.19 0.74 0.87
134 0.22 0.85 0.20 0.77 0.21 0.81 0.87
135 0.23 0.88 0.22 0.85 0.23 0.87 0.88
136 0.24 0.90 0.23 0.88 0.23 0.89 0.89
137 0.24 0.92 0.24 0.92 0.240 0.92 0.90
138 0.23 0.88 0.25 0.96 0.240 0.92 0.91
140 0.23 0.88 0.24 0.92 0.235 0.90 0.92
170 Caracterización experimental de condiciones de flujo mixto
Tiempo
(segundos)
Pruebas experimentales y/D
Teórico 0.0.3.B 0.0.3.C Promedio
y y/D y y/D y y/D
150 0.23 0.88 0.23 0.88 0.23 0.88 1.00
160 0.23 0.88 0.23 0.88 0.23 0.88 0.92
170 0.21 0.81 0.22 0.85 0.22 0.83 0.84
180 0.21 0.81 0.21 0.81 0.21 0.81 0.76
190 0.20 0.75 0.20 0.77 0.20 0.76 0.72
200 0.20 0.75 0.20 0.75 0.20 0.75 0.67
210 0.20 0.77 0.19 0.73 0.20 0.75 0.63
220 0.16 0.62 0.15 0.58 0.16 0.60 0.58
230 0.14 0.54 0.14 0.54 0.14 0.54 0.53
240 0.14 0.54 0.14 0.52 0.14 0.53 0.48
250 0.13 0.50 0.13 0.50 0.13 0.50 0.42
252 0.13 0.50 0.13 0.50 0.13 0.50 0.40
253 0.13 0.48 0.13 0.50 0.13 0.49 0.40
254 0.12 0.46 0.12 0.46 0.12 0.46 0.39
255 0.11 0.42 0.12 0.46 0.12 0.44 0.38
260 0.13 0.50 0.11 0.42 0.12 0.46 0.35
263 0.14 0.52 0.10 0.38 0.12 0.45 0.33
264 0.10 0.38 0.09 0.35 0.10 0.37 0.32
265 0.07 0.27 0.07 0.27 0.07 0.27 0.31
270 0.08 0.31 0.06 0.23 0.07 0.27 0.28
280 0.08 0.31 0.05 0.19 0.07 0.25 0.19
290 0.06 0.23 0.01 0.04 0.04 0.13 0.09
300 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
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