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Área: APROVECHAMIENTO DE LOS RECURSOS HIDRICOS Y MAQUINAS HIDRÁULICAS

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DISEÑO DE ESTACIONES DE BOMBEO Y ACUEDUCTOS DISEÑO DE ESTACIONES DE BOMBEO Y ACUEDUCTOS INTRODUCCIÓN La creciente demanda de proyectos y obras relacionadas con estaciones de bombeo y acueductos ha generado la necesidad de disponer de una serie de herramientas de cálculo y diseño que permitan garantizar un comportamiento seguro de las obras en su etapa operativa. Estas notas tienen como propósito poner de manifiesto los principales problemas que exigen respuestas técnicas explícitas, las herramientas de que se dispone para su análisis y los criterios generales que deben enmarcar todo proyecto de este tipo. Los problemas que se deben enfrentar tienen un crecimiento directamente relacionado con la magnitud de las obras y con la garantía exigible por parte de la población en lo que se refiere a la salud (agua potable), y seguridad (sistemas pluviales). Acueductos y sus estaciones de bombeo Los requerimientos de agua potable en niveles mínimos de calidad y cantidad dan como resultado un panorama de obras futuras caracterizadas por grandes dimensiones y costos. Estas dimensiones se relacionan tanto por los caudales a transportar como por la longitud de las conducciones. En un país como el nuestro, donde muchas de las áreas urbanas se encuentran asentadas en regiones de bajas pendientes, casi siempre que se debe conducir agua, se debe contar con el aporte de estaciones elevadoras que permitan su escurrimiento. Los problemas económicos vinculados con estas obras cumplen un papel destacado a la hora de tomar decisiones, pero estas notas no pretenden cubrir estos aspectos y sólo serán mencionados tangencialmente. La tecnología de los materiales plásticos y de las resinas reforzadas han puesto, en muchos casos, los costos de las conducciones a escala de las demandas. Determinar la relación entre las alturas de impulsión y los diámetros de las conducciones constituye un problema que debe resolverse en general en condiciones de un equilibrio económico entre las inversiones y los gastos operativos. Durante estas notas surgirán diversos problemas técnicos que, asociados a sus parámetros económicos, permitirán contar con más elementos con vistas a una adecuada optimización de las obras. Desagües pluviales y estaciones de bombeo Los desagües pluviales constituyen sistemas de conducción de aguas de origen superficial que las derivan generalmente hacia sistemas fluviales existentes y supuestamente mayores. Los problemas aparecen cuando, en un contexto en el cual las normativas que regulan el crecimiento urbano son inadecuadas (o sencillamente ignoradas), las obras municipales de pavimentación crecen en mucho mayor proporción que las de desagüe, con lo cual se crean situaciones de alta complejidad de resolución.

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DISEÑO DE ESTACIONES DE BOMBEO Y ACUEDUCTOS Cambios provocados por los conductos pluviales Los conductos pluviales urbanos reemplazan cursos o bajos naturales por los cuales circulaban los excesos superficiales en una primera etapa del desarrollo urbano. La constante invasión del curso natural sumado al aumento de los caudales de escurrimiento genera la necesidad de la construcción de conductos. Hasta valores de caudal correspondientes con los de diseño, los conductos presentan 1º Etapa una clara mejora respecto de la situación previa a su construcción. Pero la situación de diseño no implica una limitante para los caudales que pueden escurrir. Tormentas de recurrencias mayores a las empleadas para el dimensionamiento provocarán caudales superiores a la 2º Etapa capacidad de los conductos. Cuando esto ocurre pueden aparecer situaciones más críticas que las anteriores al reemplazo de los cursos naturales por los conductos. 3º Etapa

4º Etapa

La construcción de desagües provoca en la población una sensación de seguridad frente a las inundaciones que no siempre es real. Esto se debe al serio problema que surge de no analizar adecuadamente el comportamiento de la cuenca ante tormentas de recurrencias superiores a las empleadas para el diseño. Este problema, que aquí sólo lo mencionamos al pasar y que se relaciona con los métodos de cálculo de los desagües pluviales, ocupa un lugar primordial en el análisis de esta tipología de estaciones de bombeo.

H Estaciones de bombeo en sistemas pluviales

Conducto

Cuando se presentan casos en los que los niveles de restitución de los sistemas pluviales, en forma independiente o no, llegan a cotas que generan inundaciones dentro del sector urbano, se plantea como sistema de protección la construcción de terraplenes de defensa que impidan la entrada o invasión de las aguas del cuerpo receptor.

Curso natural

Si describimos las etapas del desarrollo del problema tendríamos algo así: 1º Etapa: La población se mantiene alejada del cuerpo receptor y se construyen conductos de desagüe.

Q diseño

Q

2º Etapa: La población invade las proximidades de curso receptor y se presentan inundaciones en sectores bajos del área urbana. 3º Etapa:

Se construyen terraplenes que impidan las inundaciones debidas a niveles altos del 2

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DISEÑO DE ESTACIONES DE BOMBEO Y ACUEDUCTOS curso. Generalmente con esta etapa se colocan compuertas automáticas que impiden el ingreso del agua hacia el área poblada a través del sistema de conductos. 4º Etapa: Para solucionar el problema que se origina cuando, en combinación con situaciones en las que el nivel del cuerpo receptor es elevado, llueve sobre la cuenca interna, se plantea la construcción de una estación de bombeo. Ésta permite la evacuación de los caudales internos independientemente de los niveles externos.

Situaciones que pueden generar el estado de la 2º Etapa Las razones por las cuales áreas que, por ocupar los sectores bajos de la cuenca, cercanos a los cuerpos receptores, se encuentran naturalmente sometidas a crecidas, sin embargo se urbanizan, son múltiples: a)

Cuando la frecuencia de este fenómeno es baja y no llega a integrarse claramente en la memoria colectiva. Es el caso de poblaciones en las costas de lagos o lagunas tales como las de Mar Chiquita, en Córdoba, o Carhué, en la provincia de Buenos Aires. b) Cuando, al contrario de lo expuesto en el inciso a), las crecidas son frecuentes y se asumen por parte de la población como algo natural, y toma respecto a ello ciertas precauciones para que no produzcan daños de mucha gravedad. En estos casos la necesidad de proteger las áreas tiene como objeto mejorar la calidad de vida, generar inversiones y en términos generales evitar que estos sectores configuren zonas marginales. Es el caso de muchos de los sectores aledaños al Riachuelo (río Matanza), río de La Plata y río Reconquista. c) Por último, debe contemplarse la eventualidad de que las áreas urbanas aumentan la respuesta hidrológica de la cuenca y la frecuencia de las inundaciones. En estos casos la alternativa de aumentar el tamaño del curso está impedido por el mismo crecimiento urbano.

Hipótesis de diseño Veamos ahora las situaciones que se plantean dentro de un área urbana enmarcada por terraplenes con un sistema de desagüe y estaciones de bombeo. La primera situación contempla la un nivel de restitución relativamente bajo, que habilita al sistema de desagües a trabajar por gravedad, prescindiendo de la estación de bombeo. En este caso el sistema funciona en forma tradicional, sin estación de bombeo, y su diseño responderá a los criterios habituales.

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DISEÑO DE ESTACIONES DE BOMBEO Y ACUEDUCTOS La segunda situación es la que emerge cuando el nivel de restitución impide la descarga por gravedad del sistema de desagües y debe operar la estación de bombeo. En este caso el sector urbano adyacente al curso tiene impedida toda descarga por superficie o a gravedad, y su seguridad depende exclusivamente de la capacidad de la estación de bombeo. Del mismo modo que el entubamiento de un curso natural dentro del casco urbano, las estaciones de bombeo, en general, aumentan la seguridad hasta ciertos valores del caudal o recurrencia, por encima de los cuales la capacidad de los conductos pueden ser menores que la propia del cauce. El problema reside en la rigidez que la estación de bombeo exhibe para evacuar los caudales excedentes. Mientras que todo sistema que actúa por gravedad, entubado o no, está en condiciones de aumentar su capacidad con el solo expediente de elevar sus niveles piezométricos, en el caso de las estaciones de bombeo, en cambio, una vez definida su capacidad, no puede incrementarse frente a las condiciones externas. La diferencia entre los caudales ingresantes (cuando estos superan a los de diseño) y los bombeados generan volúmenes que se acumularán en las zonas bajas pero supuestamente protegidas. Cuando dentro de un casco urbano se plantea la solución de endicamientos y bombeo como sistema de defensa es necesario intentar algunas de las soluciones siguientes, que tienden a disminuir los requerimientos de capacidad de los equipos: a)

Si existen zonas urbanas con cota suficiente, destinarles un sistema de desagües exclusivamente por gravedad, que no recargue la zonas deprimidas.

b)

Si existe la posibilidad de que el sector urbano se siga desarrollando hacia las zonas altas, es recomendable programar la construcción de colectores paralelos al curso cuya descarga se producirá a alguna distancia aguas abajo del cuerpo receptor.

En general, es necesario poner el acento en la necesidad de programar las obras de infraestructura urbana de pavimentos y desagües en conjunto. Los diferentes costos relativos de estas obras generan extensos programas de pavimentación que provocan cambios sustanciales en los coeficientes de escorrentía superficial y por lo tanto aumentos abruptos en el tiempo de los derrames superficiales. Todo esto lleva a la necesidad de plantear obras de altos costos y que conllevan riesgos potenciales a la población que en general los desconoce.

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Zona con desagües a gravedad

Zona con desagües a gravedad y bombeo

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CARACTERISTICAS GENERALES DE LAS ESTACIONES DE BOMBEO

Las características de las estaciones de bombeo se distinguen en razón de sus diferentes usos. Los tres grandes grupos en que podemos clasificarlas, de acuerdo con su funcionalidad, son: las destinadas a la evacuación de desagües pluviales; las orientadas a la impulsión de agua para acueductos; y las estaciones de bombeo de líquidos cloacales. En este apunte nos referiremos en general a las estaciones de bombeo de desagües pluviales y de acueductos, quedando las de líquidos cloacales para ser analizadas dentro de los temas pertenecientes a la especialidad de la Ingeniería Sanitaria. En general, las estaciones de bombeo de desagües pluviales responden a una modalidad: que las bombas se encuentran dentro de la dársena de bombeo donde se va a realizar el traspaso del agua. En este caso se utilizan bombas dispuestas según dos configuraciones posibles: bombas con motor sumergido o bombas con motor en seco. También es usual que muchas de éstas contribuyan a la evacuación que se da naturalmente por gravedad, bien sea en forma conjunta o bien alternadamente de acuerdo con las condiciones de la restitución. Por otro lado, cualquiera sea el modo de operación adoptado, estas estaciones de bombeo intervienen en forma intermitente, en respuesta a la necesidad de evacuar las crecidas que son producto de los periodos de lluvias más intensas. Este carácter de operación discontinua deberá ser tenido en cuenta por el proyectista. Las estaciones de bombeo de los acueductos, en general, operan en forma continua, es decir que todo el tiempo están impulsando un cierto caudal, mas allá de que mediante alguna cisterna puedan hacerlo en forma de variar la cantidad de horas que operan las bombas. Es posible clasificar estas estaciones de bombeo según dos criterios. El primero de ellos concierne las instalaciones en las que las estaciones de bombeo están asociadas a una cisterna, la cual a su vez puede adquirir dos configuraciones posibles: con cámara seca o cámara húmeda. Estas tipologías se identifican con las bombas: respectivamente, si éstas se encuentran dentro del cuenco o cisterna donde se acumula el agua que será bombeada; o si se encuentran fuera del agua, o sea en seco, conectándose mediante las tuberías respectivas a la cisterna. El segundo criterio está asociado con el lugar donde se ubica la estación de bombeo. Es común utilizar dos posiciones bien diferenciadas: bombeo desde la cisterna; o bombeo desde la misma tubería. En este último caso se las denomina en línea, haciendo referencia a que impulsan directamente sobre la línea de conducción de agua. A su vez, la configuración en línea se adaptable a la necesidad de disponer las bombas en paralelo o en serie. Las demás alternativas de bombeo (con dársenas, en los pluviales, o cisternas, en los acueductos), usualmente sólo admiten la disposición en paralelo.

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DISEÑO DE ESTACIONES DE BOMBEO Y ACUEDUCTOS DISEÑO GENERAL DE LAS ESTACIONES DE BOMBEO Como norma general, el diseño debe obtener la operación deseada al mínimo costo posible. Los cálculos para evaluar la viabilidad de un diseño de estación de bombeo debe involucrar los costos anualizados, bien sean las inversiones iniciales como los costos de operación y de mantenimiento, además de los costos de repuestos empleados durante la vida útil asignada en el proyecto. Generalmente, el mínimo costo se obtiene con un mínimo número de bombas. De todas maneras, se recomienda un mínimo de dos bombas, y otras condiciones permiten que este número se eleve. El dato inicial a contemplar en el diseño de una estación de bombeo es el caudal máximo que se debe impulsar. Este valor, en su origen, difiere, en las estaciones de bombeo de desagües pluviales respecto de las de acueductos, destinados a impulsar el agua para los consumos humanos y/o industriales. Hidrograma de Llegada a la EB Qbomba

En las primeras, este valor proviene de los estudios de las lluvias sobre una cuenca, que en la mayoría de ellos se plasman en un hidrograma de crecidas, en el que quedan de manifiesto los excedentes pluviales que deberán ser evacuados por la estación de bombeo.

Q max

En este caso, el caudal de diseño se corresponde con el máximo valor del hidrograma, en general sin considerar el efecto de atenuación que la estación de bombeo puede producir en razón de disponer de un volumen de operación. En algunas ocasiones este valor máximo se incrementa en una determinada proporción, a modo de revancha.

Tiempo

Este caudal, junto con la altura de impulsión, permite seleccionar el tipo de bomba a utilizar; queda por resolver, no obstante, el número de bombas a seleccionar para la estación de bombeo. En el caso de las estaciones de bombeo de los acueductos, que en general operan en forma permanente, el caudal varía en forma estacional, al margen del aumento sostenido, con el transcurso de los años, originado por el crecimiento demográfico. Esto hace que los caudales para diseñar las estaciones de bombeo resulten de la proyección de 20, 30 ó 40 años hacia delante luego de la puesta en marcha. Como consecuencia de ello, durante la vida útil, la operación de la estación de bombeo debe adaptarse a diferentes caudales de funcionamiento, bien sea mediante un incremento de la capacidad del equipamiento hidromecánico o bien, como en algunas ocasiones (por ejemplo, cuando se bombea de cisterna a cisterna), mediante un mayor número de horas de operación diaria; las cisternas obran, en este caso, como órganos de regulación. En obras de importancia, es rara la implementación de alguna de ambas soluciones en forma

CAUDAL MEDIOS DIARIO MAXIMOS ANUALES Q

Qbombeo

Tiempo

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DISEÑO DE ESTACIONES DE BOMBEO Y ACUEDUCTOS aislada sino en forma combinada, lo cual permite adaptar el sistema de bombeo a los años de funcionamiento y a grandes incrementos de los caudales de consumo. CONFIGURACIÓN GENERAL DE LA ESTACIÓN DE BOMBEO La segunda característica que deberá considerarse, a fin de proseguir con el diseño de la estación de bombeo es el destino de la misma. Al igual que en el caso anterior, deberá distinguirse las obras según se orienten a los desagües pluviales o al bombeo continuo. Configuración General para Estaciones de Bombeo de Desagües Pluviales. En este caso la estación de bombeo está constituida por una dársena de bombeo, donde se colocan las bombas, tal como muestra el esquema siguiente:

La configuración general más utilizada para las estaciones de bombeo de desagües pluviales, tanto urbanos como de zonas rurales, consiste de una dársena a la cual ingresa el agua proveniente de la crecida. La dársena deberá propender a la generación de las condiciones hidráulicas propicias al correcto funcionamiento de las bombas, de manera que con la obra más económica sea posible evacuar el caudal seleccionado, y las condiciones de mantenimiento permitan operar según el tiempo previsto. Las dársenas de bombeo constan de un recinto desde el que la bomba succiona el agua y de una instalación (metálica o de hormigón) que la conduce hasta el cuerpo receptor. Esta configuración puede ser diferente. A continuación exponemos sólo algunas de las configuraciones utilizadas, tanto en corte como en planta, y todas ellas para bombas sumergibles.

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En este caso, las bombas seleccionadas son sumergibles, y erogan un cierto caudal a través de una tubería que desemboca posteriormente en el cuerpo receptor de los excesos superficiales.

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DISEÑO DE ESTACIONES DE BOMBEO Y ACUEDUCTOS Para definir las dimensiones generales, es necesario conocer los siguientes parámetros: a) b) c)

La cota del fondo de la estación de bombeo; El número de bombas; El área de la estación de bombeo.

A fin de conocer la cota del fondo de la estación de bombeo, debemos conocer los niveles de operación; en particular, el nivel mínimo, que configura la situación más critica respecto de la seguridad de las bombas respecto de dos condiciones, una asociada a la cavitación, y la otra a la formación de vórtices. Resta, no obstante, definir las condiciones de admisión de la bomba. Las condiciones que se deben tener en cuenta sobre la cavitación y la vorticidad son comunes a todas las estaciones de bombeo, por lo que las explicaremos más adelante. Para determinar el número de bombas de las estaciones de bombeo de desagües pluviales, se debe considerar la disponibilidad de bombas que pueden ser obtenidas para el proyecto en cuestión. Si existiera la posibilidad de que con una bomba se alcanzase el caudal máximo, se debería contemplar las consecuencias de que ésta fallase. En general, en estaciones de bombeo para zonas urbanas esto implicaría riesgos de inundación muy graves, cuyos costos económicos afectarían en gran medida el análisis...