Capacidad de captación de un sumidero y cuantificación del efecto

generado por distintos tipos de residuos a la entrada

Mario A. Chirichigno - Adelma M. Mancinelli - Raul A. Navarro - Laura E. Ferrer

Facultad de Ciencias Exactas, Ingeniería y Agrimensura, Universidad Nacional de Rosario. Riobamba 245 bis –Rosario

e-mail: mariochirichigno@gmail.com

RESUMEN: El presente trabajo consiste en la evaluación de la capacidad de captación de un sumidero y de transporte de caudal de una calzada, a partir de un modelo físico a escala reducida.

Se analiza un sumidero vertical con una depresión en la entrada, de dos medidas diferentes. Luego, con la depresión adoptada se analiza un sumidero combinado (reja vertical y horizontal). Por último se realizaron observaciones del comportamiento con la presencia de obstrucciones en la entrada (hojas, envases, etc).

Los estudios sobre capacidad de captación de un sumidero en general consideran la entrada del mismo libre de obstrucciones. La condición de trabajo habitual no es esa, ya que el agua arrastra hasta los sumideros los elementos sueltos que se encuentran en los techos, veredas y calles. En la reja de entrada suelen encontrarse papeles, botellas, hojas y pequeñas ramas de árboles que reducen la capacidad de captación analizada en laboratorios. Si se considera una limpieza urbana previa a la lluvia, tampoco podría evitarse la caída de hojas de árboles durante una tormenta. En la región donde se realiza el presente estudio, los meses más lluviosos son noviembre y marzo. En los dos casos las tormentas encuentran a los árboles florecidos y en marzo, perdiendo hojas agravando esta situación.

El objetivo del presente trabajo es aportar datos observados que resulten útiles para la elección del tipo de sumidero a construir y su dimensionamiento.

INTRODUCCION La evaluación de la capacidad de captación de un sumidero mediante la construcción de un modelo físico a

escala reducida, surgió ante la necesidad de conocer con más precisión dicha capacidad para el caso de

aquellos utilizados en la ciudad de Rosario, a fin de ajustar los criterios de diseño de los proyectos de

desagües pluviales urbanos y aportar valores para el dimensionamiento de las obras de captación.

Este estudio se desarrolló en el Laboratorio de Hidráulica (FCEIA-UNR) mediante un modelo físico.

Se consideró un sumidero vertical con una depresión a la entrada, de dos medidas diferentes. Se continuó el

trabajo transformando el sumidero a uno de tipo combinado, con el valor de depresión con la que se obtuvo

el mejor resultado.

El sumidero combinado se analizó con una reja horizontal que posee un diseño que responde más a aspectos

constructivos que hidrodinámicos y con la abertura totalmente libre de obstáculos con el objetivo de observar

el comportamiento de la captación. Esta última situación se analizó al solo efecto de comparar resultados, ya

que resultaría imposible llevarla a la práctica.

A fin de analizar el sumidero en las condiciones de trabajo descriptas, se realizaron ensayos con las rejas

limpias y con dos cantidades distintas de basura. Los mismos ensayos se practicaron con un sumidero

vertical y uno combinado y para diferentes valores de caudal aportado

Los objetivos de este trabajo fueron:

- Evaluar la capacidad de captación de un sumidero vertical y combinado de tres rejas ubicado en un

punto intermedio de una pendiente del tipo y forma de uso actual en la ciudad de Rosario.

- Obtener una curva caudal-eficiencia para el sumidero analizado con sus variantes.

- Analizar la variabilidad de la capacidad en relación a la condición de entrada, con dos valores de

depresiones distintos, al tipo de sumidero (vertical o combinado) y al tipo de reja colocada en el

plano de la cuneta.

- Cuantificar el efecto generado por distintos tipos de residuos a la entrada de un sumidero.

METODOLOGIA

El estudio se realizó en forma experimental a partir de un modelo físico a escala 1:2

Caracterización de la estructura hidráulica

Se estudió un prototipo consistente en una media calzada de pavimento asfáltico con un sumidero vertical en

un punto intermedio de la pendiente longitudinal de la misma.

La sección transversal de la calle tiene una cuneta de 50cm con una pendiente del 4%, y la parte central con

una pendiente del 2%. Se utilizó esta sección transversal ya que resulta intermedia entre las secciones tipo

más utilizadas y coincide con el tipo existente en gran parte de ciudad.

La sección puede observarse en la Figura 1.

Figura 1: Sección transversal de la calle

La pendiente longitudinal de la calzada es de 0.24%.

Se estudiaron diferentes alternativas de prototipo de sumidero, modificando la depresión a la entrada, el tipo

de sumidero (vertical y combinado) y dos tipos de reja horizontal. Las alternativas fueron las siguientes:

- Sumidero vertical de 3 vanos de 1 metro de longitud cada uno, con una depresión a la entrada de 5

cm.

- Sumidero vertical de 3 vanos de 1 metro de longitud cada uno, con una depresión a la entrada de

12.5 cm.

- Sumidero combinado de 3 vanos de 1 metro de longitud cada uno, con una depresión a la entrada de

12.5 cm y una reja metálica en la abertura horizontal.

- Sumidero combinado de 3 vanos de 1 metro de longitud cada uno, con una depresión a la entrada de

12.5 cm y sin ninguna barrera en la abertura horizontal.

En todos los casos el sumidero prototipo tiene una reja en la abertura vertical para impedir el ingreso al

sistema de desagües de obstrucciones importantes.

Las Figuras 2, 3 y 4 presentan la planta y cortes del sumidero (prototipo).

Figura 2: Planta del prototipo

Figura 3: Corte transversal del prototipo

Figura 4: Corte longitudinal del prototipo

A la entrada, el sumidero prototipo analizado cuenta con una reja compuesta por tres barrotes verticales de

sección circular de 32 mm de diámetro separados en 25 cm tomados de eje a eje. Entre vano y vano del

sumidero hay una sección rectangular de 15 cm de ancho. La figura 5 muestra vista y cortes de la reja del

mismo.

Fi

gura 5: Reja del prototipo

Caracterización del modelo físico

El modelo físico se materializó sobre una mesa de hormigón, en la que se ejecutó una media calzada, dado

que el fenómeno estudiado es simétrico, con una pendiente longitudinal constante y un sumidero en un punto

intermedio.

En el fenómeno que se estudia hay un predominio de fuerzas de gravedad, por lo cual se empleó la similitud

a través de la igualación del número de Froude (Condición de similitud de Froude). Esta condición se

expresa:

12

Lg

V

EE

E

Los elementos considerados para elegir la escala adoptada fueron:

- Espacio físico disponible en el laboratorio

- Capacidad de bombeo disponible

- Coeficientes de rugosidad de las superficies a ejecutar

- Condiciones de similitud

Considerando la necesidad de longitud de modelación de la calzada que disminuya los efectos negativos del

sistema de ingreso de caudales, se adoptó una escala de longitudes de 1:2 sin distorsión.

Para esta escala adoptada resultan:

Tabla 1: factores de escalas

Magnitud física Fórmula de la escala Escala ( 1: … )

Longitud zyxL EEEE 2

Área 2LA EE 4

Radio Hidráulico LLLR EEEE 2 2

Pendiente 1 YXS EEE 1

Coef. n de Manning 61

21

32

/ LVSRn EEEEE 1.122

Velocidad 21

LV EE según Froude 1.414

Tiempo 21

LVLt EEEE 1.414

Coeficiente de rugosidad de las superficies a ejecutar: el coeficiente de rugosidad de Manning de la

cuneta del prototipo varía entre n=0.015 a 0.016. Para esta escala adoptada, la rugosidad a lograr se

encuentra entre 0.0133 a 0.01425.

Para esta escala de longitudes, resulta una escala de caudales de 5.66 y una escala de coeficiente de

rugosidad de Manning de 1.12.

La calle se construyó con una longitud de 9 metros aguas arriba del sumidero y 2 metros aguas abajo del

mismo, de modo de alejar del sumidero los posibles efectos de borde.

La calzada, tiene una pendiente longitudinal del 0.24%. La sección transversal está formada por dos tramos

rectos: cuneta de 25 cm de ancho con una pendiente transversal del 4%, y carpeta de 1.50m de ancho con una

pendiente del 2%.

El modelo del sumidero tiene tres vanos de 50 centímetros con una separación de 7.5 cm. Se analizó con dos

valores de depresión a la entrada: primero 2.5 cm y luego 6.25 cm

El coeficiente de rugosidad de Manning en la calle es de 0.012 que corresponde a un coeficiente en el

prototipo de n=0.0135. Si bien este valor de rugosidad es inferior al que se quiso lograr se consideró que no

alteraría sustancialmente los resultados.

Esquema de circulación

El agua es bombeada desde la cisterna hacia el tanque elevado; de ahí se descarga hacia una cámara de

aquietamiento y alimentación del modelo. La misma se llena y alimenta al modelo por rebase, previo paso

por un dispositivo aquietador que orienta el flujo ( Fig. 6)

Figura 6: Esquema de circulación

El líquido escurre sobre la calzada hasta llegar al sumidero, donde parte del caudal es captado y otra fracción

continúa por la calle. El caudal captado por el sumidero es descargado por medio de un conducto de PVC de

250 mm de diámetro, de 4.5m de longitud con una pendiente de 2%, hacia un cuenco aforador.

El agua que permanece en la calzada, cae directamente sobre una canaleta colectora que descarga en otro

cuenco aforador.

Los dos cuencos mencionados descargan por medio de dos vertederos sobre el canal de restitución que

conduce el agua nuevamente a la cisterna del laboratorio.

DESCRIPCIÓN DE LOS ENSAYOS

Los ensayos consistieron en el aporte de caudal de agua al modelo y la observación cualitativa y cuantitativa

de los fenómenos hidráulicos ocurridos, considerando las dos alternativas: el modelo libre de obstrucciones y

con la presencia de basura en la reja de entrada.

Se tomó un registro fotográfico y fílmico de lo observado, y se midieron el caudal captado por el sumidero,

el caudal que lo sobrepasa y el tirante en la cuneta. Durante los ensayos se visualizaron las líneas de flujo

mediante la incorporación al agua de un trazador (permanganato de potasio).

Se realizaron ensayos para cada situación aportando al modelo diferentes valores de caudal.

En relación a la incorporación de residuos se analizan con presencia de reja vertical y también combinado.

Al desarrollar los ensayos con basura, se consideró el empleo de hojas secas, bolsas de polietileno y envases

plásticos. En el caso de las hojas, se seleccionaron aquellas cuyas características correspondiesen a árboles

que se encuentren en la ciudad. Dada la variedad de especies en tamaño y textura detectadas, se consideró

que el escalamiento de esta variable se cumplió con suficiente aproximación al prototipo.

Para la consideración de la presencia de basura en la reja de entrada se analizaron distintas situaciones:

- Sumidero con la reja vertical de tres vanos y sin rejas horizontales

- Sumidero con la reja vertical de tres vanos con reja horizontal

Para ambas situaciones se consideraron tres escenarios de cantidad de basura que fueron denominadas nula,

escasa y abundante.

MEDICIÓN DE CAUDALES

Se midieron el caudal captado por el sumidero, el caudal que sobrepasa el mismo, y los tirantes en la cuneta

y en la reja.

Para la medición de los caudales se construyeron dos canales de aforo de sección rectangular y con pendiente

de fondo nula. Un canal recoge la descarga del conducto de salida del sumidero y el otro el caudal no

captado por intermedio de una canaleta al final de la calzada. En los canales de aforo se dispusieron dos

vertederos triangulares de pared delgada y de contracción parcial.

RESULTADOS OBTENIDOS

Se muestran a continuación los resultados de las mediciones realizadas en el modelo y los valores a esperar

en el prototipo luego de aplicar los factores de escala correspondientes a cada magnitud. Se considera la

Eficiencia del sumidero, como la relación entre el caudal captado y el caudal total suministrado.

Se realiza un análisis de la influencia de las partes componentes del diseño de un sumidero, en cuanto al tipo

(vertical o combinado), influencia de la medida de la depresión, de la presencia de reja horizontal, y

presencia de residuos en la entrada.

Capacidad de conducción de la cuneta y eficiencia del sumidero vertical

La figura 7 muestra la curva tirante – caudal observada en la cuneta para los ensayos

Figura 7Tirante-Caudal observado en cuneta

0

50

100

150

200

250

300

350

0 2 4 6 8 10 12 14 16Tirante [cm]

Cau

dal

[L

ts/s

eg]

En la tabla 2 se muestran los resultados para un sumidero vertical de 3 metros de longitud con una depresión

a la entrada de 5 cm y sin la presencia de obstrucciones en la misma.

Modelo Prototipo

Tirante [cm]

Caudal

Tirante [cm]

Caudal

EficienciaCaptado Pasante Total Captado Pasante Total

[Lts/seg] [Lts/seg] [Lts/seg] [Lts/seg] [Lts/seg] [Lts/seg] [%]

2.9 2.602 2.602 5.8 14.72 14.72 100

3.4 3.647 3.647 6.8 20.63 20.63 100 4.0 7.91 7.91 8.0 44.7 44.7 100.0 4.0 8.81 8.81 7.9 49.8 49.8 100.0 4.3 10.90 10.90 8.6 61.7 61.7 100.0 4.4 11.994 0.01 12.003 8.8 67.85 0.06 67.9 99.9 4.6 12.936 0.007 12.943 9.2 73.18 0.04 73.22 99.9 4.7 16.15 16.15 9.4 91.3 91.3 100.0 5.1 13.81 0.21 14.02 10.2 78.1 1.2 79.3 98.5 16.64 0.359 16.999 10.2 94.13 2.03 96.16 97.9

5.1 16.64 0.64 17.28 10.2 94.1 3.6 97.7 96.3 5.4 18.439 0.858 19.296 10.8 104.3 4.85 109.16 95.6 5.3 19.244 0.699 19.943 10.6 108.86 3.96 112.81 96.5 5.3 19.244 0.776 20.02 10.6 108.86 4.39 113.25 96.1 6.1 19.24 2.77 22.01 12.2 108.9 15.7 124.5 87.4 6.1 19.52 2.63 22.14 12.2 110.4 14.9 125.3 88.1 6.1 20.07 3.08 23.14 12.2 113.5 17.4 130.9 86.7 5.6 21.492 1.826 23.318 11.2 121.58 10.33 131.91 92.2 5.6 20.63 2.93 23.56 11.2 116.7 16.6 133.3 87.6 5.8 21.784 2.031 23.815 11.6 123.23 11.49 134.72 91.5 5.5 20.63 3.25 23.88 11.0 116.7 18.4 135.1 86.4 5.7 22.374 2.249 24.623 11.4 126.57 12.72 139.29 90.9 22.374 2.481 24.855 126.57 14.03 140.6 90 22.673 2.402 25.075 128.26 13.59 141.85 90.4 22.974 2.726 25.7 129.96 15.42 145.38 89.4

6.2 21.78 4.71 26.49 12.4 123.2 26.6 149.9 82.2 6.2 21.20 5.32 26.52 12.4 119.9 30.1 150.0 80.0 6.9 23.16 7.67 30.82 13.8 131.0 43.4 174.4 75.1 24.52 8.08 32.60 13.7 138.7 45.7 184.4 75.2

6.7 24.83 8.57 33.41 13.4 140.5 48.5 189.0 74.3 6.3 26.78 11.95 38.73 12.6 151.5 67.6 219.1 69.1 6.4 28.46 14.81 43.27 12.8 161.0 83.8 244.8 65.8 7.4 28.81 14.90 43.71 14.8 163.0 84.3 247.3 65.9 6.7 29.86 22.61 52.47 13.4 168.9 127.9 296.8 56.9

Tabla 2 Resultados para sumidero vertical L=3m con depresión de 5 cm

En la tabla 3 se muestran los resultados para un sumidero vertical y uno combinado con una depresión a la

entrada de 12.5 cm y sin la presencia de obstrucciones en la misma. También se realizaron ensayos con la

abertura horizontal totalmente libre (sin reja) a fin de analizar la influencia de la misma.

Caudal Modelo Caudal Prototipo Longitud

[m] Reja Horiz.

Captado Pasante Total Captado Pasante Total Eficiencia

V H [Lts/seg] [Lts/seg] [Lts/seg] [Lts/seg] [Lts/seg] [Lts/seg] [%]

3 3 Libre 12.51 0.25 12.76 70.8 1.4 72.2 98.1

3 3 14.03 0.31 14.34 79.4 1.8 81.1 97.8

3 15.19 0.56 15.74 85.9 3.2 89.1 96.4

3 1 15.42 0.63 16.05 87.2 3.5 90.8 96.1

3 1 15.42 0.66 16.08 87.2 3.7 91.0 95.9

3 3 15.42 0.74 16.16 87.2 4.2 91.4 95.4

3 3 Libre 20.35 2.40 22.75 115.1 13.6 128.7 89.4

3 3 20.35 2.81 23.16 115.1 15.9 131.0 87.9

3 3 22.67 4.17 26.84 128.3 23.6 151.8 84.5

3 3 Libre 23.58 3.55 27.13 133.4 20.1 153.5 86.9

3 3 24.83 6.55 31.38 140.5 37.0 177.5 79.1

3 3 Libre 25.15 6.27 31.42 142.3 35.5 177.7 80.1

3 3 25.15 6.55 31.70 142.3 37.0 179.3 79.3

3 25.15 6.98 32.13 142.3 39.5 181.8 78.3

3 3 25.15 6.98 32.13 142.3 39.5 181.8 78.3

3 1 25.47 6.69 32.16 144.1 37.9 181.9 79.2

3 3 26.12 7.44 33.55 147.7 42.1 189.8 77.8

3 3 Libre 25.79 8.23 34.02 145.9 46.5 192.4 75.8

3 3 28.81 13.37 42.18 163.0 75.6 238.6 68.3

3 3 29.86 12.94 42.79 168.9 73.2 242.1 69.8

3 29.51 13.37 42.87 166.9 75.6 242.5 68.8

3 3 Libre 29.68 15.19 44.87 167.9 85.9 253.8 66.2

3 3 30.21 14.95 45.16 170.9 84.6 255.5 66.9

3 29.86 16.15 46.00 168.9 91.3 260.2 64.9

3 3 Libre 32.03 18.97 51.00 181.2 107.3 288.5 62.8

3 3 32.03 19.52 51.54 181.2 110.4 291.6 62.1

3 1 31.66 21.78 53.44 179.1 123.2 302.3 59.2

3 31.29 22.37 53.67 177.0 126.6 303.6 58.3

Tabla 3 Resultados para sumidero vertical y combinado con depresión de 12.5 cm.

Influencia del la depresión en la entrada

La figura 8 muestra la influencia de la depresión en un del sumidero vertical en términos de eficiencia.

Figura 8: Eficiencia en función del caudal aportado en un sumidero vertical con una depresión de 12.5 y 5 cm.

Influencia del agregado de abertura horizontal

En adelante se comparan los resultados obtenidos con y sin el agregado de la reja horizontal, es decir un

sumidero vertical y combinado. El ensayo se realizó con una longitud de 3 metros y una depresión de

12.5cm.

Figura 9: eficiencia en función del caudal aportado en un sumidero vertical y combinado.

Influencia del tipo de reja horizontal

En el trabajo no se analizan distintos tipos de rejas horizontales, pero se compara el resultado de un tipo de

reja que no tiene un diseño pensado desde sus características hidrodinámicas con otro con la abertura

totalmente libre. El siguiente gráfico muestra los resultados obtenidos.

Figura 10: eficiencia de un sumidero combinado con y sin reja en la abertura horizontal.

Efecto de la presencia de obstrucciones en la entrada

Se realizaron ensayos libres de elementos en la entrada y con distintas cantidades de basura. En los

resultados se indica la cantidad de basura como ¨poca¨ o ¨abundante¨. En la primera se aportó una bolsa de

consorcio llena de hojas y en la segunda 2 bolsas. Aplicando la escala de volumen, resultarían 8 y 16 bolsas,

que es la cantidad que habitualmente se recogen en las tareas de barrido de calles a lo largo del recorrido de

la cuneta desde el inicio de la cuenca hasta el primer sumidero.

Se observó que los envases plásticos no obstruyen la entrada ya que flotan, permitiendo el paso del agua por

debajo, y el flujo los orienta hacia el interior. Con las bolsas pequeñas de polietileno (supermercado, basura,

etc) se produce un efecto similar. Las hojas de árboles, cuando hay abertura horizontal, según su tipo y

cantidad, el agua las aplasta sobre la reja horizontal ingresando por la vertical. Si la cantidad es mayor, se

acumulan en el primer tramo del sumidero. En el sumidero vertical, las hojas tienden a adherirse a los

barrotes verticales restando sección de entrada.

Los resultados de las mediciones realizadas se muestran en la siguiente figura, no obstante se recomienda ver

esta parte del trabajo más a nivel cualitativo que cuantitativo.

Figura 11: eficiencia de un sumidero combinado con distintas cantidades de basura en la entrada.

COMPARACIÓN CON OTROS ESTUDIOS

Se compara la eficiencia de un sumidero vertical con 5 cm de depresión con el que resulta de la aplicación de

las formulaciones de UDFCD de 1984 y 2001. La comparación se hace en términos de eficiencia para el

caudal que genera un tirante en la cuneta de 12cm, que es caudal que se considera máximo admisible para un

cordón cuneta de 15cm de altura. Como condición de trabajo se comparó el resultado del sumidero libre de

basura a la entrada, ya que así se realizaron los demás estudios.

Figura 12: Comparación con otros estudios o formulaciones

Eficiencia [%] para el caudal máximo en la cuneta

0

20

40

60

80

100

Eficiencia [%] 83 71 82

UDFCD (84) Gúo = UDFCD (2001) Resultado ensayado

IMÁGENES DE LOS ENSAYOS

Figura 13: vista general del modelo Figura 14: vista del modelo del sumidero

Figura 15: Líneas de corriente frente al sumidero

Figura 16: ensayo con gran cantidad de basura y caudal importante

CONCLUSIONES

Se obtuvo una curva de eficiencia de un sumidero de con las características constructivas y valores de

pendientes locales.

Se observó que la existencia de una depresión a la entrada mejora la capacidad de captación.

En condiciones de funcionamiento libre de basura, la presencia de la reja horizontal no produce una mejora

sustancial de la capacidad de captación.

Bajo las mismas condiciones de trabajo no se esperan grandes mejoras con un diseño especial de la reja

horizontal.

En relación a la reducción de capacidad por presencia de basura, se observó una reducción de la eficiencia

del orden del 5 %, para cantidades de residuos generadas por la misma tormenta y con una reja como la

descripta, con una separación de barrotes que permite el paso de elementos menores.