Caracterización experimental de condiciones de flujo mixto en alcantarillado pluvial debido a eventos que exceden el caudal de diseño

Abstract

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.

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.

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 maximum design flow may not have yet been reached, as unanticipated mixed flow conditions is developing in the pipe.