Modelación física de cámara de caída con foso de impacto

•

SIN SIGLA

Lusbin CABALLERO GONZALEZ

3/2/2024

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Ingeniería Civil

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Universidad de La Salle Universidad de La Salle
Ciencia Unisalle Ciencia Unisalle
Ingeniería Civil Facultad de Ingeniería
2016
Modelación física de cámara de caída con foso de impacto Modelación física de cámara de caída con foso de impacto
Juan Camilo Carvajal Silva
Universidad de La Salle, Bogotá
Daniel Alberto Rojas Tarazona
Universidad de La Salle, Bogotá
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Carvajal Silva, J. C., & Rojas Tarazona, D. A. (2016). Modelación física de cámara de caída con foso de
impacto. Retrieved from https://ciencia.lasalle.edu.co/ing_civil/88
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MODELACIÓN FÍSICA DE CÁMARA DE CAÍDA CON FOSO DE IMPACTO

JUAN CAMILO CARVAJAL SILVA
DANIEL ALBERTO ROJAS TARAZONA

UNIVERSIDAD DE LA SALLE
FACULTAD DE INGENIERÍA
PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVIL
BOGOTÁ D. C.
2016

MODELACIÓN FÍSICA DE CÁMARA DE CAÍDA CON FOSO DE IMPACTO

JUAN CAMILO CARVAJAL SILVA
DANIEL ALBERTO ROJAS TARAZONA

Trabajo de Grado Presentado como Requisito para Optar al Título de Ingeniero Civil.

Director Temático
EDDER ALEXANDER VELANDIA DURAN
Ing. Civil, MSc. Ingeniería Civil e Industrial,
Diploma en Gobierno y liderazgo.

UNIVERSIDAD DE LA SALLE
FACULTAD DE INGENIERÍA
PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVIL
BOGOTÁ D. C.
2016

Agradecimientos

Expresamos nuestro agradecimiento a todas las personas que participaron e hicieron posible la
realización de este proyecto, especialmente:
Agradecemos al Ingeniero Edder Alexander Velandia Duran por darnos la oportunidad de
participar en esta investigación bajo su asesoría y dirección constante en el planteamiento y
desarrollo del proyecto.
A los docentes de la línea de Hidráulica de la Universidad de la Salle que contribuyeron a nuestra
formación profesional en esta área.
A el laboratorio de Hidráulica de la Universidad de la Salle encabezado por el Ingeniero Luis Efrén
Ayala y Marta Lucia Tovar, por su apoyo con la apertura de los espacios para trabajar y el préstamo
de elementos necesarios para llevar nuestro proyecto a su culminación.

Dedicatoria

Primeramente dedico esta tesis a Dios por darme la oportunidad de poder estudiar esta maravillosa
profesión, agradezco la salud, sabiduría y fortaleza que me dio en todo este proceso de aprendizaje.
A mis grandes ejemplos a seguir; mis padres: Luz Ángela Silva y Eduardo Carvajal por el apoyo
incondicional, y tan importante en este proceso educativo, son una bendición.
A mi hermano Sebastián Carvajal por el respaldo que me brindó todos estos años universitarios,
fue de gran ayuda.

Juan Camilo Carvajal Silva

Dedicatoria

Principalmente a dios que siempre ha guiado mi camino encarrilándome y regalándome la
oportunidad de estudiar esta hermosa carrera como es la ingeniería civil, además de darme fuerza
para nunca desfallecer y cumplir con mis sueños.
A mis padres y a mis hermanos los cuales son el motor de mi vida además de la inspiración para
seguir adelante y ser mejor cada día para que ellos siempre se sientan orgullosos de lo que hago
A mi novia Karen Cruz que es mi complemento además una ayuda incondicional en las situaciones
difíciles y en la realización de este proyecto
Daniel Rojas Tarazona

Tabla de contenido

Introducción ................................................................................................................................ 14

1. Descripción del Problema................................................................................................... 15
1.1 Justificación ......................................................................................................................... 16
1.2 Alcance del proyecto ........................................................................................................... 17
2. Objetivos .............................................................................................................................. 18
2.1 Objetivo General ............................................................................................................ 18
2.2 Objetivos Específicos ..................................................................................................... 18
3 Marco Conceptual ............................................................................................................... 19
4. Marco Legal ............................................................................................................................. 20
5. Metodología del Proyecto ................................................................................................... 21
5.1 Fase 1 Revisión de Antecedentes ................................................................................... 21
5.2 Fase 2 Revisión de conceptos de modelación física. ...................................................... 21
5.3 Fase 3 Modelación .......................................................................................................... 22
5.4 Fase 4 Recomendaciones ................................................................................................ 22
4. Marco Referencial ................................................................................................................... 22
4.1 Antecedentes ....................................................................................................................... 22
5. Marco Teórico ......................................................................................................................... 30
5.1 Estado de flujo ..................................................................................................................... 30
5.2 Regímenes de flujo .............................................................................................................. 31
5.3 Energía ................................................................................................................................ 32
5.4 Fuerzas de arrastre y esfuerzo cortante ............................................................................... 35
5.5 Resalto hidráulico ................................................................................................................ 36
5.6 Canales circulares ................................................................................................................ 37
5.7 Diseño de alcantarillados .................................................................................................... 37
5.8 Estructuras hidráulicas complementarias ............................................................................ 40
5.9 Cámara de caída o Cámara de quiebre ................................................................................40
6. Metodología Modelación Física. ........................................................................................ 55
6.1 Diseño y Construcción del modelo ................................................................................. 55
6.2 Procedimiento para toma de datos. ................................................................................. 59
8. Resultados y Análisis .............................................................................................................. 67
8.1 Caracterización Hidráulica del modelo de Cámara de Caída con Foso de impacto. .......... 67
8.1.1 Altura de Sobre-elevación............................................................................................ 68

8.1.2 Profundidad del Resalto ............................................................................................... 78
8.1.3 Disipación de Energía .................................................................................................. 98
8.2 Análisis .............................................................................................................................. 105
8.3 Análisis Comparativo ........................................................................................................ 106
8.3 RECOMENDACIONES DE LA ESTRUCTURA ........................................................... 108
9. CONCLUSIONES............................................................................................................. 111
10. Bibliografía .......................................................................................................................... 113
11. ANEXOS .............................................................................................................................. 115

Lista de Figuras
Figura 1 Esquema de los Régimen de Flujo básicos en acueductos Romanos, Régimen 1 . 23
Figura 2 Esquema del Régimen de Flujo básico en acueductos Romanos, Régimen 2....... 23

Figura 3 Esquema del Régimen de Flujo básico en acueductos Romanos, Régimen 3 ........ 24
Figura 4 Caracterización Hidráulica de Cámara de Caída. ................................................... 25
Figura 5 Sistema de Cámara de Caída, con entrada curva. ................................................... 26
Figura 6 Modelo de Cámara de Caída a escala 1:4 en operación. ........................................ 27
Figura 7 Pozo Experimental, diámetro de 1m con flujo R3 en operación. ........................... 28
Figura 8 Curva de energía específica. ................................................................................... 33
Figura 9 Cámara de quiebre tipo bajante para un sistema de alcantarillado ......................... 41
Figura 10 Cámaras de Caída PAVCO .................................................................................. 42
Figura 11 Cámara de Caída típica EAB. ............................................................................... 43
Figura 12 Cámara de caída con tubería externa. ................................................................... 44
Figura 13 Unión de tuberías con Caída en estructura de conexión....................................... 45
Figura 14 Cámara de Caída EMCALI .................................................................................. 46
Figura 15 Cámara de quiebre tipo Caída libre. ..................................................................... 49
Figura 16 Cámara de quiebre tipo vórtice. ............................................................................ 51
Figura 17 Cámara de caída tipo escalonada. ......................................................................... 52
Figura 18 Cámara de Caída tipo Gradas Alternantes. ........................................................... 53
Figura 19 Montaje de modelo de Cámara de caída con foso de impacto para alcantarillados.58
Figura 20 Montaje de transferencia del flujo al modelo. ...................................................... 58
Figura 21 Caracterización Hidráulica de Cámara de Caída. ................................................. 60
Figura 22 Caracterización de caudal para Régimen 1. ......................................................... 61
Figura 23 Ajuste de pendiente y altura de caída para la toma de datos en el modelo. ......... 63
Figura 24 Toma de datos, S=0.5%, P= 0.15m, h= 0.25m, Q=∅/3(m3/s).............................. 63
Figura 25 Toma de datos, S=0.5%, P= 0.15m, h= 0.2m, Q=∅/2(m3/s)................................ 64
Figura 26 Toma de datos, S=0.5%, P= 0.15m, h= 0.2m, Q≈∅/2(m3/s) ................................ 64
Figura 27 Aforo de caudales. ................................................................................................ 65
Figura 28 Toma de datos, Yp (Sobre elevación) para; S=0,5%, P= 0.15m, h= 1.5m, Q=∅/3(m3/s).
............................................................................................................................................... 65
Figura 29 Toma de datos altura lámina de agua h’. .............................................................. 66
Figura 30 Altura de sobre-elevación en función de la medida adimensional de flujo (dc/h),
P=0.05m, S=0.5%, h=0.25m. ................................................................................................ 69
Figura 31 Altura de sobre-elevación en función de la medida adimensional de flujo (dc/h),
P=0.05m, S=0.5%, h=1m. ..................................................................................................... 69
Figura 32 Altura de sobre-elevación de colchón en función de la medida adimensional de flujo
(dc/h), con P=0.05m, h= 0.25m y S=0.5%. .......................................................................... 71
Figura 33 Altura de sobre-elevación de colchón en función de la medida adimensional de flujo
(dc/h), con P=0.10m, h= 0.25m y S=0.5%. .......................................................................... 71
Figura 34 Altura de sobre-elevación en función de la medida adimensional de flujo (dc/h),
P=0.05m, S=1%, h=0.25m. ................................................................................................... 72
Figura 35 Altura de sobre-elevación en función de la medida adimensional de flujo (dc/h),
P=0.05m, S=1%, h=1.25m. ................................................................................................... 72

Figura 36 Altura de sobre-elevación de colchón en función de la medida adimensional de flujo
(dc/h), con P=0.10m, h= 0.25m y S=1%. ............................................................................. 74
Figura 37 Altura de sobre-elevación de colchón en función de la medida adimensional de flujo
(dc/h), con P=0.15m, h= 0.25m y S=1%. ............................................................................. 74
Figura 38 Altura de sobre-elevación en función de la medida adimensional de flujo (dc/h),
P=0.05m, S=2%, h=0.05m. ................................................................................................... 76
Figura 39 Altura de sobre-elevación en función de la medida adimensional de flujo (dc/h),
P=0.05m, S=2%, h=1m. ........................................................................................................ 76
Figura 40 Altura de sobre-elevación de colchón en función de la medida adimensional de flujo
(dc/h), con P=0.15m, h= 0.25m y S=2%. ............................................................................. 77
Figura 41 Altura de sobre-elevación de colchón en función de la medida adimensional de flujo
(dc/h), con P=0.20m, h= 0.25m y S=2%. ............................................................................. 77
Figura 42 Profundidad de penetración del resalto hidráulico para h=0.25m, P=0.05m y S=0,5%.
...............................................................................................................................................79
Figura 43 Profundidad de penetración del resalto hidráulico para h=1.25m, P=0.05m y S=0,5%.
............................................................................................................................................... 79
Figura 44 Profundidad de penetración del resalto hidráulico para h=1,25m, P=0.10m y S=0,5%.
............................................................................................................................................... 80
Figura 45Profundidad de penetración del resalto hidráulico para h=0.5m, P=0.10m y S=0,5%.
............................................................................................................................................... 80
Figura 46 Profundidad de penetración del resalto hidráulico para h=1.5m, P=0.15m y S=0,5%.
............................................................................................................................................... 82
Figura 47 Profundidad de penetración del resalto hidráulico para h=1.5m, P=0.20m y S=0,5%.
............................................................................................................................................... 83
Figura 48 Variación de profundidad de penetración del resalto hidráulico para P=0.05m, h=0.25m
y S=0,5%. .............................................................................................................................. 84
Figura 49 Variación de profundidad de penetración del resalto hidráulico para P=0.20m, h=0.25m
y S=0,5%. .............................................................................................................................. 84
Figura 50 Profundidad de penetración del resalto hidráulico para h=0.75m, P=0.05m y S=1%.
............................................................................................................................................... 86
Figura 51 Profundidad de penetración del resalto hidráulico para h=1.25m, P=0.05m y S=1%.
............................................................................................................................................... 86
Figura 52Profundidad de penetración del resalto hidráulico para h=1m, P=0.10m y S=1%.88
Figura 53 Profundidad de penetración del resalto hidráulico para h=1.25m, P=0.10m y S=1%.
............................................................................................................................................... 88
Figura 54 Profundidad de penetración del resalto hidráulico para h=0.75m, P=0.15m y S=1%.
............................................................................................................................................... 89
Figura 55 Profundidad de penetración del resalto hidráulico para h=1.5m, P=0.20m y S=1%.
............................................................................................................................................... 90
Figura 56 Variación de profundidad de penetración del resalto hidráulico para h=0.25m, P=0.15m
y S=1%. ................................................................................................................................. 91

Figura 57 Variación de profundidad de penetración del resalto hidráulico para h=0.25m, P=0.20m
y S=1%. ................................................................................................................................. 91
Figura 58 Profundidad de resalto hidráulico para h=0.25m, P=0.05m y S=2% ................... 93
Figura 59 Profundidad de resalto hidráulico para h=1m, P=0.05m y S=2% ........................ 93
Figura 60 Profundidad de penetración del resalto hidráulico para h=1.25m, P=0.10m y S=2%.
............................................................................................................................................... 94
Figura 61 Profundidad de penetración del resalto hidráulico para h=1.25m, P=0.15m y S=2%.
............................................................................................................................................... 95
Figura 62 Profundidad de penetración del resalto hidráulico para h=1.25m, P=0.20m y S=2%.
............................................................................................................................................... 97
Figura 63 Variación de profundidad de penetración del resalto hidráulico para h= 1m P=0.15m y
S=2%. .................................................................................................................................... 98
Figura 64 Variación de profundidad de penetración del resalto hidráulico para h= 1m P=0.20m y
S=2%. .................................................................................................................................... 98
Figura 65 Estructura de cámara de caída recomendada según estudio. .............................. 110

Lista de Tablas
Tabla 1 Dimensiones de modelo de cámara de caída con foso de impacto. ......................... 55
Tabla 2 Variables hidráulicas para caracterización del modelo de experimentación. .......... 59

Tabla 3 Proceso de ensayos realizados. Tal cual lo indica la flecha para cada pendiente. ... 62
Tabla 4 Organización de datos de aforo de caudal ............................................................... 66
Tabla 5 Toma de datos altura de sobreelevación y profundidad de penetración del resalto
hidráulico, altura lámina de agua. ......................................................................................... 67

Lista de Graficas
Gráfica 1 Altura de sobre-elevación en función de la medida adimensional de flujo (dc/h),
P=0.05m, S=0.5%, ∆h. .................................................................................................................. 69

Gráfica 2 Altura de sobre-elevación de colchón en función de la medida adimensional de flujo
(dc/h), con ∆P variable, h= 0.25m y S=0.5%. .............................................................................. 70
Gráfica 3 Altura de sobre-elevación en función de la medida adimensional de flujo (dc/h),
P=0.05m, S=1%, ∆h. ..................................................................................................................... 72
Gráfica 4 Altura de sobre-elevación de colchón en función de la medida adimensional de flujo
(dc/h), con ∆P variable, h= 0.25m y S=1%. ................................................................................. 73
Gráfica 5 Efecto de cambio de pendiente ∆S%, en la altura de sobre-elevación para P=0.05m y
∆h. ................................................................................................................................................. 74
Gráfica 6 Altura de sobre-elevación en función de la medida adimensional de flujo (dc/h),
P=0.05m, S=2%, ∆h. ..................................................................................................................... 75
Gráfica 7 Altura de sobre-elevación de colchón en función de la medida adimensional de flujo
(dc/h), con ∆P variable, h= 0.25m y S=2%. ................................................................................. 77
Gráfica 8 Efecto de cambio de pendiente ∆S%, en la altura de sobre-elevación para P=0.05m y
∆h. ................................................................................................................................................. 78
Gráfica 9 Profundidad de penetración del resalto hidráulico para ∆h, P=0.05m y S=0,5%. ...... 80
Gráfica 10 Profundidad de penetración del resalto hidráulico para ∆h, P=0.10m y S=0,5%. .... 81
Gráfica 11 Profundidad de penetración del resalto hidráulico para ∆h, P=0.15m y S=0,5%. .... 81
Gráfica 12 Profundidad de penetración del resalto hidráulico para ∆h, P=0.20m y S=0,5%. .... 82
Gráfica 13 Variaciónde profundidad de penetración del resalto hidráulico para ∆P, ∆h y S=0,5%.
....................................................................................................................................................... 84
Gráfica 14 Profundidad de penetración del resalto hidráulico para cambio de pendiente ∆S%,
P=0.05m. ....................................................................................................................................... 85
Gráfica 15 Profundidad de penetración del resalto hidráulico para ∆h, P=0.05m y S=1%. ....... 87
Gráfica 16 Profundidad de penetración del resalto hidráulico para ∆h, P=0.10m y S=1%. ....... 87
Gráfica 17 Profundidad de penetración del resalto hidráulico para ∆h, P=0.15m y S=1%. ....... 88
Grafica 18 Profundidad de penetración del resalto hidráulico para ∆h, P=0.20m y S=1%. ....... 89
Gráfica 19 Variación de profundidad de penetración del resalto hidráulico para ∆P y S=1%. .. 90
Gráfica 20 Profundidad de penetración del resalto hidráulico para cambio de pendiente ∆S%,
P=0.05m. ....................................................................................................................................... 92
Gráfica 21 Profundidad de penetración del resalto hidráulico para ∆h, P=0.05m y S=2%. ....... 93
Gráfica 22 Profundidad de penetración del resalto hidráulico para ∆h, P=0.10m y S=2%. ....... 94
Gráfica 23 Profundidad de penetración del resalto hidráulico para ∆h, P=0.15m y S=2%. ....... 95
Gráfica 24 Profundidad de penetración del resalto hidráulico para ∆h, P=0.20m y S=2%. ....... 96
Gráfica 25 Variación de profundidad de penetración del resalto hidráulico para ∆P y S=2%. .. 97
Gráfica 26 Efecto de la altura de caída en el valor de energía residual, P=0.05m, S=0,5%. .... 100
Gráfica 27 Efecto del cambio de espesor ∆P en el valor de energía residual, h=0.5m, S=0,5%.
..................................................................................................................................................... 100
Gráfica 28 Efecto de la altura de caída en el valor de energía residual, P=0.05m, S=1%. ....... 101
Gráfica 29 Efecto del cambio de pendiente ∆S y altura de caída en el valor de energía residual,
P=0.05m. ..................................................................................................................................... 102
Gráfica 30 Efecto del cambio de espesor ∆P en el valor de energía residual, h=0.5m, S=1 %. 103

Gráfica 31 Efecto de la altura de caída en el valor de energía residual, P=0.05m, S=2%. ....... 104
Gráfica 32 Efecto del cambio de pendiente ∆S y altura de caída en el valor de energía residual,
P=0.05m. ..................................................................................................................................... 104
Gráfica 33 Efecto del cambio de espesor ∆P en el valor de energía residual, h=0.5m, S=1 %.105
Grafica 36 Profundidad de penetración del resalto hidráulico (estudio actual). ........................ 108

Introducción

En el diseño de redes de alcantarillado cuando se presenta cambios de pendiente del terreno
es necesario la construcción de una cámara de quiebre. Esta estructura busca conectar tramos
de tubería con pendientes obligadas, menores al del terreno donde hay una altura mayor a
0.75m entre el conducto de entrada y el conducto de salida. Las cámaras de quiebre se
clasifican de acuerdo a distintos parámetros o criterios, como por ejemplo mecanismos de
disipación de energía, tamaño y forma.
En la reglamentación utilizada a nivel nacional existe un tipo de cámara de quiebre tipo
bajante el cual es el más utilizado a la hora de construir estas estructuras complementarias,
sin embargo, existen otros tipos de estructuras como es el caso de las cámaras de caída con
foso de impacto. Este tipo de estructuras existen en gran parte de la literatura de diseño y
construcción de alcantarillados, sin embargo, en nuestro país por falta de conocimiento y
estudio de estas no han sido implementadas y por lo tanto reglamentadas.
La cámara de quiebre de caída libre es el diseño más simple para este tipo de estructuras;
conecta un conducto de entrada con un conducto de salida a través de una cámara simple, en
la cual ocurren los fenómenos de disipación de energía. Con este estudio se busca determinar
una relación caudal – altura, que a su vez permita determinar la cantidad de energía que según
estos parámetros sea posible disipar en drenajes urbanos.
Debido a lo anterior se desarrollara un modelo físico a escala donde se experimentará y
determinará las relaciones anteriormente mencionadas para una cámara de caída con pozo de
impacto, lo cual permita deducir las relaciones óptimas con el fin de que este tipo de
estructuras puedan ser consignadas en la normatividad colombiana e implementadas en el
diseño y construcción de alcantarillados de alta pendiente.

1. Descripción del Problema

Desde la antigüedad, cerca de los 3000 años, el imperio Romano ha contribuido notablemente
al avance de la Ingeniería, acto de esto son los acueductos construidos en su mismo imperio
y en lugares como Francia y Norte de África, en la construcción de estos tuvo que verse
implementado estructuras de caída que fueran capaces de cubrir pendientes del orden de 1 a
3 m/km con el fin y lograr disminuir la energía del mismo.
Siglos después estos sistemas construidos en la antigüedad y clasificados al día de hoy como
estructuras hidráulicas complementarias han sido de gran uso, sobre todo en territorio
nacional donde muchas ciudades están ubicadas en regiones de alta pendiente, lo que genera
complejidad en el desarrollo de sistemas de alcantarillado ya que impiden proyectar los
colectores de estos sistemas de forma paralela al terreno cumpliendo con parámetros de
velocidad, energía y generando problemas como flujos inestables, cavitación, turbulencia y
esfuerzos de corte considerables al interior de los colectores. Estos efectos generan
problemas en la durabilidad de las estructuras que componen los sistemas de alcantarillado.
En la actualidad estas estructuras hidráulicas son aplicadas a altas pendientes y supeditadas
como cita la Normatividad, RAS 2000 Titulo D, a una diferencia de cotas batea de entrada y
de salida mayor a 0.75m las cuales con una implementación de un foso de impacto buscan
disipar parte de la energía con la que circula el flujo. Por normatividad en nuestro país son
implementadas las cámaras de caída tipo bajante las cuales presentan problemas por su diseño
y proceso constructivo, sin embargo, existen una gran cantidad de estructuras de caída tales
como tipo vórtice, caída libre con colchón de impacto, escalonada, con gradas alternantes y
rápida interna, pero ninguna de estas implementadas debido a la falta de estudios y de
conocimiento de cómo aplicar las mismas.
Con el desarrollo de esta experimentación y el uso del modelo a escala de una cámara de
caída con foso de impacto será posible conocer el comportamiento hidráulico del mismo y
así llegar a conocer como pueden ser implementados garantizando así su buen rendimiento.

1.1 Justificación

La presente investigación se enfocará en estudiar el mecanismo de los pozos de inspección
para reducir la energía con la que el agua llega y prevenir daños a la estructura además de
cuidar el sistema de drenaje, este se conoce como cámara de caída o cámara de quiebre, para
nuestra investigación estudiaremos los fenómenos que ocurren dentro de la cámaras de caída
simple con el fin de incorporar y evaluar cuatro tipos de variables las cuales son: altura de
caída, profundidad del colchón de agua, caudal y pendiente.

La topografía en un importante número de ciudades de Colombia propicia el desarrollo de
alcantarillados con cámaras de caída a causa de laspendientes pronunciadas, para lo cual se
vienen implementando diseño y construcción de cámaras de caída tipo bajante. Sin embargo,
en la literatura existen otras opciones como las cámaras de caída por foso de impacto, las
cuales por falta de información no han sido implementadas en la normatividad colombiana y
por ende en los sistemas de alcantarillado del país.

La unión entre dos o más tramos de colectores debe hacerse con estructuras hidráulicas
denominadas estructuras de conexión. Normalmente, se emplea un pozo de unión o estructura
de pozos de inspección las cuales permiten el acceso y la revisión y mantenimiento de las
redes sanitarias, por lo general estas estructuras están regidas por su ubicación y su
topografía.

Este proyecto es importante porque con él se facilitará la forma de construcción y la manera
como se diseñan las redes sanitarias de las veredas y ciudades donde en muchas ocasiones la
pendiente o las zonas donde se piensan construir y que no facilitan o es de difícil acceso;
además de que es un sistema que requiere un bajo presupuesto puesto que es un método
innovador y nuevo el cual mejorara la infraestructura sanitaria dando una mejora al estilo de
vida y ayudando a la calidad de vida de todos

Los resultados de la investigación si esta tiene éxito acrecentarían el conocimiento que se
tiene acerca de las cámaras de quiebre con foso de impacto lo que permitiría la facilidad en
el diseño de estas estructuras como de los sistemas de alcantarillado en las altas pendientes
del territorio colombiano sumado a la gran ventaja económica y constructiva que este tipo de
cámara genera sobre las estipuladas normativamente y las cuales son usadas comúnmente en
el país.
1.2 Alcance del proyecto

Se realizará un modelo a escala en el laboratorio de hidráulica de la Universidad de la Salle
con el fin de incorporar y evaluar tres tipos de variables las cuales son: altura de caída,
profundidad del colchón de agua, caudal y pendiente. Con esto se espera obtener una relación
entre las tres variables anteriormente mencionadas con el fin de generar una facilidad en el
proceso de diseño y construcción para los ingenieros. La escala se definió teniendo en cuenta
las limitaciones de recirculación de caudal en la Universidad.

Las alturas serán escaladas 1:3
Medidas modelo escaladas Mediad real
 0.25m  0.75 m
 0.5m  1.5m
 0.75m  2.25m
 1m  3m
 1.25m  3.25m
 1.5m  4.5m

La profundidad del colchón
 0.05m  0.15m
 0.10m  0.30m
 0.15m  0.45m
 0.2m  0.6m

Las pendientes a trabajar serán del orden de: 0.5%, 1%, 2%
2. Objetivos

2.1 Objetivo General

Realizar Modelación Física de Cámaras de Caída con Foso de Impacto en alcantarillados.

2.2 Objetivos Específicos

- Realizar una revisión del estado del arte relacionado con cámaras de caída en pozos para
alcantarillados.
- Modelar mediante modelo físico a escala distintas condiciones de caída y colchones de
agua para una Cámara de caída con Foso de Impacto.
- Determinar los efectos de modificar la pendiente, el caudal, la altura de caída y espesor
del colchón de agua, utilizando unos rangos establecidos para cada una de las variables.
- Realizar una recomendación de diseño para la cámara de caída con foso de impacto en
alcantarillados.

3 Marco Conceptual

- Alcantarillado de aguas residuales: Según Cualla (2013), es un sistema compuesto
por todas las instalaciones destinadas a la recolección y transporte de las aguas
residuales domésticas y/o industriales.

- Cámara de caída: Son “todos los colectores que lleguen a una estructura de conexión,
con una diferencia mayor de 0.75 m con respecto a la batea del colector de salida,
deben entregar al pozo mediante una cámara de caída” (EAAB, 2002)

- Cota de batea: Según Cualla (2013) el nivel del punto más bajo de la sección
transversal interna de una tubería o colector.

- Estructura de conexión o estructura-pozo: “Estructura construida para la unión de uno
o más colectores, con el fin de permitir cambios de alineamiento horizontal y vertical
en el sistema de alcantarillado, entre otros propósitos” Cualla (2013)

- Estructuras de disipación de energía: “Estructuras construidas para disipar la energía
del flujo”. RAS (2000)

- Pozo o cámara de inspección: “Estructura de ladrillo o concreto, de forma usualmente
cilíndrica, que remata generalmente en su parte superior en forma tronco-cónica, y
con tapa removible para permitir la ventilación, el acceso y el mantenimiento de los
colectores” Cualla (2013)

- Piscina de Impacto: Según (Rajaratnam, 1997), es un espesor de agua de
amortiguamiento del chorro, el cual se encuentra en el fondo de una cámara de caída
con el fin de evitar socavación en el mismo y ayudar a disipar energía.

- Altura de Caída: Según Álvarez (2007) Es la diferencia de altura entre conductos de
entrada y salida.
20

4. Marco Legal

Ley 142 de 1994 por la cual se establece el régimen de los servicios públicos domiciliarios
cita en su capítulos, de la implicación de la ley frente a los servicios públicos, de la
intervención del estado, de las personas que prestan los servicios públicos, de los contratos,
gestión y resultados de las empresas prestadoras de servicios públicos.
En cuanto a normatividad técnica, a nivel nacional el diseño de estructuras hidráulicas
complementarias está regido por:

- RAS- Reglamento Técnico del Sector de Agua Potable Y Saneamiento Básico
El Titulo D (sistemas de recolección y evacuación de aguas residuales domésticas y
pluviales sección D.6.4), proporciona información acerca de las consideraciones para
su proyección, es decir altura mínima, dirección de flujo y alternativas. Parámetros
de diseño, es decir cómo se disponen los colectores a la entrada de la estructura, la
longitud de los mismos y diámetros. Las definiciones necesarias para comprender el
mismo.

Sin embargo para cada ciudad en especial las más importantes del país, cada empresa local
de acueducto y alcantarillado tiene su propia normatividad donde están más explícitamente
explicados el diseño de las mismas y su proceso constructivo como sigue:

- Normas de Diseño de Sistemas de Alcantarillado de EPM.
Capítulo 8 normas y especificaciones generales de construcción (especificación 813),
el cual dicta las generalidades que tiene los sistemas de alcantarillados en especial las
cámaras de caída, sus especificaciones, dimensiones, proceso constructivo y formas
de pago del mismo.

- EAB-Empresa de Acueducto de Bogotá
De acuerdo a la norma ACU Y ALCA 28/02/05
En su normatividad técnica dicta en primer lugar la terminología necesaria para
comprender estos sistemas, generalidades de los mismos, dimensiones básicas y
necesarias para construir una cámara de caída y los materiales necesarios y
comúnmente utilizados.

- EMCALI. (Empresas Municipales de Cali)
NDC-SE-RA-001 (sección 6.5)
En esta sección se evidencian las generalidades que tiene los sistemas de
alcantarillados en especial las cámaras de caída, sus especificaciones y dimensiones,
la forma de pago y medida.

5. Metodología del Proyecto

El Proceso para la realización de este estudio se desarrolló en las siguientes fases:
5.1 Fase 1 Revisión de Antecedentes
Se hizo una revisión del estado del arte, libros, normas, literatura internacional, bases de
datos EBSCO, SCOPUS, y Engineering Village, con el fin de buscar artículos y demás
material que pudieran aportar ideas u/o conceptos sobre el tema del proyecto de Cámara de
caída libre. Posteriormente se hizo un repaso de todo el material encontrado escogiendo los
autores y respectivos estudios que podían aportar en el proceso de apropio del tema.

5.2 Fase 2 Revisión de conceptos de modelaciónfísica.
Por motivos de facilidad y optimización de los recursos no fue posible realizar la
experimentación en un prototipo de una cámara de caída, debido a esto fue necesario llevar
acabo la realización de un modelo de esta estructura que permitiera llevar acabo el desarrollo
del proyecto. Para esto se realizó la revisión de un concepto de modelación física conocido
como principio de similitud, donde se acogió el criterio de similitud de Froude, el cual es
recomendado para la modelación de estructuras hidráulicas, como en este caso.

5.3 Fase 3 Modelación
Se llevó a cabo, basados en el criterio de similitud de Froude, la modelación física de la
estructura de caída con variaciones de altura de caída, pendiente y espesor de colchón de
impacto.

5.4 Fase 4 Recomendaciones
Luego de llevar acabo la modelación se procedió a organizar los resultados obtenidos en
forma apropiada lo cual permitió llegar conocer de manera adecuada los fenómenos que se
produjeron dentro de la estructura y basados en estos se realizó recomendaciones
constructivas y de diseño de las cámaras de caída con foso de impacto.

4. Marco Referencial

4.1 Antecedentes

 La presente investigación tiene que ver con un estudio realizado por Chanson.H,
(1999) Energy Dissipation and Drop Structures in Ancient times: the Roman
Dropshafts, en este estudio el autor realizó una investigación sobre las estructuras de
caida en los acueductos romanos apoyado con un modelo desarrollado en la
universidad de Queensland. Esta investiacion demuestra la eficiencia de este tipo de
estructuras en cuanto a discipación de energía se refiere ademas de ser excelentes
sistemas de reoxigenación. El autor también realiza una comparación entre los
sistemas antiguos y los implementados actualmente. En este artículo, el autor presenta
tres tipos de régimen, (figuras 1,2 y 3) los cuales dependen del punto de caída del
fluido dentro de la estructura, lo que nos aporta una idea de cual régimen es el mas
eficiente y mas conveniente por funcionamiento y constructivamente.
23

Figura 1 Esquema de los Régimen de Flujo básicos en acueductos Romanos, Régimen 1
Fuente: H. Chanson (1999)

Figura 2 Esquema del Régimen de Flujo básico en acueductos Romanos, Régimen 2
Fuente: H. Chanson (1999)
24

Figura 3 Esquema del Régimen de Flujo básico en acueductos Romanos, Régimen 3
Fuente: H. Chanson (1999)
 Una de las principales investigaciones desarrolladas con respecto a cámaras de caída
y en la cual se basó el presente estudio fue llevada a cabo por Chanson.H, (2004)
Hidraulic of Rectangular Dropshaft donde realiza un estudio de una cámara de caída
rectangular la cual conecta a su vez dos canales rectangulares. En este estudio el
principal objetivo es detallar las características hidráulicas de las cámaras de caída
rectangulares, (figura 4), las cuales, son altura de sobre elevación, profundidad de
penetración del resalto hidráulico y disipación de energía, con especial énfasis en
analizar los efectos de la dirección del flujo, piscina de impacto y caída. Además el
autor toma en cuenta los tres tipos de regímenes de flujo observados previamente por
Rajaratnam (1997) y trabajados por el mismo en otras publicaciones. En este estudio
siete cámaras de caída fueron estudiadas, los canales de aguas arriba se dejaron como
canales abiertos mientras que aguas abajo eran cubiertos y terminaban en un
vertedero. Las mediciones se llevan a cabo teniendo en cuenta dos direcciones de
flujo, de 90° y 180°.
25

Figura 4 Caracterización Hidráulica de Cámara de Caída.
Fuente: H. Chanson (1999)
 El estudio de N.Rajaratnam “observations on flow in vertical dropshafts in urban
drainage systems” publicado el 1 de mayo de 1997 en la ciudad de Edmonton
(Canadá) con condiciones reales, se realizó dentro de las instalaciones de la
universidad de Alberta con el fin de determinar sí las cámaras de caída
convencionales estaban bien diseñadas o era necesario alguna modificación dentro de
las recomendaciones de diseño, cabe resaltar que no existe una norma vigente
internacional, como nacional que rija la construcción de las cámaras de forma precisa
y aprovechando todos sus características, por ende este estudio se hizo con el fin de
demostrar que la curva dentro del accesorio de caída, (figura 5), es más eficiente que
una caída en ángulo de 90 grados para así aumentar su capacidad de carga, a
excepción de muy pequeñas descargas. El agua que cae en el accesorio de caída no
forma un chorro central coherente para ello se realizó el modelo físico de una cámara
de caída con el fin de variar diámetro de la tubería de salida y determinar que tanta
energía de disipación en valor de porcentaje mejoraba el ángulo de inclinación dentro
de la cámara de caída.
26

Figura 5 Sistema de Cámara de Caída, con entrada curva.
Fuente: N.Rajaratnam (1997)
 Chanson realizó otro estudio denominado Hydraulic of Roman Acueducts: Steep
Chutes, Cascades and Dropshafts, este estudio desarrolló un analisis hidráulico de las
estructuras complementarias que hacían parte de los sistemas de acueducto utilizados
en el imperio romano. En el análisis de las camaras de caída, el profesor realizó la
modelación de una cámara de caida rectangular unida por canales rectangulares.
utilizando una escala de 1:4, en la cual trabajo Regimenes tipo 1 y 2, (figura 6). El
estudio muestra que el Régimen 1 es el mas óptimo en cuanto a disipación de energía
se refeire ademas de permitir una mayor aireacion del fuljo. A su vez el Regimen 2
presenta un pobre efecto en la disipación de energía, pero genera otro efecto a
considerar y es la erosión por lo cual recomienda que las camaras de caída deben ser
sobrediseñadas con el fin de prevenir flujos no aptos como es el caso del Régimen 2
y asi evitar efectos dañinos en la estructura.

Figura 6 Modelo de Cámara de Caída a escala 1:4 en operación.
Fuente: H. Chanson(2000)

 Granata realizo un estudio denominado Hydraulics of Circular Drop Manholes, el
cual es una investigación experimental acerca de los pozos, bajo el enfoque de flujo
de aproximacion supercrítico. En esta experimentación se analizó las características
hidráulicas de los pozos de caída, donde la importancia en el diseño de las mismas
está basada en dos principios los cuales son: la disipación de la energía y condiciones
óptimas de flujo particularmente en términos de choking (ahogo del flujo en la tubería
de salida). Se inicia con la investigación experimental para estudiar el rendimiento de
pozos de caída bajo flujo de aproximación supercrítico.
La instalación experimental (figura 7) que fue llevada a cabo en los laboratorios de
ingenieria de Hidraulica de la universidad de Cssino (Italia), permitió el análisis de
una amplia gama de condiciones de trabajo, teniendo en cuenta los diversos factores
que controlan el rendimiento de pozos de registro caída.

La instalación experimental consistió en un pozo circular de plexiglass conectado a
un sistema de recirculación. Se usaron dos modelos de pozo: El modelo 1 con un
diámetro de pozo de 1m y con mediciones de caída a (0.5m, 1m, 1.5m, 2m) con un
caudal de 3 a 80lps. El modelo 2 con un diámetro de 0.48m y con mediciones de caída
a (1m, 1.2m, 1.5m) con un caudal entre 1.5 y 60 (lps).

Figura 7 Pozo Experimental, diámetro de 1m con flujo R3 en operación.
Fuente: (Granata, 2011)

 Del análisis realizado por Alvarez (2007) en la Universidad de los Andes sobre el
diseño de cámaras de quiebre para acueductos, se infiere la necesidad de tener en
cuenta tres criterios basicos para la selección de un tipo de estructura de cámara de
quiebre, los cuales son hidráulicos, económicos y constructivos. Para el interes del
presente estudio se infiere del articulo realizado por Alvarez un rango de caudal paracámaras de caida libre de hasta 10 m3/s siempre y cuando se evaluen los daños
generados en la estructura. En cuanto a la diferencia de altura entre la cota batea de
llegada y cota batea de salida esta deben ser menores de 8m. En cuanto a la relacion
costo constructivo se concluye que la mayor eficiencia y el menor costo para la
cámara de caida libre se encuentra en rangos de altura de 1m a 3.2m.

 Saldarriaga (2008) llevo acabo un estudio sobre varios tipos de camaras de caida, en
especial realizo una experimentacion sobre una camara de caida de bandejas basado
en los flujos aportados por la investigación realizada por Chanson.H, (2004). El
objetivo de esta experimentación fue entender la operación y comportamiento
hidráulico de este tipo de estructuras. De igual forma Saldarriaga, (2008) se basa en
un estudio desarrollado por Rajaratnam N, (1997) el cual aporta un dato bastante
interesante acerca de la entrada de la cámara y es que esta debe ser de forma curva
con el fin de aumentar la capacidad de transporte, restringir o impedir la formación
de una vena contracta en la entrada y reducir el impacto en las paredes de la estructura.
La formación de una vena contracta en la entrada aumenta la demanda de aire en el
pozo por lo que no recomienda que la entrada al pozo sea a presión generando la
aparición del fenómeno de cavitación. Este autor recomienda un radio de curvatura
de entrada al pozo de 0,5 veces el diámetro del conducto de entrada.

5. Marco Teórico

5.1 Estado de flujo

El estado de flujo en hidráulica puede clasificarse de distintas formas, según Chow (1994)
debido a los efectos de viscosidad y gravedad en relación con las fuerzas inerciales del flujo.

Flujo Laminar: El flujo se considera en estado laminar cuando las fuerzas generadas por la
viscosidad son mayores en relación con las inerciales, lo que genera que las partículas del
flujo se comporten de manera lenta mostrando una trayectoria bien definida a unas
velocidades relativamente bajas.

Flujo Turbulento: Se presenta cuando las fuerzas gravitacionales son menores en relación
con las fuerzas inerciales. En este las partículas del flujo se comportan de una manera
irregular para nada suave a unas velocidades relativamente altas.

Lo anterior, puede ser representado por medio de la ecuación (1.1) del número de Reynolds;

𝑅 =
𝑉𝐿
𝜐
(1.1)
Fuente: (Chow, 1994)
Donde:
V= Velocidad del flujo
L= Longitud característica o Radio Hidráulico
ν= Viscosidad Cinemática

La literatura define según el Número de Reynolds los siguientes valores del mismo para
identificar cada estado de flujo:
Flujo Laminar Re < 2000
31

Flujo de Transición 2000< Re<4000
Flujo Turbulento Re >4000

5.2 Regímenes de flujo

Básicamente este caso representa un efecto combinado entre viscosidad y gravedad, este
efecto se puede representar mediante una relación, la cual arroja un valor conocida como
Número de Freud (F), según Chow (1994) esta relación se expresa de la siguiente manera:

𝐹 =
𝑉
√𝑔. 𝐿
(1.2)
Fuente: (Chow, 1994)

Donde:
V= Velocidad del flujo
G = Aceleración de la Gravedad
L = Longitud Característica

Por lo tanto:
Si F < 1 el flujo se denomina Sub-crítico
Si F > 1 el flujo se denomina Supercrítico
Si F = 1 el flujo se denomina Crítico

En el caso donde se presenta un régimen de flujo sub-crítico, el protagonismo es asumido
por las fuerzas gravitacionales, se puede apreciar que el flujo se caracteriza por una velocidad
baja, tranquilo y de corriente lenta. Para el caso del régimen de flujo supercrítico las fuerzas
inerciales dominan el flujo, el cual tiene características de velocidad alta y torrencial.

5.3 Energía

La energía en la hidráulica elemental se entiende según Chow (1994) como la expresión de
la altura total en pies de agua, lo que es igual a la suma de la elevación por encima del nivel
de referencia, la altura de presion y la altura de velocidad. Lo anterior es representado
mediante la ecuación de Bernulli, suponiendo que las pérdidas por friccción son
despreciables:

𝑧1 + 𝑦1 +
𝑣1
2
2𝑔
= 𝑧2 + 𝑦2 +
𝑣2
2
2𝑔
(1.3)
Fuente (Chow, 1994)

Donde:
Zi = Elevación en metros de un punto de corriente por encima del plano de referencia.
Yi = Profundidad de la sección
Vi = velocidad media de la saección
g = aceleración de la gravedad

Energía Específica

Según Chow (1994) la energía específica para una sección de una canal , puede definirse
como la energía por libra de agua en cualquier sección de un canal medida con respecto al
fondo de este. Esta definición puede expresarse por medio de la siguiente ecuación:

𝐸 = 𝑦 ∗ cos 𝜃 +
𝑣2
2𝑔
(1.4)

Donde:
Y= Profundidad de la sección
Θ= Pendiente longitudinal del canal
33

V= Velocidad media
G= Gravedad

Figura 8 Curva de energía específica.
Fuente: (Chow, 1994)

Como:
𝑉 =
𝑄
𝐴
(1.5)
Fuente: (Chow, 1994)

La ecuación puede reescribirse de la siguiente forma:

𝐸 = 𝑦 +
𝑄2
2𝑔𝐴2
(1.6)
Fuente(Chow, 1994)

Por lo cual se puede apreciar que para una sección de canal y un caudal determinados la
energía específica en la misma solo es función de la profundidad de flujo.
Esto nos permite realizar la grafica de profundidad de flujo vs energía específica, lo que a su
vez permite determinar dos posibles profundidades concecuentes con el régimen de flujo,
sub-critico, crítico y supercrítico.

Cuando se habla de flujo sub-crítico la energía potencial es mayor respecto a la energía
cinética por lo cual la profundidad del flujo sera mayor con una velocidad baja, cuando el
flujo es supercritico la energía cinetica es mayor respecto a la energía potencial por lo cual
genera una profundidad menor y una mayor velocidad.

Resalto ahogado o sumergido
Según Granata (2011) El resalto ahogado, o sumergido, ocurre por ejemplo cuando el tirante
en la sección de salida del resalto es mayor que el tirante conjugado del tirante con que sale
de la compuerta (en la sección de entrada del resalto).

Fuente(Chow, 1994)

Alcance de chorro
Torricelli (1986) propone una hipótesis básica, a saber, que las aguas que desembocan
violentamente de un pequeño orificio, poseen el mismo ímpetu que tendría un cuerpo
pesado al caer naturalmente desde el nivel de la superficie libre del agua hasta el del
orificio. Él considera orificios hechos en la pared de un caño vertical, afirmando que los
chorros que salen de ellos deben tener forma parabólica.
De la ecuación de Bernoulli:

Como P1 = P2 = 0 y V1 = 0, entonces:

Fuente(Chow, 1994)

Donde H es la distancia vertical entre el orificio y la superficie del agua y X,Y son las
coordenadas de la parábola trazada por el chorro.

5.4 Fuerzas de arrastre y esfuerzo cortante

Como es sabido el sistema de alcantarillado transporta diferentes tipos de materiales como
materia orgánica y algunos sedimentos. Según Cualla (2013) con el propósito de verificar sí
el flujo de la tubería o en el canal es capaz de re suspender el material sedimentado en el
fondo se debe calcular el esfuerzo cortante mínimo. El autor evidencia la relación que se
presenta entre la velocidad del flujo y el material sedimentable transportado por las tuberías,
a mayor velocidad (5m/s), mayor capacidad de transporte de sedimentos lo que evita que
estos se depositen en el fondo generando una futura obstrucción. Como se muestra en las
siguientes ecuaciones:

𝜏0 = 𝛾 ∗ 𝑅 ∗ 𝑆 (1.7)
Fuente: (Chow, 1994)

𝜏0= Esfuerzo Cortante
𝛾= Peso específico del agua
R= Radio hidráulico de la sección del flujo
S= Pendiente del canal

Relacionandola ecuación anterior con la velocidad según la ecuación de Manning

𝑉 =
𝑅2/3 ∗ 𝑆1/2
𝑛
(1.8)
36

Fuente: (Chow, 1994)

V= Velocidad del flujo
n= Constante de Manning

5.5 Resalto hidráulico

El resalto hidráulico es el ascenso brusco del nivel del agua que se presenta en un canal
abierto a consecuencia del retardo que sufre una corriente de agua que fluye a elevada
velocidad y pasa a una zona de baja velocidad. Este fenómeno presenta un estado de fuerzas
en equilibrio, en el que tiene lugar un cambio violento del régimen de flujo, de supercrítico
a suscritico. Según Rajaratnam, las generalidades del resalto son:

 Bajo ciertas condiciones, una corriente líquida de gran velocidad en flujo supercrítico,
en un canal abierto pasa a flujo suscrítico con una brusca elevación de la superficie
líquida. En efecto, la corriente de gran velocidad se expansiona y convierte su energía
cinética en térmica y potencial.

 Las pérdidas de energía son mayores a medida que la altura del salto es mayor.

 La distancia que hay desde la cara frontal del salto hasta un punto inmediato sobre la
superficie del flujo aguas abajo de la ola asociada con el salto, se denomina longitud
del salto hidráulico.

 En la zona donde se forma el resalto se produce una macro turbulencia y un arrastre
de aire hacia el interior de la masa líquida, estas propiedades son aprovechadas para
mezclar productos químicos usados en la purificación del agua y para airearla cuando
va a usarse en abastecimiento urbano.

 La distribución de velocidades aguas abajo del resalto no es uniforme, existiendo una
mayor velocidad cerca del fondo del canal; en consecuencia, los coeficientes de
37

corrección de velocidad y momentum están lejos de la unidad, obteniéndose
resultados ligeramente diferentes a los obtenidos mediante análisis teóricos.

5.6 Canales circulares

Durante el diseño y la explotación de obras e instalaciones de diversos tipos, en muchas
ocasiones se impone determinar de manera confiable los parámetros del salto hidráulico que
se pueda formar en el interior de las mismas. A la inversa de lo que ocurre con el salto
hidráulico en las conducciones de sección rectangular, que ha sido profusamente investigado,
los reportes sobre las características que reviste este fenómeno en los conductos de sección
circular son extremadamente escasos y no del todo convincentes.
Según H. Chanson el salto hidráulico en conductos circulares ha sido poco estudiado, algunos
reportes incluso consideran que los valores teóricos de sus parámetros discrepan de los
contados datos experimentales existentes.

5.7 Diseño de alcantarillados

El sistema de alcantarillado consiste en una serie de tuberías y estructuras complementarias
las cuales se encargan de recibir y evacuar aguas residuales y aguas lluvias con el firme
propósito de garantizar un saneamiento básico y de calidad en la población objeto.

Según Cualla (2013), las aguas residuales pueden tener varios orígenes:

Domésticas: Las cuales provienen de lavaderos, cocinas, inodoros, y demás elementos
domésticos; están compuestas por solidos suspendidos, solidos sedimentables, nutrientes y
organismos patógenos.

Industriales: Se originan de los desechos de los procesos industriales, debido a su naturaleza
pueden contener elementos tóxicos tales como plomo, mercurio, níquel, cobre etc… los
cuales deben ser removidos en lugar de ser vertidos en el sistema de alcantarillado.

Aguas Lluvias: Provienen de la precipitación pluvial, debido a su efecto de lavado sobre
tejados, calles, y suelos pueden tener una gran cantidad de sólidos suspendidos incluso en
zonas de alta contaminación pueden contener algunos metales pesados y demás elementos
químicos.

Se denomina alcantarillado o también red de alcantarillado, red de saneamiento o red de
drenaje al sistema de estructuras y tuberías usado para la recogida y transporte de las aguas
residuales y pluviales de una población desde el lugar en que se generan hasta el sitio en que
se vierten al medio natural o se tratan.

Las redes de alcantarillado son estructuras hidráulicas que funcionan a presión atmosférica,
por gravedad. Sólo muy raramente, y por tramos breves, están constituidos por tuberías que
trabajan bajo presión o por vacío. Normalmente están constituidas por canales de sección
circular, oval o compuesta, enterrados la mayoría de las veces bajo las vías públicas.

Inicialmente las redes de alcantarillado sanitario se construían con tubos de cemento, y
fibrocemento; en algunos casos se utilizaron tubo de gres; actualmente, el material más
utilizado es el PVC.

A partir de la década de 1990 cada vez se hace más frecuente el dimensionamiento de las
tuberías considerando no solamente la velocidad mínima del agua en la tubería sino que
39

también se considera la fuerza de arrastre del flujo. Esta variante permite trabajar con
pendientes menores, lo que se constituye en una ventaja en zonas con poca pendiente.

Sistemas de Alcantarillados.

Según Cualla (2013) estos pueden clasificarse en dos tipos, convencionales y no
convencionales. Básicamente los convencionales son los sistemas que más han sido
estudiados y por lo cual estandarizados. Se caracterizan por están conformados por tuberías
de grandes diámetros. Los sistemas no convencionales surgen como una respuesta al
saneamiento básico de una población con escasos recursos económicos, con la gran
desventaja de su poca flexibilidad lo cual implica un mayor gasto en el control de los
caudales, mantenimiento de los mismos junto con una preparación en personal que atienda
los requerimientos de las estructuras.

Caudal de diseño

Este es determinado mediante la suma del caudal máximo horario conformado por el aporte
doméstico, industrial, comercial, e institucional sumado al caudal de infiltración y caudal de
conexiones erradas.

 Velocidad de Diseño

Velocidad Mínima: Se debe garantizar esta con el fin de generar una tubería de auto limpieza
con el objetivo específico de lograr que en el material sedimentado se genere una
resuspensión.
En los casos en los cuales se realiza transporte de aguas residuales típicamente industriales
es necesario generar un aumento en la velocidad mínima debido al mayor contenido de
sólidos sedimentables, lo cual ayuda a evitar la formación de sulfuros que a largo plazo
general la formación de corrosión en la tubería.

Velocidad Máxima: Cualquiera que sea el material de la tubería debe garantizarse una
velocidad máxima no mayor de 5 m/s para evitar la abrasión en la tubería.

5.8 Estructuras hidráulicas complementarias

Basados en el estudio realizado por Alvarez (2007) se puede describir las estructuras
complementarias son parte de los elementos que conforman un sistema de alcantarillado. La
operación de un sistema de alcantarillado involucra variaciones en el flujo, transportes de
sólidos, tránsito de crecientes, captación de caudales, entrega de caudales entre otros. Debido
a la variabilidad de estas condiciones se hace necesario la construcción de estructuras acordes
a cada necesidad específica, por ejemplo el transporte y depositación de sedimentos requiere
estructuras para hacer inspección y mantenimiento periódico, denominadas pozos de
inspeccion.
Algunas de las Estructuras complementarias más comunes son sumideros, imbornales,
estructuras de entrega, sifones invertidos, estructuras de alivio y desviación, conexiones
domiciliarias entre otras.Para el caso de sistemas de alcantarillado de alta pendiente es
necesario construir estructuras que permitan mitigar los efectos de la turbiulencia, la
cavitación, los flujos inestables, y el esfuerzocortante entre tramos de tuberia. Estas
estructuras a su vez dependen del caudal, de la altura, del espacio disponiblepara su
construcción, estas estructuras de denominan cámara de quiebre.

5.9 Cámara de caída o Cámara de quiebre

Muchos autores definen los pozos de inspección como cámaras de caída. Por ejemplo,
Rajaratnam.N (1997) afirma que las estructuras de caída son mecanismos de conexión
frecuentes en terrenos con pendiente pronunciada, con el objeto de evitar velocidades
mayores de las máximas permisibles.
Todos los colectores que lleguen a una estructura de conexión, con una diferencia mayor de
0.75 m con respecto a la batea del colector de salida, deben entregar al pozo mediante una
41

estructura de caída, cuya boca inferior debe estar orientada en tal forma que el flujo confluya
con un ángulo máximo de 15º con respecto a la dirección del flujo principal.
Una cámara de caída es una estructura complementaria la cual según Cualla (2013) son
utilizadas para realizar la unión de colectores en alcantarillados de alta pendiente, con el
objeto de evitar velocidades superiores a la máxima permitida junto a la posible erosión de
la tubería. Este funcionamiento puede ser evidenciado en la figura 9.

Figura 9 Cámara de quiebre tipo bajante para un sistema de alcantarillado
Fuente: Álvarez (2007)
Según Álvarez (2007) una de las principales funciones de estas estructuras es mitigar la
turbulencia, la cavitación, los flujos inestables y el esfuerzo cortante entre tramos de tubería.
A su vez conecta tramos de tubería con pendientes obligadas menores al terreno.
Según Chanson (2004) define esta estructura como un disipador de energía el cual conecta
dos tramos de alcantarillado por medio de una caída y es usado en sistemas de tormenta,
alcantarillas, aliviaderos y altas pendientes.
Una empresa como PAVCO es uno de los principales fabricantes y distribuidores de
materiales para todo tipo de redes hidráulicas lo define como: cámaras o tanques de quiebre
complementarias con la función de mitigar la turbulencia, la cavitación, los flujos inestables
y el esfuerzo de corte entre 2 tramos de tuberías de un sistema de alcantarillado o tubería
(figura 10).
42

Figura 10 Cámaras de Caída PAVCO
Fuente: file:///C:/Users/40111095/Downloads/Novacam_Baja.pdf

Esta estructura debe conectar tramos de tuberías con pendientes obligadas menores al terreno,
donde hay una altura mayor a 0.5 entre el conducto de entrada y el conducto de salida de la
cámara.
Algunas de las principales empresas prestadoras de servicios públicos definen las cámaras
de caída como sigue:
 Según EAAB (Empresa de Acueducto de Bogotá)
Todos los colectores que lleguen a una estructura de conexión, con una diferencia mayor de
0.75 m con respecto a la batea del colector de salida, deben entregar al pozo mediante una
cámara de caída, cuya boca inferior debe estar orientada en tal forma que el flujo confluya
con un ángulo máximo de 15º con respecto a la dirección del flujo principal como se muestra
en la figura 11. Para colectores afluentes menores de 12” de diámetro puede analizarse la
alternativa de no construir la cámara de caída, pero proveer un colchón de agua en la parte
inferior del pozo que amortigüe la caída.

Los pozos deben ser construidos cada 80-120m, cuando haya cambios de dirección, cambios
de diámetro, cambios de pendiente, y cambios en el material de la tubería. El diámetro de
estos pozos o cámaras de caída debe ser de 1,20m. La bajante puede ser una tubería de
concreto, gres o PVC, para alcantarillado incluido el codo de 90° embebida en concreto de
21 MPa. Para colectores afluentes menores a 12” puede analizarse la alternativa de no
construir la cámara de caída, pero si proveerse de un colchón de agua en la parte inferior del
pozo que amortigüe la caída.

Figura 11 Cámara de Caída típica EAB.
Fuente: (EAAB, 2002)
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 Según las normas de Diseño de Sistemas de Alcantarillado de EPM.
Capítulo 8 normas y especificaciones generales de construcción (especificación 813)
Este capítulo menciona la necesidad de construir cámaras de caída cuando se presente una
diferencia de nivel igual o mayor a 0,7m entre las cotas bateas de tubería de entrada a la
cámara y tubería de salida de la misma. La boca inferior de la cámara de caída debe entregar
el agua, con un ángulo de orientación respecto a la orientación del flujo no mayor a 15°. Para
tuberías de entrada con diámetro nominal menor que 12” se puede evitar la cámara de caída
siempre y cuando se provea a la estructura de un colchón de agua y se cumplan las
velocidades de aproximación. Las cámaras de caída de la figura 12son las más empleadas
durante el proceso de planeación y diseño de redes de alcantarillado.

Figura 12 Cámara de caída con tubería externa.
Fuente: Normas EPM.
La tubería bajante debe ser del mismo diámetro del tubo de entrada y nunca menor a 12”. Es
necesario construir un vertedero como lo muestra la figura 12 para obligar al flujo a ingresar
por la bajante. Para tuberías mayores a 36” se deben diseñar transiciones compuestas por
45

estructuras de disipación de energía escalonadas o cámaras de quiebre con tabiques
verticales.
La norma se refiere a un segundo tipo de cámaras de caída las cuales están bajo el régimen
supercrítico, figura 13, el concepto hidráulico básico en el diseño de estas estructuras es
suponer que la totalidad de la energía cinética del flujo es disipada en la caída., de esta manera
el fluido gana energía potencial elevando su nivel al interior de la estructura de conexión.
En aquellos casos donde estas estructuras de conexión con grandes caídas de fondo se utilicen
para controlar pendientes de tuberías en sectores muy empinados las velocidades de
aproximación a la estructura deben limitarse, con el objetivo de evitar la socavación si el
chorro llega a impactar en la pared frontal de la estructura. Por su parte para evitar la
socavación en el fondo de la estructura se debe proveer la misma de un colchón de agua que
amortigüe el impacto del chorro.

Figura 13 Unión de tuberías con Caída en estructura de conexión.
Fuente: Normas EPM.

 EMCALI. (Empresas Municipales de Cali)
46

NDC-SE-RA-001 (sección 6.5)
Deben proyectarse cámaras de caída cuando la clave del tubo de llegada esté a más de 1.20
m de la clave del tubo de salida.
El diámetro máximo del bajante será de 15”. a menos que se justifique uno de mayor
diámetro. Cuando se presenten caídas superiores a 3.00 m o lo considere conveniente se
deben proyectar estructuras especiales de caída. La profundidad máxima de instalación es de
5 m. (figura 14)

Figura 14 Cámara de Caída EMCALI
Fuente: EMCALI

 Finalmente, Según - RAS- Reglamento Técnico del Sector de Agua Potable Y
Saneamiento Básico
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Las cámaras de caída son estructuras de conexión frecuentes en terrenos con pendiente
pronunciada, con el objeto de evitar velocidades mayores de las máximas permisibles.
Todos los colectores que lleguen a una estructura de conexión, con una diferencia mayor de
0.75 m con respecto a la batea del colector de salida, deben entregar al pozo mediante una
cámara de caída, cuya boca inferior debe estar orientada en tal forma que el flujo confluya
con un ángulo máximo de 15º con respecto a la dirección del flujo principal. Sin embargo,
para cada ciudad en especial las más importantes del país, cada empresa local de acueducto
y alcantarillado tiene su propia normatividad donde está más explicado el diseño de las
mismas y su proceso constructivo.

Parámetros de diseño.

Según Saldarriaga (2008) existen tres parámetros claves a la hora de diseñar este tipo de
estructuras los cuales son:

Parámetros Hidráulicos: en el cual es necesario tener en cuenta los caudales de diseño, las
condiciones del flujo aguas arriba de la estructura, los fenómenos que se dan al interior de la
misma y las profundidades normales aguas arriba y aguas abajo.Parámetros Geométricos: donde es importante tener en cuenta la geometría de los conductos
de entrada y de salida de la estructura, el diámetro del pozo que incide en los procesos
hidráulicos y lo más importante la altura de cotas bateas de los conductos la cual permite
calcular cuanta energía potencial será disipada.

Parámetros de Operación: las cámaras de quiebre deben cumplir con las mismas condiciones
que cualquier otra estructura complementaria, es decir deben ser accesibles, traducido en una
entrada amplia en la misma para que el operador realice trabajos de inspección y
mantenimiento. Por otra parte, debe cumplir con la evacuación de sedimentos que se
encuentren en su interior.
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Criterios de selección.

Según Saldarriaga (2008), se deben tener en cuenta cuatro aspectos a la hora de elegir la
construcción de una cámara de caída los cuales son:
Factores Hidráulicos: altura de caída máxima, caudal máximo y flujo de entrada.
Factores Económicos: costos de construcción, área invertida y diseños complementarios.
Factores Constructivos: lo cual se refiere a la complejidad de la construcción, el tipo de
personal requerido, el tipo de maquinaria necesaria y la precisión de la ejecución.
Información: se debe tener en cuenta la información disponible acerca de las técnicas de
diseño, modelos documentados, memorias de operación, y experiencias previas.

Tipos de Cámara de Quiebre.

Cámaras de caída libre
Este tipo de cámara de caída, figura 15, básicamente conecta un conducto de entrada con un
conducto de salida a través de una cámara simple en la cual ocurren fenómenos de
disipación de energía, esta estructura se emplea para flujos críticos y subcríticos
básicamente cuando la altura de caída es mayor o igual a 0,75m.
Como es mencionado anteriormente, esta cámara de caída depende de variables como la
altura de caída, el espesor del colchón de impacto y el tipo de régimen de flujo. El caudal
ingresa por la cámara e impacta dentro de la misma generando un valor de disipación de
energía el cual depende del lugar donde se genera el impacto, si este golpea en el colchón
de agua presente en el fondo se forma un rslalto hidráulico y se presenta la mayor eficiencia
de disipación de energía.
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Figura 15 Cámara de quiebre tipo Caída libre.
Fuente: Saldarriaga (2008)

La piscina en el fondo de la estructura además de facilitar los fenómenos de
entrampamiento de aire y disipación de energía, protege el fondo de la estructura contra el
impacto del flujo

Las condiciones de la caída, profundidad hidráulica del flujo en la cresta de la estructura,
longitud de resalto y la profundidad aguas abajo del resalto, a partir de las ecuaciones de
chanson (2002).
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Según Granata (2011) El resalto ahogado, o sumergido, ocurre por ejemplo cuando el
tirante en la sección de salida del resalto es mayor que el tirante conjugado del tirante con
que sale de la compuerta (en la sección de entrada del resalto).
Para marbello (2008) Es la situación del R.H. que se desplaza hacia aguas arriba, es decir,
hacia la fuente generadora, en virtud de que la profundidad y’2, del flujo, aguas abajo del
resalto, es mayor que la profundidad y2 que, junto con y1 y F1, satisfacen a la ecuación de
las profundidades conjugadas.

Cámaras Tipo Vórtice
Como se muestra en la figura 16 una cámara de caída tipo vórtice es una estructura
hidráulica en la cual el caudal ingresa por el extremo de aguas arriba generado un flujo en
forma de vórtice que fluye por un conducto vertical redondo y paralelo al eje de la espiral
que conecta con una tubería de salida en el extremo aguas abajo.
Saldarriaga (2008), cita a Zhao (2006), para entender el comportamiento hidráulico de esta
estructura, donde en primer lugar se presenta el aumento de espesor del flujo debido a la
incorporación de aire, posteriormente el flujo desciende por la cámara en forma de espiral
formando un cono; finalmente, en el fondo de la cámara se presenta un resalto anular. En
este tipo de cámaras la disipación de energía ocurre debido a la constante fricción del flujo
con la estructura, lo que quiere decir que entre más alta sea la relación de longitud respecto
al diámetro, presenta mejor disipación de energía.

Figura 16 Cámara de quiebre tipo vórtice.
Fuente: http://www.bvsde.paho.org/bvsaidis/ecuador10/obras.pdf
http://www.bvsde.paho.org/bvsaidis/ecuador10/obras.pdf
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Cámaras Escalonadas
Este tipo de estructura sin duda podría ser una de las más antiguas ya que fue implementada
en los acueductos romanos. En la figura 17, y según Saldarriaga (2008) se puede ver el
modelo de la cámara escalonada donde se evidencia que esta estructura está conformada por
dos cámaras de inspección unidas por la rápida escalonada. La pendiente máxima para esta
rápida es del 67°, lo que su vez genera una desventaja económica y es que a medida que baja
la pendiente se requiere de más excavación.
Este tipo de estructuras están compuestas por una serie de escalones que generan una cascada
en las cuales ocurren fenómenos de aireación y disipación de energía, claro está dependiendo
del flujo que pasa por este. Saldarriaga (2008), cita a Chanson (2002), para referirse al
fenómeno hidráulico que se presenta en esta estructura, un caudal pequeño genera así mismo
una cascada pequeña denominado flujo saltante. Por el contrario, cuando se presenta una gran
cantidad de caudal se forman una capa uniforme que se desplaza sobre las esquinas de los
escalones, debajo de esta capa se forman flujos re-circulantes los cuales son de gran
importancia para el proceso de disipación de energía. Este tipo de flujo se denomina rasante.

Figura 17 Cámara de caída tipo escalonada.
Fuente: Saldarriaga (2008).
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Cámaras de Gradas Alternantes
Estas son estructuras de disipación de energía en las cuales se da una serie de caída libre en
forma de cascada como se muestra en la figura 18, están conformadas por una sola cámara
dividida en dos, en una parte se instalan laminas internas escalonadas, y la otra parte se deja
libre para procesos de inspección y mantenimiento.
Para entender el análisis hidráulico Saldarriaga (2008), cita a Kleinschroth (1999), el cual
afirma que el flujo al interior de la cámara de gradas alternantes puede clasificarse en cuatro
tipos. Cuando el caudal es pequeño el flujo impacta en la grada más cercana al ducto de
entrada, conforme el caudal aumenta el flujo impacta en dirección a la pared opuesta de la
estructura. El fenómeno de entrampamiento de aire ocurre entre escalones.

Figura 18 Cámara de Caída tipo Gradas Alternantes.
Fuente: Saldarriaga (2008).
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Proceso Constructivo
Según la normatividad de la empresa de acueducto y alcantarillado de Bogotá se realizan
las siguientes recomendaciones constructivas para los pozos o cámaras de caída.
Espesor de Muros: El espesor de pared debe ser 0,25m cuando la altura medida desde la
rasante hasta la batea de la tubería más baja sea menor o igual a 4m, y de 0,37m para
profundidades entre 4m y menores que 7m. En el primer caso los ladrillos deben estar
dispuestos de forma radial y en el segundo de forma radial y tangencial para lograr el
espesor.
Placa de fondo o base: La parte inferior del pozo o cámara consiste en una placa circular de
concreto reforzado con resistencia a la compresión F’c = 28Mpa con un refuerzo de barras
de acero de resistencia Fy = 420 Mpa espaciado cada 0,15m en ambos sentidos. Esta placa
debe ser construida sobre un solado en concreto de baja resistencia F’c = 14Mpa .
Cilindro: Esta sección debe ser construida en mampostería de ladrillo, debe ser totalmente
cilíndrico en toda su altura, por fuera debe ir revestido de geotextil no tejido. Debe llevar
pañete tanto interno como externo, internamente el pañete debe ser impermeabilizado y
deben ser de espesor 10mm.