Alcantarillado: tensión tractiva, velocidad de autolimpieza y flujo parcialmente lleno

Un colector de alcantarillado casi nunca funciona lleno. Trabaja a sección parcial, como un canal cerrado, y esa es la primera diferencia con una tubería a presión. La segunda es su criterio de diseño: no basta con que el agua pase, tiene que pasar lo suficientemente rápido como para arrastrar el sedimento que trae. Si no lo hace, la tubería se colmata, se generan gases y el problema termina resolviéndose con camión limpiafosas en vez de con ingeniería.

Flujo a sección parcial

El cálculo parte de Manning, igual que un canal abierto:

La particularidad es la geometría circular. Para un ángulo central $\theta$ (en radianes) correspondiente al tirante $y$ en una tubería de diámetro $D$:

Un resultado que sorprende a quien lo ve por primera vez: el caudal máximo no ocurre a tubo lleno, sino cerca del 94 % del diámetro, y la velocidad máxima alrededor del 81 %. Al llenarse completamente, el perímetro mojado crece más rápido que el área y el radio hidráulico cae.

Por qué la tensión tractiva es mejor criterio que la velocidad

Durante décadas el criterio fue "velocidad mínima de 0,6 m/s". El problema es que la capacidad de arrastre no depende solo de la velocidad: depende del esfuerzo cortante que el flujo ejerce sobre el fondo. La tensión tractiva media es:

donde $\gamma$ es el peso específico del agua (9.810 N/m³), $R$ el radio hidráulico y $S$ la pendiente. Se expresa en pascales (N/m²). Los valores de diseño habituales son:

• $\tau \ge 1,0$ Pa como criterio general para arrastrar arena fina.
• $\tau \ge 1,5$ Pa en tramos iniciales o en zonas con aporte de arena e infiltración.
• La verificación se hace con el caudal mínimo de operación —el de la hora de menor consumo del primer año del proyecto—, que es el escenario crítico, no con el caudal de diseño.

La ventaja del criterio es que es dimensionalmente correcto: la misma velocidad en una tubería grande y en una pequeña produce esfuerzos cortantes distintos, y lo que limpia la tubería es el esfuerzo, no la velocidad.

Pendiente mínima

Combinando $\tau =\gamma RS$ con Manning se llega a expresiones de pendiente mínima en función del diámetro y del caudal mínimo. Como orden de magnitud, para tuberías de 200 mm la pendiente mínima ronda el 0,4 a 0,5 %, y disminuye a medida que el diámetro crece. Una regla de terreno muy usada es $S_{min}\approx 1/D$ con $D$ en milímetros, que para 200 mm entrega 0,5 %.

Los otros límites del diseño

• Velocidad máxima del orden de 3 a 5 m/s: por encima aparece abrasión del hormigón y desgaste de las juntas.
• Tirante máximo limitado al 70–75 % del diámetro para caudal de diseño, dejando espacio para la ventilación. Un colector que corre lleno no ventila, y sin ventilación el sulfuro de hidrógeno se acumula: además del riesgo para el personal, corroe el hormigón por encima de la línea de agua.
• Diámetro mínimo de 200 mm en redes públicas: por debajo, cualquier objeto genera obstrucción.
• Cámaras de inspección en todo cambio de dirección, pendiente o diámetro, y a distancias que permitan el varillado.

Un error frecuente

Sobredimensionar "por seguridad". Un colector con diámetro excesivo circula con tirantes muy bajos, radio hidráulico pequeño y tensión tractiva insuficiente: sedimenta desde el primer día. En alcantarillado, un diámetro mayor no es una decisión conservadora, es una decisión que hay que justificar hidráulicamente.

Puedes calcular el flujo a sección parcial y verificar velocidades con la calculadora de Manning, y estimar el caudal de aguas servidas a partir de la dotación con la calculadora de demanda de agua potable.