Uno de los principales factores que modifica el transporte de sustancias en aguas someras es la presencia de fuertes cambios laterales de la sección transversal, los cuales generan zonas de recirculación de gran escala que intensifican los procesos asociados a la dispersión de masa. Además de los efectos físicos inducidos por estas zonas, ellas han mostrado una importante contribución a la generación de condiciones hidrodinámicas mejoradas para estimular el crecimiento de la flora y fauna acuática. Estas estructuras del flujo reciben el nombre genérico de zonas muertas y se pueden formar por modificaciones naturales o artificiales de la morfología. En este trabajo se presenta una descripción experimental de la estructura del flujo en zonas muertas formadas por una secuencia de bloques, para la llamada condición de flujo emergida. En esta condición de flujo, la cota superior del bloque es mayor a la del nivel de la superficie de agua y debido a esto el intercambio de masa y momentum ocurre solamente a través de la capa de corte generada en la interfaz entre la zona muerta y el flujo principal. Estudios anteriores han mostrado las características horizontales, normalmente en la superficie, y, debido a esto, la principal contribución de este trabajo es la descripción de la estructura vertical del flujo. Esta descripción es importante porque provee información relevante para la comprensión de la condiciones de flujo cercanas al lecho, donde ocurren gran parte de los procesos ecológicos. Este trabajo también contribuye con la descripción de las características cuasi-bidimensionales y tri-dimensionales de las zonas muertas, la identificación de estructuras coherentes, y la influencia de la distancia entre bloques en los procesos físicos que gobiernan el intercambio de masa y momentum. Para realizar los experimentos, uno de los objetivos de este trabajo fue el desarrollo de una técnica sinóptica de velocimetría basada en el procesamiento de imágenes. Esta contribución experimental está basada en nuevas modificaciones de algoritmos para Velocimetría por Rastreo de Partículas (PTV), y en su integración en un algoritmo de dos etapas. La nueva contribución es llamada “Integrated Cross-Correlation / Relaxation Method”, ICCRM, y fue especialmente diseñada con el objetivo de ser una herramienta flexible para investigar flujos con gradientes de velocidad intensos y condiciones de sembrado de partículas no homogéneas. Los resultados experimentales obtenidos de la aplicación del ICCRM al flujo en estudio muestran que las estructuras formadas en la capa de corte que se produce en la interfaz entre el flujo principal y la zona muerta impactan periódicamente el bloque de aguas abajo con una distribución vertical de velocidad caracterizada por una magnitud máxima a media profundidad. El impacto con el bloque da lugar a un sistema de vórtices de eje horizontal, paralelo a los bloques, el cual es transportado hacia el interior de la cavidad. El flujo que penetra a la zona muerta energiza un sistema de circulación horizontal de una o más celdas, dependiendo de la razón de aspecto analizada (relación entre la longitud de los bloques y su separación longitudinal), con una estructura vertical bastante uniforme en términos de la velocidad media. Esto valida la suposición de flujo bidimensional en gran parte de la región de flujo al interior de la cavidad. Sin embargo, los parámetros representativos de la turbulencia (esfuerzos de Reynolds, pseudo-energía cinética turbulenta, espectros de energía, etc.) y las estructuras responsables del intercambio de masa entre la zona muerta y el flujo principal son claramente tri-dimensionales.

El Perú al ser un país con un gran número de ríos que se cruzan con vías de comunicación, es necesario el uso de puentes. Debido a su importancia, se tiene que tener especial cuidado de cómo podrían verse afectados los puentes en las épocas de eventos máximos, un caso particular es cuando se ven influenciados por el fenómeno El Niño, como ocurrió en el año 2017, en el cual el puente del río Virú colapsó. En la presente tesis se busca realizar el diseño hidráulico además del estudio de socavación en la zona en donde ocurrió este derrumbe. Para lo cual, por medio de un modelo hidrológico, se calculan los caudales máximos, los cuales se usan en un modelo hidráulico en donde se calcula el NAME (nivel de aguas extraordinarias), el gálibo y la socavación general como la local en pilares. En primer lugar, por medio del software ArcGis 10.5, se ejecuta la delimitación de la cuenca y subcuencas aguas arriba de la ubicación del puente en cuestión. Luego de procesar la información pluviométrica y obtener posteriormente los hietogramas de cada subcuenca para los tiempos de retorno de 140 y 500 años, con el software HEC-HMS, se hace la modelación hidrológica y se obtiene los caudales de diseño para los modelos de tiempo de retorno de 140 y 500 años en el sitio del puente. Haciendo uso del software HEC-RAS, con el caudal de 140 años se calcula el NAME y gálibo del puente, mientras que el caudal de 500 años es para el cálculo de la socavación. El gálibo en el puente que se obtiene es igual a 3.08 m y el NAME igual a 0.85 m. La socavación general que se obtiene con los métodos utilizados es de 1.0 m usando el método de Lischtvan-Levediev, mientras que por el método de Laursen es de 0.36 m. En la socavación local de pilares, el máximo valor fue de 4.25 m con el método de CSU equation. / Peru, being a country with a large number of rivers that intersect with communication routes, it is necessary to use bridges. Due to its importance, special care must be taken regarding how bridges could be affected in times of maximum events, a particular case is when they are influenced by the El Niño phenomenon, as occurred in 2017, in which the Virú river bridge collapsed. The present thesis seeks to carry out the hydraulic design in addition to the scour study in the area where this landslide occurred, for which the precipitation patterns in the place are determined through the hydrological study, the hydrological model is carried out to find the maximum flows, which are used to carry out the hydraulic model in order to calculate the NAME (Extraordinary Maximum Water Level), the gauge and both the general scour and the local scour in pillars. First, using the ArcGis 10.5 software, the delimitation of the basin and sub-basins upstream of the location of the target bridge is executed. After processing the rainfall information and subsequently obtaining the hyetographs of each sub-basins for the return times of 140 and 500 years, with the HEC-HMS software, the hydrological modeling is done and the design flows for the 140- and 500-year return time models at the bridge site are obtained. Making use of the HEC-RAS software, with the flow of 140 years NAME and the gauge of the bridge are calculated, while the flow of 500 years is for the calculation of scour. The gauge on the bridge that is obtained is equal to 3.08 m and the NAME equal to 0.85 m. The general scour obtained with the methods used is 1.0 m using the Lischtvan-Levediev method, while by the Laursen method it is 0.36 m. In the local scour of pillars, the maximum value was 4.25 m with the CSU equation method.