El estudio consiste en desarrollar todas las consideraciones hidrológicas e hidráulicas necesarias para proyectar una pequeña presa (h < 15 m.) de materiales sueltos (exceptuando solo laminación de avenidas, rotura de presa y obras conexas), situada en el distrito de Vilcanchos, Ayacucho. La tesis se enfoca en cabeceras de cuenca altoandinas, donde la calibración mediante información hidrométrica no es posible, y se tiene que tener especial precisión en la elección y cálculo del modelo de transformación elegido. En el primer capítulo se define el marco en el que se desarrolla la tesis, haciendo especial énfasis en las limitaciones actuales de la ingeniería hidrológica y el contexto de las pequeñas presas altoandinas en el país. En el segundo capítulo se procede a exponer las bases teóricas sobre las que se constituye la tesis, pasando por recapitular algunos conceptos básicos en ingeniería hidrológica, explicar la estructura y los parámetros descriptores del modelo mensual de transformación precipitación – escurrimiento de Témez, así como presentar los principales tópicos para el diseño hidráulico y balance hídrico en pequeñas presas de materiales sueltos. Prosiguiendo, se explican los factores que producen los fenómenos de erosión y depositación de sedimentos en embalses, así como las metodologías para su cálculo (USLE). Finalmente, se presentan fundamentos del geoprocesamiento en sistemas de información geográfica (GIS) para fines de ingeniería hidrológica, y modelamiento numérico de filtraciones y redes de flujo en presas. El tercer capítulo desarrolla los procedimientos necesarios en las distintas etapas para calcular y dimensionar la presa del caso de estudio. Se comienza con una breve descripción general del proyecto, para luego pasar a la caracterización de la cuenca Champaccocha mediante la definición de las distintas variables en el entorno, sea geomorfometría, geología, edafología, etc., y el análisis geofísico y estratigráfico. Más adelante, se procede con el procesamiento de datos meteorológicos, lo cual incluye un tratamiento estadístico mediante el análisis exploratorio de datos (AED) para descartar outliers, y corregir los datos por homogeneidad de la muestra. Continuando con el procedimiento, se ejecuta el completado de datos faltantes, y para finalizar este acápite se hallan las series representativas de precipitación y temperaturas de la cuenca. Posteriormente, se calcula la evapotranspiración potencial y se procede a simular el modelo de Témez. Una vez llegado a este punto, se inicia con el modelado BIM de la presa, con lo cual luego es posible ejecutar los apartados de cálculo de volumen muerto y modelamiento numérico bidimensional de redes de flujo con SEEP/W de Geostudio. Terminando el capítulo, se calculan los caudales ecológicos, se ejecuta el balance hídrico en la presa, y se analiza el nivel de impacto que genera el represamiento en la satisfacción de la demanda agrícola mediante un análisis de sensibilidad variando la cantidad de parcelas regadas y la altura de la presa. Por último, se realiza un pequeño acápite de vulnerabilidad ante el cambio climático, en el cual se evalúan las proyecciones hacia el año 2030. En el capítulo final, se plasman las principales reflexiones y conclusiones respecto al desarrollo de la tesis, así como recomendaciones que apoyan el desarrollo de futuras investigaciones en este amplio campo de estudio.

El presente trabajo de tesis tiene como objeto el diseño de la presa Sión I, ubicada en la localidad de Sión, provincia de Mariscal Cáceres, departamento de San Martín, Perú. El “Consorcio Energético El Tucán S.A.” es el responsable de un proyecto generación hidroeléctrica en la localidad de Sión, el cual consta de un parque industrial con tres presas, las cuales utilizarán la energía de altura de agua, con la que contasen sus respectivos embalses, para generar energía eléctrica de potencia instalada de 3.4 Megawatts cada una, mediante el movimiento de turbinas. La primera de estas tres presas, Sión I, ubicada más aguas arriba de todas, es sobre la que versa este trabajo de tesis y respecto a la cual se va a desarrollar su diseño. Es necesario acotar que el alcance del presente trabajo es únicamente sobre el cuerpo de presa, incluyendo sus estructuras hidráulicas, mas no otros elementos útiles; como, por ejemplo, tuberías forzadas, turbinas, chimenea de equilibrio o casa de máquinas. Además, por temas contractuales entre el “Consorcio Energético Tucán S.A.” y su cliente, el Estado Peruano, se define que el material a utilizarse para la construcción de la presa es de concreto y que la tipología de esta sea de gravedad. Para el diseño del proyecto, se utiliza la norma peruana y otras extranjeras, principalmente la española, ello debido a la formación académica del autor. Cabe resaltar que la normativa local no es totalmente aplicable a todos los aspectos de diseño y que la normativa foránea mencionada cumple con los requisitos básicos para el dimensionamiento; además de ser fiable para su uso en estructuras hidráulicas en el Perú. Mucha información no es posible de obtenerse, sea por su costo económico o por la dificultad para hacer las diferentes pruebas y ensayos de campo; sin embargo, el “Consorcio EnergéticoTucán S.A.” proporciona muchos estudios básicos que se verán plasmados en el siguiente trabajo. Estos estudios son los siguientes: geotécnico, geológico, topográfico, medio ambiental y de calidad de agua. Otros se han conseguido a través de informes o datos históricos de instituciones gubernamentales peruanas. El resultado del trabajo de tesis es el de una presa de gravedad de concreto vibrado, de talud vertical en su paramento aguas arriba y de talud 0.8H:1V en su paramento aguas abajo, con cota de NMN (Nivel Máximo Normal) de 525 msnm, cota de NAP (Nivel de Avenida del Proyecto) de 526.78 msnm, cota de NAE (Nivel de Avenida Extrema) de 527.70 msnm, cota de coronación igual a 529.30 msnm, cota del lecho del río (zona crítica) de 498 msnm, el contacto presa-cimiento tiene una pendiente horizontal y está a la cota de 494 msnm y la galería perimetral en la cota de 500 msnm. La altura de presa desde la cimentación hasta el labio del aliviadero es de 31.00 metros y tiene un volumen de embalse de 3.21 hectómetros cúbicos; la altura desde la cimentación hasta la coronación es de 33.70 metros y la base de la presa tiene una longitud de 27.14 metros. El volumen total de la presa es de 12,411.56 metros cúbicos de concreto. Las estructuras hidráulicas con los que cuenta son los siguientes: i) aliviadero de descarga, ubicada en la zona central de la presa con toma de flujo central, de perfil tipo Creager, que coincide la cota de su labio con el NMN. Su embocadura se encuentra en el paramento aguas arriba; el canal de descarga, en el paramento aguas abajo, con igual talud que dicho paramento y finaliza su estructura en un lecho amortiguador tipo II de cota 495.80 msnm que restituye el flujo de agua a su cauce natural (cota 498 msnm); ii) desagües de fondo, cuya cota de embocadura es 503 msnm; cota de desembocadura, a 501 msnm, con 2 tuberías de 800 milímetros de diámetro, longitud de 21 metros y dos válvulas tipo Bureau; iii) la toma de agua de 44 metros (al tratarse de una conducción de kilómetros, solo se toma esta dimensión para el cuerpo de presa), 2.00 metros de diámetro, cota de embocadura a 518 metros y cota de desembocadura a 500 metros en la casa de máquinas; iv) ataguía para desvío del río, la cual es constituida de materiales sueltos (arcillas, limos y margas), tiene una altura de 10 metros, cota de coronación de 522 msnm, talud aguas arriba 2H:1V, talud aguas abajo 1.5H:1V, ubicado aproximadamente 200 metros aguas arriba de la presa Sión I, con una tubería de 1,800 milímetros de diámetro cuya embocadura a cota 521 msnm y desembocadura a cota 495 msnm y, finalmente, v) bypass en cada desagüe de fondo para el caudal ecológico de 190 mm de diámetro. La funcionalidad del diseño de la presa responde, principalmente, a estudios hidráulicos, apoyado de tensionales y estructurales; estos últimos de gran relevancia porque el Perú es un país con frecuente actividad sísmica, por lo que la estructura debe someterse a diferentes situaciones producto de combinaciones de solicitaciones (acción que afecta a la presa estabilizándola o desestabilizándola); y, así mismo, satisfacer ciertos coeficientes de seguridad, que aseguren no haya deslizamiento ni vuelco. El diseño de la presa Sión I es entonces el inicio de un proyecto para la electrificación de una zona rural en el departamento de San Martín. Una infraestructura de esta relevancia muestra cómo la región se muestra como un polo de desarrollo social y económico, por su diseño y lo que significa su funcionalidad en una zona rural de la zona geográfica de la Selva en el Perú, en otros momentos relegada, sea por problemas civiles internos de pasadas décadas o su lejanía a ciudades con mayor desarrollo, por lo que la ingeniería tomaría un rol importante para la mejoraría de los servicios que se presten, directamente relacionado a la mejoría de la calidad de vida. / The current thesis has got the scope of discuss about the design of the dam Sión I, located in Sión town, Mariscal Cáceres province, San Martín state, Perú. “Consorcio Energético El Tucán S.A.” is the responsible of a hydroelectric generation project in Sión town, which is about an industrial park with three dams. They use the head water of their reservoirs to become it into electrical energy of installed power of 3.4 Megawatts each one through the turbines movement. The first of the three dams, Sión I, which is the most upstream of them, is the theme of this thesis work and the one which is going to developed its design. It is necessary to limit the scope of the current document, that it is actually only the body dam, including its hydraulic organisms and not others elements, that could be useful in hydroelectric generations, like pressured pipe, turbines or machines house. In addition, because of the contract between “Consorcio Energético Tucán S.A” and its customer, the Peruvian Government, the design of the dam is a concrete gravity dam. For the design of this project, it is going to be use peruvian regulations in addition to foreign regulations, principally spanish ones because of the academic formation of the author. Furthermore, local regulations are not totally applied in all design phases and the foreign one mentioned satisfies basic requisites and is reliable for its use in hydraulic structures in Peru. Not enough data is possibly to obtain, because of economy cost or difficulty to get field tests and trials; however, “Consorcio Energético El Tucán S.A.” provides basic studies. Those ones are the followings: geotechnical, geologist, topographical, environmental and of water quality. Other studies were got by reports and historical data of peruvian governmental institutions. The result of this thesis is a concrete gravity dam, with vertical slope in the upstream parament and 0.8H:1V slope in downstream parament, which Maximum Normal Level is at 525 masl (meters above sea level), Project Avenue Level is at 526.78 masl, Extreme Avenue Level is at 527.70 masl, structural coronation is at 529.30 masl, altitude of river bed is at 498 masl (critical zone), contact dam-foundation has a horizontal slope and it is at 494 masl and perimeter gallery is at 500 masl. The altitude of the dam from foundation to the spillway lip is 31 meters and the reservoir volume is 3.21 cubic hectometers; the altitude from foundation to coronation structure is 33.70 meters and the dam base has a length of 27.14 meters. The total volume of the dam is 12,411.56 cubic meters of concrete. The hydraulic organisms are the followings: i) discharge spillway, a central one with central flow outlet, Creager profile ,whose spillway lip matches altitude with the Maximum Normal Level, inlet is in upstream parament, discharge channel in downstream parament, equal slope that in downstream parament and ending its structure it has an energy dissipater element which is at 496 masl and has the assignment of return the flow of water to the natural channel (river, 498 masl); ii) bottom drain, whose inlet is at 503 masl and outlet is at 501 masl, with two 800 millimeters diameter pipes, length of 21 meters and two Bureau valves (per each pipe); iii) water intake has got a length of 44 meters (actually its length is some kilometers, but it is taken this dimension because is only in the dam), 2 meters diameter, inlet is at 518 masl, outlet is at 500 masl; iv) cofferdam for the deviation of the river is an earthfil dam (made of clays, silts and marls), it is got an altitude of 10 meters, coronation is at 522 masl, upstream slope is 2H:1V, downstream slope is 1.5H:1V, approximately located 200 meters upstream of the dam, 800 mm diameter pipe which inlet is at 521 masl and outlet at 495 masl and, finally v) a bypass pipe in each bottom drain pipe for the ecological flow with a 190 millimeters diameter. The functionality of the design responds principally to hydraulic studios supported by stresses and structural studies. The last ones have a great relevance because Perú is a country with frequent seismic activity, so it is necessary to subject the infrastructure to several situations, which are combinations of solicitations (action that affect the dam stabilizing or destabilizing) and satisfy some security coefficients, that ensure it is not going to slide or overturn. The design of the dam Sión I is the beginning of a project to electrification of a rural zone in San Martín state. An infrastructure such as important as dam Sión I shows the region like a social and economic development pole, because of its design and the meaning of its functionality in a rural geographical zone of peruvian forest, in other times relegated, actually because of civil internal problems of past decades or its so far location to more developed cities, so the engineers works take an important role in the improvement of basic provided services, which are directly linked to a improve the people quality life.

El uso de herramientas computacionales como softwares numéricos tienen un gran impacto en el sector de la construcción, debido a que mediante su correcto uso es posible predecir y analizar fenómenos físicos que pueden ocasionar daños estructurales, eliminando o limitando su repercusión en una obra. En este trabajo se ha desarrollado un caso particular de un fenómeno físico que se presenta en la construcción por capas o bloques de concreto en presas de centrales hidroeléctricas, fenómenos como las altas temperaturas producidas por la hidratación del concreto a tempranas edades, que pueden ocasionar fisuras. Todos los trabajos desarrollados hasta el momento, por diferentes autores, en la simulación térmica de presas de concreto, han utilizado softwares o creados algoritmos basados en el método de elementos finitos (como se detalla en la sección 2.2). Por otro lado, el método de volúmenes finitos es una opción que se puede emplear debido a su fácil implementación y rápido calculo. Además, también existen una gran diversidad de softwares en el mercado basados con este método (softwares de dinámica de fluidos computacional). Debido a la falta de información e investigación en el desarrollo de algoritmos usando el método de volúmenes finitos aplicados en la construcción de presas de concreto y la dificultad de hacer simulaciones son softwares comerciales, se optó por desarrollar en este trabajo un modelo numérico que permita obtener resultados fiables en la simulación de una presa en 2D. El modelo numérico implementado será capaz reducir los tiempos de pre-proceso en comparación con los softwares comerciales. Mientras que en los softwares comerciales se necesitan modificar, por ejemplo, la fuente de calor o las temperaturas iniciales en cada bloque, en el código se cambia solo una variable para todos los bloques a la vez. La intención de este trabajo es ser un punto de partida para futuras investigaciones que atañen en la construcción y operación de presas. El objetivo de este trabajo es construir un modelo numérico que permita calcular y visualizar la distribución de temperaturas al interior de la presa a lo largo del tiempo usando el método de volúmenes finitos. Para lograr este objetivo se ha seguido la siguiente metodología; en la primera etapa se define el modelo físico de Jaafar et al. (2006) de una presa en 2D, luego se define el modelo matemático de la ecuación de calor y por último se define el modelo numérico discretizando el modelo matemático. En la segunda etapa se implementa el modelo numérico definido en la etapa anterior para un caso en 1D en régimen transitorio, con una fuente de calor constante; además se desarrolla una simulación mediante ANSYS CFX, con ambos softwares se verifica el algoritmo construido, del cual se obtuvieron resultados similares al experimento de Saab (2013). En la tercera etapa con el algoritmo implementado y verificado para el caso 1D, se procede a construir el modelo en 2D de la presa usando MATLAB y considerando una fuente de calor variable (generada por el calor de hidratación del concreto) y posteriormente simulando en ANSYS CFX, bajo las mismas condiciones, comparando los resultados obtenidos con los de Jaafar et al. (2006) y Croppi et al. (2014). En la cuarta etapa de hace una evaluación de fisuras en cada bloque de la presa, así mismo se analiza la distribución térmica al interior de la presa considerando la transferencia de calor por convección, que no fue tomada en cuenta en los trabajos desarrollados por Jaafar et al. (2006) y Croppi et al. (2014). De todo ello, se concluye que el método de volúmenes finitos otorga fiabilidad en los resultados, que son comparables con el método de elementos finitos. Además, para el caso de la presa analizada se demuestra la existencia de fisuras localizadas que se deben en gran medida a las temperaturas ambientales variables a lo largo del tiempo que son impuestas como condición inicial del modelo numérico. También el considerar la transferencia de calor por convección mejora el comportamiento térmico de la presa teniendo temperaturas menores y reduciendo la generación de fisuras en la presa. Finalmente se puede mencionar que, con este trabajo, usando el método de volúmenes finitos, se pueden continuar otros casos de estudio, como, por ejemplo; implementar un modelo en 3D de la presa o calcular los efectos térmicos del llenado de agua del rio para la operación de la central hidroeléctrica. La presa una vez construida entrará en contacto con la superficie de la presa aguas arriba, este choque térmico (agua de rio generalmente a bajas temperaturas y el concreto con temperaturas aun elevadas luego de finalizada la construcción) genera gradientes térmicos que también pueden generar fisuras y cambiar la distribución de temperaturas al interior de la presa. Este estudio puede ayudar a mejorar el proceso de operación de la presa posterior a su construcción.

El documento digital no refiere un asesor / Publicación a texto completo no autorizada por el autor / Realiza el análisis técnico entre tres tipos de barrajes (barraje convencional, barraje tipo indio y barraje tirolesa) de bocatomas en la quebrada Tupuri, con una pendiente del 20%, y evalúa cuál es la mejor alternativa con respecto a su eficiencia, comportamiento y sostenibilidad en la etapa de operación. De la comparación de resultados entre los tres tipos de barraje, se concluye que el barraje tipo Indio tiene un mejor comportamiento en quebrada de fuerte pendiente debido a que presenta un menor desgaste en épocas de máximas avenidas, además que no requiere un disipador de energía ya que el enrocado acomodado se comporta como el lecho del rio sin generar erosión aguas abajo. Por otro lado, la incorporación del barraje móvil reduce el ingreso de material de arrastre por la ventana de admisión generando así una captación permanente y eficiente durante todo el año. / Tesis

El proyecto de tesis presentado, tiene como principal objetivo elaborar el diseño estructural de la presa San Antonio, de modo que se pueda realizar el almacenamiento de agua en las épocas de avenida y así, posteriormente, se logre emplear el agua almacenada para el riego de los múltiples sectores agrícolas. Por otro lado, a partir de un análisis socioeconómico y un muestreo estadístico, se concluyó que la población de las localidades beneficiadas con el presente proyecto se dedica en un 42.5%, a la agricultura. Dichos pobladores, en su mayoría, son propietarios de pequeños terrenos adecuados para este rubro, sin embargo, y pese al potencial agrícola de estas localidades, estas atraviesan problemas en su producción anual, debido a la falta de agua en los meses de estiaje y a lo precario de su infraestructura hidráulica. En ese sentido, el proyecto se ha concebido de tal manera que se aproveche la temporada de lluvias para almacenar el agua en la presa, de modo que, posteriormente, sea empleada para el riego de los sectores agrícolas en épocas de estiaje. En términos territoriales, el proyecto comprende aproximadamente 640.02 ha, sin embargo, en cuanto a sectores agrícolas aprovechables, se cuentan con 423 ha aproximadamente. Además, los beneficiarios del proyecto son las 190 familias pertenecientes al Distrito de Pichirhua. Del mismo modo, es relevante mencionar que la presente tesis considera el diseño de una presa de concreto simple f’c=175kg/cm2 en la laguna San Antonio, la cual contará con las siguientes características: altura máxima de presa de 5.30m, ancho de corona de 1.00 m, longitud máxima de corona de 199.00m, borde libre de 0.80m y volumen útil de almacenamiento de 1.15 MMC. El diseño de la presa sigue los lineamientos básicos establecidos en el Manual del USBR así como una serie de procedimientos que se describen a continuación: Primero, para realizar un correcto diseño de la presa es necesario llevar a cabo una serie de estudios y pruebas en campo en la zona del proyecto. Dentro de estas pruebas destacan las siguientes: el MASW, pruebas de infiltración, pruebas de densidad en campo, proctor estándar, compresión uniaxial, diamantina, etc. Dichas pruebas son realizadas en pro de obtener los parámetros necesarios para el diseño de la presa. Algunos de dichos parámetros son mencionados a continuación: capacidad portante del terreno, grado de infiltración, permeabilidad, tipo de suelo, resistencia de la roca en la zona de fundación, densidad en campo etc. Segundo, luego de haber obtenido los parámetros de diseño, se procederá con el dimensionamiento de la presa de concreto, buscando cumplir con los factores de seguridad de deslizamiento, volteo y capacidad portante, principalmente. Por último, en base a las dimensiones obtenidas en diseño de la presa y de las obras conexas se elaborarán los planos finales de obra, los cuales servirán como punto de partida y/o ejemplo para futuros proyectos de índole similar En ese sentido, es posible mencionar que, gracias al presente trabajo de tesis, se lograrán óptimos y adecuados niveles de administración, gestión y control volumétrico del uso del agua. Ello quedará reflejado en la equidad de su uso, planes de cultivo y riegos mejor ajustados a los niveles de producción agrícola.