Reconocimiento-NoComercial-CompartirIgual 4.0 Internacional Esta licencia permite a otras combinar, retocar, y crear a partir de su obra de forma no comercial, siempre y cuando den crédito y licencia a nuevas creaciones bajo los mismos términos. http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0 http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/ http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/ https://v3.camscanner.com/user/download UNIVERSIDAD NACIONAL “SAN LUIS GONZAGA” FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL “APLICACIÓN DE LA NORMA R.D. No.20-2011-MTC/14 PARA LA EVALUACIÓN DE LA CARRETERA PALPA – SARAMARCA, EN LA PROVINCIA Y DISTRITO DE PALPA, ICA” TESIS PARA OPTAR EL TÍTULO PROFESIONAL DE: INGENIERO CIVIL AUTOR: BACH. MARK ANTONY FLORES GONZALES ICA – PERÚ 2021 DEDICATORIA: A mis padres Por haberme apoyado en todo momento, por sus consejos, sus valores, por el esfuerzo, por ayudarme ser mejor persona, por su amor puro y verdadero. Y en especial a mi padre que desde cielo me cuida y me ilumina. Gracias por todo. A mi familia Por el apoyo incondicional y motivarme en los momentos difíciles. Por último, pero no menos importante, pues sin él ninguno de nosotros existiera. Porque me permitiste llegar hasta este punto y haberme dado salud para lograr mis objetivos, además de tu infinita bondad, sabiduría, paciencia y amor. GRACIAS DIOS. AGRADECIMIENTO Mi agradecimiento a mi alma mater Universidad Nacional “San Luis Gonzaga”, de Ica y en especial a mi facultad de ingeniería civil, por darme la oportunidad de realizar y concluir mis estudios y de esta manera poder servir a nuestra sociedad. ÍNDICE GENERAL DEDICATORIA.............................................................................................................. 1 AGRADECIMIENTO .................................................................................................... 2 ÍNDICE GENERAL ....................................................................................................... 3 RESUMEN EN ESPAÑOL ............................................................................................ 6 RESUMEN EN INGLÉS ................................................................................................ 7 INTRODUCCIÓN .......................................................................................................... 9 CAPÍTULO I: MARCO TEÓRICO ........................................................................... 10 1.1. Antecedentes del problema de investigación ...................................................... 10 1.1.1. Antecedentes a nivel internacional ........................................................... 10 1.1.2. Antecedentes a nivel nacional................................................................... 11 1.1.3. Antecedentes a nivel local ........................................................................ 12 1.2. Bases teóricas de la investigación ....................................................................... 12 1.2.1. Obras de Drenaje en una Carretera............................................................ 12 1.2.2. Obras contra Inundaciones ........................................................................ 15 1.2.3. Métodos de cálculo .................................................................................... 17 1.2.4. Modelos Hidroinformáticos de aplicación ................................................ 22 1.3. Marco legal ......................................................................................................... 26 1.4. Marco conceptual ................................................................................................ 27 CAPÍTULO II: PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN 29 2.1. Situación problemática ....................................................................................... 29 2.2. Formulación de problemas .................................................................................. 30 2.2.1. Problema general ...................................................................................... 30 2.2.2. Problemas específicos ............................................................................... 31 2.3. Delimitación del problema .................................................................................. 31 2.3.1. Delimitación espacial o geográfica ........................................................... 31 2.3.2. Delimitación temporal ............................................................................... 31 2.3.3. Delimitación social .................................................................................... 32 2.3.4. Delimitación conceptual ............................................................................ 33 2.4. Justificación e importancia de la investigación .................................................. 33 2.4.1. Justificación ............................................................................................... 33 2.4.2. Importancia ................................................................................................ 34 2.5. Objetivos de investigación ................................................................................... 34 2.5.1. Objetivo general ........................................................................................ 34 2.5.2. Objetivos específicos ................................................................................. 35 2.6. Hipótesis de investigación ................................................................................... 35 2.6.1. Hipótesis general o principal .................................................................... 35 2.6.2. Hipótesis específicas ................................................................................ 35 2.7. Variables de investigación ................................................................................... 36 2.7.1. Identificación de variables ........................................................................ 36 2.7.2. Operacionalización de variables ............................................................... 36 CAPÍTULO III: ESTRATEGIA METODOLÓGICA / METOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN ...................................................................... 39 3.1. Tipo, nivel y diseño de investigación .................................................................. 39 3.1.1. Tipo de investigación ................................................................................. 39 3.1.2. Nivel de investigación ............................................................................... 39 3.1.3. Diseño de investigación ............................................................................. 39 3.2. Población y muestra materia de investigación ..................................................... 39 3.2.1. Población de estudio .................................................................................. 39 3.2.2. Tamaño de la muestra................................................................................ 40 CAPÍTULO IV: TÉCNICAS E INSTRUMENTOS DE INVESTIGACIÓN ......... 41 4.1. Técnicas de recolección de datos ......................................................................... 41 4.2. Instrumentos de recolección de datos .................................................................. 41 4.3. Técnicas de procesamiento, análisis e interpretación de datos ............................ 42 4.4. Procedimientos..................................................................................................... 42 4.4.1. Análisis de datos hidrológicos .................................................................. 42 4.4.2. Verificación de diseño hidráulico ............................................................. 43 CAPÍTULO V: PRESENTACIÓN, INTERPRETACIÓN Y DISCUSION DE RESULTADOS ................................................................................. 44 5.1. Presentación e Interpretación de resultados ......................................................... 44 5.1.1. Localización y ubicación ........................................................................... 44 5.1.2. Aspectos topográficos y cartográficos ...................................................... 45 5.1.3. Aspectos climáticos e hidrográficos .......................................................... 46 5.1.4. Aspectos de mecánica de suelos y geotécnia ............................................ 53 5.1.5. Aspectos hidráulicos y ambientales .......................................................... 56 5.2. Discusión de resultados ....................................................................................... 59 5.2.1. Ubicación y descripción de obras de drenaje y contra inundaciones ........ 60 5.2.2. Verificaciones hidrológicas de la zona de estudio .................................... 64 5.2.3. Determinación de los caudales de diseño ................................................. 68 5.2.4. Verificaciones hidráulicas de las obras ..................................................... 78 5.2.5. Evaluación comparativa de las verificaciones realizadas ......................... 88 CAPÍTULO VI: COMPROBACIÓN DE HIPÓTESIS ............................................ 90 6.1. Contrastación de hipótesis general ...................................................................... 90 6.2. Contrastación de hipótesis específicas ................................................................. 90 6.2.1. Contrastación de la primera hipótesis específica ...................................... 90 6.2.2. Contrastación de la segunda hipótesis específica ..................................... 91 6.2.3. Contrastación de la tercera hipótesis específica ........................................ 92 CONCLUSIONES ........................................................................................................ 93 RECOMENDACIONES .............................................................................................. 94 FUENTES DE INFORMACIÓN ................................................................................ 95 ANEXOS ........................................................................................................................ 98 Tablas, Cuadros y Gráficos ............................................................................................. 98 Panel Fotográfico .......................................................................................................... 104 6 RESUMEN Las evaluaciones de las obras de drenaje y contra inundaciones de una carretera, comprenden en primer lugar, las verificaciones preliminares de campo para comprobar el funcionamiento óptimo de las alternativas de solución en las zonas críticas como quebradas que se activan en época de avenidas y corren transversales a la carretera Palpa - Saramarca, así como los tramos donde se han presentado desbordamiento del rio y la destrucción de la carretera; por lo cual, se requiere determinar las causas que provocaron esta situación, luego se plantean probables soluciones a través de la propuestas de medidas estructurales o sistemas hidráulicos. En segundo lugar, se lleva a cabo un estudio comparativo aplicando dos metodologías al diseño de cada una de las obras de drenaje y contra inundaciones identificadas, utilizando modelos hidro informáticos como son el HEC HMS, HEC RAS y RIVER, para las diversas etapas de las verificaciones. En tercer término, se establecen medidas de mitigación para los peligros y vulnerabilidades detectadas en el tramo de la carretera, de tal forma que se logre identificar las mejores y posibles soluciones. Finalmente, se realiza el análisis de las alternativas de solución y se propone la más factible. La investigación busca contribuir a la toma de decisiones para la operación y mantenimiento de la carretera Palpa – Saramarca, para un servicio vial óptimo, seguridad y mejores condiciones de transitabilidad. PALABRAS CLAVES: Drenaje en carreteras, obras contra inundaciones, vulnerabilidad en carreteras, defensas ribereñas. 7 SUMMARY The evaluations of the drainage and flood works of a highway include, first of all, the preliminary field checks to verify the optimal operation of the alternative solutions in critical areas such as streams that are activated in times of floods and run cross to the Palpa - Saramarca highway, as well as the sections where the overflow of the river and the destruction of the highway have occurred; therefore, it is necessary to determine the causes that caused this situation, then probable solutions are proposed through the proposal of structural measures or hydraulic systems. Secondly, a comparative study is carried out applying two methodologies to the design of each of the identified drainage and flood works, using hydrocomputer models such as the HEC HMS, HEC RAS and RIVER, for the various stages of the verifications. Thirdly, mitigation measures are established for the dangers and vulnerabilities detected in the section of the road, so that the best and possible solutions can be identified. Finally, the analysis of the solution alternatives is carried out and the most feasible is proposed. The research seeks to contribute to decision-making for the operation and maintenance of the Palpa - Saramarca highway, for optimal road service, safety and better passability conditions. Keywords: Drainage on roads, works against floods, road vulnerability, river defenses. UNIVERSIDAD NACIONAL “SAN LUIS GONZAGA” FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL “APLICACIÓN DE LA NORMA R.D. No.20-2011-MTC/14 PARA LA EVALUACIÓN DE LA CARRETERA PALPA – SARAMARCA, EN LA PROVINCIA Y DISTRITO DE PALPA, ICA” ÁREA DE CONOCIMIENTO: INGENIERÍA Y TECNOLOGÍA LÍNEA DE INVESTIGACIÓN: VÍAS Y TRANSPORTE AUTOR: BACH. MARK ANTONY FLORES GONZALES ASESOR: ING. ALFREDO MIGUEL ALCÁZAR GONZALES 9 INTRODUCCIÓN La investigación, tiene como temática principal los estudios sobre OBRAS DE DRENAJE Y CONTRA INUNDACIONES EN OBRAS VIALES, de lo cual se ha tomado la evaluación comparativa mediante la aplicación de dos metodologías numéricas y de simulación dinámica para cada una de las obras de drenaje y contra inundaciones en el tramo de carretera Palpa - Saramarca, tomando en cuenta las recomendaciones de la Norma R.D. N° 20-2011-MTC/14 del Ministerio de Transportes y Comunicaciones (MTC) y los diversos estudios nacionales e internacionales sobre el tema. Es así que en el Capítulo I se desarrolla el marco teórico que incluye antecedentes nacionales e internacionales de estudios similares, una sólida base teórica que incluye conceptos relacionados básicamente a la hidrología y a la hidráulica y; un marco conceptual con las definiciones básicas. En el capítulo II se hace el planteamiento del problema de investigación, se delimita el problema, se establece la justificación y la importancia de la investigación, se desarrolla los objetivos y las hipótesis de la investigación. El Capítulo III, trata las estrategias de investigación empleadas; mientras que en el capítulo IV, se consigna las técnicas e instrumentos para la recolección y procesamientos de los datos. En el capítulo V, se realiza una amplia presentación e interpretación de los resultados de la investigación, así como la discusión de la misma. Mientras que en el capítulo VI, comprobamos tanto la hipótesis general como las tres hipótesis específicas. Finalmente, se fija las conclusiones y recomendaciones arribadas; así como, se describe las referencias bibliográficas empleadas y anexa parte de un material que dan soporte a la investigación realizada. CAPÍTULO I MARCO TEÓRICO 1.1. ANTECEDENTES DEL PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN Presentamos a continuación, investigaciones nacionales e internacionales que sustentan la importancia de nuestra investigación. 1.1.1. ANTECEDENTES A NIVEL INTERNACIONAL Carrión, H. y Orellana, C. (2016). En la tesis previa a la obtención del título de ingeniero civil titulada: “Estudio del Sistema de Drenaje para la Vía Molleturo - Tres Marías - La Iberia, en la Provincia del Azuay - Ecuador”, realizada “con el fin de analizar, calcular y dimensionar las principales estructuras que componen un sistema de drenaje, tales como: cunetas, cunetas de coronación, alcantarillas, su drenes y puentes…que se sustentan en las metodologías de Manning, Racional Americano y Soil Conservation Service [SCS], apoyado por los programas HEC-HMS y HEC-RAS. Llegando a las conclusiones que: “La solución integral al drenaje transversal se efectuó mediante la implantación de 110 alcantarillas dispuestas en: puntos bajos, presencia de quebradas, rellenos considerables y por cuestiones de control y mantenimiento. La simulación de crecida del río fue interpretada con modelización HECRAS para un flujo no estacionario, no permanente, de régimen mixto, ingresando para el resultado, 14 secciones de una franja de 265 m y 8% de pendiente a lo largo del cauce” (1). Benavides, R. (2009) en su Tesis titulada: “Análisis Comparativo del Proyecto Mejoramiento de la Ruta T-35, Los Lagos, Valdivia - Chile”, donde expresa que: “El objetivo principal que propone el siguiente estudio consiste en obtener las razones por las que el Proyecto de Mejoramiento de la Ruta T – 35, se vio modificado. Se observa que una de las conclusiones es que: “Mediante este trabajo de titulación se comprueba la importancia que tiene para cualquier Proyecto Vial, la realización de un estudio acabado del Saneamiento del Camino; es decir se deben considerar todos los aspectos que influyen en la pronta y eficiente “evacuación de las aguas” que lleguen a la vía, ya sea por precipitación directa, infiltración, afluentes de aguas subterráneas, entre otros (2). 11 1.1.2. ANTECEDENTES A NIVEL NACIONAL Por otro lado, presentamos investigaciones nacionales que sustentan la importancia de nuestra investigación. Castillo, E. (2017), en su Tesis para optar el título profesional de ingeniero civil: “Evaluación Hidrológica e Hidráulica de los Drenajes Transversales en la Carretera Cocahuayco – Cocachimba – Bongará - amazonas” se planteó como objetivo “evaluar el estado actual las estructuras de drenaje de la carretera tramo Cocahuayco- Cocachimba con la finalidad de determinar si las estructuras existentes cumplen con el diseño adecuado, aplicando metodologías GIS para el aspecto físico, el modelo Hec HMS para la evaluación hidrológica y el software Hcanales para el análisis hidráulico. Llegando a la conclusión que de: “la comparación entre estructuras existentes y estructuras diseñadas, se muestra claramente que la pendiente y el diámetro de todas las alcantarillas son el problema principal de sedimentación y la imposibilidad de limpieza por su diámetro reducido respectivamente. Así mismo, “se han obtenido que los diámetros sean modificados por alcantarillas de 36” y en las alcantarillas de paso encontradas en campo, sean reemplazados con pontones como estructura debido a caudal que pasa” (3). Saldaña, P. (2014). En la tesis para optar el título de ingeniero civil titulada: “Diseño de la Vía y Mejoramiento Hidráulico de Obras de Arte en la Carretera Loero- Jorge Chávez, inicio en el km 7.5, distrito de Tambopata, Región Madre de Dios”; cuyo objetivo “es mejorar el camino vecinal con la finalidad de conectar adecuadamente a los pobladores de Loero y Jorge Chávez con la población de Puerto Maldonado y el resto del País, mediante un adecuado diseño de la vía, así como las obras de arte existentes en toda la ruta. Las perspectivas de mejorar dicha vía con el presente proyecto, beneficiaría a las comunidades circundantes a la zona del proyecto, así mismo dichas comunidades se dedican principalmente a la actividad agrícola y esta vía los beneficiaría para poder trasladar sus cosechas y aumentar el comercio en esta zona con la localidad de Puerto Maldonado y otras regiones. Una de las conclusiones menciona que se requiere “La construcción de 11 alcantarillas TMC de 36” y 72”, mejoramiento de alcantarillas de concreto armado, cunetas, las cuales permitirán solucionar el problema de drenaje y erosión; así mismo, la construcción de cunetas de sección triangular de 1.00x0.50 m. en todo el tramo (4). 12 Barreto, J. (2004). En su tesis para optar el título profesional de ingeniero civil denominada: “Control de Erosión en Obras de Drenaje Transversal de Carreteras Ubicadas en Zonas Andinas". El objetivo principal fue “contribuir a lograr un mejor entendimiento y plantear medidas de control a los problemas de erosión en obras de drenaje transversal tan dañinas y comunes en las carreteras del Perú. Una de las conclusiones más importantes establece que: “Debido a la topografía de la zona Andina del país, muchas veces el trazo de las carreteras presenta curvas de vuelta, donde el flujo que sale de una obra de drenaje transversal llega a otra obra de drenaje transversal que se encuentra aguas abajo (sistema de estructuras conectadas), entonces las obras de drenaje transversal llevan un caudal acumulativo que incrementa el problema de erosión. Por lo tanto, si el terreno es estable (presenta vegetación) y el suelo puede soportar las velocidades del flujo se podría dejar que el flujo discurra libremente en forma laminar evitando que se concentre la erosión en una zona determinada. Si el terreno no es estable y no puede soportar altas velocidades, se debe llevar el flujo de una estructura a otra en forma ordenada a través de rápidas, tuberías, sistema de andenería, o el uso de geosintéticos (geomantas, biomantas, geoceldas), etc.” (5) 1.1.3. ANTECEDENTES A NIVEL LOCAL No existen antecedentes de investigaciones similares a nivel local, siendo esta la primera en la localidad. 1.2. BASES TEÓRICAS DE LA INVESTIGACIÓN Las Teorías que se van a utilizar para el desarrollo de la presente tesis se refieren en forma resumida a los siguientes tópicos: 1.2.1. OBRAS DE DRENAJE EN UNA CARRETERA Según Guzmán Arias (Universidad Pontificia Bolivariana, 2012), “Se define sistema de drenaje de una vía como el dispositivo específicamente diseñado para la recepción, canalización y evacuación de las aguas que pueden afectar directamente a las características funcionales de cualquier elemento integrante de la carretera. Adicionalmente los sistemas de drenaje vial pueden estar localizados en zonas urbanas dentro de las ciudades, integrando los sistemas de alcantarillado pluvial o ingresando directamente al sistema de alcantarillado combinado” (6). 13 “En donde su diseño debe ir de la mano con la concepción y construcción de los sistemas de alcantarillado de la ciudad, prestando especial cuidado a los temas ambientales, mantenimiento, re densificación urbana, cambio frecuente de coeficientes de escorrentía, planes de ordenamiento territorial y vida útil de los sistemas” (6). Caracterización de la problemática del drenaje Sabemos que el agua que existe en la naturaleza, sea superficial y subterránea, siempre va a colisionar con el trazo de una carretera, por eso un buen diseño de una carretera, parte de una buena concepción y tratamiento de las obras de drenaje, esto ayuda en la conservación y vida útil de la vía. Los estudios de drenaje deben iniciarse desde la ubicación del trazo de la vía, en concordancia con las normas nacionales que exigen adecuadas obras de drenaje. Tipos de flujo en drenajes La eliminación del agua es un aspecto capital en el éxito o el fracaso de una infraestructura vial. Hay tres tipos de flujo a tratar en estos casos: a) Uno DIFUSO, sobre las superficies de la infraestructura, como plataformas o taludes. b) Otro CONCENTRADO, por los elementos longitudinales (cunetas, zanjas de coronación etc.) y por las obras transversales, a los cuales se les denomina Drenaje Superficial. c) Otro en MEDIOS PROROSOS, como por las capas del firme, por las zanjas drenantes y por el cuerpo de los rellenos y de los desmontes, a este se le denomina Drenaje subterráneo. Patología del drenaje El análisis del drenaje, debería iniciarse con un reconocimiento del terreno en período de lluvia, de Manera de observar directamente las zonas de acumulación y escurrimiento de agua. Un drenaje deficiente y la erosión asociada a él, serán la principal responsable de la interrupción de la vía y/o de altos costos de mantención y rehabilitación futura. La principal recomendación en este caso, es minimizar la alteración del escurrimiento superficial y las zonas de descarga. En caso de alteraciones, deben buscarse los mecanismos que aseguren el restablecimiento de las condiciones iniciales. Adicionalmente la erosión afecta a los recursos naturales, contaminación de agua, pérdida de suelo superficial orgánico, pérdida de lugares de desove, etc. 14 Para prevenir los efectos de la erosión producida por el agua es importante conocer los elementos que la controlan: o La energía proveniente de las fuerzas de erosión, que en este caso está dado principalmente por la velocidad del flujo, la cual se relaciona directamente con la pendiente. o Las características del suelo. A medida que las partículas de suelo son más pequeñas y se encuentran sueltas, aumenta la posibilidad de que ellas sean arrastradas por el agua produciendo erosión. o Vegetación. Árboles y plantas reducen el impacto del agua al caer, dan mayor firmeza al suelo y reducen la velocidad de escurrimiento. Tipo de drenaje en carreteras El sistema de drenaje, en general, está constituido por los siguientes elementos: Drenaje superficial Se analiza el flujo de escorrentía superficial que discurre sobre la carretera que luego de alcanzar el tiempo de concentración propio para la zona se inicia el escurrimiento, este flujo se incrementa con el flujo proveniente de los taludes de corte en la carretera. También se analiza el flujo de escorrentía superficial que provienen directamente de cauces naturales que afectan a la carretera, como ríos, quebradas, canales de riego, acequias, arroyos, etc. Drenaje superficial longitudinal • Bombeo o pendiente transversal de la calzada. • Cunetas. • Zanjas de coronamiento y otros Drenaje superficial transversal • Alcantarillas. • Canales, Cruces menores • Badenes 15 Figura N°1.1. Drenaje superficial longitudinal y transversal. Fuente: https://alcantarillas-metalicas.com/ Drenaje subterráneo Se establece para garantizar “la eliminación de aguas subterráneas en una carretera en zona de ciénagas, donde puede requerir la excavación del material que contiene agua y un reemplazo por material seleccionado que pueda drenar. En general, se prevé drenaje subterráneo a través de la capa de base (material poroso) que es parte del pavimento, para asegurar una salida positiva del agua subterránea, pueden instalarse drenes interceptores o drenes transversales” (Céspedes, 2001) (7). Pueden ser: • Filtros longitudinales. • Drenes de penetración transversal, capas drenantes, galerías, etc. 1.2.2. OBRAS CONTRA INUNDACIONES El agua, recurso vital del planeta, provoca dos efectos sobre la tierra y su población. Primero, si esta falta provoca sequias y hambruna, así como genera conflictos. Segundo, si viene en cantidades extraordinarias, provoca inundaciones y desbordes de sus riberas de conducción generando destrucción y muerte. Este segundo caso, es el que se controla mediante obras hidráulicas contra inundaciones. 16 Son el conjunto de medidas tendientes a solucionar problemas generados por la energía erosiva del agua principalmente, para evitar o reducir la erosión lateral que se presenta en las márgenes de los ríos, y con mayor frecuencia en las orillas exteriores de las curvas. También, incluimos en esta definición a las obras hidráulicas para evitar el desbordamiento de avenidas extraordinarias por cambios climáticos, fenómenos meteorológicos o colapso de estructuras dentro de una cuenca hidrográfica. Pueden ser medidas agronómicas o estructurales. Medidas agronómicas Defensas Vivas Naturales Son las mejores defensas contra inundación, constituidos por árboles y arbustos de buena densidad en ambas márgenes. Debe mantener un ancho entre 30 y 40m. Defensas Vivas Forestadas Está basado en la plantación de árboles y arbustos de raíces profundas. Se efectúa en sectores críticos como complemento a las defensas artificiales. El ancho será de 10 a 30 m. Figura N°1.2. Defensas vivas Fuente: Manual del Instituto Nacional de Defensa Civil (INDECI) (8) Medidas estructurales Son medidas basadas en los principios de la ingeniería, tomándose en cuenta la hidrología e hidráulica fluvial. Consiste en la construcción de estructuras de tipo permanente y/o temporales. 17 Estructuras Permanentes Su diseño requiere conocimientos y experiencia especializada. Se usan para prevenir y controlar la erosión desviando y encauzando el río. Podemos considerar diques de encauzamiento, enrocados o no, los muros de contención de concreto ciclópeo o armado y las losas de revestimiento. Estructuras Temporales Son estructuras construidas temporalmente para uno o varios periodos de avenida, con costos relativamente bajos. Podemos considerar a los Gaviones, colchones, espigones, terraplenes y las actividades de limpieza de cauce. 1.2.3. MÉTODOS DE CÁLCULO En el diseño de obras de drenaje en carreteras, las que tienen mayor relevancia son las obras de drenaje transversal, que tienen como función permitir el paso de las aguas de una quebrada o cuenca, de un lado a otro de la vía. En esa medida, presentamos los métodos de cálculo hidráulico de las alcantarillas, cunetas y badenes. Diseño de alcantarillas Se define como alcantarilla, a la estructura cuya luz sea menor a 6.0 m y su función es evacuar el flujo superficial proveniente de cursos naturales o artificiales que interceptan la carretera. La densidad de alcantarillas en un proyecto vial influye directamente en los costos de construcción y de mantenimiento, por ello, es muy importante tener en cuenta la adecuada elección de su ubicación, alineamiento y pendiente, a fin de garantizar el paso libre del flujo que intercepta la carretera, sin que afecte su estabilidad. La ubicación óptima de las alcantarillas depende de su alineamiento y pendiente, la cual se logra proyectando dicha estructura siguiendo la alineación y pendiente del cauce natural. Sin embargo, se debe tomar en cuenta que el incremento y disminución de la pendiente influye en la variación de la velocidad de flujo, que a su vez incide en la capacidad de transporte de materiales en suspensión y arrastre de fondo. Diseño hidráulico El cálculo hidráulico considerado para establecer las dimensiones mínimas de la sección para las alcantarillas a proyectarse, es lo establecido por la fórmula de Robert Manning para canales abiertos y tuberías, por ser el procedimiento más utilizado y de 18 fácil aplicación, la cual permite obtener la velocidad del flujo y caudal para una condición de régimen uniforme mediante la siguiente relación (9): Donde: Q: Caudal (m3/s) V : Velocidad media de flujo (m/s) A : Área de la sección hidráulica (m2) P : Perímetro mojado (m) R : Radio hidráulico (m) S : Pendiente de fondo (m/m) n : Coeficiente de Manning (Ver Tabla Nº 09) (MTC, 2011) (9) Tabla N°1.1. Valores del coeficiente de Rugosidad de Manning (n) Fuente: Manual de Hidrología, Hidráulica y Drenaje MTC - 2011 (9). 19 Características del flujo en alcantarillas El régimen hidráulico del escurrimiento en las alcantarillas es difícil de predecir, sin embargo, existen dos formas básicas, según donde esté ubicada la sección que controla hidráulicamente el flujo. Se trata del escurrimiento con control de entrada y aquel con control en la salida teniendo cada uno de ellos un método de cálculo particular. Es posible determinar por medio de cálculos hidráulicos el tipo probable de control de escurrimiento bajo el cual funcionará una alcantarilla para un conjunto de condiciones dadas. Figura N°1.3. Cálculo de la altura de agua a la entrada Fuente: Ven te Chow – Hidráulica de Canales (9) Diseño de cunetas Son estructuras hidráulicas de drenaje de la carretera, constituidas por canales construidos cerca del borde de la plataforma en forma paralela a la vía, recogen el agua de la capa de rodadura, las bermas y los taludes, conduciéndolos a los sistemas de evacuación que pueden ser sumideros, otros canales, tuberías etc. Para el diseño de cunetas la fórmula más utilizada es la de Manning en función de las aguas de escorrentía para una lluvia máxima y para un periodo de retorno que generalmente se estima en 5 años. Formula de Manning: q = Caudal de la cuneta en m3/seg. r = Radio hidráulico r= Am/Pm) s = Pendiente (puede coincidir con la pendiente de la vía) n = Coeficiente de rugosidad para cunetas (tabla) 20 a = Área de la cuneta en m2, a plena sección. Tabla N°1.2. Valores del coeficiente de rugosidad Tipo de material n Tierra ordinaria con superficie uniforme Hierba (altura lámina de agua > 15 cm) Hierba (altura lámina de agua < 15 cm) Hierba espesa Encachado con piedra rugosa Encachado con piedra lisa 0.02 0.04 0.06 0.10 0.04 0.012 Fuente: Reglamento Nacional de Edificaciones (RNE,2019) (10) Diseño de badenes Las estructuras tipo badén son soluciones efectivas cuando el nivel de la rasante de la carretera coincide con el nivel de fondo del cauce del curso natural que intercepta su alineamiento, porque permite dejar pasar flujo de sólidos esporádicamente que se presentan con mayor intensidad durante períodos lluviosos y donde no ha sido posible la proyección de una alcantarilla o puente. Los materiales comúnmente usados en la construcción de badenes son la piedra y el concreto, pueden construirse badenes de piedra acomodada y concreto que forman parte de la superficie de rodadura de la carretera y también con paños de losas de concreto armado. 21 Para el diseño hidráulico se idealizará el badén como un canal trapezoidal con régimen uniforme. Este tipo de flujo tiene las siguientes propiedades: a) La profundidad, área de la sección transversal, velocidad media y gasto son constantes en la sección del canal. b) La línea de energía, el eje hidráulico y el fondo del canal son paralelos, es decir, las pendientes de la línea de energía, de fondo y de la superficie del agua son iguales. El flujo uniforme que se considera es permanente en el tiempo. Aun cuando este tipo de flujo es muy raro en las corrientes naturales, en general, constituye una manera fácil de idealizar el flujo en el badén, y los resultados tienen una aproximación práctica adecuada (MTC, 2011) (9). Diseño de obras de defensa ribereña. diques de encauzamiento Cálculo de la Velocidad Máxima y el tirante máximo Se calcula considerando el perfil normal, el mismo que permita el escurrimiento de las aguas y el transporte de acarreos. Deberá tomarse en consideración los tramos donde el río haya alcanzado su equilibrio. Podemos utilizar la fórmula de Manning – Strickler es: Dónde: Vm = Velocidad Media (m/s) Ks = Coeficiente de rugosidad en función del tipo del lecho R = Radio Hidráulico S = Pendiente del tramo Considerando valores de acarreo para secciones anchas b>30m: Dónde: t es el tirante de la máxima avenida en la sección Tabla N°1.3. Valores Ks para cauces naturales Valores de Ks para cauces naturales Ks Cauces con fondo sólido sin irregularidades 40 Cauces de río con acarreo irregular 33 - 35 Cauces de ríos con vegetación 30 - 35 Cauces naturales con derrubio e irregularidades 30 Cauces de Río con fuerte transporte de acarreo 28 Fuente: Manual de Hidrología, Drenaje del MTC (9) 22 Altura del Dique de Encauzamiento La altura que tendrá el Dique de Encauzamiento será: Dónde: H – Altura del Dique (m) t – Es el tirante de la máxima avenida en la sección (m) BL – Borde Libre (m) V – velocidad Media del flujo (m/seg)  – Coeficiente en función del caudal y pendiente e – Energía de velocidad Tabla N°1.4. Coeficiente Φ para diferentes caudales máximos Caudal máximo (m3/s) Coeficiente (Φ) 3000 – 4000 2.00 2000 – 3000 1.70 1000 – 2000 1.40 500 – 1000 1.20 100 – 500 1.10 Fuente: Diseño y Construcción de Defensas Ribereñas (Terán, 1998) (11) 1.2.4. MODELOS HIDROINFORMÁTICOS DE APLICACIÓN Existen muchas herramientas modernas que sirven para mejorar la velocidad de los cálculos teóricos antes analizados, entre una de ellas son los modelos de simulaciones numéricas, con potentes salidas gráficas, a continuación, presentamos algunos de ellos: a) Modelo Hidroinformático HidroEsta HidroEsta, es una herramienta que facilita y simplifica los cálculos laboriosos, y el proceso del análisis de la abundante información que se deben realizar en los estudios hidrológicos. 23 Figura 1.4. Imagen de presentación del software HidroEsta Fuente: Manual Básico HIDROESTA versión 2.0 (12) Entre sus principales capacidades, se puede mencionar: • El cálculo de los parámetros estadísticos, para datos agrupados y no agrupados, tanto con momentos tradicionales o lineales. • Evaluar si una serie de datos se ajustan a una serie de distribuciones: normal, gamma, log-normal, log-Pearson tipo III, Gumbel, y log-Gumbel, tanto con momentos ordinarios o lineales. • Si la serie de datos se ajusta a una distribución, permite calcular por ejemplo caudales o precipitaciones de diseño, con un período de retorno dado o con una determinada probabilidad de ocurrencia. • Realizar el análisis de una tormenta y calcular intensidades máximas, a partir de datos de pluviogramas • También permite el cálculo de la precipitación promedio por los métodos promedio aritmético, polígono de Thiessen e isoyetas. • Los cálculos de aforos realizados con molinetes o correntómetros. • El cálculo de caudales máximos, con métodos empíricos (racional y Mac Math) y estadísticos (Gumbel y Nash). 24 • Cálculos de la evapotranspiración con los métodos de Thorthwaite, Blaney- Criddle, Penman, Hargreaves y cálculo del balance hídrico. b) Modelo Hidro Informático HEC - RAS El modelo Hec-Ras, ha sido desarrollado por el Centro de Ingeniería Hidrológica (Hydrologic Engineering Center) del cuerpo de ingenieros de la armada de los EE.UU. (US Army Corps of Engineers). El modelo numérico incluido en el programa permite realizar análisis del flujo permanente y no permanente unidimensional gradualmente variado en lámina libre. Entre sus principales características técnicas se tiene: - Realiza el cálculo hidráulico incluyendo a varias estructuras (puentes, aliviaderos, alcantarillas, etc.). - Permite la visualización gráfica de datos y resultados - Permite la edición gráfica de secciones transversales. - Trabaja para canales abiertos, en ríos y canales artificiales La aplicación del modelo Hec-Ras es una modelación hidráulica que considera los efectos producidos por obstrucciones como puentes, alcantarillas, vertederos y otras estructuras, así como permite el manejo de crecidas, determinación de líneas de ribera, estudio de seguridad contra inundaciones y el cálculo tanto en flujos subcríticos y supercríticos. HEC-RAS contiene tres tipos de análisis unidimensional: - Análisis permanente para el cálculo de perfiles de agua en régimen uniforme y gradualmente variado. - Simulación para régimen no permanente. - Cálculo de transporte de sedimento para lechos móviles y Cálculo de contaminantes - Utiliza la fórmula de Manning para el cálculo del tirante, pero en secciones transversales compuestas, incluye las rugosidades compuestas: 25 Figura N°1.5. Tirante en secciones transversales compuestas Fuente: Manual de Hec-Ras y Geo HecRas (13) Figura 1.6. Imagen de resultados en pantalla del Hec-Ras Fuente: Manual de Hec-Ras y Geo HecRas (13) c) Modelo Hidro Informático River Elaborado por el Ing. Emilse Benavides C. y administrado por la Dirección de Estudios de Proyectos Hidráulicos Multisectoriales de la Autoridad Nacional de Agua (ANA), permite determinar los caudales de diseño por modelos probabilísticos estadísticos, tales como Log Normal, Gumbel y Log Person III, todo ello cuando se cuente con información histórica de caudales de una estación hidrometereológica certificada. Cuando no se cuente con información estadística, se pueden utilizar los métodos empíricos, tales como el método de Mac Math y el caudal instantáneo por la fórmula de Fuller. 26 Así mismo, calcula defensas enrocadas laterales como son los diques de encauzamiento y estructuras hidráulicas perpendiculares al flujo como los espigones. Previamente verifica el ancho estable, las condiciones geométricas, los materiales del fondo y la orilla y las profundidades de socavación y erosión. También tiene un módulo para la determinación de los parámetros hidráulicos en canales, por varios métodos de cálculo. Figura N°1.7. Presentación e pantalla del software Hidro Informático River Fuente: Manual del Modelo Hidrológico RIVER (ANA,2007) (14) 1.3. MARCO LEGAL • Ley de los Recursos Hídricos: Ley Nº 29338 dl 23 de marzo del 2009. Promueve y controla el aprovechamiento y conservación sostenible de los recursos hídricos por lo cual se seguirán los lineamientos de esta. • Resolución RD N°20-2011-MTC/14 – Ministerio de Transportes y Comunicaciones donde aprueba el Manual de hidrología, hidráulica y drenaje. De la cual se obtiene datos relevantes de este manual para canales sin revestimiento asimismo para el posterior cálculo de ellos y comparación. • Manual Criterios de diseños de obras hidráulicas para la formulación de proyectos hidráulicos multisectoriales y de afianzamiento hídrico. Resolución de fecha jueves 01 enero de 2011. La cual se toma como base para el mejoramiento de canales a este manual de diseño, ya que el Perú carece de una normativa técnica para el diseño de canales, asimismo este manual es 27 usado por muchos ingenieros ya que es importante para el diseño para lo cual se utilizará el Anexo 1 • United State Bureau of Reclamation (USBR), oficina de asuntos públicos que administra desarrolla y protege el agua y sus recursos relacionados de una manera ambiental y económicamente sana en interés del público estadounidense. Allí se menciona parámetros básicos para la utilización del software Hec-Ras las cuales deben ser cumplidas para el correcto calculo y efectividad del programa computacional por lo cual es de suma importancia para el análisis hidráulico en las obras de conducción. 1.4. MARCO CONCEPTUAL A continuación, se muestra algunos conceptos comunes empleados en lo extenso de la investigación. Norma. Principio que se impone o se adopta para dirigir la conducta o la correcta realización de una acción o el correcto desarrollo de una actividad. Regla jurídica. Evaluación. Atribución o determinación del valor de algo o de alguien. Valoración de conocimientos, actitud y rendimiento de una persona o de un servicio. Carretera. Vía de comunicación, generalmente interurbana, proyectada y construida fundamentalmente para la circulación de vehículos automóviles. Río. Se trata de una corriente natural de agua continua que desemboca en otra similar, en un lago o en el mar. Cuando un río desemboca en otro, se lo conoce como afluente. Hidrología. Disciplina que se ocupa especialmente de estudiar la distribución espacio temporal y las propiedades de las aguas subterráneas y las continentales. Dentro de este vasto y amplio objeto de estudio de aguas, se incluyen a las precipitaciones, la humedad que proviene del suelo, la escorrentía, que es aquella lámina de agua que transita por una cuenca de drenaje, las masas glaciares y la evatranspiración, que consiste en la pérdida de humedad que padece una superficie y está asociada a la transpiración de la vegetación. Hidráulica. Rama de la física que se dedica al análisis del movimiento y del equilibro de los fluidos. Técnica de conducir, contener, elevar y aprovechar las aguas. 28 Estructura. Puede tratarse de la distribución y el orden de las partes principales de un edificio o de una casa, así como también de la armadura o base que sirve de sustento a la construcción. Defensa ribereña. Estructuras construidas para proteger de las crecidas de los ríos las áreas aledañas a estos cursos de agua. La protección contra las inundaciones incluye tanto los medios estructurales como los no estructurales, que dan protección o reducen los riesgos de inundación. Drenajes. Operación de dar salida al agua estancada, o a la excesiva humedad de un terreno, por medio de las instalaciones adecuadas. Inundaciones. Es el acto y la consecuencia de inundar: cubrir de agua u otro líquido. El concepto suele emplearse cuando el agua cubre una zona que habitualmente está seca. Las inundaciones pueden producirse por una lluvia torrencial, el desborde de un río, una subida extraordinaria de la marea o un tsunami. Badén. Acequia, zanja, trinchera o canalillo en que se forma en el terreno en el paso de las corrientes de aguas lluvias. Barranquera y conducto empedrado en que se hace en una carretera para dar paso a un caudal corto de agua. Barranco o precipicio que está en la superficie del camino o de una carretera. Alcantarilla. Conducto subterráneo construido para recoger el agua de la lluvia y las aguas residuales de una población. Abertura situada en el suelo de la calle y a menudo cubierta por una rejilla, por donde se sumen el agua de la lluvia y las aguas residuales que van a las alcantarillas o cloacas. Cunetas. Zanjas que se hacen a ambos lados del camino con el propósito de recibir y conducir el agua pluvial de la mitad del camino (o de todo el camino en las curvas), el agua que escurre por los cortes y a veces la que escurre de pequeñas áreas adyacentes. Dique. Muro artificial hecho para contener la fuerza de las aguas o del oleaje. Dique. Un dique es un terraplén para evitar el paso del agua, puede ser natural o artificial, por lo general de tierra y paralelo al curso de un río o al borde del mar. Socavón. Hundimiento que se produce en el suelo, generalmente por haber una corriente subterránea o algún espacio hueco bajo tierra. Galería u hoyo grande socavado en la ladera de un monte o en otro sitio. CAPÍTULO II PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN 2.1. SITUACIÓN PROBLEMÁTICA “Los fenómenos naturales pueden ser de origen natural o inducidos por el hombre, estos últimos, representan una amenaza y pueden alcanzar la escala de desastre cuando produce daños y/o pérdidas, un desastre no es un proceso puramente natural, sino que es un evento natural o inducido que ocurre donde hay actividades humanas, la probabilidad de ocurrencia de un desastre puede ser clasificada como baja, media o alta, se debe conocer el grado de respuesta ante el mismo, y para cada una de ellas deben existir dispositivos que aumenten esta capacidad de respuesta. Estas medidas de mitigación pueden ser estructurales, las cuales dan protección ante un peligro” (Palma Colindres, 2012) (15). “Los desastres en carreteras pueden ser de origen natural, antrópicos inducidas por alteraciones al estado natural, cada uno de éstos tiene efectos sobre la infraestructura, los cuales deben ser clasificados según su origen y evaluados los daños, para diseñar medidas de mitigación que sean económicamente factibles” (Palma Colindres, 2012) (15). En nuestro caso, la carretera Palpa a Saramarca ha sufrido constantemente fenómenos de procesos de erosión y socavación, producto principalmente de las avenidas de las quebradas y pequeñas riadas que corren transversal a la carretera, en algunos casos con bastante amplitud y en otros casos quebradas angostas, pero de gran pendiente, lo cual ocasiona daño constante a la vía. Por otro lado, en algunas de las márgenes se ha producido el desbordamiento del rio, pero con mayor intensidad en el tramo comprendido entre los kilómetros 12+920 al 13+140, esto producto de fenómenos climáticos extremos, pero también por acción humana, ya que la carretera se acerca peligrosamente al rio. Las zonas con material coluvial y donde se han introducido acciones humanas dentro de la faja marginal son las más propensas a inundaciones, erosión y socavación, pero también inciden la composición del suelo y la cercanía de la carretera al rio Viscas, que en varios tramos se acerca a la vía socavando la base de las laderas. 30 Todos estos factores, a veces coinciden y provocan desastres como el acaecido en año 2017 donde el tramo señalado anteriormente fue inundado y erosionado por las aguas del rio. Una de las medidas, para iniciar los trabajos de identificación del peligro, es la zonificación de los tramos críticos y otra la evaluación por métodos comparativos, de todas las quebradas que pueden activarse, que nos permitan conocer la mejor alternativa de drenaje para cada caso. “Las estructuras del drenaje transversal son fundamentales para el control y manejo efectivo del agua en una vía. El principal objetivo del drenaje vial es reducir al máximo la cantidad de agua en la vía, de manera de dar salida rápida al agua que llega a la vía. Por lo cual proveer de un buen sistema de drenaje es uno de los factores más importantes en un proyecto vial.” (Castillo A, 2017) (3). 2.2. FORMULACIÓN DE PROBLEMAS Todos estos factores, a veces coinciden y provocan desastres como el acaecido en año 2017 donde el tramo señalado anteriormente fue inundado y erosionado por las aguas del rio. Una de las medidas, para iniciar los trabajos de identificación del peligro, es la zonificación de los tramos críticos y otra la evaluación por métodos comparativos, de todas las quebradas que pueden activarse, que nos permitan conocer la mejor alternativa de drenaje para cada caso. 2.2.1. PROBLEMA GENERAL “Las estructuras del drenaje transversal son fundamentales para el control y manejo efectivo del agua en una vía. El principal objetivo del drenaje vial es reducir al máximo la cantidad de agua en la vía, de manera de dar salida rápida al agua que llega a la vía. Por lo cual proveer de un buen sistema de drenaje es uno de los factores más importantes en un proyecto vial.” (Castillo A, 2017) (3). En esa medida, se plantea el siguiente problema de investigación: ¿Cómo la aplicación de la norma R.D. No.20-2011-MTC/14 influye en la evaluación de la carretera Palpa – Saramarca, en la provincia y distrito de Palpa, Ica? 31 2.2.2. PROBLEMAS ESPECÍFICOS Una forma de describir mejor el problema principal, es establecer problemas específicos donde se resalten las dimensiones y los indicadores que tienen mayor incidencia en la investigación. Primer problema específico ¿En qué medida influye la aplicación de la norma R.D. No.20-2011-MTC/14 en la evaluación de las obras hidráulicas de drenaje y contra inundaciones de la carretera Palpa – Saramarca, provincia y distrito de Palpa, Ica? Segundo problema específico. ¿En qué medida influyen los métodos de cálculo hidráulico e hidrológico en la evaluación de las obras de drenaje y contra inundaciones para la evaluación de la carretera Palpa – Saramarca, provincia y distrito de Palpa, Ica? Tercer problema específico. ¿En qué medida influyen las medidas de mitigación y seguridad en la evaluación de las obras de drenaje y contra inundaciones de la carretera Palpa – Saramarca, provincia y distrito de Palpa, Ica? 2.3. DELIMITACIÓN DEL PROBLEMA 2.3.1. DELIMITACIÓN ESPACIAL O GEOGRÁFICA La investigación se inicia en la progresiva 0+000, inmediatamente después de la curva que desarrolla la Panamericana Sur en el Km 401 al culminar el Puente Viscas, que es el punto inicial de la carretera a Saramarca, comprensión territorial del distrito y provincia de Palpa – región Ica. Esta vía, corre paralela al rio Viscas y se inicia en el km 401 de la Panamericana Sur en la cota 380.62 m.s.n.m. (Km 0+000.00) hasta la cota 520.55 m.s.n.m. (Km 13+140), que será el tramo en evaluación de la presente investigación. 2.3.2. DELIMITACIÓN TEMPORAL La Investigación, entre la fase de evaluación explorativa, comparativa, definitiva y elaboración de informe final; se desarrolló durante doce meses de los años 2019 y 2020. 32 2.3.3. DELIMITACIÓN SOCIAL De acuerdo con los resultados del censo 2017, la provincia Palpa es la menos poblada de la región Ica, con 13 mil 232 habitantes (1,6%). En el periodo intercensal 2007-2017, se observa que la menor tasa de crecimiento promedio anual de la región es Palpa (0,3%) (16). Tabla N°2.1. Ica: Población censada y tasa de crecimiento promedio anual, según provincia 2007 – 2017. Fuente: INEI Censos Nacionales de población y vivienda 2007 - 2017 (16) Por otro lado, la provincia de la región con menor población urbana es Palpa (0,9%) y en el área rural la menos poblada también es Palpa (9,8. Los resultados del censo 2017, en el departamento de Ica revelan que el 92,4% de la población pertenece al área urbana y el 7,6% corresponde al área rural. La población urbana a nivel de cada provincia, Palpa (52,2%) registra el menor porcentaje. En el área rural, la población de Palpa (47,8%), presentan el porcentaje más alto (16). Según resultados del censo 2017, en el departamento de Ica, la Población en Edad de Trabajar de 14 y más años de edad ha registrado 632 mil 667 personas, las cuales representan el 74,4% de la población total (16). Las provincias cuya tasa de participación superan el promedio del departamento (74,4%) son Ica (75,9%), Nasca (75,5%) y Palpa (75,1%,). Comparando con el censo 2007, la provincia de Palpa registró el incremento más bajo de la PET, pasó de 9 mil 592 personas en 2007 a 9 mil 940 en el 2017, lo que significó un aumento de apenas 348 personas (16). La Agricultura es la base de la economía de la provincia. En ella se distingue los cultivos de naranja (producto tradicional), algodón, frutales, ají, productos de panllevar, etc. En los últimos años se han instalado plantas procesadoras de productos vegetales. El Turismo aún es muy limitado, pero con un enorme potencial ya que muy cerca de la 33 ciudad de Palpa y alrededores hay importantes restos arqueológicos, ciudadelas preincas y figuras geométricas (similar a las Líneas de Nazca). La carretera Panamericana sur atraviesa la provincia, comunicado con sus similares de Ica y Nasca. Así también, existen vías carrozables al interior de los anexos y poblados de la provincia y otros que comunican con comunidades de la sierra tanto de la Región Huancavelica como de Ayacucho. Precisamente, la carretera carrozable Palpa – Saramarca, no sólo es utilizada por los agricultores de la zona, sino también, se extiende para comunicar a Palpa con Ocaña en la región Ayacucho. 2.3.4. DELIMITACIÓN CONCEPTUAL Para el estudio se recurrirá a los conceptos de Hidrología e Hidráulica. En este ámbito, se encuentra las teorías concernientes a diseño de canales, badenes, cunetas, alcantarillas, drenajes, diques, entre otros; que están definidos en el marco conceptual. Para la evaluación de la carretera, emplearemos también conceptos de Caminos, Estructuras y Topografía. 2.4. JUSTIFICACIÓN E IMPORTANCIA DE LA INVESTIGACIÓN 2.4.1. JUSTIFICACIÓN Las precipitaciones durante los meses de diciembre a marzo se intensifican trayendo como consecuencia desbordes de los ríos y la activación de quebradas estacionales, que ocasionan daños a la propiedad, en infraestructura de servicio como las carreteras, e incluso con pérdidas de vidas humanas. Estas precipitaciones han ido variando en los últimos años por acción del cambio climático, produciendo alteraciones en el ciclo hidrológico, de tal forma que se han producido precipitaciones en las cuencas bajas, como el caso del rio Viscas y otros de la costa peruana. En un proyecto de obras viales, la parte que comprende el diseño de las obras de drenaje y obras de arte, si bien es cierto que son de vital importancia en el costo de la obra, parte de un dato más importante que el caudal máximo, factor clave en el diseño y de suma importancia en un proyecto de obras viales, es un parámetro que se obtiene sobre la base de la geomorfología de la cuenca y sub cuencas, del tipo de suelo, condiciones climáticas, etc., es decir mediante la conjunción de la relación agua – suelo – clima y la hidrología, de manera que cuando se trata de una planificación de obras hidráulicas de drenaje, el diseñador tendrá una visión más amplia y será más eficiente. 34 “Una carretera no solo exige un adecuado planeamiento económico y la selección más conveniente de la ruta y materiales de construcción a emplear, sino también el diseño racional de las estructuras de drenaje que sean capaces de desalojar en todo momento y en forma eficiente el exceso de agua superficial en cualquier tramo de la carretera, así como evitar que el agua subterránea pueda comprometer la estabilidad de la base, de los terraplenes o cortes del camino. También es conocido desde muchos años atrás, que el agua acelera el deterioro y destrucción de pavimentos. Entonces, es necesario un buen sistema de drenaje” (Barreto, 2004) (5). 2.4.2. IMPORTANCIA La importancia de la presente investigación se identifica en que se puede lograr una transitabilidad segura en el tramo de la carretera antes mencionada, además conociendo la zona, la gente transita a pie por la vía, incluso conduciendo ganado del cual viven. Garantizar la seguridad de la carretera, significa evitar accidentes y muertes en primer lugar, luego las personas pueden obtener ayuda pronta en cuanto a salud y emergencias medidas, tercero pueden comerciar libremente en toda época del año y finalmente el estar conectados a la costa brinda posibilidades de mejora en educación y cultura. Una evaluación comparativa de las obras de drenaje y contra inundaciones, es un instrumento dirigido a incorporarse a la planificación de los proyectos de carreteras. Este estudio pretende responder a una determinada realidad y a un contexto específico. Por lo tanto, lo que se pretende describir son las características para el análisis, los métodos que pueden ser aplicables y las medidas a implementar posteriormente, los cuales pueden ser utilizado como base para estudios similares. 2.5. OBJETIVOS DE INVESTIGACIÓN Se pueden identificar los siguientes: 2.5.1. OBJETIVO GENERAL De acuerdo a lo expresado en los ítems anteriores, se plantea el siguiente objetivo general: Realizar la evaluación hidrológica e hidráulica para el mejoramiento de la eficiencia hidráulica en el sistema de riego Ancarpampa, distrito de Chipao, provincia de Lucanas, región Ayacucho. 35 2.5.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS Por lo tanto, los objetivos específicos que se buscara cumplir en la presente tesis serán: Primer objetivo específico. Identificar las obras hidráulicas de drenaje para evaluar hidrológica e hidráulicamente la carretera Palpa – Saramarca. Segundo objetivo específico. Aplicar los métodos de cálculo más eficaces para diseñar las obras de drenaje y contra inundaciones para mejorar el diseño de la carretera Palpa – Saramarca. Tercer objetivo específico. Plantear las medidas de mitigación adecuadas para garantizar la seguridad en la carretera Palpa – Saramarca, distrito de palpa, Región Ica. 2.6. HIPÓTESIS DE INVESTIGACIÓN 2.6.1. HIPÓTESIS GENERAL O PRINCIPAL La hipótesis general es: La aplicación de la norma R.D. No.20-2011-MTC/14, influye en la evaluación de la carretera Palpa – Saramarca, en la provincia de Palpa, distrito de Palpa, Región Ica. 2.6.2. HIPÓTESIS ESPECÍFICAS Luego, se plantean las Hipótesis específicas siguientes: Primera hipótesis específica. La realización de los estudios topográficos y de hidrología e hidráulica inciden en la evaluación de las obras de drenaje y contra inundaciones de la carretera Palpa - Saramarca. Segunda hipótesis específica. La aplicación de los métodos de cálculo más eficaces en el diseño de las obras de drenaje y contra inundaciones incide en la mejora del diseño de la carretera Palpa – Saramarca. Tercera hipótesis específica. Las medidas de mitigación más adecuadas determinan la seguridad en la carretera Palpa – Saramarca, distrito de Palpa, Región Ica. 36 2.7. VARIABLES DE INVESTIGACIÓN 2.7.1. IDENTIFICACIÓN DE VARIABLES a) De la hipótesis general. • Variable Independiente X: Norma RD N° 20-2011-MTC/14. • Variable Dependiente Y: Evaluación de la Carretera Palpa – Saramarca. b) De las hipótesis específicas Primera hipótesis específica. • Variable Independiente X1: Estudios topográficos, hidrológicos e hidráulicos. • Variable Dependiente Y1: Evaluación de las obras de drenaje y contra inundaciones. Segunda hipótesis específica. • Variable independiente X2: Métodos de cálculo en el diseño de las obras de drenaje y contra inundaciones. • Variable dependiente Y2: Carretera Palpa – Saramarca. Tercera hipótesis específica • Variable independiente X3: Medidas de mitigación. • Variable dependiente Y3: Carretera Palpa – Saramarca. 2.7.2. OPERACIONALIZACIÓN DE VARIABLES La Operacionalización de las variables, se muestran en la matriz que se detalla a continuación. Tabla 2.2 Matriz de Operacionalización de variables. Variables Definiciones Dimensiones Indicadores Índices Variable X: Norma RD N° 20-2011- MTC/14. Principio que se adopta para dirigir el correcto uso del Manual de Hidrología, Hidráulica y Drenajes del Perú en la construcción y mantenimiento de carreteras. Hidrología, Hidráulica y Drenajes Unidades hidrográficas Caudal Cantidad de drenes Número m3/seg. Número Variable Y: Evaluación de la carretera Palpa - Saramarca. Valoración del rendimiento de la carretera y que es sometida a fenómenos naturales como lluvias, inundaciones y esfuerzos mecánicos. Tramo de carretera Longitud Pendientes Coordenadas Ancho de vía Km. Grados N-S-E-O. metros Variable X1: El estudio topográfico es un Levantamiento Cotas Coord. UTM. 37 Estudios topográficos, hidrológicos e hidráulicos. conjunto de acciones realizadas sobre un terreno con herramientas adecuadas para obtener una representación gráfica o plano. Los Estudios Hidrológicos permiten conocer los caudales máximos de avenida a partir del conocimiento del régimen de lluvias máximas y la caracterización del territorio. El Estudio Hidráulico determinará el comportamiento hidráulico de los cauces a su paso por la zona de estudio, de modo que se compruebe la idoneidad de la sección del cauce en caso de avenida. de información topográfica, hidrológica e hidráulica Desniveles Pendientes Calidad del suelo, Perfil Curso de ríos Curso de agua de lluvia Precipitaciones promedio Inundaciones Badenes Cunetas Alcantarillas Diques Defensas Ribereñas Obras de arte Grados. % Clase N° cursos N° cursos mm3/año N° N° N° N° m2 m2 N° Variable X2: Métodos de cálculo en el diseño de las obras de drenaje y contra inundaciones. Método que permite cuantificar el riesgo que se asume en el diseño de una red de drenaje que incluya frecuencia de inundación frente al diseño en función del periodo de retorno de la lluvia caída, correspondencia directa entre periodo de retorno de una lluvia y periodo de retorno de la respuesta de la red de drenaje, definición y uso de las lluvias e; incertidumbre en el cálculo hidrológico e hidráulico. Métodos matemáticos, informáticos, estadísticos y probabilísticos: Modelo HidroEsta Modelo hidro informático HEC – RAS. Modelo hidro informático RIVER Fórmula de Manning, Manning – Strickler. Distribución estadística norma, log-normal, log- Pearson, tipo III, Gumbel y log- Gumbel. Promedio aritmético, polígono de Thiessen e isoyetas. Cálculo de evatranspiración: Método de Mac Math. Fórmula de Fuller m3/seg. N° de registros R = [0.01, 0.99] Periodo (años) Probabilidad (N°) TxR. (N°) Desviación Estándar. Variable X3: Medidas de mitigación. Constituyen el conjunto de acciones de prevención, control, atenuación, restauración y compensación de impactos ambientales negativos que deben acompañar el uso de la carretera, a fin de asegurar el uso sostenible y la protección del medio ambiente. Acciones de mitigación Obras de drenaje. contra inundaciones Construcción y/o reparación de defensas ribereñas, diques, badenes, cunetas, drenes y alcantarillas. Disminución de tala de árboles. N° Acciones correctivas. 38 Limpieza de cauces, badenes, alcantarillas, cunetas y acequias Variable Y1: Evaluación de las obras de drenaje y contra inundaciones. Valoración del rendimiento de la vía de comunicación, construida fundamentalmente para la circulación de vehículos y que es sometida a fenómenos naturales como lluvias, inundaciones y esfuerzos mecánicos. Deterioro de la vía, drenajes, alcantarillas y badenes. Grado de deterioro Alto Medio Bajo Variable Y2: Carretera Palpa – Saramarca Vía de comunicación, construida fundamentalmente para la circulación de vehículos automóviles. Tramo de Carretera Longitud Pendientes Coordenadas Ancho de vía Km. Grados N-S-E-O. metros Variable Y3: Carretera Palpa – Saramarca. Vía de comunicación, construida fundamentalmente para la circulación de vehículos automóviles. Tramo de carretera Longitud Pendientes Coordenadas Ancho de vía Km. Grados N-S-E-O. metros Fuente: Elaboración propia CAPÍTULO III ESTRATEGIA METODOLÓGICA / METOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN 3.1. TIPO, NIVEL Y DISEÑO DE INVESTIGACIÓN 3.1.1. TIPO DE INVESTIGACIÓN La presente investigación se clasifica como investigación aplicada. Al respecto (Cabel y Castañeda, 2014 pag. 11) menciona que: “Son estudios dirigidos a solucionar problemas concretos en circunstancias y características específicas, también permite confrontar la teoría con la realidad…” (17). 3.1.2. NIVEL DE INVESTIGACIÓN Es así que el nivel de investigación que se aplicara en el presente estudio es un nivel descriptivo - explicativo. (Hernández Sampieri, y otros, 2014 págs. 76-89) (18), ya que está dirigido a responder por las causas de los eventos y fenómenos físicos o sociales. Se enfoca en explicar porque ocurre un fenómeno y en qué condiciones se manifiesta, o porque se relaciona con una o más variables. La condición de descriptivo se presenta, porque se desarrolla una línea base en la zona de estudio, por la topografía, mecánica de suelos, hidrología e hidráulica. 3.1.3. DISEÑO DE INVESTIGACIÓN (Hernández Sampieri, y otros 2014 págs. 149), expresa que: “el diseño de la investigación que se aplicara en el presente estudio es un diseño: no experimental de corte transversal podría definirse como la investigación que se realiza sin manipular deliberadamente las variables. Lo que hacemos en la investigación no experimental es observar fenómenos tal como se dan en su contexto natural, para así posteriormente ser analizados” (18). 3.2. POBLACIÓN Y MUESTRA MATERIA DE INVESTIGACIÓN 3.2.1. POBLACIÓN DE ESTUDIO La población o universo corresponde al área cuya longitud es la carretera Palpa – Saramarca en el tramo comprendido entre el km 00+00 y 15+182.18, distrito Palpa, Región Ica. 40 3.2.2. TAMAÑO DE LA MUESTRA Por ser únicamente la carretera Palpa – Saramarca nuestra población, por tanto, equivale también a la muestra. Es decir: La muestra es igual a la población. CAPÍTULO IV TÉCNICAS E INSTRUMENTOS DE INVESTIGACIÓN 4.1. TÉCNICAS DE RECOLECCIÓN DE DATOS Las técnicas utilizadas para recopilar datos y verificar nuestra hipótesis son las siguientes: La documentación y la observación no participante (17). 4.2. INSTRUMENTOS DE RECOLECCIÓN DE DATOS Toda medición debe cumplir con tres requisitos básicos: Confiabilidad, validez y objetividad (18). La confiabilidad fue determinada con el coeficiente Alfa de Cronbach. Se verificó si la validez es de contenido, de criterio o constructo, en base a consulta con expertos (18). Los instrumentos son: Documentales: • Fichas de datos de documentación, • Guía y ficha de observación de datos no experimentales, • Lista de cotejo de parámetros medioambientales (checklist). Instrumento de Campo • GPS navegador • Cámara fotográfica digital Equipo de Gabinete • Computadora y útiles de escritorio • Software para el diseño hidrológico e hidráulico • Software para dibujo de planos • Software para Costos y Presupuestos • Software para procesamiento de textos Los instrumentos de campo están debidamente contrastadas y validadas por el organismo responsable de la calidad en el Perú, INACAL. Las secuencias de las acciones realizadas en la investigación son: 1. Trabajos preliminares que comprenden la recolección de información topográfica y geotécnica en las instituciones públicas y privadas, referencias bibliográficas, búsqueda en Internet. 42 2. Clasificación, ordenamiento y tabulación de la información, dibujo de los planos básicos, preparación de los materiales. 3. Cálculo de gabinete, aplicación de la evaluación comparativa de la estabilidad de taludes, basados en las normas y en la geo tecnología informática necesaria para el diseño de las obras de mitigación contra deslizamientos en carreteras. 4. Revisión de toda la tesis (ortográfica y semántica) e impresión, y entrega del trabajo final. 4.3. TÉCNICAS DE PROCESAMIENTO, ANÁLISIS E INTERPRETACIÓN DE DATOS Para el procesamiento de datos, se utilizó la técnica de procesamiento en “stream”, porque se basa en la implementación de un modelo de flujo de datos en el que los datos asociados a series de tiempo (hechos) fluyen continuamente a través de una red de entidades de transformación que componen el sistema. Este tipo de técnicas de procesamiento y análisis de datos está destinado a analizar un conjunto completo limitado datos, salvo ciertas excepciones (19). Para el análisis de los datos, primero se seleccionó los programas RIVER e HidroEsta. Segundo, se ejecuta el programa. Tercero, se exploró los datos, tanto en uno como en otro, según las preguntas de investigación, los objetivos, las hipótesis y las variables (18). La interpretación de resultados se realiza a partir de tablas, gráficos y matrices que reflejan objetivamente la respuesta a las preguntas de investigación o a las hipótesis de trabajo de los programas empleados en la investigación. 4.4. PROCEDIMIENTOS 4.4.1. ANÁLISIS DE DATOS HIDROLÓGICOS Utilizando los datos hidrológicos de estima mediante la hidrología estadística el periodo de retorno de los eventos máximos registrados y el período de vida útil de las obras hidráulicas y viales que sean necesarias. Para tal efecto se utiliza el modelo hidrológico RIVER, que procesa mediante los diversos métodos conocidos y aceptados, como Gumbel, Pearson III y Log normal el caudal de diseño que sirva para el diseño. 43 También se utilizan otros métodos indirectos o empíricos que en vez de utilizar la probabilidad de retorno usan parámetros como el tiempo de concentración, la intensidad de lluvia y el área de la superficie donde se encuentra el proyecto de estudio, que en este caso identificamos como el método de Mac Math. En otros métodos donde se toma en cuenta la rugosidad compuesta, la huella máxima de agua registrada, los datos geométricos y cinéticos determinados por observación y mediciones in situ principalmente identificamos al Método de Sección- Pendiente, Velocidad-Área y la Fórmula Racional; Caudal Instantáneo, para lo cual se puede utilizar hojas de cálculo que también se incluyen en el software RIVER y en el Software HidroEsta. Esto se realiza para cada quebrada que atraviesa la carretera en estudio, las cuales se han identificado en los planos topográficos. 4.4.2. VERIFICACIÓN DE DISEÑO HIDRÁULICO Las obras de drenaje de la carretera son verificadas en su diseño hidráulico utilizando los caudales obtenidos para cada quebrada identificada, en la cual las estructuras hidráulicas pueden ser alcantarillas, cunetas, badenes. Para obras de defensa ribereña previamente se hace una identificación de zonas críticas inundables. La verificación es una comparación entre el caudal demandado versus el caudal ofertado, en donde el diseño será óptimo si el primero es mayor que el segundo: En base a lo que resulte de la comparación se realizan propuestas de mejoramiento o un nuevo diseño. CAPÍTULO V PRESENTACIÓN, INTERPRETACIÓN Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS 5.1. PRESENTACIÓN E INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS 5.1.1. LOCALIZACIÓN Y UBICACIÓN La provincia de Palpa, políticamente está ubicada en la parte central sur del departamento de Ica, de la región Ica; la cual forma parte de la Cuenca Grande que comprende las sub cuencas del Santa Cruz, Rio Grande, Viscas y Nazca. La capital provincial es la ciudad de Palpa, se ubica a la altura del Km 400 de la carretera Panamericana Sur, tiene una extensión territorial de 147.44 Km2, en una latitud media de 347 msnm (20). Sus límites distritales son: Por el norte con el distrito de Rio Grande, Por el sur- este con el distrito de Llipata, Por el sur con el distrito de Santa Cruz y Por el oeste con el distrito de Ocaña (20). El camino tiene acceso por la vía terrestre principal que es la Carretera Panamericana, desde Lima hasta el Distrito de Palpa, desde donde se continúa hasta el Km 401 de la Panamericana Sur (Altura Puente Viscas), en donde se ubica el inicio del tramo en estudio, contando en todo el recorrido; desde Lima hasta Palpa con una vía asfaltada en buenas condiciones. Figura 5.1. Mapa de ubicación del distrito de Palpa Fuente: Instituto Nacional de Estadísticas e Informática (INEI) (21) 45 Figura N° 5.2. Mapa satelital de la zona de estudio. Fuente: Google Maps 2019 (22) 5.1.2. ASPECTOS TOPOGRÁFICOS Y CARTOGRÁFICOS Cartografía Con respecto a la base Cartográfica empleada para este trabajo, es la Proporcionada por la oficina de Registros Públicos, las cuales se encuentran con coordenadas UTM y en el Sistema (PSDA 56). Por otro lado, para las verificaciones cartográficas utilizadas en esta investigación, nos referimos a las cartas obtenidas del Instituto Geográfico Nacional (IGN), a escala 1:100 000, habiéndose empleado las siguientes: Palpa: Hoja 30 – m. Plano cubre la mayor zona del proyecto. Córdova: Hoja 29 – m. Plano cubre la parte alta sub Cuenca. Topografía Consistió en el recorrido del tramo en evaluación, desde la estación la Peña en el puente Viscas, hasta el poblado de Saramarca lugar donde se ubica el límite departamental con Ayacucho denominado El Lindero, para la observación y evaluación de las características, dimensiones, relieves y aspectos hidrológicos e hidráulicos de la carretera y verificar el inventario de las obras de arte, así como la ubicación de las nuevas obras necesarias que requieren ser proyectadas. Trabajo de campo Los trabajos del Levantamiento topográfico han sido realizados utilizando una Estación Total de la marca TOPCON, modelo ES-105, con un alcance longitudinal de 46 5Km, con prismas y con precisión de 5 segundos, con las cuales se han efectuado las lecturas en forma radial y directas. Los BMs fijos, se han tomado como vértices de la poligonal de precisión establecida, y en base a éstos se procedió al Levantamiento Topográfico de las zonas que comprenden el proyecto. El levantamiento Topográfico, en términos generales, consistió en levantar todo lo físico existente, vías, viviendas, muros, postes, etc. Se ha efectuado el proceso de la información con los Software TOPCON LINK, CIVILCAD. Los dibujos de los planos han sido hechos utilizando el Software AUTOCAD 2016, en diversos formatos, pero predominando el formato A1, y de acuerdo a las escalas comúnmente utilizadas. Figura N°5.3. Plano de ubicación y localización del estudio. Fuente: Elaboración propia 5.1.3. ASPECTOS CLIMÁTICOS E HIDROGRÁFICOS Precipitación La información pluviométrica en la sub cuenca proviene de los registros de la Estación Meteorológica La Peña ubicada en Palpa, se aprecia un gradiente positivo de la precipitación en relación al incremento de la altitud: En el rio Palpa (309 m.s.n.m.) 47 se tiene una precipitación media anual de 5.1 mm y una humedad relativa anual de 61%. Tabla N°5.1. Resumen de datos meteorológicos de las estaciones meteorológicas ubicadas en la cuenca del Rio Grande Fuente: Estudio de Calidad del Agua Cuenca Rio Grande (23) Figura N° 5.4. Recurso hídrico de Palpa. Fuente: Atlas de los Recursos Hídricos del Perú (ANA) (24) Temperatura En la sub cuenca del río Viscas, se tiene una relación inversa entre la temperatura media versus altitud, esto por efecto de la disminución de presión atmosférica producto de la elevación de la altitud; para la cuenca del río Viscas se ha 48 determinado una temperatura media máxima de 31.1 °C, una temperatura media mínima de 10.9 °C y una temperatura media anual de 21.6 °C. Aspectos Hidrográficos La cuenca del río Grande tiene una longitud de 153 km y un ancho de 98 Km, ocupando 10,722 km2 de los cuales 4,482 km2 están situados por encima de 2.500 msnm y corresponden a la cuenca húmeda. El río Grande nace únicamente a base de las precipitaciones que ocurren en las partes altas y dan origen a cursos de agua de característica intermitente, es decir, que acarrean agua solamente durante la época de avenidas (enero-abril). Estos cursos de agua dan originen a los ríos: Santa Cruz, Grande, Palpa, Viscas, Ingenio, Aja, Tierras Blancas dan origen al río Nazca, el cual, después de recibir los ríos Pajonal o Taruga y Trancas descarga sus aguas al río Grande (25). La cuenca se divide en cinco sub cuencas: la subcuenca del río Santa Cruz, la sub cuenca de rio Grande, la sub cuenca del rio Palpa, la sub cuenca del rio Viscas y la sub cuenca del rio Nazca, las cuatro primeras pertenecen a la provincia de Palpa y la última a Nazca (25). Tabla N°5.2. Sub-unidades hidrográficas – Cuenca Grande. N ° UNIDAD HIDROGRÁFICA DENOMINACIÓN UBICACIÓN 1 Sub cuenca Río Santa Cruz Palpa 2 Sub cuenca Río Grande Palpa 3 Sub cuenca Río Palpa Palpa 4 Sub cuenca Río Viscas Palpa 5 Sub cuenca Río Nasca Nasca Fuente: Afianzamiento Hídrico de la Cuenca del Rio Grande, Palpa - ANA (25) El sistema hidrológico del río Grande y sus afluentes, ha dado lugar a la formación y desarrollo de una serie de pequeños valles caracterizado por su exiguo recurso hídrico y por encontrarse bastante alejados del litoral. Los valles agrícolas Grande, Ingenio, Palpa-Viscas y Nazca se le puede dar en forma apropiada tal denominación, sin embargo, a los valles de Aja, Tierras Blancas, Taruga y Trancas, debido a su exigua disponibilidad hídrica está provocando la desaparición de la actividad agrícola debido a la escasa precipitación que recibe su cuenca (25). 49 El presente estudio, está ubicado en la sub cuenca del rio Viscas, desde el Puente del mismo nombre hasta el límite con el departamento de Ayacucho, en el punto denominado La Capilla, a 19 km al este de la Panamericana Sur. Figura N°5.5. Mapa Ubicación de la Cuenca Grande Fuente: Diario La República – Atlas Departamental del Perú, Tomo 8 50 Figura N°5.6. Mapa de Unidades Hidrográficas del AAA Chaparra – Chincha Fuente: Atlas de los Recursos Hídricos del Perú (ANA) (24) 51 La sub cuenca del rio Viscas tiene una extensión de 468 km2, su punto inicial es en Tinco donde se unen los dos ríos Ocaña y Laramate a la altura del km 39 de la carretera a Ocaña. Su pendiente promedio es de 3.26% (25). La información hidrométrica que ha sido verificada se refiere a la registrada en la Estación la Peña con código 203804 que corresponde al ALA Palpa – Nazca y está a una altitud de 500 msnm sobre el Rio Viscas (24). Tabla N°5.3. Estaciones hidrométricas de la AAA Chaparra – Chincha. Código ALA Estación Altitud (msnm) Río 203903 Acarí – Yauca – Puquio Bella Unión 70 Acarí 203501 Chincha – Pisco Conta 350 San Juan 203602 Letrayoc 720 Pisco 203704 Ica – Río Seco Huamaní 800 Ica 203705 La Achirana 500 Ica 203706 Challaca 1730 Ica 203708 Los Molinos 460 Ica 203804 Palpa – Nasca La Peña 500 Viscas 203815 La Isla 550 203820 LLauta 2555 Palpa 230712 Huallpoca – Zurcuña 700 El Ingenio Fuente: Atlas de los Recursos Hídricos del Perú (ANA) (24) Por lo tanto, para conocer el caudal del rio Viscas, se ha revisado información máxima total mensual, con series de datos entre los años 2000 – 2017 de la Estación La Peña, con la aclaración que corresponde a la parte final fuera del proyecto y los caudales son el remanente después de la distribución a los distintos sistemas de riegos en el valle de Palpa – Viscas. En conclusión, se requieren aplicar otros métodos indirectos para conocer los caudales en la zona de Saramarca y en las quebradas que atraviesan la vía, donde no tenemos datos históricos y se ha evidenciado desbordes e inundaciones significativos. 52 Tabla N°5.4. Caudales medios mensuales (m3/s) – Registro histórico Fuente: Registro de caudales del ALA Palpa - Nazca (23) Subcuenca del Rio Viscas La subcuenca del río Viscas es una inter cuenca que recibe el aporte de los ríos Ocaña y Laramate proveniente de la micro cuenca del rio Ocaña; su área de drenaje limita desde el punto donde se unen los ríos antes mencionados denominado Tinco en la cota 1730 msnm, hasta la desembocadura del río Viscas en el rio Grande en la cota 330 msnm. Tiene una superficie de 468 Km2, y en el tramo una pendiente promedio de 3.26% cuyo valor se debe a la fisiografía reinante, que es la de quebrada. En esta unidad se ubica el “valle agrícola de Viscas” y circunscribe a pequeños centros poblados de la sub cuenca, como es el centro poblado de San Ignacio y Saramarca entre otros. Otra característica relevante en la subcuenca del rio Viscas es la existencia de una red vial constituida por la carretera de tercer orden a Ocaña, que es parte de la red vial general a la ciudad de Huamanga en Ayacucho. Coordenadas geográficas (WGS84): 481681-E- 8393156 N. Año Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic promedio maximo 2000 1.26 4.18 4.86 0.90 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.008 0.93 4.86 2001 1.19 5.56 7.08 2.83 0.39 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 1.42 7.08 2002 0.11 1.24 2.05 2.46 0.12 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.50 2.46 2003 0.04 0.18 0.92 0.10 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.23 0.12 0.92 2004 0.08 0.24 7.25 0.47 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.67 7.25 2005 0.10 0.85 0.07 0.03 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.09 0.85 2006 0.99 4.64 3.76 1.19 0.01 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.88 4.64 2007 0.21 0.31 1.14 0.96 0.01 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.22 1.14 2008 2.26 3.99 2.15 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.70 3.99 2009 0.48 3.19 4.68 2.04 0.30 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.89 4.68 2010 0.50 0.32 1.80 0.61 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.27 1.80 2011 4.92 7.63 2.15 4.45 0.67 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 1.65 7.63 2012 0.12 6.94 7.07 1.15 0.94 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 1.35 7.07 2013 0.26 1.60 5.15 0.01 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.59 5.15 2014 0.13 0.00 1.27 0.09 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.12 1.27 2015 1.03 3.01 4.47 0.57 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.76 4.47 2016 0.00 1.00 0.48 0.17 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.14 1.00 2017 1.96 7.07 14.17 1.26 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 2.04 14.17 Río: Viscas Estación: La Peña Altitud (msnm): 450 msnm Fuente de información: Junta de Usuarios del Sub Distrito de Riego Palpa Caudales medios mensuales (m3/s) - Registro histórico 53 5.1.4. ASPECTOS DE MECÁNICA DE SUELOS Y GEOTÉCNIA Para identificar los aspectos más importantes sobre geotecnia y mecánica de suelos de la zona en estudio, hemos recurrido a la revisión del Informe de la Empresa Road Teach SAC sobre Mecánica de Suelos y a verificaciones de campo realizadas especialmente para la presente investigación. Geotecnia La zona investigada, tiene una secuencia sedimentaria compuesta de areniscas con gravas, limonitas y lutitas gris oscuras intercaladas con mantos de carbón. Aflora mayormente hacia el extremo oriental del área de estudio y se encuentra fuertemente deformada por la presencia de pliegues y fallas. Su edad ha sido estimada dentro del cretáceo inferior por corresponder a los niveles superiores de la formación. Mecánica de Suelos La campaña de exploración del suelo se efectuó, tomando muestras de las calicatas efectuadas. Las muestras extraídas fueron analizadas bajo normas y especificaciones especialmente preparadas para estos casos, obteniéndose las constantes físicas y de identificación, así como los factores del comportamiento mecánico del suelo. Los trabajos de exploración geotécnica comprendieron: • Análisis Granulométrico Norma ASTM D – 422 • Clasificación de Suelos Norma ASTM D 2487 • Ensayos de Límites de Consistencia • Límite Líquido Norma ASTM D 424 • Límite Plástico Norma ASTM D 422 • Contenido de Humedad Norma ASTM D 2216 Calicatas de Exploración Se ejecutaron 52 Calicatas de exploración de 1.50 m de profundidad aproximadamente (ENSAYO DE PERMEABILIDAD, LEFRANC) de acuerdo a las normas establecidas para estudios de Mecánica de suelos la E – 050. Conclusiones En base a los resultados de la exploración realizada, ensayos de resistencia y análisis complementarios, se puede mencionar lo siguiente: 54 El suelo está conformado por suelos limo arenosos, y mezcla de gravas, tal como se pueden apreciar en las fotografías presentadas en el presente estudio y lo análisis realizados, así mismo se deberá utilizar el cemento tipo I, por las sales encontradas. A continuación, presentamos algunos perfiles estratigráficos de todo el tramo, para tener una idea del tipo de suelo en la zona: Cuadro N°5.1. Perfil estratigráfico – Progresiva 0+500 Fuente: Informe Mecánica de Suelos Road Teach SAC Cuadro N°5.2. Perfil estratigráfico – Progresiva 5+250 Fuente: Informe Mecánica de Suelos Road Teach SAC 55 Cuadro N°5.3. Perfil estratigráfico – Progresiva 10+000 Fuente: Informe Mecánica de Suelos Road Teach SAC Cuadro N°5.4. Perfil estratigráfico – Progresiva 15+200 Fuente: Informe Mecánica de Suelos Road Teach SAC Las canteras analizadas para este proyecto están ubicadas en las siguientes progresivas, 10+00 y 5+520, estas dos canteras son las que poseen mayor potencia, en combinación con la cantera de arcilla ubicada en la progresiva 8+750. Geodinámica Durante los trabajos de campo no se ha detectado fenómenos de geodinámica externa reciente, como levantamientos y/o hundimientos, ni desplazamientos de la formación sedimentaria existente en la zona. 56 5.1.5. ASPECTOS HIDRÁULICOS Y AMBIENTALES Se ha realizado el inventario vial del tramo en estudio a fin de identificar y describir las condiciones actuales de las obras de arte y drenaje, especialmente de las que se encuentran en mal estado para adoptar la solución adecuada. La necesidad de las obras de arte y drenaje se debe a que los flujos de agua superficial y subterránea al discurrir sobre la plataforma de la carretera e infiltrarse a través del pavimento causan la reducción de la capacidad portante de la vía y en consecuencia reducen su vida útil. Las obras de arte, se componen de: ✓ Muros de contención de mampostería de piedra; de piedra y de concreto, en regular y mal estado de conservación, los mismos que sirven de protección a la vía. ✓ Puente de 12.00 de largo ubicado en la progresiva Km. 14+294, al cual le falta mantenimiento. El sistema de drenaje, se compone de: ✓ Alcantarillas de concreto armado y de tipo TMC, las cuales se encuentran obstruidas. ✓ Badenes de Concreto en regular estado de conservación. ✓ Canal de tierra de 40.00 ml, en mal estado que inunda la vía. ✓ No se ha encontrado cunetas a lo largo de la vía y sus correspondientes alcantarillas de alivio. Zonas críticas y de desbordamiento A lo largo de la carretera existen 5 zonas críticas de huayco, las mismas que se encuentran en las progresivas; 3+306, 3+592, 3+767, 4+204 y 4+870, las cuales deben de ser tratadas mediante badenes. Así como una zona proclive al desbordamiento y socavación de la carretera en la progresiva ubicada entre la progresiva 12+950 hasta la progresiva 13+160. Del diagnóstico realizado de acuerdo al inventario vial y a la información recopilada tenemos. 57 Tabla N° 5.5. Obras de arte existentes Fuente: Elaboración propia Figura N°5.7. Alcantarillados existentes Fuente: Elaboración propia Figura N°5.8. Alcantarilla proyectada y existente Fuente: Elaboración propia 58 Aspectos Ambientales La EIA, es un proceso que predice en que forma la ejecución de un proyecto puede afectar al medio ambiente. - Este proceso utiliza una secuencia lógica que nos permite definir mediante un análisis las medidas y gestión que es necesario tomar en consideración para evitar una situación ambientalmente adversa. La Evaluación de Impacto Ambiental, comprende las etapas siguientes: Identificación de Impactos, En esta etapa se realiza en base a la visita de campo y la verificación de los componentes del proyecto, como son las obras de drenaje tales como alcantarillas y badenes y las obras de protección contra inundaciones, tales como muros de contención y diques de encauzamiento, utilizándose Maquinaria pesada en el carguío de piedra seleccionada de la piedra para el llenado de los gaviones. Descripción de impactos positivos, La ejecución de la obra permitirá proteger la carretera y los terrenos de cultivo propensos a ser inundados y erosionados por desborde de las aguas del río Viscas y/o por las aguas de las quebradas que atraviesan la vía. Evitar la inundación, permite además mantener la flora y fauna existente en el lugar, ya que si se cuenta con protección contra desbordes se puede mantener un buen ecosistema en la región. También, se evita la contaminación ambiental ya que debido a este problema las aguas inundan y depredan todo a su paso, ocasionando destrozos y distorsionando la biodiversidad de la zona. Mejoramiento de la calidad de vida del agricultor beneficiado, permitirá al agricultor asegurar con un mínimo riesgo la inversión que realice y obtener las cosechas deseadas para poder aumentar las ganancias por la venta de los productos; igualmente se controlará la tensión o preocupación de la población ubicada en el área de influencia de la carretera, por cuanto no tendrá que estar pendiente de la suerte que les ocurra a sus propiedades en caso del desborde del río y/o quebradas. Por otro lado, traerá consigo oportunidades de trabajo a la población aledaña, calificada o no calificada (ayudantes, operadores de maquinaria y profesionales, etc.). Disminución de las pérdidas de terrenos e infraestructura, se va preservar los terrenos agrícolas y la infraestructura construida en sus inmediaciones (canales, alcantarillas, puentes y caminos etc.). Surgimiento de una predisposición conservacionista y ecologista en los agricultores al identificarse con las obras que le otorgan seguridad, asumiendo con 59 cuidado y mantenimiento, así como en interés de un mejor manejo y gestión en uso de la infraestructura hidráulica y los recursos hídricos. Descripción de impactos negativos Contaminación del aire, por la actividad del parque automotor en el movimiento de tierras, al producir material particulado. Contaminación del suelo, por la actividad del parque automotor al producir emisiones de lubricantes, aceites y otros. Contaminación del agua, por las diversas actividades antropogénicas del personal que trabajara en la construcción de la carretera y las obras de drenaje. También por la emisión de aguas servidas a las quebradas que forman parte del proyecto, especialmente las que se encuentran cerca a la población. Incremento de desechos, Los desechos generados con el funcionamiento del almacén, áreas de mantenimiento de maquinaria y material orgánico, entre otros. Afectación de la flora existente en las áreas adyacentes a la carretera, obras de drenaje y obras contra inundaciones. Mitigación ambiental del proyecto, Se evitará al mínimo la tala de árboles y arbustos en las riberas respectivas, y cumplir con los compromisos asumidos con los propietarios de los terrenos afectados mediante el mantenimiento de la carretera. Medidas de Mitigación, Se ha considerado la ejecución de medidas mitigantes del impacto ambiental negativo, entre ellas: Se debe evitar al mínimo la tala de árboles y arbustos, y cumplir con los compromisos asumidos con los propietarios de los terrenos afectados mediante el mantenimiento de caminos de acceso. Para la limpieza general de la oficina y almacén, se utilizará mano de obra no calificada, programado en las diferentes partidas, para dejar el área libre de elementos contaminantes. 5.2. DISCUSIÓN DE RESULTADOS Las obras de drenaje y contra inundaciones en un proyecto de carretera, son un elemento muy importante para garantizar la buena y segura transitabilidad de los vehículos que trasladan a los pobladores, especialmente si estas carreteras son de penetración, es decir que vinculan a poblaciones rurales de la sierra con poblaciones de la costa. 60 En nuestro caso, la carretera Palpa – Saramarca, tiene estas características, y por muchos años ha quedado interrumpida en los meses de avenida del rio Viscas, ya que históricamente se desborda en varios puntos críticos, inunda y destruye parte de la carretera. Lo mismo sucede con el desbordamiento de las quebradas que atraviesan la vía, pues al activarse por encima de sus caudales normales provoca deslizamientos, erosión, socavación, cortando la también la transitabilidad en los puntos donde están ubicadas las obras de drenaje transversal como las alcantarillas y badenes. Es por eso, que realizamos este estudio comparativo, entre los diseños de las obras hidráulicas de drenaje y contra inundaciones plantea das en el estudio inicial y las que calcularemos en esta investigación, apoyados por algunos modelos numéricos con aplicaciones informáticas. 5.2.1. UBICACIÓN Y DESCRIPCIÓN DE OBRAS DE DRENAJE Y CONTRA INUNDACIONES La vía en estudio se encuentra totalmente consolidada, articula el departamento de Ica y Ayacucho, iniciando en la progresiva 0+000; llegando a la progresiva 15+181.89 (Limite departamental entre Saramarca y Ocaña) y forma parte del sector productivo y comercial de la provincia de Palpa, que dispone de una riqueza cultural de incalculable valor generado a través del tiempo y en diferentes etapas del desarrollo socio económico. Su estado de transitabilidad es calificado de regular y malo, en determinados sectores como en las quebradas de los Km 3+306, 3+592, 3+767, 4+204 y 4+870 la vía se torna intransitable en épocas de lluvias debido a la falta de obras de arte. La ruta en estudio en la actualidad presenta deficiencias en el trazo y el diseño geométrico de los radios de curvatura. Como hemos mencionado, el camino departamental en estudio consta de un solo tramo: Carretera Departamental IC-111, EMP.PE-1S (Puente Viscas-Palpa) – LD Ayacucho (Saramarca, AY-118 a Ocaña)