Clases Hec-ras 2013

HEC - RAS 1

Hidráulica FluvialCarrera de Especialización en Hidráulica Urbana

HEC – RASCaracterísticas Generales

2013Preparado por Ing. Emilio A. Lecertua

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HEC – River Analysis SystemVersión 4.1 (Enero 2010)

Software

Manuales: User’s Manual Applications Guide Hydraulic Reference

Manual

www.hec.usace.army.mil

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1 - INTRODUCCIÓN

Cálculo unidimensional (1D) en régimen permanente e impermanente.

Cauces naturales (ríos, estuarios, etc) y canales artificiales (riego, derivación, etc).

Efecto de las estructuras: compuertas, alcantarillas, puentes, etc.

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Cálculo en Régimen PermanenteEcuaciones básicas

Basado en la solución unidimensional de la ecuación de energía

(Ec.1) (Ec.2)

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En general

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Cálculo en Régimen PermanentePérdida de energía

Pérdida de energía por fricción Ecuación de Manning

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Ecuación utilizada por default(Ec.3)

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Pérdida de energía por contracción / expansión:

C = 0.1 En estrechamientoC = 0.3 En ensanchamiento

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Cálculo en Régimen PermanenteCálculo Computacional

Proceso Iterativo:

1) Suponer Y2 (Tirante aguas arriba - Régimen subcrítico)*

2) Determinar V2 y K2

3) Determinar Sf (Ec.3) y he (Ec.2)

4) Determinar Y2 (Ec.1) y compararlo con el valor supuesto en elpaso 1). Repetir el cálculo hasta que el error sea menor que unadeterminada tolerancia (.003m por default).

* En caso de Régimen supercrítico, suponer tirante aguas abajo

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Cálculo en Régimen PermanenteTirante Crítico

SubcríticoRégimen Supercrítico

Mixto

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Cálculo en Régimen PermanenteEcuaciones para cambio de régimen

La ecuación de la conservación de la cantidad de movimiento seutiliza cuando ocurren cambios de régimen, por ejemplo: enpuentes y confluencias.

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Cálculo en Régimen PermanenteCondiciones de Borde

- Known Water Surface Elevations: Nivel de agua

- Critical Depth: Tirante crítico (cálculo automático)

- Normal Depth: Pendiente de energía, se puede aproximar a través- Pendiente promedio del canal- Pendiente promedio de la superficie de agua en

inmediaciones de la sección

- Rating Curve: Tabla nivel vs caudal

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Cálculo en Régimen PermanenteCondiciones de Borde

Estimación de Condición de Borde Error en la superficie deagua de la sección

Régimen Subcrítico: Agregar secciones aguas abajo

Régimen Supercrítico: Agregar secciones aguas arriba

Régimen Mixto: Agregar secciones aguas arriba y abajo

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Cálculo en Régimen PermanenteSensibilidades

• Cantidad de Secciones • Condición de Borde• Rugosidad

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2 – SOFTWARE HEC-RASPreliminaresDesde el Panel de Control --> Configuración regional y de idioma personalizado en Inglés

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Ventana Principal

Geometría (1 o +)Proyecto Condición de flujo (1 o +)

Plan de cálculo (1 o +): geometría + condición de flujo

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Sistema de Unidades

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Proyecto

File New ProjectDefinir título del proyecto y nombre del archivo

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Geometría

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Secciones

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Interpolación de secciones

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Puentes


Puentes

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Régimen Permanente

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Régimen Impermanente

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Plan de Cálculo: Régimen Permanente

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Plan de Cálculo: Régimen Impermanente

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Resultados: Perfil Longitudinal

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Resultados: Sección Transversal

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Resultados: Tablas

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Recomendaciones 1. Hidrogramas: Si se ingresan manualmente existe una limitación

de 10000 pasos. Si se ingresan desde el archivo tipo *.dss se incrementa aproximadamente a 90000 pasos

2. Períodos de simulación: Dependen del paso de impresión de resultados, por ejemplo: si se imprimen cada 3 horas y utilizando 24 secciones de análisis, es posible correr periodos de 2 años

3. Flujo mixto: Si se tiene un perfil longitudinal escalonado tener en cuenta el paso de cálculo y la tolerancia en el calculo del nivel

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Cálculo en Régimen ImpermanenteEcuaciones básicas

1. Conservación de la Masa (Continuidad)2. Conservación del Momentum

Ecuaciones diferenciales*

*¨Unsteady Flow in Open Channels¨ (Mahmmod & Yevjevich, 1975)

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Cálculo en Régimen Impermanente1. Ecuación de continuidad

Volumen de control elementalFlujoEntrante

FlujoSaliente

Variación en Almacenamiento

Variación de masa en volumen de control

Ec. Continuidad

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Cálculo en Régimen Impermanente2. Ecuación de Momentum

A) Fuerzas de Presión

2º Ley de Newton

Fuerza dePresión Superior

Fuerza dePresión Inferior

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B) Fuerzas de gravedad

C) Fuerzas de fricción (drag)

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FlujoEntrante

FlujoSaliente

FlujoNeto

Ec. Momentum

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Cálculo en Régimen ImpermanenteResolución de ecuaciones

Interacción flujo en el canal y planicie de inundación

Flujo 2D Representación 1D

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Cálculo en Régimen ImpermanenteResolución de ecuaciones

Esquema de diferencias finitas implícito

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Cálculo en Régimen Impermanente1. Ecuación de continuidad

Canal

Planicie de inundación

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Cálculo en Régimen Impermanente2. Ecuación de momentum

Canal

Planicie de inundación

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Cálculo en Régimen ImpermanenteLinealización de ecuaciones diferenciales

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Cálculo en Régimen ImpermanenteAproximación de los términos de la ecuación de continuidad

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Cálculo en Régimen ImpermanenteAproximación de los términos de la ecuación de momentum

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Cálculo en Régimen ImpermanenteResolución de Sistema de Ecuaciones (Skyline Solution)

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Estructuras

1. Canalización

2. Puente

3. Alcantarilla

4. Estructuras Laterales

5. Defensas

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Estructuras1.Canalización

Channel Modification (herramienta original HEC-RAS) Channel Design / Modification

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Estructuras1. Canalización – Channel Modification (Original)

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Sin Fill Channel

Con Fill Channel

Secciones a modificar

Corte para las secciones transversales:- Igual- Proyectado (especificar pendiente)

Sección de diseño:Máximo de 3 secciones trapecialesDatos: Ancho, Cota, Pendientes laterales, rugosidad

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Secciones Transversales Originales

1º Sección Trapecial de Diseño

2º Sección Trapecial de Diseño

3º Sección Trapecial de

Diseño

continúa

Cómputo de movimiento de suelo

Área y volumen discriminado según cauce principal y planicie de inundación:

- Desmonte (Cut)- Relleno (Fill)- Net = Cut - Fill

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Estructuras1. Canalización – Channel Design / Modification

Edición de Secciones

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Estructuras2. Puentes

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Criterio USACELc = Promedio dist AB - CD

Secciones aguas abajo y arriba del puente (a pequeña

distancia, no inmediatas)

A partir de ER se calcula Le(considerando el promedio de las distancias AB – CD)

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Rangos del radio de expansión (ER)Rugosidad de planicie de inundación

Rugosidad del cauce principal

Pendiente Longitudinal

Ancho de apertura del puente

Ancho de planiciede inundación

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Áreas de recirculación

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Estructuras3. Alcantarillas

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Estructuras3. Alcantarillas

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Estructuras4. Estructuras Laterales

Tipo de Estructura

Conexión aguas abajo

Posición estructura

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Estructuras4. Estructuras Laterales

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Estructuras5. Defensas (Levees)

Desde Geometric Data / Tables Levees, se debe definir la altura y posición de la defensa

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Estructuras5. Defensas (Levees)

Por ejemplo, se define en la sección 0 una defensa de 3 m de altura del lado izquierdo

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AplicacionesHEC – RAS / HEC - HMS

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AplicacionesHEC – RAS / Módulo Calidad de Agua

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0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

01234567891011121314151617O

D (g

/m3)

Progresiva (km)

1 Mes3 Meses6 Meses9 Meses12 Meses18 Meses24 Meses

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

0 1 2 3 4 5

DBO

(g/m

3)

Año

Progresiva 0 km

Progresiva 5 km

Progresiva 10 km

Progresiva 15 km

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AplicacionesHEC – RAS / Módulo Sedimentos

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HEC Geo-RAS

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HEC Geo-RAS

Se debe georeferenciar el MDT.El sistema de coordenadas del MDT debe ser coincidente con el del proyecto. Si están en diferentess sistemas, hay dos alternativas:

-Proyectar el MDTData Management Tools > Projections and Transformations > Project

- Cambiar el sistema de coordenadas del proyecto al del MDT

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HEC Geo-RAS Create RAS Layers

Desde la barra de herramientas del Geo-RAS:RAS Geometry > Create RAS Layers > All**Si no llega a funcionar, primero crear un layer cualquiera, por ejemplo:Stream Centerline y después crear todos con All

Las capas indispensables son:• Stream Centerline (traza del río)• XS Cut Lines (secciones)

Son muy útiles:• Bank Lines (división entre el canal y

la planicie de inundación)• Flow Path Centerlines (distancia

entre secciones)

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HEC Geo-RAS Layer Setup

Desde la barra de herramientas del Geo-RAS: RAS Geometry > Layer Setup

•Required Surface (Utilizar un MDT o varios, previamente cargarlo) Formato: Tin* o Grid*Se recomienda crear curvas de nivel a partir del TIN,para visualizar más rápidamente el MDTBarra 3DAnalyst > Surface Analysis > Contour

•Required Layers

•Optional Layers

•Optional Tables

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HEC Geo-RAS Stream Centerline

-Si no se tiene un shape con la traza del río: Digitalizar la traza desde aguas arriba hacia aguas abajo*Editor > Start Editing …. Seleccionar la base de datos .mdb y utilizar Sketch Tool. En Target seleccionar Stream Centerline. *En caso de hacerlo desde aguas abajo hacia aguas arriba, utilizar la herramienta flip, ……

-Si se tiene un shape con la traza del río:Editar Stream Centerline. Copiar el shape que tiene la traza y pegar. Antes de cerrar la edición verificar que la orientación del shape sea desde aguas arriba hacia aguas abajo. Para ello, utilizar Sketch Properties para ver el orden de los puntos del Stream Centerline, en caso de no estar bien orientado utilizar el flip.

Sketch PropertiesEdit Tool Sketch Tool

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HEC Geo-RAS Stream Centerline

Desde la barra de herramientas del Geo-RAS: RAS Geometry > Stream Centerline Attributes

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HEC Geo-RAS

Unión

Debe coincidir exactamenteEditor > Snapping

DigitalizarTributariosAgArr>AgAb

Darle Stream Centerline Atributes All

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Práctica – Cauce y Planicie de InundaciónRealizar una corrida y extraer resultados

Output Tables

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Práctica – Cauce y Planicie de InundaciónObtener la progresiva lateral (Channel Station) del talweg del río / canal y copiar la columna Min Ch El Sta

Posicionarse en columna libre

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Práctica – Cauce y Planicie de InundaciónPegar la columna Min Ch El Sta en las 2 columnas de la ventana Bank Stations Table

Se define la distancia desde el talweg hasta donde está la separación entre el canal y la planicie de inundaciónPara el Left Bank Sta Add Constant –Para el Left Bank Sta Add Constant +

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Práctica – Cauce y Planicie de InundaciónSe define el n de Manning para el canal y la planicie de inundación posicionándose en la columna y aplicando Set Values

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