Aplicación con HEC RAS

EJEMPLO APLICATIVO

ANÁLISIS HIDRÁULICO DE UN PUENTE SOBRE UN RÍO EN HEC RAS

ÍNDICE GENERAL 1.

GENERALIDADES GENERALIDADES.......................................... ................................................................. ............................................. ....................................... ................. 3

2.

DATA GRANULOMETRÍA GRANULOMETRÍA DEL RÍO ....................... ............................................. ............................................. ................................. .......... 3

3.

DATA TOPOGRÁFICA TOPOGRÁFICA .......................................... ................................................................. ............................................. ................................ .......... 3

4.

CAUDAL Y PERIODO DE RETORNO ........................................ .............................................................. .................................... .............. 3

5.

ANÁLISIS HIDRÁULICO ..................................... ........................................................... ............................................. .................................... ............. 4 5.1 Exportación del Río del CIVIL 3D al HEC RAS ............................. .................................................... ............................. ...... 7 5.2 Importación del Río de CIVIL 3D desde HEC RAS.................................................... RAS.................................................... 8 5.3 Cálculo del d el Coeficiente de Manning del Río (n) ........................................... ................................................... ........ 15 5.4 Cálculo de la Pendiente del Río ................................................. ........................................................................ ........................... .... 18 5.5 Ingreso de Caudales al HEC RAS ............................................ ................................................................... ............................... ........ 19 5.6 Cálculos Hidráulicos sin Puente en HEC RAS .................................. ........................................................ ...................... 24 5.7 Ingreso de un Puente al HEC RAS ........................................ .............................................................. ................................. ........... 24 5.8 Cálculos Hidráulicos con Puente en HEC RAS ............................................ ....................................................... ........... 24 5.9 Cálculo de la Socavación en HEC RAS ............................................. ................................................................... ...................... 24

ÍNDICE DE CUADROS Cuadro N°2.1: Diámetros Representativos del Cauce ..................................................... ..................................................... 3

ÍNDICE DE FIGURAS Figura N°5.1: Vista en Planta del Plano Topográfico en AUTOCAD ........................... ................................. ...... 4 Figura N°5.2: Cauce Principal y Márgenes M árgenes Laterales Laterales del Río en CIVIL 3D ........................ ........................ 5 Figura N°5.3: Secciones Transversales del Río en CIVIL 3D ............................................ .............................................. .. 5 Figura N°5.4: Perfil Longitudinal del Río en CIVIL 3D .................................. ....................................................... ..................... 6 Figura N°5.5: Secciones Transversales del Río en CIVIL 3D 3 D (Vista Frontal)...................... ...................... 6 Figura N°5.6: Botón de Exportación de CIVIL 3D al HEC RAS ........................................... ........................................... 7 Figura N°5.7: Elementos para Exportación de CIVIL 3D al HEC RAS ................................ ................................ 7 Figura N°5.8: Ícono del HEC RAS .............................................. ..................................................................... ........................................ ................. 8 Figura N°5.9: Ventana de Entorno del HEC RAS .......................................... ............................................................... ..................... 8 Figura N°5.10: Elección del Sistema de Unidades en HEC RAS .............................. ........................................ .......... 8 Figura N°5.11: Creación de un Proyecto en HEC RAS ...................................................... ...................................................... 9 Figura N°5.12: Definición de un Proyecto en HEC RAS .......................................... .................................................... .......... 9 Figura N°5.13: Definición de Geometrías en HEC RAS ........................................... ................................................... ........ 10 Figura N°5.14: Editor de Geometría del HEC RAS ............................................... .......................................................... ........... 10

Figura N°5.15: Importador de Data Topográfica en HEC RAS ........................................ 11 Figura N°5.16: Importador Topográfico en HEC RAS (Unidades) ................................... 11 Figura N°5.17: Importador Topográfico en HEC RAS (Cauce Principal) ......................... 12 Figura N°5.18: Importador Topográfico en HEC RAS (Secciones Transversales) ........... 12 Figura N°5.19: Data Importada del CIVIL 3D en HEC RAS .............................................. 13 Figura N°5.20: Editor de Secciones Transversales en HEC RAS ...................................... 13 Figura N°5.21: Sección Transversal N°80 en HEC RAS ................................................... 14 Figura N°5.22: Sección Transversal N°80 en CIVIL 3D .................................................... 14 Figura N°5.23: Ingreso del Coeficiente de Manning al HEC RAS .................................... 15 Figura N°5.24: Tabla de Coeficientes de Manning en HEC RAS ..................................... 16 Figura N°5.25: Coeficientes de Manning ingresados en HEC RAS ................................. 17 Figura N°5.26: Progresiva de la Cota Inferior del Río..................................................... 18 Figura N°5.27: Progresiva de la Cota Superior del Río ................................................... 18 Figura N°5.28: Ingreso de un Flujo Permanente en HEC RAS ........................................ 19 Figura N°5.29: Ventana para Flujo Permanente en HEC RAS ........................................ 19 Figura N°5.30: Caudales Ingresados en HEC RAS (Sin Editar) ........................................ 20 Figura N°5.31: Editor de Nombre de Perfiles de Flujo en HEC RAS ............................... 20 Figura N°5.32: Ventana del Editor de Nombre de Perfiles de Flujo en HEC RAS ........... 21 Figura N°5.33: Caudales Ingresados en HEC RAS (Nombres Editados) .......................... 21 Figura N°5.34: Ventana para Condiciones de Borde en HEC RAS .................................. 22 Figura N°5.35: Ingreso de la Pendiente Aguas Arriba en HEC RAS ................................ 22 Figura N°5.36: Ingreso de la Pendiente Aguas Abajo en HEC RAS ................................. 23

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL Dpto. Académico de Hidráulica e Hidrología

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1. GENERALIDADES Se proyecta un puente sobre el río Cachi, en el Departamento de Huancavelica, Provincia de Angaraes, Distrito de Chincho, la zona se encuentra a una altitud de 2579 msnm, el Puente conectará el C.C. Huanchuy con el Distrito de Chincho y el resto de la Provincia de Angaraes.

2. DATA GRANULOMETRÍA DEL RÍO El río Cachi es un afluente de la cuenca hidrográfica del río Mantaro, río torrencial, con gran transporte de sedimentos, razón por la cual aguas arriba del proyecto del puente se encuentras varias canteras de agregados y rocas. Es un rio trenzado con dos brazos en la zona de estudio, al estudiar la granulometría del material del cauce se encontró lo siguiente: Cuadro N°2.1: Diámetros Representativos del Cauce % Retenido Diámetro (mm) D35

3

D50

6

D75

16

El estudio de mecánica de suelos menciona que la gravedad específica del material es 2.55 T/m3.

3. DATA TOPOGRÁFICA El levantamiento topográfico y batimétrico del río se analizó 600 metros a aguas arri ba hasta 240 metros aguas abajo.

4. CAUDAL Y PERIODO DE RETORNO El estudio hidrológico efectuado determinó los caudales de diseño para la superestructura y la subestructura del puente. Para definir la altura y longitud de la superestructura (tablero del puente), el diseño contemplará una avenida de 850 m 3/s con periodo de retorno de 100 años, mientras que para los cálculos de socavación, el diseño contemplará una avenida de 1050 m 3/s con un periodo de retorno de 500 años.

_______________________________________________________________________________________________ An ális is H id rául ic o d e un Puen te so b re un Río en HEC RA S 3


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Cuadro N°2.2: Caudales y Periodos de Retorno Q (m3/s) T (años)

Para utilizarlo en :

850

100

Luz del Puente y Cálculo del NAME

1050

500

Cálculos de Socavación

5. ANÁLISIS HIDRÁULICO Se contaba con un plano topográfico en formato CAD, con las características mostradas en la Figura N°5.1.

Figura N°5.1: Vista en Planta del Plano Topográfico en AUTOCAD

El plano topográfico en CAD fue convertido a superficie (modelo digital de terreno) haciendo uso del AUTOCAD CIVIL 3D. Una vez convertido a superficie creamos un alineamiento que representaba el alineamiento del río, y otros dos alineamientos paralelos a la izquierda y derecha del cauce principal que representaban las llanuras de inundación, quedando lo mostrado en la Figura N°5.2. Analizando la topografía del río, se puedo observar que los dos alineamientos paralelos creados no eran la mejor representación de dichas llanuras de inundación, apoyándonos en un análisis visual y en las líneas de crecientes que están dibujadas en el plano topográfico brindado. Posteriormente se cambió el trazo de los alineamientos creados inicialmente paralelos al cauce principal.



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Figura N°5.2: Cauce Principal y Márgenes Laterales del Río en CIVIL 3D

Luego se creó secciones transversales del río (representado como alineamiento en el CIVIL 3D), cada 40 m sobre el eje del mismo. Las secciones transversales fueron de anchos variables según la zona donde se encontraban, pues no todas se podían hacer tan anchas como se hubiese querido, debido a escasez de data topográfica, pero cabe mencionar que al parecer esa zona no pudo ser levantada topográficamente debido a una pendiente muy pronunciada casi vertical, de un tramo de cerro que encajonaba al río. En la Figura N°5.3 se muestra una vista en planta de las secciones transversales del río en CIVIL 3D.

Figura N°5.3: Secciones Transversales del Río en CIVIL 3D (Vista en Planta) _______________________________________________________________________________________________ An ális is H id rául ic o d e un Puen te so b re un Río en HEC RA S 5


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El siguiente paso fue crear sobre el alineamiento del río el perfil longitudinal del mismo. En la Figura N°5.4 se muestra el perfil longitudinal obtenido.

Figura N°5.4: Perfil Longitudinal del Río en CIVIL 3D

En la Figura N°5.5 se muestra algunas de las secciones transversales creadas en CIVIL 3D, en vistas frontales.

Figura N°5.5: Secciones Transversales del Río en CIVIL 3D (Vista Frontal)



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5.1 Exportación del Río del CIVIL 3D al HEC RAS Una vez realizados todos los pasos anteriores en CIVIL 3D, lo siguiente que fue llevar las secciones del CIVIL 3D al HEC RAS para hacer los cálculos hidráulicos necesarios.

Figura N°5.6: Botón de Exportación de CIVIL 3D al HEC RAS

Figura N°5.7: Elementos para Exportación de CIVIL 3D al HEC RAS



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5.2 Importación del Río de CIVIL 3D desde HEC RAS Una vez realizada la exportación del río desde CIVIL 3D de manera correcta, lo siguiente es abrir el HEC RAS e importar la data exportada desde CIVIL 3D. En la Figura N°5.8 se muestra el ícono del HEC RAS, el cual aparece por defecto en el escritorio de una PC, luego de instalar el programa.

Figura N°5.8: Ícono del HEC RAS

Al abrir el programa sale la ventana mostrada en la Figura N°5.9.

Figura N°5.9: Ventana de Entorno del HEC RAS

Es importante revisar antes de iniciar un proyecto en HEC RAS, las unidades que reconocerá el programa, para la imagen de la Figura N°5.9, las unidades están en el Sistema Internacional de Unidades (S.I.), no obstante el HEC RAS también puede trabar con el sistema inglés. En la Figura N°5.10 se muestra como el usuario puede elegir con que unidades trabajará en HEC RAS.

Figura N°5.10: Elección del Sistema de Unidades en HEC RAS _______________________________________________________________________________________________ An ális is H id rául ic o d e un Puen te so b re un Río en HEC RA S 8


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Definidas las unidades con que se trabajará en HEC RAS, se deberá crear un nuevo proyecto en el programa. En la Figura N°5.11 se muestra como el usuario podrá crear un nuevo proyecto, y también se muestran otras diversas opciones que ofrece la pestaña File del HEC RAS.

Figura N°5.11: Creación de un Proyecto en HEC RAS

Para definir un proyecto en HEC RAS, hay que introducir el nombre y ubicación del mismo, tal como lo ilustrado en la Figura N°5.12.

Figura N°5.12: Definición de un Proyecto en HEC RAS



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Luego de haber creado el proyecto del río en HEC RAS, deberá importarse la geometría (topografía) del río que se obtuvo en CIVIL 3D. En la Figura N°5.13 se muestra el botón del editor de geometrías del HEC RAS y en la Figura N°5.14 su respectiva ventana de entorno.

Figura N°5.13: Definición de Geometrías en HEC RAS

Figura N°5.14: Editor de Geometría del HEC RAS

En la Figura N°5.15 se muestra la opción para poder importar la topografía del río que se obtuvo en CIVIL 3D al HEC RAS.



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Figura N°5.15: Importador de Data Topográfica en HEC RAS

Luego de dar click en la respectiva opción, saldrán una serie de ventanas, las cuáles son mostradas en desde la Figura N°5.16 a la Figura N°5.18.

Figura N°5.16: Importador Topográfico en HEC RAS (Unidades) _______________________________________________________________________________________________ An ális is H id rául ic o d e un Puen te so b re un Río en HEC RA S 11


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Figura N°5.17: Importador Topográfico en HEC RAS (Cauce Principal)

Figura N°5.18: Importador Topográfico en HEC RAS (Secciones Transversales) _______________________________________________________________________________________________ An ális is H id rául ic o d e un Puen te so b re un Río en HEC RA S 12


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En la Figura N°5.19 se muestra como se verá la ventana del editor de geometría del HEC RAS una vez importada la data topográfica del CIVIL 3D. Las líneas de color verde corresponden a las secciones transversales.

Figura N°5.19: Data Importada del CIVIL 3D en HEC RAS

Una vez culminada la importación en HEC RAS, se debe revisar que la importación haya sido correcta. El primer chequeo será ver el dibujo en planta del álveo (eje) del río, en este caso vemos que efectivamente coincide con el río visualizado en Civil 3D. El segundo chequeo corresponderá al control de las secciones transversales del río. Para poder visualizar las secciones transversales se deberá dar click en el ícono mostrado en la Figura N°5.20.

Figura N°5.20: Editor de Secciones Transversales en HEC RAS

En este caso se elegirá la sección transversal N°80 para controlar, los resultados de este control son mostrados en la Figura N°5.21 y la Figura N°5.22. Como se podrá apreciar coinciden tanto las cotas de ambos programas, como el ancho de la sección transversal N°80, lo mismo podrá verificarse sección por sección. Una observación es que el HEC RAS no coloca el eje del río en la parte central, como si lo hace el CIVIL 3D, pero esto no afecta el análisis y cálculo hidráulico.



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Figura N°5.21: Sección Transversal N°80 en HEC RAS

Figura N°5.22: Sección Transversal N°80 en CIVIL 3D

El HEC RAS tiene una opción para interpolar secciones transversales y así poder obtener más secciones de análisis, no obstante para el presente estudio no se planteó aumentar secciones, ya que se consideró que el número de secciones obtenidas del CIVIL 3D eran suficientes. Haciendo un repaso de lo hecho hasta el momento, ya tenemos las secciones en el HEC RAS, es decir tenemos hasta el momento la geometría del cauce. Recordando los parámetros hidráulicos que faltan, tenemos a la pendiente del cauce, el coeficiente de Manning del río, y por último los caudales de diseño.



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5.3 Cálculo del Coeficiente de Manning del Río (n) Se eligió determinar el coeficiente de Manning del río, utilizando la fórmula de Ven Te Chow, la cual es la siguiente:

Del Cuadro 2.1:

   

Reemplazando:

   (  )

⁄ 

   Luego habrá que introducir el coeficiente de Manning al HEC RAS. En la Figura N°5.23 se muestra la opción para poder ingresar los coeficientes de Manning al HEC RAS, y en la Figura N°5.24 se muestra la tabla de valores que reconocerá el HEC RAS, una vez que se le ingrese los respectivos valores.

Figura N°5.23: Ingreso del Coeficiente de Manning al HEC RAS _______________________________________________________________________________________________ An ális is H id rául ic o d e un Puen te so b re un Río en HEC RA S 15


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Figura N°5.24: Tabla de Coeficientes de Manning en HEC RAS

En la tabla de coeficientes, seleccionar todas las columnas correspondiente, dar click en el botón Set Values e ingresar el valor correspondiente de 0,018 tal como se ilustra en la Figura N°5.25. Con eso ya estarían todas las secciones trasversales con sus coeficientes de Manning.



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Figura N°5.25: Coeficientes de Manning ingresados en HEC RAS



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5.4 Cálculo de la Pendiente del Río Para calcular la pendiente del rio, se utilizó el perfil longitudinal del río trazado en CIVIL 3D. En la Figura N°5.26 se muestra la progresiva de la cota inferior del río y en la Figura N°5.27 se muestra la progresiva de la cota superior del río, obtenidas a partir del prefil longitudinal.

Figura N°5.26: Progresiva de la Cota Inferior del Río

Figura N°5.27: Progresiva de la Cota Superior del Río

Luego se calculó la pendiente del río, considerando una pendiente promedio mediante la siguiente relación:

            Reemplazando los respectivos valores:

 

     

Finalmente se obtuvo:

    



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5.5 Ingreso de Caudales al HEC RAS El análisis hidráulico se realizó en condición de flujo permanente, no obstante el HEC RAS no se limita a esta única condición, ya que el programa puede hacer cálculo con flujo no permanente, hidrograma de entrada, entre otras opciones más. Para hacer un análisis con flujo permanente hay que dar click en el ícono mostrado en

Figura N°5.28: Ingreso de un Flujo Permanente en HEC RAS

Luego de dar click en el respectivo ícono, aparecerá la ventana mostrada en la Figura N°5.29. En la ventana se deberá ingresar por lo menos una sección transversal de control, por defecto aparece la sección N°840, por ser la sección más aguas arriba de todas las ingresadas al HEC RAS, no obstante se puede ingresar más secciones de control dando click en el botón correspondiente mostrado en la Figura N°5.29. El caudal en el caso de trabajar con el Sistema Internacional de Unidades, deberá ser ingresado en m3/s.

Figura N°5.29: Ventana para Flujo Permanente en HEC RAS _______________________________________________________________________________________________ An ális is H id rául ic o d e un Puen te so b re un Río en HEC RA S 19


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En este análisis hidráulico se eligió trabajar con una sola sección de control correspondiente a la sección N°840, sobre esta sección se aplicaron las condiciones de borde. Posteriormente se ingresaron los caudales correspondientes a los periodos de retorno de 100 y 500 años. Por ser dos caudales a analizar en número de perfiles de flujo deberá ponerse 2, luego un enter y automáticamente aparecerán dos casillas en las cuáles se colocarán los caudales de periodos de retorno de 100 y 500 años, 850 m3/s y 1050 m3/s respectivamente, tal como se muestra en la Figura N°5.30.

Figura N°5.30: Caudales Ingresados en HEC RAS (Sin Editar)

Los perfiles de flujo se pueden editar a gusto del usuario, para ello bastará dar click en la opción mostrada en la Figura N°5.31.

Figura N°5.31: Editor de Nombre de Perfiles de Flujo en HEC RAS _______________________________________________________________________________________________ An ális is H id rául ic o d e un Puen te so b re un Río en HEC RA S 20


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Una vez dado click en el editor de nombre de perfiles de flujo en HEC RAS, aparecerá la ventana mostrada en la Figura N°5.32 en la cual simplemente se podrá modificar a conveniencia el nombre del perfil de flujo respectivo.

Figura N°5.32: Ventana del Editor de Nombre de Perfiles de Flujo en HEC RAS

Los caudales con sus nombres de perfil editados son mostrados en la Figura N°5.33.

Figura N°5.33: Caudales Ingresados en HEC RAS (Nombres Editados)



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En la Figura N°5.34 se muestra la ventana para condiciones de borde del HEC RAS, el programa ofrece múltiples opciones para el control de borde. El botón Known W.S. sirve para ingresar como control un nivel de agua conocido, Critical Depth es para garantizar condiciones de flujo crítico, Normal Depth controla las pendientes de en condiciones de tirantes normales y Rating Curve es para ingresar una curva de descarga del tipo Caudal en función de niveles de agua, esta opción puede ser útil cuando se cuente con información completa y segura de una estación hidrométrica que genere este tipo de curvas.

Figura N°5.34: Ventana para Condiciones de Borde en HEC RAS

Para el análisis se decidió utilizar las condiciones de control en función de la pendiente.

Figura N°5.35: Ingreso de la Pendiente Aguas Arriba en HEC RAS _______________________________________________________________________________________________ An ális is H id rául ic o d e un Puen te so b re un Río en HEC RA S 22


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Figura N°5.36: Ingreso de la Pendiente Aguas Abajo en HEC RAS

Luego de introducir las pendientes aguas arriba y aguas de debajo de la sección de control (sección N°840), la ventana quedará como la mostrada en la Figura N°5.37.

Figura N°5.37: Condiciones de Borde en HEC RAS



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5.6 Cálculos Hidráulicos sin Puente en HEC RAS Falta redactar

5.7 Ingreso de un Puente al HEC RAS Falta redactar

5.8 Cálculos Hidráulicos con Puente en HEC RAS Falta redactar

5.9 Cálculo de la Socavación con HEC RAS Falta redactar


Aplicación con HEC RAS

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