UNIVERSIDAD NACIONAL “PEDRO RUIZ GALLO” FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL, DE SISTEMAS Y DE ARQUITECTURA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL
SOWFARE: HEC-RAS PRESENTADO POR: GRANDES YSLA ,HELDER LINO
PISCOYA CAVERO, MIGUEL EDUARDO
Docente: Msc. Ing. José Arbulú Ramos
CURSO: OBRAS HIDRÁULICAS
INTRODUCCION
• La complejidad que presenta el cálculo y análisis del régimen hidráulico en los cauces naturales y artificial es hace necesario recurrir al uso de modelos numéricos que faciliten esta tarea. La utilización de los modelos se remonta varias décadas, pero ha sido recientemente cuando los avances informáticos han propiciado la generalización de su uso, hasta convertirse en una herramienta habitual dentro de las consultoras de ingeniería y las administraciones.
DESCRIPCIÓN GENERAL Es un software creado por el Centro de Ingeniería Hidrológica (Hidrológica Engineering Center) del Cuerpo de Ingenieros de la armada de los EE.UU. (USArmy Corps of Engineering). El modelo numérico incluido en este programa permite realizar análisis de flujo permanente unidimensional gradualmente variado en lámina libre de agua para distintos gastos circulantes.
EJEMPLO APLICATIVO Nº 07: ZONAS DE FLUJO INEFECTIVO, COLOCAR DIQUES EN UN CAUCE NATURAL PARA EL MANEJO DE INUNDACIONES CON UN PERFIL DE FLUJO.
“En el cauce de un río, se ha realizado el levantamiento de las secciones transversales cada 50 m, desde la estación 9.0 el cual corresponde al Km. 9+000, a la estación 10.15, que corresponde al Km 10+150, los mismos que se muestran en el cuadro A.01 del anexo. De acuerdo a la cobertura vegetal, se ha determinado que el cauce del río tiene un coeficiente de rugosidad de 0.030, mientras que la planicie de inundación tiene un coeficiente de rugosidad de 0.045. (Nota: estos son los mismos datos que la del ejemplo 05). Se desea analizar el comportamiento del cauce del río para un flujo 3 permanente que transporta un caudal de 35 𝑚 𝑠 “. Utilizando HEC-RAS, indicar: a) En que En que secciones se presentan zonas con flujo inefectivo y corregirlas. 3 b) En que secciones el cauce no soporta el caudal de 35 𝑚 𝑠 . Indicar la solución colocando diques, a fin de evitar que las áreas adyacentes se inunden.
Solución Previo al desarrollo en sí del ejemplo, debemos de asegurarnos ciertos datos importantes, como el tener en cuenta en que unidades vamos a ingresar nuestros datos, así como la ubicación que nosotros creamos por conveniente para poder localizar con más facilidad nuestro proyecto. Tal cual lo podemos apreciar en las siguientes imágenes.
Para empezar a desarrollar una aplicación con el HEC-RAS, es recomendable generar un “nuevo proyecto “, para lo cual seguimos la siguiente ruta:Activamos la opción File > New Project
Luego seleccionamos la carpeta la cual contendrá nuestro proyecto (select folder), indicando además el título del proyecto.
2. INGRESAR LOS DATOS GEOMÉTRICOS Para ello debemos dar clic en el ícono “GEOMÉTRIC DATA”,
En la nueva ventana que se nos habilita, debemos de dibujar el tramo del canal, para lo cual tenemos que activar el icono RIVER REACH con esto se nos activa en la ventana, una especie de lápiz en la cual tenemos que definir el curso del agua.
Luego aceptamos, dando clic en OK, y se nos muestra la siguiente gráfica:
3. AHORA CREAMOS UN ARCHIVO QUE VA A CONTENER LA INFORMACIÓN DE LAS SECCIONES. Como es una gran cantidad de datos, lo más recomendable y práctico es crear primero el archivo donde se guardarán los datos, y conforme se van ingresando los datos posteriores ir guardando y actualizando nuestra información. Para esto seguimos la siguiente ruta: File > Save Geometry Data.
4. Ingresar los datos geométricos.
Ahora luego de aceptar, ya tenemos disponible la lista para introducir los datos se la sección transversal, como se muestra a continuación.
5. Introducir datos de las secciones transversales
Si se diera el caso, de que estos datos los tuviésemos archivados en una hoja de Excel (como es nuestro caso) estos los podemos copiar y pegar de manera automática, sin necesidad de ingresar los datos uno a uno. Para ello seguir el siguiente procedimiento:
6. INGRESAR DATOS DE LA DISTANCIA DE LA SECCIÓN AGUAS ABAJO
Para nuestro ejemplo, la sección próxima aguas abajo se encuentra a 50 m de ésta sección, por lo que las distancias LOB (distancia entre los márgenes izquierdos), Chanel (distancia a lo largo del centro del cauce) y ROB (distancia entre los márgenes derechos), son iguales a 50. Por lo que estos deben aparecer como se muestra en la imagen.
7. INGRESAR DATOS DE LOS COEFICIENTES DE RUGOSIDAD.
Según los datos iniciales del ejemplo, los valores de rugosidad para el cauce (channel) son de 0.030, mientras que para los márgenes izquierdos (LOB) y derecho (ROB) son de 0.045, por lo que luego de ingresar estos datos, deben de aparecer como se muestran en la imagen.
8. INGRESAR DATOS DE LOS BANCOS.
9. INGRESAR DATOS DE COEFICIENTES DE CONTRACCIÓN Y EXPANSIÓN.
El programa utiliza coeficientes de contracción/expansión para determinar las pérdidas de energía entre dos secciones contiguas. Por defecto el HEC-RAS pone 0.1 y 0.3 para el coeficiente de contracción y expansión respectivamente. Para nuestro ejemplo aceptaremos estos valores.
10. INTRODUCIR LA DESCRIPCIÓN DE LA SECCIÓN
En el campo Description, escribimos para el ejemplo: Sección inicial 10.15. Luego de todos los datos que hemos ingresado, la ventana de CROSS SECTION DATA se mostrara como en la siguiente imagen:
11. APLICAR DATOS Para aplicar los datos introducidos, debemos hacer clic en el botón Con lo cual lograremos que los datos sean presentados en forma gráfica en la ventana derecha.
Nota: El aplicar los datos, no significa que éstos se guarden automáticamente, este proceso se hará cuando se guarden los datos de la geometría de la sección
12. INGRESAMOS LOS DATOS DE LAS SECCIONES RESTANTES, DE LA MISMA FORMA ANTES INDICADA.
14. Luego de haber ingresado todas las secciones, tenemos que guardar en nuestro proyecto estos datos antes de cerrar la venta de Cross Section Data., para lo cual regresamos a la ventana del Geometric Data y ejecutamos el comando: File > save Geometry Data, como se muestra en la siguiente imagen.
15. INGRESAR LOS DATOS HIDRÁULICOS (PARA FLUJO PERMANENTE)
16. Como se puede apreciar en la imagen anterior, el número de perfiles que por defecto se nos muestra es de 1, que es nuestro caso, ya que tiene un caudal de 35m3/s. por lo que hacemos click en el campo debajo de PF1 e ingresamos 35, como se muestra a continuación.
17. INTRODUCIR LAS CONDICIONES DE CONTORNO Para ingresar a la ventana donde se introducen las condiciones de contorno, hacer clic en el botón con lo cual se nos aparece una nueva venta, igual a la que se muestra en la siguiente pantalla.
Para nuestro ejemplo, solo se Ha introducido un archivo para cada uno de estos casos, por lo que Hec-Ras lo muestra por defecto, como se muestra a continuación:
De acuerdo con las condiciones de contorno especificadas, se está trabajando con un régimen mixto, por lo que se seleccionan este tipo de régimen, tal cual lo indicamos en la imagen:
24. OBSERVAR RESULTADOS
En esta ventana seguimos y ejecutamos la siguiente ruta:
Una vez que se define la zona de flujo inefectivo, luego hacer clic en el botón «Apply Data»
25. COLOCACIÓN DE DIQUES (LEVEES) PARA EL MANEJO DE INUNDACIONES El programa cuenta con la opción de colocar diques en uno o ambos márgenes del cauce a fin de prevenir inundación. En ocasiones, las secciones transversales tienen varias zonas con cotas bajas. Los diques longitudinales artificiales, se colocan para indicarle a Hec-Ras que existe una vía preferente de desagüe. De ésta manera comenzara a llenar primero el cauce principal, hasta que se llegue a la cota superior del dique, a partir de la cual, recién comenzará a llenar la parte situada al lado del dique.
En esta ventana ejecutamos la siguiente ruta: options/levees..
En esta nueva ventana XS Levee Data, escribimos para el margen derecho (en el cual se produce el desbordamiento), para la estación (Station) Del puto: 7.64 y para la elevación (elevation) de la parte superior del dique: 1458.34, como se muestra en la siguiente imagen. Luego cerramos dando OK y aplicamos con el botón APPLY DATA.
Se nos mostrará una nueva ventana con el dique ya ubicado.
:
EJEMPLO 08 EJEMPLO 08: CONFLUENCIA DE UN CAUCE NATURAL Y UN TRIBUTARIO, CON TRES PERFILES DE FLUJO.
.
A un cauce de un rio, se le une un tributario como se muestra en la figura adjunta.
Se ha realizado el levantamiento de las secciones transversales, en el cauce natural obteniendo las secciones desde la estación 20, a la estación 14, y en el tributario desde la estación 4, a la estación 2, las distancias entre las secciones son variadas, los mismos que se muestran en el cuadro A.03 del anexo. De acuerdo a la cobertura vegetal, se ha determinado que tanto en el cauce natural como en el tributario hay variación de los coeficientes de rugosidad, sus valores también se muestran en el cuadro A.03 del anexo. Se desea realizar el comportamiento del cauce del río y su tributario, para un flujo permanente para 3 perfiles de flujo, los mismos que se muestran en el cuadro adjunto para períodos de retorno de 10, 50 y 10 años, en donde los caudales están en m3/s
T=10 años
T = 50 años
T = 100 años
Tributario
3
14
43
Cruce natural superior Cruce natural inferior
14
57
142
17
71
185
Considerar que el flujo es subcritico.
SOLUCION Para el desarrollo del ejemplo, se seguirán las mismas fases de trabajo con Hec-Ras utilizadas en los ejemplos anteriores, las cuales son: Crear un nuevo proyecto. Ingresar datos geométricos. Ingresar datos de caudales y condiciones de contorno. Crear plan y realizar los cálculos. Observar los resultados obtenidos.
1. CREAR UN PROYECTO:
2. INGRESAR DATOS GEOMÉTRICOS.
Hacer clic en el icono con lo cual se nos muestra una nueva ventana, en la cual debemos seleccionar el icono el cual nos permite agregar o editar dibujos que se colocan de fondo en la ventana Geometric Data. Con esto, se muestra una nueva ventana Background Picture son Schematic.
En esta ventana, hacemos clic en el botón , en la ventana abrir que se muestra, buscamos y seleccionamos el dibujo de nombre ejemplo08, luego hacemos clic en el botón Abrir, en la cual nos saldrá un mensaje, el cual tenemos que aceptar dando clic en Si.
Clic al icono River Reach, con lo cual lograremos que el puntero del ratón se convierta en un lápiz.
Dibujar el Cauce Natural en la ventana Geometric Data, hacer clic en el punto del extremo de aguas arriba, seguir haciendo clic en forma sucesiva, para obtener la figura del cauce natural. Cuando se llegue al extremo de aguas abajo del tramo, hacer doble clic a fin de definir el punto final.
Cuando se define el extremo de aguas abajo (haciendo doble clic), aparece una ventana, en ella, en River colocamos Cauce Natural y en Reach colocar Dos tramos, para que se vea como se muestra en la figura a continuación.
Luego de esto aceptamos dando ok y en la ventana Geometric Data, se observa tal como se muestra en la imagen de arriba.
Hacer clic nuevamente en el icono ,para dibujar el Tributario, hacer el mismo procedimiento hecho anteriormente. Cuando se define el extremo de aguas abajo (haciendo doble clic), aparece una nueva ventana, en River colocar Tributario y en Reach colocar tramo único.
Aceptar dando clic en ok, se nos muestra un mensaje el cual tenemos que aceptar dando clic ha si. Se nos abre una nueva ventana pidiéndonos ingresar un nuevo nombre para el tramo (Reach) debajo de la división, escribir tramo inferior, de la siguiente forma:
Aceptamos dando clic ha sí, se nos pide ingresar el nombre de la unión, que conecta el tramo superior del cauce natural con el tributario, escribir Unión, y aceptamos dando clic en ok, como se muestra en la imagen:
Luego de todo lo anterior, se nos muestra en nuestra pantalla todo el recorrido del rio, tal cual se muestra en la imagen:
3. MODIFICAR NOMBRE DEL TRAMO. Como en el cauce natural, el tramo superior tiene como nombre Dos tramos, para modificarlo como tramo superior, hacer clic en un punto del tramo superior, en la ventana que se muestra, en Reach, escribir Tramo superior y aceptamos.
4. ELIMINAR EL DIBUJO QUE ESTÁ DE FONDO El proceso a seguir es similar al que se hizo al momento de agregarlo, con lo cual ahora nuestro grafico nos quedará de la siguiente manera.
5. CREAR ARCHIVO CON LA INFORMACION DE LAS SECCIONES Para el ejemplo que estamos desarrollando, la información de las secciones transversales es bastante numerosa, por lo cual resulta práctico crear primero el archivo donde se guardaran los datos, y conforme los ingresamos, ir guardando y actualizando. Para esto, en la ventana de Geometric Data, ejecutar la ruta: file > Save Geometric Data.
Ahora ya tenemos creado el archivo Secciones para almacenar la información de las secciones transversales.
6. INGRESO DE DATOS GEOMETRICOS En la ventana de Geometric Data, activar la opción Cross Section y se nos aparecerá la ventana Cross Section Data. 6.1 INGRESAR LOS DATOS DEL CAUCE NATURAL TRAMO SUPERIOR. En la nueva ventana que nos abre definimos: River: Cauce natural y en Reach: tramo superior. Ingresamos los datos de la primera sección transversal, para ello seguimos la siguiente ruta: Options/ Add a new Cross Section. Nos pide un identificador de ésta sección, para nuestro caso será 20, el cual representa a la primera sección desde aguas arriba, para que se vea como se muestra en la siguiente imagen:
7. INTRODUCIR DATOS DE LAS SECCIONES Con lo anterior ya tenemos TRANSVERSALES disponible la sección lita para Ingresamos las introducir los datos de la secciones la misma como formase en sección de transversal, que se hicieron para el ejemplo muestra a continuación. N’07:, por lo que luego de haber ingresado todo los datos la pantalla debe mostrarse así:
8.PLOTEAMOS LA SECCION Para lo cual seguimos la siguiente ruta:
Donde veremos la sección en toda su magnitud
9. INGRESAR DATOS CAUCE NATURAL TRAMO INFERIOR En la ventana Cross Section Data, en River, seleccionar cauce natural y en Reach: Tramo inferior, como se muestra. Ya definido esto, ingresamos los datos de las secciones 17,16,15 y 14. Definiendo para la sección 17: Sección 17 inicial del Tramo inferior y para la sección 14, la definimos como: Sección 14 final del tramo inferior. Tal cual se muestra en ambas imágenes siguientes.
10. INGRESAR DATOS DEL TRIBUTARIO. En la ventana: Cross Section Data, en River, seleccionar Tributario y en Reach: Tramo único, como se muestra. Ingresamos los datos para las secciones 4, sección 3 y sección 2 del tributario, de la misma forma en que se había realizado las secciones anteriores. Y luego debe de quedar los datos como se muestran a continuación:
Luego de ingresar las secciones anteriores, la ventana de Geometric Data se observan los puntos de las secciones ingresadas, y quedará como se nos muestra en la figura:
11. CORREGIR DISTANCIAS A LA CONFLUENCIA (UNIÓN). En la ventana Geometric Data, hacer clic en el icono, con lo cual nos aparece una nueva ventana. Junction Data, que se muestra a continuación Resulta difícil exactamente en la unión, medir las secciones transversales tanto para el tramo superior (sección 18), inferior (sección 17) y tributario (sección 2), por lo que se hace unos metros antes o después de este punto de unión. Hec-Ras permite ingresar la distancia que existe entre la sección 17 del tramo inferior, con respecto a la sección 18 del tramo superior y a la de la sección 2 del tributario. Para nuestro ejemplo, las secciones 17 y 18 se midieron con una separación entre ellas de 18m., mientras la sección 2 del tributario, se midió a una distancia de 15m con respecto a la unión. Cuando se crea la unión, se hace de tal forma que la separación entre estas tres secciones 18, 17 y 2 tenga una distancia de 0 m, por lo cual resulta necesario realizar la corrección, para ello hacemos lo siguiente:
Como se observa en la parte superior derecha de la figura, Hec-Ras presenta dos formas para el cálculo del perfil de la superficie del agua a través de la confluencia: energía y cantidad de movimiento (Momentum).
Para nuestro ejemplo, ingresamos los datos de la misma forma en que se nos muestra en la imagen siguiente: Aplicamos los datos y luego aceptamos con el botón ok, con lo cual se muestran reubicados las secciones 18, 17 y 2, tal cual se muestra en la figura. 12. GUARDAR LOS CAMBIOS: Para guardar la información antes introducida y los cambios efectuados, ejecutar la siguiente ruta:
13. INTRODUCIS LOS DATOS HIDRÁULICOS (PARA FLUJO PERMANENTE)
Activar el siguiente icono luego tenemos que ingresar los datos en esta ventana, los datos son los siguiente:
14. Para ingresar los datos del periodo de retorno, ejecutamos la siguiente ruta, para lo cual teneos que hacer una rectificación en el nombre del titular, por la siguiente ruta:
En esta nueva ventana hacer los cambio de los nombres de los perfiles correspondientes, para que se vea como se muestra:
Los datos de los caudales son ingresados para cada tramo, desde aguas arriba, hacia aguas abajo, es decir desde la sección 20 para el tramo superior, desde la sección 17 para el tramo inferior y desde la sección 4 para el tributario, sus valores de acuerdo al cuadro que se muestra en la imagen: T=10 años
T = 50 años
T = 100 años
Tributario
3
14
43
Cruce natural superior
14
57
142
Cruce natural inferior
17
71
185
Para lo cual debemos ingresar los caudales para cada período, luego hacer clic en el botón Apply Data, con lo cual nos debe de quedar la siguiente imagen:
15. INTRODUCION CONDICIONES DE CONTORNO Para ingresar a esta ventana, hacer clic en el botón con lo cual nos muestra la siguiente ventana.
Aplicamos Normal Depth donde nos pide ingresar el valor de la pendiente. Luego de ingresar valor de la pendiente, aceptamos dando ok.
Luego de ingresar correctamente los datos, se nos muestra la ventana siguiente
16. GUARDAR LOS DATOS HIDRAULICOS (PARA FLUJO PERMANENTE) Para lo cual seguimos la ruta que se nos indica arriba:
17. CREAR UN PLAN Y EJECUTAR EL MODELO (PARA FLUJO PERMANENTE) Hacemos clic en el icono para que se nos habilite una nueva ventana, en la cual tenemos que realizar el procedimiento que indicaremos y luego de cada uno de ellos, finalmente efectuaremos COMPUTER.
Luego creamos un plan;
Aplicamos computer, y se nos confirma que nuestros datos han sido correctamente procesados.
18. OBSERVAR LOS RESULTADOS A. SECCIONES TRANSVERSALES : Seleccionamos el primer icono del siguiente menú mostrado
Con lo cual se nos muestra todas las secciones, para poder ir viendo una a una, por ejemplo ésta imagen muestra la sección 4 del tributario para el perfil con un T = 10 años
Si es que se desea ver los perfiles tanto para T = 50 y T = 100 años a la vez, seguimos la siguiente ruta.
Hacemos coincidir nuestro programa con la imagen mostrada y luego aceptamos dando clic en OK.1
Luego de lo hecho anteriormente la pantalla nos quedará de la siguiente manera:
19. OBSERVAR PERFIL LONGITUDINAL:
Para lo cual activamos la opción de view profile desde el icono , con lo cual se nos muestra todas las secciones, las cuales para verlas una a una hay que desplegarlas con el deslizador de barra. Como se indica en las imágenes
20. OBSERVAR EL DIBUJO EN PERSPECTIVA 3D Ésta opción se activa luego de dar clic en el icono mostrara la siguiente imagen:
, con lo cual se nos
Para ver el resto de perfiles hacemos la siguiente ruta. En la pestaña de full list. Seleccionamos los 3 tramos, damos clic en la flecha, y pasamos todos a la derecha, aceptamos dando ok.
Con lo cual se nos muestra la siguiente imagen:
Para ver un solo perfil, ejecutamos la orden Options/ Profiles, y luego seleccionamos el perfil deseado, por ejemplo para T = 100 años tenemos la siguiente imagen:
EJEMPLO 09 • MODELACION DE UN CURSO SIMPLE DE PUENTE, CON TRES PERFILES DE FLUJO. INTERPOLAR SECCIONES TRANSVERSALES. CONVERTIR UNA SECCIÓN EN “MEDIDA”
