Aplicación con HEC RAS

ANLISIS HIDRULICO DE UN PUENTE SOBRE UN RO EN HEC RAS

EJEMPLO APLICATIVO

NDICE GENERAL 1. GENERALIDADES ........................................................................................................ 3

2. DATA GRANULOMETRA DEL RO .............................................................................. 3

3. DATA TOPOGRFICA ................................................................................................. 3

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

5. ANLISIS HIDRULICO ............................................................................................... 4

5.1 Exportacin del Ro del CIVIL 3D al HEC RAS .......................................................... 7

5.2 Importacin del Ro de CIVIL 3D desde HEC RAS.................................................... 8

5.3 Clculo del Coeficiente de Manning del Ro (n) ................................................... 15

5.4 Clculo de la Pendiente del Ro ............................................................................ 18

5.5 Ingreso de Caudales al HEC RAS ........................................................................... 19

5.6 Clculos Hidrulicos sin Puente en HEC RAS ........................................................ 24

5.7 Ingreso de un Puente al HEC RAS ......................................................................... 24

5.8 Clculos Hidrulicos con Puente en HEC RAS ....................................................... 24

5.9 Clculo de la Socavacin en HEC RAS ................................................................... 24

NDICE DE CUADROS Cuadro N2.1: Dimetros Representativos del Cauce ..................................................... 3

NDICE DE FIGURAS

Figura N5.1: Vista en Planta del Plano Topogrfico en AUTOCAD ................................. 4 Figura N5.2: Cauce Principal y Mrgenes Laterales del Ro en CIVIL 3D ........................ 5 Figura N5.3: Secciones Transversales del Ro en CIVIL 3D .............................................. 5 Figura N5.4: Perfil Longitudinal del Ro en CIVIL 3D ....................................................... 6 Figura N5.5: Secciones Transversales del Ro en CIVIL 3D (Vista Frontal) ...................... 6 Figura N5.6: Botn de Exportacin de CIVIL 3D al HEC RAS ........................................... 7 Figura N5.7: Elementos para Exportacin de CIVIL 3D al HEC RAS ................................ 7 Figura N5.8: cono del HEC RAS ...................................................................................... 8 Figura N5.9: Ventana de Entorno del HEC RAS ............................................................... 8 Figura N5.10: Eleccin del Sistema de Unidades en HEC RAS ........................................ 8 Figura N5.11: Creacin de un Proyecto en HEC RAS ...................................................... 9 Figura N5.12: Definicin de un Proyecto en HEC RAS .................................................... 9 Figura N5.13: Definicin de Geometras en HEC RAS ................................................... 10 Figura N5.14: Editor de Geometra del HEC RAS .......................................................... 10

Figura N5.15: Importador de Data Topogrfica en HEC RAS ........................................ 11 Figura N5.16: Importador Topogrfico en HEC RAS (Unidades) ................................... 11 Figura N5.17: Importador Topogrfico en HEC RAS (Cauce Principal) ......................... 12 Figura N5.18: Importador Topogrfico en HEC RAS (Secciones Transversales) ........... 12 Figura N5.19: Data Importada del CIVIL 3D en HEC RAS .............................................. 13 Figura N5.20: Editor de Secciones Transversales en HEC RAS ...................................... 13 Figura N5.21: Seccin Transversal N80 en HEC RAS ................................................... 14 Figura N5.22: Seccin Transversal N80 en CIVIL 3D .................................................... 14 Figura N5.23: Ingreso del Coeficiente de Manning al HEC RAS .................................... 15 Figura N5.24: Tabla de Coeficientes de Manning en HEC RAS ..................................... 16 Figura N5.25: Coeficientes de Manning ingresados en HEC RAS ................................. 17 Figura N5.26: Progresiva de la Cota Inferior del Ro ..................................................... 18 Figura N5.27: Progresiva de la Cota Superior del Ro ................................................... 18 Figura N5.28: Ingreso de un Flujo Permanente en HEC RAS ........................................ 19 Figura N5.29: Ventana para Flujo Permanente en HEC RAS ........................................ 19 Figura N5.30: Caudales Ingresados en HEC RAS (Sin Editar) ........................................ 20 Figura N5.31: Editor de Nombre de Perfiles de Flujo en HEC RAS ............................... 20 Figura N5.32: Ventana del Editor de Nombre de Perfiles de Flujo en HEC RAS ........... 21 Figura N5.33: Caudales Ingresados en HEC RAS (Nombres Editados) .......................... 21 Figura N5.34: Ventana para Condiciones de Borde en HEC RAS .................................. 22 Figura N5.35: Ingreso de la Pendiente Aguas Arriba en HEC RAS ................................ 22 Figura N5.36: Ingreso de la Pendiente Aguas Abajo en HEC RAS ................................. 23

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Anlisis Hidrulico de un Puente sobre un Ro en HEC RAS

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERA FACULTAD DE INGENIERA CIVIL

Dpto. Acadmico de Hidrulica e Hidrologa

Drenaje

1. GENERALIDADES

Se proyecta un puente sobre el ro Cachi, en el Departamento de Huancavelica,

Provincia de Angaraes, Distrito de Chincho, la zona se encuentra a una altitud de 2579

msnm, el Puente conectar el C.C. Huanchuy con el Distrito de Chincho y el resto de la

Provincia de Angaraes.

2. DATA GRANULOMETRA DEL RO

El ro Cachi es un afluente de la cuenca hidrogrfica del ro Mantaro, ro torrencial, con

gran transporte de sedimentos, razn 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 granulometra

del material del cauce se encontr lo siguiente:

Cuadro N2.1: Dimetros Representativos del Cauce

% Retenido Dimetro (mm)

D35 3

D50 6

D75 16

El estudio de mecnica de suelos menciona que la gravedad especfica del material es

2.55 T/m3.

3. DATA TOPOGRFICA

El levantamiento topogrfico y batimtrico del ro se analiz 600 metros a aguas arriba

hasta 240 metros aguas abajo.

4. CAUDAL Y PERIODO DE RETORNO

El estudio hidrolgico efectuado determin los caudales de diseo para la

superestructura y la subestructura del puente. Para definir la altura y longitud de la

superestructura (tablero del puente), el diseo contemplar una avenida de 850 m3/s

con periodo de retorno de 100 aos, mientras que para los clculos de socavacin, el

diseo contemplar una avenida de 1050 m3/s con un periodo de retorno de 500

aos.

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Drenaje

Cuadro N2.2: Caudales y Periodos de Retorno

Q (m3/s) T (aos) Para utilizarlo en :

850 100 Luz del Puente y Clculo del NAME

1050 500 Clculos de Socavacin

5. ANLISIS HIDRULICO

Se contaba con un plano topogrfico en formato CAD, con las caractersticas

mostradas en la Figura N5.1.

Figura N5.1: Vista en Planta del Plano Topogrfico en AUTOCAD

El plano topogrfico 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 ro, y otros dos alineamientos

paralelos a la izquierda y derecha del cauce principal que representaban las llanuras de

inundacin, quedando lo mostrado en la Figura N5.2. Analizando la topografa del ro,

se puedo observar que los dos alineamientos paralelos creados no eran la mejor

representacin de dichas llanuras de inundacin, apoyndonos en un anlisis visual y

en las lneas de crecientes que estn dibujadas en el plano topogrfico brindado.

Posteriormente se cambi el trazo de los alineamientos creados inicialmente paralelos

al cauce principal.

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Drenaje

Figura N5.2: Cauce Principal y Mrgenes Laterales del Ro en CIVIL 3D

Luego se cre secciones transversales del ro (representado como alineamiento en el

CIVIL 3D), cada 40 m sobre el eje del mismo. Las secciones transversales fueron de

anchos variables segn la zona donde se encontraban, pues no todas se podan hacer

tan anchas como se hubiese querido, debido a escasez de data topogrfica, pero cabe

mencionar que al parecer esa zona no pudo ser levantada topogrficamente debido a

una pendiente muy pronunciada casi vertical, de un tramo de cerro que encajonaba al

ro. En la Figura N5.3 se muestra una vista en planta de las secciones transversales del

ro en CIVIL 3D.

Figura N5.3: Secciones Transversales del Ro en CIVIL 3D (Vista en Planta)

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Drenaje

El siguiente paso fue crear sobre el alineamiento del ro el perfil longitudinal del

mismo. En la Figura N5.4 se muestra el perfil longitudinal obtenido.

Figura N5.4: Perfil Longitudinal del Ro en CIVIL 3D

En la Figura N5.5 se muestra algunas de las secciones transversales creadas en CIVIL

3D, en vistas frontales.

Figura N5.5: Secciones Transversales del Ro en CIVIL 3D (Vista Frontal)

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Drenaje

5.1 Exportacin del Ro 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 clculos hidrulicos necesarios.

Figura N5.6: Botn de Exportacin de CIVIL 3D al HEC RAS

Figura N5.7: Elementos para Exportacin de CIVIL 3D al HEC RAS

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Drenaje

5.2 Importacin del Ro de CIVIL 3D desde HEC RAS

Una vez realizada la exportacin del ro desde CIVIL 3D de manera correcta, lo

siguiente es abrir el HEC RAS e importar la data exportada desde CIVIL 3D. En la Figura

N5.8 se muestra el cono del HEC RAS, el cual aparece por defecto en el escritorio de

una PC, luego de instalar el programa.

Figura N5.8: cono del HEC RAS

Al abrir el programa sale la ventana mostrada en la Figura N5.9.

Figura N5.9: Ventana de Entorno del HEC RAS

Es importante revisar antes de iniciar un proyecto en HEC RAS, las unidades que

reconocer el programa, para la imagen de la Figura N5.9, las unidades estn en el

Sistema Internacional de Unidades (S.I.), no obstante el HEC RAS tambin puede trabar

con el sistema ingls. En la Figura N5.10 se muestra como el usuario puede elegir con

que unidades trabajar en HEC RAS.

Figura N5.10: Eleccin del Sistema de Unidades en HEC RAS

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Drenaje

Definidas las unidades con que se trabajar en HEC RAS, se deber crear un nuevo

proyecto en el programa. En la Figura N5.11 se muestra como el usuario podr crear

un nuevo proyecto, y tambin se muestran otras diversas opciones que ofrece la

pestaa File del HEC RAS.

Figura N5.11: Creacin de un Proyecto en HEC RAS

Para definir un proyecto en HEC RAS, hay que introducir el nombre y ubicacin del

mismo, tal como lo ilustrado en la Figura N5.12.

Figura N5.12: Definicin de un Proyecto en HEC RAS

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Drenaje

Luego de haber creado el proyecto del ro en HEC RAS, deber importarse la geometra

(topografa) del ro que se obtuvo en CIVIL 3D. En la Figura N5.13 se muestra el botn

del editor de geometras del HEC RAS y en la Figura N5.14 su respectiva ventana de

entorno.

Figura N5.13: Definicin de Geometras en HEC RAS

Figura N5.14: Editor de Geometra del HEC RAS

En la Figura N5.15 se muestra la opcin para poder importar la topografa del ro que

se obtuvo en CIVIL 3D al HEC RAS.

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Drenaje

Figura N5.15: Importador de Data Topogrfica en HEC RAS

Luego de dar click en la respectiva opcin, saldrn una serie de ventanas, las cules son

mostradas en desde la Figura N5.16 a la Figura N5.18.

Figura N5.16: Importador Topogrfico en HEC RAS (Unidades)

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Drenaje

Figura N5.17: Importador Topogrfico en HEC RAS (Cauce Principal)

Figura N5.18: Importador Topogrfico en HEC RAS (Secciones Transversales)

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Drenaje

En la Figura N5.19 se muestra como se ver la ventana del editor de geometra del

HEC RAS una vez importada la data topogrfica del CIVIL 3D. Las lneas de color verde

corresponden a las secciones transversales.

Figura N5.19: Data Importada del CIVIL 3D en HEC RAS

Una vez culminada la importacin en HEC RAS, se debe revisar que la importacin haya

sido correcta. El primer chequeo ser ver el dibujo en planta del lveo (eje) del ro, en

este caso vemos que efectivamente coincide con el ro visualizado en Civil 3D. El

segundo chequeo corresponder al control de las secciones transversales del ro. Para

poder visualizar las secciones transversales se deber dar click en el cono mostrado en

la Figura N5.20.

Figura N5.20: Editor de Secciones Transversales en HEC RAS

En este caso se elegir la seccin transversal N80 para controlar, los resultados de

este control son mostrados en la Figura N5.21 y la Figura N5.22. Como se podr

apreciar coinciden tanto las cotas de ambos programas, como el ancho de la seccin

transversal N80, lo mismo podr verificarse seccin por seccin. Una observacin es

que el HEC RAS no coloca el eje del ro en la parte central, como si lo hace el CIVIL 3D,

pero esto no afecta el anlisis y clculo hidrulico.

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Drenaje

Figura N5.21: Seccin Transversal N80 en HEC RAS

Figura N5.22: Seccin Transversal N80 en CIVIL 3D

El HEC RAS tiene una opcin para interpolar secciones transversales y as poder

obtener ms secciones de anlisis, no obstante para el presente estudio no se plante

aumentar secciones, ya que se consider que el nmero 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 geometra del cauce. Recordando los

parmetros hidrulicos que faltan, tenemos a la pendiente del cauce, el coeficiente de

Manning del ro, y por ltimo los caudales de diseo.

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Drenaje

5.3 Clculo del Coeficiente de Manning del Ro (n)

Se eligi determinar el coeficiente de Manning del ro, utilizando la frmula de Ven Te

Chow, la cual es la siguiente:

Del Cuadro 2.1:

Reemplazando: ( )

Luego habr que introducir el coeficiente de Manning al HEC RAS. En la Figura N5.23

se muestra la opcin para poder ingresar los coeficientes de Manning al HEC RAS, y en

la Figura N5.24 se muestra la tabla de valores que reconocer el HEC RAS, una vez que

se le ingrese los respectivos valores.

Figura N5.23: Ingreso del Coeficiente de Manning al HEC RAS

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Drenaje

Figura N5.24: Tabla de Coeficientes de Manning en HEC RAS

En la tabla de coeficientes, seleccionar todas las columnas correspondiente, dar click

en el botn Set Values e ingresar el valor correspondiente de 0,018 tal como se ilustra

en la Figura N5.25. Con eso ya estaran todas las secciones trasversales con sus

coeficientes de Manning.

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Drenaje

Figura N5.25: Coeficientes de Manning ingresados en HEC RAS

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Drenaje

5.4 Clculo de la Pendiente del Ro

Para calcular la pendiente del rio, se utiliz el perfil longitudinal del ro trazado en CIVIL

3D. En la Figura N5.26 se muestra la progresiva de la cota inferior del ro y en la Figura

N5.27 se muestra la progresiva de la cota superior del ro, obtenidas a partir del prefil

longitudinal.

Figura N5.26: Progresiva de la Cota Inferior del Ro

Figura N5.27: Progresiva de la Cota Superior del Ro

Luego se calcul la pendiente del ro, considerando una pendiente promedio mediante

la siguiente relacin:

Reemplazando los respectivos valores:

Finalmente se obtuvo:

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Drenaje

5.5 Ingreso de Caudales al HEC RAS

El anlisis hidrulico se realiz en condicin de flujo permanente, no obstante el HEC

RAS no se limita a esta nica condicin, ya que el programa puede hacer clculo con

flujo no permanente, hidrograma de entrada, entre otras opciones ms. Para hacer un

anlisis con flujo permanente hay que dar click en el cono mostrado en

Figura N5.28: Ingreso de un Flujo Permanente en HEC RAS

Luego de dar click en el respectivo cono, aparecer la ventana mostrada en la Figura

N5.29. En la ventana se deber ingresar por lo menos una seccin transversal de

control, por defecto aparece la seccin N840, por ser la seccin ms aguas arriba de

todas las ingresadas al HEC RAS, no obstante se puede ingresar ms secciones de

control dando click en el botn correspondiente mostrado en la Figura N5.29. El

caudal en el caso de trabajar con el Sistema Internacional de Unidades, deber ser

ingresado en m3/s.

Figura N5.29: Ventana para Flujo Permanente en HEC RAS

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Drenaje

En este anlisis hidrulico se eligi trabajar con una sola seccin de control

correspondiente a la seccin N840, sobre esta seccin se aplicaron las condiciones de

borde. Posteriormente se ingresaron los caudales correspondientes a los periodos de

retorno de 100 y 500 aos. Por ser dos caudales a analizar en nmero de perfiles de

flujo deber ponerse 2, luego un enter y automticamente aparecern dos casillas en

las cules se colocarn los caudales de periodos de retorno de 100 y 500 aos, 850

m3/s y 1050 m3/s respectivamente, tal como se muestra en la Figura N5.30.

Figura N5.30: Caudales Ingresados en HEC RAS (Sin Editar)

Los perfiles de flujo se pueden editar a gusto del usuario, para ello bastar dar click en

la opcin mostrada en la Figura N5.31.

Figura N5.31: Editor de Nombre de Perfiles de Flujo en HEC RAS

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Drenaje

Una vez dado click en el editor de nombre de perfiles de flujo en HEC RAS, aparecer la

ventana mostrada en la Figura N5.32 en la cual simplemente se podr modificar a

conveniencia el nombre del perfil de flujo respectivo.

Figura N5.32: 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 N5.33.

Figura N5.33: Caudales Ingresados en HEC RAS (Nombres Editados)

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Drenaje

En la Figura N5.34 se muestra la ventana para condiciones de borde del HEC RAS, el

programa ofrece mltiples opciones para el control de borde. El botn Known W.S.

sirve para ingresar como control un nivel de agua conocido, Critical Depth es para

garantizar condiciones de flujo crtico, 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 funcin de niveles de agua, esta opcin puede ser til

cuando se cuente con informacin completa y segura de una estacin hidromtrica

que genere este tipo de curvas.

Figura N5.34: Ventana para Condiciones de Borde en HEC RAS

Para el anlisis se decidi utilizar las condiciones de control en funcin de la pendiente.

Figura N5.35: Ingreso de la Pendiente Aguas Arriba en HEC RAS

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Drenaje

Figura N5.36: Ingreso de la Pendiente Aguas Abajo en HEC RAS

Luego de introducir las pendientes aguas arriba y aguas de debajo de la seccin de

control (seccin N840), la ventana quedar como la mostrada en la Figura N5.37.

Figura N5.37: Condiciones de Borde en HEC RAS

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Dpto. Acadmico de Hidrulica e Hidrologa Drenaje

5.6 Clculos Hidrulicos sin Puente en HEC RAS

Falta redactar

5.7 Ingreso de un Puente al HEC RAS

Falta redactar

5.8 Clculos Hidrulicos con Puente en HEC RAS

Falta redactar

5.9 Clculo de la Socavacin con HEC RAS

Falta redactar

Cartula para el Ejm de Aplicacin (VDOF)Ejm de Aplicacin con HEC RAS (VDOF)Ejm de Aplicacin con HEC RAS (VDOF)

Aplicación con HEC RAS

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