Aplicaciones Practicas de Hec-Ras

_________________________________________Capitulo 17-18.Aplicaciones Prácticas de Hec-Ras

1

CAPITULO 17-18. APLICACIONES PRÁCTICAS DE HEC-RAS

El objetivo de este capítulo es la descripción de una serie de herramientas o elementos del Programa Hec-Ras muy útiles para el cálculo hidráulico. Algunos de estos elementos tienen la importante función de simular un flujo tridimensional en un cálculo unidimensional, como es el de Hec-Ras. La variabilidad geométrica del cauce de un río/riera y del flujo asociado es aproximada mediante el cálculo.

1 UNIONES (JUNCTIONS).

En este apartado se pretende aplicar los dos modos de cálculo de uniones que permite Hec-Ras. Un esquema descriptivo de la geometría de la unión se presenta en la Figura 17.1, en la que aparecen las 3 secciones de cálculo (1 aguas abajo y 2 aguas arriba del punto de unión). Los métodos de cálculo son a través de la ecuación de energía y de la ecuación de momentum. Esta opción se escoge directamente a través del botón de la ventana de Geometric Data� Edit existing junctions (ver Figura 17.2).

Figura 17.1. Diagrama de la unión con la sección de aguas abajo (3.0) y las dos de aguas arriba (4.0 y 0.0). Los ángulos θ1 y θ2 se toman respecto al eje del tramo de aguas abajo.

Figura 17.2. Ventana de los datos de la Unión (Junction Data).


2

Figura 17.3. Ventana de Geometric Data con la Unión creada y la ventana de propiedades. Para crear las unión de los ríos abrimos la geometría del Tramo Principal, y seguidamente

importamos la geometría del Ramal (Geometric Data�File�Import Geometry Data�HecRas

Format). Una vez presentes ambas geometrías, el siguiente paso consiste en crear la Unión (Junction). Mediante Geometric Data� Edit�Move Object, movemos el punto del extremo final del Ramal y lo unimos al eje del Tramo Principal en el punto de interés (entre las 2 secciones correspondientes). A continuación se debe indicar la posición entre secciones y dar un nombre a la Unión. Una vez creada, se debe ir a la ventana de Junction Data e introducir los datos geométricos:

Junction Lenghts: Distancia entre la sección de aguas abajo y las dos de aguas arriba (longitud entre 3.0 y 4.0 y entre 3.0 y 0.0).

Tributary Angle: Ángulos (en grados) entre tramos, sólo para el cálculo por Momentum (según Figura 17.1).

En el ejemplo práctico se trata de calcular una unión bajo distintas condiciones hidráulicas, tanto de caudal como de régimen. Se realizará una comparación entre los métodos de energía y Momentum para determinar la influencia de los ángulos de unión.

Un comentario importante a realizar es sobre la conservación de caudales en la Unión. Hec-Ras no impone esta condición y debe ser el usuario quien introduzca los 3 caudales de la Unión. La no conservación de caudal en las uniones tiene sentido en la simulación de subcuencas con distintos tamaños de lluvia de diseño (con picos de hidrograma no coincidentes en el tiempo). Los caudales pico son introducido en la unión de los ríos sin considerar continuidad.

El ejemplo consta de 3 casos: CASO (1): Los caudales son 150 m3/s por el Tramo Principal y 15 m3/s por el Ramal. Las

Condiciones de Contorno son de Calado Normal. Se calcula por Energías (Plan 1E) y por Momentum (Plan 1M).


3

CASO (2): Los caudales son 150 m3/s por el Tramo Principal y 30 m3/s por el Ramal. Las Condiciones de Contorno son de Calado Normal. Se calcula por Energías (Plan 2E) y por Momentum (Plan 2M).

CASO (3): Los caudales son 150 m3/s por el Tramo Principal y 30 m3/s por el Ramal. Las Condiciones de Contorno son el Calado Normal en las secciones de aguas arriba y una cota impuesta en la sección final. Se calcula por Energías (Plan 3E) y por Momentum (Plan 3M).

Figura 17.4. Perfiles longitudinales de calados del caso (1): Plan 1E (Energía) y 1M(Momentum).

Figura 17.5. Perfiles longitudinales de calados del caso (2) : Plan 2E (Energía) y 2M(Momentum).

0 200 400 600 8000

2

4

6

8

10

Main Channel Di stance (m)

Ele

vatio

n (m

)

Legend

crit ico - Pl an 1E

crit ico - Pl an 1M

Lam ina - Plan 1M

Lam ina - Pl an 1E

Lecho

2...

40..

.

60..

..

80..

..

100

....

120

.*...

140

160

180

.*

200

220

238

.*

256

.*

274

.*

292

.*

310

.*

328

.*

346

.*

364

.*

382

.*

400

417

.5*

435

439

.33

3*

443

.66

6*

448

.*

452

.33

3*

456

.66

6*

461

.*

465

.33

3*

469

.66

6*

474

.*

478

.33

3*

482

.66

6*

487

.*

491

.33

3*

495

.66

6*

500

T ramo principal Tramo baj oTramo pri ncipal Tramo 1

Ramal Ramal

0 200 400 600 8000

2

4

6

8

10


Ele

vatio

n (m

)

Legend

critico - Pl an 2E

critico- Plan 2M

Lam ina- - Plan 2M

Lam ina- Plan 2E

Lecho

2...

40..

.

60..

..

80..

..

100

....

120

.*...

140

160

180

.*

200

220

238

.*

256

.*

274

.*

292

.*

310

.*

328

.*

346

.*

364

.*

382

.*

400

417

.5*

435

439

.33

3*

443

.66

6*

448

.*

452

.33

3*

456

.66

6*

461

.*

465

.33

3*

469

.66

6*

474

.*

478

.33

3*

482

.66

6*

487

.*

491

.33

3*

495

.66

6*

500

T ramo pri ncipal Tramo baj oTramo pri ncipal Tramo 1

Ramal Ramal


4

Figura 17.6. Perfiles longitudinales de calados del caso (3) : Plan 3E (Energia) y 3M(Momentum).

En el caso (1), ver Figura 17.4, se puede comprobar la diferencia de soluciones aportadas por cada uno de los métodos. El cálculo de energía Plan 1E ofrece una solución completamente en rápido (supercrítico) para los 2 tramos de entradas, la unión y el tramo de salida. Según en este cálculo de energías, el caudal del Ramal no aporta suficiente momentum como para cambiar el régimen rápido del Tramo Principal. Recordemos que en la ec. de energía no se tiene en cuenta los ángulos de incidencia de los tramos. En contra, el cálculo de Momentum sí considera los ángulos y la solución Plan 1M considera un funcionamiento bien distinto de la unión, pues la Fuerza Específica del Ramal en régimen rápido no es suficiente y provoca un resalto hidráulico (cambio de régimen) en su unión. Por su parte es el Tramo Principal el que llegando en régimen rápido se frena hasta el calado crítico en el tramo de salida y se acelera hacia el calado normal. En consecuencia, en régimen rápidos la influencia de los ángulos de unión suele ser bastante importante y la ec. de Momentum ofrece un resultado más ajustado a la realidad.

En el caso (2) se incrementa el caudal del Ramal hasta 30 m3/s. El resultado en energías (Plan 2E) es en este caso muy parecido al de Momentum (Plan 2M):la incorporación de caudal del Ramal provoca un resalto hidráulico en el Tramo Principal justo en la zona de la unión, resalto que, inmediatamente vuelve a pasar al régimen rápido del tramo de salida. El tramo del Ramal funciona el régimen lento la mayor parte de su longitud como efecto de la sobreelevación en la unión.

Las diferencias de solución entre método de energía y Momentum son incluso más reducidas en el caso (3), donde la unión funciona en régimen lento. Con los caudales anteriores se fuerza la condición de contorno en la sección final hasta que todo tramo bajo funciona completamente en régimen lento, con fuerza específica suficiente para que los dos tramos superiores sufran un cambio de régimen (resalto) y funcionen a su vez en régimen lento en las proximidades de la unión. Debemos destacar la poca influencia de los ángulos menores de 35º en funcionamientos en régimen lento.

0 200 400 600 8000

2

4

6

8

10

Main Channel Distance (m)

Ele

vatio

n (m

)

Legend

Lam ina- Plan 3M

Lam ina - Plan 3E

critico - Pl an 3M

critico- Plan 3E

Lecho

2...

40..

.

60..

..

80..

..

100

....

120

.*...

140

160

180

.*

200

220

238

.*

256

.*

274

.*

292

.*

310

.*

328

.*

346

.*

364

.*

382

.*

400

417

.5*

435

439

.33

3*

443

.66

6*

448

.*

452

.33

3*

456

.66

6*

461

.*

465

.33

3*

469

.66

6*

474

.*

478

.33

3*

482

.66

6*

487

.*

491

.33

3*

495

.66

6*

500

T ramo principal Tramo bajoTramo principal Tramo 1

Ramal Ramal


5

2 SUBRUTINA DE FLUJO UNIFORME.

Hec-ras incorpora una pequeña subrutina o función que permite calcular el régimen uniforme de cualquier sección. El régimen uniforme debe cumplir que So=Sf. La utilidad de este módulo es grande, sobretodo para secciones irregulares y naturales. Para acceder a él se debe utilizar el módulo de Hydraulic Design de la Ventana Principal, y seleccionar el Type: Uniform Flow.

Figura 17.7. Ventana del Uniform Flow Una vez seleccionada la sección transversal deseada (River Sta) de la geometría (también

se puede crear in situ), se debe introducir el factor de rugosidad (Roughness). Existen 6 opciones o formulaciones distintas para introducir el factor de rugosidad en el río. Se puede escoger entre:

• Manning • Keulegen • Strickler • Limerinos • Bronwlie • Curvas de Retardo de Vegetación (USGS).

Para la fórmula de Strickler se necesita el d50 de la granulometría, para Limerinos y

Bronwlie debe introducirse la granulometría del lecho. Para las curvas de retardo de coberturas vegetadas debe escogerse de la Clase A a la Clase E en función de las propiedades de la hierba (altura, densidad, madurez).

La versatilidad del cálculo es total: en base a las cuatro variables implicadas en el calculo del régimen normal o uniforme (pendiente So, Caudal Q, calado normal yn, coeficiente de rugosidad n) podemos hallar cualquiera de ellas en función de las otras tres. Tan sólo basta


6

con introducir todos los tres datos conocidos, seleccionar la casilla de la incógnita y presionar el botón Compute. Automáticamente aparece el resultado. En la Figura 17.7 aparece la ventana del Uniform Flow con el cálculo del calado normal en función del resto de variables.

3 GRAFICAL CROSS SECTION EDIT TOOL.

Esta herramienta resulta de suma utilidad para editar y modificar la geometría de las secciones transversales. El acceso es a través de la ventana de Geometric

Data�Tools�Graphical Cross Section Edit. En la Figura 17.8 se muestra un ejemplo de las posibilidades de esta herramienta.

Figura 17.8. Ventana del Grafical Cross Section Editor. Las opciones (botón derecho del ratón) consisten en mover puntos (u objetos), borrar

puntos (u objetos) e insertar puntos. Se pueden crear canales artificiales, cambiar pendientes de talud, etc. de modo muy visual y rápido. Permite, además, introducir, mover y modificar los elementos adicionales tipo Levees, Áreas Inefectivas y Áreas de Obstrucción. Es muy útil para situar y mover los Bankers hacia los puntos correctos.


7

4 ELEMENTOS DE RESTRICCIÓN DE FLUJO EN LAS SECCIONES.

Los elementos que Hec-Ras incorpora para la modificación del flujo en las secciones son de 3 tipos:

• Diques o Motas (Levees) • Áreas Inefectivas (Ineffective Areas) • Áreas de Obstrucción (Obstruction Areas)

A continuación se comentará cada uno de ellos, sus características principales y ejemplos prácticos de uso.

4.1 Diques o Motas (Levees).

Este elemento tiene como principal función la limitación de las zonas de cálculo dentro de la sección transversal, y Hec-Ras realiza el balance de energía teniendo en cuenta sólo la región entre Levess. En secciones naturales muchas veces conviene descartar ciertas zonas del cálculo de flujo, o porque son zonas claramente no inundables o porque no conviene inundar según nuestras hipótesis de cálculo. Las Levees permiten simular diques de protección (motas de avenida) en los ríos, limitando el dominio de cálculo a la zona encauzada. En la Figura 17.9 se presenta un ejemplo de uso de Levee en función de Dique o mota natural para evitar el desbordamiento lateral.

Una de las propiedades más importantes de las Levees es que, una vez el flujo entra en contacto con ella, se introduce Perímetro Mojado (reducción de Rh), ya que se supone ley de pared del flujo en la zona de contacto del dique (rugosidad de la superficie + velocidad de corte).

Figura 17.9. Ejemplo de uso de Levees en una sección transversal.

El uso de la Levee tiene muchísima influencia en el cálculo del calado crítico de la sección

(yc), y en consecuencia, de los niveles de agua. Se debe recordar que un resultado en el cual la Levee se encuentre sumergida (bajo el nivel de agua) no es correcto ya que al flujo se le debe dar todo el ancho de cálculo necesario en caso de desbordamiento.

0 100 200 300 400 500 600 7000

5

10

15

20

25

RS = 767.304

Stati on (m)

Ele

vatio

n (m

)

Legend

Lam ina

Crítico

2 m/s

3 m/s

4 m/s

5 m/s

Terreno

Levee

Bank Sta

Levee derecha

Levee izquierda


8

4.2 Áreas Inefectivas (Ineffective Areas).

La función de las Areas Inefectivas es, como su propio nombre indica, la de definir regiones dentro de la sección donde las velocidades sean prácticamente nulas (flujos no activos o zonas de aguas muertas). En estas regiones se considera velocidad U=0, de modo que no intervienen en el cálculo de la “Conveyance” del programa, pero sí se considera como Área mojada. Por tanto, es agua que existe, acumulada, pero no transporta momentum (sin flujo). Otras de las propiedades importantes es que no incrementa Perímetro mojado en la sección, en el sentido que, al no existir velocidad en ella, no aparecen fenómenos de pérdidas de energía por rugosidad de pared o lecho.

Ejemplos claros de uso necesario de Áreas Inefectivas en el cálculo fluvial son:

1. Fenómenos abruptos de estrechamiento y expansión de flujo: en puentes, obras de paso y/o obstáculo en el cauce, las líneas de corriente se ven modificadas y aparecen zonas de aguas muertas, vórtices coherentes de gran escala (reflujos), que no transportan momentum (U=0). Estas zonas deben ser definidas geométricamente, sección por sección, según el criterio del ingeniero, tanto aguas arriba como aguas debajo de la estructura.

2. Desbordamiento de llanuras de inundación en avenida: Bajo la premisa ineludible (y limitación) del cálculo unidimensional de Hec-Ras, los fenómenos puramente bidimensionales de desbordamiento lateral de las llanuras de inundación en avenidas son difícilmente simulables. Una vez el flujo inunda toda la planicie, el perímetro mojado aumenta mucho, el Radio hidráulico crece muy poco y las velocidades en la llanura son prácticamente nulas. Las llanuras de inundación son acumulaciones de aguas sin apenas movimiento, pero que dan un nivel a tener en cuenta. Las Áreas Inefectivas ayudan a reproducir este fenómeno de modo muy aproximado. Se asignan como áreas inefectivas las zonas de las llanuras de inundación más alejadas del flujo principal, las cuales no reciben transmisión momentum lateral. Las distancias a partir de las cuales se deben situar las Áreas Inefectivas deben ser estimadas por el propio ingeniero en función de su experiencia.

Figura 17.10. Ejemplo de uso de Areas Inefectivas para simular estrechamiento por puentes. 3973.144

3881.4603817.885

3607.208

3550.289

3481.533

3426.8823386.04*

3345.204

3311.623

3246.239

3187.631

3172.600

3149.375

3113.094

3031.503

2988.333

2930.067

2901.528

2830.2682598.6532504.432


9

Figura 17.11. Ejemplo de uso de Areas Inefectivas en un desbordamiento por avenida. En el caso que se comentaba anteriormente consistente en un cálculo que daba resultado

un dique sumergido o desbordado (Levee desbordada), debe eliminarse dicha levee y situar áreas inefectivas para la inundación de la llanura como criterio hidrodinámico.

Existe la opción de definir las áreas inefectivas como Permanentes o No permanentes. Las No Permanentes son áreas inefectivas que se dejan de tener en cuenta en el cálculo si se ven superadas por la lámina de agua. La opción de mantener todas las áreas en modo Permanente se realiza en la ruta Geometric Data�Tools�Ineffectiva Areas-Set to Permanent Mode.

4.3 Áreas de Obstrucción (Obstruction Areas)

La función de las áreas de obstrucción es la de definir regiones de la sección en las cuales no existe flujo, por la presencia de obstáculos. Dichas regiones se excluyen del cálculo, no intervienen en la “Conveyance”, ni en el cálculo de área mojada, pero, eso sí, aportan Perímetro mojado al cálculo, dado que las velocidades de corte en sus superficies no son nulas.

Existen dos modalidades de introducción geométrica de las áreas de obstrucción: Normal Obstrucción Area (1 punto) o Blocked Area (2 puntos), en función de si la obstrucción es desde un punto hacia el exterior de la sección, o bien es una zona definida entre dos puntos determinados (bloque).

La utilidad de esta herramienta está en la simulación de elementos de obstrucción al flujo que se pueden encontrar de modo natural (árboles, grandes rocas) o artificial (muros verticales, casas, edificios, naves industriales) en el entorno fluvial y afecten al flujo.

0 200 400 600 800 10006

8

10

12

14

16

18

20

22

RS = 1321.053

Stati on (m)

Cota

(m

)

Legend

Lam ina

Cri tico

0 m/s

1 m/s

2 m/s

3 m/s

4 m/s

5 m/s

Terreno

Area Inefectiva

Bank Sta

.06 .025

.06

Area Inefectiva

derecha

Area Inefectiva

izquierda


10

Figura 17.12. Ejemplo de uso de Blocked Obstruction Areas en el cálculo de un encauzamiento.

4.4 EJEMPLO 1: Uso de Levees y Areas Inefectivas para el cálculo de desbordamiento en avenida.

Este primer ejemplo práctico propuesto trata de simular mediante Hec-Ras el efecto de la inundación lateral de llanuras en grandes avenidas. Para ello se utiliza una geometría natural pre-existente en la que se reproduce el cauce principal (de aguas altas) y las llanuras de inundación. La anchura media de las secciones naturales trazadas es de 800 a 1000 m, con el propósito de estudiar fenómenos de avenida de gran caudal e inundación. Una imagen del cauce que sirve de ejemplo aparece en la Figura 17.13, de gran anchura (90-100 m) y extensas llanuras de inundación. En la Figura 17.14 se muestra un ortofotomapa de la zona y en la Figura 17.15 una sección típica de cálculo.

Figura 17.13. Fotografía del cauce de aguas altas del ejemplo 1.

250 300 350 400

2

3

4

5

6

7

8

RS = 264.445

Stati on (m)

Ele

vatio

n (m

)

Legend

Lam ina

Cri tico

3 m/s

4 m/s

5 m/s

6 m/s

Block Obstrucc

Terreno

Levee

Bank Sta

.035 .03 .035

Blocked

Obstruction Area


11

Figura 17.14. Ortofotomapa del cauce fluvial del ejemplo 1, donde aparecen las secciones de cálculo.

Figura 17.15.Sección transversal del ejemplo 1 (llanura extensa y de baja pendiente en el margen derecho).

0 200 400 600 80010

15

20

25

30

35

RS = 2645.751

Stati on (m)

Ele

vatio

n (m

)

Legend

Terreno

Bank Sta

.06 .025

.06


12

Se calculan 3 caudales distintos de avenida {Q=350, 960 y 1250 m3/s}, los dos últimos de desbordamiento de cauce principal. Las Condiciones de Contorno establecidas son de calado normal.

La metodología del ejemplo consiste en: (1) cálculo hidráulico sin ningún tipo de restricción (Sin Levees), (2) Introducción de Levees según el resultado hidráulico previo y la geometría, y cálculo iterativo, con corrección de la posición de las Levees; (3) introducción de Areas Inefectivas en las llanuras inundadas y cálculo final.

PASO (1): Iniciamos el cálculo con la geometría sin restricciones (leeves.g01) en las que no aparecen levees ni Areas Inefectivas. En la figura 17.16 se muestra el resultado de lámina de agua para los 3 caudales, en los cuales los 350 m3/s no desbordan el cauce de inundación, pero los 2 mayores llegan a inundar toda la llanura formando brazos extensísimos. Los errores de cálculo son inevitables: no convergencia en el número de iteraciones máximo, calados críticos múltiples, y mal resueltos, soluciones al crítico por defecto. El cálculo resulta muy poco controlado pues los cambios de sección son demasiado grandes y abruptos.

Figura 17.16.Resultados en una sección de cálculo para el Paso (1), sin levees ni Areas infectivas.

PASO (2): Utilizando el Graphical Cross Section Editor, y comenzando desde la

sección más aguas arriba, se introducen las Levees en las posiciones y alturas que parezcan más adecuadas, aprovechando puntos altos de la geometría (motas naturales), reduciendo en lo posible la separación del flujo (Split flow) en brazos, siempre bajo la óptica de la hidrodinámica del flujo en avenidas. La nueva geometría con el primer grupo de Levees (levees.g02) se muestra en la figura 17.17. Como se puede apreciar a través de la Figura 17.14, estos puntos elevados donde se sitúan las Levees se corresponden con el talud o plataforma de la carretera que circula paralela al río por el margen derecho del río. El resultado del cálculo numérico presenta una inundación más uniforme y coherente para los grandes caudales. No obstante, se debe rastrear en las secciones aquellas Levees que durante el cálculo hayan quedado sumergidas, pues entonces deberán ser desplazadas a otro punto alto de la sección y vuelta al cálculo hidráulico. Este proceso es de carácter iterativo hasta que finalmente se obtiene una solución con las Levees emergentes (no sumergidas) y un flujo más

200 300 400 500 600 700

14

16

18

20

22

RS = 2792.847

Station (m)

Ele

vation (

m)

Legend

Lamina Q=1250 m3/s

Lamina Q=960 m3/s

Crit Q=1250 m3/s

Crit Q=960 m3/s

Lamina Q=350 m3/s

Crit Q=350 m3/s

1 m/s

2 m/s

3 m/s

4 m/s

5 m/s

Terreno

Bank Sta

.06 .025

.06


13

uniforme. Un criterio importante a seguir es el de continuidad en la inundación, de forma que si una Levee es desbordada en una sección aguas arriba, y el flujo se expande hacia el exterior, la siguiente sección debe tener en cuenta ese vertido. En consecuencia, probablemente sea correcto desplazar la Leeve de la sección aguas abajo para permitir la inundación que proviene de aguas arriba.

Figura 17.17.Vista tridimensional (desde aguas abajo hacia aguas arriba) del cauce y las nuevas levees en los puntos altos del cauce.

Figura 17.18.Resultados en una sección de cálculo para el Paso (2), con levees incorporadas. En la Figura 17.18 se muestra el resultado de inundación en una sección transversal donde

la Levee restringe el flujo. En la Figura 17.18 aparece el perfil longitudinal de alturas de agua para el Paso (2)-con Leeves y su comparación con el Paso(1)-sin Leeves. En el nuevo cálculo el número de errores por no convergencia disminuyen mucho y se observan unos calados

200 300 400 500 600 700

14

16

18

20

22

RS = 2792.847

Stati on (m)

Ele

vatio

n (m

)

Legend

Lam ina Q=1250 m3/s

Lam ina Q=960 m3/s

Cri t Q=1250 m3/s

Cri t Q=960 m3/s

Lam ina Q=350 m3/s

Cri t Q=350 m3/s

1 m/s

2 m/s

3 m/s

4 m/s

5 m/s

Terreno

Levee

Bank Sta

.06 .025

.06


14

críticos más continuos y uniformes a lo largo del perfil, cosa que mejora enormemente el cálculo.

A la vista de la Figura 17.19 se ha mejorado mucho el cálculo, pero todavía hace falta la consideración de las Areas Inefectivas en las llanuras de inundación.

Figura 17.19. Perfil longitudinal de niveles de agua (Curva de remanso), niveles críticos y Levees. Se comparan los casos (1) sin Levees y (2) con Leeves.

PASO (3): De nuevo utilizando el Graphical Cross Section Editor, se definen aquellas

zonas de la llanura de inundación que se deben convertir en Areas Inefectivas ante una expansión lateral del flujo de grandes dimensiones. El criterio vendrá definido con el conocimiento del río, visitas técnicas, ortofotomapas, densidad de vegetación y/o construcciones, así como por distancias máximas de difusión de de momentum transversal entre el flujo principal y las aguas de acumulación de la llanura (ver Figuras 17.20 y 17.21).

0 100 200 300 400 500 600 700 80010

15

20

25

30


Ele

vatio

n (m

)

Legend

Lam ina Q=1250 m3/s - Con levees

Cri t Q=1250 m3/s - Con l evees

Cri t Q=1250 m3/s - Si n levees

Lam ina Q=1250 m3/s - Sin l evees

Lecho

Levee Derecha

Francoli Francoli


15

Figura 17.20. Imagen de la rotura de un dique (Levee) y desbordamiento hacia las llanuras de inundación. Desastre del Katrina en New Orleans, USA.(web: www.WWLTV.com).

Figura 17.21. Rotura de un dique (Levee) del lago Portchartrain y desbordamiento hacia las llanuras de inundación. Desastre del Katrina en New Orleans, USA.(Fuente-web: www.washingtonpost.com).

La metodología del Área Inefectiva resulta más adecuada que la alternativa a incrementar

la rugosidad en dichas zonas (n Manning grande). Una rugosidad excesiva provoca una disminución de velocidades y un aumento de niveles, pero el fenómeno de acumulación de agua poco tiene que ver más con la falta de transferencia lateral de momentum que con altos coeficientes de fricción.


16

Figura 17.22. Vista tridimensional (desde aguas abajo hacia aguas arriba) del cauce, levees en los puntos altos del cauce y Areas Inefectivas en las llanuras de desbordamiento.

Figura 17.23.Resultados en una sección de cálculo para el Paso(3), con levees y areas inefectivas..

200 300 400 500

14

16

18

20

22

RS = 2792.847

Stati on (m)

Ele

vatio

n (m

)

Legend

Lam ina Q=1250 m3/s

Lam ina Q=960 m3/s

Cri t Q=1250 m3/s

Cri t Q=960 m3/s

Lam ina Q=350 m3/s

Cri t Q=350 m3/s

1 m/s

2 m/s

3 m/s

4 m/s

5 m/s

Terreno

Levee

Area Inefectiva

Bank Sta

.06 .025

.06


17

Figura 17.24. Perfil longitudinal de niveles de agua (Curva de remanso), niveles críticos y Levees. Se comparan los pasos (2) con Levees y (3) con Leeves y Areas Inefectivas.

La Figura 17.22 muestra la colocación de las Areas Inefectivas en las llanuras en una vista

3D. Una sección transversal con los 3 niveles de cálculo y las áreas inefectivas resultantes se presenta en la Figura 17.23. La comparación entre las láminas de agua de los pasos (2) y (3) se presenta en la Figura 17.24; en ella se puede observar la reducción generalizada de los niveles al utilizar las Areas Inefectivas, como efecto de la reducción de la zona activa (de Conveyance). El número de errores de cálculo se reduce (soluciones convergentes distintas del crítico) y la solución presenta una comportamiento mejor balanceado.

4.5 EJEMPLO 2: Uso de Levees y Blocked Obstruction Areas para el cálculo de encauzamientos.

En este ejemplo se trata de modelar un encauzamiento real con base en el uso de Levees y áreas de obstrucción. En la Figura 17.25 se muestra el encauzamiento del río (río Francolí a su paso por Tarragona) con muros verticales de 3 m.

0 200 400 600 80010

15

20

25

30


Ele

vatio

n (

m)

Legend

Lam ina Q=1250 m3/s - Con l evees

Cri t Q=1250 m3/s - Con l evees

Lam ina Q=1250 m3/s - levees+Inefe

Cri t Q=1250 m3/s - levees+Inefe

Lecho

Levee Derecha

Francoli Francoli


18

Figura 17.25. Imagen del encauzamiento del ejemplo 2.

La metodología del ejercicio consiste en dos pasos: (1) Simulación de muros mediante Leeves y Blocked Obstruction Areas y cálculo hidráulico; (2) Modificación/Eliminación de Leeves en las secciones desbordadas e introducción de Areas Inefectivas en las llanuras tras los muros del encauzamiento.

Figura 17.26. Vista Tridimensional de la geometría del encauzamiento y el uso de Levees y Areas de Obstrucción.

PASO (1): En función de la geometría y alturas de los muros del encauzamiento se

introducen las Blocked Obstruction Areas en su posición y cota correspondientes. Esta operación puede ser realizada gráficamente o bien sección a sección desde la ventana de


19

Cross Section Data. Para editar la posición y altura de las Levees se puede utilizar, aparte de la opción gráfica/manual, la ventana Geometric Data�Tables�Levees, donde se pueden editar las columnas de datos. En este caso, el uso de programas tipo Excel permite definir alturas precisas sobre cotas de cimentación en el lecho).

Figura 17.27. Ventana de edición de Leeves en las distintas secciones.

Figura 17.28. Perfil longitudinal de lámina de agua, crítico y Leeves (cota superior de muros).

0 200 400 600 8000

2

4

6

8

10

12

14


Ele

vatio

n (

m)

Legend

Cri tico

Lam ina

Lecho

Levee Izquierda

Levee Derecha

4..

.5

7..

.

77

....

92

.8..

.

10

9.6

...

14

5.2

62..

.

17

5.7

71..

.

21

6.6

28

26

4.4

45

34

0.4

71

42

4.2

71

50

1.0

90

57

6.6

04

65

3.5

91

69

7.1

92

72

9.3

03

74

0.3

86

76

7.3

04

81

0.9

30

Encauzado Encauzado 3


20

Las leeves de introducen justo en el borde superior de los muros, restringiendo, en primera instancia el cálculo a la zona interior del encauzamiento. El caudal de cálculo es tal que provoca ciertos problemas de desbordamiento, tal y como se presenta en la Figura 17.28. Aguas arriba de la RS 216 el flujo queda confinado entre muros, pero, debido a las condiciones de salida del encauzamiento, la lámina sube y se registran desbordamientos. En la Figura 17.28 se observa la lámina por encima de las cotas de muro derecho e izquierdo.

En las Figuras 17.29 y 17.30 se presentan 2 secciones de cálculo, la primera sin desbordamiento y la segunda desbordada. Como se ha indicado, una solución con una Leeve sumergida no se considera correcta.

Figura 17.29. Sección transversal del encauzamiento sin desbordamiento

Figura 17.30. Sección transversal del encauzamiento con desbordamiento lateral tras los muros y Leeves sumergidas.

0 100 200 300 400 500 600 700 8001

2

3

4

5

6

7

8

RS = 175.771

Stati on (m)

Ele

vatio

n (m

)

Legend

Lam ina

Cri tico

0 m/s

1 m/s

Terreno

Levee

Bank Sta

.035 .03

.035

0 100 200 300 400 500 600 7002

3

4

5

6

7

8

9

10

RS = 576.604

Stati on (m)

Ele

vatio

n (m

)

Legend

Lam ina

Cri tico

3 m/s

4 m/s

5 m/s

6 m/s

Terreno

Levee

Bank Sta

.035 .03 .035


21

PASO (2): Aquellas Leeves que se ven superadas por la lámina de agua pasan a eliminarse, o en todo caso, se desplazan hacia otros puntos altos de la sección en la llanura de inundación. Se debe permitir la inundación de la zona del trasdós de los muros, de modo que el flujo desbordado se considera de velocidad nula, y los muros actúan ahora como un obstáculo longitudinal a la corriente. Por tanto, se introducen Áreas inefectivas en las secciones aguas abajo de la RS 216 para simular las aguas vertidas. Al eliminar las leeves en estas secciones de la salida del encauzamiento, los niveles de agua se reducen en dicha zona. En la Figura 17.31 se presenta el nuevo perfil longitudinal de niveles de agua, en el que se observa la zona aguas arriba no desbordada y la zona aguas debajo de la RS 216 que se considera ya desbordada. En la Figura 17.32 se muestra una sección ya desbordada, sin las Levees, con las áreas de flujo nulo y el encauzamiento conduciendo el flujo con un nivel de agua más bajo.

Figura 17.31. Perfil longitudinal de lámina de agua, crítico y Leeves (cota superior de muros).

0 200 400 600 8000

2

4

6

8

10

12

14


Ele

vatio

n (m

)

Legend

Lam ina

Cri tico

Lecho

Levee Izquierda

Levee Derecha

4..

.5

7..

.

77

....

92

.8..

.

10

9.6

...

14

5.2

62..

.

17

5.7

71..

.

21

6.6

28

26

4.4

45

34

0.4

71

42

4.2

71

50

1.0

90

57

6.6

04

65

3.5

91

69

7.1

92

72

9.3

03

74

0.3

86

76

7.3

04

81

0.9

30

Encauzado Encauzado 3


22

Figura 17.32. Sección transversal del encauzamiento, sin levees y con desbordamiento lateral tras los muros.

0 200 400 600 8001

2

3

4

5

6

7

8

RS = 175.771

Stati on (m)

Ele

vatio

n (m

)Legend

Lam ina

Cri tico

0 m/s

1 m/s

2 m/s

3 m/s

4 m/s

5 m/s

6 m/s

Terreno

Areas Inefecti vas

Bank Sta

.035 .03

.035


23

5 DELIMITACION GRAFICA DE ZONAS INUNDABLES: PROGRAMA LAMINA

Este programa permite extraer la lámina de inundación calculada por Hec-Ras y

convertirla a un formato DXF. Posteriormente este nuevo formato lo podemos leer desde cualquier programa. La versión de DXF que genera es la 12, por lo que debería ser compatible con cualquier Autocad posterior. Se trata de un programa escrito en Visual Basic 5 por lo que para ejecutarse necesita las librerías asociadas a este programa (Runtime lybraries). Estas se pueden descargar de la página web bajo el nombre de Msvbvm50.exe.

Figura 17.33. Inundación calculada mediante Hec-Ras.

Una vez realizado el proyecto Hec-Ras, y solamente si éste está georeferenciado

(trazado y secciones), podemos pasar al post-proceso que nos permite LAMINA. En primer lugar generaremos un archivo GIS de exportación de datos de inundación (WS.sdf), mediante la opción presente en Hec-Ras en el menú “File” de la pantalla principal.

Una vez escogida esta opción aparecerá un cuadro de diálogo sonde vemos las

diferentes alternativas del fichero que generamos, en primer lugar hemos de escoger el nombre que debe tener el fichero exportado, en general suelen tener la extensión *.sdf


24

Figura 17.34.Opción desde la que exportaremos los datos GIS del proyecto Hec-Ras que hemos calculado.

Una vez escogido el nombre marcaremos las siguientes opciones en el cuadro de

diálogo. Como podemos ver es posible exportar todos los profiles que hayamos calculado, siendo posteriormente el programa capaz de separarlos.

Figura 17.35. Ventana de Exportación GIS de Hec-Ras Una vez realizado este proceso dispondremos de un fichero en el que estarán todos los datos GIS de nuestro proyecto, entre ellos la lamina de inundación calculada por Hec-Ras. Es


25

importante considerar que los datos extraidos tienen las mismas coordenadas que los introducidos, de manera que si hemos georeferenciado nuestras secciones en el huso 30 UTM el resultado nos volverá en esas coordenadas y si superponemos esa capa DXF con la cartografía veremos que coincide.

Realizado este paso ya disponemos del archivo base con el que trabajará Lamina.exe.

Ahora se trata de lanzar el programa. Ejecutamos Lamina v1.0 (Bateman Enterprises).

Figura 17.36. Pantalla de presentación lámina v1.0

Figura 17.37. Acerca de Lamina v1.0. Link a web GITS.

En la pantalla del programa encontramos una ventana de selección en la que podemos escoger el programa y una tabla en la que leemos datos del fichero leído. Una vez seleccionado el archivo en la tabla se leen varios datos de cada uno de los tramos presentes en el fichero.

Entre estos datos encontramos el nombre del tramo, las secciones que tiene, el color

que tendrá la polilinea en Autocad así como el profile al que pertenece. Cada uno de los tramos se colocará en un layer de Autocad diferente, y dentro de estos layers cada profile tendrá un color diferente, de esta manera si cada profile es un periodo de retorno, cada color se asociará a cada periodo de retorno.


26

Figura 17.38. Ventana de generación del archivo CAD.

Vemos que existe una casilla llamada “Procesar” si hacemos doble clic en alguna de las celdas correspondientes a esta columna podemos desactivar la ese tramo de río, es decir en el fichero final no estará presente.

Una vez generado el fichero lo podemos leer con el programa que nos interese, en Autocad

a veces aparece alguna de las layers asociada a un tramo como desactivada, de manera que hay que activarla.


27

Figura 17.39. Ejemplo de láminas de inundación de los archivos .DXF en CAD

La lámina en .DXF es importable directamente mediante software GIS y su visualización

inmediata. Es un método muy rápido y sencillo, pero eficiente, de post-proceso de lámina de inundación. Es una primera aproximación para otro tipo de post-procesos (Geo-HecRas), que deben realizar nuevas intersecciones de la TIN con la superficie de lámina libre de agua (más lento).


28

Figura 17.40. Composición de lámina de inundación con ortofotomapas de la zona, mediante software GIS.

Aplicaciones Practicas de Hec-Ras

Documents

Transcript of Aplicaciones Practicas de Hec-Ras