Introduccion Al Uso Del Hec Ras

Julio Kuroiwa Zevallos. Introducción al Uso del HEC- RAS

INTRODUCCIÓN AL USO DEL HEC-RAS

Por: Julio M. Kuroiwa Zevallos, Ph.D.Profesor Auxiliar, Facultad de Ingeniería Civil. Universidad Nacional de Ingeniería.

1. GeneralidadesEl HEC – RAS 3.1 (River Analysis System 3.1) es un programa cuya principal función es la delineación de planicies de inundación, es decir de calcular el nivel del agua en cada sección transversal en el tramo de un río o canal artificial. En la actual versión el flujo puede ser permanente o no permanente. Además de calcular los niveles de agua en cada sección, el HEC – RAS tiene la capacidad de calcular la socavación en los elementos de apoyo de un puente para el diseño de la cimentación de los mismos. El ingreso de datos es sencillo porque las ventanas en entorno Windows permiten introducir los datos de manera ordenada. Es necesario conocer la teoría básica de Curvas de Remanso que se dicta en los cursos de Mecánica de Fluidos II (UNI) o Ingeniería Hidráulica (URP y otras universidades) para poder adecuadamente manejar los datos de ingreso e interpretar correctamente los datos de salida y, si los resultados preliminares lo indican, corregir el ingreso de datos para obtener las salidas que mejor simulan el comportamiento hidráulico del tramo en estudio.Este programa de cómputo es el sucesor del HEC-2, originalmente programado en FORTRAN IV por el Cuerpo de Ingenieros del Ejército de los Estados Unidos de Norteamérica.

2. Breve repaso del fundamento teóricoEl HEC – RAS y su antecesor, el HEC – 2, utilizan el método del paso estándar para el cálculo de los niveles de agua en cada sección transversal. Para éstos es necesario conocer las secciones transversales, la distancia entre las secciones transversales, el coeficiente de Manning en cada porción de cada sección transversal, el (los) caudal (es) de diseño y la condición de borde. Si el flujo es SUB-CRÍTICO, la condición de borde a usar es AGUAS ABAJO, si el flujo es SUPERCRÍTICO, la condición de borde a usar es AGUAS ARRIBA. En un tramo sólo es necesario conocer UNA condición de borde, a menos que el flujo sea MIXTO. En este caso, se debe contar con una condición de borde AGUAS ARRIBA y otra AGUAS ABAJO. No es infrecuente que ésta condición ocurra, sobre todo en ríos de la Vertiente Occidental de los Andes, tales como el río Lurín y Rímac, en los cuales se presentan flujos mixtos con frecuencia.

El método del paso directoEl método del paso directo se basa en la ecuación de la energía. Si se tienen dos secciones adyacentes (ver Figura 1), la energía de la sección que se encuentra aguas arriba (Sección 2) debe ser igual a la energía de la sección que se encuentra aguas abajo (Sección 1) más las pérdidas que se generan por fricción y por turbulencia (expansión / contracción) en el tramo. Se deben tener en cuenta las siguientes premisas:

- No existe variación de caudal en el tramo. Si existe variación de caudal, debe dividirse el canal en tramos que transporten el mismo caudal.

- La pendiente del canal es pequeña. (menor a 10°).

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- El fondo del canal es rígido.- La pendiente de la línea de energía puede calcularse usando la

ecuación de Manning.- El flujo es gradualmente variado (no ocurre una disipación violenta de

energía).- El flujo es permanente.

Figura 1. La energía en la sección 2 es igual a la energía en la sección 1 más las pérdidas por fricción Sf x. En esta figura no se han incluido las pérdidas por expansión / contracción.

Por ejemplo, en el procedimiento para el cálculo de Y2 en la Figura 1 es el siguiente. (Se asume que la condición de borde es el tirante AGUAS ABAJO, es decir Y1.)

Primer paso:En la sección conocida se calcula el Área (A), Perímetro (P), Radio hidráulico (R = A/P), Velocidad (V = Q/A). La cota de la línea de energía será: H = Z + Y + V2/(2g)Se calcula la pendiente de la línea de energía: Sf = V2 n2 /(R4/3)

Segundo paso:En la sección 2, se calcula el nivel de fondo del canal. Si la pendiente es constante: Z2 = Z1 + So x1-2

Se ASUME un tirante Y2

Con el tirante Y2, se calcula el área A2, el perímetro P2, el radio R2, la velocidad V2 = Q/A2. Se calcula H12 = Z2 + Y2 + V2/(2g)

Tercer Paso:Calcular la pendiente de la línea de energía en el punto 2:Sf2 = (V2 n2)/R 4/3

Calcular la media de la Sf1 y Sf2;Sf1-2 = (Sf1 + Sf2)/2H(2) = H + Sf1-2 x + he

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Se compara H1 (2) con H(2) de 2. Deben ser iguales. Si no lo son, se aplica una corrección al tirante.

Cuarto PasoSe calcula la corrección, Y2 Y2 = (H1 - H) /(1 - Fr2

2 + 3 Sf2 x/(2 R2))Nuevo Y2 (nuevo) = Y2 - Y2

Se continua en la sección 2 hasta que H1 y H convergen con una tolerancia adecuada. Una vez que el nivel es hallado se toma esta sección como la conocida y se pasa a la tercera sección. Es necesario notar que en este caso se asumió que el flujo es subcrítico y que la condición de borde fue el nivel del agua AGUAS ABAJO del tramo.

Además se debe recordar que los canales irregulares cambian de sección transversal (ensanchamiento o angostamiento). Esto induce pérdidas de carga que son proporcionales a la diferencia de los cargas de la velocidades de secciones adyacentes (V2/ 2g). Los coeficientes de expansión y contracción son 0.3 y 0.1 respectivamente.

3. Datos necesarios para el cálculo de curvas de remansoLos datos que piden los programas de cálculo de curvas de remanso son los siguientes:

A.- Caudal (es)

B.- Condición de Borde: Tirante inicial / Nivel inicial del agua en la sección / curva Nivel versus Caudal o Tirante Crítico.

C.- Régimen de flujo (sub-crítico, supercrítico, crítico).

D.- Coeficiente de rugosidad y otros coeficientes de fricción (Coeficiente de Manning o rugosidad absoluta del cauce). Por defecto, el HEC – RAS admite que el cauce está dividido en tres partes: la margen izquierda (LOB en Inglés), el cauce principal (Channel en Inglés) y la margen derecha (ROB en Inglés). Por lo tanto por defecto se admite que en cada parte el tramo se tienen tres coeficientes de Manning diferentes. Por lo general, los ríos tienen partículas de mayor tamaño en el cauce principal y vegetación en ambas márgenes como se ve en la Figura 2.

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Figura 2. Río Lurín mirando en dirección aguas abajo. Nótes que la margen izquierda tiene vegetación, el cauce principal está compuesto por cantos y boloenes y la margen derecha presenta vegetación.

E.- El modelo geométrico (secciones transversales, longitud de tramos). Las secciones transversales están compuestas por líneas. Cada línea está compuesta de puntos cuyas coordenadas son: (Distancia desde el eje, Altitud Absoluta). Además se deben conocer las distancias entre la margen izquierda, canal principal y margen derecha de una sección y la siguiente. SI el tramo es recto, las tres dimensiones son las mismas. De lo contrario, la distancia es más corta en el lado interno de una curva.

F.- Puentes u obstrucciones naturales o artificiales. Si existiera un puente es necesario conocer la posición de los estribos, el alto del puente /terraplén, la forma de los pilares y el ancho de los mismos. Como datos se debe incluir el coeficiente de arrastre de los pilares. Para calcular la socavación en los elementos de apoyo, es necesario conocer además el d50 y el d90 del material del cauce y la temperatura del agua.

4. Instrucciones para el ingreso de datos para la ejecución simple para el cálculo de niveles de agua en un río

El HEC-RAS fue desarrollado en C++ con un entorno gráfico Galaxy que permite la formación de ventanas para poder ingresar los datos de manera sencilla. De todas maneras es necesaria la visualización de la entrada de datos y la práctica en una computadora personal para poder dominar el uso del programa. En la sesión correspondiente a este tema se desarrollará un ejemplo corto para poder entender el ordenamiento del programa y la admisión de datos. El HEC-RAS difiere, por ejemplo, del EXCEL®, en que hay que declarar cada sección transversal antes de poder ingresar los datos. Por lo tanto debe entenderse que el programa que se está tratando tiene sus propias características particulares que deben ser reconocidas y que son fáciles de manejar una vez que se adquiere cierta práctica en su uso.

Sistema de UnidadesEl programa se ejecuta en Windows® por lo que simplemente se debe buscar el ícono en el Menú de Programas para ser ejecutado. Una vez que aparece el menú principal, se debe seleccionar [Options] [Unit System (US/Customary)] y debe seleccionarse el sistema internacional de unidades. En este menú se debe además colocar un visto bueno en la casilla que indica [Set as default for new projects]. De esta manera cada proyecto nuevo admitirá solo datos en el Sistema Internacional de unidades (SI).

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Desarrollo del Esquema1. Presionar [File] [New].2. En casilla “Title” escribir el título del trabajo que describa el proyecto o

trabajo a ejecutarse. Generalmente se refiere al lugar del proyecto. En la casilla “Name of file” escribir el nombre del archivo para el proyecto con la extensión *prj.

3. A continuación se define el ESQUEMA. El esquema consiste en un diagrama del sector del curso de agua que se va a analizar, incluyendo las confluencias de tributarios, tomas, bifurcaciones, etc. Del archivo principal se selecciona [Edit] [Geometric Data]. Aparece el cuadro del ESQUEMA en blanco. Un “cuadro de herramientas” aparece a la izquierda. Lo que hay que hacer es dibujar un río con sus tributarios, etc. Se utilizará una línea partida.

4. Una vez que aparece el cuadro presionar el botón [River Reach]. Aparece un lápiz. Dibujar el tramo del río a representar en la dirección AGUAS ABAJO. Importante, cada tramo del río es representado por dos puntos. Definir fines de tramo en confluencias, tomas, etc.

5. Para agregar un tributario, unir un punto exterior con un punto localizado en un tramo definido. Primero, HEC-RAS va a pedir: el nombre del tributario (en la casilla River); luego, pedirá el nuevo nombre del tramo aguas abajo de la confluencia o bifurcación (Puesto que el curso de agua se va a dividir en dos, hay que darle un nuevo nombre al sector ubicado aguas abajo). Después, va a pedir el nombre de la confluencia [“Junction”].

6. Una vez que se hayan escrito los dos nombres, estos aparecerán en el esquema con el nuevo tributario.

7. Repetir los pasos para otros tributarios o canales de distribución. Con el último tramo acaba el ESQUEMA.

Las Secciones TransversalesCada tramo del río tendrá secciones transversales. En cada sección transversal se definen: - Los puntos de la sección transversal (x, altitud absoluta).- Los coeficientes de Manning de la margen izquierda, del canal principal, y

la margen izquierda.- Las distancias de la sección a la sección aguas abajo (margen izquierda,

canal principal, margen derecha).- La distancia x1 (principio del canal principal), la distancia x2 (fin del canal

principal).

Para registrar los datos geométricos se siguen los siguientes pasos:1. En el Menú principal Presionar [Edit] [Geometric Data].2. Aparece el ESQUEMA y la barra de herramientas a la izquierda. Presionar

[Cross Section].3. En “River”, poner el nombre del Río o curso de agua4. En “Reach”, poner el nombre del tramo.5. En “River Station”, escribir el número de la estación (generalmente designa

su posición con respecto a otra sección). Las secciones empiezan con “0” aguas abajo, el número más alto corresponde a la sección límite con el tramo localizado aguas arriba del presente tramo.

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6. En “Description”, escribir las características particulares de la sección, especialmente si hay un cambio de condiciones con respecto a secciones ubicadas aguas arriba.

7. En la parte izquierda, aparecen dos columnas, debajo del encabezado “Cross Section XY coordinates”. En la primera columna, escribir la abscisas “x”, en la segunda columna, escribir la altitud absoluta.

8. En la parte derecha, aparecen los encabezados de los datos [Downstream Reach Lengths (Longitud del tramo aguas abajo)], [Manning’s n values (Coeficientes n de Manning)], [Main channel Bank Stations (Estaciones del Canal Principal)], y [Cont/Exp Coefficientes] (Coeficientes de expansión y contracción)].

9. Debajo de [Downstream Reach Lengths], apaceren los encabezados [LOB], [Channel] y [ROB]. Escribir los datos correspondientes a las distancias de la sección presente a la sección localizada inmediatamente aguas abajo medida desde la margen izquierda (Left Over Bank), canal principal [Channel] y margen derecha (Left Over Bank), respectivamente.

10. Debajo de Manning’s n values aparecen los encabezados [LOB], [Channel] y [ROB]. Escribir los datos correspondientes a los coeficientes de Manning de la terraza de la margen izquierda (Left Over Bank), del canal principal [Channel] y de la terraza de la margen derecha (Left Over Bank), respectivamente.

11. Debajo de Main Channel Bank Stations, escribir las abscisas inicial y final que establecen los límites del canal principal.

12. Debajo del encabezado [Cont/Exp Coefficients], escribir los coeficientes de contracción y expansión. Por defecto, son 0.1 y 0.3, respectivamente, y, a menos que se conozcan las características de las secciones, se recomienda no cambiar estos coeficientes.

Para añadir una nueva sección, presionar [Options] [Add a new section] y repetir los pasos anteriores, para “editar” otras secciones, usar las flechas a la derecha de “Station”, que apuntan hacia arriba y hacia abajo.

Los CaudalesHEC-RAS sólo es útil para calcular curvas de remanso cuando el flujo es permanente. Por lo tanto, se asume que las condiciones de flujo no cambian con el tiempo. En ciertos puntos, el caudal cambia (en la confluencia de tributarios, el flujo en el río principal aumenta; aguas abajo de bocatomas, el caudal disminuye. Para ingresar los datos de caudales, seguir los siguientes pasos.1. En el Menu Principal, presione [Edit] [Steady Flow Data]. Aparecen las

secciones que se han listado en la entrada de datos geométricos.2. Las secciones aparecen listadas en la columna izquierda, ingresar los datos

de caudales en la columna derecha.3. Para cambiar de Río, presionar la flecha que aparece al costado de [River].4. Para cambiar de tramo, presionar la flecha que aparece al costado de

[Reach].5. Repetir hasta completar todos los tramos.6. Agregar una condición de borde conocida. En la ventana [Steady Flow

Data], oprimir el botón [Reach Boundary Conditions]. En la ventana [Steady Flow Boundary Conditions], seleccionar el método para determinar la elevación de agua conocida. El programa permite cuatro posibilidades:

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[Known W.S] (Nivel de agua conocido), [Critical Depth] (Tirante Crítico), [Normal Depth] (Tirante Normal), [Rating Curve] (curva tirante versus caudal).

7. Si se selecciona [Known W.S], el programa pide el nivel de agua conocido para el punto más alto. El caudal correspondiente aparece en la parte izquierda. Escribir el nivel del agua correspondiente en la casilla derecha (en altitud absoluta).

8. Si se selecciona [Critical Depth], el usuario no tiene que introducir mayor información.

9. Si se selecciona [Normal Depth], el usuario tiene que declarar la pendiente aguas arriba de la sección más alta.

10.Si se selecciona [Rating Curve], el usuario tiene que construir una tabla. En la columna de la izquierda se debe incluir el caudal, en la columna de la derecha, el tirante correspondiente.

5. Ejecución del Programa y Visualización de los resultadosAnálisis De Flujo Permanente1. En el menú principal, presionar [Simulate] [Steady Flow Analysis].2. Aparece la Ventana del programa de cómputo, si no hay cambios que

hacer, presione [Compute] (un botón largo, en la parte inferior de la pantalla).

Visualización De Resultados1. Después de presionar el botón [Compute], el programa HEC-RAS es

ejecutado en DOS (Cambia a pantalla negra). En la pantalla aparecen los resultados, si el programa fue ejecutado satisfactoriamente, entonces en al final del listado aparecerá la siguiente frase : “Program terminated normally”, la ventana DOS se cierra presionando el botón [X] en la parte superior derecha del recuadro. Para ver los resultados en Windows, en el menú principal se presiona el botón [View] y se selecciona la alternativa deseada.

2. Los resultados que se pueden ver (e imprimir) se detallan a continuación. Para entrar, sólo debe presionarse [View] y la instrucción que aparece a continuación, por ejemplo, para ver las secciones transversales, se debe presionar [View] y [Cross Sections]a) Secciones transversales [Cross sections]b) Secciones longitudinales [Water surface profiles]c) Curvas Y(tirante) Vs. Q (caudal) [Rating Curves]d) Perspectivas X-Y-Z [X-Y-Z Plots]e) Tabla de la sección transversal (puntos) [Cross Section Table]f) Tabla de la sección longitudinal [Profile Table]g) Notas de errores, advertencias, sugerencias [Summary err, Warning notes].

3. Para moverse de sección transversal en sección transversal, sólo se debe presionar las flechas que aparecen a la derecha del número de la sección.

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4. Si se ha calculado la socavación de los pilares de un puente, entonces en las secciones que se encuentran inmediatamente aguas arriba y aguas abajo del puente, aparecerá la profundidad de socavación en la sección transversal final.

6. Palabras FinalesEn esta ponencia se han expuesto de manera general las capacidades del HEC – RAS y se ha incluido el resumen de la secuencia que se explicará en clase. Es necesario que las personas interesadas en usar el HEC-RAS como una herramienta conozcan los principios de Hidráulica de Canales Abiertos. Las dos primeras referencias son libros de texto del curso de Mecánica de Fluidos II o Ingeniería Hidráulica que deben ser revisados para entender el fundamento teórico del HEC- RAS.

Los resultados deben tomarse con cuidado. El HEC-RAS no es un programa exacto debido a las simplificaciones hechas en el desarrollo del modelo. Las limitaciones específicas del programa son explicadas en detalle en las notas que emite el Cuerpo de Ingenieros del Ejército.

Referencias

1. Chow, Ven Te (1959). Hidráulica de Canales Abiertos. Mc Graw Hill. Nueva York, Nueva York. Estados Unidos de N.A.

2. French, Richard (1985). Open Channel Hydraulics. Mc Graw Hill. Nueva York, Nueva York. Estados Unidos de N.A.

3. US Army Corps of Engineers. Hydrologic Engineering Center (2002). HEC- RAS- River Analysys System v. 3.01. User´s Manual.

Notas sobre derechos de AutorEl autor de esta ponencia ha incluido material que es propiedad intelectual del mismo, el cual ha prestado material previamente difundido en cursos de actualización. Los gráficos, contenidos y otros de este trabajo permanecen como propiedad del autor y podrán ser usados por él en publicaciones individuales o colectivas. No se permite la reproducción total o parcial del mismo por medios mecánicos o electrónicos u otros que no sean autorizados por el autor, excepto para el desarrollo de este curso y fines académicos como señala la ley.

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