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Hidráulica Fluvial Carrera de Especialización en Hidráulica Urbana

HEC – RAS Características Generales

2013 Preparado por Ing. Emilio A. Lecertua HEC - RAS

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Hidráulica Fluvial Carrera de Especialización en Hidráulica Urbana

HEC – River Analysis System Versión 4.1 (Enero 2010)  Software  Manuales:  User’s Manual  Applications Guide  Hydraulic Reference Manual

www.hec.usace.army.mil HEC - RAS

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Hidráulica Fluvial Carrera de Especialización en Hidráulica Urbana

1 - INTRODUCCIÓN Cálculo unidimensional (1D) en régimen permanente e impermanente. Cauces naturales (ríos, estuarios, etc) y canales artificiales (riego, derivación, etc). Efecto de las estructuras: compuertas, alcantarillas, puentes, etc.

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Cálculo en Régimen Permanente Ecuaciones básicas Basado en la solución unidimensional de la ecuación de energía (Ec.1)

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(Ec.2)

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Hidráulica Fluvial Carrera de Especialización en Hidráulica Urbana

Cálculo en Régimen Permanente Ecuaciones básicas

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Hidráulica Fluvial Carrera de Especialización en Hidráulica Urbana

Cálculo en Régimen Permanente Ecuaciones básicas

En general HEC - RAS

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Cálculo en Régimen Permanente Pérdida de energía Ecuación de Manning

Pérdida de energía por fricción

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Cálculo en Régimen Permanente Pérdida de energía (Ec.3)

Ecuación utilizada por default

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Cálculo en Régimen Permanente Pérdida de energía Pérdida de energía por contracción / expansión:

C = 0.1 En estrechamiento C = 0.3 En ensanchamiento

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Cálculo en Régimen Permanente Cálculo Computacional Proceso Iterativo: 1) Suponer Y2 (Tirante aguas arriba - Régimen subcrítico)* 2) Determinar V2 y K2 3) Determinar Sf (Ec.3) y he (Ec.2) 4) Determinar Y2 (Ec.1) y compararlo con el valor supuesto en el paso 1). Repetir el cálculo hasta que el error sea menor que una determinada tolerancia (.003m por default). * En caso de Régimen supercrítico, suponer tirante aguas abajo HEC - RAS

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Cálculo en Régimen Permanente Tirante Crítico Régimen

Subcrítico Supercrítico Mixto

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Cálculo en Régimen Permanente Ecuaciones para cambio de régimen La ecuación de la conservación de la cantidad de movimiento se utiliza cuando ocurren cambios de régimen, por ejemplo: en puentes y confluencias.

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Cálculo en Régimen Permanente Condiciones de Borde - Known Water Surface Elevations: Nivel de agua - Critical Depth: Tirante crítico (cálculo automático) - Normal Depth: Pendiente de energía, se puede aproximar a través - Pendiente promedio del canal - Pendiente promedio de la superficie de agua en inmediaciones de la sección - Rating Curve: Tabla nivel vs caudal HEC - RAS

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Cálculo en Régimen Permanente Condiciones de Borde Estimación de Condición de Borde

Error en la superficie de agua de la sección

Régimen Subcrítico: Agregar secciones aguas abajo Régimen Supercrítico: Agregar secciones aguas arriba Régimen Mixto: Agregar secciones aguas arriba y abajo HEC - RAS

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Cálculo en Régimen Permanente Sensibilidades • Cantidad de Secciones • Condición de Borde • Rugosidad

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2 – SOFTWARE HEC-RAS Preliminares Desde el Panel de Control --> Configuración regional y de idioma personalizado en Inglés

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Ventana Principal

Proyecto

Geometría (1 o +) Condición de flujo (1 o +) Plan de cálculo (1 o +): geometría + condición de flujo HEC - RAS

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Sistema de Unidades

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Proyecto File New Project Definir título del proyecto y nombre del archivo

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Geometría

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Secciones

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Interpolación de secciones

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Puentes

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Puentes

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Régimen Permanente

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Régimen Impermanente

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Régimen Impermanente

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Régimen Impermanente

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Régimen Impermanente

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Hidráulica Fluvial Carrera de Especialización en Hidráulica Urbana

Régimen Impermanente

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Plan de Cálculo: Régimen Permanente

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Plan de Cálculo: Régimen Impermanente

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Resultados: Perfil Longitudinal

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Resultados: Sección Transversal

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Resultados: Tablas

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Recomendaciones 1. Hidrogramas: Si se ingresan manualmente existe una limitación de 10000 pasos. Si se ingresan desde el archivo tipo *.dss se incrementa aproximadamente a 90000 pasos 2. Períodos de simulación: Dependen del paso de impresión de resultados, por ejemplo: si se imprimen cada 3 horas y utilizando 24 secciones de análisis, es posible correr periodos de 2 años 3. Flujo mixto: Si se tiene un perfil longitudinal escalonado tener en cuenta el paso de cálculo y la tolerancia en el calculo del nivel

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Cálculo en Régimen Impermanente Ecuaciones básicas 1. Conservación de la Masa (Continuidad) 2. Conservación del Momentum Ecuaciones diferenciales*

*¨Unsteady Flow in Open Channels¨ (Mahmmod & Yevjevich, 1975) HEC - RAS

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Cálculo en Régimen Impermanente 1. Ecuación de continuidad Volumen de control elemental Flujo Entrante

Flujo Saliente

Variación en Almacenamiento

Variación de masa en volumen de control

Ec. Continuidad HEC - RAS

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Cálculo en Régimen Impermanente 2. Ecuación de Momentum 2º Ley de Newton

A) Fuerzas de Presión

Fuerza de Presión Superior Fuerza de Presión Inferior

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Cálculo en Régimen Impermanente 2. Ecuación de Momentum

B) Fuerzas de gravedad

C) Fuerzas de fricción (drag)

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Cálculo en Régimen Impermanente 2. Ecuación de Momentum Flujo Entrante

Flujo Saliente

Flujo Neto

Ec. Momentum

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Cálculo en Régimen Impermanente Resolución de ecuaciones Interacción flujo en el canal y planicie de inundación Flujo 2D

Representación 1D

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Cálculo en Régimen Impermanente Resolución de ecuaciones Esquema de diferencias finitas implícito

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Cálculo en Régimen Impermanente 1. Ecuación de continuidad Canal Planicie de inundación

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Hidráulica Fluvial Carrera de Especialización en Hidráulica Urbana

Cálculo en Régimen Impermanente 2. Ecuación de momentum Canal Planicie de inundación

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Hidráulica Fluvial Carrera de Especialización en Hidráulica Urbana

Cálculo en Régimen Impermanente Linealización de ecuaciones diferenciales

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Cálculo en Régimen Impermanente Aproximación de los términos de la ecuación de continuidad

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Hidráulica Fluvial Carrera de Especialización en Hidráulica Urbana

Cálculo en Régimen Impermanente Aproximación de los términos de la ecuación de momentum

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Cálculo en Régimen Impermanente Resolución de Sistema de Ecuaciones (Skyline Solution)

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Estructuras 1. Canalización 2. Puente 3. Alcantarilla 4. Estructuras Laterales 5. Defensas

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Hidráulica Fluvial Carrera de Especialización en Hidráulica Urbana

Estructuras 1.Canalización  Channel Modification (herramienta original HEC-RAS)  Channel Design / Modification

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Estructuras 1. Canalización – Channel Modification (Original)

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Estructuras 1. Canalización – Channel Modification (Original) Secciones a modificar Corte para las secciones transversales: - Igual - Proyectado (especificar pendiente)

Sin Fill Channel

Sección de diseño: Máximo de 3 secciones trapeciales Datos: Ancho, Cota, Pendientes laterales, rugosidad

Con Fill Channel HEC - RAS

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Estructuras 1. Canalización – Channel Modification (Original) Secciones Transversales Originales

1º Sección Trapecial de Diseño

2º Sección Trapecial de Diseño

3º Sección Trapecial de Diseño

 continúa

Cómputo de movimiento de suelo Área y volumen discriminado según cauce principal y planicie de inundación: -

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Desmonte (Cut) Relleno (Fill) Net = Cut - Fill

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Estructuras 1. Canalización – Channel Design / Modification Edición de Secciones

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Hidráulica Fluvial Carrera de Especialización en Hidráulica Urbana

Estructuras 1. Canalización – Channel Design / Modification

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Hidráulica Fluvial Carrera de Especialización en Hidráulica Urbana

Estructuras 1. Canalización – Channel Design / Modification

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Estructuras 2. Puentes

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Hidráulica Fluvial Carrera de Especialización en Hidráulica Urbana

Estructuras 2. Puentes Criterio USACE Lc = Promedio dist AB - CD

Secciones aguas abajo y arriba del puente (a pequeña distancia, no inmediatas)

A partir de ER se calcula Le (considerando el promedio de las distancias AB – CD)

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Estructuras 2. Puentes Rangos del radio de expansión (ER)

Rugosidad de planicie de inundación Rugosidad del cauce principal

Ancho de apertura del puente Ancho de planicie de inundación

Pendiente Longitudinal HEC - RAS

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Estructuras 2. Puentes Áreas de recirculación

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Hidráulica Fluvial Carrera de Especialización en Hidráulica Urbana

Estructuras 3. Alcantarillas

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Hidráulica Fluvial Carrera de Especialización en Hidráulica Urbana

Estructuras 3. Alcantarillas

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Hidráulica Fluvial Carrera de Especialización en Hidráulica Urbana

Estructuras 4. Estructuras Laterales

Posición estructura Conexión aguas abajo

Tipo de Estructura

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Hidráulica Fluvial Carrera de Especialización en Hidráulica Urbana

Estructuras 4. Estructuras Laterales

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Hidráulica Fluvial Carrera de Especialización en Hidráulica Urbana

Estructuras 5. Defensas (Levees) Desde Geometric Data / Tables  Levees, se debe definir la altura y posición de la defensa

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Hidráulica Fluvial Carrera de Especialización en Hidráulica Urbana

Estructuras 5. Defensas (Levees) Por ejemplo, se define en la sección 0 una defensa de 3 m de altura del lado izquierdo

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Aplicaciones HEC – RAS / HEC - HMS

HEC - RAS

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Hidráulica Fluvial Carrera de Especialización en Hidráulica Urbana

Aplicaciones HEC – RAS / HEC - HMS

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Aplicaciones HEC – RAS / HEC - HMS

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Aplicaciones HEC – RAS / Módulo Calidad de Agua

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Hidráulica Fluvial Carrera de Especialización en Hidráulica Urbana

Aplicaciones HEC – RAS / Módulo Calidad de Agua

HEC - RAS

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Hidráulica Fluvial Carrera de Especialización en Hidráulica Urbana

Aplicaciones HEC – RAS / Módulo Calidad de Agua

HEC - RAS

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Hidráulica Fluvial Carrera de Especialización en Hidráulica Urbana

Aplicaciones HEC – RAS / Módulo Calidad de Agua 9 8 7

5 4 1 Mes 3 Meses 6 Meses 9 Meses 12 Meses 18 Meses 24 Meses

OD (g/m3)

6

3 2 1 0

16

15

14

13

12

11

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

0

Progresiva (km)

5 Progresiva 0 km 4.5

Progresiva 5 km Progresiva 10 km

4

Progresiva 15 km 3.5

DBO (g/m3)

17

3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 0

1

2

3

4

5

Año

HEC - RAS

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Aplicaciones HEC – RAS / Módulo Sedimentos

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Hidráulica Fluvial Carrera de Especialización en Hidráulica Urbana

Aplicaciones HEC – RAS / Módulo Sedimentos

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Hidráulica Fluvial Carrera de Especialización en Hidráulica Urbana

Aplicaciones HEC – RAS / Módulo Sedimentos

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HEC Geo-RAS

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HEC Geo-RAS Se debe georeferenciar el MDT. El sistema de coordenadas del MDT debe ser coincidente con el del proyecto. Si están en diferentess sistemas, hay dos alternativas: -Proyectar el MDT Data Management Tools > Projections and Transformations > Project - Cambiar el sistema de coordenadas del proyecto al del MDT

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HEC Geo-RAS

Create RAS Layers

Desde la barra de herramientas del Geo-RAS: RAS Geometry > Create RAS Layers > All* *Si no llega a funcionar, primero crear un layer cualquiera, por ejemplo: Stream Centerline y después crear todos con All

Las capas indispensables son: • Stream Centerline (traza del río) • XS Cut Lines (secciones) Son muy útiles: • Bank Lines (división entre el canal y la planicie de inundación) • Flow Path Centerlines (distancia entre secciones) HEC - RAS

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HEC Geo-RAS

Layer Setup

Desde la barra de herramientas del Geo-RAS: RAS Geometry > Layer Setup •Required Surface (Utilizar un MDT o varios, previamente cargarlo) Formato: Tin* o Grid *Se recomienda crear curvas de nivel a partir del TIN, para visualizar más rápidamente el MDT Barra 3DAnalyst > Surface Analysis > Contour

•Required Layers •Optional Layers •Optional Tables

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HEC Geo-RAS

Stream Centerline

-Si no se tiene un shape con la traza del río: Digitalizar la traza desde aguas arriba hacia aguas abajo* Editor > Start Editing …. Seleccionar la base de datos .mdb y utilizar Sketch Tool. En Target seleccionar Stream Centerline. *En caso de hacerlo desde aguas abajo hacia aguas arriba, utilizar la herramienta flip, ……

-Si se tiene un shape con la traza del río: Editar Stream Centerline. Copiar el shape que tiene la traza y pegar. Antes de cerrar la edición verificar que la orientación del shape sea desde aguas arriba hacia aguas abajo. Para ello, utilizar Sketch Properties para ver el orden de los puntos del Stream Centerline, en caso de no estar bien orientado utilizar el flip.

Edit Tool

Sketch Tool

Sketch Properties

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HEC Geo-RAS

Stream Centerline

Desde la barra de herramientas del Geo-RAS: RAS Geometry > Stream Centerline Attributes

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Hidráulica Fluvial Carrera de Especialización en Hidráulica Urbana

HEC Geo-RAS Unión Debe coincidir exactamente Editor > Snapping DigitalizarTributarios AgArr>AgAb Darle Stream Centerline Atributes All

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Práctica – Cauce y Planicie de Inundación Realizar una corrida y extraer resultados Output Tables

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Práctica – Cauce y Planicie de Inundación Obtener la progresiva lateral (Channel Station) del talweg del río / canal y copiar la columna Min Ch El Sta

Posicionarse en columna libre

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Práctica – Cauce y Planicie de Inundación Pegar la columna Min Ch El Sta en las 2 columnas de la ventana Bank Stations Table

Se define la distancia desde el talweg hasta donde está la separación entre el canal y la planicie de inundación Para el Left Bank Sta  Add Constant – Para el Left Bank Sta  Add Constant + HEC - RAS

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Práctica – Cauce y Planicie de Inundación Se define el n de Manning para el canal y la planicie de inundación posicionándose en la columna y aplicando Set Values

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