HEC RAS Características Generales

Transcripción

1 HEC RAS Características Generales 2013 Preparado por Ing. Emilio A. Lecertua HEC - RAS 1

2 HEC River Analysis System Versión 4.1 (Enero 2010) Software Manuales: User s Manual Applications Guide Hydraulic Reference Manual HEC - RAS 2

3 Cálculo unidimensional (1D) en régimen permanente e impermanente. 1 - INTRODUCCIÓN Cauces naturales (ríos, estuarios, etc) y canales artificiales (riego, derivación, etc). Efecto de las estructuras: compuertas, alcantarillas, puentes, etc. HEC - RAS 3

4 Cálculo en Régimen Permanente Ecuaciones básicas Basado en la solución unidimensional de la ecuación de energía (Ec.1) (Ec.2) HEC - RAS 4

5 Cálculo en Régimen Permanente Ecuaciones básicas HEC - RAS 5

6 Cálculo en Régimen Permanente Ecuaciones básicas En general HEC - RAS 6

7 Pérdida de energía por fricción Cálculo en Régimen Permanente Pérdida de energía Ecuación de Manning HEC - RAS 7

8 Cálculo en Régimen Permanente Pérdida de energía (Ec.3) Ecuación utilizada por default HEC - RAS 8

9 Cálculo en Régimen Permanente Pérdida de energía Pérdida de energía por contracción / expansión: C = 0.1 En estrechamiento C = 0.3 En ensanchamiento HEC - RAS 9

10 Proceso Iterativo: Cálculo en Régimen Permanente Cálculo Computacional 1) Suponer Y 2 (Tirante aguas arriba - Régimen subcrítico)* 2) Determinar V 2 y K 2 3) Determinar S f (Ec.3) y h e (Ec.2) 4) Determinar Y 2 (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 10

11 Régimen Subcrítico Supercrítico Mixto Cálculo en Régimen Permanente Tirante Crítico HEC - RAS 11

12 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. HEC - RAS 12

13 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 13

14 Cálculo en Régimen Permanente Condiciones de Borde Estimación de Condición de Borde Régimen Subcrítico: Agregar secciones aguas abajo Error en la superficie de agua de la sección Régimen Supercrítico: Agregar secciones aguas arriba Régimen Mixto: Agregar secciones aguas arriba y abajo HEC - RAS 14

15 Cálculo en Régimen Permanente Sensibilidades Cantidad de Secciones Condición de Borde Rugosidad HEC - RAS 15

16 2 SOFTWARE HEC-RAS Preliminares Desde el Panel de Control --> Configuración regional y de idioma personalizado en Inglés HEC - RAS 16

17 Ventana Principal Geometría (1 o +) Proyecto Condición de flujo (1 o +) Plan de cálculo (1 o +): geometría + condición de flujo HEC - RAS 17

18 Sistema de Unidades HEC - RAS 18

19 Proyecto File New Project Definir título del proyecto y nombre del archivo HEC - RAS 19

20 Geometría HEC - RAS 20

21 Secciones HEC - RAS 21

22 Interpolación de secciones HEC - RAS 22

23 Puentes HEC - RAS 23

24 Puentes

25 Régimen Permanente HEC - RAS 25

26 Régimen Impermanente HEC - RAS 26

27 Régimen Impermanente HEC - RAS 27

28 Régimen Impermanente HEC - RAS 28

29 Régimen Impermanente HEC - RAS 29

30 Régimen Impermanente HEC - RAS 30

31 Plan de Cálculo: Régimen Permanente HEC - RAS 31

32 Plan de Cálculo: Régimen Impermanente HEC - RAS 32

33 Resultados: Perfil Longitudinal HEC - RAS 33

34 Resultados: Sección Transversal HEC - RAS 34

35 Resultados: Tablas HEC - RAS 35

36 Recomendaciones 1. Hidrogramas: Si se ingresan manualmente existe una limitación de pasos. Si se ingresan desde el archivo tipo *.dss se incrementa aproximadamente a 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 HEC - RAS 36

37 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 37

38 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 38

39 Cálculo en Régimen Impermanente 2. Ecuación de Momentum 2º Ley de Newton A) Fuerzas de Presión Fuerza de Presión Superior Fuerza de Presión Inferior HEC - RAS 39

40 Cálculo en Régimen Impermanente 2. Ecuación de Momentum B) Fuerzas de gravedad C) Fuerzas de fricción (drag) HEC - RAS 40

41 Cálculo en Régimen Impermanente 2. Ecuación de Momentum Flujo Entrante Flujo Saliente Flujo Neto Ec. Momentum HEC - RAS 41

42 Cálculo en Régimen Impermanente Resolución de ecuaciones Interacción flujo en el canal y planicie de inundación Flujo 2D Representación 1D HEC - RAS 42

43 Cálculo en Régimen Impermanente Resolución de ecuaciones Esquema de diferencias finitas implícito HEC - RAS 43

44 Cálculo en Régimen Impermanente 1. Ecuación de continuidad Canal Planicie de inundación HEC - RAS 44

45 Cálculo en Régimen Impermanente 2. Ecuación de momentum Canal Planicie de inundación HEC - RAS 45

46 Cálculo en Régimen Impermanente Linealización de ecuaciones diferenciales HEC - RAS 46

47 Cálculo en Régimen Impermanente Aproximación de los términos de la ecuación de continuidad HEC - RAS 47

48 Cálculo en Régimen Impermanente Aproximación de los términos de la ecuación de momentum HEC - RAS 48

49 Cálculo en Régimen Impermanente Resolución de Sistema de Ecuaciones (Skyline Solution) HEC - RAS 49

50 Estructuras 1. Canalización 2. Puente 3. Alcantarilla 4. Estructuras Laterales 5. Defensas HEC - RAS 50

51 Estructuras 1.Canalización Channel Modification (herramienta original HEC-RAS) Channel Design / Modification HEC - RAS 51

52 Estructuras 1. Canalización Channel Modification (Original) HEC - RAS 52

53 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 53

54 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: - Desmonte (Cut) - Relleno (Fill) - Net = Cut - Fill HEC - RAS 54

55 Estructuras 1. Canalización Channel Design / Modification Edición de Secciones HEC - RAS 55

56 Estructuras 1. Canalización Channel Design / Modification HEC - RAS 56

57 Estructuras 1. Canalización Channel Design / Modification HEC - RAS 57

58 Estructuras 2. Puentes HEC - RAS 58

59 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) HEC - RAS 59

60 Rangos del radio de expansión (ER) Rugosidad de planicie de inundación Rugosidad del cauce principal Estructuras 2. Puentes Ancho de apertura del puente Ancho de planicie de inundación Pendiente Longitudinal HEC - RAS 60

61 Áreas de recirculación Estructuras 2. Puentes HEC - RAS 61

62 Estructuras 3. Alcantarillas HEC - RAS 62

63 Estructuras 3. Alcantarillas HEC - RAS 63

64 Estructuras 4. Estructuras Laterales Posición estructura Conexión aguas abajo Tipo de Estructura HEC - RAS 64

65 Estructuras 4. Estructuras Laterales HEC - RAS 65

66 Estructuras 5. Defensas (Levees) Desde Geometric Data / Tables Levees, se debe definir la altura y posición de la defensa HEC - RAS 66

67 Estructuras 5. Defensas (Levees) Por ejemplo, se define en la sección 0 una defensa de 3 m de altura del lado izquierdo HEC - RAS 67

68 Aplicaciones HEC RAS / HEC - HMS HEC - RAS 68

69 Aplicaciones HEC RAS / HEC - HMS HEC - RAS 69

70 Aplicaciones HEC RAS / HEC - HMS HEC - RAS 70

71 Aplicaciones HEC RAS / Módulo Calidad de Agua HEC - RAS 71

72 Aplicaciones HEC RAS / Módulo Calidad de Agua HEC - RAS 72

73 Aplicaciones HEC RAS / Módulo Calidad de Agua HEC - RAS 73

74 Aplicaciones HEC RAS / Módulo Calidad de Agua Mes 3 Meses 6 Meses 9 Meses 12 Meses 18 Meses 24 Meses OD (g/m3) Progresiva (km) Progresiva 0 km Progresiva 5 km Progresiva 10 km Progresiva 15 km DBO (g/m3) Año HEC - RAS 74

75 Aplicaciones HEC RAS / Módulo Sedimentos HEC - RAS 75

76 Aplicaciones HEC RAS / Módulo Sedimentos HEC - RAS 76

77 Aplicaciones HEC RAS / Módulo Sedimentos HEC - RAS 77

78 HEC Geo-RAS HEC - RAS 78

79 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 HEC - RAS 79

80 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 80

81 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 HEC - RAS 81

82 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 HEC - RAS 82

83 HEC Geo-RAS Stream Centerline Desde la barra de herramientas del Geo-RAS: RAS Geometry > Stream Centerline Attributes HEC - RAS 83

84 HEC Geo-RAS Unión Debe coincidir exactamente Editor > Snapping DigitalizarTributarios AgArr>AgAb Darle Stream Centerline Atributes All HEC - RAS 84

85 Práctica Cauce y Planicie de Inundación Realizar una corrida y extraer resultados Output Tables HEC - RAS 85

86 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 HEC - RAS 86

87 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 87

88 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 HEC - RAS 88