OBRAS HIDRÁULICAS

OBRAS HIDRÁULICAS Hidráulica fluvial H R Hec-Ras Asignatura: Obras Hidráulicas Profesor: Luis Cea Hidráulica Fluvial El m odelo Hec- Ras Proceso de modelización numérica 1. Elección de un modelo numérico 1. 1D, 2D, 3D, .... (velocidad, precisión, datos necesarios) 2. Estacionario o transitorio 3. Presupuesto, p , plazos, p , experiencia, p , acceso al modelo 2. Elección del tramo a modelar 3 Discretización del dominio espacial (secciones 3. (secciones, malla) 4. Calibración 5 Verificación 5. 6. Cálculo 7. Postproceso. Interpretación ó Asignatura: Obras Hidráulicas Profesor: Luis Cea Hidráulica Fluvial El m odelo Hec- Ras El modelo HEC-RAS 19667.4 19628.2* 19550.0 19509.4* 19428.2 19364.6 19254.1* 19160 8 19160.8 EG PF 1 WS PF 1 Crit PF 1 Ground 19062.6 18972.3 18898.5* 18805.7 18710.7 18617.8 18508 7* 18508.7* 18431.1* 18324.4 18229.2* 18127.9 18001.2 17870.6 5000 6000 7000 8000 Main Channel Distance (m) HIipótesis    Geometría fija (a partir de v4 incluye transporte de sedimentos) 1D: velocidad uniforme en la sección, lámina horizontal Presión hidrostática (Pendiente suave) Asignatura: Obras Hidráulicas Profesor: Luis Cea 9000 10000 Hidráulica Fluvial El m odelo Hec- Ras Ecuación de conservación de la energía ( Bernouilli 1D) Q 22 Q12 z2  y2  α2  z1  y1  α1  Sf L  ΔH 2 2 2 g A2 2 g A1 α 1 3 v dA 3  A UA  Pérdidas por contracción – expansión ΔH e  λ e α 2 U  α1U λ e  0 .3  0 .5 2 2 g 2g 2 1 ΔH c  λ c λ c  0.1  0.3 α 2 U  α1U 2 2 2 1 2 1 y2 2gg Asignatura: Obras Hidráulicas Profesor: Luis Cea z2 y1 z1 Hidráulica Fluvial El m odelo Hec- Ras Ecuación de conservación de la energía ( Bernouilli 1D) Q 22 Q12 z2  y2  α2  z1  y1  α1  Sf L  ΔH 2 2 2 g A2 2 g A1 α 1 3 v dA 3  A UA 2  Pérdidas por fricción (Manning) n2U2 Sf  4/3 Rh Q  K Sf 1 K  A R 2/3 h n 1 y2 y1 z2 Sf  Sf,1  Sf,2 Sf  2 2 Sf,1  Sf,2 Sf,1 f 1  Sf,2 f2 z1 Sf  Sf,1  Sf,2  Q  Q2  Sf   1   K K  1 2  Asignatura: Obras Hidráulicas Profesor: Luis Cea 2 Hidráulica Fluvial El m odelo Hec- Ras Método paso a paso (régimen permanente)  Dado un caudal constante calcular el calado en cada sección del río Resolución mediante proceso iterativo:  Desde aguas abajo hacia aguas arriba en régimen lento g arriba hacia aguas g abajo j en régimen g rápido p  Desde aguas  Proceso iterativo • Suponer cota de agua en 2 • Calcular energía en 2 como E2 y como E’2 • Comparar. Si la diferencia es grande, iterar. 2 z 2  y2   2 E2 Q Q  z  y    S f L  H 1 1 1 2 2 2 gA A2 2 gA A1 2 2 2 1 E’2 Asignatura: Obras Hidráulicas Profesor: Luis Cea 1 Hidráulica Fluvial El m odelo Hec- Ras Sección compuesta   Pi n  n  P   A  R 2/3 h n A i  R 2/3 h,i  n i 3/2 i 2/3 U  U i  K   K  i Horton Einstein Variaciones dentro de cauce principal o llanuras Lotter Cauce+Llanuras Asignatura: Obras Hidráulicas Profesor: Luis Cea Hidráulica Fluvial El m odelo Hec- Ras Cálculo en régimen mixto    Calculo como lento y después como rápido Si sólo existe una solución, es la buena. y fuerza específica p ((cantidad de movimiento)) Si existen dos,, la buena es la de mayor Q2 β F= +AY gA Asignatura: Obras Hidráulicas Profesor: Luis Cea Hidráulica Fluvial El m odelo Hec- Ras Cálculo en régimen mixto    Calculo como lento y después como rápido Si sólo existe una solución, es la buena. y fuerza específica p ((cantidad de movimiento)) Si existen dos,, la buena es la de mayor Asignatura: Obras Hidráulicas Profesor: Luis Cea Hidráulica Fluvial El m odelo Hec- Ras Los resultados dependen de:  Geometría • Secciones transversales • Distancia entre secciones  Condiciones de contorno  Coeficiente de rugosidad (Manning) Elegir secciones con cambios significativos en sección o en el fondo Asignatura: Obras Hidráulicas Profesor: Luis Cea Hidráulica Fluvial El m odelo Hec- Ras Efecto de la distancia entre secciones Definir secciones representativas p  Interpolar p secciones Asignatura: Obras Hidráulicas Profesor: Luis Cea Hidráulica Fluvial El m odelo Hec- Ras Efecto de las condiciones de contorno Asignatura: Obras Hidráulicas Profesor: Luis Cea Hidráulica Fluvial El m odelo Hec- Ras Efecto de la rugosidad AmbAutovia Plan: 1) n0.030 1/30/2005 2) n0.035 1/30/2005 Riu Riu Legend WS PF 1 - n0.030 n0 030 WS PF 1 - n0.035 30 Ground Elevation (m) 25 20 15 10 0 1000 2000 3000 Main Channel Distance (m) Asignatura: Obras Hidráulicas Profesor: Luis Cea 4000 5000 Hidráulica Fluvial El m odelo Hec- Ras Régimen variable  Aplicaciones:  Rotura de presa  Almacenamiento (balsas o depósitos de retención)  Riesgo asociado a tiempo de inundación  Inconvenientes: • Mayor M complejidad l jid d • Mayor coste computacional • Más datos (hidrogramas) ( g ) • Menor precisión en determinadas situaciones (régimen rápido, resaltos) Asignatura: Obras Hidráulicas Profesor: Luis Cea Hidráulica Fluvial El m odelo Hec- Ras Ecuaciones de aguas someras 1D Q   Q 2   t x  A A Q  q t x  y Q   gA  q  gA  S0  S f  x A  Hipótesis realizadas:  Presión hidrostática  Flujo uniforme en sección Asignatura: Obras Hidráulicas Profesor: Luis Cea Hidráulica Fluvial El m odelo Hec- Ras Ecuaciones de aguas someras 1D I fl Influencia i del d l esquema numérico éi 8 Régimen no permanente Régimen permanente “paso a paso” 7 Legend WS Max WS - variable Preissmann + LPI WS PF 1 - permanente Crit PF 1 - permanente Crit Max WS - variable 6 Ground Eleva ation (m) 5 4 3 2 1 0 0 200 400 600 Main Channel Distance (m) Asignatura: Obras Hidráulicas Profesor: Luis Cea 800 1000 Hidráulica Fluvial El m odelo Hec- Ras Modelos cuasi-2D Río  Ecuaciones de St.Venant ΔVk = Qki (zk ,zzi ) Llanuras  Continuidad i Asignatura: Obras Hidráulicas Profesor: Luis Cea Hidráulica Fluvial El m odelo Hec- Ras 1 Preproceso (entrada de datos) 1. 1.1. Geometría (secciones, puentes, manning, …) 1 2 Condiciones de contorno (flujo) 1.2. 2. Cálculo (esquema numérico) 3. Postproceso (salida de resultados) Proyecto G Geometrías tí C C estacionarias C.C. t i i C C no estacionarias C.C. i i Planes Asignatura: Obras Hidráulicas Profesor: Luis Cea Hidráulica Fluvial El m odelo Hec- Ras Un Proyecto es un sistema de archivos de datos asociados con un sistema particular del río. Los archivos de datos de un proyecto son clasificados como:  Datos de plan plan.  Datos geométricos.  Datos de flujo estacionario.  Datos D t d de fl flujo j no-estacionario. t i i  Datos de diseño hidráulico. Cada plan representa un sistema específico de datos geométricos y de flujo. Después de realizar la simulación de varios planes, los resultados pueden compararse simultáneamente en forma tabular o gráfica. Asignatura: Obras Hidráulicas Profesor: Luis Cea Hidráulica Fluvial El m odelo Hec- Ras Pantalla principal Cálculo Cál l no estacionario S lid d Salida de resultados lt d C C estacionario C.C. C C no estacionario C.C. Cálculo Cál l estacionario Geometría - Opciones por defecto - Sistema de unidades Asignatura: Obras Hidráulicas Profesor: Luis Cea Secciones Perfiles longitudinales Q vs. vs H 3D Hidrogramas Tablas Hidráulica Fluvial El m odelo Hec- Ras Datos geométricos Los datos geométricos necesarios consisten en un Sistema Esquemático del Río, geometría de las secciones transversales (Cross Section) y datos de estructuras hidráulicas como puentes(Bridges) puentes(Bridges), alcantarillas (Culverts) (Culverts), vertederes (Weirs), etc. Los datos geométricos se introducen seleccionando Geometric Data del menú Edit de la ventana principal de HEC-RAS. Una vez que se selecciona esta opción aparecerá una ventana de datos geométricos como la mostrada en la siguiente diapositiva Primero se introduce un dibujo esquemático del sistema del río. Esto se realiza presionando el botón River Reach (tramo de río) y después dibujando los tramos del río desde aguas-arriba hacia aguas-abajo (en la dirección del flujo) Asignatura: Obras Hidráulicas Profesor: Luis Cea Hidráulica Fluvial El m odelo Hec- Ras Datos geométricos Definición esquemática del río Uniones Secciones Dibujo esquemático Puentes Drenes Vertederos Aliviaderos Zonas inundables Asignatura: Obras Hidráulicas Profesor: Luis Cea Hidráulica Fluvial El m odelo Hec- Ras Datos geométricos Edit  Cambiar nombre tramo / rio  Mover objetos  Añadir / Eliminar puntos de un tramo  Editar objetos  Eliminar tramos  Modificar trazado de los tramos (cambiar la dirección de la corriente) Asignatura: Obras Hidráulicas Profesor: Luis Cea Hidráulica Fluvial El m odelo Hec- Ras Datos geométricos Tools  Interpolar I t l secciones i Más puntos de cálculo, más precisión  Canalización (encauzamientos) I t d i un encauzamiento Introducir i t en la l XS  Edición gráfica de XS  Invertir los puntos de una XS P sii se iintrodujo Por t d j lla XS vista i t h hacia i aguas arriba ib  Filtrar puntos en una XS  Fijar espesor de sedimentos fijo  Ajustar Aj t cotas t del d l ffondo d d de ttodo d un ttramo  Modificar las coordenadas del esquema Asignatura: Obras Hidráulicas Profesor: Luis Cea Hidráulica Fluvial El m odelo Hec- Ras Datos geométricos. Sección transversal Después de introducir el dibujo esquemático del río se introducen las secciones transversales y datos de estructuras hidráulicas. Presionando el botón Cross Section (Sección Transversal) se activa el editor de secciones transversales. Este editor se muestra en la siguiente diapositiva. Cada sección t transversal l ti tiene un River Ri name (nombre ( b d de río), í ) Reach R h name (nombre ( b d dell ttramo), ) River Ri Station (Estación del Río) y Description (Descripción). Los identificadores de River, Reach y River Station se utilizan para describir donde está ubicada la sección transversal en el río. El identificador de River Station no tiene por que ser la estación real del río (kilómetros) en la cual la sección transversal está situada, pero tiene que ser un valor numérico (ej (ej., 1 1.1, 1 2 2, 3 3.5, 5 etc etc.). ) EL valor numérico se usa para ubicar la sección transversal en orden ascendente dentro del tramo. Las secciones transversales se ordenan de menor (aguas-abajo) a mayor (aguas-arriba) dentro de cada tramo del río. Asignatura: Obras Hidráulicas Profesor: Luis Cea Hidráulica Fluvial El m odelo Hec- Ras Datos geométricos. Sección transversal Coeficiente Manning Distancia hasta la siguiente sección aguas abajo (fijar a cero en la última sección de CADA tramo) Coeficientes contracción expansión Definición del cauce principal y llanuras de inundación VISTA HACIA AGUAS-ABAJO Asignatura: Obras Hidráulicas Profesor: Luis Cea Hidráulica Fluvial El m odelo Hec- Ras Opciones  Añadir una nueva sección transversal (XS)  Copiar/Renombrar/Eliminar C i /R b /Eli i lla XS actual t l  Ajustar cota/coordenadas del fondo de la XS  Ajustar coeficientes de Manning  Girar Gi lla XS respecto t a la l di dirección ió d dell flflujo j Proyecta la XS perpendicularmente al flujo, multiplica las coord. x por cos α  Areas no no-efectivas efectivas al flujo Almacenan agua con velocidad cero hasta que el calado alcanza la cota superior  se desactivan En modo permanente sólo permiten flujo por encima de la cota superior (no se desactivan)  Diques longitudinales (levees) Limitan la anchura de la sección hasta que el agua sobrepasa la cota superior del dique  Obstrucciones Zonas sin flujo ni agua almacenada  Añadir un techo horizontal a XS (para tuneles)  Añadir una capa de hielo  Añadir una curva de descarga (Q vs. h)  Variación horizontal/vertical coef coef. Manning Asignatura: Obras Hidráulicas Profesor: Luis Cea Hidráulica Fluvial El m odelo Hec- Ras Datos geométricos. Sección transversal Una vez que los se introducen los datos de la sección transversal, estos deben guardarse en un archivo. Para ello se selecciona Save Geometric Data As (Guardar datos geométricos ét i como)) d dell menú ú File Fil (archivo) ( hi ) d dell editor dit d de d datos t geométricos. ét i E Esta t opción ió permite al usuario ingresar un título para los datos geométricos. Asignatura: Obras Hidráulicas Profesor: Luis Cea Hidráulica Fluvial El m odelo Hec- Ras Datos geométricos. Uniones Características de la unión 2 Ríos 4 Tramos Métodos de cálculo 1. Energía (por defecto): Fricción, contracción + expansión Uniones 2. Momento: Balance de fuerzas en dirección "x" Fuerzas fricción y peso opcionales Asignatura: Obras Hidráulicas Profesor: Luis Cea Hidráulica Fluvial El m odelo Hec- Ras Datos geométricos. Puentes Definir 4 secciones transversales 1. Aguas-arriba. Aguas arriba. Flujo paralelo no alterado por el puente (sección totalmente efectiva) 2. A 2 Aguas-arriba. ib JJusto t antes t d dell puente g j Justo después p 3. Aguas-abajo. del puente 4. Aguas-abajo. Flujo paralelo no afectado por el puente (totalmente expandido) Asignatura: Obras Hidráulicas Profesor: Luis Cea Hidráulica Fluvial El m odelo Hec- Ras Datos geométricos. Puentes Asignatura: Obras Hidráulicas Profesor: Luis Cea Hidráulica Fluvial El m odelo Hec- Ras Datos geométricos. Puentes Coeficientes de contracción Coeficientes de expansión Asignatura: Obras Hidráulicas Profesor: Luis Cea Hidráulica Fluvial El m odelo Hec- Ras Datos geométricos. Puentes Tablero Pilas Estribos Modelización Alcantarillas Asignatura: Obras Hidráulicas Profesor: Luis Cea Hidráulica Fluvial El m odelo Hec- Ras Datos geométricos. Puentes. Tablero  Distancia Di t i a sección ió aguas-arriba ib  Anchura del puente  Coeficiente de vertido del tablero Geometría transversal del puente Taludes hacia aguas-arriba y g j aguas-abajo Características del vertido por tablero Asignatura: Obras Hidráulicas Profesor: Luis Cea Hidráulica Fluvial El m odelo Hec- Ras Datos geométricos. Puentes. Pilas Identificador de la pila Posición del eje Árboles, objetos flotantes Anchura de pila a diferentes alturas Asignatura: Obras Hidráulicas Profesor: Luis Cea Hidráulica Fluvial El m odelo Hec- Ras Datos geométricos. Puentes. Estribos Identificador del estribo Definición geométrica Asignatura: Obras Hidráulicas Profesor: Luis Cea Hidráulica Fluvial El m odelo Hec- Ras Datos geométricos. Puentes. Cálculo Identificador del puente Método de cálculo en aguas bajas Método de cálculo en aguas altas Asignatura: Obras Hidráulicas Profesor: Luis Cea Hidráulica Fluvial El m odelo Hec- Ras Datos geométricos. Puentes. Cálculo Flujo en presión + vertedero t d Asignatura: Obras Hidráulicas Profesor: Luis Cea Hidráulica Fluvial El m odelo Hec- Ras Erosión local puentes. Estrechamiento Lecho vivo W  h 2  h1  1   W2  K1  Q2     Q1  6/7 Aguas claras   Q   h2   2/3 2  1 25 D 50  W2   C 1.25 2 2 Datos: K1, D50 V1 > Vc Lecho vivo V1 < Vc Aguas claras 1 – Sección de aproximación 2 – Sección del puente Asignatura: Obras Hidráulicas Profesor: Luis Cea 3/7 Hidráulica Fluvial El m odelo Hec- Ras Erosión local puentes. Estrechamiento Lecho vivo. Laursen (1960) W  h 2  h1  1   W2  K1  Q2     Q1  6/7 V* función de la pendiente (rozamiento del fondo) w función de D50 y de la temperatura Agua clara. Laursen (1963)   Q   h2   2/3 2   40 1.25 D 50  W2  2 2 3/7 unidades en S.I. Asignatura: Obras Hidráulicas Profesor: Luis Cea Hidráulica Fluvial El m odelo Hec- Ras Erosión local puentes. Pilas Ecuaciones: - CSU (1990) - Froehlich (1991) Datos: D t - K1 (forma) - K2 (ángulo) - K3 (formas fondo) - K4 (acorazamiento) Sólo en CSU eq. Asignatura: Obras Hidráulicas Profesor: Luis Cea Hidráulica Fluvial El m odelo Hec- Ras Erosión local puentes. Estrechamiento zb  2.0  K1  K 2  K 3  K 4  h00.35  F 0.43  b 0.65 CSU (1990)  Forma  Ángulo  Acorazamiento  Formas de fondo h 0.47 0.62 0.22 zb  0.32 0 32    0.09  F   b '  b D50 F Forma Á Ángulo Asignatura: Obras Hidráulicas Profesor: Luis Cea Froehlich (1991) Hidráulica Fluvial El m odelo Hec- Ras Erosión local puentes. Estribos Ecuaciones: - Froehlich (1989) - HIRE (1990) Datos: - K1 (Tipo de estribo) ( g ) - K2 (ángulo) Asignatura: Obras Hidráulicas Profesor: Luis Cea Hidráulica Fluvial El m odelo Hec- Ras Drenes Asignatura: Obras Hidráulicas Profesor: Luis Cea Hidráulica Fluvial El m odelo Hec- Ras Drenes Asignatura: Obras Hidráulicas Profesor: Luis Cea Hidráulica Fluvial El m odelo Hec- Ras Drenes Identificador Forma geométrica Características (tabuladas) Z fondo dren Nº drenes iguales 2 Mannings, función de h Eje longitudinal de cada dren Altura obstruida en el fondo Asignatura: Obras Hidráulicas Profesor: Luis Cea Hidráulica Fluvial El m odelo Hec- Ras Vertederos y compuertas Area no efectiva Grupo de compuertas Asignatura: Obras Hidráulicas Profesor: Luis Cea Hidráulica Fluvial El m odelo Hec- Ras Vertederos y compuertas Tipos de compuertas y vertederos Asignatura: Obras Hidráulicas Profesor: Luis Cea Hidráulica Fluvial El m odelo Hec- Ras Vertederos y compuertas Compuerta radial Compuerta vertical 1 - Q  C 2g 2 W T TE B BE H HE 1 - Q  C A 2gH 3 - Q  C A 2gH H Zu - Zd 2 - Q  C 2g W T TE B BE (3H) HE H  Zu - Zd 2 - Q  C A 2g3H H  Zu - Zd 1 – Compuerta libre 2 – Compuerta parcialmente anegada 3 – Compuerta anegada Lámina libre 1 – Compuerta libre 2 – Compuerta anegada Q  C L 2gg H 3/2 Asignatura: Obras Hidráulicas Profesor: Luis Cea Hidráulica Fluvial El m odelo Hec- Ras Zonas inundables 1. 2. 3. 4 4. Dibujar la zona inundable de forma esquemática Definir relación nivel agua-volumen almacenado para la zona inundable Definir un vertedero lateral (conexión río – zona inundable) D fi i nivel Definir i ld de agua iinicial i i l en lla zona iinundable d bl Asignatura: Obras Hidráulicas Profesor: Luis Cea Hidráulica Fluvial El m odelo Hec- Ras Zonas inundables Situación del vertedero: tramo, río, sección, derecha/izquierda Conexión del vertedero (a dónde va el agua que sale): l ) zona iinundable, d bl otra t sección del río, nada Definición geométrica del vertedero Asignatura: Obras Hidráulicas Profesor: Luis Cea Hidráulica Fluvial El m odelo Hec- Ras Caudales de cálculo y CC estacionarias Después de introducir los datos geométricos se introducen las condiciones de contorno e iniciales en el caso de que el cálculo sea no estacionario. Para ello se va al menú Edit (editar)  Steady Flow Data Editor (Editor de datos para flujo estacionario) o Unsteady p flujo j no estacionario)) Flow Data Editor ((Editor de datos para Los datos para flujo estacionario son: number of profiles to be computed (número de perffiles o caudales a calcular); the flow data (datos de flujo); river system boundary condition (condiciones de contorno). El caudal puede cambiarse en cualquier ubicación dentro del río. Una vez introducidos los datos de flujo y las condiciones de contorno, se guardan con Save Flow Data As (Archivar Datos de Flujo Como) de la opción File (Archivo) del menú de datos de flujo. Asignatura: Obras Hidráulicas Profesor: Luis Cea Hidráulica Fluvial El m odelo Hec- Ras Caudales de cálculo y CC estacionarias Nº de perfiles a calcular (caudales) N Cambios de caudal en "x" Secciones con cambio bi d de caudal d l 3 perfiles (caudales) Condiciones C di i de d contorno t  Altura lámina de agua  Calado crítico  Calado normal  Curva calado-caudal Asignatura: Obras Hidráulicas Profesor: Luis Cea Hidráulica Fluvial El m odelo Hec- Ras Flujo estacionario Geometría Condiciones contorno Tipo de régimen Asignatura: Obras Hidráulicas Profesor: Luis Cea Hidráulica Fluvial El m odelo Hec- Ras Flujo estacionario. Opciones numéricas Distribución de flujo en cada sección Discretización fricción Tolerancias convergencia Cálculo calado crítico otras,... Asignatura: Obras Hidráulicas Profesor: Luis Cea Hidráulica Fluvial El m odelo Hec- Ras Condiciones de contorno. No estacionario Tipo de CC - Curva C caudal d l-t - Curva calado - t - Curva descarga - otras CC a areas eas inundables u dab es - Opcional Asignatura: Obras Hidráulicas Profesor: Luis Cea Hidráulica Fluvial El m odelo Hec- Ras Condiciones iniciales. No estacionario Fichero restart Caudales en régimen estacionario inicial Altura de agua inicial en areas inundables Asignatura: Obras Hidráulicas Profesor: Luis Cea Hidráulica Fluvial El m odelo Hec- Ras Condiciones iniciales. No estacionario Plan Fichero geometría Fichero CC Tiempo inicial y final Paso de tiempo y salida de resultados Asignatura: Obras Hidráulicas Profesor: Luis Cea