Modelo de canales

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José F. Muñoz P. Bonifacio Fernández L. Eduardo Varas C
Departamento de Ingeniería Hidráulica y Ambiental. Pontificia Universidad Católica de Chile.
Figura 5.6.13: Eje hidráulico del ejemplo 4.6.4.
5.6.3.2.- HEC-RAS
Introducción
Este software desarrollado por el Hydrologic Engineering Center (Centro de Ingeniería
Hidrológica) del US Army Corps of Engineers (Cuerpo de Ingenieros del Ejército de los
EE.UU.) Surge como evolución del conocido programa HEC-2. Incluye varios avances
con respecto a éste, entre las que destaca la interfase gráfica de usuario que facilita las
labores de preproceso y post-proceso. El modelo numérico incluido en este programa
permite realizar cálculos de flujo permanente unidimensional gradualmente variado y
también el análisis de flujo no permanente. Entre sus características técnicas se cuenta el
cálculo hidráulico de estructuras (puentes, aliviaderos, alcantarillas), la visualización
gráfica de datos y resultados, la edición grafica de secciones, y otros. En este acápite se
entrega una descripción básica del uso de este programa, para que el usuario pueda tener
los conocimientos y herramientas indispensables, para interiorizarse en otros detalles
según sus requerimientos.
Bajar programa
Lo primero que se debe hacer es obtener el programa HEC-RAS, para esto se debe uno
consultar la siguiente página de Internet:
http://www.hec.usace.army.mil/software/hec-ras/hecras-download.html

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Figura 5.6.14: Sitio web para bajar el programa HEC-RAS
Una vez bajado el archivo se debe ejecutar el programa para completar la instalación.
HEC-RAS requiere usar puntos en vez de comas para separar los decimales, por lo que
para cambiar se debe ir al panel de control y cambiar la configuración regional poner
español (México).
Figura 5.6.15: Configuración regional de windows

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Cómo comenzar un Proyecto
Al ejecutar el programa se debe crear un nuevo proyecto. Para ello, ir a la opción file y
luego “new Project”. Aquí se debe llenar los espacios de “title” y de “file name” que
debe quedar con una extensión .prj
Figura 5.6.16: Comenzar un proyecto
Luego se debe cambiar las unidades a unidades del sistema SI, por ser un programa de
americano usa unidades americanas. Para esto se debe ir a “options” y hacer clic en
“unit system”.
Figura 5.6.17: Cambio del sistema de unidades

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Es bueno grabar el proyecto en forma periódica para no perder el trabajo. En caso de
duda se recomienda grabar el programa con otro nombre, como por ejemplo
“prueba_a.prj” “prueba_b.prj” etc.
Los Datos Geométricos
El paso siguiente es ingresar la geometría del cauce. Para esto hacer clic en “geometric
data” (botón a la derecha del “save” con forma líneas conjuntas). También se puede
ingresar desde la opción EDIT “geometric data”
Figura 5.6.18: Ingreso de la Geometría del canal
Al abrirse el panel de “geometric data” uno se encuentra con íconos separados en dos
grupos: editors y tools. A continuación se incluye una pequeña reseña de ellos:

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Reach River:
Este icono es para agregar el trazado del cauce (o los cauces) que se quiere analizar. Al
hacer clic en el cauce aparece un lápiz con el cual se dibuja el río. Se tratará más
adelante.
Storage Area:
Representa un embalse o tranque de acumulación. Se debe crear una figura cerrada y
luego se debe introducir una curva de altura versus volumen de embalse.
S.A. Conn:
Es una conexión entre dos embalses. Esta conexión puede incluir diversas obras, como
compuertas, una tubería, etc.
Pump Station:
Representa una estación de bombas. Se debe ingresar las curvas de eficiencia, dirección
del bombeo, y otros antecedentes.
R.S:
R.S. significa River Station. Representa una sección especial del río, la cual sirve para
colocar información respecto a ciertos puntos, como por ejemplo, altura de inicio del
río, o de término, etc.
Este símbolo, sirve para colocar una imagen de fondo que sirva de referencia para el
esquema del río y de los embalses, y otras obras. Puede ser una parte del mapa del área.
Junct:
Representa la unión de dos o más cauces.

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Cross Section:
Icono para crear las secciones transversales de los ríos. Es junto al “reach river” lo más
importante de esta sección. Se tratará en profundidad más adelante.
Brdg/Culv :
Este ícono permite crear puentes, pilas de puentes o alcantarillas. Las pilas de puentes
serán tratadas más adelante.
Inline Structure:
Es para crear estructuras de regulación o control en el río, como compuertas y bancos
(interrupciones).
, ,
Estos ítems son para editar los puntos vistos anteriormente (embalses, conexiones de
embalses y estaciones de bombeo.
Htab. Param.
Es para editar propiedades hidráulicas de flujos no transientes.
View Picture:
Este ícono permite agregar o ver alguna imagen asociada a alguna estructura o sección
del río.
El caso típico es dibujar un río con sus afluentes y agregarle alguna estructura, como
sería el caso de un puente. A continuación se procede a detallar como se realiza esto.
- Entrada de datos
Lo primero es utilizar el “reach river” para trazar el cauce. El cauce son líneas rectas
que van cambiando de longitud o ángulo según el usuario hace click el botón izquierdo
del mouse. Para terminar el río se hace click con el botón de la izquierda 2 veces en
forma rápida. Después de esto aparecerá una ventanilla donde se ingresa el nombre del
río y el tramo al cual pertenece el esquema.

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El programa despliega el río y su nombre en azul y nombre del tramo en color negro.
Luego se debe pulsar “Cross-Section “, para ingresar el nombre y los datos de cada
perfil (elevación-ubicación), el coeficiente de rugosidad de Manning, y otra
información.
Cuando aparece la ventana de “Cross-Section” se debe ingresar una nueva sección.
Para esto, ir a Option y luego Add a new Cross Section.

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Los datos a ingresar son los siguientes:
Cross Section X-Y Coordinates: Ingresar las cotas y distancias que definen cada punto
del fondo de la sección transversal. Es necesario tener cuidado para partir siempre de
izquierda a derecha y la distancia acumulada. Así si el LOB tiene 20m y el reach parte
en los 20m.
Downstream Reach Lenghs: Ingresar las distancias que existen entre cada sección o
perfil. Hay tres casilleros (LOB1
, Channel, ROB), los cuales corresponden a la parte a la
izquierda de la zona de inundación, el canal propiamente tal y la parte derecha de la
zona de inundación.
Manning`s Values: Ingresar los valores del coeficiente de rugosidad de Manning para
cada área (LOB, Channel, ROB).
Main Channel Banks Stations: Ingresar la ubicación en donde termina el LOB y
donde comienza el ROB. Es en cierta forma los bordes típicos del cauce
ContExp Coefficients: Son los coeficientes de expansión y contracción, por defecto se
usan valores de 0.1 y 0.3 respectivamente. El criterio que se utiliza es el siguiente:
Tabla 5.6.2: Criterio de expansión y contracción utilizado en HEC-RAS
1
LOB = Left Over Bank, algo así como el lado sector izquierdo del cauce después del borde de éste
Contraction Expansion
No Transition 0.0 0.0
Gradual Transition 0.1 0.3
Typical Bridge Transition 0.3 0.5
Abrupt Transition 0.6 0.8

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Al ingresar los datos se observa como se forma la sección en el dibujo al lado. Para ver
el dibujo se debe tener activada la opción (es un icono con forma de sección transversal
a la derecha del icono “apply data”
Si se realiza alguna modificación en la sección y se desea ver cómo este cambio afecta
la sección, se debe hacer clic en el icono de “apply data”
Se debe tener especial atención con el término “Downstream Reach Lenghs·, pues los
valores corresponden a la distancia entre secciones, aguas abajo. Así, si el río tiene
varias estaciones (0, 1, 2, 3, etc.) y se requiere que la sección cero sea la última aguas
abajo, se deberá poner en “Downstream Reach Lenghs”, puros ceros, si después viene la
sección 1, en esta sección se deberá colocar en “Downstream Reach Lenghs”, la
distancia entre la sección 0 y la 1 y así sucesivamente. Lo otro importante es que el río
termina en la última sección. Es decir, el largo del río es la suma de los “Downstream
Reach Lenghs”, de todas las secciones
Además de lo ya señalado existe un sinnúmero de funciones especiales, como por
ejemplo la posibilidad de añadirle al río una capa de hielo, u obstrucciones. Finalmente
se debe decir que el nombre de la sección tiene que ser un número y debe estar en
orden numérico, siendo la de número más alto la que se ubica aguas arriba (upstream)
- Puentes
Para el cálculo hidráulico de un puente, debe crearse una sección especial para éste Lo
ideal es tener cerca del puente algunas secciones. Una vez que se tenga claro en donde
se instalará el puente se debe ir al editor de puentes “Brdg/culv”. Ahí en option se
agrega un nuevo puente:

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Figura 5.6.24: Ingreso de un puente
El programa pide incluir una nueva sección. El nombre de la sección debe estar entre las
secciones de aguas abajo y la de aguas arriba. Por ejemplo si se quiere que el puente
esté entre la sección 3 y la 4 el puente puede ser la sección 3.5
En ese momento aparecerá la forma de la sección aguas arriba y de aguas abajo.
Hecho esto se debe proceder a colocar la cota de laplataforma o calzada del puente.
Para esto se debe hacer clic en el siguiente icono:

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Al hacerlo aparece la siguiente pantalla con varios ítemes:
Distance: Es la distancia entre el puente y la sección inmediatamente aguas arriba.
Width: Ancho del puente
Weir Coef: Coeficiente de vertedero, por defecto 1.43
Station: Distancia desde el inicio de la sección del puente
High cord: Cota de la parte superior del puente, calzada o plataforma.
Low cord: Cota de las vigas del puente
Se puede poner el puente en forma distinta en la sección aguas arriba que aguas abajo
(colocar una pendiente en el ancho del puente), pero generalmente aguas arriba y aguas
abajo mantienen los mismos valores. Para no tener que repetir los datos existe el botón
“copy Up to Down” en la zona inferior derecha. Luego se deben incluir los estribos.
Para esto se procede a hacer clic en el icono “sloping abutment”, y se realiza algo
similar. Por último se debe ingresar los datos correspondientes a la pila del puente si
este tiene. Para ello se debe seleccionar el ícono “Pier”
En este menú se debe incluir los datos de la pila ingresando el ancho y la altura a la cual
se encuentra el ancho Así si se quiere incluir la zapata de la pila, sólo se debe ensanchar
la pila.
Otro punto importante de este menú es que se debe colocar la distancia a la cual irá la
pila. Esto se coloca en la opción “centerline station Down/Upstream”.

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Datos del flujo
Para poder ingresar los datos del caudal en flujo permanente se debe ir a Edit y luego
seleccionar Steady Flow Data
Figura 5.6.28: Ingreso de datos del flujo
Otra forma de ingresar es presionando el botón:
- La Ventana de Datos de Flujo Permanente
Se puede tener hasta un máximo 2000 caudales y el número que quiera ingresar será
equivalente con el número de cuadros que aparezcan más abajo, en los cuales se
ingresan los distintos caudales que se quieran analizar. También se puede elegir el lugar
en donde se hará el ingreso del caudal (está por defecto está la sección más arriba del
cauce).

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Luego se debe ingresar las condiciones límites que son necesarias en la simulación, para
esto se debe elegir la opción Steady Flow Boundary Conditions.
Existen dos casilleros para las condiciones límite aguas arriba y aguas abajo (upstream y
downstream).
• Para flujo subcrítico, ingresar condiciones de borde en el casillero aguas abajo,
downstream.
• Para flujo supercrítico, ingresar condiciones en el casillero de aguas arriba,
upstream.
• Para flujo mixto, ingresar condiciones en ambos casilleros.
Se puede poner las condiciones de límite separadamente para cada perfil o las mismas
condiciones para todos ellos. Hay 4 métodos diferentes para especificar las condiciones
de borde: la elevación conocida, profundidad crítica, la profundidad normal, o la curva
de descarga.
Si no se sabe bien qué condiciones colocar, se debe realizar un análisis. Para esto se
hace correr el programa y se analiza como se comporta el cauce ( se forman torrentes
en donde se debe o ríos). Luego del análisis se eligen las condiciones más apropiadas.

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- La Ventana de Datos de Flujo Impermanente
Para el flujo no permanente el método es bastante similar al del flujo permanente. La
diferencia es que en el inicio del cauce (la sección más arriba), se debe insertar como
condición de borde un hidrograma que representa la forma en que el caudal varía en el
tiempo. (un hidrograma es un gráfico tiempo vs. caudal).
Análisis de los datos de flujo
Para ingresar a la ventana de simulación, ir a Run y luego Steady Flow Analysis
Figura 5.6.32: análisis de datos del flujo
O también se puede ingresar seleccionando el botón:
La ventana de análisis de flujo es la siguiente:
Figura 5.6.33: análisis de datos del flujo

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Existen varias opciones disponibles para los cómputos hidráulicos en el menú Option
Además se debe elegir el tipo de régimen de flujo (Flow Regime) que se quiere analizar
para que le programa pueda hacer la simulación correctamente. Por último pulsar
COMPUTE para comenzar la simulación.
Resultado de la Simulación
HEC-RAS posee varias opciones para presentar gráficamente los resultados de la
simulación y la entrega de datos a través de tablas que contienen los resultados de los
cálculos.
Algunos de estas opciones son:
View Cross Section
Para ver el resultado gráfico de cada sección:
Water surface profile
Para ver los perfiles de los distintos caudales analizados
View computed rating curve
Las Curvas de valuación de caudal

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General profile plot
Permite ver distintos tipos de gráficos, como por ejemplo velocidad-distancia,
área-distancia, etc.
View 3D multiple cross section plot
Vista gráfica del Río en tres dimensiones
Section Tables
Tablas de datos de los resultados
• View Cross-Section Table
Tabla de resultados en una sección
• View Profile Table
Tabla de datos que entrega un resumen para cada perfil, los resultados para
caudal analizado
• Summary of Errors, Warnings, & Notes
El resumen de Errores, las Advertencias, & las Notas
Además se puede seleccionar " Generate Report …" del HEC-RAS en File del menú
principal, para tener un reporte total de los resultados.

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Diseño Hidráulico
Una sección especial se refiere al diseño hidráulico en HEC-RAS. Para acceder a esta
opción existen dos opciones, ir a “Run” y ahí escoger la opción de “Hydraulic Design
Function” o pulsar el ícono correspondiente.
Figura 5.6.34: diseño hidráulico
Dentro del diseño hidráulico existen cuatro opciones: Erosión por efecto de puentes,
transporte de sedimentos, flujo uniforme y diseño estable de canales. Para escoger una
de estas opciones hay que acercarse a la opción “type” y luego seleccionar la opción
deseada.
- Flujo uniforme
Esta sección es bastante sencilla. Para desarrollar el flujo uniforme se puede hacer por
dos métodos, uno que se llama “S/Q/y/n” y otro que se llama “width” El método width
es el usual. Se parte escogiendo la geometría. Para esto se puede escoger cualquiera de
las secciones diseñadas para el cauce o se puede modificar alguna sección para crear la
sección deseada (de igual forma a como se crearon las secciones) introduciendo datos a
las columnas “station” y “elevation”. Luego está la columna “equation” en donde se
señala la fórmula con que se desea calcular el flujo normal (Manning, Strickler, etc).
Finalmente se colocar en la columna “roughness” el coeficiente de rugosidad
dependiendo de la fórmula elegida.
Una vez hecho esto, en la parte inferior de la ventana aparecen tres datos: pendiente,
altura de aguas en el cauce (W/S) y caudal. Se ingresan dos de las tres opciones y al
hacer click en “Compute” el programa calcula el tercer valor incógnito.

300
Figura 5.6.35: diseño hidráulico flujo uniforme
- Diseño de Canales
HEC-RAS da la opción de diseñar, mediante tres métodos: el de Copeland, el de
régimen y el de fuerza Tractriz. Dentro de la fuerza tractriz, está la opción de usar el
criterio de Lane, de Shields o uno en el que el usuario defina. Los parámetros a escribir
en la fuerza tractriz son los siguientes:
• Discharge: Caudal (cfs o m3
/s).
• Temperature: Temperatura del agua. El valor típico es de 10ºC
• Specific Gravity: Gravedad específica de los sedimentos. El valor típico y por
defecto es de 2.65
• Angle of Repose: Ángulo de reposo para los sedimentos (para el lecho y para
las pendientes laterales. Se pueden encontrar valores típicos en tablas
• Side Slope: Es el valor de los taludes (H/V).
• Equation: Ecuación para la resolución de la altura normal
• n or k: Coeficientes de rugosidad
• Method: El método de resolución, ya hablado antes
Los datos a continuación son los que se pueden diseñar mediante HEC-RAS. El detalle,
es que sólo 2 de los 4 parámetros, pueden ser seleccionados por el programa, es decir
hay que darse los otros dos parámetros (2 cualquiera).
• d50/d75: Dependiendo si se usa Lane o Shields cambia este ítem. Es el diámetro
al cual el 50% o 75% de las partículas son más pequeñas
• D: Profundidad hidráulica del cauce (ft o m).
• B: la base de la sección (ft o m).
• S: pendiente.
Por otra parte el método “regime” es bastante más sencillo y pide sólo 5 parámetros de
los cuales hay dos que están dados por defecto, pero el diseño siempre es un sección
rectangular.

301
Por otra parte el método de Copeland, pide muchos más datos y no es muy usado. Sin
embargo se puede obtener del HELP de HEC-RAS la información para emplear este
método.
- Transporte de sedimentos
En esta sección, lo primero que se pide es que se cree un nombre al río que transportará
sedimentos (por ejemplo si el río que se creó en el “geometric data” se llama
“Mapocho” el de transporte se puede llamar “mapocho sedimentado”). La geometría del
río es la misma que la creada anteriormente. Luego se pide crear una tabla
granulométrica (para el lecho y para el ROB y el LOB). Luego de esto se generan
gráficos y tablas del transporte de sedimentos
Figura 5.6.35: diseño hidráulico – transporte de sedimentos
- Erosión debido al puente
Al usar esta opción, automáticamente aparece el puente que se ha creado. Si uno no ha
creado puentes, no aparece elegible esta opción. Aparecen tres ventanas: contraction,
pier y abutment, y se piden una serie de parámetros:
a) Contraction:
Los parámetros que se piden son los siguientes:
• Y1: Profundidad promedio tanto en el LOB, ROB como en el canal.
• V1: Velocidad promedio tanto en el LOB, ROB como en el canal
• Y0: profundidad promedio en la zona de contracción, tanto en el LOB,
ROB como en el canal
• Q2: El flujo para la zona contraída, tanto en el LOB, ROB como en el
canal
• W2: ancho superficial de la zona contraída
• D50: d50 para el material del lecho

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• Equation: Elección de la ecuación a usar para el cálculo de la
contracción. Si se deja en default, el programa escoge la mejor
• Q1: el flujo en la sección inmediatamente aguas arriba, tanto en el LOB,
ROB como en el canal
• W1: ancho superficial en la sección inmediatamente aguas arriba, tanto
en el LOB, ROB como en el canal
• K1: Exponente para el cálculo de la contracción. Si se conoce el d50, se
puede calcular usando el botón donde aparece el parámetro.
• Approach XS River Sta.: Seleccionar la sección que se quiere usar
como sección próxima (generalmente la inmediatamente aguas arriba)
b) Pier
• Maximum V1 Y1: Si se escoge esta opción el programa encontrará la
máxima velocidad y profundidad en la sección
• Local V1 Y1: Si se escoge esta opción el programa encontrará la
velocidad y profundidad en la sección, justo en donde está la pila
• Method: El método de cálculo (CSU o fórmula de Froehlich)
• Pier #: para indicar las pilas donde se va a calcular la erosión (todas,
ninguna, etc)
• Shape: La forma de la pila (rectangular, circular, con ranuras, etc)
• a: El ancho de la pila, el programa usa el valor de la “zapata” de la pila.
• D50: d50 para el material del lecho.
• Y1: Altura de agua justo en la sección aguas arriba del puente.
• V1: Velocidad promedio del flujo antes de la pila. Se puede obtener de
correr el programa.
• Angle: ángulo de ataque del flujo contra la pila.
• L: largo de la pila.
• K1,K2: Factores de corrección del modelo CSU. Se pueden obtener de
tablas y se agregan automáticamente cuando se completan otros datos
• K3: Factor de corrección, dependiente del lecho. Se san opciones en el
mismo factor.
• D95: d95 para el material del lecho.
• K4: Otro factor del modelo. El factor se usa solo cuando el d50 es mayor
a 0.002m y cuando el d95 es mayor a 0.02 m.
• a’: Proyección del ancho de la pila con respecto a la dirección del flujo
• Phi: Factor de corrección. Se selecciona automáticamente al completar
los otros datos.
c) Abutement
• Toe Sta at Bridge: Define el lugar en donde el pie del estribo termina.
El programa, automáticamente selecciona el valor .
• Toe Sta at App.: Define el lugar donde el pie del estribo termina en la
sección más próxima. El programa, automáticamente selecciona el valor.
• Length: Largo del estribo y del camino que obstruye el flujo. El
programa automáticamente calcula el valor.

303
• Y1: Es el valor calculado de la profundidad del agua. Se calcula
automáticamente dependiendo de los valores anteriores. Se usa para la
ecuación HIRE.
• K1: Factor de corrección dependiente de la forma del estribo.
• Skew: Ángulo de ataque del flujo contra el estribo.
• K2: Factor de corrección dependiente del ángulo de ataque contra el
estribo. Se calcula automáticamente
• Equation: Ecuación con que se calculará la erosión debido al estribo. Si
se selecciona la opción “default”, el programa escoge la formula más
aplicable a la situación.
• L1: Largo del estribo proyectado normal al flujo. El valor es calculado
automáticamente.
• Ya: Altura promedio del flujo que es bloqueada por el puente en la
sección más cercana.
• Qe: Flujo obstruido por el estribo en la sección más cercana.
• Ae: El área que “pertenece” al flujo y que el estribo obstruye
• V1: La velocidad al pie del estribo, tomada en la sección inmediatamente
aguas arriba del río.
Figura 5.6.36: diseño hidráulico – erosión debido a un puente

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