Hec ras básico-u0_referencia hidraulica

CURSO HEC-RAS.
NIVEL BÁSICO
Referencia hidráulica
1
RÉGIMEN MIXTO
El régimen mixto se caracteriza por la variabilidad de circulación del flujo ya sea en
función de la pendiente o de la geometría de las secciones. Es habitual que se
produzcan cambios de régimen de subcrítico a supercrítico y viceversa.
Esta variación en la circulación del flujo se conoce como Flujo Gradualmente Variado,
en el que el calado varía de forma gradual. De este modo el perfil de la lámina de agua
adopta, a lo largo del paso por un canal abierto, unas Curvas de Remanso.
Cuando la transición se efectúa de régimen supercrítico a subcrítico, se produce una
curva de remanso que acaba transformándose en un resalto hidráulico. Cuando la
transición se realiza de régimen subcrítico a supercrítico se produce una doble curva
de remanso para enlazar ambos perfiles.
TIPOS Y CLASIFICACIÓN DE PERFILES
A continuación se adjuntan dos tablas en las que se describen y muestran los tipos de
perfiles en canales abiertos y la clasificación de las distintas curvas de remanso que
adoptan.

CURSO HEC-RAS.
NIVEL BÁSICO
2
RÉGIMEN DE FLUJO
La obtención de los perfiles de lámina de agua se inicia en una sección en la que sus
condiciones iniciales sean conocidas o supuestas, a partir de la cual se prosigue el
cálculo hacia aguas arriba en régimen subcrítico o hacia aguas abajo en régimen
supercrítico.
De este modo, si el método de cálculo del programa se define como subcrítico, éste
reflejará resultados iguales o superiores al calado crítico. Si el método se define como
supercítico, los resultados del cálculo hidráulico serán iguales o inferiores al calado
crítico.

CURSO HEC-RAS.
NIVEL BÁSICO
3
OBTENCIÓN DEL CALADO CRÍTICO
Se establecerá calado crítico en una sección cuando se cumpla alguna de las
siguientes condiciones:
- Se haya especificado régimen de flujo supercrítico
- El cálculo del calado crítico se haya solicitado por el usuario
- Se deba obtener el calado crítico para comprobar que una condición de
contorno externa se haya definido con un régimen apropiado
- Al comprobar el número de Froude en un perfil subcrítico deba verificarse el
régimen relacionado con el calado contrastado o comparado.
- No se pueda igualar el balance de energías hasta la tolerancia establecida en
un número de iteraciones igual o inferior a las determinadas.
Si se considera la energía en una sección como:
[M2-1]
donde,
H = energía (m)
WS = elevación de la lámina de agua (m)
aV2
/2g = término cinético (m)
El calado crítico es aquel que implica que la energía es mínima, y se obtiene por
cálculo iterativo de la anterior ecuación, representándose en la siguiente gráfica:
Así, una energía total determinada puede dar lugar a dos régimenes de flujo: subcrítico
o supercrítico.

CURSO HEC-RAS.
NIVEL BÁSICO
4
HEC-Ras dispone de dos métodos de obtención del calado crítico:
- Sistema parbólico. Definido por defecto, es el que efectua el cálculo más rápido
y que obtiene un único valor de mínima energía (situación más habitual en los
modelos). Si este método no converge hacia un resultado, se pasa
automáticamente al siguiente.
- Sistema secante. Hay secciones en las que hay más de un mínimo en la curva
de la energía por saltos o interrupciones en la misma. Esto ocurre en secicones
con llanuras de inundación muy anchas y poco profundas o en secciones con
levees o Ineffective Flow Areas.
COMPUTACIÓN EN RÉGIMEN MIXTO
En el documento de referencia hidráulica del Módulo 1 se expone cómo HEC-Ras
efectúa los cálculos cuando éstos se concretan en régimen subcrítico o supercrítico.
Pero si se define un método de cálculo mixto, el proceso de computación de los
cálculos hidráulicos es realizado como se expone a continuación:
1. Primero obtiene el perfil subcrítico empezando desde la condición de contorno
aguas abajo. Durante todo el proceso de cálculo subcrítico se identifican
aquellas secciones cuyo resultado es el calado crítico para un posterior
análisis.
2. Seguidamente se inicia un perfil supercrítico a partir de la condición de
contorno aguas arriba. Si ésta es supercítica, el programa comprueba si existe
una energía mayor, y si es así el programa empieza a calcular un perfil
supercrítico desde esa sección.
3. Si la condición de contorno aguas arriba es subcrítica y existe aún una energía
específica mayor en esa sección, el programa busca la sección más cercana
en la que el cálculo subcrítico haya arrojado calado crítico, usándola como
condición de contorno para empezar desde esa el cálculo del perfil supercrítico.
4. El programa calcula hacia aguas abajo el perfil suprecrítico hasta encontrar una
sección con solución válida tanto subcrítica como supercrítica. En esa sección
se calcula la energía específica de ambas elevaciones de lámina de agua,
tomando como válida la que resulte mayor de ambas.
5. Si la energía mayor resulta de la lámina de agua supercrítica, el programa
sigue la computación hacia aguas debajo de modo supercrítico y comparando
las soluciones de ambas elevaciones posibles.
6. Cuando el programa llega a una sección en la que la mayor energía la produce
la solución subcrítica de elevación de lámina de agua, el programa supone que
se ha producido resalto hidráulico entre esa sección y su inmediata superior
aguas arriba.
7. El programa entonces localiza la siguiente sección aguas abajo cuyo resultado
de cálculo sea el calado crítico y repite el proceso de comparación de energías.

CURSO HEC-RAS.
NIVEL BÁSICO
5
TIPOS DE CONDICIONES DE CONTORNO
Como datos hidráulicos el modelo requiere la definición de caudales por un lado y
condiciones de contorno por otro.
En flujo permanente el programa permite definir las condiciones de contorno de cuatro
maneras distintas:
 Known WS: Nivel de agua. Si se tiene algún dato del calado de la sección,
normalmente dado por un limnímetroEl dato a introducir es el nivel, es decir,
una cota sobre el nivel del mar
 Critical Depth: Calado o tirante crítico. Se define cuando en la sección existe
un elemento de control de calado/caudal basado en el calado crítico (vertedero,
aforador, presa, azud).
 Normal Depth: Calado o tirante normal. La condición de contorno más
habitual, si no se poseen más datos al respecto y en el que el flujo se aproxima
al uniforme.
 Rating Curve: Curva de caudal. A usar cuando se posea la curva de caudal de
la sección, es decir los datos que relacionan calado con caudal.
Para toooodo el resto de casos, definir como condición de contorno el calado normal.
Es el más habitual, ya que es el caso en el que el flujo se aproxima al uniforme. El
dato a entrar es la pendiente del tramo de influencia, en tanto por uno.
UBICACIÓN DE LAS CONDICIONES DE CONTORNO
Las condiciones de contorno pueden definirse en las secciones extremas aguas arriba,
aguas abajo o en ambas. En función del régimen de cálculo a realizar, se deberá
ubicar en una, otra u ambas.
A partir de las descripciones de los métodos de computación expuestos anteriormente,
tanto en esta Referencia hidráulica como en la del Módulo 1, se deduce que las
condiciones de contorno se deben ubicar:
1. Si el régimen en todo el tramo a modelar va a ser régimen supercrítico: aguas
arriba, ya que el cálculo se efectúa en el sentido del flujo
2. Si el régimen va a ser régimen subcrítico: aguas abajo, ya que el cálculo se
efectúa en el sentido contrario del flujo
3. Si el régimen va a ir variando a lo largo del tramo, mixto: en ambos, ya que
primero se calcula hacia aguas arriba y luego hacia aguas abajo.

CURSO HEC-RAS.
NIVEL BÁSICO
6
CAUCES NATURALES
La situación más habitual que un técnico va a tener que modelizar se encuentra en un
cauce natural. Éste se caracteriza no sólo por la heterogeneidad de sus pendientes
que provocarán un régimen mixto.
Es en los cauces naturales donde entran en juego secciones variables, rugosidades
cambiantes, y en los que de una correcta definición geométrica y de parámetros
hidráulicos dependerá la obtención de unos resultados válidos.
Por ello, en esta Referencia hidráulica se exponen algunos aspectos relacionados
directamente con la realización del cálculo computacional de cauces naturales.
SUBDIVISIÓN DE SECCIONES PARA CÁLCULOS DE CAPACIDAD DE
TRANSPORTE
Para obtener la capacidad de transporte total y los coeficientes de velocidad en una
sección, HEC-Ras la subdivide en unidades con una distribución de velocidades
uniforme en los márgenes de inundación (overbanks).
La capacidad de transporte en cada subdivisión se calcula a partir de Manning como:
con,
K = capacidad de transporte de la subdivisión
n = coeficiente de rugosidad de Manning de la zona
A = Área mojada de la zona
R = radio hidráulico de la zona (división de área mojada entre perímetro
mojado)
Las capacidades de transporte de los márgenes se obtiene sumando todos los
incrementos de las mismas, mientras que la de la sección se obtiene de la suma de las
tres partes de la misma: margen izquierdo, canal y margen derecho.

CURSO HEC-RAS.
NIVEL BÁSICO
7
EVALUACIÓN DEL TÉRMINO CINÉTICO DE LA ENERGÍA
Al tratarse de un programa de modelización unidimensional cuyo resultado es una
única lámina de agua, HEC-Ras sólo ofrece como resultado un valor de energía
relacionada directamente con el caudal de circulación de flujo por la sección. Así, la
energía en una sección cualquiera será obtenida según se muestra en el siguiente
esquema (en el que no se ha producido inundación en margen izquierdo).
Para obtener el término cinético se necesita conocer el coeficiente alfa, el cual se
calcula igualando el término cinético de la sección con la media ponderada de
velocidades según los caudales:
Esta ecuación expresada en forma general queda como:
DETERMINACIÓN DE LOS LÍMITES DEL ESTUDIO
La realización de un modelo implica la decisión de delimitar cuáles van a ser los límites
del mismo aguas arriba y aguas abajo. Estos límites deben ubicarse lo suficientemente
lejos de la zona concreta de estudio para el que se ha efectuado el modelo con el
objeto de:
- En la sección extrema aguas arriba se mantengan las condiciones de flujo
existentes sin que se vean afectadas por las perturbaciones que una
modificación en la zona concreta de estudio pueda producir.
- Las variaciones de definición de condición de contorno aguas abajo no tengan
ningún efecto en los resultados obtenidos en la zona concreta de estudio.

CURSO HEC-RAS.
NIVEL BÁSICO
8
Suele ocurrir que no se disponga de datos contrastados en la sección aguas abajo,
con lo que normalmente se estima como calado normal, aunque el nivel de agua sea
en esa sección mayor o menor que ése…
En general, para flujo subcrítico el error producido por esa estimación va disminuyendo
a medida que el cálculo se desplaza hacia aguas arriba, con lo que poner la sección
extrema aguas abajo suficientemente lejos proporcionará valores de resultados válidos
en la zona concreta de estudio.
ESQUEMA DEL CAUCE A MODELIZAR
El primer paso para definir una geometría es la de crear el esquema del sistema o
modelo del cauce a estudiar.
Cada tramo de cauce se identifica con una etiqueta inequívoca de río y tramo, de
manera que los siguientes datos de geometría a definir quedarán asociados a ellos.
Cada tramo a introducir en el modelo se definirá siempre de aguas arriba hacia aguas
abajo, en lo que se considera el sentido positivo del flujo.
HEC-Ras es capaz de modelar un modelo o sistema ya sea de un cauce único hasta
una red de cauces compleja, incluso cauces que se separan y luego vuelven a unirse
formando bucles, aunque deberá ser el usuario quien determine qué porcentaje del
flujo se distribuye por cada rama del bucle.

CURSO HEC-RAS.
NIVEL BÁSICO
9
DEFINICIÓN DE SECCIONES TRANSVERSALES
Los límites geométricos del modelo de flujo en cauces naturales se determinan
mediante secciones transversales y las distancias relativas entre ellas.
Las secciones transversales deben ubicarse para caracterizar perfectamente el flujo y
sus llanuras de inundación, extendiéndose en toda la planicie y ser perpendiculares a
las líneas de flujo previstas.
Una de las características fundamentales es que no deben cruzarse, lo cual toma
relevancia en cursos sinuosos o con quiebros, con lo que para asegurar secciones
perpendiculares a las líneas de flujo es necesario ingeniárselas, imaginándose las
líneas de flujo en las llanuras de inundación
La ubicación de las secciones se realizará en ubicaciones representativas a lo largo
del tramo de cauce a estudiar, cambios de caudal, pendiente, forma, rugosidad, en los

CURSO HEC-RAS.
NIVEL BÁSICO
10
puntos donde empiezan y terminan los levees, en viaductos, estructuras de control…y
en todos los lugares donde se produzca algún cambio significativo.
Las secciones transversales se definen desde margen izquierdo hacia margen
derecho, mediante combinación de pares de coordenadas (Station, Elevation), siendo
las Station menores las más cercanas al límite izquierdo de la sección (se admiten
Station negativas), hasta un máximo de 500 pares de coordenadas; de manera que la
visualizan desde aguas arriba.
DISTANCIA ENTRE SECCIONES (REACH LENGTHS)
El programa define las distancias relativas entre secciones con el término Reach
Lenghts.
Las distancias en el canal principal o cauce de aguas bajas se miden en los puntos
más bajos de las secciones. Las distancias en los márgenes se toman en el hipotético
centro de masas del flujo en las llanuras de inundación.
COEFICIENTES DE PÉRDIDA DE ENERGÍA
El programa usa tres tipos de coeficientes para la evaluación de las pérdidas de
energía:
- Coeficiente n de rozamiento de Manning (o su equivalente k de fricción)
- Coeficientes de expansión y contracción en transiciones
- Coeficientes de pérdidas en viaductos o culverts
Coeficiente n Manning
Se trata de una variable que tiene una gran influencia en la precisión de los resultados
de la computación. Depende de un gran número de factores como: rugosidad,
vegetación, irregularidades, alineación, erosión o sedimentación, obstrucciones,
tamaño y forma de la sección, etc.
Los valores del coeficiente deberían poder calibrarse a partir de datos reales de
elevaciones, calados o tirantes de láminas de agua. En su defecto se deben usar
valores de características similares de modelos ya computados u obtenidos de forma
experimental.
Como valores de referencia, el programa se basa en las tablas incluidas en el libro
Hidrología de Canales Abiertos de Ven Te Chow, las cuales se adjuntan a
continuación.

CURSO HEC-RAS.
NIVEL BÁSICO
11

CURSO HEC-RAS.
NIVEL BÁSICO
12

CURSO HEC-RAS.
NIVEL BÁSICO
13

CURSO HEC-RAS.
NIVEL BÁSICO
14
El valor equivalente de rugosidad k de fricción se suele usar en diseño de canales, y
se trata de una medida de la dimensión linear de la rugosidad de los materiales. Su
ventaja respecto de n de Manning es que refleja los cambios debidos a la altura de
agua. Los valores usuales de k que HEC-Ras considera en función del material son:

CURSO HEC-RAS.
NIVEL BÁSICO
15
Coeficientes de contracción y expansión
Las contracciones y expansiones de flujo por cambios de sección suelen ser causas
muy comunes de pérdidas de energía. Es entonces cuando el programa las evalúa a
través de los coeficientes especificados en la sección correspondiente.
Esos coeficientes son multiplicados por la variación de término cinético, en valor
absoluto, entre dos secciones para obtener la pérdida de energía que se produce en la
transición de ambas.
Para régimen subcrítico los valores de los coeficientes de contracción y expansión
usados por el programa son:
En el caso de flujo supercrítico esos coeficientes son sensiblemente menores, con lo
que usar los valores típicos en subcrítico pueden sobrevalorar las pérdidas. Así para
transiciones suaves se usará 0’01 para contracción y 0’03 para expansión, mientras
que para transiciones más abruptas se optará por 0’05 para contracción y 0’2 para
expansión. En régimen supercrítico es interesante optar por coeficientes 0 si el flujo no
se expande ni contrae.

CURSO HEC-RAS.
NIVEL BÁSICO
16
CAUCES NATURALES. AVISOS Y NOTAS.
La heterogeneidad de la geometría y características morfológicas de los cauces
naturales implica que los resultados obtenidos en una simulación deban analizarse
cuidadosamente.
En este sentido, HEC-Ras ofrece un listado de avisos y notas resultantes del proceso
de computación que ayudan en este proceso de análisis, a partir del cual será
necesario realizar algunas actuaciones en el modelo.
La interpolación de secciones suele ser la más habitual, al detectar el programa
indefiniciones en el modelo debido a variaciones bruscas de parámetros de energía y
velocidad entre secciones, muchas veces causados por cambios de régimen en los
que la ecuación de la energía ya no es un método viable en la computación, optando
por la ecuación del momento.
ECUACIÓN DEL MOMENTO EN CAUCES NATURALES
Cuando la lámina de agua pasa por el calado crítico, el programa opta por computar
mediante la ecuación del momento al producirse un Flujo Rápidamente Variado. Esta
situación se da en los cambios de régimen, lo cual es habitual en los modelos de
cauces naturales.
La ecuación del Momento procede de la segunda ley de Newton:
Que aplicada al movimiento de una porción de agua entre dos secciones en un
instante de tiempo queda como:
donde,
P = presión hidrostática en secciones 1 y 2 (kN)
Wx = fuerza debida al peso de la porción de agua en el sentido del flujo (kN)
Ff = fuerza de fricción por flujo desde sección 2 a sección 1 (kN)
Q = caudal (m3/s)
 = densidad del agua (t/m3)
Vx = incremento de velocidad de secciones 2 a 1 en la dirección del flujo (m/s)

CURSO HEC-RAS.
NIVEL BÁSICO
17
Teniendo en cuenta que:
La ecuación del Momento que HEC-Ras desarrolla en sus computaciones queda
como:
Para el caso concreto de cálculos de flujo en régimen mixto, y aplicándola a un tramo
corto de cauce, la ecuación queda simplificada como:
con,
Q = caudal en cada sección (m3
/s)

CURSO HEC-RAS.
NIVEL BÁSICO
18
A = Área total de flujo (m2
)
Y = calado o tirante desde la superficie hasta el centroide del área (m)
g = gravedad
Siendo ambos lados de la ecuación análogos, puede expresarse para cualquier
sección de un canal como:
La primera parte de la ecuación corresponde al término dinámico (momento de flujo
que pasa por el canal por unidad de tiempo), y la segunda corresponde al término
estático (fuerza ejercida por la presión hidrostática). El resultado es lo que se conoce
como Fuerza Específica, la cual aplicada a canales naturales se expresa como:
con,
Aw = Área de flujo donde hay movimiento (m2
)
At = Área total de flujo incluidas las áreas infectivas. (m2
)
WARNINGS Y NOTAS
Seguidamente se relacionan los warnings y notas más habituales:
Warnings
- Divided flow computed for this section. En esa sección aparecerá más de una
sección de agua. Habrá que comprobar que esta situación es posible. Si no lo
es se deberá plantear la inclusión de diques o levees.
- The velocity head has changed by more than 0.5 ft (0.15 m). This may indicate
the need for additional cross sections. Existe cierta indefinición ya que la
variación del término cinético supera los 15cm, con lo que se recomienda
añadir secciones adicionales.
- The energy loss was greater than 1.0 ft (0.3 m) between the current and
previous cross section. This may indicate the need for additional cross sections.
Existe cierta indefinición ya que se produce una pérdida de energía entre la
sección y la inmediata superior mayor de 30cm, con lo que se recomienda
añadir secciones adicionales.

CURSO HEC-RAS.
NIVEL BÁSICO
19
- The conveyance ratio (upstream conveyance divided by downstream
conveyance) is less than 0.7 or greater than 1.4. This may indicate the need for
additional cross sections. Existe cierta indefinición ya que la relación de
transporte de aguas arriba hacia aguas abajo es menor que 0’7 o mayor que
1’4, con lo que se recomienda añadir secciones adicionales.
- The energy equation could not be balanced within the specified number of
iterations. The program used critical depth for the water surface and continued
on with the calculations. El balance de energías no ha podido fijarse con el
número de iteraciones realizado, con lo que el programa establece en la
sección el calado crítico y prosigue con el cálculo. Es posible que en esa
sección se produzca un cambio de régimen de subcrítico a crítico, o se
encuentre en un resalto hidráulico o simplemente se encuentre en un ámbito
donde el flujo (ya sea subrítico o supercrítico) presente cierta inestabilidad ya
que se desarrolla muy cerca del crítico… Hay que analizar si la situación
descrita por el aviso es razonable dentro del comportamiento hidráulico del
flujo.
- The energy equation could not be balanced within the specified number of
iterations. The program selected the water surface that had the least amount of
error between computed and assumed values. El balance de energías no ha
podido fijarse con el número de iteraciones realizado, con lo que el programa
selecciona la lámina de agua que ofrece el menor error entre la supuesta
hipotéticamente y la resultante de las iteraciones. Este aviso suele ocurrir
cuando el flujo (ya sea subrítico o supercrítico) presente cierta inestabilidad ya
que se desarrolla muy cerca del crítico… Hay que analizar si la situación
descrita por el aviso es razonable dentro del comportamiento hidráulico del
flujo.
- During the standard step iterations, when the assumed water surface was set
equal to critical depth, the calculated water surface came back below critical
depth. This indicates that there is not a valid subcritical answer. The program
defaulted to critical depth. En el proceso de cálculo por iteraciones, en la
hipótesis de que la lámina de agua era el calado crítico el resultado obtenido
establecía la lámina por debajo del crítico. Esto significa que en la sección no
puede darse un resultado subcrítico con lo que el programa establece como
solución en la sección el calado crítico. Ocurre lo mismo que en el aviso
anterior. Es posible que en esa sección se produzca un cambio de régimen de
subcrítico a crítico, o se encuentre en un resalto hidráulico o simplemente se
encuentre en un ámbito donde el flujo (ya sea subrítico o supercrítico) presente
cierta inestabilidad ya que se desarrolla muy cerca del crítico… Hay que
analizar si la situación descrita por el aviso es razonable dentro del
comportamiento hidráulico del flujo.
- Slope too steep for slope area to converge during supercritical flow calculations
(normal depth is below critical depth). Water surface set to critical depth. La
pendiente del tramo es demasiado pronunciada para que el descenso de área

CURSO HEC-RAS.
NIVEL BÁSICO
20
del cálculo converja a un resultado supercrítico (el que correspondería para esa
pendiente). Es por eso que el programa fija el calado en el calado crítico. Para
resolver esta situación se debería alargar unos metros aguas abajo el tramo del
modelo o bien indicar otra condición de contorno en esa sección (cota de
calado, por ejemplo).
Notas
- Program found supercritical flow starting at this cross section. En esta sección
se inicia flujo en regimen supercrítico.
- Hydraulic jump has occurred between this cross section and the previous
upstream section. Se ha producido un resalto hidráulico entre esta sección y la
inmediatamente superior aguas arriba.
- Multiple critical depths were found at this location. The critical depth with the
lowest valid water surface was used. El cálculo en la sección ofrecía múltiples
resultados de calado crítico, pero el programa ha escogido el correspondiente a
la lámina de agua válida más baja.

CURSO HEC-RAS.
NIVEL BÁSICO
21
ANOTACIONES Y APUNTES

Hec ras básico-u0_referencia hidraulica

Recomendados

Recomendados

Más contenido relacionado

La actualidad más candente

La actualidad más candente (20)

Similar a Hec ras básico-u0_referencia hidraulica

Similar a Hec ras básico-u0_referencia hidraulica (20)

Más de ivan645162

Más de ivan645162 (15)

Último

Último (20)

Hec ras básico-u0_referencia hidraulica