HECRAS

INTRODUCCIÓN AL USO DEL HEC-RAS

Por: Julio M. Kuroiwa Zevallos, Ph.D.
Profesor Auxiliar, Facultad de Ingeniería Civil. Universidad Nacional de Ingeniería.

1. Generalidades
El HEC – RAS 3.1 (River Analysis System 3.1) es un programa cuya principal función es la delineación de planicies de inundación, es decir de calcular el nivel del agua en cada sección transversal en el tramo de unrío o canal artificial. En la actual versión el flujo puede ser permanente o no permanente. Además de calcular los niveles de agua en cada sección, el HEC – RAS tiene la capacidad de calcular la socavación en los elementos de apoyo de un puente para el diseño de la cimentación de los mismos. El ingreso de datos es sencillo porque las ventanas en entorno Windows permiten introducir los datos demanera ordenada. Es necesario conocer la teoría básica de Curvas de Remanso que se dicta en los cursos de Mecánica de Fluidos II (UNI) o Ingeniería Hidráulica (URP y otras universidades) para poder adecuadamente manejar los datos de ingreso e interpretar correctamente los datos de salida y, si los resultados preliminares lo indican, corregir el ingreso de datos para obtener las salidas quemejor simulan el comportamiento hidráulico del tramo en estudio.
Este programa de cómputo es el sucesor del HEC-2, originalmente programado en FORTRAN IV por el Cuerpo de Ingenieros del Ejército de los Estados Unidos de Norteamérica.

2. Breve repaso del fundamento teórico
El HEC – RAS y su antecesor, el HEC – 2, utilizan el método del paso estándar para el cálculo de los niveles de agua en cadasección transversal. Para éstos es necesario conocer las secciones transversales, la distancia entre las secciones transversales, el coeficiente de Manning en cada porción de cada sección transversal, el (los) caudal (es) de diseño y la condición de borde. Si el flujo es SUB-CRÍTICO, la condición de borde a usar es AGUAS ABAJO, si el flujo es SUPERCRÍTICO, la condición de borde a usar es AGUASARRIBA. En un tramo sólo es necesario conocer UNA condición de borde, a menos que el flujo sea MIXTO. En este caso, se debe contar con una condición de borde AGUAS ARRIBA y otra AGUAS ABAJO. No es infrecuente que ésta condición ocurra, sobre todo en ríos de la Vertiente Occidental de los Andes, tales como el río Lurín y Rímac, en los cuales se presentan flujos mixtos con frecuencia.

El métododel paso directo
El método del paso directo se basa en la ecuación de la energía. Si se tienen dos secciones adyacentes (ver Figura 1), la energía de la sección que se encuentra aguas arriba (Sección 2) debe ser igual a la energía de la sección que se encuentra aguas abajo (Sección 1) más las pérdidas que se generan por fricción y por turbulencia (expansión / contracción) en el tramo. Se debentener en cuenta las siguientes premisas:
No existe variación de caudal en el tramo. Si existe variación de caudal, debe dividirse el canal en tramos que transporten el mismo caudal.
La pendiente del canal es pequeña. (menor a 10°).
El fondo del canal es rígido.
La pendiente de la línea de energía puede calcularse usando la ecuación de Manning.
El flujo es gradualmente variado (no ocurre unadisipación violenta de energía).
El flujo es permanente.

Figura 1. La energía en la sección 2 es igual a la energía en la sección 1 más las pérdidas por fricción Sf x. En esta figura no se han incluido las pérdidas por expansión / contracción.
Por ejemplo, en el procedimiento para el cálculo de Y2 en la Figura 1 es el siguiente. (Se asume que la condición de borde es el tirante AGUASABAJO, es decir Y1.)

Primer paso:
En la sección conocida se calcula el Área (A), Perímetro (P), Radio hidráulico (R = A/P), Velocidad (V = Q/A).
La cota de la línea de energía será: H = Z + Y + V2/(2g)
Se calcula la pendiente de la línea de energía: Sf = V2 n2 /(R4/3)

Segundo paso:
En la sección 2, se calcula el nivel de fondo del canal. Si la pendiente es constante: Z2 = Z1 + So...