Guida all utilizzo del software HEC-RAS http://www.hec.usace.army.mil/software/software_distrib/hec-ras/hecrasprogram.html
WORKING WITH HEC-RAS HEC-RAS è un software che consente il calcolo del profilo del pelo libero nel caso di moto stazionario (STEADY FLOW) e non stazionario (UNSTEADY FLOW). Il modello di calcolo viene applicato ad un PROJECT, costituito da tutto l insieme di dati che caratterizzano un sistema idrografico. I dati che compongono un project vengono suddivisi come segue: PLAN DATA: composto da uno specifico gruppo di geometric e flow data; GEOMETRIC DATA STEADY FLOW DATA UNSTEADY FLOW DATA NOTA: prima di iniziare il project occorre definire il Sistema di Misura SI o US.
EDIT Geometric Data Steady Flow Data Unsteady Flow Data Struttura dei Menu a Tendina OPTIONS Program Setup Default Parameters Unit System Convert Project HELP Contents Using HEC-RAS Help About HEC-RAS FILE New Project Open Project Save Project Save Project As Rename Project Delete project Project Summary RUN Steady Flow Analysis Unsteady Flow Analysis Hydraulic Design Functions VIEW Cross Sections Water Surface Profiles General Profile Plot Rating Curves X-Y-Z Perspective Plots Stage and Flow Hydrographs Hydraulic Property Plots
GEOMETRIC DATA I dati geometrici comprendono tutto l insieme delle informazioni atte a caratterizzare il corso d acqua (River System Schematic): sezioni topografiche ed opere in alveo (ponti, tombinature, brigl1e, traverse, etc.). Quando si inizia un nuovo progetto la finestra appare bianca. I passi da seguire sono: 1) cliccare RIVER REACH e disegnare il tratto di corso d acqua da monte verso valle; 2) inserire le sezioni cliccando il pulsante CROSS SECTION; 3) inserire i dati geometrici relativi alle opere presenti (BRDG/CULV, INLINE WEIR/SPILL, LATERAL WEIR/SPILL); 1 2 3
RIVER, REACH, RIVER STA individuano l ubicazione della sezione all interno del reticolo idrografico. Il valore numerico del River Sta è necessario per inserire le sezioni nel corretto ordine all interno del tratto. Il valore più alto corrisponde alla sezione più a monte, mentre quello più basso a quella più a valle. Per inserire una nuova sezione: 1) dal menu premere OPTIONS e scegliere ADD A NEW CROSS SECTION; 2) dare un numero alla nuova sezione per inserirla in modo corretto fra le altre presenti; CROSS SECTION
CREAZIONE DI UNA NUOVA CROSS SECTION Tutti i campi evidenziati nella finestra CROSS SECTION DATA devono essere compilati. Per inserire in memoria i nuovi dati deve essere cliccato il tasto APPLY DATA 1) coordinate X-Y della sezione, inserite procedendo da sinistra verso destra guardando valle (le X rappresentano una distanza progressiva); 2) distanza dalla sezione di valle; 3) valori del coeff. di resistenza n di Manning; 4) il primo campo corrisponde al valore della X in cui termina la golena sinistra (LOB), mentre il secondo a quello dove inizia la golena destra (ROB); 5) valori di default del coeff. di contrazione ed espanzione della sezione; 2 3 4 1 5
Prima di procedere ad inserire una nuova sez. è consigliabile controllare la correttezza di quella inserita visualizzandola graficamente, con il comando PLOT CROSS SECTION PLOT CROSS SECTION
OPZIONTIONS CROSS SECTION Premendo sul menu OPTIONS è possibile: 1) aggiungere, copiare, rinominare o cancellare una sezione; 2) aggiustare la quota Y, le distanze X o il coeff. di Manning; oppure ruotare la sezione (le sezioni sono rilevate ortogonalmente alle linee di corrente, questo può non essere vero nel caso dei ponti); 3) introdurre zone inattive ai fini del deflusso; inserire argini o ostruzioni; aggiungere una copertura; inserire una scala di deflusso nota; 4) modificare il valore del coeff. di resistenza lungo la sezione trasversale o la direzione verticale; 1 2 3 4
NORMAL INEFFECTIVE FLOW AREAS Rappresentano aree della sezione non attive ai fini del deflusso, dove la corrente ristagna (la velocità nella direzione della corrente è nulla o prossima a zero). Quando l altezza d acqua oltrepassa l altezza limite, quella specifica area non viene più considerata inattiva al deflusso. ineffective flow areas
MULTIPLE BLOCKED INEFFECTIVE FLOW AREAS Oltre alle normal ineffective flow areas è possibile inserire una o più BLOCKED INEFFECTIVE FLOW AREAS, che necessitano dell altezza e delle coordinate di inizio e di fine. Anche in questo caso la blocked area diviene attiva se l altezza d acqua la sormonta.
LEVEES Questa opzione consente di inserire un argine in un qualsiasi punto della sezione. In questo modo il flusso d acqua non può andare ad occupare la parte d alveo oltre l argine fintantoché il suo livello si mantiene inferiore alla quota massima dell argine stesso.
BLOCKED OBSTRUCTIONS Questa opzione consente di definire aree nella sezione inattive ai fini del deflusso in modo permanente. L effetto risultante è quello di diminuire la sezione liquida ed aumentare il perimetro bagnato. E possibile inserire normal o multiple blocked obstructions. ineffective flow areas
HORIZONTAL VARIATIONS IN n VALUES Con questa opzione è possibile inserire più di tre valori del coeff. di resistenza, al limite è possibile dare un valore di resistenza diverso a ciscun tratto della sezione.
VERTICAL VARIATIONS IN n VALUES Questa opzione consente di far variare il valore del coeff. di resistenza di Manning, oltre che orizzontalmente, anche lungo la verticale in funzione dell altezza d acqua o della portata liquida defluente.
BRIDGES AND CULVERTS Dopo aver completato l inserimento di tutte le sezioni, è possibile aggiungere i dati geometrici relativi a ponti e tombinature. HEC-RAS valuta le perdite di energia causate da queste strutture in 3 parti: 1) dovuta all espansione del flusso che si verifica immediatamente a valle; 2) dovuta alla opera stessa e 3) dovuta alla contrazione del flusso che si verifica immediatamente a monte. Per questo motivo devono essere definite 4 sez. per la modellazione L c deve essere tale che le linee di flusso siano approssimativamente parallele. Le sezioni 2 e 3 si trovano rispettivamente al piede di valle e di monte della struttura. In entrambe devono essere inserite le ineffective flow areas. L e deve essere tale che il flusso nella sez. 1 non risenta più della struttura,
Le & Lc L e viene calcolato come il prodotto tra il rapporto di espansione e la lunghezza media di ostruzione (media tra le distanze AB e CD). Nella tabella sottostante vengono forniti i campi di variazione del rapporto di espansione in funzione di vari valori del rapporto di restringimento della sezione (b/b) e del rapporto tra la scabrezza delle golene e quella dell alveo attivo (n ob /n c ). Per ciascun intervallo il valore estremo è associato al valore di portata più grande. Comunque il valore assunto da L e non deve troppo grande da rendere le perdite per espansione non modellizzabili correttamente. Generalmente viene consigliato di prendere Lc pari alla lunghezza media di ostruzione delle spalle del ponte.
INSERIMENTO DATI GEOMETRICI DI UN PONTE Per poter inserire i dati occorre cliccare sul pulsante BRDG/CULV e seguire la procedura qui riportata: 1) scegliere il corso d acqua ed il tratto dove inserire il ponte; 2) da options scegliere ADD A BRIDGE AND/OR CULVERT; 3) fornire un numero alla nuova sezione per inserire la struttura in modo corretto fra due sez. già presenti, che devono corrispondere rispettivamente alle sez. al piede di monte e di valle; 4) inserire tutti i dati richiesti in: a) Bridge deck; b) Pier; c) Sloping abutment; d) Bridge modelling approach;
Viene utilizzato per inserire la porzione di sezione occupata dal ponte. Distance: distanza tra il piede di monte del ponte e la sezione immediatamente a monte dello stesso; Width: larghezza del ponte lungo la direzione della corrente; Weir Coef: coef. utilizzato per il calcolo del flusso stramazzante sopra il ponte; Upstream/downstream station, high chord, low chord: fornisce rispettivamente la geometria di monte e di valle del ponte. Ad ogni valore della coordinata X deve corrispondere un valore dell estradosso e dell intradosso del ponte; BRIDGE DECK
BRIDGE PIERS Viene utilizzato per inserire una qualsiasi pila presente nella luce del ponte. Ogni pila deve essere inserita a parte per poter valutare in modo corretto l ammontare della perdita di energia ad essa dovuto.
Per inserire una spalla inclinata SLOPING BRIDGE ABUTMENTS
BRIDGE MODELLING APPROACH Premendo il pulsante BRIDGE MODELLING APPROCH si apre la seguente finestra, in cui è possibile scegliere gli strumenti di analisi per la modellazione del ponte nel caso rispettivamente di low flow e di high flow. LOW FLOW METHODS 1) Energy; 2) Momentum (si deve inserire Cd e K); 3) Yarnell; Se si utilizzano più metodi occorre specificare al programma di utilizzare quello che fornisce il valore della perdita maggiore. HIGH FLOW METHODS 1) Energy Only; 2) Pressure and/or Weir (si deve inserire i coef. per la risoluzione delle equazioni del flusso in pressione);
CROSS SECTION INTERPOLATION Talvolta si rende necessario incrementare il numero di sezioni disponibili (i.e. il cambiamento di velocità tra due sez. consecutive è troppo elevato per determinare in modo accurato il gradiente di energia). In questo caso è possibile utilizzare 3 differenti metodi: 1) inserimento manuale di una nuova sezione; 2) inserimento automatico di una o più sez. in un determinato tratto di corso d acqua (Within a Reach); 3) inserimento automatico di una o più sez. tra due sezioni consecutive (Between 2 XS s); 2 3
AUTOMATIC CROSS SECTION INTERPOLATION 1) inserimento automatico di nuove sezioni mediante interpolazione di quelle presenti in un determinato tratto di corso d acqua (XS Interpolation - Within a Reach). Si deve specificare corso d acqua, tratto, sezione di inizio a monte e di fine a valle interpolazione e la massima distanza tra le sezioni interpolate. 1 2 2) inserimento automatico di nuove sezioni mediante interpolazione di due sezioni consecutive (XS Interpolation - Between 2XS s). Si deve specificare corso d acqua, tratto, sezione di inizio a monte e di fine a valle interpolazione e la massima distanza tra le sezioni interpolate.
Le sezioni interpolate sono sono visualizzate con un colore più chiaro di quelle inserite manualmente e sono indicate da un codice numerico che termina con un asterisco (*). RISULTATI DELL INTERPOLAZIONE
ANALISI IN MOTO PERMANENTE-STEADY FLOW ANALYSIS L inserimento dei dati di portata avviene aprendo la finestra di dialogo STEADY FLOW DATA dal menu EDIT della finestra principale di Hec-Ras. Innanzitutto occorre definire il numero di profili da calcolare (max 500). Se sono presenti più tratti occorre inserire un valore di portata in ciascuna sezione (l ultima a monte) di ciascun tratto del corso d acqua. Tale valore di portata rimane costante fintantoché non si presenta un altro contributo. La portata può essere modificata in ogni sez. Inoltre in ciascuna sezione si deve inserire tanti valori di portata quanti sono i profili.
CONDIZIONI AL CONTORNO - BOUNDARY CONDITIONS Dopo aver inserito tutti i valori di portata necessari alla caratterizzazione idraulica dei tratti del corso d acqua, occorre definire per ciascuno di questi una condizione al contorno. Le condizioni al contorno sono necessarie per stabilire il livello iniziale della superficie libera, e quindi per avviare il processo di calcolo. Si possono individuare 3 differenti casi: 1) CORRENTE SUBCRITICA: è necessaria solo la condizione al contorno di valle; 2) CORRENTE SUPERCRITICA: è necessaria solo la condizione al contorno di monte; 3) CORRENTE MISTA: è necessaria la condizione al contorno sia a monte che a valle; cond. al contorno interna inserita automaticamente
POSSIBILI CONDIZIONI AL CONTORNO Per definire le condizioni al contorno è possibile utilizzare 4 differenti opzioni: 1) Known Water Surface Elevations: la cond. al contorno corrisponde ad un valore noto dell altezza d acqua inserito per ciascuno dei profili da calcolare; 2) Critical Depth: la cond. al contorno viene posta uguale alla profondità critica che il programma calcola per ciascuno dei profili; 3) Normal Depth: la cond. al contorno è uguale alla profondità di moto uniforme che il programma calcola per ciascuno dei profili. In questo caso si deve inserire la pendenza della linea dei carichi totali, che può essere approssimata mediante la pendenza del tratto di canale a monte; 4) Rating Curve: in questo caso occorre inserire una serie di valori noti di altezza d acqua e delle relative portate. La cond. al contorno, per ciascun profilo, viene ottenuta interpolando le altezze d acqua della scala di deflusso per il corrispondente valore di portata. 1 4 3
AVVIO DELL ANALISI IN MOTO PERMANENTE Per avviare l analisi di moto permanente si deve premere STEADY FLOW ANALYSIS dal menu RUN della finestra principale di Hec-Ras. Per iniziare un nuovo progetto si deve premere NEW PLAN dal menu FILE della finestra Steady Flow Analysis. Ogni progetto è composto da uno specifico gruppo di dati geometrici ed idraulici precedentemente definiti. E possibile realizzare vari progetti utilizzando un unico insieme di dati geometrici per più insiemi di dati idraulici e viceversa. L ultimo passo prima di avviare l analisi (COMPUTE), consiste nel definire le caratteristiche della corrente (FLOW REGIME), che può essere subcritica, supercritica o mista (occorre verificare che le condizioni al contorno siano compatibili con il flow regime scelto).
Esempio 1 Effetto del restringimento d alveo per i > i c B = 76 ft attraversamento dello stato critico t 1 risalto b = 68 ft F 0 = 1.14 t 3
Esempio 2 Effetto del restringimento d alveo per i < i c B = 76 ft b = 71.5 ft F 0 = 0.78 attraversamento dello stato critico f 1 risalto
Esempio 3 Cambio di pendenza dell alveo t 2 f 2 risalto i f2 < i cr tratto 2: alveo fluviale corrente lenta i f3 > i cr tratto 3: alveo torrentizio corrente veloce i f3 > i cr tratto 3: alveo torrentizio corrente veloce
BRIDGE MODELLING APPROACH: C d Momentum Balance Method: in questo caso è necessario definire un valore da assegnare al coefficiente di drag C d. Alcuni valori caratteristici per varie tipologie di pile sono riportati nella seguente tabella:
BRIDGE MODELLING APPROACH: K Yarnell Equation: in questo caso è necessario definire un valore da assegnare al coefficiente K, funzione della forma della pila. Alcuni valori caratteristici per varie tipologie di pile sono riportati nella seguente tabella:
JUNCTION 1 Una confluenza viene formata in modo automatico quando vengono uniti due corsi d acqua. 1) nella prima finestra che compare viene richiesto il nome dell affluente e del tratto corrispondente; 2) nella seconda finestra viene richiesta la conferma della sezione da cui far iniziare il tratto di monte del corso d acqua principale; 2 4 3) nella terza finestra viene richiesto l inserimento di un nuovo nome per il tratto di corso d acqua principale a valle della confluenza; 4) nella quarta finestra viene richiesto il nome della confluenza.
JUNCTION I dati di una confluenza vengono inseriti cliccando il pulsante JUNCT. prima evidenziato e comprendono: descrizione, distanza dalle sezioni di monte e scelta del metodo di calcolo; Una confluenza può essere modellata secondo due metodi differenti: 1) METODO DELL ENERGIA: non tiene conto dell angolo di immissione del tributario e pertanto viene utilizzato quando la perdita di energia indotta dall angolo del tributario è trascurabile (nella maggior parte dei casi è possibile utilizzare questo metodo). 2) METODO DEL BILANCIO DELLA QUANTITÀ DI MOTO: viene utilizzato in tutte quelle situazioni in cui tale perdita non può essere trascurata. In questo caso occorre inserire nella colonna aggiuntiva l angolo dell affluente, mentre in corrispondenza del corso d acqua principale lo spazio deve essere lasciato bianco o deve essere inserito il valore nullo.
INLINE WEIRS AND GATED SPILLWAYS HEC-RAS consente di modellare briglie o traverse (overflow weirs), luci di fondo (gated spillways) disposte sia trasversalmente che lateralmente al corso d acqua. La superficie dello stramazzo può essere sia curva (ogee shape) che piana (broad crested shape) e le aperture delle gated spillways possono essere modellate sia come radial gate che vertical sluice gate. In aggiunta alle luci è possibile inserire anche una zona a soglia sfiorante. Esempio di una briglia con overflow weir e gated spillway, composta da 15 identiche aperture e da una soglia interamente stramazzante.
CREAZIONE DI UNA INLINE WEIR OR GATED SPILLWAY Per inserire i dati relativi alle inline weir e/o gated spillway occorre premere il pulsante INLINE WEIR/ SPILL dalla finestra dei GEOMETRIC DATA. Una volta cliccato, compare la finestra del data editor (riportata a fianco).
CREAZIONE DI UNA INLINE WEIR OR GATED SPILLWAY Per inserire una nuova opera si deve seguire la seguente procedura: 1) scegliere il corso d acqua ed il tratto dove inserire la struttura; 2) da options scegliere ADD A INLINE WEIR AND/OR GATED SPILLWAY; 3) fornire un numero alla nuova sezione per inserire la struttura in modo corretto fra due sez. già presenti, che devono corrispondere rispettivamente alle sez. al piede di monte e di valle; dopo aver premuto il pulsante OK la sezione immediatamente a monte della struttura comparirà nella finestra di dialogo. 4) inserire i dati relativi a WEIR / EMBANKMENT e se sono presenti i dati delle GATES. 4 2 1 3
CREAZIONE DI UNA INLINE WEIR OR GATED SPILLWAY PILOT FLOW è una opzione che consente di definire una quantità minima di acqua che defluisce attraverso la struttura, poiché, per poter portare a compimento la simulazione, HEC-RAS necessita di un valore minimo di flusso che prosegue a valle dell opera. In questo modo è possibile garantire che ciò avvenga sempre per ogni valore di portata in cui è stato suddiviso l idrogramma di piena, anche per i valori più modesti (unsteady flow analysis).
INLINE WEIR STATION ELEVATION EDITOR Premere WEIR / EMBANKMENT per aprire la finestra utilizzata per l inserimento dei dati relativi alla porzione di sezione occupata dalla struttura. Distance: distanza tra il piede di monte della struttura e la sezione immediatamente a monte della stessa; Width: larghezza della parte superiore della struttura; Weir Coef: coeff. utilizzato per il calcolo del flusso stramazzante sopra la struttura, normalmente compreso tra 2.6 e 4 (broad crested-ogee shape); Station/elevation: geometria del profilo superiore della struttura. Le X non devono necessariamente essere uguali a quelle della sezione di monte, ma hanno la medesima origine. HEC- RAS chiude la superficie compresa tra le quote della sez. e quelle dell opera.
INLINE WEIR STATION ELEVATION EDITOR U.S Embankment SS: pendenza del terrapieno nel lato di monte della struttura (rapporto tra la distanza orizzontale e quella verticale); D.S Embankment SS : pendenza del terrapieno nel lato di valle della struttura (rapporto tra la distanza orizzontale e quella verticale); Weir Crest Shape: campo utilizzato per il calcolo del valore da assegnare al Weir Coef nel caso in cui si verifichi la sommergenza della lama stramazzante (cioè quando il rapporto tra l altezza d acqua sopra lo stramazzo nella parte a valle e il carico totale dell energia sopra lo stramazzo nella parte a monte è superiore a 0.67). All aumentare della sommergenza il programma provvede automaticamente a ridurre il valore da assegnare al Weir Coef;
INLINE WEIR STATION ELEVATION EDITOR: WEIR DATA Per il calcolo del valore del Weir Coef in funzione dell entità della sommergenza sono disponibili due differenti metodi a seconda della forma della superficie dello stramazzo: broad crested shape o ogee shape. Nel primo caso viene utilizzato il metodo sviluppato sulla base di una soglia stramazzante larga con sezione trapezoidale (FHWA, 1978). Nel secondo caso viene utilizzato uno dei metodi sviluppati per soglie stramazzanti curve (COE, 1965), che si basa sulla risoluzione del seguente diagramma. Occorre in questo caso inserire due ulteriori parametri: SPILLWAY APPROACH HEIGHT (P, altezza della soglia dello stramazzo rispetto alla quota media del fondo); DESIGN ENERGY HEAD (H 0, altezza del carico totale della portata di progetto rispetto alla soglia dello stramazzo). Premendo su C d è disponibile una opzione per il calcolo automatico del valore iniziale da fornire al Weir Coef.
Premere GATE dalla finestra INLINE WEIR AND/OR GATED SPILLWAY DATA per inserire i dati relativi alle eventuali aperture presenti. Gate Group: è possibile inserire fino a 10 gruppi di aperture in una singola opera, che possono contenere ciascuno sino a 25 identiche luci. E necessario inserire più gruppi quando le aperture sono caratterizzate da differenti forme, quote, dimensioni o coefficienti; Height/Width/Invert: altezza e larghezza della singola apertura e quota della soglia di inizio sfioro del gruppo di luci; Centerline Stations: valore della X in cui è posizionato l asse intermedio di ciascuna luce del gruppo di aperture; Weir Coef: coeff. utilizzato solo nel caso in cui il livello dell acqua è inferiore alla quota superiore dell apertura. INLINE GATE EDITOR
Gate Data: Discharge coefficient: coeff. compreso tra 0.6-0.8 e 0.5-0.7 rispettivamente per radial gates e sluice gates; Gate Type: scelta del tipo di apertura; Trunnion Exponent: utilizzato nel caso free flow per radial gate, generalmente pari a 0.16; Opening Exponent: utilizzato nel caso di free flow per radial gate, generalmente pari a 0.72; Head Exponent: utilizzato nel caso di free flow per radial gate, generalmente pari a 0.62; Trunnion Exponent: distanza T tra il centro di rotazione della paratoia e la soglia della luce; Orifice Exponent: coefficiente utilizzato nel caso l apertura sia fully submerged. INLINE GATE EDITOR
INLINE WEIR / GATED SPILLWAY MODELLING APPROACH Il programma utilizza due differenti sistemi di eq. per il calcolo della portata defluente a valle della struttura a seconda della forma dell apertura (sluice-radial gate), e tiene conto della forma della sup. dello stramazzo (broad crested-ogee shape) mediante il valore fornito al Weir Coef. Infine 4 differenti schemi di calcolo vengono adottati a seconda delle quattro diverse situazioni che si possono verificare: 1) Free Flow: il livello d acqua Z d non è sufficientemente elevato da causare un innalzamento di quello a monte Z u ; 2) Transition free flow - fully submerged (0.67<submergence<0.8); 3) Fully submerged (submerg.>0.8); 4) Weir flow: il livello della superficie d acqua a monte è uguale o inferiore alla quota superiore dell apertura. 1 4 radial gate sluice gate
INLINE WEIR / GATED SPILLWAY CROSS SECTIONS Il numero e le modalità di inserimento delle sezioni che devono essere utilizzate per ottenere una corretta modellazione dei fenomeni che avvengono in presenza di queste strutture, sono analoghe a quelle considerate in presenza dei ponti. Sono necessarie due sezioni in prossimità della struttura, immediatamente a valle e a monte, e due sezioni (una a monte ed una a valle) sufficientemente lontane dall opera di modo tale che il flusso non risenta della sua presenza.
INLINE WEIR/GATED SPILLWAY INEFFECTIVE FLOW AREAS Come nel caso dei ponti devono essere inserite, nelle due sezioni immediatamente a valle e a monte dell opera, le zone non attive ai fini del deflusso mediante il comando INEFFECTIVE FLOW AREAS. Seguendo lo schema riportato in figura, nel caso di una briglia di consolidamento la zona non attiva raggiunge la quota della soglia stramazzante, mentre il tratto dove sono presenti le aperture viene considerato sempre attivo.
EXPANSION AND CONTRACTION COEFFICIENTS Ai fini di una corretta stima delle perdite di carico, che si verificano in seguito al brusco restringimento operato dalla struttura, occorre inserire degli opportuni valori dei coefficienti di espansione e di contrazione. Nella tabella seguente vengono riportati i valori consigliati dei suddetti coefficienti nel caso di corrente subcritica per varie tipologie di restringimenti. Nel caso di corrente supercritica i valori di entrambi i coeff. devono essere scelti con maggiore cautela, per evitare una sovrastima delle perdite per contrazione e/o espansione. In generale i valori assunti da entrambi i coeff. devono essere minori (rispettivamente 0.05-0.1 nel caso di transizioni graduali; e 0.1-0.2 nel caso di transizioni più brusche).
UNSTEADY FLOW DATA Prima di poter eseguire una simulazione in moto vario occorre inserire tutte le condizioni al contorno (BOUNDARY CONDITIONS) sia esterne, a monte e a valle, che interne (ad esempio in corrispondenza di uno sfioratore laterale) in ciascun tratto dei corsi d acqua esaminati, ed inoltre devono essere definite le condizioni iniziali (INITIAL CONDITIONS) della portata liquida e dell area di espansione. Sia le condizioni al contorno che le condizioni iniziali vengono inserite premendo UNSTEADY FLOW DATA dal menu EDIT della finestra principale di HEC-RAS. BOUNDARY CONDITIONS: il nome del corso d acqua (RIVER), del tratto (REACH) ed il numero della sezione (RS) di tutte le cond. al contorno, che devono essere necessariamente definite, vengono inserite in modo automatico dal programma. In aggiunta, è possibile inserire altre cond. al contorno interne in qualsiasi sezione dei corsi d acqua precedentemente definiti. Le cond. al contorno per una determinata sezione vengono definite evidenziando la cella corrispondente e selezionando, successivamente, il tipo di condizione al contorno (BOUNDARY CONDITION TYPES) che si desidera adottare. Occorre notare che sono disponibili molte scelte per la definizione delle cond. al contorno, ma non tutte sono disponibili per ciascuna sezione.
UNSTEADY FLOW DATA EDITOR (BOUNDARY CONDITIONS)
BOUNDARY CONDITIONS: FLOW HYDROGRAPH La scelta Flow Hydrograph può essere utilizzata sia come cond. al contorno di monte che di valle. L inserimento manuale dei dati relativi ad un idrogramma di piena deve essere articolato nel modo seguente: 1) definizione del Data time interval (sono disponibili vari intervalli temporali); 2) scelta tra Use simulation time e Fixed Start Time: nel primo caso l istante di inizio dell idrogramma di piena coincide con l istante di inizio di ogni simulazione; nel secondo caso l idrogramma viene fatto iniziare in un istante temporale fisso; 3) definizione del numero di intervalli temporali: No. Ordinates; 4) inserimento dei valori di portata (Flow) che sono costanti in ciascun intervallo; 5) Critical boundary conditions: consente di fissare un valore max di variazione della portata tra uno step ed il successivo, in modo da rendere stabile la simulazione.
BOUNDARY CONDITIONS: STAGE HYDROGRAPH La scelta Stage Hydrograph può essere utilizzata sia come cond. al contorno di monte che di valle. L inserimento manuale dei dati relativi ad un idrogramma dei livelli idrometrici deve essere articolato seguendo la stessa procedura descritta per l inserimento dell idrogramma delle portate liquide.
BOUNDARY CONDITIONS: STAGE & FLOW HYDROGRAPH La scelta Stage and Flow Hydrograph può essere utilizzata sia come cond. al contorno di monte che di valle. In questo caso, fintanto che non inizia la serie dei valori di portata, come cond. al contorno vengono utilizzati i dati relativi alle altezze idrometriche. Questo tipo di condizione al contorno viene utilizzata quando si dispongono di alcuni valori misurati delle altezze idrometriche, ma non sufficienti a coprire il campo di analisi che si intende effettuare.
DOWNSTREAM BOUNDARY CONDITIONS Le scelte Rating Curve e Normal Depth possono essere utilizzate solo come cond. al contorno di valle. 1) Rating Curve: mediante questa scala di deflusso non è possibile descrivere il cappio di piena, in quanto ad ogni valore di altezza d acqua è possibile associare uno ed un solo valore della portata. Pertanto vengono compiuti degli errori nella simulazione in prossimità della cond. al contorno. Tali errori divengono sempre più rilevanti al diminuire dei valori della pendenza del corso d acqua; 2) Normal Depth: mediante l inserimento della pendenza della linea dei carichi totali viene calcolata l altezza di moto uniforme, utilizzata dopo come cond. al contorno. NOTA: in entrambi i casi le cond. al contorno devono essere posizionate ad una certa distanza a valle del tratto in studio, in modo tale da rendere trascurabili gli errori introdotti. 2 1
INTERNAL BOUNDARY CONDITIONS Le scelte Lateral Inflow Hydrograph, Uniform Lateral Inflow e Groundwater Interflow vengono utilizzate come cond. al contorno interne. 1) Lateral Inflow Hydrograph: viene simulato, in una determinata sezione, un contributo laterale di portata, descritto con un idrogramma di piena. Gli effetti hanno luogo dalla prima sez. a valle; 2) Uniform Lateral Inflow Hydrograph: viene simulato un contributo laterale di portata distribuito in modo uniforme tra due specifiche sezioni. Il contributo di portata viene descritto con un idrogramma di piena; 3) Groundwater Interflow: viene simulato, in un determinato tratto, uno scambio d acqua con la falda freatica. Il livello della falda è indipendente da quello del corso d acqua e deve essere inserito manualmente per ogni intervallo temporale. Inoltre deve essere specificato il coeff. di permeabilità di Darcy. 2
INTERNAL BOUNDARY CONDITIONS Le scelte Time Series of Gate Opening e Elevation Controlled Gate sono utilizzate come cond. al contorno per le luci di fondo. 1) Time Series of Gate Opening: deve essere inserita, per ogni gruppo di luci, la serie temporale del grado di apertura; 2) Elevation Controlled Gate: è possibile controllare il grado di apertura, in modo automatico, in funzione del livello d acqua a monte dell opera. 1 2 ATTENZIONE: aperture e/o chiusure troppo rapide delle luci possono causare l instabilità della soluzione delle eq. di moto vario.
INITIAL CONDITIONS Oltre alle BOUNDARY CONDITIONS devono essere specificate anche le INITIAL CONDITIONS del sistema, mediante le quali il programma avvia la simulazione in moto vario. Le cond. iniziali sono costituite dai valori iniziali della portata liquida e dai livelli d acqua già esistenti nelle eventuali aree di espansione presenti. Esistono due metodi per inserire le cond. iniziali: 1) Enter Initial flow distribution: inserimento di un unico valore di portata in ciascuna sezione (l ultima a monte) di ciascun tratto di corso d acqua. Dopo aver avviato la simulazione, il programma provvede a calcolare il profilo della corrente di moto permanente, determinando in questo modo un valore iniziale di altezza d acqua da assegnare a ciascuna sezione presente. Questa opzione richiede, inoltre, l inserimento di un valore iniziale dei livelli d acqua presenti nelle aree di espansione; 2) Use a Restart File: in questo caso le condizioni iniziali vengono fornite dal file di output (restart file) generato da una precedente simulazione. Questa opzione viene generalmente utilizzata quando il numero degli intervalli della simulazione è notevole e richiederebbe un tempo di esecuzione troppo elevato. In questo caso è possibile spezzare la simulazione in più periodi, utilizzando come cond. iniziale, in un determinato periodo, il risultato finale della simulazione del periodo precedente.
UNSTEADY FLOW DATA EDITOR (INITIAL CONDITIONS)
Per avviare l analisi di moto vario si deve premere UNSTEADY FLOW ANALYSIS dal menu RUN della finestra principale di Hec-Ras. Per iniziare un nuovo progetto si deve premere NEW PLAN dal menu FILE della finestra Unsteady Flow Analysis. UNSTEADY FLOW ANALYSIS Per poter avviare la simulazione occorre specificare: 1) Geometry & Unsteady Flow Files; 2) Programs to Run; 3) Simulate Time Window; 4) Computation Settings.
GEOMETRY PRE-PROCESSOR Il pre-processor è utilizzato dal programma per generare dalle caratteristiche geometriche di ciascuna sezione le grandezze idrauliche, al fine di rendere più rapida la simulazione di moto vario. In questo modo le variabili idrauliche non vengono calcolate in ciascuna iterazione, ma sono ricavate mediante interpolazione di quelle calcolate precedentemente. Queste ultime sono archiviate in tabelle o in scale di deflusso in funzione dell altezza d acqua, calcolate (di default) per 20 valori (+1 al fondo). La scelta di questi intervalli è molto importante: da un lato deve essere sufficientemente grande da coprire tutti i valori dei livelli che si verificano, e dall altro sufficientemente piccolo da fornire un grado di dettaglio adeguato. 1 2 3 1) default 40 max 50 2) default 40 max 50 3) default 10 max 20
COMPUTATION SETTINGS 1) Computation Interval: è uno dei più importanti parametri utilizzati per la simulazione in moto vario. L intervallo deve essere piccolo abbastanza da poter descrivere accuratamente la fase crescente e decrescente dell idrogramma di piena. Una regola generale è quella di utilizzare una durata dell intervallo al più uguale al tempo risultante dal rapporto della durata (in ore) della fase crescente dell idrogramma di piena (tempo compreso tra l istante iniziale e quello di picco) diviso 24. Inoltre, quando vengono inserite delle strutture (ponti, briglie, luci di fondo, etc.), occorre fornire dei valori dell intervallo di calcolo compresi tra 1 e 5 minuti, in modo tale da evitare di rendere instabile il sistema a seguito delle brusche variazioni dei livelli che si possono verificare tra due steps successivi (ad es. transizione da unsubmerged a submerged). Il computation interval deve essere poi modificato in modo tale da scegliere il valore più grande che risolve in modo accurato il sistema di equazioni. 2) Hydrograph Output Interval: viene utilizzato per definire gli intervalli degli idrogrammi dei livelli o delle portate utilizzati nella simulazione. Il valore di questo intervallo deve essere almeno uguale a quello inserito nel Data time interval, in modo tale da definire correttamente la forma degli idrogrammi senza perdere nessuna informazione; 3) Hydrograph Output Interval: definisce in quali intervalli temporali devono essere restituite le informazioni dettagliate sulle grandezze idrauliche calcolate. Infatti non è pensabile che si possa valutare tali valori per ciascun intervallo in cui è stato suddiviso l idrogramma di piena, in quanto il post-processor impiegherebbe troppo tempo per la sua esecuzione ed il file di output risultante occuperebbe troppa memoria.
SIMULATION OPTIONS 1) Stage and Flow Output Locations: consente di definire le sezioni in cui si desidera la restituzione delle grandezze idrauliche calcolate negli intervalli temporali precedentemente definiti (Hydrograph Output Interval); 2) Flow Distribution Locations: consente di definire le sezioni in cui si desidera calcolare la variazione spaziale delle grandezze idrauliche lungo la direzione trasversale. Infatti è possibile suddividere singolarmente, fino ad un massimo di 45 porzioni, LOB, ROB e Main Channel. 1 2
SIMULATION OPTIONS 1) Roughness Change Factors: consente di modificare il coeff. di resistenza di Manning al variare della portata. Si deve definire: il valore di portata da cui far avviare le modifiche; l incremento di portata ed il numero totale degli incrementi che si vuole effettuare; 1 2) Seasonal Roughness Change Factors: consente di modificare il coeff. di resistenza di Manning al variare della stagione. Occorre definire per ogni limite temporale, definito da un giorno ed un mese dell anno, un coeff. di resistenza. 2
CALCULATION OPTIONS AND TOLLERANCES Questa opzione consente di definire e/o di modificare le tolleranze utilizzate per la risoluzione dell equazione della quantità di moto. ATTENZIONE: l incremento dei valori di default delle tolleranze può portare ad errori nel calcolo dei profili della superficie libera. Theta implicit weighting factor: un valore di 0.6 fornisce una soluzione più accurata, ma il sistema è poco stabile; il contrario se viene scelto un valore pari a 1. Generalmente si inizia la simulazione con 1 e se la simulazione termina positivamente si diminuisce progressivamente il suo valore tendendo (finché possibile) a 0.6; Water surface calculation tolerance: scarto massimo tra il livello d acqua calcolato e quello assunto in una determinata sezione; Storage area elevation tolerance: scarto massimo tra il livello d acqua calcolato e quello assunto nell area di espansione; Maximum number of iterations: numero max di iterazioni eseguite per risolvere le eq. di moto vario al fine di soddisfare la tolleranza assegnata
CALCULATION OPTIONS AND TOLLERANCES Maximum number of warm up time series: prima di eseguire la simulazione in moto vario, il programma esegue una serie di simulazioni con portata costante (warm-up period), in modo da regolarizzare il profilo della superficie libera; Time step during warm up period (hours): viene definito il time step del periodo di riscaldamento che può essere inferiore a quello definito per l analisi in moto vario; Minimum time step for interpolation: il programma è in grado di interpolare gli intervalli dell idrogramma che sono stati inseriti, quando la fase crescente è troppo ripida. Tramite questa opzione si evita che il programma utilizzi time steps troppo piccoli; Maximum number of interpolated time steps: numero max di time steps che possono essere creati durante un processo di interpolazione; Weir flow stability factor: questo fattore è utilizzato per incrementare la stabilità della soluzione numerica attorno alla briglia. Più è elevato, più la sol. è stabile ma meno accurata.
ESEMPIO: CAPPIO DI PIENA Ex. 1 Ex. 2 Ex. 3 Ex. 1 Ex. 2 Ex. 3 Data time interval 10 min 4 hours 1 hour Starting date 07/04/1999 2400 07/04/1999 2400 07/04/1999 2400 Ending date 08/04/1999 1630 24/04/1999 1800 12/04/1999 0300 Duration time B [ft] V [ft/s] 16.3 hours 530 4.8 396 hours 537 4.6 99 hours 536 4.5