Este trabajo se dedica al estudio de la reflexión del oleaje en diques

TITULO: Influencia de la reflexión en los diques en talud
DOCTORANDO: Cristina López Arias
Este trabajo se dedica al estudio de la reflexión del oleaje en diques en talud y a la
influencia que la reflexión tiene en la estabilidad de este tipo de estructuras. Los diques
en talud o diques rompeolas son un tipo de obras de abrigo, diseñadas para proteger las
áreas costeras de la acción del oleaje y de otras dinámicas marinas. Los procesos de
transformación del oleaje que se producen sobre este tipo de estructuras son,
principalmente: la reflexión, la disipación, bien por rotura o bien por flujo a través del
medio poroso y la transmisión al otro lado del talud, que puede ser por rebase o a través
de la estructura.En los diques de escollera que habitualmente se construyen, la reflexión
es importante, ya que suelen ser estructuras con taludes comprendidos entre y , donde la
mayor parte de las olas rompen en oscilación o colapso, con coeficientes de reflexión
superiores a 0.4. Consecuentemente, los fenómenos de flujo y sus efectos sobre una
estructura en talud dependen de la interacción entre el oleaje incidente y el reflejado.
Para determinar la interacción entre el oleaje incidente y el reflejado es necesario
conocer bien el proceso de la reflexión que origina el dique. Este proceso queda
definido por: (1) el coeficiente de reflexión, o cociente entre la raíz cuadrada del flujo
reflejado y el incidente, y (2) la fase, o desfase existente entre el oleaje incidente y el
reflejado. En este trabajo se analiza el proceso de reflexión mediante experimentación
en canal de oleaje, modelos empíricos y modelos numéricos y se evalúa el coeficiente
de reflexión y el desfase a partir de las características de la estructura, del medio y del
oleaje incidente. Conocido el coeficiente de reflexión y la fase, es posible determinar la
altura de ola total que está afectando al talud y, por lo tanto, determinar las
características del flujo sobre el mismo. En esta tesis se analizan los resultados de
ensayos de reflexión de otros investigadores y unos específicos realizados con ocasión
de esta investigación y se concluye que, el coeficiente de reflexión para profundidades
relativas (kh) inferiores a 1.0 o números de Iribarren (Ir) superiores a 3.0, que es el
intervalo donde suelen encontrarse la mayoría de los diques, la reflexión domina el flujo
oscilatorio y el parámetro que la gobierna es kh. Por lo tanto, para unas determinadas
características del dique (pendiente y permeabilidad, principalmente), en el intervalo de
profundidades relativas, kh< 1.0, el coeficiente de reflexión es lineal con kh y no
depende de la altura de ola. Para trenes de onda con Ir < 1.5 ó kh > 2.5, la rotura domina
el flujo oscilatorio y la reflexión queda como un proceso marginal o residual; el
coeficiente de reflexión es pequeño y crece lentamente al aumentar el número de
Iribarren. Para trenes de onda con 1.5 < Ir < 3.0 ó 1.0 < kh < 2.5, ambos procesos,
reflexión y rotura son importantes, y la representación del coeficiente de reflexión con
kh ó Ir es igualmente imprecisa, con fuerte variación de los valores del coeficiente de
reflexión con pequeños cambios en Ir ó kh. Una vez definido el flujo que origina el
oleaje total sobre el talud, se estudia la estabilidad del mismo, entendiendo como
estabilidad del talud la estabilidad de las piezas del manto principal. Para ello se
analizan resultados experimentales de otros investigadores y unos específicos realizados
con ocasión de este trabajo de investigación. Los resultados experimentales de
estabilidad obtenidos en modelos a escala reducida, se representan en función de la
altura de ola incidente. El ajuste de cualquier funcional a estos resultados es malo con
desviaciones sobre el valor medio del orden del orden de dos o tres veces dicho valor
medio. La aplicación de las fórmulas tradicionales para el cálculo del peso mínimo de
las piezas del manto principal, derivadas de aquellos resultados experimentales y
expresadas en función de la altura de ola incidente, es poco precisa y proporciona un
resultado mal acotado. En esta tesis, después de analizar el papel que desempeña el
proceso de la reflexión en los diques en talud, se utiliza la altura de ola total sobre el
talud (oleaje incidente + oleaje reflejado, con el desfase correspondiente) como
parámetro de adimensionalización del peso de las piezas del manto principal. El
resultado es una reducción, significativa de la desviación de los resultados
experimentales. En el intervalo kh<1.0 ó Ir>3.0, intervalos que definen las condiciones
críticas de estabilidad, la función de estabilidad para inicio de avería y unas
características del dique (pendiente, permeabilidad, tipo de piezas del manto
principal,...) depende ligeramente de kh. Para avería Iribarren la función de estabilidad
es constante. Para el intervalo Ir<3.0 la función de estabilidad decrece. Por último, el
análisis realizado para oleaje regular, se extiende a oleaje irregular. Se utiliza la altura
media cuadrática (Hrms) como ola representativa del tren irregular. La reflexión con
oleaje irregular en el intervalo kph<1.0, tiene un comportamiento similar al del caso de
oleaje regular, es decir, no depende de la altura de ola, es lineal con kph y los valores
son lo suficientemente grandes (R > 0.3) como para considerar que la reflexión domina
el flujo sobre el talud. Para valores de kph mayores, no aparecen las oscilaciones que
aparecían en trenes monocromáticos y el coeficiente de reflexión varía muy poco con
kh. Esto es debido, por una parte, a la manera de definir el coeficiente de reflexión en
función de los flujos incidente y reflejado, es decir como una cantidad integrada, y en
consecuencia “suavizada”, y por otro lado a que el proceso de la reflexión del tren
irregular resulta de la reflexión de muchas componentes del espectro, cuya interferencia
puede enmascarar las características del proceso de algunas componentes.
Con respecto a la estabilidad, y siguiendo el esquema de oleaje regular, se define la
función de estabilidad correspondiente a la altura de ola media cuadrática, y
nuevamente se obtiene que la desviación en los resultados que se han obtenido hasta
ahora se debe a una incorrecta adimensionalización de los mismos. En el intervalo
kh<1.0 ó Ir>3.0, intervalo de mínima estabilidad, para inicio de avería la función de
estabilidad depende ligeramente de kh; para avería Iribarren, la función de estabilidad es
constante y solo depende del ángulo en el talud y de las características geométricas y
mecánicas del talud. Se propone como futura línea de investigación, estudiar, teniendo
en cuenta el proceso de reflexión, los fenómenos de flujo sobre el dique y la estabilidad
de diques con espaldón y de diques rebasables. Se espera que la aplicación de la
metodología propuesta en esta tesis, permita reducir y acotar la desviación experimental
y evaluar correctamente la influencia de esos elementos estructurales en la estabilidad
de las piezas del manto principal Este trabajo se dedica al estudio de la reflexión del
oleaje en diques en talud y a la influencia que la reflexión tiene en la estabilidad de este
tipo de estructuras. Los diques en talud o diques rompeolas son un tipo de obras de
abrigo, diseñadas para proteger las áreas costeras de la acción del oleaje y de otras
dinámicas marinas. Los procesos de transformación del oleaje que se producen sobre
este tipo de estructuras son, principalmente: la reflexión, la disipación, bien por rotura o
bien por flujo a través del medio poroso y la transmisión al otro lado del talud, que
puede ser por rebase o a través de la estructura. En los diques de escollera que
habitualmente se construyen, la reflexión es importante, ya que suelen ser estructuras
con taludes comprendidos entre y , donde la mayor parte de las olas rompen en
oscilación o colapso, con coeficientes de reflexión superiores a 0.4. Consecuentemente,
los fenómenos de flujo y sus efectos sobre una estructura en talud dependen de la
interacción entre el oleaje incidente y el reflejado. Para determinar la interacción entre
el oleaje incidente y el reflejado es necesario conocer bien el proceso de la reflexión que
origina el dique. Este proceso queda definido por: (1) el coeficiente de reflexión, o
cociente entre la raíz cuadrada del flujo reflejado y el incidente, y (2) la fase, o desfase
existente entre el oleaje incidente y el reflejado. En este trabajo se analiza el proceso de
reflexión mediante experimentación en canal de oleaje, modelos empíricos y modelos
numéricos y se evalúa el coeficiente de reflexión y el desfase a partir de las
características de la estructura, del medio y del oleaje incidente. Conocido el coeficiente
de reflexión y la fase, es posible determinar la altura de ola total que está afectando al
talud y, por lo tanto, determinar las características del flujo sobre el mismo. En esta tesis
se analizan los resultados de ensayos de reflexión de otros investigadores y unos
específicos realizados con ocasión de esta investigación y se concluye que, el
coeficiente de reflexión para profundidades relativas (kh) inferiores a 1.0 o números de
Iribarren (Ir) superiores a 3.0, que es el intervalo donde suelen encontrarse la mayoría
de los diques, la reflexión domina el flujo oscilatorio y el parámetro que la gobierna es
kh. Por lo tanto, para unas determinadas características del dique (pendiente y
permeabilidad, principalmente), en el intervalo de profundidades relativas, kh< 1.0, el
coeficiente de reflexión es lineal con kh y no depende de la altura de ola. Para trenes de
onda con Ir < 1.5 ó kh > 2.5, la rotura domina el flujo oscilatorio y la reflexión queda
como un proceso marginal o residual; el coeficiente de reflexión es pequeño y crece
lentamente al aumentar el número de Iribarren. Para trenes de onda con 1.5 < Ir < 3.0 ó
1.0 < kh < 2.5, ambos procesos, reflexión y rotura son importantes, y la representación
del coeficiente de reflexión con kh ó Ir es igualmente imprecisa, con fuerte variación de
los valores del coeficiente de reflexión con pequeños cambios en Ir ó kh. Una vez
definido el flujo que origina el oleaje total sobre el talud, se estudia la estabilidad del
mismo, entendiendo como estabilidad del talud la estabilidad de las piezas del manto
principal. Para ello se analizan resultados experimentales de otros investigadores y unos
específicos realizados con ocasión de este trabajo de investigación. Los resultados
experimentales de estabilidad obtenidos en modelos a escala reducida, se representan en
función de la altura de ola incidente. El ajuste de cualquier funcional a estos resultados
es malo con desviaciones sobre el valor medio del orden del orden de dos o tres veces
dicho valor medio. La aplicación de las fórmulas tradicionales para el cálculo del peso
mínimo de las piezas del manto principal, derivadas de aquellos resultados
experimentales y expresadas en función de la altura de ola incidente, es poco precisa y
proporciona un resultado mal acotado. En esta tesis, después de analizar el papel que
desempeña el proceso de la reflexión en los diques en talud, se utiliza la altura de ola
total sobre el talud (oleaje incidente + oleaje reflejado, con el desfase correspondiente)
como parámetro de adimensionalización del peso de las piezas del manto principal. El
resultado es una reducción, significativa de la desviación de los resultados
experimentales. En el intervalo kh<1.0 ó Ir>3.0, intervalos que definen las condiciones
críticas de estabilidad, la función de estabilidad para inicio de avería y unas
características del dique (pendiente, permeabilidad, tipo de piezas del manto
principal,...) depende ligeramente de kh. Para avería Iribarren la función de estabilidad
es constante. Para el intervalo Ir<3.0 la función de estabilidad decrece. Por último, el
análisis realizado para oleaje regular, se extiende a oleaje irregular. Se utiliza la altura
media cuadrática (Hrms) como ola representativa del tren irregular. La reflexión con
oleaje irregular en el intervalo kph<1.0, tiene un comportamiento similar al del caso de
oleaje regular, es decir, no depende de la altura de ola, es lineal con kph y los valores
son lo suficientemente grandes (R > 0.3) como para considerar que la reflexión domina
el flujo sobre el talud. Para valores de kph mayores, no aparecen las oscilaciones que
aparecían en trenes monocromáticos y el coeficiente de reflexión varía muy poco con
kh. Esto es debido, por una parte, a la manera de definir el coeficiente de reflexión en
función de los flujos incidente y reflejado, es decir como una cantidad integrada, y en
consecuencia “suavizada”, y por otro lado a que el proceso de la reflexión del tren
irregular resulta de la reflexión de muchas componentes del espectro, cuya interferencia
puede enmascarar las características del proceso de algunas componentes.
Con respecto a la estabilidad, y siguiendo el esquema de oleaje regular, se define la
función de estabilidad correspondiente a la altura de ola media cuadrática, y
nuevamente se obtiene que la desviación en los resultados que se han obtenido hasta
ahora se debe a una incorrecta adimensionalización de los mismos. En el intervalo
kh<1.0 ó Ir>3.0, intervalo de mínima estabilidad, para inicio de avería la función de
estabilidad depende ligeramente de kh; para avería Iribarren, la función de estabilidad es
constante y solo depende del ángulo en el talud y de las características geométricas y
mecánicas del talud. Se propone como futura línea de investigación, estudiar, teniendo
en cuenta el proceso de reflexión, los fenómenos de flujo sobre el dique y la estabilidad
de diques con espaldón y de diques rebasables. Se espera que la aplicación de la
metodología propuesta en esta tesis, permita reducir y acotar la desviación experimental
y evaluar correctamente la influencia de esos elementos estructurales en la estabilidad
de las piezas del manto principal.
Summary:
In the last decades many researchers have shown that, for regular and irregular waves,
the Kd factor or the stability function, Ψ, depends on Iribarren´s number. In this paper,
old experimental results by Iribarren and Nogales (1964) and new tests carried out at the
University of Cantabria with regular and irregular waves, are re-analyzed. It is found
that, for plunging, collapsing and surging breakers, the Kd, factor depends on the degree
or reflection occurred on the breakwater. To take into account the reflection process, it
is proposed to evaluate the Kd or the stability function by using the total wave height at
the toe of the structure, resulting from the interference of the incident and the reflected
wave train. Under such conditions, the experimental dispersion almost disappears and
the Kd , factor or its equivalent, the stability function Ψ, can be expressed in terms of
the dimensionless wave number, kh. For kh>0.25, the Kd, factor depends very weakly
on kh and, from a practical point of view, it can be considered that Kd, depends only on
the level of damage the type of unit and the slope angle