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Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10481/26491

Title: Procesos hidrodinámicos en diques mixtos y efectos de escala
Authors: Pérez Romero, Dulce María
Direction: Losada Rodríguez, Miguel Ángel
Ortega Sánchez, Miguel
Collaborator: Universidad de Granada. Departamento de Mecánica de Estructuras e Ingeniería Hidráulica
Issue Date: 2008
Submitted Date: 15-Dec-2008
Abstract: Esta tesis doctoral se centra en el estudio de la interacción de ondas de gravedad con diques mixtos y espaldones con la finalidad de optimizar los diseños. Para ello, se abordan tres temas centrales: 1) la interacción de un tren de ondas con un dique permeable, 2) las leyes de presiones y subpresiones en diques mixtos y, 3) la incidencia oblicua del oleaje y su efecto en el diseño de espaldones. Interacción de un tren lineal de ondas con un dique vertical permeable y efectos de escala. Se presenta un método simple para evaluar el comportamiento de un dique permeable cuando interactúa con un tren de ondas regular sin rotura. Utilizando un modelo potencial para la propagación de una onda en un medio poroso y una serie de experimentos en un dique rectangular permeable construido con diámetro de piedra uniforme, se ha obtenido un diagrama de fricción característico considerando el balance de energía en la sección. Los resultados muestran que el proceso de reflexión alcanza un régimen de saturación para una determinada anchura del dique dentro del rango de 0.2 Presiones y subpresiones en un dique mixto y efectos de escala. Mediante una serie de ensayos realizados en el canal de ola-corriente de la Universidad de Granada, se estudian las variaciones en las leyes de presión y subpresión en un modelo de dique mixto idealizado para condiciones de oleaje sin rotura. En los ensayos se ha variado la cota de cimentación del cajón y el tamaño de las piedras con las que se construye la banqueta donde descansa la estructura. Con los resultados obtenidos se han estudiado los efectos de escala en la medición de subpresiones en modelos de escala reducida. Asimismo se han obtenido dos diagramas de fricción para estimar la pérdida de carga en la embocadura y la resistencia al flujo dentro del medio poroso. Los resultados muestran que cuando la cimentación del cajón coincide con el nivel del mar de cálculo, la reflexión del oleaje se produce principalmente en el medio poroso. Por esta razón, el diámetro de las piedras con las que se construye la cimentación juega un papel importante en la determinación de procesos como el ascenso de la ola y las distribuciones de presión y subpresión en el cajón. El incremento en el diámetro de la banqueta de cimentación produce una disminución en la resistencia al flujo, mayor subpresión pero una reducción en el coeficiente de reflexión y en el empuje horizontal en el paramento frontal. En el caso de disminuir el diámetro de las piedras se producen los procesos contrarios. Cuando la cota de cimentación se encuentra por debajo del nivel del mar de cálculo, la reflexión de la onda se produce principalmente en el cajón, por lo que los valores del coeficiente de reflexión son cercanos a la unidad. En estos casos la influencia del tamaño de las piedras que forman la cimentación se debilita a medida que aumenta la sumergencia del cajón. La resistencia al flujo se incrementa considerablemente por lo que la transferencia de energía a través de la banqueta se reduce al igual que las subpresiones. En las tres configuraciones analizadas la subpresión en la parte final del cajón no fue nula. Los resultados mostraron que las principales variables que rigen el proceso son la anchura relativa del dique con respecto a la longitud de la onda y la cota de cimentación del cajón. Los casos en los que se puede considerar despreciable es cuando el cajón está prácticamente cimentado en el fondo. En el análisis de los efectos de escala en la medición de subpresiones se observó que en la parte inicial del dique (x/L <0.4) las mediciones de presión entre modelo y prototipo presentan una buena aproximación, sobre todo en los casos en los que la porosidad del modelo y prototipo es muy similar. Las mayores distorsiones se presentan en la parte final del dique, donde las pérdidas que ha sufrido el flujo al propagarse al interior del medio ocasionan grandes diferencias entre modelo y prototipo. Efectos de la incidencia oblicua del oleaje. Se analizan los procesos de transformación que tienen lugar cuando un tren de ondas alcanza un dique en talud con gran oblicuidad, así como sus repercusiones en la estabilidad de las piezas del manto principal y del espaldón. El estudio se realiza utilizando datos provenientes de dos series de ensayos para verificar el comportamiento de las obras propuestas para la ampliación del Puerto de Gijón, a cargo de la Universidad de Granada y el laboratorio HR Wallingford. Se presta especial atención a la distorsión que sufren los trenes de onda en las cercanías del dique, fenómeno que tiene su origen en el desarrollo de un patrón de reflexión no lineal que genera una ola que se propaga paralelamente a la estructura modificando sustancialmente la hidrodinámica. Los resultados muestran una disminución en los procesos de ascenso y descenso máximo sobre el talud debido a la orientación de la rotura. La estabilidad de las piezas del manto se ve afectada por la acción conjunta de fuerzas de arrastre longitudinales y pequeñas fuerzas transversales de ascenso y descenso inducidas por la rotura. Esta combinación da lugar a que el flujo ejerza un esfuerzo tangencial sobre las piezas que tiende a separarlas del manto. Aunque el dique presenta mayor estabilidad bajo estas condiciones, una vez que se produce la avería su progreso es mucho más rápido que para incidencia normal. El proceso de rebase también sufre modificaciones, la lámina de agua que rebasa asciende por el talud, se apila en la parte frontal del espaldón y se desborda. Este comportamiento indica la ausencia de la presión dinámica, característica de los impactos frontales. Para verificar esta hipótesis se analizan las distribuciones de presión sobre un =12º, 43º y 82º. Los resultados θ espaldón para tres ángulos de incidencia: indican que la presión dinámica disminuye a medida que el ángulo de incidencia se incrementa. Este comportamiento abre la posibilidad de modificar el diseño de los espaldones. En este trabajo se modifican las formulaciones de diseño propuestas por Martín (1995) para su aplicación en condiciones de oleaje oblicuo y muy oblicuo, y se presenta un caso de aplicación.
This PhD thesis focused on the study of the interaction of gravity waves with composite breakwaters and parapets in order to optimize their design. Three main points were addressed in this thesis: 1) the interaction of a wave train and a permeable breakwater; 2) pressure and subpressure laws in composite breakwaters; 3) oblique wave incidence and its effect on parapet design. Interaction of a linear wave train with a permeable vertical breakwater and scale effects. A simple method was presented to evaluate permeable breakwater behavior when interacting with a non-breaking regular wave train. Considering the section energy balance, a friction diagram was obtained by using a potential model for wave propagation in porous environments as well as a set of experiments in a rectangular permeable breakwater built with a uniform stone diameter. The results showed that the reflection process reached a saturation regime when the breakwater was 0.2<x/L<0.45 wide, where x is the wave propagation distance within the breakwater. For larger widths, the reflection coefficient was constant, except under resonant conditions. In every case, transmission decreased at an exponential rate. Under these conditions, wave propagation in porous environments only possibly depended on the relative diameter (D/L) and the porosity of the material. On the other hand, the dependence of relative width (B/L) and diameter coefficient of wave height (D/H) was weak. The diagram obtained in this work is intended to serve as a tool for the preliminary evaluation of breakwater efficiency, as well as for a suitable selection of material diameter in order to minimize the scale effect on laboratory trials. Pressures and subpressures in a composite breakwater and scale effects. Several trials were performed in the wave-stream channel of the University of Granada, where pressure and subpressure law variations were analyzed in an idealized composite breakwater model under non-breaking wave conditions. The caisson foundation depth and the size of stones in the bedding layer were variable elements during the trials. The results of our study allowed us to analyze the scale effects on subpressure measurements in reduced-scale subpressure models. Two friction diagrams were also obtained in order to estimate the discharge loss in the mouth and the flow resistance within a porous environment. According to the results of our study, when the caisson foundation matched the calculation sea level, wave reflection mainly occurred in the porous environment. This was why the diameter of the stones in the foundation played an important role in the determination of processes, such as wave run-up and the caisson's pressure and subpressure. An increase in the bedding layer diameter caused a decrease of resistance to flow, and a higher subpressure, but a reduction on the reflection coefficient as well as on the horizontal pressure in the front face. When the stone diameter was reduced, the opposite processes occurred. When the foundation depth was below the calculation sea level, wave reflection took place mainly in the caisson, and the reflection coefficient values were close to 1. In those cases, the influence of stone size became weaker as the caisson submergence increased. The resistance to flow increased considerably, which decreased energy transfer through the bedding layer as well as subpressures. In the three configurations analyzed, subpressure in the final part of the caisson was not null. The results showed that the main variables governing the process were the relative width of the breakwater with regards to wavelength and the caisson foundation depth. It was insignificant only when the caisson was nearly placed at the bottom. The analysis of scale effects on the subpressure measurements proved that in the initial part of the breakwater (x/L <0.4), model and prototype pressure measurements were close, especially in those cases where model and prototype porosity were very similar. Larger distortions appeared in the final part of the breakwater, where flow losses derived from an inside propagation cause big differences between the model and the prototype. Effects of oblique wave incidence. This part of the thesis analyzed the transformation processes when an oblique wave train reached a rubble-mound breakwater, as well as the consequences for the stability of the different units composing its main layer and parapet. The study was conducted based on two trial series results, in order to verify the structural behavior for the expansion of the Port of Gijón by the University of Granada and the HR Wallingford Laboratory. Special attention was paid to the distortion suffered by wave trains close to the breakwater. This was a phenomenon derived from the development of a non-linear reflection pattern, which caused a wave to propagate parallel to the structure, considerably modifying hydrodynamics. The results showed a decrease in the peak wave run-up and down-rush due to the breaking point location. The stability of main layer units was affected by the joint action of longitudinal load forces and small transversal run-up and down-rush forces induced by breaking. This combination caused the flow to exert a tangential effort on the units, trying to separate it from the main layer. Even if the breakwater had a better stability under these conditions, once the failure occurred, it would evolve much more quickly as compared to normal incidence. The overtopping process was modified as well. The water layer overtopping the slope piled up on the front part of the parapet and overflowed. This behavior showed the absence of dynamic pressure, which is a characteristic feature of frontal impacts. In order to verify this hypothesis, the pressure distributions on a 3-incidence angle parapet (θ =12º, 43º and 82º) were analyzed. The outcomes showed that dynamic pressure decreased as the incident angle increases. This behavior raised the possibility of modifying the design of parapets. In this work, design formulations proposed by Martín (1995) were modified for their application in oblique and very oblique wave conditions. At the end of the thesis, a case study is presented.
Sponsorship: Tesis Univ. Granada. Departamento de Mecánica de Estructuras e Ingeniería Hidráulica
Publisher: Universidad de Granada
Keywords: Diques
Ondas
Ingeniería Hidráulica
UDC: 626
627
3305.15
URI: http://hdl.handle.net/10481/26491
ISBN: 9788469182550
Rights : Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 License
Citation: Pérez Romero, M.D. Procesos hidrodinámicos en diques mixtos y efectos de escala. Granada: Universidad de Granada, 2008. 180 p. [http://hdl.handle.net/10481/26491]
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