Analysis of the behavior of impermeable and permeable breakwaters

Abstract

The main maritime structure used for the protection of ports and coasts are breakwaters. The different types of breakwaters appear mainly according to their way of dealing with the incident wave energy. Therefore, their design must be optimized to guarantee their operability and functionality at the lowest cost. The sloped rubblemound breakwater typology is the most used on the Spanish coasts mainly due to its great capacity to dissipate the incident energy. This dissipation occurs through several processes: by the vortex generated during wave breaking on the slope; by the turbulence generated inside the pores of the main armor; or by the turbulence generated within the porous medium of the core. Dissipation caused by porous medium is well described by the Forcheimer equation, however, dissipation caused by the breaking waves does not have an equivalent computational model. The use of the Iribarren number as a dynamic similarity parameter for the classification of breaker types is widely used and practically all formulations for the calculation of failure modes of sloped breakwaters are performed as a function of Ir. The results show that it is a good variable to describe the processes only for values Ir < 1.5, producing much scatter in the data thereafter. In this Thesis a new analysis of the breaker types has been carried out, identifying six typologies. This study has been subsequently used to study the flow characteristics (run-up and run-down) on different slopes. To achieve these objectives, experimental and numerical tests have been carried out, and data provided by other authors have been used. First, the dimensionless variables on which the wave-structure interaction processes depend on smooth impermeable, impermeable with armor or permeable slopes were identified by means of dimensional analysis. Once the variables had been identified, tests were carried out on a 1:10 smooth and impermeable slope for the study of breaker typologies. In this way, only dissipation by breaking waves occurs and allows local quantification. The breakers identified were spilling, weak plunging, strong plunging, strong bore, weak bore and surging. An experimental space has been proposed, generated from the incident wave steepness and relative depth, allowing to quickly identify where the tests are located and what type of breaking they would have. As a product of both variables, an alternative similarity parameter, chi, has been formulated and the locations of the transitions between breaks in a 1:10 slope have been located. Secondly, based on the dimensional analysis, the parameter c has been proposed to describe the run-up and run-down in a smooth and impermeable slope. These characteristics are directly related to the types of breakage, as well as the mean water level in the slope, so to avoid the influence of the slope, the total water excursion (Ru + jRdj) has been proposed as a descriptor of the flow characteristics and has been directly related to the energy transformation (D or KR). This methodology has been employed for impermeable structures with a protective armor, the flow depending then on c and the relative diameter of the mantle (Da/H); and for structures consisting of a porous core and a protective mantle, depending then also on the relative diameter of the core (Dc/L). Finally, throughout all the analyses, the flow characteristics have been related to the energy dissipation, proposing a global dimensionless coefficient (BS), as a function of incident wave train characteristics such as celerity, group celerity, wave height or period. This coefficient is directly dependent on c, namely, on the breaker types. When adding porosity, either in the armor or in the core, the defining variables (Da/H, Dc/L), also modify the values of BS.

La principal estructura marítima empleada para la protección de puertos y costas son los diques de abrigo. Las diferentes tipologías de diques aparecen principalmente en función de su forma de tratar la energía del oleaje incidente. Por ello, su diseño debe estar optimizado para garantizar su operatividad y funcionalidad al menor coste. La tipología de dique en talud es la más empleada en las costas españolas debido principalmente a su gran capacidad para disipar dicha energía. Esta disipación ocurre a través de varios procesos: por los vortices generados durante la rotura del oleaje sobre el talud; por la turbulencia generada entre los huecos del manto principal; o por la turbulencia generada dentro del medio poroso del núcleo. La disipación causada por los medios porosos está bien descrita a través de la ecuación de Forcheimer, sin embargo, la disipación causada por rotura no tiene un modelo de cálculo equivalente. El uso del número de Iribarren como parámetro de similitud dinámica para la clasificación de los tipos de rotura está ampliamente extendido y prácticamente todas las formulaciones para el cálculo de los modos de fallo de los diques en talud se realiza en función de Ir. Los resultados muestran que es una buena variable para describir los procesos únicamente para valores Ir < 1.5, produciendo mucha dispersión de los datos a partir de ahí. En esta Tesis se ha realizado un nuevo análisis de los tipos de rotura, identificando seis tipologías. Este estudio se ha utilizado posteriormente para estudiar las características del flujo (runup y run-down) sobre diferentes taludes. Para lograr estos objetivos se han realizado ensayos experimentales y numéricos, y se han utilizado datos proporcionados por otros autores. En primer lugar, se han identificado, mediante análisis dimensional, las variables adimensionales de las que dependen los procesos de interacción ola-estructura sobre taludes lisos impermeables, impermeables con manto o permeables. Una vez identificadas las variables, para el estudio de las tipologías de roturas se han realizado ensayos sobre un talud 1:10 liso e impermeable. De esta manera solo se da la disipación por rotura y permite cuantificarla de forma local. Las roturas identificadas han sido spilling, weak plunging, strong plunging, strong bore, weak bore y surging. Se ha propuesto un espacio experimental, generado a partir del peralte del oleaje incidente y la profundidad relativa, permitiendo identificar rápidamente donde se encuentran localizados los ensayos y qué tipo de rotura tienen. Producto de ambas variables, se ha formulado un parámetro de similitud alternativo, c, y se han localizado donde se dan las transiciones entre las roturas en un talud 1:10. En segundo lugar y basándose en el análisis dimensional, se ha propuesto el parámetro c para describir el run-up y run-down en un talud liso e impermeable. Estas características están directamente relacionadas con los tipos de rotura, al igual que el nivel medio del agua en la pendiente, por lo que para evitar la influencia del mismo, se ha propuesto la excursión total de agua (Ru + jRdj) como descriptor de las características de flujo y se ha relacionado directamente con la transformación de la energía (D o KR). Esta metodología se ha empleado para estructuras impermeables con manto de protección, dependiendo el flujo de c y del diámetro relativo del manto (Da/H); y para estructuras formadas por un núcleo poroso y un manto de protección, dependiendo entonces también del diámetro relativo del núcleo (Dc/L). Por último, a lo largo de todos los análisis, se han relacionado las características de flujo con la disipación de la energía, proponiendo un coeficiente adimensional global (BS), en función de las características del tren de onda incidente como la celeridad, la celeridad de grupo, la altura de ola o el período. Este coeficiente depende directamente de c, es decir, de los tipos de rotura. Al añadir porosidad, ya sea en el manto o en el núcleo, las variables que las definen (Da/H, Dc/L), también modifican los valores de BS.