Water-wave interaction with mound breakwatersfrom the seabed to the armor layer

Resumen

Los diques de abrigo constituyen la principal infraestructura portuaria y costera, tanto por su funcionalidad, como por su coste, complejidad de diseño e impactos socio-económicos y ambientales. Entre sus diferentes tipologías, el “dique en talud” es la más construida en el mundo por su capacidad para disipar la energía del oleaje y su mayor integración en el medio marino. Actualmente,su diseño y verificación se basa en formulaciones experimentales, cuya variable principal es el número de Iribarren, destinadas a calcular la transformación de la energía incidente y, cuando procede, a verificar la estabilidad y el rebase sobre la estructura. Tales formulaciones presentan variabilidad e incertidumbre difíciles de acotar, y que suele ser significativa en el intervalo correspondiente a las condiciones de diseño. A esta incertidumbre hay que añadir los problemas, tanto ambientales como geotécnicos. Como consecuencia, esta tesis se centra en avanzar en el conocimiento de la interacción dinámica marina–estructura–lecho marino mediante el análisis teórico y la caracterización del comportamiento hidrodinámico de la tipología dique en talud frente a la acción de oleaje y su interacción con el lecho marino. La necesidad de este conocimiento es relevante teniendo en cuenta algunos de los principales retos a los que se enfrenta la sociedad: ascenso del nivel del mar e incremento de la regresión costera asociados al calentamiento global. En la primera parte de la tesis, se lleva a cabo una revisión teórica de los modelos de comportamiento de los suelos cohesivos y no cohesivos que componen el lecho marino, así como los principales modos de fallo geotécnicos que generan problemas estructurales en el dique. Dependiendo del grado de compactación, los suelos no cohesivos o parcialmente cohesivos se comportan según un modelo reológico poro-elástico o poro-elastoplástico. Para los suelos cohesivos, el modelo que mejor se adapta al comportamiento del suelo bajo la acción del oleaje es el modelo visco-elástico. A partir del comportamiento del suelo bajo la acción del oleaje, se identificaron los principales modos de fallo geotécnicos que pueden generar fallos estructurales en el dique. El exceso de presión de poros debido a la acción de oleaje anula las tensiones efectivas del suelo, pudiendo provocar licuefacción y/o fluidificación del lecho. Asimismo, la erosión superficial del lecho, relacionada con la capacidad de transporte de la dinámica litoral, es el modo de fallo más frecuente en las zonas costeras y en las proximidades del dique. Frente a los modos de fallo geotécnicos y sus consecuencias sobre la estructura marítima, se proponen prácticas recomendaciones de diseño y mantenimiento del dique presentadas según la composición del suelo y su contenido de arcilla. Sin embargo, después de la extensa revisión realizada, se observa que parte de la complejidad para analizar la interacción dinámica marina–estructura–lecho marino se debe a que existe aún incertidumbre en el modelado y la caracterización de cada una de las partes por separado. Por ello, dentro de esta primera parte del trabajo se propone una mejora en el modelado de la interacción del régimen oscilatorio del mar con el lecho marino. En concreto, se ha desarrollado un modelo numérico hidrodinámico y de sedimentos que determina el transporte del sedimento cohesivo y no cohesivo bajo la acción combinada del oleaje y las corrientes de marea. En el módulo hidrodinámico se formula las ecuaciones promediadas de cantidad de movimiento de Reynolds y se incorpora el modelo de turbulencia de Menter, que resuelve el problema desde el fondo del lecho hasta la superficie libre, incluidas todas las regiones de la capa límite. Este modelo de turbulencia facilita la descripción de la estructura del flujo dentro de la capa límite y, con ello, el perfil de velocidad y el transporte de sedimentos en toda la columna de agua. En el módulo de transporte de sedimentos se determina la concentración y el transporte para una mezcla de sedimentos cohesivos y no cohesivos. Para validar el modelo, sus predicciones se compararon con mediciones de laboratorio y datos de campo de otros estudios sobre lechos ondulados en dos estuarios con diferentes condiciones de marea. Asimismo, se aplicó el modelo a la zona de estudio de Punta Umbría (Huelva, España), con diferentes condiciones de oleaje, corrientes de marea y mezcla de sedimentos. Los resultados obtenidos en esta zona de estudio mostraron que, para cuantificar el transporte del sedimento cohesivo y no cohesivo, es necesario modelar adecuadamente la estructura turbulenta de la capa límite. En el segunda parte de la tesis, se aborda el análisis de la transformación de la energía del oleaje incidente con el dique en talud. Para ello, se investigan los procesos físicos que dominan la transformación de la energía incidente al interaccionar con un dique en talud y su correlación con el tipo de rotura observada. Esta parte del trabajo se apoya en (i) un análisis dimensional de las principales variables que influyen en el comportamiento hidráulico para cada tipo de talud, y (ii) en una experimentación numérica de un talud impermeable mediante el modelo numérico IH-2VOF y una experimentación física en un canal 2D de un dique en talud permeable homogéneo y permeable con manto de cubos. La aplicación del análisis dimensional y los resultados experimentales muestran que, para el talud impermeable, el producto de la profundidad relativa y el peralte del tren incidente a pie de dique, (h/L)(H/L), delimita la dispersión experimental mejor que el número de Iribarren y localiza la máxima desviación de los coeficientes de energía reflejada, transmitida y la tasa de disipación, (KR, KT, D) con respecto a una función sigmoide ajustada. Asimismo, (h/L)(HI/L) identifica los dominios de transformación de la energía incidente y la evolución del tipo de rotura. Entre estos dominios de transformación del tren de ondas y su tipo de rotura asociado se encuentran: (i) dominio disipativo, con roturas en voluta débil, (ii) dominio reflejante, con roturas en oscilación, y (iii) transición entre los dos anteriores, con al menos tres tipo de rotura, colapso débil, colapso violento y voluta violenta, y donde la dispersión de los datos experimentales aumenta. En diques permeables, las regiones se ubican en intervalos de valores de (h/L)(H/L) menores y la desviación experimental de los coeficientes de energía en función de (h/L)(H/L) sigue diferentes trayectorias según los valores del diámetro relativo, D/L, y del ancho relativo, B/L. Seleccionado un valor de (h/L)(H/L) en la región de transición, KR aumenta al reducir el valor de B/L y D/L, y el tipo de rotura varía de colapso violento, colapso débil y oscilación. Esta variabilidad en el modo de transformación de la energía y el tipo de rotura puede ocurrir conservando el número de Iribarren. Una de las grandes ventajas de la aplicación del análisis dimensional es que permite elaborar un espacio experimental del tren de ondas incidente del tipo: [ln(h/L), ln(H/L)]. Este método experimental implementado permite: (1) optimizar el número de ensayos, (2) cumplir la similitud dinámica entre modelo-prototipo, e (3) identificar las regiones de transformación de la energía del oleaje y los tipos de roturas para intervalos de (h/L)(HI/L). Finalmente, se ha dado un paso más con el estudio de las fuentes de disipación en el manto principal del dique en talud. Para ello, se aplica el teorema Π de Buckingham para agrupar apropiadamente las variables adimensionales que permanecen constantes en un experimento. Asimismo, el trabajo se apoya en dos conjuntos de datos obtenidos en la Universidad de Aalborg y en la Universidad de Granada. En concreto, se ensayaron mantos con diferente tipo de pieza, escollera o cubos, y diferentes tamaños de cubos bajo condiciones de oleaje irregular. Se concluye que la disipación de la energía incidente en el manto principal con diferentes tamaños de cubos es relevante en intervalos específicos de (h/L)(H/L), relacionados con el dominio de transición y tipo de rotura, de colapso débil a voluta violenta. Finalmente se demuestra que el número de estabilidad de la pieza y la disipación en el manto están relacionados funcionalmente y su relación depende de h/L, H/L, las características del núcleo y la pendiente del talud. Este resultado es relevante pues cohesiona el diseño del dique, clarifica y complementa el papel del número de Iribarren, y ayuda a reducir la variabilidad y la incertidumbre de las fórmulas habituales de cálculo.