Análisis comparativo y nuevas estimaciones de las tasas de rebase en obras marítimas en grandes profundidades

Abstract

El rebase se define como el transporte de una cantidad importante de agua sobre la coronación
de una estructura. Por tanto, es el fenómeno que, en general, determina la cota de coronación
del dique dependiendo de la cantidad aceptable del mismo, a la vista de condicionantes
funcionales y estructurales del dique. En general, la cantidad de rebase que puede tolerar un
dique de abrigo desde el punto de vista de su integridad estructural es muy superior a la
cantidad permisible desde el punto de vista de su funcionalidad. Por otro lado, el diseño de un
dique con una probabilidad de rebase demasiado baja o nula conduciría a diseños
incompatibles con consideraciones de otro tipo, como son las estéticas o las económicas.
Existen distintas formas de estudiar el rebase producido por el oleaje sobre los espaldones de
las obras marítimas. Las más habituales son los ensayos en modelo físico y las formulaciones
empíricas o semi-empíricas. Las menos habituales son la instrumentación en prototipo, las
redes neuronales y los modelos numéricos. Los ensayos en modelo físico son la herramienta
más precisa y fiable para el estudio específico de cada caso, debido a la complejidad del
proceso de rebase, con multitud de fenómenos físicos y parámetros involucrados. Los modelos
físicos permiten conocer el comportamiento hidráulico y estructural del dique, identificando
posibles fallos en el proyecto antes de su ejecución, evaluando diversas alternativas y todo
esto con el consiguiente ahorro en costes de construcción mediante la aportación de mejoras al
diseño inicial de la estructura. Sin embargo, presentan algunos inconvenientes derivados de
los márgenes de error asociados a los ”efectos de escala y de modelo”. Las formulaciones
empíricas o semi-empíricas presentan el inconveniente de que su uso está limitado por la
aplicabilidad de las fórmulas, ya que éstas sólo son válidas para una casuística de condiciones
ambientales y tipologías estructurales limitadas al rango de lo reproducido en los ensayos.
El objetivo de la presente Tesis Doctoral es el contrate de las formulaciones desarrolladas por
diferentes autores en materia de rebase en distintas tipologías de diques de abrigo. Para ello,
se ha realizado en primer lugar la recopilación y el análisis de las formulaciones existentes para
estimar la tasa de rebase sobre diques en talud y verticales. Posteriormente, se llevó a cabo el
contraste de dichas formulaciones con los resultados obtenidos en una serie de ensayos
realizados en el Centro de Estudios de Puertos y Costas. Para finalizar, se aplicó a los ensayos
de diques en talud seleccionados la herramienta neuronal NN-OVERTOPPING2, desarrollada
en el proyecto europeo de rebases CLASH (“Crest Level Assessment of Coastal Structures by
Full Scale Monitoring, Neural Network Prediction and Hazard Analysis on Permissible Wave
Overtopping”), contrastando de este modo la tasa de rebase obtenida en los ensayos con este
otro método basado en la teoría de las redes neuronales.
Posteriormente, se analizó la influencia del viento en el rebase. Para ello se han realizado una
serie de ensayos en modelo físico a escala reducida, generando oleaje con y sin viento, sobre
la sección vertical del Dique de Levante de Málaga.
Finalmente, se presenta el análisis crítico del contraste de cada una de las formulaciones
aplicadas a los ensayos seleccionados, que conduce a las conclusiones obtenidas en la
presente Tesis Doctoral. Overtopping is defined as the volume of water surpassing the crest of a breakwater and
reaching the sheltered area. This phenomenon determines the breakwater’s crest level,
depending on the volume of water admissible at the rear because of the sheltered area’s
functional and structural conditioning factors.
The ways to assess overtopping processes range from those deemed to be most traditional,
such as semi-empirical or empirical type equations and physical, reduced scale model tests, to
others less usual such as the instrumentation of actual breakwaters (prototypes), artificial neural
networks and numerical models. Determining overtopping in reduced scale physical model
tests is simple but the values obtained are affected to a greater or lesser degree by the effects
of a scale model-prototype such that it can only be considered as an approximation to what
actually happens. Nevertheless, physical models are considered to be highly useful for
estimating damage that may occur in the area sheltered by the breakwater. Therefore, although
physical models present certain problems fundamentally deriving from scale effects, they are
still the most accurate, reliable tool for the specific study of each case, especially when large
sized models are adopted and wind is generated
Empirical expressions obtained from laboratory tests have been developed for calculating the
overtopping rate and, therefore, the formulas obtained obviously depend not only on
environmental conditions – wave height, wave period and water level – but also on the model’s
characteristics and are only applicable in a range of validity of the tests performed in each case.
The purpose of this Thesis is to make a comparative analysis of methods for calculating
overtopping rates developed by different authors for harbour breakwater overtopping. First,
existing equations were compiled and analysed in order to estimate the overtopping rate on
sloping and vertical breakwaters. These equations were then compared with the results
obtained in a number of tests performed in the Centre for Port and Coastal Studies of the
CEDEX. In addition, a neural network model developed in the European CLASH Project (“Crest
Level Assessment of Coastal Structures by Full Scale Monitoring, Neural Network Prediction
and Hazard Analysis on Permissible Wave Overtopping“) was also tested. Finally, the wind
effects on overtopping are evaluated using tests performed with and without wind in the physical
model of the Levante Breakwater (Málaga).