Overtopping flow on mound breakwaters under depth-limited breaking wave conditions

Abstract

[ES] El cambio climático y la conciencia social sobre el impacto de las infraestructuras en el medio está llevando a la necesidad de diseñar diques en talud con cotas de coronación reducidas frente a eventos de rebase más extremos. Además, la mayoría de estos diques se construyen en zonas de profundidades reducidas, donde el oleaje rompe a causa de la limitación por fondo. Estudios recientes apuntan a la necesidad de considerar no sólo la caudal medio de rebase (q) sino también el máximo volumen individual de rebase (Vmax), el espesor de lámina de agua (OLT) y la velocidad del flujo de rebase (OFV) en el diseño de la cota de coronación de un dique en talud según criterios de rebase. No obstante, existen pocos estudios en la literatura científica centrados en Vmax en estructuras costeras sometidas a oleaje limitado por fondo. Además, estos estudios proporcionan resultados contradictorios en relación a la influencia de la limitación por fondo del oleaje sobre Vmax. En cuanto a OLT y OFV, no se han encontrado estudios en la literatura científica que permitan su predicción en diques en talud. En esta tesis doctoral, se han realizado ensayos físicos 2D en diques en talud rebasables (0.3≤Rc/Hm0≤2.5) sin espaldón y con tres mantos principales (Cubípodo®-1L, cubo-2L y escollera-2L) sobre dos pendientes de fondo suaves (m=2% and 4%) en condiciones de oleaje limitado por fondo (0.2≤Hm0/h≤0.9). Vmax junto con q son las variables más recomendadas en la literatura científica para diseñar la cota de coronación de diques en talud según criterios de rebase. En el presente estudio, los mejores resultados en la estimación de Vmax*=Vmax/(gHm0T012) se han obtenido empleando la función de distribución Weibull de dos parámetros con un coeficiente de determinación R2=0.833. Durante la fase de diseño de un dique en talud, es necesario predecir q para calcular Vmax cuando se emplean los métodos dados en la literatura científica. Por tanto, se debe estimar q con fines de diseño si no se dispone de observaciones directas. En caso de emplear la red neuronal CLASH NN para estimar q (R2=0.636), la bondad de ajuste de la función de distribución Weibull de dos parámetros propuesta en esta tesis para predecir Vmax* es R2=0.617. Así, el ratio entre Vmax* medido y estimado cae dentro del rango de 1/2 a 2 (banda de confianza del 90%) cuando se emplea q estimado con CLASH NN. Los nuevos estimadores desarrollados en la presente disertación proporcionan resultados satisfactorios en la predicción de Vmax* con un método más simple que aquellos propuestos en la literatura científica. No se ha encontrado una influencia significativa de la pendiente de fondo ni de la limitación por fondo del oleaje sobre Vmax* en este estudio. OLT y OFV están directamente relacionados con la estabilidad hidráulica de la coronación del dique y la seguridad peatonal frente a rebase. Por tanto, se requiere estimar OLT y OFV en la coronación del dique para diseñar apropiadamente su cota de coronación empleando criterios de rebase. En este estudio, se han empleado redes neuronales para desarrollar nuevos estimadores explícitos que permiten predecir OLT y OFV superados por el 2% del oleaje incidente con un alto coeficiente de determinación (0.866≤R2≤0.867). El número de cifras significativas apropiado para los coeficientes experimentales de dichos estimadores se ha determinado en base a su variabilidad. El punto óptimo en el que las características del oleaje deben ser estimadas para predecir OLT y OFV se ha identificado a una distancia de 3h desde el pie de la estructura (siendo h la profundidad a pie de dique). La pendiente de fondo tiene influencia sobre OLT y OFV. Los valores más extremos de OLT y OFV se han descrito empleando las distribuciones Exponencial de un parámetro y Rayleigh, respectivamente, con resultados satisfactorios (0.803≤R2≤0.812).

[CA] El canvi climàtic i la consciència social sobre l'impacte de les infraestructures al medi està portant a la necessitat de dissenyar dics en talús amb cotes de coronació reduïdes front a esdeveniments d'ultrapassament més extrems. A més, la majoria dels dics es construeixen en zones amb profunditats reduïdes on l'onatge es trenca a causa de la limitació per fons. Estudis recents apunten a la necessitat de considerar no solament el cabal mitjà de sobrepasse (q) sinó també el màxim volum individual de sobrepasse (Vmax), l'espessor de la làmina d'aigua (OLT) i la velocitat del flux de sobrepasse (OFV) pel disseny de la cota de coronació d'un dic en talús segons criteris de sobrepasse. No obstant, existeixen pocs estudis a la literatura científica centrats en Vmax en estructures costeres sotmeses a onatge limitat per fons. Addicionalment, aquests estudis proporcionen resultats contradictoris en relació a la influència de la limitació per fons de l'onatge sobre Vmax. Quant a OLT i OFV, no s'han trobat estudis a la literatura científica que permeten la seua predicció a dics en talús. En aquesta tesi doctoral, s'han realitzat assajos físics 2D amb dics en talús amb sobrepassos rellevants (0.3≤Rc/Hm0≤2.5) sense espatlló i amb tres elements al mantell principal (Cubípode-1L, cubs-2L i esculleres-2L) ubicats sobre pendents de fons suaus (m=2% i 4%) en condicions d'onatge limitat pel fons (0.2≤Hm0/h≤0.9). Vmax conjuntament amb q són les variables més recomanades a la literatura científica per dissenyar la cota de coronació en dics en talús segons criteris d'ultrapassament. Al present estudi, els millors resultats en l'estimació de Vmax*=Vmax/(gHm0T012) s'han obtingut utilitzant la funció de distribució Weibull de dos paràmetres amb un elevat coeficient de determinació R2=0.833. Durant la fase de disseny d'un dic en talús, és necessari predir q per calcular Vmax quan s'utilitzen els mètodes donats a la literatura científica. Per tant, es deu estimar q amb fins de disseny si no es disposa d'observacions directes. Si s'aplica la xarxa neuronal de CLASH NN per estimar q (R2=0.636), la bondat d'ajust de la funció de distribució Weibull de dos paràmetres proposada a aquesta tesi per predir Vmax* és R2=0.617. Així doncs, el ràtio entre el Vmax* mesurat i estimat es troba dins del rang de 1/2 a 2 (banda de confiança del 90%) quan s'usa q predit amb CLASH NN. Els nous estimadors desenvolupats a aquesta dissertació proporcionen resultats satisfactoris en la predicció de Vmax* amb un mètode més senzill que aquells proposats a la literatura científica. No s'ha trobat una influència significativa de la pendent de fons ni de la limitació de l'onatge per fons sobre Vmax* a aquest estudi. OLT i OFV estan directament relacionats amb l'estabilitat hidràulica de la coronació de dics i la seguretat de vianants front a ultrapassaments. Per tant, es requereix estimar OLT i OFV en la coronació de dics per dissenyar apropiadament la seua cota de coronació utilitzant criteris de sobrepasse. En aquest estudi, s'han usat xarxes neuronals per desenvolupar nous estimadors explícits que permeten predir OLT i OFV superats pel 2% de l'onatge incident amb un elevat coeficient de determinació (0.866≤R2≤0.867). El nombre de xifres significatives apropiat per als coeficients experimentals dels mencionats estimadors s'ha determinat basant-se en la seua variabilitat. El punt òptim on determinar les característiques de l'onatge deuen ser estimades per predir OLT i OFV s'ha identificat a una distància de 3h des del peu de l'estructura (on h és la profunditat a peu de dic). La pendent de fons té influència sobre OLT i OFV. Els valors més extrems de OLT i OFV s'han descrit amb les distribucions Exponencial d'un paràmetre i Rayleigh, respectivament, amb resultats satisfactoris (0.803≤R2≤0.812).

[EN] Climate change and the social concern about the impact of infrastructures is leading to mound breakwaters with reduced crest freeboards facing higher extreme overtopping events. In addition, most mound breakwaters are built in the surf zone where depth-limited wave breaking takes place. Recent studies point out the need of considering not only the mean wave overtopping discharge (q) but also the maximum individual wave overtopping volume (Vmax), the overtopping layer thickness (OLT) and the overtopping flow velocity (OFV) when designing mound breakwater crest elevation using overtopping criteria. However, few studies in the literature are focused on Vmax on coastal structures under depth-limited breaking wave conditions. In addition, those few studies report contradictory conclusions regarding the significance of depth-limited breaking waves on Vmax. With respect to OLT and OFV, no studies are found in the literature for their prediction on mound breakwaters. In this PhD thesis, 2D physical model tests were conducted on overtopped mound breakwaters (0.3≤Rc/Hm0≤2.5) without a crown wall armored with three armor layers (Cubipod®-1L, cube-2L and rock-2L) on two gentle bottom slopes (m=2% and 4%) in depth-limited breaking wave conditions (0.2≤Hm0/h≤0.9). Vmax together with q are the most recommended variables in the literature to design mound breakwater crest elevation based on overtopping criteria. In the present study, the 2-parameter Weibull distribution provides the best results when estimating Vmax*=Vmax/(gHm0T012) with coefficient of determination R2=0.833. During the design phase of a mound breakwater, q is needed to predict Vmax using methods given in the literature. Thus, q must be estimated for design purposes when direct observations are not available. If CLASH NN is used to estimate q (R2=0.636), the goodness-of-fit of the 2-parameter Weibull distribution proposed in this thesis to predict Vmax* is R2=0.617. Hence, the ratio between the estimated and measured Vmax* falls within the range 1/2 to 2 (90% error band) when q is predicted using CLASH NN. The new estimators derived in this study provide satisfactory estimations of Vmax* with a method simpler than those found in the literature. Neither the bottom slope nor the depth-induced wave breaking seem to significantly influence the dimensionless Vmax* in this study. OLT and OFV are directly related to the hydraulic stability of the armored crest and the pedestrian safety. Thus, OLT and OFV are required to properly design crest elevation using overtopping criteria. Neural Networks (NNs) are used in this study to develop new explicit unbiased estimators for the OLT and OFV exceeded by 2% of the incoming waves with a high coefficient of determination (0.866≤R2≤0.867). The appropriate number of significant figures of the empirical coefficients of such estimators is selected according to their variability. The optimum point where wave characteristics are determined to predict OLT and OFV was identified at a distance of 3h from the toe of the structure (where h is the water depth at the toe of the structure). The bottom slope does influence both OLT and OFV. The most extreme values of OLT and OFV are described with the 1-parameter Exponential and Rayleigh distribution functions, respectively, with satisfactory results (0.803≤R2≤0.812).