Mound Breakwater Design in Depth-Limited Breaking Wave Conditions

Abstract

The design of rubble mound breakwaters usually focuses on the main armor layer. A review of the existing literature reveals that different equations are used to design rock armors in non-breaking wave conditions. However, most rubble mound breakwaters are constructed in the depth-induced breaking zone where they are attacked by waves breaking in the foreshore; in these conditions, existing design equations are not valid. Therefore, in this PhD thesis, the hydraulic stability of double-layer rock armors is analyzed through a series of small-scale tests conducted with a bottom slope m=1/50. Based on test results, a new potential relationship is given to design rock armors in depth-limited breaking wave conditions with armor slope cot¿=1.5, stability numbers within the range 0.98¿Hm0/(¿Dn50)¿2.5, and relative water depth at the toe 3.75¿hs/(¿Dn50)¿7.50. When concrete units are used for the armor layer, mound breakwaters are usually protected by a toe berm. This toe berm is placed on the seafloor or underlayer, providing support for the concrete armor units which are placed later on the structure slope. Toe berm design is commonly related to the armor design; in non-breaking wave conditions, the mass of toe berm rocks is one order of magnitude lower than the units of the layer. In breaking wave conditions, however, the highest waves start breaking on the bottom and impact directly on the toe berm. This is the common case of rocky sea bottoms with m=1/10 or higher slopes and thus, a correct design of the toe berm is crucial to guarantee the armor stability. The present PhD thesis examines the hydraulic stability of rock toe berms placed on a m=1/10 bottom slope and in very shallow waters (0.5<hs/Dn50<5.01). Small-scale tests were conducted with double-layer cube armored breakwaters and rock toe berms with different widths (Bt) and thicknesses (tt). Firstly, a new equation is proposed to design emerged and submerged standard rock toe berms (Bt=3Dn50 and tt=2 Dn50) using three parameters: (1) deep water wave height, Hs0, (2) deep water wave length, L0p, and (3) water depth at the toe, hs. Secondly, the influence of toe berm width (Bt) on toe berm stability is analyzed introducing two new concepts to characterize wide toe berms (Bt>3Dn50): (1) the nominal toe berm or the most shoreward toe berm area which effectively supports the armor layer, and (2) the sacrificial toe berm or the most seaward toe berm area which serves to protect the nominal toe berm. Considering the nominal toe berm damage, a new method is developed to reduce the rock toe berm size (Dn50) by increasing the toe berm width (Bt) if the required rock size is not available at the quarries. Finally, cube armor damage is examined, and the influence of the placement technique on armor stability is also characterized from physical tests conducted with cubes randomly- and uniformly- placed on the armor in two layers.

El manto principal de los diques en talud suele estar formado por escollera natural o elementos prefabricados de hormigón; su función es resistir la acción del oleaje. Una revisión del estado del arte pone de manifiesto que son numerosas las fórmulas existentes para el diseño de mantos derivadas de ensayos físicos a escala reducida con oleaje sin rotura por fondo. Sin embargo, la mayoría de diques en talud se construyen en la zona de rompientes con oleaje limitado por fondo, donde las ecuaciones de diseño habituales no son del todo válidas. En esta tesis doctoral se analiza la estabilidad hidráulica de mantos bicapa de escollera, a partir de ensayos a escala reducida con pendiente de fondo m=1/50. En base a los resultados obtenidos de los ensayos físicos, se propone una nueva relación potencial para el diseño de mantos de escollera en condiciones de oleaje limitado por fondo, válida para taludes con cot¿=1.5, números de estabilidad 0.98¿Hm0/(¿Dn50)¿2.5, y profundidades relativas a pie de dique de 3.75¿hs/(¿Dn50)¿7.50. Cuando el manto principal está formado por elementos de hormigón, es habitual construir una berma de pie que proporciona apoyo a los elementos del manto y, en su caso, colabora en la protección de la zona inferior del dique contra la socavación. Dicha berma suele construirse con escollera natural y su peso está condicionado al de los elementos del manto en el caso de no haber rotura por fondo. El peso de los elementos de la berma de pie suele ser un orden de magnitud inferior al peso de las unidades del manto; sin embargo, si la pendiente de fondo es fuerte (p.e. m=1/10) y las aguas someras esta regla no se cumple ya que algunas olas rompen sobre el fondo impactando directamente sobre la berma de pie. En estos casos, el peso de la escollera de la berma puede sobrepasar el de las unidades del manto y su correcto diseño es crucial para garantizar la estabilidad del dique. Además de estudiar la estabilidad del manto principal de diques de escollera, la presente tesis doctoral analiza también la estabilidad hidráulica de bermas de pie de escollera ubicadas en fondos con pendiente m=1/10 y aguas someras (0.5<hs/Dn50<5.01), en base a ensayos físicos a escala reducida realizados con mantos bicapa de cubos y bermas de escollera con diferentes dimensiones. En primer lugar, se propone una nueva ecuación para el diseño de bermas escollera estándar (Bt=3Dn50 y tt=2 Dn50), tanto emergidas como sumergidas, a partir de tres parámetros: (1) altura de ola en aguas profundas, Hs0, (2) longitud de onda en aguas profundas, L0p, (3) profundidad a pie de dique, hs. Posteriormente, se analiza la influencia del ancho de la berma (Bt) en su estabilidad hidráulica, introduciendo dos nuevos conceptos para caracterizar bermas de pie anchas (Bt>3Dn50): (1) berma nominal o zona de la berma de pie sobre la que realmente apoya el manto principal, y (2) berma de sacrificio o zona de la berma de pie que protege a la berma nominal. A partir del daño de la berma de pie nominal, se propone un nuevo método para reducir el tamaño de piedra (Dn50) incrementando el ancho de la berma (Bt) cuando no se disponga del tamaño requerido en cantera. Finalmente, se examina el daño del manto de cubos y se analiza la influencia del método de colocación sobre el mismo, a partir de ensayos realizados con mantos bicapa de cubos con colocación aleatoria y uniforme.

El mantell principal dels dics en talús sol estar format per roca o elements prefabricats de formigó, la seva funció és resistir l'acció de l'onatge. Una revisió de l'estat de l'art manifesta que són nombroses les equacions de disseny existents per a condicions d'onatge no trencat. No obstant això, la majoria de dics en talús es construeixen a la zona de rompents amb onatge limitat per fons, on les equacions de disseny existents no són del tot vàlides. En aquesta tesi doctoral s'analitza l'estabilitat hidràulica de mantells bicapa de roca, a partir d'assajos a escala reduïda realitzats amb pendent de fons m = 1/50. En base als resultats obtinguts dels assajos, es proposa una relació potencial per al disseny de mantells de roca en condicions d'onatge limitat per fons vàlida per a talussos amb cot¿ = 1.5, nombres d'estabilitat 0.98¿Hm0/(¿Dn50) ¿2.5, i profunditats relatives a peu de dic de 3.75¿hs/(¿Dn50)¿7.50. Quan mantell principal està format per elements de formigó , és habitual construir una berma de peu que proporciona suport als elements del mantell i, si escau, col¿labora en la protecció de la zona inferior del dic contra la soscavació. Aquesta berma sol construir amb roca i el seu pes està condicionat al dels elements del mantell en el cas de no haver trencament per fons. El pes dels elements de la berma de peu sol ser un ordre de magnitud inferior al pes de les unitats del mantell; però, si el pendent de fons és fort ( p.e. m = 1 /10) i les aigües someres aquesta regla no es compleix ja que algunes onades trenquen sobre el fons impactant directament sobre la berma de peu. En aquests casos, el pes de la roca de la berma pot sobrepassar el de les unitats del mantell, i el seu correcte disseny és crucial per garantir l'estabilitat del dic. A més d'estudiar l'estabilitat del mantell principal de dics de roca, la present tesi doctoral analitza també l'estabilitat hidràulica de bermes de roca ubicades en fons amb pendents m = 1/10 i aigües someres (0.5<hs/Dn50<5.01), utilitzant assajos a escala reduïda realitzats amb mantells de doble capa de cubs i bermes de roca amb diferents dimensions. En primer lloc, es proposa una nova equació per al disseny de bermes de roca estàndard (Bt = 3 Dn50 i tt = 2 Dn50), tant emergides com submergides, a partir de tres paràmetres: (1) alçada d'ona significant en aigües profundes, Hs0, (2) longitud d'ona en aigües profundes, L0p, i (3) profunditat a peu de dic, hs. Posteriorment, s'analitza la influència de l'amplada de la berma (Bt) en la seua estabilitat hidràulica, introduint dos nous conceptes per caracteritzar bermes de peu amples (Bt > 3 Dn50): (1) berma nominal o zona de la berma de peu sobre la qual recolza el mantell principal, i (2) berma de sacrifici o zona de la berma de peu que protegeix la berma nominal. A partir del dany de la berma de peu nominal, es proposa un nou mètode per reduir el tamany de roca (Dn50) incrementant l'amplada de la berma (Bt) quan no es disposi de la mida requerit en pedrera. Finalment, s'examina el dany del mantell de cubs i s'analitza la influència del mètode de col¿locació sobre el mateix , a partir d'assajos realitzats amb mantells bicapa de cubs amb col¿locació aleatòria i uniforme.