WO2006067256A1 - Dique en talud con geometría de máxima estabilidad - Google Patents

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WO2006067256A1
WO2006067256A1 PCT/ES2005/070169 ES2005070169W WO2006067256A1 WO 2006067256 A1 WO2006067256 A1 WO 2006067256A1 ES 2005070169 W ES2005070169 W ES 2005070169W WO 2006067256 A1 WO2006067256 A1 WO 2006067256A1
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main
mantle
dike
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Miguel Ángel LOSADA RODRÍGUEZ
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Universidad De Granada
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    • Y02A10/00—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE at coastal zones; at river basins
    • Y02A10/11—Hard structures, e.g. dams, dykes or breakwaters

Definitions

  • the present invention relates to a structural composition with a geometry of maximum stability of a dike in slope for maritime and port works of protection of the coastal, river banks, reservoirs and other bodies of water against the action of waves and other oscillations from sea.
  • embankment levees In certain port areas and coastal areas, due to the action of waves and other oscillations of the free surface of the sea, it is necessary to use linear works on a constant slope called embankment levees. These are works of granular constitution, stratified in mantles, whose main mission is to protect the port or coastal area from the action of marine dynamics, thus maintaining the necessary requirements for safety, service, use and exploitation thereof. Its construction is usual with slopes whose slope is in the range 1: 1.5 to 1: 2, being less frequent the construction with more stretched slopes, and rarely exceeds the slope 1: 3.
  • main mantle which is the one that must resist the actions of the sea. It is constructed with natural elements (breakwaters) or artificial mass concrete, for example, cubes or parallelepipeds, which have high qualities of robustness, with good mechanical behavior against external forces and against internal tensions created by them, and of hydraulic stability, thanks to the power of the elements to, on the one hand, be anchored on the surfaces underlying the works to be protected and, on the other, to engage with each other, constituting a protection structure that leaves sufficient empty spaces to absorb , dissipating it,
  • the hydraulic energy to which the work is subjected It is common practice to build the main mantle with two or three layers of elements or pieces. For Some recently patented pieces, the construction of the main mantle with "something more than one layer" is proposed.
  • the Spanish experience with natural or artificial stone elements (cubes or parallelepipeds) is to build the main mantle with two layers.
  • the inner mantles are constructed with a two-layer scheme, with individual dimensions of their elements sufficient to satisfy the filter criteria between mantles. This scheme is maintained until reaching the core, which is built with "all one quarry”.
  • the elements of the main mantle begin to nod in their position, to hit adjacent elements, or are removed and displaced from their original position, causing substantial changes in the slope of the dike, and the deterioration, wear and even breakage of the elements.
  • the interlocking between the elements can cause traction and failure of the material, causing the dike to be either too impermeable and of ductile or explosive failure, with parts known of the acropod type, or too permeable, so that the block breathes and the breakage of these known parts occurs, of the type dolos, core-lock, etc.
  • the present invention solves these problems, developing a structure of the main mantle of a dike in slope for maritime and port works, and protection of the coastal, river, reservoir and other bodies of water, with a geometry of maximum stability for each type of structural unit that composes the previous mantle and design waves, and with unalterable construction costs and without maintenance or reconstruction costs, as will be described later.
  • the present invention proposes a design of the main mantle of a breakwater dike in slope, constituted by structural elements, whether natural or artificial, in such a way that the design of the geometry of the main mantle provides maximum stability to the structural part of the dike , while minimizing construction, maintenance and repair costs.
  • the present invention makes the design of the structure of the main mantle of a breakwater dike in slope based on three fundamental types of parameters:
  • the invention determines, based on the parameters of the work, the medium and the waves, against which request a breakwater dike structure is damaged in such slope, quantifying, in this way, the total stability of the dike, which It is the one that will give the design of the structural components - TO -
  • Figure 1 schematically shows the type section of a conventional breakwater dike.
  • Figure 2 shows the three sections of the main mantle configuration of a breakwater dam according to the invention.
  • Figure 3 shows the variation of the geometry of the profile of the main mantle of a dike in slope according to the invention, as a function of the wave height and the depth at the foot of the dike.
  • Figure 4 shows the maximum horizontal displacement of the central region of the main mantle of a dike in slope according to the invention, as a function of the wave height and the depth at the foot of the dike.
  • Figure 5 shows the maximum horizontal displacement of the lower or standing region of the slope of the main mantle of a dike slope according to the invention, as a function of the wave height and the depth at the foot of the dike.
  • Figure 6 shows the maximum angular deviation of the regions of the main mantle of a dike in slope according to the invention, as a function of the wave height and the depth at the foot of the dike.
  • a conventional breakwater dam with a layered stratified structure, which protects a port or coastal zone 1 from the waves of the maritime or river zone 2, is constituted by a structural component or main mantle 3 , whose mission is to resist
  • zone 2 formed by edges 4, natural or artificial; by a central core 5 that supports the structure of the dike, formed by smaller songs (not shown) than the songs 4 that make up the main mantle 3; and by some secondary mantles 6, whose purpose is to support the main mantle 3, providing friction to the whole, while serving as a transition between the edges 4 of the main mantle 3 and the core 5, so that the filter condition is met between adjacent layers.
  • the design of the main mantle 3 of the breakwater dike in slope according to the present invention is carried out based on three fundamental types of parameters: parameters of the work or structure, parameters of the medium and wave parameters.
  • the parameters that define the work or structure of the dike in slope are the following:
  • the roughness and permeability characteristics of the main mantle 3 depend on the type of edges 4 that form the same, on the way to place them on a slope, and on their size.
  • the parameters that define the environment in which the dike is arranged in slope are the following: - the depth h of the water at the foot of the dike;
  • the ratio between the heights of the reflected and incident waves is the reflection coefficient. This and the offset depend on the type of slope in slope and are relevant elements of the design.
  • Number of layers of the main mantle two Some elements with particular shapes, especially the acropods, core-lock, known today, are associated with a placement criterion and a number of layers of the main mantle.
  • levees are constructed with a main mantle of natural stones called berma dykes.
  • the above criteria are modified by proposing: variable slope, weight of the elements of the main mantle defined by granulometric curve, and an important movement of the pieces along the profile is allowed.
  • This type of dykes They suffer significant degradation of natural parts, so they must be repaired frequently.
  • L is the wavelength (depends on the period T and the depth to which the dam is constructed)
  • R is the reflection coefficient of the dike (depends on the slope, the characteristics of the mantles, and the relative depth and angle of incidence of the waves)
  • i r is the so-called Iribarren number
  • ⁇ is the stability function.
  • the conditions of critical stability of a dike in slope correspond to waves that break in the volute-collapse-oscillation range represented by a range of Iribarren numbers of (2.3 ⁇ l r ⁇ 4) and a modulus of the reflection coefficient in the interval (0.25 ⁇ R ⁇ 0.60).
  • the stability function values are obtained by scale tests in a wave channel.
  • the present invention solves the problem of the variability of the dimensions of the levees in slope, since it defines the geometry of the profile, the weight, and the way of placing the elements 4 of the main mantle 3 and remaining mantles 6 that provide maximum stability, in fact, the absolute stability for the design waves and all the lower ones, limiting the construction cost and not requiring maintenance or repair costs.
  • the concept of absolute stability means that neither the design waves, nor any other inferior to them, can cause significant variations in the project profile that affect its globa ⁇ behavior, nor significant movements of the pieces 4 of the main mantle 3 that affect its stability.
  • the invention carries out the design of the slope geometry for different types of elements 4 of the main mantle 3, defines its positioning system once the project parameters have been selected and a weight W of the element 4 is chosen, so that the dike has the maximum stability, while optimizing the costs of the work, composed exclusively of construction costs.
  • the geometric profile of the invention is formed by three consecutive regions that, from the bottom of the sea to the emerged region, as shown in Figure 3, are: lower region 10 or the slope, between points A 0 and A, region central 11 or dissipator, between points A and R, with G as the central point, and upper region 12 or oscillation, between R and R 0 .
  • the region 10 of the slope of the slope only acts as a shot of the profile until it reaches the bottom, it has a slope close to the natural slope, approximately 1: 1.3, of the elements that compose it and in it the incident swell is reflected.
  • the central region 11 or dissipator the rupture in volute of the incident wave occurs, because its average slope is small, approximately 1: 5.
  • the upper region 12 or of oscillation is only reached by the waves that have broken in the central region 11 and cause a guided rise and fall of the water flow, thanks to its inclined slope near the slope 1: 0.75.
  • the intersection between the three regions, 10, 11 and 12 can be in sharp edge or by means of an adjustment curve, this being not a relevant aspect in the dike's behavior.
  • the maximum displacements horizontal, A d and Rh, with respect to h, depth of water at the foot of the dike, to maintain the equilibrium profile of horizontal regions 10 and central 11, depend linearly on the height H 1 of the design wave, as well as the maximum angular deviations for the equilibrium profile, ⁇ , that the planes of the different regions form with the horizontal plane, as shown in Figures 5, 6 and 7.
  • the reference slope is not relevant in the final result, Since the geometric profile of maximum stability does not depend on the initial conditions, as has been experimentally proven according to the invention. Adimensionalizing with the height of wave H ⁇ the magnitudes that define the geometry of the profile, all the profiles of maximum stability obtained for increasing heights of wave H ⁇ are geometrically similar, that is to say, they have similarity or geometric similarity.
  • This profile is the one that naturally adopts a dike of elements 4 all the same when subjected to the action of the design waves. It is the response that the natural environment provides when it is allowed to act freely, without constrictions, functioning as a self-organized system. Consequently, repeated the same test twice, you get exactly the same geometric profile in both, without deviations. Selected the design waves and chosen a type of element 4 and its weight W, its profile of geometric similarity, does not depend on the initial condition and only depends on the height of wave H 1 .
  • the elements 4 of the main mantle 3 must be placed forming a mesh with two main lines, whose angles a and b are approximately 35 ° and 55 ° at the beginning of the dissipating region 11 and that rotate until reaching the oscillation region 12 with lines main angles a and b approximately 55 ° and 35 °, preferably, whose value depends on the type of piece 4 that forms the main mantle 3.
  • the angles a and b are defined according to their main dimension, which is the largest of the three axes of the ellipsoid that, imaginary, involves said element 4.
  • the pieces 4 are cubes or parallelepipeds, it is sufficient to place two elements 4 by alignment.
  • pieces 4 are jetty, it is recommended to place three pieces 4 per alignment, except when you can carve the stone and give it a cubic shape.
  • the secondary mantle 6 below the main 3 must fulfill three functions, two known by the prior art and a third specific of the invention.
  • the first two are geotechnical filter and friction surface of the
  • the size of the pieces 4 is determined in accordance with the standards for the use of maritime engineering.
  • the third function is to provide a suitable support surface so that the pieces 4 of the main mantle 3 can be placed with the indicated alignments, a and b. This is simply specified by "emptying" of the main mantle 3 for each type of i ⁇ element 4.
  • the following mantles 6 and core 5 fulfill only the function of supporting the secondary 6 and main mantles 3, satisfying the filter condition, preferably placing according to The invention a geotextile. They can be of any type of material and size that satisfies the conditions of durability, including surplus of quarry blasting and other materials of
  • Partition of the energy the geometric profile of maximum stability optimizes the distribution of the incident energy, maximizing the dissipated energy
  • the self-organized profile of the invention has a mesh structure, orienting the pieces 4 in planes that guarantee maximum resistance to extraction. This assembly of section 3 occurs in
  • This positioning system produces an overlapping of the pieces 4 of the main mantle 3, presenting surfaces with an inclination a and b that are opposes the maximum flow rates, ascending and descending. As stated above, this assembly helps minimize agitation to take the dam.
  • the overflow control controls the flow of ascent and descent of the wave once it has broken, and minimizes the overflow by the crowning of the dike by channeling the flow through a slope more rigid than the traditional one and frictioning the water sheet both in ascent as in descent and force in the descent, practically free, to change the direction of the flow when reaching the second region 11, losing speed by changing the slope and encountering the opposite flow due to the next broken wave.
  • the present invention develops a slope type of slope for maritime, river, lake and reservoir works, with a geometric profile of three regions, 10, 11 and 12, which provides maximum stability, so that, determined the design swell, the main mantle 3 of the dike is constructed with a type of elements 4, placed with the optimum angles, a and b, of the main lines to obtain the assembly of the slope and interweaving between elements 4 so that it is absolutely stable for all waves of height H ⁇ equal to or less than the calculation one, this dam being characterized because the construction cost is fixed, does not admit constructive changes or design modifications, has no maintenance costs or repair or reconstruction costs.
  • the type section of the main mantle 3 can preferably be constructed with two or more layers, being completed with a secondary mantle 6, which provides the main mantle 3 with roughness to the slide, this secondary mantle 6 continuing below, preferably with a foundation material preferably protected by a geotextile that meets the filter condition.

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Abstract

Dique rompeolas en talud para protección de obras marítimas y fluviales, lacustres y en embalses, cuyo manto principal está constituido por tres regiones: una primera región inferior o de pié del talud (10), en Ia que ei oleaje se peralta y refleja; una segunda región central o disipadora (11 ), en Ia que el oleaje rompe y se produce Ia disipación de Ia energía por rotura, principalmente en voluta; y una tercera región superior o de oscilación (12), en Ia que se produce Ia oscilación libre del flujo debido a Ia ola rota. Los elementos, naturales o artificiales, que forman el manto principal del citado talud están colocados en capas según dos líneas principales de ángulos (a, b) que varían con el plano de agua (2) a Io largo del perfil del manto principal del dique.

Description

DIQUE EN TALUD CON GEOMETRÍA DE MÁXIMA ESTABILIDAD
CAMPO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere a una composición estructural con una geometría de máxima estabilidad de un dique en talud para obras marítimas y portuarias de protección de las riberas litoral, fluvial, de embalses y otros cuerpos de agua frente a Ia acción del oleaje y otras oscilaciones del mar.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
En determinadas áreas portuarias y áreas litorales, debido a Ia acción del oleaje y otras oscilaciones de Ia superficie libre del mar, es necesario el uso de obras lineales en pendiente constante denominadas diques en talud. Éstas son obras de constitución granular, estratificada en mantos, cuya misión principal es Ia de proteger Ia zona portuaria o litoral de Ia acción de Ia dinámica marina, manteniendo así los requisitos necesarios de seguridad, servicio, uso y explotación de Ia misma. Es habitual su construcción con taludes cuya pendiente se encuentra en el rango 1 :1.5 a 1 :2, siendo menos frecuentes Ia construcción con taludes más tendidos, y raramente se supera el talud 1 :3.
Una parte esencial de Ia composición estructural de los diques en talud es Ia denominada manto principal, que es Ia que debe resistir las acciones del mar. Se construye con elementos naturales (escolleras) o artificiales de hormigón en masa, por ejemplo, cubos o paralelepípedos, que presentan elevadas cualidades de robustez, con un buen comportamiento mecánico frente a las fuerzas externas y frente a las tensiones internas creadas por los mismos, y de estabilidad hidráulica, gracias a Ia facultad de los elementos para, por una parte, anclarse sobre las superficies subyacentes a las obras a proteger y, por otra, para engancharse entre sí, constituyendo una estructura de protección que deja espacios vacíos suficientes para absorber, disipándola,
Ia energía hidráulica a Ia que está sometida Ia obra. Es de práctica habitual construir el manto principal con dos o tres capas de elementos o piezas. Para algunas piezas patentadas recientemente, se propone Ia construcción del manto principal con "algo más de una capa". La experiencia española con elementos de piedra natural o artificial (cubos o paralelepípedos) es construir el manto principal con dos capas. Los mantos interiores se construyen con esquema de dos capas, con dimensiones individuales de sus elementos suficientes para satisfacer el criterio de filtro entre mantos. Este esquema se mantiene hasta alcanzar el núcleo, que se construye con "todo uno de cantera".
No obstante, cuando Ia acción del mar, principalmente del oleaje, supera un cierto umbral energético, los elementos del manto principal comienzan a cabecear en su posición, a golpear elementos adyacentes, o son extraídos y desplazados de su posición original, provocando cambios sustanciales en el talud del dique, y el deterioro, desgaste e incluso rotura de los elementos. Además, en piezas esbeltas conocidas actualmente, por ejemplo tetrápodos, acrópodos, dolos, etc., Ia trabazón entre los elementos puede provocar tracciones y fallo del material, haciendo que el dique sea o bien demasiado impermeable y de fallo dúctil o explosivo, con piezas conocidas del tipo acrópodo, o bien demasiado permeable, con Io que el bloque respira y se produce Ia rotura de estas piezas conocidas, del tipo dolos, core-lock, etc.
La extracción o rotura de piezas del manto se extiende por el talud alrededor del nivel medio, modificando sustancialmente el talud original y hacia su interior, hasta que los elementos del manto secundario quedan expuestos a Ia acción directa del oleaje. Se dice entonces que el fallo ha alcanzado el nivel de destrucción, según las teorías conocidas de Iribarren, R. 1965, y de Losada, M. A. 1990, acerca del comportamiento y cálculo de un dique en talud. El problema que presentan las estructuras conocidas por Ia técnica anterior es Ia dificultad de acotar su comportamiento y de evaluar adecuadamente su respuesta estructural frente a Ia acción del oleaje. Por diversas causas, entre ellas el incorrecto escalado del flujo en eí interior del dique, este problema no se puede solventar mediante Ia experimentación en canal de oleaje. En consecuencia, los proyectos de obras ubicadas en el mismo emplazamiento proponen diques en talud con dimensiones de sus elementos diferentes, que conllevan distintos costes de construcción y muy diferentes costes de mantenimiento y reconstrucción de dichas estructuras. Además, estos últimos, son de difícil predicción debido a Ia heterogeneidad de su respuesta estructural.
La presente invención viene a resolver estos problemas, desarrollando una estructura del manto principal de un dique en talud para obras marítimas y portuarias, y de protección de las riberas litoral, fluvial, de embalses y otros cuerpos de agua, con una geometría de máxima estabilidad para cada tipo de unidad estructural que componga el manto anterior y oleaje de diseño, y con unos costes de construcción inalterables y sin costes de mantenimiento ni de reconstrucción, tal y como se describirá más adelante.
SUMARIO DE LA INVENCIÓN
La presente invención propone un diseño del manto principal de un dique rompeolas en talud, constituido por elementos estructurales, ya sean naturales o artificiales, de tal forma que el diseño de Ia geometría del manto principal proporcione !a máxima estabilidad a Ia parte estructural del dique, al tiempo que minimice los costes de construcción, mantenimiento y reparación del mismo. La presente invención realiza el diseño de Ia estructura del manto principal de un dique rompeolas en talud en función de tres tipos fundamentales de parámetros:
1 . los parámetros que definen Ia obra o estructura del propio dique rompeolas en talud; 2. los parámetros que definen el medio en el que va a estar dispuesto el dique rompeolas en talud; y 3. los parámetros que definen las características del oleaje al que va a estar sometido el dique rompeolas en talud. A continuación, Ia invención determina, con base en los parámetros de Ia obra, del medio y del oleaje, frente a qué solicitación se avería una estructura de dique rompeolas en talud tal, cuantificando, de esta forma, Ia estabilidad total del dique, que es Ia que dará el diseño de los componentes estructurales - A -
del manto principal del mismo, al tiempo que se realiza Ia optimización económica de Ia obra. Otras características y ventajas de Ia presente invención se desprenderán de Ia descripción detallada que sigue, de una realización ilustrativa de su objeto, en relación con las figuras que se acompañan.
DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
La Figura 1 muestra esquemáticamente Ia sección tipo de un dique rompeolas convencional. La Figura 2 muestra los tres tramos de configuración del manto principal de un dique en talud rompeolas según Ia invención.
La Figura 3 muestra Ia variación de Ia geometría del perfil del manto principal de un dique en talud según Ia invención, en función de Ia altura de ola y de Ia profundidad a pie de dique. La Figura 4 muestra el desplazamiento horizontal máximo de Ia región central del manto principal de un dique en talud según ía invención, en función de Ia altura de ola y de Ia profundidad a pie de dique.
La Figura 5 muestra el desplazamiento horizontal máximo de Ia región inferior o de pie del talud del manto principal de un dique en talud según Ia invención, en función de Ia altura de ola y de Ia profundidad a pie de dique.
La Figura 6 muestra Ia desviación angular máxima de las regiones del manto principal de un dique en talud según Ia invención, en función de Ia altura de ola y de Ia profundidad a pie de dique.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
Según se muestra en !a Figura 1 , un dique en talud rompeolas convencional, con estructura estratificada en capas, que protege una zona portuaria o litoral 1 del oleaje de ía zona marítima o fluvial 2, está constituido por un componente estructural o manto principal 3, cuya misión es Ia de resistir
Ia acción del oleaje de Ia zona 2, formado por cantos 4, naturales o artificiales; por un núcleo central 5 que sirve de soporte a Ia estructura del dique, formado por cantos más pequeños (no mostrados) que ios cantos 4 que componen el manto principal 3; y por unos mantos secundarios 6, cuyo fin es dar apoyo al manto principal 3, aportando rozamiento al conjunto, al tiempo que sirven de transición entre los cantos 4 del manto principal 3 y el núcleo 5, de manera que se cumpla Ia condición de filtro entre capas adyacentes.
El diseño del manto principal 3 del dique rompeolas en talud según Ia presente invención se realiza en función de tres tipos fundamentales de parámetros: parámetros de Ia obra o estructura, parámetros del medio y parámetros del oleaje. Los parámetros que definen Ia obra o estructura del dique en talud son los siguientes:
- el tipo de elementos 4 del manto principal 3;
- Ia forma de colocación de los elementos 4 del manto principal 3;
- el ángulo α del talud con Ia horizontal; - el peso W de los cantos 4 del manto principal 3;
- el peso específico γr de los cantos 4 del manto principal 3;
- el espesor e del manto principal 3;
- Ia cota 7 de coronación del manto principal 3;
- Ia anchura 8 en coronación del manto principal 3; - el peso de los cantos de los mantos secundarios 6;
- intervalo granulométrico de los elementos secundarios 6;
- el espesor es de los mantos secundarios 6; y
- Ia porosidad e intervalo granulométrico de los elementos del núcleo 5. Las características de rugosidad y permeabilidad del manto principal 3 dependen del tipo de cantos 4 que forman el mismo, de Ia forma de colocarlos en talud, y de su tamaño.
Los parámetros que definen el medio en el que está dispuesto el dique en talud son los siguientes: - Ia profundidad h del agua en el pie del dique;
- el ángulo β que define Ia pendiente del fondo, normal a Ia alineación del dique; - el peso específico γw del agua;
- Ia viscosidad dinámica μ del agua; y
- Ia aceleración g de Ia gravedad.
Los parámetros que determinan las características del oleaje al que está sometido el dique en talud son los siguientes:
- altura y periodo H1 ,T del oleaje incidente;
- altura y periodo Hr , T del oleaje reflejado;
- ángulo de abordaje del oleaje incidente, θ¡ ;
- ángulo de salida del oleaje reflejado θr; - desfase ε entre los oleajes incidente y reflejado.
El cociente entre las alturas del oleaje reflejado e incidente es el coeficiente de reflexión. Éste y el desfase dependen de Ia tipología del dique en talud y son elementos relevantes del diseño.
A continuación, se resumen los criterios de proyecto de diques en talud con elementos naturales o artificiales, que se aplican en Ia actualidad: Geometría: pendiente constante
Criterio de daño: inicio de avería, sin movimientos significativos de piezas
Peso mantos secundarios: criterio de filtro geotécnico Tamaño núcleo: todo uno de cantera
Elemento artificial del manto principal: forma y material
Peso único del elemento artificial calculado: fórmula de estabilidad
Colocación de los elementos: aleatoria
Número de capas del manto principal: dos Algunos elementos con formas particulares, especialmente los acrópodos, core-lock, conocidos en Ia actualidad, llevan asociados un criterio de colocación y un número de capas del manto principal.
En países como Alaska y Groenlandia se construyen diques con manto principal de piedras naturales denominados diques berma. Los criterios anteriores se modifican proponiendo: talud variable, peso de los elementos del manto principal definido mediante curva granulométrica, y se permite un movimiento importante de las piezas a Io largo del perfil. Este tipo de diques sufren importantes degradaciones de las piezas naturales por Io que deben ser reparados frecuentemente.
Tradicionalmente en España se utilizan para el manto principal de un dique en talud piedra natural, cubos o paralelepípedos de hormigón en masa, aunque también es frecuente construir con otras formas de piezas, tetrápodos, dolos, acrópodos, etc. Las variables que influyen en Ia estabilidad de un dique en talud se resumen en Ia Tabla 1:
Figure imgf000009_0002
TABLA 1
Con estos criterios de proyecto y una vez determinado el oleaje de proyecto, definido por una altura y un periodo característicos, H¡, T, habitualmente se aplica una fórmula que proporciona el peso W de los elementos del manto principal y que tiene Ia siguiente estructura funcional de monomios adimensionales:
Figure imgf000009_0001
donde L es Ia longitud de onda (depende del periodo T y de Ia profundidad h a Ia que se construye el dique), R es el coeficiente de reflexión del dique (depende del talud, de las características de los mantos, y de Ia profundidad relativa y ángulo de incidencia del oleaje), ir es el denominado número de Iribarren y Ψ es Ia función de estabilidad.
Las condiciones de estabilidad crítica de un dique en talud se corresponden con olas que rompen en el rango voluta-colapso-oscilación representado por un intervalo de números de Iribarren de (2.3<lr<4) y un módulo del coeficiente de reflexión en el intervalo (0.25<R<0.60). Los valores de ia función de estabilidad se obtienen mediante ensayos a escala en un canal de oleaje.
Esta técnica de trabajo tiene dos inconvenientes importantes. Por un lado, los resultados experimentales presentan una notable dispersión, pudiendo obtenerse en dos ensayos del mismo dique y para las mismas características del oleaje incidente, valores del peso del elemento uno doble del otro. Por el otro, Ia representación incorrecta del comportamiento del dique frente al oleaje al escalar el ensayo con el número de Fraude, afectando principalmente a Ia permeabilidad de los diferentes mantos del dique, altera notablemente Ia partición de Ia energía del oleaje con respecto a Ia del prototipo. Los datos experimentales de muchos años de experimentación en todos los laboratorios del mundo muestran que dos experimentos iguales no proporcionan los mismos resultados experimentales. Es decir, el ensayo de estabilidad de un dique en talud no satisface uno de los requisitos esenciales para validar una técnica experimental: su reproducibilidad. En Ia actualidad, estas dificultades experimentales traen como resultado una gran variabilidad de las dimensiones de los diques en talud, principalmente del peso W de los elementos 4 de! manto principal 3, con notables repercusiones y variaciones en los costes de construcción, mantenimiento y Ia falta de previsión de los costes de reparación en Ia vida útil de Ia obra. La presente invención resuelve el problema de Ia variabilidad de las dimensiones de los diques en talud, por cuanto que define Ia geometría del perfil, el peso, y Ia forma de colocación de los elementos 4 del manto principal 3 y restantes mantos 6 que proporcionan Ia máxima estabilidad, de hecho, Ia estabilidad absoluta para las olas de diseño y todas las inferiores a ella, acotando el coste de construcción y no necesitando costes de mantenimiento ni de reparación. El concepto de estabilidad absoluta significa que ni las olas de diseño, ni ninguna otra inferior a ellas, pueden provocar variaciones significativas en el perfil de proyecto que afecten su comportamiento globaí, ni movimientos significativos de las piezas 4 del manto principal 3 que afecten a su estabilidad.
La invención realiza el diseño de Ia geometría del talud para diferentes tipos de elementos 4 del manto principal 3, define su sistema de colocación una vez seleccionados los parámetros de proyecto y elegido un peso W del elemento 4, de manera que el dique tenga Ia máxima estabilidad, al tiempo que se optimizan los costes de Ia obra, compuestos exclusivamente por los costes de construcción. El perfil geométrico de Ia invención está formado por tres regiones consecutivas que, desde el fondo del mar hasta Ia región emergida, según muestra Ia Figura 3, son: región inferior 10 o del pié de talud, entre los puntos A0 y A, región central 11 o disipadora, entre los puntos A y R, con G como punto central, y región superior 12 o de oscilación, comprendida entre R y R0. La región 10 del pié de talud sólo actúa como remate del perfil hasta alcanzar el fondo, tiene pendiente cercana al talud natural, aproximadamente 1 :1.3, de los elementos que Ia componen y en ella se refleja el oleaje incidente. En Ia región central 11 o disipadora se produce Ia rotura en voluta del oleaje incidente, debido a que su pendiente media es pequeña, aproximadamente 1 :5. Finalmente, Ia región superior 12 o de oscilación, sólo es alcanzada por las olas que han roto en Ia región central 11 y provocan un ascenso y descenso guiado del flujo de agua, merced a su talud inclinado cercano a Ia pendiente 1 :0.75. La intersección entre las tres regiones, 10, 11 y 12, puede ser en arista viva o mediante curva de ajuste, no siendo éste un aspecto relevante en el comportamiento del dique.
Según muestra Ia Figura 4, adoptado como plano de referencia un talud de pendiente constante, por ejemplo 1 :1.5 ó 1 :2, los desplazamientos máximos horizontales, Ad y Rh, respecto de h, profundidad del agua en el pie del dique, para mantener el perfil de equilibrio de las regiones horizontal 10 y central 11 , dependen linealmente de Ia altura H1 de ola de diseño, al igual que las desviaciones angulares máximas para el perfil de equilibrio, Δθ, que los planos de ¡as diferentes regiones forman con el plano horizontal, como se desprende de las Figuras 5, 6 y 7. El talud de referencia no es relevante en el resultado final, puesto que el perfil geométrico de máxima estabilidad no depende de las condiciones iniciales, tal y como se ha comprobado experimentalmente según Ia invención. Adimensionalizando con Ia altura de ola H¡ las magnitudes que definen Ia geometría del perfil, todos los perfiles de máxima estabilidad obtenidos para alturas de ola H¡ crecientes son geométricamente similares, es decir, tienen similitud o semejanza geométrica.
Este perfil es el que, de forma natural adopta un dique de elementos 4 todos iguales cuando es sometido a Ia acción del oleaje de diseño. Es Ia respuesta que el medio natural proporciona cuando se Ie deja actuar libremente, sin constricciones, funcionando como un sistema auto-organizado. En consecuencia, repetido dos veces el mismo ensayo se obtiene exactamente el mismo perfil geométrico en ambos, sin desviaciones. Seleccionado el oleaje de diseño y elegido un tipo de elemento 4 y su peso W, su perfil de similitud geométrica, no depende de Ia condición inicial y sólo depende de Ia altura de ola H1.
Los elementos 4 del manto principal 3 se deben colocar formando una malla con dos líneas principales, cuyos ángulos a y b son aproximadamente de 35° y de 55° al inicio de Ia región disipadora 11 y que van girando hasta alcanzar Ia región de oscilación 12 con líneas principales con ángulos a y b aproximadamente de 55° y 35°, preferiblemente, cuyo valor depende del tipo de pieza 4 que forma el manto principal 3. En el caso de elementos 4 no paralelepipédicos, los ángulos a y b se definen en función de su dimensión principal, que es Ia mayor de entre los tres ejes del elipsoide que, imaginariamente, envuelve dicho elemento 4. Cuando las piezas 4 sean cubos o paralelepípedos es suficiente colocar dos elementos 4 por alineación. Cuando las piezas 4 sean escollera, se recomienda colocar tres piezas 4 por alineación, excepto cuando se pueda tallar Ia piedra y darle forma cúbica.
El manto secundario 6 por debajo del principal 3, debe cumplir tres funciones, dos conocidas por Ia técnica anterior y una tercera específica de Ia invención. Las dos primeras son filtro geotécnico y superficie de fricción del
5 manto principal 3. Por tanto, el tamaño de las piezas 4 se determina de acuerdo con los estándares al uso de Ia ingeniería marítima. La tercera función es proporcionar una superficie de apoyo adecuada para que las piezas 4 del manto principal 3 se puedan colocar con las alineaciones indicadas, a y b. Ésta se especifica simplemente por "vaciado" del manto principal 3 para cada tipo de iθ elemento 4. Los siguientes mantos 6 y núcleo 5 cumplen solamente función de soporte de los mantos secundario 6 y principal 3, satisfaciendo Ia condición de filtro, colocando preferiblemente según Ia invención un geotextil. Pueden ser de cualquier tipo de material y tamaño que satisfaga las condiciones de durabilidad, incluso excedente de voladura de cantera y otros materiaies de
15 construcción.
Las características y procesos hidrodinámicos principales de Ia invención son los siguientes:
Partición de Ia energía: el perfil geométrico de máxima estabilidad optimiza el reparto de Ia energía incidente, maximizando Ia energía disipada
20 por rotura en voluta, minimizando los flujos de energía reflejada y transmitida a través del dique. Además, Ia partición de energía se produce escalonadamente a Io largo del perfil del manto principa! 3: Ia reflexión en Ia región 10 del pié del talud; Ia disipación en Ia región central 11. El "armado" del perfil 3 del dique mediante Ia colocación de los elementos 4 tal y como se propone en Ia 25 invención, minimiza el flujo de energía transmitida por el perfil 3, a través del dique, hacia el interior del área protegida 1.
Armado del manto. El perfil auto-organizado de Ia invención presenta una estructura en malla, orientando las piezas 4 en planos que garantizan Ia máxima resistencia a Ia extracción. Este armado de Ia sección 3 se produce en
30 los dos sentidos, hacia tierra y hacia el mar, tal y como se aprecia en Ia Figura
3. Este sistema de colocación produce una imbricación de las piezas 4 del manto principal 3, presentando superficies con una inclinación a y b que se opone a las velocidades máximas del flujo, ascendente y descendente. Tal y como se ha dicho anteriormente, este armado ayuda a minimizar ¡a agitación a sotomar del dique.
El control del rebosamiento. La región superior o de oscilación controla el flujo de ascenso y descenso de Ia ola una vez que ha roto, y minimiza el rebosamiento por Ia coronación del dique al canalizar el flujo por un talud más rígido que el tradicional y friccionar Ia lámina de agua tanto en ascenso como en descenso y obligar en el descenso, prácticamente libre, a cambiar Ia dirección del flujo al alcanzar Ia segunda región 11 , perdiendo velocidad por el cambio del talud y encontrarse con el flujo contrario debido a Ia siguiente ola rota.
En resumen, Ia presente invención desarrolla una tipología de dique en talud para obras marítimas, fluviales, lacustres y en embalses, con un perfil geométrico de tres regiones, 10, 11 y 12, que Ie proporciona Ia máxima estabilidad, de manera que, determinado el oleaje de diseño, se construye el manto principal 3 del dique con un tipo de elementos 4, colocados con los óptimos ángulos, a y b, de las líneas principales para obtener el armado del talud e imbricación entre elementos 4 de manera que resulte absolutamente estable para todas las olas de altura H¡ igual o inferior a Ia de cálculo, caracterizándose este dique porque el coste de construcción es fijo, no admite cambios constructivos ni modificaciones del diseño, no tiene costes de mantenimiento ni costes de reparación o reconstrucción. La sección tipo del manto principal 3 puede construirse preferiblemente con dos o más capas, completándose con un manto secundario 6, que proporciona al manto principal 3 rugosidad al deslizamiento, continuándose este manto secundario 6 por debajo preferiblemente con un material de cimentación preferiblemente protegido por un geotextil que cumpla Ia condición de filtro.
En Ia realización preferente que acabamos de describir pueden introducirse aquellas modificaciones comprendidas dentro del alcance definido por las siguientes reivindicaciones.

Claims

REIVINDICACIONES
1. Dique rompeolas en taiud con un ángulo de talud (α) y un ángulo del terreno (β), colocado en un medio con peso específico γw, con altura de oleaje incidente (H,), formado por un manto principal (3) compuesto de elementos (4), unos mantos secundarios (6) y un núcleo (5), para protección de obras marítimas y fluviales, lacustres y en embalses, caracterizado porque el citado manto principal (3) está constituido por tres regiones (10, 11 y 12), sensiblemente planas y consecutivas, con intersección en arista viva o redondeada, definidas cada una de ellas por su desplazamiento horizontal máximo con respecto al plano dei talud inclinado de ángulo (α) o talud de referencia y por el ángulo que forman con el plano del nivel medio de las aguas, siendo estas regiones:
- una primera región inferior o de pié del talud (10), de pendiente preferiblemente 1 :1.5, en Ia que el oleaje se peralta y refleja;
- una segunda región central o disipadora (11 ), de pendiente preferiblemente 1 :5,3, en Ia que el oleaje rompe y se produce Ia disipación de Ia energía por rotura, principalmente en voluta; y
- una tercera región superior o de oscilación (12), de pendiente preferiblemente 1 :0,75, en Ia que se produce Ia oscilación libre del flujo debido a Ia ola rota.
2. Dique rompeolas en talud según Ia reivindicación 1 , caracterizado porque el citado manto principal (3) tiene más de una capa de elementos (4) naturales o artificiales, estando dichos elementos (4) colocados en estas capas según dos líneas principales de ángulos (a, b) que varían con el plano de agua a Io largo del perfil del manto principal (3), siendo el ángulo a preferiblemente de 35°, y b preferiblemente de 55°, garantizándose así Ia máxima resistencia a Ia extracción de estos elementos (4) ante Ia acción del oleaje de diseño (Hi), y estando dichos elementos (4) caracterizados según el oleaje de diseño (Hi), por un peso aproximadamente constante para todos ellos, y por formas diversas.
3. Dique rompeolas en talud según las reivindicaciones 1 y 2, caracterizado porque su constitución proporciona al conjunto del dique en talud Ia máxima estabilidad posible en las obras marítimas, fluviales, en lagos y embalses de protección, frente a Ia acción del oleaje (H¡), minimizando los costes de construcción, a Ia vez que se eliminan por completo los costes de mantenimiento, reconstrucción y reparación.
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