Desbordamiento de ola

Transmisión de ondas de agua sobre una estructura costera

Ola sobrevolando Vlissingen durante una tormenta, 1953 o 1954

Desbordamiento de la ladera interior de un dique en el norte de Alemania durante una tormenta, 1954

Desbordamiento y arribo de olas en una estructura costera ^[1]

El desbordamiento de las olas es la cantidad de agua promediada en el tiempo que se descarga (en litros por segundo) por longitud de estructura (en metros) por las olas sobre una estructura como un rompeolas , un revestimiento o un dique que tiene una altura de cresta por encima del nivel del agua en calma.

Cuando las olas rompen sobre un dique, el agua se escurre hacia el terreno que se encuentra detrás de él. Un desbordamiento excesivo es indeseable porque puede comprometer la integridad de la estructura o resultar en un riesgo de seguridad, en particular cuando la estructura se encuentra en una zona donde hay personas, infraestructura o vehículos, como en el caso de un dique frente a una explanada o una zona densamente poblada.

El desbordamiento de las olas suele producirse durante fenómenos meteorológicos extremos, como tormentas intensas, que suelen elevar los niveles de agua por encima del promedio debido a la formación de viento . Estos efectos pueden intensificarse aún más cuando la tormenta coincide con una marea viva alta .

Un desbordamiento excesivo puede causar daños en la pendiente interior del dique, lo que puede provocar una falla e inundación del terreno detrás del dique, o crear problemas relacionados con el agua en el interior del dique debido al exceso de presión del agua y un drenaje inadecuado . El proceso es altamente aleatorio y la cantidad de desbordamiento depende de factores como el francobordo, la altura de las olas , el período de las olas , la geometría de la estructura y la pendiente del dique. ^[1]

Factores de sobrecarga e influencias

El desbordamiento puede producirse mediante diversas combinaciones de niveles de agua y alturas de olas, en las que un nivel de agua bajo acompañado de olas altas puede producir un desbordamiento equivalente al de un nivel de agua más alto con olas más bajas. Este fenómeno es intrascendente cuando los niveles de agua y las alturas de las olas muestran correlación; sin embargo, plantea dificultades en los sistemas fluviales donde estos factores no están correlacionados. En tales casos, es necesario un cálculo probabilístico .

El francobordo es la altura de la cresta del dique por encima del nivel de agua en calma, que generalmente corresponde al nivel determinante de la marea de tempestad o al nivel del agua del río. El desbordamiento se expresa normalmente en litros por segundo por metro de longitud del dique (L/s/m), como valor medio. El desbordamiento sigue la naturaleza cíclica de las olas, lo que da lugar a una gran cantidad de agua que fluye sobre una estructura, seguida de un período sin agua. El sitio web oficial del Manual EurOtop , que se utiliza ampliamente en el diseño de estructuras de ingeniería costera, presenta una serie de visualizaciones del desbordamiento por olas. ^{[2] [3] [4] [5]}

En el caso de desbordamiento de rompeolas con montículos de escombros , investigaciones recientes que utilizan modelos numéricos indican que el desbordamiento depende en gran medida del ángulo de la pendiente. ^{[6] Dado que} las directrices de diseño actuales para olas que no rompen no incluyen el efecto del ángulo de la pendiente, también se han propuesto directrices modificadas. Si bien estos efectos de pendiente observados son demasiado grandes para ignorarlos, aún necesitan ser verificados mediante pruebas que utilicen modelos físicos . ^{[6] [7]}

El comportamiento de los desbordamientos también se ve influido por la geometría y la disposición de las diferentes estructuras costeras. Por ejemplo, los diques (que suelen ser verticales o casi verticales, a diferencia de los rompeolas o revestimientos en pendiente) suelen estar situados detrás de playas naturales . La erosión en la base de estas estructuras durante las tormentas puede tener un impacto directo en la disipación de la energía de las olas a lo largo de su frente, influyendo así en el desbordamiento de las olas. Este fenómeno adquiere una importancia crítica cuando las tormentas se producen en una sucesión tan rápida que la playa no tiene tiempo suficiente para que se restablezcan los sedimentos eliminados por la tormenta. Los resultados experimentales muestran que, en el caso de las estructuras casi verticales en la parte posterior de una playa, hay un aumento en el volumen de desbordamiento de las olas para una tormenta que comienza a partir de una configuración de playa erosionada, en lugar de una simple pendiente. ^[8]

Cálculo del desbordamiento

Este gráfico muestra algunos de los resultados de los experimentos de laboratorio de Goda , Kishira y Kamiyama en 1975, en los que se sometieron a desbordamientos los diques de contención de modelos a escala (verticales) ^[8] . El gráfico muestra el volumen de desbordamiento en el eje y, la altura de la cresta de la estructura experimental en el eje x y las diferentes profundidades de agua experimentales están codificadas por colores. Una mayor profundidad de agua frente a la estructura da como resultado un mayor volumen de desbordamiento, mientras que un aumento de la altura de la cresta lo reduce. En estos gráficos, el desbordamiento es una función de la profundidad del agua y del período de las olas , sin embargo, la práctica actual en el Manual EurOtop es utilizar la altura de las olas. ^[9] Sin embargo, los hallazgos de Goda son igualmente válidos, y Hendrik Lorentz encontró resultados similares durante las mediciones de las Obras Zuiderzee en la década de 1920. ^[10]

El rebase por ola depende principalmente de la altura de cada ola en comparación con el nivel de cresta de la estructura costera en cuestión. Este rebase no se produce de forma continua, sino que es un fenómeno esporádico que se produce cuando olas especialmente altas de una tormenta impactan contra la estructura. ^{[3] [11]}

La magnitud del desbordamiento de las olas se cuantifica por el volumen de agua que se desborda sobre la tierra adyacente. Esto se puede medir como el volumen de agua por ola por cada unidad de longitud del malecón o como la tasa promedio de volumen de agua desbordada por unidad de longitud durante el período de la ola de tormenta. ^[11]

Se han llevado a cabo muchas investigaciones sobre el desbordamiento, que abarcan desde experimentos de laboratorio hasta pruebas a escala real y el uso de simuladores. ^{[12] [13] [14] [15] [16] [17] [18]} En 1971, Jurjen Battjes desarrolló una ecuación teóricamente precisa para determinar el desbordamiento promedio. ^{[19] [20]} Sin embargo, la complejidad de la fórmula, que involucra funciones de error , ha limitado su adopción generalizada en aplicaciones prácticas. En consecuencia, se ha establecido una relación empírica alternativa:

${\displaystyle Q=a\cdot \exp \left(-b{\frac {R}{\gamma }}\right)}$

en el que es el desbordamiento adimensional, y es el francobordo adimensional: ${\displaystyle Q}$ ${\displaystyle R}$

${\displaystyle Q={\frac {q}{\sqrt {gH_{s}^{2}}}}{\sqrt {\frac {h/L_{0}}{\tan \alpha }}}}$

${\displaystyle R={\frac {h_{c}}{H_{s}}}{\frac {1}{\xi }}}$

En el cual:

${\displaystyle h}$¿Cuál es la profundidad del agua?

${\displaystyle h_{c}}$¿es el francobordo?

${\displaystyle q}$es el caudal de rebose (en m³/s)

${\displaystyle H_{s}}$es la altura significativa de ola en la punta de la estructura

${\displaystyle L_{0}}$¿Es la longitud de onda de aguas profundas?

${\displaystyle \alpha }$es la inclinación de la pendiente (por ejemplo, del rompeolas o del revestimiento)

${\displaystyle \xi }$es el numero de iribarren

${\displaystyle \gamma }$Es un término de resistencia.

Los valores de y dependen del tipo de ola rompiente , como se muestra en la siguiente tabla: ${\displaystyle a}$ ${\displaystyle b}$

Tipos de olas rompientes

El término de resistencia tiene un valor entre aproximadamente 0,5 (para dos capas de piedra de protección suelta ) y 1,0 (para una pendiente suave). El efecto de una berma y las olas que inciden oblicuamente también se tienen en cuenta a través del término de resistencia. Esto se determina de la misma manera que cuando se calcula el avance de las olas. Los bloques de revestimiento especiales que reducen el avance de las olas (por ejemplo, Hillblock, Quattroblock) también reducen el desbordamiento de las olas. ^{[21] [22]} Dado que el desbordamiento que gobierna es la condición límite, esto significa que el uso de dichos elementos permite una barrera contra inundaciones ligeramente inferior. ^[23] ${\displaystyle \gamma }$

La investigación para el manual de EurOtop ha proporcionado muchos datos adicionales y, en base a esto, la fórmula se ha modificado ligeramente a:

${\displaystyle {\frac {q}{\sqrt {gH_{m0}^{3}}}}={\frac {0{.}026}{\sqrt {\tan \alpha }}}\gamma _{b}\xi _{m-1.0}\cdot \exp \left[-\left(2{.}5{\frac {R_{c}}{\xi _{m-1.0}H_{m0}\gamma }}\right)^{1{.}3}\right]}$

con un máximo de:

${\displaystyle {\frac {q}{\sqrt {gH_{m0}^{3}}}}=0{.}1\,\exp \left[-\left(1{.}35{\frac {R_{c}}{H_{m0}\gamma }}\right)^{1{.}3}\right]}$

Resulta que esta fórmula también es una aproximación racional perfecta de la fórmula original de Battjes.

En ciertas aplicaciones, también puede ser necesario calcular cantidades de rebasamiento individuales, es decir, el rebasamiento por ola. Los volúmenes de las olas de rebasamiento individuales se distribuyen según Weibull . El volumen de rebasamiento por ola para una probabilidad de excedencia dada se da por:

${\displaystyle V=a[-\ln(P_{v})]^{4/3}}$

${\displaystyle a=0.84T_{m}q/P_{ov}}$

${\displaystyle P_{ov}=\exp {\Bigl [}-{\Bigl (}\surd -\ln 0.02*(h_{c}/R_{u2\%}){\Bigr )}^{2}{\Bigr ]}}$

donde es la probabilidad de exceder el volumen calculado, es la probabilidad de sobrepasar las olas y es la altura de la cresta. ^{[24] [25]} ${\displaystyle P_{v}}$ ${\displaystyle P_{ov}}$ ${\displaystyle h_{c}}$

Cálculo y medición de rebases en crestas de revestimientos rocosos

En términos de revestimientos, el rebose que se analiza en el manual de EurOtop se refiere al rebose medido en el borde de la cresta del revestimiento que da al mar. ^[4] Las fórmulas anteriores describen el rebose de las olas que se produce en el borde de la cresta que da al mar. En escenarios en los que la cresta es impermeable (por ejemplo, una superficie de carretera o una capa de arcilla), el volumen de agua que rebosa el lado interior de la cresta sería aproximadamente igual al del lado del mar. Sin embargo, en el caso de un rompeolas con armadura de roca con una cresta más permeable, una gran parte del agua que rebosa se filtrará en la cresta, lo que proporcionará menos rebose en el interior de la misma. Para analizar este efecto, se puede utilizar el coeficiente de reducción. Este factor se puede multiplicar por 0,5 para una cresta estándar, con un ancho de aproximadamente tres rocas. Esto puede dar como resultado una reducción significativa del rebose y, por lo tanto, de la altura de cresta requerida. Si, detrás de la cresta, a un nivel inferior, se instala una capa de armadura de roca permeable con un ancho de , la cantidad de rebosamiento en el lado terrestre de esta capa disminuye aún más. En ese caso, el término de reducción (que no debe confundirse con el coeficiente de reducción ) se puede multiplicar por , donde es el ancho de la cresta. ^{[26] [27] [28]} ${\displaystyle \gamma }$ ${\displaystyle x}$ ${\displaystyle \gamma }$ ${\displaystyle \gamma _{b}}$ ${\displaystyle -0.142{\frac {x}{B}}+0.577}$ ${\displaystyle B}$

Rompeolas de berma

Las circunstancias que rodean el desbordamiento en los rompeolas de tipo berma difieren ligeramente de las de los diques. Un desbordamiento menor de las olas puede ocurrir como salpicaduras de las olas que golpean rocas individuales. Sin embargo, un desbordamiento significativo generalmente resulta en un flujo horizontal a través de la cresta, similar a lo que sucede con los diques. La principal distinción radica en las alturas de ola utilizadas para diseñar estas estructuras. Los diques rara vez enfrentan alturas de ola que excedan los 3 metros, mientras que los rompeolas de tipo berma a menudo están diseñados para soportar alturas de ola de alrededor de 5 metros. Esta diferencia afecta el comportamiento del desbordamiento cuando se trata de descargas de desbordamiento más pequeñas. ^[29]

Desbordamiento tolerable

Para comprender el fenómeno de desbordamiento por olas es necesario combinar datos empíricos , modelos físicos y simulaciones numéricas para predecir y mitigar sus impactos en las estructuras costeras y la seguridad. ^[3] Tradicionalmente, el caudal de desbordamiento medio permisible se ha utilizado como estándar para diseñar estructuras costeras. Es necesario restringir el caudal de desbordamiento medio para garantizar tanto la integridad estructural de la estructura como la protección de las personas, los vehículos y las propiedades situadas detrás de ella. Los manuales de diseño suelen estipular los umbrales para los volúmenes máximos de desbordamiento individuales, lo que hace necesario examinar el desbordamiento por olas ola por ola. A menudo, para garantizar un nivel de seguridad más fiable para los peatones y los vehículos, o para evaluar la estabilidad de la pendiente interior de un revestimiento, es necesario considerar la velocidad máxima y el espesor del flujo de desbordamiento. ^[30]

El desbordamiento tolerable es el desbordamiento que el diseño acepta que puede ocurrir durante una condición de tormenta de diseño. Depende de una serie de factores, incluido el uso previsto del dique o la estructura costera y la calidad del revestimiento. Los volúmenes de desbordamiento tolerables son específicos del sitio y dependen de varios factores, incluido el tamaño y el uso del área receptora, las dimensiones y la capacidad de las zanjas de drenaje, las curvas de daños frente a inundaciones y el período de retorno. Para las defensas costeras que salvaguardan las vidas y el bienestar de los residentes, los trabajadores y los usuarios recreativos, los diseñadores y las autoridades supervisoras también deben abordar los peligros directos que plantea el desbordamiento. Esto requiere evaluar el nivel de peligro y su probabilidad de ocurrencia, lo que permite el desarrollo de planes de acción adecuados para mitigar los riesgos asociados con los eventos de desbordamiento. ^[4]

En el caso de diques con montículos de escombros (por ejemplo, en diques de puerto) y con una altura de ola significativa superior a 5 m en el exterior, se requiere un revestimiento de montículo de escombros pesado en el interior para un rebase de 10 a 30 l/s por metro. Para un rebase de 5 a 20 l/s por metro, existe un alto riesgo de daño en la cresta. ${\displaystyle H_{m0}}$

En el caso de una cubierta de hierba normal, se considera admisible un caudal medio de 5 l/s por metro de dique. En el caso de una cubierta de hierba muy buena, sin elementos especiales ni mobiliario urbano como escaleras, postes de señalización o vallas, se permiten 10 l/s por metro. Los ensayos de rebose con un simulador de rebose de olas han demostrado que, en el caso de una cubierta de hierba intacta, sin elementos especiales, 50 l/s por metro no suelen causar daños. El problema no es tanto la resistencia de la cubierta de hierba, sino la presencia de otros elementos como puertas, escaleras y vallas. Hay que tener en cuenta que, por ejemplo, pueden producirse 5 l/s por metro debido a olas altas y un francobordo alto, o a olas bajas con un francobordo bajo. En el primer caso, no hay muchas olas de rebose, pero cuando una de ellas rebosa, crea una alta velocidad de flujo en el talud interior. En el segundo caso, hay muchas olas de rebose, pero crean velocidades de flujo relativamente bajas. Como resultado, los requisitos para rebasar diques fluviales son diferentes a los de los diques marinos. ^[26]

Un buen dique marino con una cubierta vegetal continua puede manejar fácilmente 10 L/s por metro sin problemas, suponiendo que se proporcione un buen drenaje al pie de la pendiente interior. Sin un drenaje adecuado, la cantidad de agua que podría ingresar potencialmente a las propiedades al pie de la pendiente interior sería inaceptable, por lo que dichos diques están diseñados para una cantidad de desbordamiento menor. Dado que se ha descubierto que una cubierta vegetal no falla debido al desbordamiento promedio, sino debido a la aparición frecuente de altas velocidades de flujo, las autoridades costeras como Rijkswaterstaat en los Países Bajos han decidido (desde 2015) ya no probar las pendientes de césped en el lado interior del dique para el caudal de desbordamiento promedio, sino para la frecuencia de altas velocidades de flujo durante el desbordamiento. ^{[31] [32]}

Las investigaciones han demostrado que las raíces de las plantas pueden contribuir a mejorar la resistencia al corte del suelo utilizado en la construcción de diques, siempre que se mantenga adecuadamente la hierba. ^[33] El desarrollo de una cubierta de hierba lleva tiempo y requiere un sustrato adecuado, como arcilla pobre y razonablemente compactada . El suelo arcilloso firmemente compactado inicialmente no es adecuado para la colonización por plantas herbáceas. Sin embargo, después de una helada o un período invernal, la capa superior de dicha capa de arcilla compactada está lo suficientemente abierta para el establecimiento de la hierba. Para funcionar correctamente, la formación de la cubierta de hierba debe comenzar mucho antes del invierno. ^[34]

Una investigación realizada en los Países Bajos ha demostrado que los diques con un revestimiento de arcilla bien compactado y plano pueden soportar una altura de ola limitada o un desbordamiento limitado, como en la mayoría de las zonas fluviales, durante el primer invierno después de la construcción, incluso sin una cubierta de hierba, durante muchos días sin sufrir daños importantes. Si la carga de las olas en la zona del río es mayor, no se producirán daños que amenacen la seguridad si el revestimiento de arcilla es lo suficientemente grueso (0,8 metros o más) y está adecuadamente compactado en todo su espesor. Una cubierta de hierba inmadura se puede proteger temporalmente contra las cargas hidráulicas con esteras geotextiles grapadas . ^[35]

Para los daños a buques en puertos o marinas, se pueden utilizar las siguientes cifras:

Estos valores brindan una orientación sobre el impacto esperado de un desbordamiento en los buques en puertos deportivos o puertos deportivos, en los edificios cercanos y en otras infraestructuras, dependiendo de la altura significativa de las olas y la tasa de desbordamiento (en L/s por metro). Esta información ayuda a fundamentar el diseño adecuado, las medidas de protección requeridas y los planes de respuesta para diferentes escenarios. ^[24] ${\displaystyle H{m0}}$

Transmisión de ondas

Un dique en Den Helder

Simulación de desbordamiento en la ladera interior del IJsseldijk en Zwolle

Cuando hay agua en ambos lados de una barrera (como en el caso de una presa portuaria, un rompeolas o una presa de cierre), el desbordamiento de las olas sobre la presa también generará olas en el otro lado de la presa. Esto se denomina transmisión de olas. Para determinar la cantidad de transmisión de olas, no es necesario determinar la cantidad de desbordamiento. La transmisión depende únicamente de la altura de la ola en el lado exterior, el francobordo y la rugosidad de la pendiente. Para una pendiente suave, el coeficiente de transmisión (la relación entre la ola en el interior de la presa y la ola entrante) es:

${\displaystyle K_{T}=\left[{-0.3{\frac {R_{c}}{H_{m0}}}+0.75\left({1-exp(-0.5\xi _{0p})}\right)}\right]\cdot ({cos\beta })^{3/2}}$

En donde ξ _0p es el número de Iribarren basado en el período pico de las olas, y β es el ángulo de incidencia de las olas. ^{[36] [24]}

Simulación de desbordamiento

Para evaluar la seguridad y la resiliencia de los diques, así como la robustez del revestimiento de césped en sus crestas y pendientes hacia tierra, se puede emplear un simulador de desbordamiento de olas. Las condiciones de olas más onerosas para las que se diseña un dique ocurren con relativa poca frecuencia, por lo que el uso de un simulador de desbordamiento de olas permite reproducir in situ las condiciones previstas en el propio dique. Esto permite a la organización responsable que supervisa la estructura evaluar su capacidad para soportar desbordamientos de olas previstos durante escenarios extremos específicos. ^[37]

Durante estas pruebas, el simulador de desbordamiento de olas se coloca en la cresta del dique y se llena continuamente con agua. El dispositivo cuenta con válvulas en su base que se pueden abrir para liberar volúmenes variables de agua, simulando así una amplia gama de eventos de desbordamiento de olas. Este enfoque ayuda a garantizar que la integridad del dique se evalúe de manera precisa y eficaz. ^[38]

En el caso de diques con pendientes cubiertas de césped, otro método de prueba consiste en utilizar un arrancador de césped para determinar la resistencia a la tracción del césped, que luego se puede traducir en resistencia bajo la carga causada por el desbordamiento de las olas. Además de simular el desbordamiento de las olas, es posible simular los impactos de las olas y su ascenso con un generador y simulador especialmente desarrollados. ^{[39] [40] [24]}

Ensayos de erosión en diques de pasto durante el desbordamiento, realizados por Rijkswaterstaat en 1992

Véase también

• Ingeniería costera

Referencias

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Enlaces externos

• Manual EurOtop sobre el rebase por olas de defensas marítimas y estructuras relacionadas Un manual sobre rebase basado en gran medida en investigaciones europeas, pero de aplicación mundial: segunda edición, 2018