Ola desbordada

Transmisión de ondas de agua sobre una estructura costera.

Ola desbordándose en 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 embestida de olas en una estructura costera ^[1]

El desbordamiento de las olas es la cantidad de agua promediada en el tiempo que las olasdescargan por metro linealsobre una estructura como unrompeolas,un revestimientooun diqueque tiene una altura de cresta sobre el nivel del agua tranquila.

Cuando las olas rompen sobre un dique, hacen que el agua fluya hacia la tierra detrás de él. El desbordamiento excesivo es indeseable porque puede comprometer la integridad de la estructura o resultar en un peligro para la seguridad, particularmente cuando la estructura está en un área donde hay personas, infraestructura o vehículos presentes, como en el caso de un dique frente a una explanada o densamente poblado. zona poblada.

El desbordamiento de las olas generalmente ocurre durante eventos climáticos extremos, como tormentas intensas, que a menudo elevan los niveles de agua más allá del promedio debido a la configuración del viento . Estos efectos pueden intensificarse aún más cuando la tormenta coincida con una marea alta de primavera .

El desbordamiento excesivo puede causar daños a la pendiente interior del dique, lo que podría provocar fallas e inundaciones 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 al drenaje inadecuado . La cantidad de desbordamiento depende de factores que incluyen el francobordo, la altura de las olas , el período de las olas y la pendiente del dique. ^[1]

Factores e influencias desbordantes

El desbordamiento puede ocurrir a través de varias combinaciones de niveles de agua y alturas de olas, donde un nivel de agua bajo acompañado de olas altas puede producir un resultado de desbordamiento equivalente al de un nivel de agua más alto con olas más bajas. Este fenómeno es intrascendente cuando los niveles del agua y la altura de las olas presentan 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 del agua tranquila, que normalmente corresponde al nivel determinante de la marejada ciclónica o del nivel del agua del río. El desbordamiento generalmente se expresa en litros por segundo por metro de longitud del dique (L/s/m), como valor promedio. El desbordamiento sigue la naturaleza cíclica de las olas, lo que resulta en 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 de las olas. ^{[2] [3] [4] [5]}

En el caso del desbordamiento en rompeolas de 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 pendiente, también se han propuesto directrices modificadas. Si bien estos efectos de pendiente observados son demasiado grandes para ignorarlos, aún deben verificarse mediante pruebas que utilicen modelos físicos . ^{[6] [7]}

El comportamiento de desbordamiento también está influenciado 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 inclinados) suelen estar situados detrás de playas naturales . La socavación 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 ocurren en una sucesión tan rápida que la playa no tiene tiempo suficiente para que los sedimentos removidos por la tormenta se restablezcan. Los resultados experimentales muestran que, para estructuras casi verticales en la parte posterior de una playa, hay un aumento en el volumen de superación de las olas para una tormenta que comienza desde una configuración de playa erosionada, en lugar de una simple pendiente. ^[8]

Cálculo de rebasamiento

Este gráfico muestra algunos de los resultados de los experimentos de laboratorio realizados por Goda , Kishira y Kamiyama en 1975, en los que modelos a escala (verticales) ^[8] de diques estaban sujetos a desbordes. 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 del agua delante de la estructura da como resultado un mayor volumen de desbordamiento, mientras que el aumento de la altura de la cresta lo reduce. En estos gráficos, el desbordamiento es función de la profundidad del agua y el período de la ola , sin embargo, la práctica actual en el Manual EurOtop es utilizar la altura de la ola. ^[9] Sin embargo, los hallazgos de Goda son igualmente válidos, y Hendrik Lorentz encontró resultados similares durante las mediciones de Zuiderzee Works en la década de 1920. ^[10]

El desbordamiento de las olas depende principalmente de la altura respectiva de las olas individuales en comparación con el nivel de la cresta de la estructura costera involucrada. Este desbordamiento no ocurre continuamente; más bien, es un evento esporádico que ocurre cuando olas particularmente altas dentro de una tormenta impactan la estructura. ^{[3] [11]}

El alcance del desbordamiento de las olas se cuantifica por el volumen de agua que se desborda sobre el terreno adyacente. Esto se puede medir como el volumen de agua por ola para cada unidad de longitud del malecón, o como la tasa promedio de volumen de agua rebasado por unidad de longitud durante el período de la ola de tormenta. ^[11]

Se han llevado a cabo muchas investigaciones sobre el rebase, desde experimentos de laboratorio hasta pruebas a gran escala 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 cual está el rebasamiento 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:

${\displaystyle h}$es la profundidad del agua

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

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

${\displaystyle H_{s}}$es la altura significativa de la ola en la base 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 número 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 armadura arrojadas sin apretar ) y 1,0 (para una pendiente suave). El efecto de una berma y de las olas que inciden oblicuamente también se tiene en cuenta mediante el 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 gobernante es la condición de límite, esto significa que el uso de tales elementos permite una barrera contra inundaciones ligeramente más baja. ^[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 para:

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

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

En determinadas aplicaciones, también puede ser necesario calcular cantidades de rebasamiento individuales, es decir, el rebase por ola. Los volúmenes de las olas desbordantes individuales están distribuidos en Weibull . El volumen de rebasamiento por ola para una determinada probabilidad de superación viene dado 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 rebasar las olas y es la altura de la cresta. ^{[24] [25]} ${\displaystyle P_{v}}$ ${\displaystyle P_{ov}}$ ${\displaystyle h_{c}}$

Cálculo y medición del desbordamiento en crestas de revestimiento de roca.

En términos de revestimientos, el desbordamiento analizado en el manual de EurOtop se refiere al desbordamiento medido en el borde hacia el mar de la cresta del revestimiento. ^[4] Las fórmulas anteriores describen el desbordamiento de las olas que se produce en el borde de la cresta junto al mar. En escenarios donde la cresta es impermeable (por ejemplo, la superficie de una carretera o una capa de arcilla), el volumen de agua que sobrepasa el lado interior de la cresta sería aproximadamente igual al de la costa. Sin embargo, en el caso de un dique de armadura de roca con una cresta más permeable, gran parte del agua de rebase se filtrará hacia la cresta, proporcionando así menos rebases 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 desbordamiento y, por tanto, de la altura de cresta requerida. Si detrás de la cresta, en un nivel inferior, se instala una capa de armadura de roca permeable con un ancho de , la cantidad de desbordamiento 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 , en el que está 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 tipo berma difieren ligeramente de las de los diques. Puede ocurrir un desbordamiento de olas menores como salpicaduras de 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 la altura de las olas utilizadas para diseñar estas estructuras. Los diques rara vez enfrentan olas de más de 3 metros de altura, mientras que los rompeolas de berma suelen estar diseñados para soportar olas de alrededor de 5 metros de altura. Esta diferencia afecta el comportamiento de desbordamiento cuando se trata de descargas de desbordamiento más pequeñas. ^[29]

Desbordamiento tolerable

Tradicionalmente, la descarga promedio permitida se ha utilizado como estándar para diseñar estructuras costeras. Es necesario restringir el caudal medio de rebase para garantizar tanto la integridad estructural de la estructura, como la protección de las personas, vehículos y bienes situados detrás de ella. Los manuales de diseño a menudo estipulan los umbrales para los volúmenes máximos de desbordamiento individual, lo que requiere el examen del desbordamiento de ola ola por ola. A menudo, para garantizar un nivel de seguridad más confiable para peatones y vehículos, o para evaluar la estabilidad de la pendiente interior de un revestimiento, es necesario considerar la velocidad máxima y el espesor del flujo desbordante. ^[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 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 capacidad de las zanjas de drenaje, las curvas de daño versus inundación y el período de retorno. Para que las defensas costeras salvaguarden las vidas y el bienestar de los residentes, trabajadores y 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, permitiendo así el desarrollo de planes de acción adecuados para mitigar los riesgos asociados con eventos de desbordamiento. ^[4]

Para rompeolas en montículos de escombros (por ejemplo, en rompeolas de puertos) y una altura de ola significativa superior a 5 m en el exterior, se requiere un revestimiento de montículos de escombros pesado en el interior para un desbordamiento de 10 a 30 L/s por metro. Para rebasamientos de 5-20 L/s por metro, existe un alto riesgo de dañar la cresta. ${\displaystyle H_{m0}}$

Para césped regular, se considera permisible un rebalse promedio de 5 L/s por metro de dique. Para muy buena cobertura de césped, sin elementos especiales ni mobiliario urbano como escaleras, postes de señalización o vallas, se permiten 10 L/s por metro. Las pruebas de desbordamiento con un simulador de desbordamiento de olas han demostrado que para una cubierta de césped intacta, sin elementos especiales, 50 L/s por metro a menudo no causan daños. El problema no es tanto la resistencia de la cubierta vegetal, sino la presencia de otros elementos como portones, escaleras y vallas. Hay que tener en cuenta que, por ejemplo, se pueden producir 5 L/s por metro debido a olas altas y un francobordo alto, o olas bajas con un francobordo bajo. En el primer caso, no hay muchas olas que sobrepasan, pero cuando una sobrepasa, crea una alta velocidad de flujo en la pendiente interior. En el segundo caso, hay muchas ondas superpuestas, pero crean velocidades de flujo relativamente bajas. Como resultado, los requisitos para el rebasamiento de diques fluviales son diferentes a los de los diques marinos. ^[26]

Un buen dique marino con una cubierta continua de pasto 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 potencialmente podría ingresar a las propiedades al pie del talud interior sería inaceptable, razón por la cual dichos diques están diseñados para una cantidad de desbordamiento menor. Dado que se ha comprobado que una cubierta de césped no falla debido al desbordamiento promedio, sino más bien debido a la aparición frecuente de altas velocidades de flujo, las autoridades costeras como Rijkswaterstaat en los Países Bajos han decidido (desde 2015) no realizar más pruebas en las pendientes de césped. en el lado interior del dique para la descarga promedio de desbordamiento, sino más bien para la frecuencia de altas velocidades de flujo durante el desbordamiento. ^{[31] [32]}

Las investigaciones han demostrado que las raíces del pasto pueden contribuir a mejorar la resistencia al corte del suelo utilizado en la construcción de diques, siempre que el pasto se mantenga adecuadamente. ^[33] Desarrollar una cubierta de césped lleva tiempo y requiere un sustrato adecuado, como arcilla magra y razonablemente compactada . Los suelos arcillosos bien compactados inicialmente no son aptos para la colonización de plantas herbáceas. Sin embargo, después de una helada o un período invernal, la capa superior de dicha capa de arcilla compactada está suficientemente abierta para el establecimiento de la hierba. Para funcionar correctamente, la formación de la cubierta vegetal debe comenzar mucho antes del invierno. ^[34]

Una investigación realizada en los Países Bajos ha descubierto que los diques con un revestimiento de arcilla plano y bien compactado pueden soportar una altura de ola limitada o un desbordamiento limitado de las olas, como en la mayoría de las zonas fluviales, durante el primer invierno después de la construcción, incluso sin una cubierta de césped, por ejemplo. muchos días sin daños importantes. Si la carga de 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 césped inmaduro se puede proteger temporalmente contra cargas hidráulicas con esteras geotextiles grapadas. ^[35]

Para daños a buques en puertos o marinas se podrán utilizar las siguientes cifras:

Estos valores proporcionan orientación sobre el impacto esperado del desbordamiento en los buques en puertos deportivos o puertos, en edificios cercanos y otras infraestructuras, dependiendo de la altura significativa de las olas y la tasa de desbordamiento (en L/s por metro). Esta información luego ayuda a informar el diseño apropiado, 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 a ambos lados de una barrera (como en el caso de una presa portuaria, un rompeolas o una presa de cierre), las olas que sobrepasan la presa también generarán olas en el otro lado de la presa. Esto se llama transmisión de ondas. Para determinar la cantidad de transmisión de ondas, no es necesario determinar la cantidad de desbordamiento. La transmisión depende únicamente de la altura de las olas 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:

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

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

Simulación de desbordamiento

Para evaluar la seguridad y resiliencia de los diques, así como la robustez del revestimiento de césped en sus crestas y laderas hacia tierra, se puede emplear un simulador de desbordamiento de olas. Las condiciones de oleaje más onerosas para las que se diseña un dique ocurren relativamente raramente, por lo que el uso de un simulador de desbordamiento de olas permite la replicación in situ de las condiciones anticipadas en el propio dique. Esto permite a la organización responsable que supervisa la estructura evaluar su capacidad para resistir el desbordamiento de olas previsto 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 de agua. El dispositivo cuenta con válvulas en su base que se pueden abrir para liberar distintos volúmenes 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 forma precisa y eficaz. ^[38]

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

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

Ver también

• Ingeniería Costera

Referencias

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enlaces externos

• Manual EurOtop sobre el desbordamiento de las defensas marítimas y estructuras relacionadas con las olas Un manual de desbordamiento basado en gran medida en investigaciones europeas, pero para aplicación mundial: Segunda edición 2018