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. / Herrera Gamboa, MP. (2017). Mound Breakwater Design in Depth-Limited Breaking Wave Conditions [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/82553

Made available in DSpace on 2016-06-02T19:29:50Z (GMT). No. of bitstreams: 1 TeseLFF.pdf: 1064962 bytes, checksum: 2197d0af382fa16fe6aae3cb9dd51298 (MD5) Previous issue date: 2004-04-15 / Financiadora de Estudos e Projetos / The present work investigated the ichthyofauna in the shallow waters of the Paranaguá Bay estuarine complex, Paraná state, Brazil, considering eight sample sites along the north-south axis. The analyses of the physical and the chemical data series of the water and the biological data monthly obtained, taking in account the sediment data series seasonally determined in each site, making possible the environmental characterization and the quali-quantitative assessment of the local ichthyofauna. The hydrological parameter values reflecting an environmental gradient defined by the increasing from the north to the south region of the estuary. The northern sample sites were characterized by higher continental water influence, lower hydrodynamic and higher fine granules amount in the sediment. The biological data analyses of the ichthyofauna in the studied area showed that the complete life cycles of some species take place in this area, emphasized by the relevant occurrence frequencies of juvenile and adult specimens. In the meantime, the highest values of the hydrological parameters were registered on the southern sample sites of the estuary, showing the influence of the marine salt water and characterized by the higher hydrodynamic forces reflected by the high amount of thick granules in the sediment. The ichthyofauna is mainly represented by juvenile fish of marine species that utilize the estuary in some periods of the year and by sporadic marine species. The shallow water ichthyofauna of the Paranaguá Bay estuarine complex is composed by 96 species with predominance of occasional species in comparison to the constant ones, indicating a dynamic environment. The quantitative data analyses of the ichthyofauna showed seasonal differences as in the species composition as in the catch proportion, resulting in a seasonal characterization of the specific richness, of the species diversity, of the eveness and of the similarity indices. The results of the present study emphasize the spatial-temporal heterogeneity of the environment, taking in account its characteristics and the ichthyofauna composition, revealing that the shallow waters of Paranaguá Bay estuarine complex constitute a highly dynamic environment. / O presente estudo investigou a ictiofauna de áreas rasas no eixo norte-sul do complexo estuarino Baía de Paranaguá-PR considerando oito pontos amostrais no período de maio de 2000 a abril de 2001. Através de coletas mensais dos parâmetros físicos e químicos da água e de material biológico e de coletas sazonais de sedimento em cada área, foi possível caracterizar o ambiente e analisar a ictiofauna. Os parâmetros hidrológicos, avaliados nas áreas rasas, mostram variação espaço-temporal e definem um gradiente ambiental que aumenta da região norte para a região sul estuarina. Os pontos localizados ao norte do estuário caracterizam-se pela maior influência das águas continentais, com baixa hidrodinâmica e maior quantidade de grânulos finos no sedimento quando comparados à região sul do ambiente estuarino. A composição ictiofaunística do norte do estuário evidencia espécies que desenvolvem todo o ciclo de vida nestas áreas mostrando proporções relevantes de indivíduos jovens e adultos. O sul estuarino compreende os pontos que mostraram os maiores valores dos parâmetros hidrológicos analisados, sendo influenciados pelas águas marinhas e apresentando as maiores hidrodinâmicas, determinadas pela alta freqüência de grânulos grossos no sedimento. A ictiofauna é representada predominantemente por indivíduos jovens de espécies marinhas que utilizam o estuário em determinados períodos do ano e de espécies marinhas que visitam este ecossistema de forma esporádica. A ictiofauna das áreas rasas é constituída por 96 espécies, contendo um predomínio de espécies ocasionais sobre as constantes, sugerindo um ambiente dinâmico. As análises quantitativas da ictiofauna mostraram diferenças sazonais na composição de espécies e na proporção de captura, refletindo na sazonalidade da riqueza específica, da diversidade, da equitabilidade e da similaridade. Os resultados obtidos neste trabalho ressaltam a heterogeneidade espaço-temporal, tanto em relação às características ambientais quanto à composição ictiofaunística, revelando serem as áreas rasas estuarinas do complexo estuarino Baía de Paranaguá ambientes altamente dinâmicos.

La chronologie des recherches théoriques et numériques exposées dans cet ouvrage est étroitement liée à notre attachement à lexpérimental et aux préoccupations pratiques des grands projets de constructions hydrauliques. Les applications variées qui sont envisagées quotidiennement au HACH (Hydrodynamique Appliquée et Constructions Hydrauliques Secteur Mécanique des Solides, des Fluides et des Structures - Département ArGEnCo Université de Liège), dont plusieurs exemples sont présentés, ont permis didentifier aussi bien des pistes damélioration des modèles numériques existants au sein de la suite WOLF(suite logicielle intégrée développée par le HACH pour la modélisation et loptimisation des écoulements à surface libre), que des besoins en nouvelles potentialités de représentation. Cest de là que sont nés la plupart des développements détaillés ici, avec comme objectif principal laugmentation des capacités des logiciels du HACH pour laide à la gestion et au design douvrages hydrauliques. Le dimensionnement de structures hydrauliques, tout comme la majeure partie des problèmes touchant à lhydrodynamique des écoulements à surface libre rencontrés dans la pratique, nécessite des études à grande et petite échelles, à laide de modèles adaptés localement aux phénomènes représentés, et donc variables au sein dune même étude selon le point particulier examiné. Dautre part, loptimisation de la forme ou du fonctionnement douvrages hydrauliques requiert des outils de calibration robustes permettant une approche objective. Ces derniers doivent de plus être couplés à des logiciels de simulation dont la représentativité et les temps de calcul sont en accord avec les exigences de loptimisation. Ces deux constats principaux posent le cadre des recherches entreprises et sont à la base de la définition des objectifs du travail. Les premiers chapitres de développements sattachent à décrire le cadre numérique de la suite logicielle WOLF, et plus particulièrement des codes 1D et 2D. La rationalisation des temps de calcul des simulations filaires à grande échelle est améliorée à ce stade par limplémentation au sein du logiciel unidimensionnel dun schéma dintégration temporelle implicite, en parallèle du schéma explicite existant. De même, certaines améliorations sont déjà apportées au logiciel WOLF2D. Elles concernent lextension automatique du domaine de calcul en fonction des mailles immergées émergées, le traitement des termes sources de pente de fond et de frottement en accord avec une approche énergétique, la conservation volumique du modèle ainsi que la réorganisation de la filière de résolution des équations de façon à permettre une totale latitude dans le choix du modèle de calcul utilisé. Lenrichissement des potentialités de modélisation des outils de la suite WOLF est ensuite poursuivi par létablissement, limplémentation et lapplication à des cas théoriques et pratiques, dun modèle de turbulence adapté aux caractéristiques spécifiques de la simulation des écoulements intégrée sur la hauteur deau. Afin de dépasser les limitations, tant informatiques que de discrétisation, inhérentes à lutilisation dune taille de maille unique sur un domaine de simulation bidimensionnel, des développements sont entrepris pour permettre de mener les calculs bidimensionnels sur un maillage structuré cartésien constitué de plusieurs zones à la taille de maille différente. Dans le même ordre didée, des développements sont réalisés pour permettre lutilisation de lensemble des outils de modélisation disponibles au sein du logiciel WOLF2D de façon simultanée et automatique au sein dune même simulation. Létape ultime de ces développements est réalisée en couplant les modèles uni- et bidimensionnel au sein dune simulation unique. Une fois toutes ces étapes de développement des modèles hydrodynamiques franchies, un logiciel adapté de calage automatique de paramètres est mis au point. Utilisable avec nimporte quel code de la suite WOLF, il permet la calibration de lensemble des paramètres physiques présents au sein des logiciels hydrodynamiques, ainsi que la résolution de tout problème doptimisation ou de calibration à laide des mêmes modèles. La parallélisation de ce logiciel basé sur la méthode des Algorithmes Génétiques ouvre la porte à des applications denvergure, dont le dimensionnement hydraulique douvrages sur base de simulations bidimensionnelles découlements turbulents à surface libre sur maillage multibloc. A chaque étape, la validation des développements est réalisée de façon rigoureuse par la confrontation des résultats numériques à ceux de cas test, théoriques et expérimentaux, originaux ou proposés dans la littérature. De nombreux exemples dapplications pratiques illustrent l'ensemble des potentialités de modélisation développées et prouvent leur applicabilité et leur efficacité face aux problèmes pratiques rencontrés par les ingénieurs hydrauliciens./ The chronology of the theoretical and numerical researches outlined in this text is closely linked to our attachment to the physical modelling and to the practical concerns related to important hydraulic projects. The various applications carried out daily in the HACH (Applied Hydrodynamics and Hydraulic Constructions - Solid, Fluid and Structures Mechanics ArGEnCo Department University of Liege), several of the being presented here, enabled to identify the ways to improve the existing numerical models of WOLF (integrated software package developed by the HACH for free surface flows modelling), as well as needs in new representation potentialities. The most of the developments described in this text were born from there, with as main objective to increase the capacities of the HACHs models to help to the management and the design of hydraulic constructions. The hydraulic structures design, and the main part of the practical problems related to free surface flows hydrodynamics, requires both large and small scales studies, with reliable models locally suited to the represented phenomena, and thus variable in a single study depending on the particular point examined. On another hand, the shape and working optimization of hydraulic structures requires robust calibration tools allowing an objective approach. The latter have to be linked to simulation software with modelling capacities and computation times in agreement with the optimization requirements. Both these assessments specify the framework of the researches of this thesis and are at the roots of the definition of the objectives of this work. The first chapters of developments aim to describe the numerical framework of the WOLF package, and more particularly the 1D and 2D models. The rationalization of the computation times for large scale one-dimensional simulations is improved at this stage by implementing in the 1D solver an implicit time integration scheme in parallel to the existing explicit one. Similarly, some improvements have been brought to the solver WOLF2D. They concern the automatic extension of the computation domain regarding the wet and dry cells, the treatment of the slope and roughness source terms with an energetic approach, the water volume conservation as well as the reorganization of the equations resolution scheme in order to be totally free in the choice of the mathematical model to solve. The enrichment of the modelling potentialities of the WOLF software is then pursued by setting, implementing and applying an original turbulence model suited to the specific characteristics of the depth integrated flow modelling. In order to get over the computer and modelling limitations inherent in the use of a single mesh size to model a 2D domain, developments have been carried out to allow the realisation of two-dimensional computations on a structured Cartesian grid composed of several areas with different mesh sizes. In the same way, developments have been carried out to use the whole of the mathematical models available in WOLF2D simultaneously and automatically in a single simulation. The ultimate step of these developments consisted in linking the 1D and the 2D models in a single computation. Following all these steps of developments of hydrodynamic models, a suitable tool for parameters automatic calibration has been set up. Usable with any solver of the WOLF package, it allows the calibration of the whole of the physical parameters present in the hydrodynamic solvers, as well as the resolution of any calibration or optimization problem with these models. The final parallelisation of this Genetic Algorithms based tool opens the door to complex applications, such as the hydraulic design of structures on the basis of two-dimensional simulations of free surface turbulent flows on multiblock grid. At each step, the validation of the developments is rigorously performed through the comparison of the numerical results with those from test cases, theoretical or experimental, original or from the literature. Several practical applications examples illustrate the whole of the developed modelling potentialities and prove their applicability and efficiency facing the most of practical problems encountered by hydraulic engineers.