In the study, the thickness of wave moved-sediment layers was measured under regular wave conditions as well as the initial slope of sea bed with grain size of medium diameter 0.237mm and 0.128mm. The initial bottom slope ( tan£\) is 1/45, and nineteen wave conditions were studied. For each case, we analyzed the results after about 28800 waves were made. Sands are similar density and grain size but different colors. After wave action, the clear boundary between the two layers (two different colors) of sands will be mixed into gray color by wave-induced vortex.According to unmoved-layer(white) and gray-layer to get the total wave-moved sediment quantity. Finally, we get the relationship between the wave-moved sediment quantity per wave( q) and two parameters( £`b and £Kb ) which were established by Liao (2005, doctorate draft). The grain size does not affect £`b , and we get the q= 6.486*10^-5*£`b . The relationships between and ¡G 0.110mm gets q=5.103*10^-6£Kb , 0.128mm gets q=1.139*10^-5*£Kb, and 0.237mm gets q=1.933*10^-5*£Kb .

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

[ES] El cambio climático y la conciencia social sobre el impacto de las infraestructuras en el medio está llevando a la necesidad de diseñar diques en talud con cotas de coronación reducidas frente a eventos de rebase más extremos. Además, la mayoría de estos diques se construyen en zonas de profundidades reducidas, donde el oleaje rompe a causa de la limitación por fondo. Estudios recientes apuntan a la necesidad de considerar no sólo la caudal medio de rebase (q) sino también el máximo volumen individual de rebase (Vmax), el espesor de lámina de agua (OLT) y la velocidad del flujo de rebase (OFV) en el diseño de la cota de coronación de un dique en talud según criterios de rebase. No obstante, existen pocos estudios en la literatura científica centrados en Vmax en estructuras costeras sometidas a oleaje limitado por fondo. Además, estos estudios proporcionan resultados contradictorios en relación a la influencia de la limitación por fondo del oleaje sobre Vmax. En cuanto a OLT y OFV, no se han encontrado estudios en la literatura científica que permitan su predicción en diques en talud. En esta tesis doctoral, se han realizado ensayos físicos 2D en diques en talud rebasables (0.3≤Rc/Hm0≤2.5) sin espaldón y con tres mantos principales (Cubípodo®-1L, cubo-2L y escollera-2L) sobre dos pendientes de fondo suaves (m=2% and 4%) en condiciones de oleaje limitado por fondo (0.2≤Hm0/h≤0.9). Vmax junto con q son las variables más recomendadas en la literatura científica para diseñar la cota de coronación de diques en talud según criterios de rebase. En el presente estudio, los mejores resultados en la estimación de Vmax*=Vmax/(gHm0T012) se han obtenido empleando la función de distribución Weibull de dos parámetros con un coeficiente de determinación R2=0.833. Durante la fase de diseño de un dique en talud, es necesario predecir q para calcular Vmax cuando se emplean los métodos dados en la literatura científica. Por tanto, se debe estimar q con fines de diseño si no se dispone de observaciones directas. En caso de emplear la red neuronal CLASH NN para estimar q (R2=0.636), la bondad de ajuste de la función de distribución Weibull de dos parámetros propuesta en esta tesis para predecir Vmax* es R2=0.617. Así, el ratio entre Vmax* medido y estimado cae dentro del rango de 1/2 a 2 (banda de confianza del 90%) cuando se emplea q estimado con CLASH NN. Los nuevos estimadores desarrollados en la presente disertación proporcionan resultados satisfactorios en la predicción de Vmax* con un método más simple que aquellos propuestos en la literatura científica. No se ha encontrado una influencia significativa de la pendiente de fondo ni de la limitación por fondo del oleaje sobre Vmax* en este estudio. OLT y OFV están directamente relacionados con la estabilidad hidráulica de la coronación del dique y la seguridad peatonal frente a rebase. Por tanto, se requiere estimar OLT y OFV en la coronación del dique para diseñar apropiadamente su cota de coronación empleando criterios de rebase. En este estudio, se han empleado redes neuronales para desarrollar nuevos estimadores explícitos que permiten predecir OLT y OFV superados por el 2% del oleaje incidente con un alto coeficiente de determinación (0.866≤R2≤0.867). El número de cifras significativas apropiado para los coeficientes experimentales de dichos estimadores se ha determinado en base a su variabilidad. El punto óptimo en el que las características del oleaje deben ser estimadas para predecir OLT y OFV se ha identificado a una distancia de 3h desde el pie de la estructura (siendo h la profundidad a pie de dique). La pendiente de fondo tiene influencia sobre OLT y OFV. Los valores más extremos de OLT y OFV se han descrito empleando las distribuciones Exponencial de un parámetro y Rayleigh, respectivamente, con resultados satisfactorios (0.803≤R2≤0.812). / [CA] El canvi climàtic i la consciència social sobre l'impacte de les infraestructures al medi està portant a la necessitat de dissenyar dics en talús amb cotes de coronació reduïdes front a esdeveniments d'ultrapassament més extrems. A més, la majoria dels dics es construeixen en zones amb profunditats reduïdes on l'onatge es trenca a causa de la limitació per fons. Estudis recents apunten a la necessitat de considerar no solament el cabal mitjà de sobrepasse (q) sinó també el màxim volum individual de sobrepasse (Vmax), l'espessor de la làmina d'aigua (OLT) i la velocitat del flux de sobrepasse (OFV) pel disseny de la cota de coronació d'un dic en talús segons criteris de sobrepasse. No obstant, existeixen pocs estudis a la literatura científica centrats en Vmax en estructures costeres sotmeses a onatge limitat per fons. Addicionalment, aquests estudis proporcionen resultats contradictoris en relació a la influència de la limitació per fons de l'onatge sobre Vmax. Quant a OLT i OFV, no s'han trobat estudis a la literatura científica que permeten la seua predicció a dics en talús. En aquesta tesi doctoral, s'han realitzat assajos físics 2D amb dics en talús amb sobrepassos rellevants (0.3≤Rc/Hm0≤2.5) sense espatlló i amb tres elements al mantell principal (Cubípode-1L, cubs-2L i esculleres-2L) ubicats sobre pendents de fons suaus (m=2% i 4%) en condicions d'onatge limitat pel fons (0.2≤Hm0/h≤0.9). Vmax conjuntament amb q són les variables més recomanades a la literatura científica per dissenyar la cota de coronació en dics en talús segons criteris d'ultrapassament. Al present estudi, els millors resultats en l'estimació de Vmax*=Vmax/(gHm0T012) s'han obtingut utilitzant la funció de distribució Weibull de dos paràmetres amb un elevat coeficient de determinació R2=0.833. Durant la fase de disseny d'un dic en talús, és necessari predir q per calcular Vmax quan s'utilitzen els mètodes donats a la literatura científica. Per tant, es deu estimar q amb fins de disseny si no es disposa d'observacions directes. Si s'aplica la xarxa neuronal de CLASH NN per estimar q (R2=0.636), la bondat d'ajust de la funció de distribució Weibull de dos paràmetres proposada a aquesta tesi per predir Vmax* és R2=0.617. Així doncs, el ràtio entre el Vmax* mesurat i estimat es troba dins del rang de 1/2 a 2 (banda de confiança del 90%) quan s'usa q predit amb CLASH NN. Els nous estimadors desenvolupats a aquesta dissertació proporcionen resultats satisfactoris en la predicció de Vmax* amb un mètode més senzill que aquells proposats a la literatura científica. No s'ha trobat una influència significativa de la pendent de fons ni de la limitació de l'onatge per fons sobre Vmax* a aquest estudi. OLT i OFV estan directament relacionats amb l'estabilitat hidràulica de la coronació de dics i la seguretat de vianants front a ultrapassaments. Per tant, es requereix estimar OLT i OFV en la coronació de dics per dissenyar apropiadament la seua cota de coronació utilitzant criteris de sobrepasse. En aquest estudi, s'han usat xarxes neuronals per desenvolupar nous estimadors explícits que permeten predir OLT i OFV superats pel 2% de l'onatge incident amb un elevat coeficient de determinació (0.866≤R2≤0.867). El nombre de xifres significatives apropiat per als coeficients experimentals dels mencionats estimadors s'ha determinat basant-se en la seua variabilitat. El punt òptim on determinar les característiques de l'onatge deuen ser estimades per predir OLT i OFV s'ha identificat a una distància de 3h des del peu de l'estructura (on h és la profunditat a peu de dic). La pendent de fons té influència sobre OLT i OFV. Els valors més extrems de OLT i OFV s'han descrit amb les distribucions Exponencial d'un paràmetre i Rayleigh, respectivament, amb resultats satisfactoris (0.803≤R2≤0.812). / [EN] Climate change and the social concern about the impact of infrastructures is leading to mound breakwaters with reduced crest freeboards facing higher extreme overtopping events. In addition, most mound breakwaters are built in the surf zone where depth-limited wave breaking takes place. Recent studies point out the need of considering not only the mean wave overtopping discharge (q) but also the maximum individual wave overtopping volume (Vmax), the overtopping layer thickness (OLT) and the overtopping flow velocity (OFV) when designing mound breakwater crest elevation using overtopping criteria. However, few studies in the literature are focused on Vmax on coastal structures under depth-limited breaking wave conditions. In addition, those few studies report contradictory conclusions regarding the significance of depth-limited breaking waves on Vmax. With respect to OLT and OFV, no studies are found in the literature for their prediction on mound breakwaters. In this PhD thesis, 2D physical model tests were conducted on overtopped mound breakwaters (0.3≤Rc/Hm0≤2.5) without a crown wall armored with three armor layers (Cubipod®-1L, cube-2L and rock-2L) on two gentle bottom slopes (m=2% and 4%) in depth-limited breaking wave conditions (0.2≤Hm0/h≤0.9). Vmax together with q are the most recommended variables in the literature to design mound breakwater crest elevation based on overtopping criteria. In the present study, the 2-parameter Weibull distribution provides the best results when estimating Vmax*=Vmax/(gHm0T012) with coefficient of determination R2=0.833. During the design phase of a mound breakwater, q is needed to predict Vmax using methods given in the literature. Thus, q must be estimated for design purposes when direct observations are not available. If CLASH NN is used to estimate q (R2=0.636), the goodness-of-fit of the 2-parameter Weibull distribution proposed in this thesis to predict Vmax* is R2=0.617. Hence, the ratio between the estimated and measured Vmax* falls within the range 1/2 to 2 (90% error band) when q is predicted using CLASH NN. The new estimators derived in this study provide satisfactory estimations of Vmax* with a method simpler than those found in the literature. Neither the bottom slope nor the depth-induced wave breaking seem to significantly influence the dimensionless Vmax* in this study. OLT and OFV are directly related to the hydraulic stability of the armored crest and the pedestrian safety. Thus, OLT and OFV are required to properly design crest elevation using overtopping criteria. Neural Networks (NNs) are used in this study to develop new explicit unbiased estimators for the OLT and OFV exceeded by 2% of the incoming waves with a high coefficient of determination (0.866≤R2≤0.867). The appropriate number of significant figures of the empirical coefficients of such estimators is selected according to their variability. The optimum point where wave characteristics are determined to predict OLT and OFV was identified at a distance of 3h from the toe of the structure (where h is the water depth at the toe of the structure). The bottom slope does influence both OLT and OFV. The most extreme values of OLT and OFV are described with the 1-parameter Exponential and Rayleigh distribution functions, respectively, with satisfactory results (0.803≤R2≤0.812). / Al Ministerio de Educación, Cultura y Deporte, por la financiación brindada con el programa de Formación de Profesorado Universitario (FPU16/05081). Al Ministerio de Economía y Competitividad, por la financiación de los proyectos ESBECO (EStabilidad hidráulica del manto, BErmas y COronación de diques en talud con rebase y rotura por fondo, BIA2015-70436-R) y HOLOBREAK (Estabilidad Hidráulica y Transmisión de Diques Rompeolas Homogéneos de Baja Cota Diseñados a Rotura por Fondo, RTI2018-101073-B-I00-AR). / Mares Nasarre, P. (2021). Overtopping flow on mound breakwaters under depth-limited breaking wave conditions [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/163154