A methodology to decrease the sinking phenomenon in breakwaters constructed in sandy bottoms / metodología para disminuir el hundimiento de diques rompeolas construidos sobre fondos arenosos

  1. Abul Bashar Mohammed Khan Mozahedy
Supervised by:
  1. María da Graça Neves Reis e Silva de Oliveira Director
  2. Juan José Muñoz Pérez Director

Defence university: Universidad de Cádiz

Year of defence: 2016

  1. Tiago Abreu Chair
  2. Irene Laiz Alonso Secretary
  3. Alejandro López Ruiz Committee member
  1. Física Aplicada

Type: Thesis

Teseo: 413299 DIALNET


Numerous coastal structures have been built along the coastlines around the world to protect valuable land and properties from wave action and flooding. Offshore structures especially breakwaters and dikes may penetrate or sink into seabed because of continuous wave loading and overtopping. The sinking may be happened primarily by way of consolidation, scouring and liquefaction. A rapid sinking incidence was happened when a submerged breakwater made of natural rocks was placed on a sandy seabed of Santa Ma del Mar (SMM) beach, Spain in 1998. Thereafter, a series of research has been conducted to know the cause of this real sinking incidence. To acquire in-depth knowledge on the research line, the state of the art has been reviewed in order to know up to date research findings in the relevant field of study. There are many studies that have been conducted to figure out the sinking and subsidence phenomena of the maritime structures over the past decades. The reviews of relevant book chapters and research articles have been ranged from simple observational studies to physical, numerical as well as real case monitoring studies. This review has noted down most of the relevant points of sinking and subsidence physics into offshore sandy bottom and then it has synthesized all causes of sinking (consolidation, scouring and liquefaction) to present a comprehensive overview. As a follow up of the sinking incidence in 1998, three submerged modular structures on the same sandy seabed at SMM beach were monitored during the six months after installation, starting in November, 2005. This real case monitoring evaluated the self-burial/sinking phenomenon of the precast concrete modules of the three structures. The monitoring assessments included topographic surveys for scouring and deposition monitoring around the structures, module’s vertical movement and their sinking velocities as well as the resulting beach profiles. Bathymetric surveys, precision topographies and pressure sensors permitted continuous monitoring of the self-burial process in offshore sandy seabed under different wave and tidal scenarios for the first time in a full-scale case. Another monitoring of the bottom particle velocity has been conducted in order to study the morphological shore changes in the SMM coast at intermediate and shallow water depth under progressive surface waves and tidal flow current. The 3-D particle velocity was monitored continuously at the bottom of SMM beach by means of a single point current meter during 3 weeks in 2007 since August 28. The current meter was placed at 0.45m above the seabed in order to acquire instantaneous particle velocity. In-situ wave properties (height and period) were taken from the nearby wave buoy and tidal data were taken from a tidal gauge station. Wave-induced bottom particle velocities were obtained during spring and neap tides at a d/L (depth over wave length) parameter ranging from 0.06 to 0.3. Finally a 3-D physical modelling study was conducted at a wave basin in the Laboratorio Nacional Engenharia Civil (LNEC), Lisbon (Portugal) in 2014 in order to investigate the possible causes of the sinking of submerged structures in the SMM beach. This experimental investigation was conducted by employing a Froude similarity law with a geometric scale of 1:20, and the submerged structure made of concrete modules was subjected to different wave climates and tidal water levels. Pumice stone was used in the bed as light weight sediment in replacement of the SMM sand and the combinations of the significant wave height and peak period were chosen from in-situ real wave conditions that were monitored during the sinking of the prototype structures in 2005. To mimic the real case, both linking and unlinking conditions for the modules in the structure were investigated in this study. 3-D particle velocities at lee side of the structure were also measured continuously using a Vectrino at five locations with different depths along the middle section. Finally, the behaviour of the modules on a stable bed was checked by placing a three-layer gravel bed below and around the structure. The review study reveals which sinking phenomena might have higher influence at what circumstances of marine hydrodynamics. In brief, both consolidation and scour are quantifiable and may be incorporated during design of the crest level and protection layers, while places susceptible to liquefaction are not suitable as construction site without ground improvement. For the real case monitoring studies in SMM beach, it is found that two bathymetries indicated slight accretion of the seabed, whereas intermediate topographic surveys indicated extensive scouring around the structures. The three structures began sinking into the sandy bottom immediately after placement and continued until they reached the rocky bottom. Furthermore, this study implemented a new methodology using pressure sensors attached to the concrete modules to monitor the structural sinking into the bottom. Unexpectedly, the average sinking speed was extremely rapid at approximately 3–6 cm/day; 50% of the height of the element was sunk in three to six weeks. The results of this study are also compared with the results of other full-scale cases and similarities are observed to some extends in all cases. Among other conclusions, data from this study indicated that the sinking rate of the modules in SMM Beach was one order of magnitude greater than the other values. In case of velocity monitoring studies, it is found that bottom particle velocity near the seabed ranges from 0 to ± 0.5 m/sec of which about 82% does not exceed 0.2 m/sec during monitoring. Therefore, only 18% of the surveyed water particle velocities exceed the critical Shield parameter of the beach sand (D50 = 0.23mm) which is about 0.05-0.2 depending on Reynolds number. Results show that maximum horizontal speed is obviously lower during the slack tide (high or low tide) in comparison with flood tide and ebb tide. Moreover, speed is higher during ebb tide in comparison to adjacent flood tide, with steady wave climate. Finally and among other conclusions, the maximum real values of the bottom current surveyed in SMM, as well as the Shield parameter, substantially coincide with the theoretical estimates calculated for a given wave and tidal climate. On the other hand, the physical modelling results show that the modules have sunk too approximately 48% of their height at the end of the tests with storm waves and semi-linking conditions of low water depth. Most of the experimental results were compatible with the prototype monitoring results. Moreover, a high velocity flume has been detected in the leeside when wave crest passing over the structure. This high velocity flume has caused extensive scour in the leeside of the structure in the model study. Furthermore, the modules have been found light against wave uplifting and the wave has pushed the structure in leeside; thus the modular structure has fallen into the scour causing sinking to a great extent. Tests with proper linking among the modules and tests with an appropriate gravel foundation appeared as a sustainable method or a solution in this modelling study because they have presented much less or almost no scouring and sinking. Numerosas estructuras costeras se han construido a lo largo de las costas de todo el mundo para proteger tierras y propiedades valiosas de la acción de las olas y las inundaciones. Las estructuras marítimas, especialmente diques y espigones, pueden hundirse en el fondo del mar debido a la carga cíclica del oleaje y al rebase. Dicho hundimiento sucede principalmente por consolidación, socavación y licuefacción. Un ejemplo de rápido hundimiento fue el acaecido en 1998 a un dique sumergido de escollera en la playa de Santa María del Mar (SMM). A partir de entonces, se han llevado a cabo toda una serie de investigaciones para averiguar la causa. Con el fin de adquirir un conocimiento profundo de los resultados obtenidos hasta la fecha en esta línea de investigación, se ha revisado la bibliografía existente. Numerosos estudios se han realizado en las últimas décadas para averiguar el funcionamiento de los fenómenos de subsidencia, hundimiento y socavación de las estructuras marítimas. Las revisiones de capítulos de libros relevantes y artículos de investigación abarcan desde observaciones en modelos físicos y matemáticos hasta el seguimiento de casos reales. Esta revisión ha mostrado los aspectos más punteros en la física del hundimiento en playas de fondo arenoso, sintetizándose las causas de hundimiento a fin de disponer de una visión general. Tras el hundimiento del espigón en acaecido en 1998, se llevó a cabo la monitorización de tres estructuras modulares en el mismo fondo arenoso de la playa de SMM durante los seis meses subsiguientes a su instalación en noviembre de 2005. El seguimiento de este caso real sirvió para evaluar el hundimiento de los módulos de hormigón prefabricado mediante mediciones topográficas de la socavación y acreción de sedimento alrededor de las estructuras, del movimiento vertical y de la velocidad de hundimiento de cada modulo así como de los perfiles de playa resultantes. Campañas batimétricas, topografías de precision y sensores de presión permitieron un seguimiento en continuo, por primera vez en un caso real, del proceso de auto-enterramiento en un fondo arenoso bajo diferentes escenarios de oleaje y mareas. También se realizó otro seguimiento de la velocidad de las partículas en el fondo a fin de estudiar los cambios morfológicos en la playa de SMM en profundidades reducidas al paso de ondas superficiales progresivas y corrientes mareales. La monitorización 3-D de la velocidad de las partículas en el fondo se hizo mediante un correntímetro instalado durante 3 semanas en agosto de 2007. Dicho correntímetro fue colocado a 0.45 m del fondo a fin de adquirir velocidades instantáneas. La altura y periodo del oleaje se midieron in situ en la cercana boya de oleaje, mientras que los datos de marea fueron proporcionados por una estación mareal. Las velocidades inducidas por el oleaje en las partículas del fondo durante mareas vivas y muertas se obtuvieron para parámetros d/L (profundidad sobre longitud de onda) que iban desde 0.06 a 0.3. Por último, en 2014, se llevó a cabo un ensayo en modelo físico 3-D en un tanque de oleaje del Laboratorio Nacional Engenharia Civil (LNEC) en Lisboa (Portugal) a fin de investigar las posibles causas del hundimiento de las estructuras sumergidas en la playa de SMM. Para ello, con semejanza de Froude y una escala 1:20, se sometió la estructura hecha de módulos de hormigón a diferentes oleajes y distintos niveles de marea. En sustitución de la arena del fondo de SMM, se utilizó piedra pómez y las combinaciones de altura de ola y periodo fueron elegidas de situaciones reales medidas durante el seguimiento efectuado en 2005. Para imitar el caso real, se estudiaron condiciones de atado y libertad entre los módulos de la estructura. Las velocidades de las partículas en el lado resguardado de la estructura se midieron en cinco posiciones a diferentes profundidades de la sección media mediante un Vectrino. Finalmente, se chequeó el comportamiento de los módulos colocándolos sobre un fondo de gravilla de tres capas que rodeaba la estructura. Los ensayos revelan cuáles son las circunstancias hidrodinámicas para las que habría una mayor influencia en los fenómenos de hundimiento. En resumen, tanto la consolidación como la socavación son cuantificables y pueden ser incorporadas al diseño de las capas de coronación y del manto exterior. Además, pueden identificarse aquellos lugares susceptibles de licuefacción, no adecuados para la construcción sin mejoras del terreno. En el caso real del seguimiento de la playa de SMM, se encontró que la comparación entre las dos batimetrías, inicial y final, mostraba una ligera acreción en el fondo del mar. Por otra parte, las topo batimetrías intermedias indicaban extensas socavaciones alrededor de las estructuras. Dichas estructuras empezaron a hundirse en el fondo arenoso inmediatamente después de su instalación, hundimiento que acabó cuando alcanzaron el fondo rocoso. Además, este estudio implementó una nueva metodología mediante el uso de sensores de presión conectados a los módulos de hormigón para seguir su hundimiento. De manera inesperada, la velocidad media de hundimiento fue muy rápida, del orden de 3 a 6 cm/día, y el 50% de la altura del elemento se hundió en un plazo de 3 a 6 semanas. Los resultados obtenidos se compararon con los de otros casos reales y se observaron ciertas semejanzas en todos ellos. Entre otras conclusiones, los datos indicaron que la tasa de hundimiento de los módulos en la playa de SMM fue de un orden de magnitud mayor que en el resto de casos. Para el seguimiento de la velocidad, se encontró que la velocidad de las partículas en el fondo oscilaba entre 0 y ± 0.5 m/s, no excediéndose la velocidad de 0.2 m/s en el 82% de los casos. Por consiguiente, sólo en el 18% de los casos se sobrepasó la velocidad crítica de Shields para la arena de la playa (D50 = 0.23mm) que resultó de entre 0.05-0.2 dependiendo del número de Reynolds. Los resultados mostraron que la velocidad horizontal era mayor durante las estoas de la pleamar y bajamar, siendo máxima en las bajamares frente a las pleamares adjuntas para mares en calma. Finalmente, debe destacarse que los valores máximos de la corriente medida en el fondo, así como el parámetro de Shields, coinciden substancialmente con las estimaciones teóricas para un oleaje dado. Por otra parte, los resultados del modelo físico muestran que los módulos también se hundieron hasta aproximadamente el 48% de su altura, en bajamar, al final de las pruebas con oleaje de tormenta y condiciones de semiatado de los módulos. La mayor parte de los datos experimentales aparecieron como compatibles con los resultados del seguimiento en el prototipo. Por otra parte, se detectó un flujo de alta velocidad a sotavento, cuando la ola pasaba por sobre la estructura, que causaba un daño extenso en el modelo de laboratorio. Además, las olas levantaban la estructura en el lado de tierra, induciendo un mayor hundimiento en la socavación. Sin embargo, tanto los ensayos realizados con un atado apropiado entre los módulos como los apoyados sobre una cimentación de grava mostraron una mucho menor socavación y hundimiento y, por consiguiente, una solución sostenible para la construcción de este tipo de obras.