- desfase \varepsilon entre los oleajes incidente y reflejado. El cociente entre las alturas del oleaje reflejado e incidente es el coeficiente de reflexión. Éste y el desfase dependen de la tipología del dique en talud y son elementos relevantes del diseño.
A continuación, se resumen los criterios de proyecto de diques en talud con elementos naturales o artificiales, que se aplican en la actualidad:
Geometría: pendiente constante
Criterio de daño: inicio de avería, sin movimientos significativos de piezas
Peso mantos secundarios: criterio de filtro geotécnico
Tamaño núcleo: todo uno de cantera
Elemento artificial del manto principal: forma y material
Peso único del elemento artificial calculado: fórmula de estabilidad
Colocación de los elementos: aleatoria
Número de capas del manto principal: dos
Algunos elementos con formas particulares, especialmente los acrópodos, core-lock, conocidos en la actualidad, llevan asociados un criterio de colocación y un número de capas del manto principal.
En países como Alaska y Groenlandia se construyen diques con manto principal de piedras naturales denominados diques berma. Los criterios anteriores se modifican proponiendo: talud variable, peso de los elementos del manto principal definido mediante curva granulométrica, y se permite un movimiento importante de las piezas a lo largo del perfil. Este tipo de diques sufren importantes degradaciones de las piezas naturales por lo que deben ser reparados frecuentemente.
Tradicionalmente en España se utilizan para el manto principal de un dique en talud piedra natural, cubos o paralelepípedos de hormigón en masa, aunque también es frecuente construir con otras formas de piezas, tetrápodos, dolos, acrópodos, etc. Las variables que influyen en la estabilidad de un dique en talud se resumen en la Tabla 1:
TABLA 1 
Con estos criterios de proyecto y una vez determinado el oleaje de proyecto, definido por una altura y un periodo característicos, Hi, T, habitualmente se aplica una fórmula que proporciona el peso W de los elementos del manto principal y que tiene la siguiente estructura funcional de monomios adimensionales:
donde L es la longitud de onda (depende del periodo T y de la profundidad h a la que se construye el dique) , Sr es la relación entre el peso específico de los cantos del manto principal y el peso específico del agua, R es el coeficiente de reflexión del dique (depende del talud, de las características de los mantos, y de la profundidad relativa y ángulo de incidencia del oleaje) , Ir es el denominado número de Iribarren y Ψ es la función de estabilidad.
Las condiciones de estabilidad crítica de un dique en talud se corresponden con olas que rompen en el rango voluta-colapso-oscilación representado por un intervalo de números de Iribarren de (2.3<Ir<4) y un módulo del coeficiente de reflexión en el intervalo (0.25<R<0.60) . Los valores de la función de estabilidad se obtienen mediante ensayos a escala en un canal de oleaje.
Esta técnica de trabajo tiene dos inconvenientes importantes. Por un lado, los resultados experimentales presentan una notable dispersión, pudiendo obtenerse en dos ensayos del mismo dique y para las mismas características del oleaje incidente, valores del peso del elemento uno doble del otro. Por el otro, la representación incorrecta del comportamiento del dique frente al oleaje al escalar el ensayo con el número de Froude, afectando principalmente a la permeabilidad de los diferentes mantos del dique, altera notablemente la partición de la energía del oleaje con respecto a la del prototipo. Los datos experimentales de muchos años de experimentación en todos los laboratorios del mundo muestran que dos experimentos iguales no proporcionan los mismos resultados experimentales. Es decir, el ensayo de estabilidad de un dique en talud no satisface uno de los requisitos esenciales para validar una técnica experimental: su reproducibilidad.
En la actualidad, estas dificultades experimentales traen como resultado una gran variabilidad de las dimensiones de los diques en talud, principalmente del peso W de los cantos 4 del manto principal 3, con notables repercusiones y variaciones en los costes de construcción, mantenimiento y la falta de previsión de los costes de reparación en la vida útil de la obra.
La presente invención resuelve el problema de la variabilidad de las dimensiones de los diques en talud, por cuanto que define la geometría del perfil, el peso, y la forma de colocación de los cantos 4 del manto principal 3 y restantes mantos 6 que proporcionan la máxima estabilidad, de hecho, la estabilidad absoluta para las olas de diseño y todas las inferiores a ella, acotando el coste de construcción y no necesitando costes de mantenimiento ni de reparación. El concepto de estabilidad absoluta significa que ni las olas de diseño, ni ninguna otra inferior a ellas, pueden provocar variaciones significativas en el perfil de proyecto que afecten su comportamiento global, ni movimientos significativos de los cantos 4 del manto principal 3 que afecten a su estabilidad.
La invención realiza el diseño de la geometría del talud para diferentes tipos de cantos 4 del manto principal 3, define su sistema de colocación una vez seleccionados los parámetros de proyecto y elegido un peso W del canto 4, de manera que el dique tenga la máxima estabilidad, al tiempo que se optimizan los costes de la obra, compuestos exclusivamente por los costes de construcción.
El perfil geométrico de la invención está formado por tres regiones consecutivas que, desde el fondo del mar hasta la región emergida, según muestra la Figura 2a, son: región inferior 10 o del pie de talud, entre los puntos A0 y A, región central 11 o disipadora, entre los puntos A y R, con G como punto central, y región superior 12 o de oscilación, comprendida entre R y R0. La región 10 del pie de talud sólo actúa como remate del perfil hasta alcanzar el fondo, tiene pendiente cercana al talud natural, aproximadamente 1:1.3, de los elementos que la componen y en ella se refleja el oleaje incidente. En la región central 11 o disipadora se produce la rotura en voluta del oleaje incidente, debido a que su pendiente media es pequeña, aproximadamente 1:5. Finalmente, la región superior 12 o de oscilación, sólo es alcanzada por las olas que han roto en la región central 11 y provocan un ascenso y descenso guiado del flujo de agua, merced a su talud inclinado cercano a la pendiente 1:0.75. La intersección entre las tres regiones, 10, 11 y 12, puede ser en arista viva o mediante curva de ajuste, no siendo éste un aspecto relevante en el comportamiento del dique.
Según muestra la Figura 4, adoptado como plano de referencia un talud de pendiente constante, por ejemplo 1:1.5 ó 1:2, los desplazamientos máximos horizontales, Ad y Rh, respecto de h, profundidad del agua en el pie del dique, para mantener el perfil de equilibrio de las regiones horizontal 10 y central 11, dependen linealmente de la altura Hi de ola de diseño, al igual que las desviaciones angulares máximas para el perfil de equilibrio, Δθ, que los planos de las diferentes regiones forman con el plano horizontal, como se desprende de las Figuras 5 y 6. El talud de referencia no es relevante en el resultado final, puesto que el perfil geométrico de máxima estabilidad no depende de las condiciones iniciales, tal y como se ha comprobado experimentalmente según la invención. Adimensionalizando con la altura de ola Hi las magnitudes que definen la geometría del perfil, todos los perfiles de máxima estabilidad obtenidos para alturas de ola Hi crecientes son geométricamente similares, es decir, tienen similitud o semejanza geométrica.
Este perfil es el que, de forma natural adopta un dique de cantos 4 todos iguales cuando es sometido a la acción del oleaje de diseño. Es la respuesta que el medio natural proporciona cuando se le deja actuar libremente, sin constricciones, funcionando como un sistema auto-organizado. En consecuencia, repetido dos veces el mismo ensayo se obtiene exactamente el mismo perfil geométrico en ambos, sin desviaciones. Seleccionado el oleaje de diseño y elegido un tipo de canto 4 y su peso W, su perfil de similitud geométrica, no depende de la condición inicial y sólo depende de la altura de ola Hi.
Los cantos 4 del manto principal 3 se deben colocar formando una malla con dos líneas principales, cuyos ángulos a y b son aproximadamente de 35º y de 55º al inicio de la región disipadora 11 y que van girando hasta alcanzar la región de oscilación 12 con líneas principales con ángulos c y d aproximadamente de 35º y 55º, preferiblemente, cuyo valor depende del tipo de canto 4 que forma el manto principal 3. En el caso de cantos 4 no paralelepipédicos, los ángulos a, b, c y d se definen en función de su dimensión principal, que es la mayor de entre los tres ejes del elipsoide que, imaginariamente, envuelve dicho canto 4. Cuando los cantos 4 sean cubos o paralelepípedos es suficiente colocar dos cantos 4 por alineación. Cuando los cantos 4 sean escollera, se recomienda colocar tres cantos 4 por alineación, excepto cuando se pueda tallar la piedra y darle forma cúbica.
El manto secundario 6 por debajo del principal 3, debe cumplir tres funciones, dos conocidas por la técnica anterior y una tercera específica de la invención. Las dos primeras son filtro geotécnico y superficie de fricción del manto principal 3. Por tanto, el tamaño de los cantos 4 se determina de acuerdo con los estándares al uso de la ingeniería marítima. La tercera función es proporcionar una superficie de apoyo adecuada para que los cantos 4 del manto principal 3 se puedan colocar con las alineaciones indicadas, a y b. Ésta se especifica simplemente por "vaciado" del manto principal 3 para cada tipo de canto 4. La tercera función del manto secundario 6 junto con el núcleo 5 es la de soporte del manto principal 3, satisfaciendo la condición de filtro, colocando preferiblemente según la invención un geotextil. Pueden ser de cualquier tipo de material y tamaño que satisfaga las condiciones de durabilidad, incluso excedente de voladura de cantera y otros materiales de construcción.
Las características y procesos hidrodinámicos principales de la invención son los siguientes:
Partición de la energía: el perfil geométrico de máxima estabilidad optimiza el reparto de la energía incidente, maximizando la energía disipada por rotura en voluta, minimizando los flujos de energía reflejada y transmitida a través del dique. Además, la partición de energía se produce escalonadamente a lo largo del perfil del manto principal 3: la reflexión en la región 10 del pie del talud; la disipación en la región central 11. El "armado" del perfil 3 del dique mediante la colocación de los cantos 4 tal y como se propone en la invención, minimiza el flujo de energía transmitida por el perfil 3, a través del dique, hacia el interior del área protegida 1.
Armado del manto. El perfil auto-organizado de la invención presenta una estructura en malla, orientando los cantos 4 en planos que garantizan la máxima resistencia a la extracción. Este armado de la sección 3 se produce en los dos sentidos, hacia tierra y hacia el mar, tal y como se aprecia en la Figura 3. Este sistema de colocación produce una imbricación de los cantos 4 del manto principal 3, presentando superficies con una inclinación a y b que se opone a las velocidades máximas del flujo, ascendente y descendente. Tal y como se ha dicho anteriormente, este armado ayuda a minimizar la agitación a sotomar del dique.
El control del rebosamiento. La región superior o de oscilación controla el flujo de ascenso y descenso de la ola una vez que ha roto, y minimiza el rebosamiento por la coronación del dique al canalizar el flujo por un talud más rígido que el tradicional y friccionar la lámina de agua tanto en ascenso como en descenso y obligar en el descenso, prácticamente libre, a cambiar la dirección del flujo al alcanzar la segunda región 11, perdiendo velocidad por el cambio del talud y encontrarse con el flujo contrario debido a la siguiente ola rota.
En resumen, la presente invención desarrolla una tipología de dique en talud para obras marítimas, fluviales, lacustres y en embalses, con un perfil geométrico de tres regiones, 10, 11 y 12, que le proporciona la máxima estabilidad, de manera que, determinado el oleaje de diseño, se construye el manto principal 3 del dique con un tipo de cantos 4, colocados con los óptimos ángulos, a y b, de las líneas principales para obtener el armado del talud e imbricación entre cantos 4 de manera que resulte absolutamente estable para todas las olas de altura Hi igual o inferior a la de cálculo, caracterizándose este dique porque el coste de construcción es fijo, no admite cambios constructivos ni modificaciones del diseño, no tiene costes de mantenimiento ni costes de reparación o reconstrucción. La sección tipo del manto principal 3 puede construirse preferiblemente con dos o más capas, completándose con un manto secundario 6, que proporciona al manto principal 3 rugosidad al deslizamiento, continuándose este manto secundario 6 por debajo preferiblemente con un material de cimentación preferiblemente protegido por un geotextil que cumpla la condición de filtro.
En la realización preferente que acabamos de describir pueden introducirse aquellas modificaciones comprendidas dentro del alcance definido por las siguientes reivindicaciones.
