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Resumen
El presente artículo muestra los resultados experimentales de la estimación de los coeficientes de reflexión de la estructura que protege el entorno perimetral de la isla de Caletilla, ubicada en el estado de Guerrero, México. El objetivo del presente análisis experimental es el determinar los valores de los coeficientes de reflexión para diferentes espectros de oleaje con las condiciones de mar de fondo registradas en un evento extraordinario real.
El estudio en modelo hidráulico se realizó en un canal de olas con dimensiones 50 m de longitud, 1.20 m de profundidad y 0.60 m de ancho del Laboratorio de Hidráulica Marítima del Instituto Mexicano del Transporte (IMT), con las características de oleaje medidas durante el efecto de mar de fondo ocurrido del 4 al 7 de julio del 2014, misma que corresponden a alturas de ola que variaron de 1.5 m a 3.1 m, con períodos de oleaje que fluctuaron entre 15 y 20 seg.
Es importante destacar que la estimación de los coeficientes de reflexión no es posible realizarla mediante análisis teóricos de dicho fenómeno, debido al rompimiento parcial del oleaje que origina la estructura y que se asocia al fenómeno de la reflexión, por lo que resulta necesario realizar experimentos en modelos hidráulicos para disponer de una buena aproximación del valor de los coeficientes de reflexión.
Antecedentes
Como consecuencia del fuerte oleaje provocado por el fenómeno de “mar de fondo” que se ha presentado en la zona Oeste de la isla de Caletilla en las costas de Acapulco, Gro, se presentaron problemas de socavación en el muro perimetral y en la cimentación de las instalaciones turísticas de dicha isla, ver Figura 1, poniendo en riesgo las instalaciones turísticas.
El oleaje reflejado por una estructura causa incremento en la agitación frente a ella, la cual se propaga provocando socavación o erosión, lo que hace necesario realizar estudios que permitan disminuir la reflexión del oleaje.
El coeficiente de reflexión (Kr) entendida como la estimación de la propagación del oleaje reflejado, se define como la relación del oleaje reflejado Hr y el oleaje incidente Hi, como se muestra en la expresión (1):
Kr = Hr / Hi (1)
Figura 1. Levantamiento de los daños que presenta la zona de estudio.
Estudios preliminares de recopilación de información
La información de oleaje para realizar el modelo hidráulico de la protección marginal que de Isla Caletilla, fue la registrada por la boya direccional instalada por el IMT en la zona exterior de la bahía de Acapulco y los niveles del mar empleados en el estudio fueron los registrados con la estación mareográfica de la Red Nacional de Estaciones Oceanográficas y Meteorológicas (RENEOM) del IMT, instalada en el puerto de Acapulco, Guerrero, ver Figura 2.
Figura 2. Mareogramas que representan los niveles del mar registrados durante el levantamiento batimétrico.
La determinación de la sobreelevación por marea de tormenta se realizó de acuerdo al criterio propuesto por el Shore Protection Manual, la cual corresponde a 1.66 m respecto al N. B. M. I. Para la definición de las características del mar de fondo se tomó en consideración el registro de la boya direccional medidora de oleaje, para el período del 4 al 7 de julio de 2014, la cual se muestra en la serie de tiempo de la Figura 3.
Figura 3. Serie de tiempo de las alturas y periodos del oleaje de mar de fondo registrado los días del 4 al 7 de julio del 2014
De las series de tiempo mostradas en las figuras anteriores, se seleccionaron las alturas de ola representativas del fenómeno del mar de fondo en la bahía de Acapulco, ver Tabla 1.
Tabla 1. Periodos y alturas representativos del mar de fondo para la zona de estudio.
Proyecto de modelación hidráulica
La estimación experimental de reflexión del oleaje de la protección marginal se realizó con la misma escala horizontal y vertical considerando 1:30 conforme a la ley de similitud de Froude, y considerando las características del equipo de generación de olaje, las dimensiones y la pendiente del canal de olas del Laboratorio de Hidráulica Marítima del IMT, ver Figura 4.
Figura 4. Planta y el perfil longitudinal del canal de olas donde se realizaron los ensayos.
El canal de olas está equipado con un generador fijo que consta de una paleta metálica con movimiento monocromático, aleatorio unidireccional tipo pistón, con motor de corriente directa de poca inercia, que puede generar alturas de ola hasta de 40 cm con diferentes periodos, el cual a través de un software computacional, genera un archivo de señales digitales de oleaje irregular basadas en diferentes espectros de oleaje, estos datos se convierten a datos analógicos (variaciones de voltaje).
La medición de las alturas de ola en el modelo hidráulico se realizaron con sensores de oleaje tipo capacitivo de ±5 volts de resolución, considerando el oleaje senoidal representado en la Figura 5, del cuál analizando el comportamiento de la función descrita se define al número de oleaje K como la expresión (2):
La cual al ser multiplicada por
Límite
superior (f máx.):
Límite
inferior (f min):
Donde
Figura 5. Separación de sensores para obtener el oleaje senoidal en el modelo hidráulico.
La estructura de protección construida en modelo hidráulico en el canal de olas del Laboratorio de Hidráulica Marítima del IMT, se realizó simulando un tablestacado metálico de sección de acero óptima (50 años) del perfil, Tablestaca CRZ 19-700 de 4.5 m de longitud, grado A572-50 apoyada en vigas W14x68 empotradas en roca mediante perforaciones rellenas de concreto fluido con f’c = 150 kg/cm², como se muestra en la Figura 6.
Figura 6. Sección de la protección marginal con tablestaca metálica.
Para la estructura de protección marginal propuesta, se definió un tirante de agua de 6 m de prototipo, ensayado a escala 1:30 y para las condiciones de oleaje que se muestran en la Tabla 2.
Tabla 2. Condiciones de oleaje para ensayos en modelo hidráulico.
Los ensayos para la estimación de los coeficientes de reflexión se realizaron con tres diferentes espectros de oleaje: Bretshneider-Mitsuyasu, Jonswap y 5 parámetros de los tipos de espectro que permite analizar el software del equipo de generación del IMT.
Estimación de los coeficientes de reflexión
Como resultado de los ensayos realizados en modelo hidráulico, se observó lo siguiente:
a) Ensayos con diferentes condiciones de oleaje.
Estos ensayos se realizaron para periodos de oleaje de 5.0, 7.5, 10.0, 12.5, 15.0 y 20.0 segundos y para alturas de ola de 1.50 m a 3.50 m con espectro de oleaje tipo Bretschneider-Mitsuyasu, de estos ensayos se determinó la distribución de los coeficientes de reflexión en relación a las alturas de ola, ver Figura 7.
Figura 7. Distribución de alturas de ola significantes contra coeficientes de reflexión para diferentes periodos.
Se obtuvo la distribución de los periodos de oleaje en relación a los coeficientes de reflexión, ver Figura 8, de ambas distribuciones el resultado experimental muestra que los periodos más pequeños (T = 5 s) presentan coeficientes de reflexión mayores (Kr ≈ 0.94), y los periodos de condición de mar de fondo (T = 15 s y T = 20 s) presentan coeficientes cuyos valores de Kr están entre 0.88 y 0.89.
Figura 8. Distribución de periodos de oleaje contra coeficientes de reflexión.
b) Con diferentes espectros de oleaje.
Estos ensayos se realizaron para condiciones de mar de fondo, con periodos de 15 y 20 segundos, para diferentes alturas de ola, de estos ensayos resultaron las distribuciones de la Figura 9, que muestra alturas de ola en relación a los coeficientes de reflexión.
Figura 9. Distribución de alturas de ola significantes por coeficientes de reflexión para diferentes tipos de espectros.
Así mismo, la distribución de la Figura 10, muestra los periodos de oleaje en relación a los coeficientes de reflexión.
Figura 10. Distribución de periodos de oleaje de mar de fondo contra coeficientes de reflexión para diferentes tipos de espectros.
En la Figura 11 observamos la distribución de periodos de oleaje cuando se comparan las alturas de ola medidas, contra los coeficientes de reflexión resultados.
Figura 11. Distribución de periodos de oleaje contra coeficientes de reflexión para diferentes alturas de ola.
Conclusiones y recomendaciones
Las características del oleaje se retomaron de los registros de la boya direccional medidora de oleaje de la Red Nacional de Estaciones Oceanográficas y Meteorológicas (RENEOM) instalada en la zona exterior de la bahía de Acapulco en las coordenadas 16.77324° de latitud Norte y 99.85574° de longitud Oeste, para el evento de mar de fondo ocurrido en el período del 4 al 7 de julio de 2014.
Como resultado de la presente estimación experimental de los coeficientes de reflexión que se presentan al ensayar en modelo hidráulico la protección marginal de tablestacado de la Isla Caletilla, Guerrero, se concluye que el coeficiente de reflexión para los periodos menores (5 segundos), alcanzan valores de reflexión del orden de 0.94 y mientras que para periodos de mar de fondo (20 segundos) los valores de reflexión son del orden de 0.86.
Referencias
1.- SCT, IMT (2017). “Proyecto no. ve-05/17: Estudio en modelo hidráulico y numérico para definir el proyecto ejecutivo de la protección marginal en la Isla Caletilla en Acapulco, Gro.” Coordinación de Ingeniería Portuaria y Sistemas Geoespaciales, Sanfandila, Qro.
2.- Goda, Y., (1970). “A synthesis of breaking indices”. Trans. Japan Soc. Civil Engineering. 2, Part. 2.
3.- Goda, Y., (1975). “Irregular wave deformation in the surf zone”. Coastal Engineering.
4.- Mitsui Engineering and Shipbuildin Co, Ltd. (1991). “Specifications of wave generation and analysis software (for wave chanel)”. Irregulae wave: function type. ÁVILA Dora Luz PORRES Adriana SERRANO Etelberto
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(2)
(separación entre
sensores), ambos miembros de la ecuación anterior resulta la condición 
, la cual para 
, demuestra que la
función senoidal tiende a cero, por lo que la ecuación tendrá valores
determinados y físicamente posibles en el rango comprendido entre 0<
<
para valores de 
, por lo tanto,
sustituyendo los valores de 
y 
en la ecuación de forma independiente resulta
que sí 
y 
, el intervalo de
separación de los sensores, se puede expresar como (3 ) y (4):
(6); 
(7)
