Engineering with nature: an innovative solution for coastal erosion protection

Abstract

Coastal zones are a much-appreciated environment by society, and support a large amount of economic and leisure activities. Growing demographic pressure on these very special territories that are associated to rapid economic growth and coastward migration has resulted in significant infrastructure and assets located in risk-prone areas, increasing exposure and vulnerability to natural disasters along the coast, including erosion, flooding and salt intrusion. In these areas, sediment transport and erosive processes are worldwide critical aspects for territory planning and management, especially in countries with long coastline like Portugal, since these phenomena often endanger human life and property protection. A research effort is still needed to find more robust and nature-based protection solutions adequate for high energetic coastal environments. The design, construction and maintenance of coastal protection structures incorporating principles of resilience to climate change impacts require a comprehensive multidisciplinary scientific approach for a deep understanding on coastal hydromorphodynamics and on the behaviour of new eco-materials in marine environments. In this research work different methodologies were applied to describe: (i) wave climate regimes under uncertainty of climate changes scenarios off Iberian Peninsula coast; (ii) coastal hydro-morphology dynamics applying numeric modelling tools; and (iii) thermo-mechanical behaviour of an innovative eco-engineering solution for recycled steel fibre reinforced concrete armour unit. The main outcomes of this research are: (i) the determination of 10-, 50-, and 100-year return period of significant wave height and wave peak period values that can be used with confidence as design parameters for structural analyses in maritime works to be built in the western coast off Iberian Peninsula; (ii) results of a comparative study on coastal protection structures to promote wave energy dissipation and sediments retention; (iii) the proposal of an optimized geometry of maritime structures under longitudinal drift reversal conditions based on hydro- and morphodynamics modelling; (iv) a deep study on thermo-mechanical behaviour of a recycled steel fibre reinforced concrete armour unit; and (v) the proposal of an innovative ecoengineering solution for breakwater armour incorporating the new scientific achievements. Globally, this research work aims at the design and assessment of innovative nature-based coastal engineering solutions based on modelling and observation of natural accretion or sedimentary stable processes, and the application of high structural multifunctional eco-materials with high durability and ductility tested through numerical modelling.

A crescente pressão demográfica sobre as zonas costeiras, associada ao rápido crescimento económico e à migração de pessoas para o litoral, tem tido como consequência a implantação de infraestruturas e ativos significativos em áreas propensas a riscos, aumentando a exposição e a vulnerabilidade a desastres naturais ao longo da costa, incluindo erosão, inundações e intrusão salina. O transporte de sedimentos e os processos erosivos nestas áreas constituem aspetos críticos para o ordenamento e gestão do território, especialmente em países de costa extensa como Portugal, uma vez que estes fenómenos colocam frequentemente em risco a vida humana e a proteção de bens. O projeto, construção e manutenção de estruturas de proteção costeira baseadas na natureza em ambientes altamente energéticos, incorporando princípios de resiliência aos impactos das alterações climáticas, requerem uma abrangente abordagem científica multidisciplinar para a compreensão da hidro-morfodinâmica costeira e do comportamento de novos eco-materiais em ambientes marinhos. Neste trabalho de investigação, foram aplicadas diferentes metodologias para descrever: (i) regimes de agitação marítima em cenários de incerteza provocados por alterações climáticas na costa da Península Ibérica; (ii) modelação da dinâmica da hidro-morfologia costeira; e (iii) comportamento termo-mecânico de uma solução inovadora de eco-engenharia para blocos de mantos de quebramar em betão reforçado com fibras de aço reciclado. Os principais resultados deste trabalho de investigação são: (i) a determinação do período de retorno de 10, 50 e 100 anos para a altura de onda significativa e para valores de período de pico de onda que podem ser aplicados com confiança como parâmetros de projeto para análises estruturais em obras marítimas a construir na costa ocidental da Península Ibérica; (ii) resultados de um estudo comparativo de estruturas de proteção costeira para promover a dissipação da energia das ondas e a retenção de sedimentos; (iii) a proposta de uma geometria otimizada para estruturas marítimas sob condições de inversão longitudinal da deriva com base em modelação hidro-morfodinâmica; (iv) um estudo aprofundado sobre o comportamento termomecânico de blocos de mantos de quebramar em betão reforçado com fibras de aço reciclado; e (v) a proposta de uma solução inovadora de eco-engenharia para mantos de quebramar, incorporando os novos resultados científicos obtidos. Em resumo, este trabalho de investigação visa o projeto e avaliação de soluções inovadoras de engenharia costeira baseadas na natureza, através de modelação e observação de processos estáveis de acreção natural ou sedimentar e a aplicação de eco-materiais multifuncionais de alta durabilidade e ductilidade testados através de modelação numérica.