Failure of the breakwater at Port Sines, Portugal

Failure of the breakwater

at port Sines,

Portugal

ASCE Port Sines Investigation Panel

1982

FAILURE OF THE BREAKWATER

AT PORT SINES, PORTUGAL

Prepared by

PORT SINES INVESTIGATING PANEL

Approved for publication by the

Coastal Engineering Research Council of the

American Society of Civil Engineers

Thié report is an investigation of tlie breal<water

failure that occurred on February 26, 1978,

and a compendium of data and reports relevant to this failure

Published by the

American Society of Civil Engineers

345 East 47th Street

New York, New York 10017

PORT SINES INVESTIGATING PANEL C o a s t a l E n g i n e e r i n g R e s e a r c h C o u n c i l A m e r i c a n S o c i e t y o f C i v i l E n g i n e e r s B i l l y L. E d g e , C h a i r m a n P r o f e s s o r o f C i v i l E n g i n e e r i n g C l e m s o n U n i v e r s i t y C l e m s o n , S o u t h C a r o l i n a W i l l i a m F. B a i r d M a n a g i n g D i r e c t o r H y d r o t e c h n o l o g y , L t d . O t t a w a , O n t a r i o , CANADA V i r g i n i a F a i r v / e a t h e r E d i t o r , ASCE News A m e r i c a n S o c i e t y o f C i v i l E n g i n e e r s New Y o r k , New Y o r k O r v i l l e T. Magoon C h i e f , C o a s t a l E n g i n e e r i n g B r a n c h U.S. Army E n g i n e e r D i v i s i o n , S o u t h P a c i f i c San F r a n c i s c o , C a l i f o r n i a J o s e p h M. C a l d w e l l C o n s u l t i n g E n g i n e e r D o n a l d D. T r e a d w e l l A r l i n g t o n , V i r g i n i a S e n i o r P r o j e c t E n g i n e e r W o o d w a r d - C l y d e C o n s u l t a n t s San F r a n c i s c o , C a l i f o r n i a

ACKNOWLEDGEMENTS T h i s s t u d y w a s made p o s s i b l e b y f u n d s p r o v i d e d b y t h e N a t i o n a l S c i e n c e F o u n d a t i o n . T h e e f f o r t s o f t h e P o r t S i n e s I n v e s t i g a t i n g P a n e l w e r e s u p p o r t e d b y NSP G r a n t N o . OP A 7 8 - 1 8 7 6 9 . S p e c i a l a p p r e c i a t i o n i s g i v e n t o t h o s e i n d i v i d u a l s i n NSF who r e c o g n i z e d t h e i m p o r t a n c e o f t h i s p r o j e c t , t h e c o l l e c t i o n o f i m m i n e n t l y p e r i s h a b l e d a t a , a n d e x p e d i t e d t h e n o r m a l r e v i e w p r o c e d u r e s . T h e C o a s t a l E n g i n e e r i n g R e s e a r c h C o u n c i l o f t h e A m e r i c a n S o c i e t y o f c i v i l E n g i n e e r s w a s i n s t r u m e n t a l i n i d e n t i f y i n g t h e n e e d a n d i m p o r t a n c e o f t h i s s t u d y . C o u n c i l C h a i r m a n D e a n M.P. O ' B r i e n a n d V i o e - C h a i r m a n R.L. W i e g e l w e r e v e r y h e l p f u l i n i d e n t i f y i n g t h e s o u r c e s o f s u p p o r t a n d m e m b e r s o f t h e P a n e l f o r " t h e s t u d y . T h e s t a f f o f t h e p a r e n t o r g a n i z a t i o n , t h e A m e r i c a n S o c i e t y o f C i v i l E n g i n e e r s , s u p p l i e d s u p p o r t t h r o u g h o u t t h e s t u d y . Two C a n a d i a n a g e n c i e s . P u b l i c W o r k s C a n a d a a n d t h e N a t i o n a l R e s e a r c h C o u n c i l , u n d e r t o o k f o r t h i s f a i l u r e a n i n v e s t i g a t i o n t h a t i n v o l v e d a u n i q u e s e r i e s o f m o d e l s t u d i e s a n d p r o v i d e d t h e r e s u l t s o f t h e s e s t u d i e s t o t h e P a n e l . I n a d d i t i o n , s t u d i e s made b y L a b o r a t o r i o N a c i o n a l d e E n g e n h a r i a c i v i l a n d b y L a b o r a t o i r e C e n t r a l d ' H y d r a u l i q u e d e F r a n c e w e r e f r e e l y p r o v i d e d f o r t h e s t u d y . A s p e c i a l a p p r e c i a t i o n i s g i v e n t o t h e f o l l o w i n g i n d i v i d u a l s , who c o n t r i b u t e d s u b s t a n t i a l l y t o t h e i n f o r m a t i o n g a t h e r e d d u r i n g t h e s t u d y ; Mr. I s m a e l B i s c a i a d e C a r v a l h o P r o j e c t E n g i n e e r G a b i n e t e d a A r e a d e S i n e s M r . M a r i o P. A. F e r n a n d e s c h a i r m a n , P o r t u g u e s e I n v e s t i g a t i n g C o m m i t t e e P r o f . V a s c o C o s t a C o n s u l m a r , L i s b o n P r o f . F r e n a n d o M. A b e c a s i s D i r e c t o r , H y d r a u l i c s D e p a r t m e n t L a b o r a t o r i o N a c i o n a l de E n g e n h a r i a C i v i l P r o f e s s o r R o b e r t L . W i e g e l C o a s t a l E n g i n e e r i n g R e s e a r c h C o u n c i l D r . M i c h a e l P. Gaus N a t i o n a l S c i e n c e F o u n d a t i o n Mr. J o h n M e t t a m B e r t l i n s P a r t n e r s , U.K.

vii

D r . I n g G i u s e p p e P a o l e l l a C o m ' t e D o m e n i c o P e t t i n a r i S o c i e t a I t a l i a n a p e r C o n d o t t G d ' A c q u a , L i s b o n L a u r e n c e D r a p e r I n s t i t u t e o f O c e a n o g r a p h i c S c i e n c e s , U.K. V e r y t h o r o u g h r e v i e w s o f d r a f t s o f t h i s r e p o r t w e r e p r o v i d e d b y Mr. F e r n a n d e s , P r o f . A b e c a s i s , B e r t l i n & P a r t n e r s , D r . P a o l e l l a , C o m ' t e P e t t i n a r i , Mr. R o b e r t A. J a c h o w s k i o f t h e C o a s t a l E n g i n e e r i n g R e s e a r c h C e n t e r , Mr. W i l l i a m S. B i v i n s o f t h e N u c l e a r R e g u l a t o r y C o m m i s s i o n , D r . R o b e r t A. C r i s t o f t h e A m e r i c a n S o c i e t y o f C i v i l E n g i n e e r s , D r . J o h n S. F i s h e r o f C l e m s o n U n i v e r s i t y , D e a n M. P. O ' B r i e n , P r o f . R o b e r t L. W i e g e l , P r o f . R o b e r t G. D e a n o f U n i v e r s i t y o f D e l a w a r e , a n d P r o f . Ben C. G e r w i c k , J r . o f U n i v e r s i t y o f C a l i f o r n i a , B e r k e l e y . S i g n i f i c a n t s u p p o r t i n t e r m s o f s t a f f t i m e a n d o t h e r s e r v i c e s was p r o v i d e d b y : T h e A m e r i c a n S o c i e t y o f C i v i l E n g i n e e r s , New Y o r k ; V / o o d w a r d - C l y d e C o n s u l t a n t s , San F r a n c i s c o ; C l e m s o n U n i v e r s i t y , S o u t h C a r o l i n a ; Dames & M o o r e , W a s h i n g t o n , D.C; t h e U.S. Army E n g i n e e r D i v i s i o n , S o u t h P a c i f i c , San F r a n c i s c o ; a n d H y d r o t e c h n o l o g y , L t d . , O t t a w a .

TABLE OF CONTENTS C h a p t e r p a g e A c k n o w l e d g e m e n t s vii 1 . I n t r o d u c t i o n 1 2. P r o j e c t D e s c r i p t i o n 3 3. P h y s i c a l S e t t i n g 7 4. D e s i g n o f t h e W e s t B r e a k w a t e r 19 5. C o n s t r u c t i o n a t S i n e s B r e a k w a t e r 28 6. T h e S t o r m o f 2 6 F e b r u a r y 1 9 7 8 45 7. s t a t u s o f B r e a k w a t e r A f t e r t h e S t o r m 53 8. s t u d i e s S u b s e q u e n t t o F a i l u r e 60 9. C o n s i d e r a t i o n s i n E v a l u a t i o n o f F a i l u r e 65 R e f e r e n c e s 75 A p p e n d i c e s A. O f f i c i a l R e p l y o f B e r t l l n - C o n s u l m a r - L u s o t e c h n a t o I n q u i r y o f P o r t u g u e s e I n v e s t i g a t i n g C o m m i t t e e 78 B. O f f i c i a l R e p l i e s o f C o n d o t t e d' A c q u a t o I n q u i r y o f P o r t u g u e s e I n v e s t i g a t i n g C o m m i t t e e 103 C. R e p o r t o f t h e P o r t u g u e s e O f f i c i a l I n v e s t i g a t i n g C o m m i t t e e 146 D. E v a l u a t i o n o f Wave C o n d i t i o n s a t S i n e s 162 E. R a t i o n a l e f o r U n r e i n f o r c e d D o l o s a t S i n e s 194 F. R e c o r d o f D o l o s P l a c e m e n t b y Day f r o m 1 9 7 4 t o 1 9 7 8 201 G. C r o s s S e c t i o n s o f B r e a k w a t e r B e f o r e a n d a f t e r F e b r u a r y S t o r m 2 0 7 H. P h o t o g r a p h s S h o w i n g Damage o f B r e a k w a t e r A f t e r F e b r u a r y S t o r m 2 2 4 I . L i s t i n g o f D o c u m e n t s A v a i l a b l e t o t h e P a n e l 237 J . S t a t e o f t h e A r t o f R u b b l e Mound B r e a k w a t e r D e s i g n 2 4 1 K. R e p o r t o n D i m e n s i o n s o f D o l o s t o b e U s e d o n M a i n B r e a k w a t e r 2 4 9 L . Summary o f Wave H e i g h t s D u r i n g C o n s t r u c t i o n a n d P l a c e m e n t S c h e d u l e o f Q u a r r y M a t e r i a l 2 6 1 M. E v a l u a t i o n o f C a u s e s o f Damage t o M a i n B r e a k w a t e r 2 7 1

ix

L I S T OP FIGURES

NO. T I T L E PftGE

2. 1 LOCATION OF PORT SINES 4 2.2 LAYOUT OF THE PORT OP SINES 5 3.1 BATHYMETRY OF PORT SINES 15 4.1 P I N A L DESIGN CROSS-SECTION OF BREAKI'7ATER 24

4.2 DIMENSIONS OF THE DOLOS UNITS 25 5. 1 PROGRESS OP CORE CONSTRUCTION BY MONTH 33

5.2 LOCATIONS OF M I S S I N G 3-6 TON STONE AT TIME OP

STORM (GAS) 37 5.3 LOCATIONS OP M I S S I N G DOLOS AT TIME OP STORM (GAS) 38

5.4 LONGITUDINAL PROFILE OF SUPERSTRUCTURE

BEFORE STORM 40 5.5 P R I N C I P A L RELATIONSHIPS FOR THE SINES PROJECT

DURING THE DESIGN PHASE 42 5.6 P R I N C I P A L R È L A T I O N S H I P S FOR THE SINES PROJECT

DURING THE CONSTRUCTION PHASE 43 6. 1 COMPARISON OF HINDCASTED VJAVES WITH THOSE

OBSERVED FROM PASSING SHIPS AND THOSE MEASURED

AT CABO DA ROCA FROM FEBRUARY 22 TO MARCH 2, 1 9 7 8 47 6.2 SYNTHESIS OP WAVE RECORD AT SINES FROM RECORDED

DATA AT CABO DA ROCA (MANSARD AND PLOEG, 1 9 7 8 ) 5 1 6.3 SAMPLE OF WAVE RECORD FROM CABO DA ROCA ON

FEBRUARY 2 6 , 1 9 7 8 52 7.1 A T Y P I C A L CROSS-SECTION AS OBSERVED BY DIVERS 5 4

7.2 LONGITUDINAL PROFILES OF THE SUPERSTRUCTURE

APTER THE STORJ-1 55 7.3 LOCATION OP I N D I V I D U A L DOLOS AT HEAD FOR WHICH

PRE- AND POST-STORM POSITIONS IffiRE OBTAINED 57 7.4 PLAN OP BREAKWATER SHOWING DAMAGE LOCATIONS

PROM FEBRUARY 1 9 7 8 STORM 59

L I S T OF T A B L E S

NO. T I T L E PAGE

3.1 EXAMPLE CONDITIONS REQUIRED TO GENERATE

S I G N I F I C A N T WAVE HEIGHTS OP 8, 10 AND l i m 9 3.2 PERCENT OF TIME IN EACH MONTH THAT S I G N I F I C A N T

WAVE HEIGHT EXCEEDS STATED VALUE 11 3.3 PERCENT OF TIME THAT "SWELL" FROM N AND NW

E X C E E D S ( 1 2 F E E T ) 3.7 m I N EACH SEASON 11 3.4 TOTAL NUMBER OF SHIPBOARD OBSERVATIONS BY

SEASON AND THE MAXIMUM OBSERVED S I G N I F I C A N T WAVE

HEIGHT RECORDED DURING THE S E R I E S OP OBSERVATIONS 12 3.5 STORM SURGE HEIGHT (m) FOR EXAMPLE CONDITIONS 13 4.1 BREAKWATER DESIGN C R I T E R I A (METTAM, 1 9 7 6 ) 20 4.2 WAVE P E R I O D S FOR REGULAR WAVE MODEL T E S T S (METTAM, 1 9 7 6 ) . . . 21

5.1 SUM^aRY OF NUMBERS OF DOLOS PLACED EACH MONTH ( G A S ) 35 5 .2 R E S U L T S OBTAINED FROM COMPRESSION T E S T S ON

CONCRETE CYLINDERS MADE PROM DOLOS USING

B 400 BD 11 CONCRETE AT 28 DAYS I N 1977 36 5.3 UNPLACED DOLOS ON 26 FEBRUARY 1978 39 6. 1 RETURN PERIOD FOR WINDS ('JEST OF S I N E S 46 6.2 MAXIMUM VJAVE HEIGHTS DETERMINED FROM TUCKER-DRAPER

METHOD AT CABO DA ROCA 49 6.3 S I G N I F I C A N T WAVE HEIGHTS I N E X C E S S OF 5.5 m

BASED ON TUCKER-DRAPER A N A L Y S I S AT CABO DA ROCA 50 6.4 VALUES OF MEAN PERIOD FOR WAVES WITH GREATER

THAN 10 S E C AT CABO DA ROCA 50 7. 1 NET MOVEMENT OF I N D I V I D U A L DOLOS AT THE HEAD AS

DETERMINED BY P R E - AND POST-STORM SURVEYS (METERS) 5 6

CHAPTER 1 I n t r o d u c t i o n T h i s r e p o r t s u m m a r i z e s t h e e f f o r t s o f t h e P o r t S i n e s I n v e s t i g a t i o n P a n e l , f u n d e d by t h e N a t i o n a l S c i e n c e F o u n d a t i o n a n d h e a d e d by D r . B i l l y h. E d g e o f C l e m s o n U n i v e r s i t y , C l e m s o n , S o u t h C a r o l i n a . T h e o b j e c t i v e s o f t h i s p a n e l w e r e t o c o l l e c t p e r i s h a b l e d a t a on a n d t o i d e n t i f y p o s s i b l e c a u s e s o f t h e f a i l u r e on F e b r u a r y 2 6 , 1 9 7 8 , o f t h e r u b b l e mound b r e a k w a t e r a t P o r t S i n e s , o n t h e A t l a n t i c c o a s t o f P o r t u g a l . T h e s t r u c t u r e i s t h e l a r g e s t o f i t s k i n d i n s u c h a n e x p o s e d e n v i r o n -m e n t . T h e b r e a k w a t e r i s s i t u a t e d i n a p r e v i o u s l y u n t r i e d c o -m b i n a t i o n o f u n u s u a l l y d e e p w a t e r ( a b o u t 50 m e t e r s a t t h e s e a w a r d t e r m i n u s ) a n d a h i g h -e n -e r g y m a r i n -e s -e t t i n g ( t h -e 1 0 0 - y -e a r r -e t u r n p -e r i o d s i g n i f i c a n t wav-e h -e i g h t was e s t i m a t e d t o be 11 m e t e r s ) . C o n s t r u c t i o n was n e a r l y c o m p l e t e when c r i t i c a l damage was s u s t a i n e d i n s t o r m w a v e s t h o u g h t by m o s t t o be b e l o w t h e 11 m e t e r s i g n i f i c a n t w a v e h e i g h t f o r w h i c h t h e s t r u c t u r e was d e s i g n e d . T h e damage c o n s i s t e d o f t h e c o m p l e t e l o s s o f some t w o - t h i r d s o f t h e armor l a y e r o f 42 t o n * d o l o s u n i t s . A t a f e w l o c a t i o n s t h e c o n c r e t e s u p e r s t r u c -t u r e w a s s e v e r e l y damaged a s a r e s u l -t o f u n d e r m i n i n g a n d o f wave I m p a c -t on t h e f r o n t f a c e w h e r e l o s s o f t h e d o l o s h a d o c c u r r e d . T h e b r e a k w a t e r was t o h a v e s h e l t e r e d w i t h i n i t s r e a c h a p o r t f o r an a m b i t i o u s i n d u s t r i a l c o m p l e x on w h i c h t h e e c o n o m i c f u t u r e o f P o r t u g a l i s i n l a r g e p a r t p r e d i c a t e d . T h e p o r t i n c l u d e s b e r t h s f o r d e e p w a t e r o i l t a n k e r s a n d t e r m i n a l s f o r l i q u i f i e d p e t r o l e u m g a s , o r e c a r r i e r s a n d b r e a k b u l k c a r g o . Had t h e S i n e s P o r t b e e n f u l l y o p e r a t i o n a l when t h e damage o c c u r r e d , t h e e c o n o m i c c o n s e q u e n c e s w o u l d h a v e b e e n m u l t i p l i e d many t i m e s o v e r .

A s t h e w o r l d e n e r g y s e a r c h a c c e l e r a t e s , e n g i n e e r s w i l l be d e s i g n i n g more a n d more e n e r g y - r e l a t e d f a c i l i t i e s a l o n g s h o r e l i n e s w h i c h may r e q u i r e d e e p w a t e r a c c e s s a n d may t h e r e f o r e i n v o l v e b r e a k w a t e r s t r u c t u r e s . The i n t e g r i t y o f a s s o c i a t e d w a v e p r o t e c t i o n s t r u c t u r e s may h a v e o t h e r t h a n e c o n o m i c s i g n i f i c a n c e . T h e o b j e c t i v e o f t h i s i n v e s t i g a t i o n , a s d e l i n e a t e d i n t h e p r o p o s a l d a t e d M a r c h 1978 t o t h e N a t i o n a l S c i e n c e F o u n d a t i o n f o r t h e S i n e s i n v e s t i -g a t i o n , was t o c o l l e c t p e r i s h a b l e d a t a t h a t c o u l d be u s e d i n s u b s e q u e n t s t u d i e s t o e v a l u a t e f i v e s i m p l i f i e d f a i l u r e p o s s i b i l i t i e s : * m e t r i c t o n s

( 1 ) t h a t d e s i g n c r i t e r i a w e r e e x c e e d e d by t h e F e b r u a r y 1 9 7 8 s t o r m ; ( 2 ) t h a t t h e b r e a k w a t e r c o n s t r u c t i o n was f a u l t y ; ( 3 ) t h a t t h e m a t e r i a l s u s e d f o r b r e a k w a t e r c o n s t r u c t i o n w e r e s u b -s t a n d a r d ; ( 4 ) t h a t t h e p r o c e d u r e s f o l l o w e d d u r i n g t h e d e s i g n o f t h e b r e a k w a t e r w e r e i n c o m p l e t e o r i n c o r r e c t f o r t h i s s p e c i f i c s e t o f e n v i r o n -m e n t a l c o n d i t i o n s ; ( 5 ) t h a t t h e d e s i g n v/as i n a d e q u a t e . T h i s i n v e s t i g a t i o n was i n r e s p o n s e t o a s e r i e s o f r u b b l e mound f a i l u r e s w h i c h h a v e r e c e n t l y b e e n o b s e r v e d a r o u n d t h e w o r l d . E d g e a n d Magoon ( 1 9 7 9 ) h a v e n o t e d t h e d e t a i l s of s e v e r a l o f t h e s e f a i l u r e s . T h e i n v e s t i g a t i o n u n d e r t a k e n by t h i s c o m m i t t e e was b a s e d on two s i t e v i s i t s (May a n d A u g u s t 1978) a n d on d i s c u s s i o n s w i t h P o r t u g u e s e a u t h o r i -t i e s r e s p o n s i b l e f o r -t h e p r o j e c -t , -t h e d e s i g n e n g i n e e r s , -t h e e n g i n e e r s o f t h e P o r t u g u e s e H y d r a u l i c L a b o r a t o r y ( L N E C ) , s i t e s u p e r v i s i o n s t a f f a n d t h e o f f i c i a l s o f t h e c o n s t r u c t i o n company. T h e o b j e c t i v e o f t h i s i n v e s t i g a t i o n v/as n o t t o f i n d a c r u c i a l e r r o r or o m i s s i o n . I n d e e d , g i v e n t h e immense s i z e and c o m p l e x i t y o f t h i s p r o j e c t , many f a c t o r s s t a n d o u t f o r c o n s i d e r a t i o n . The o b j e c t i v e o f t h i s i n v e s t i g a -t i o n was -t o r e p o r -t on p o s s i b l e p r o b l e m s , o m i s s i o n s , a n d e r r o r s -t h a -t c o u l d h a v e c o n t r i b u t e d t o t h e f a i l u r e o f t h e S i n e s b r e a k w a t e r . I t i s t h e h o p e o f t h e p a n e l t h a t , a s t h e r e s u l t o f t h i s r e p o r t , e n g i n e e r s w i l l be a b l e t o b e n e f i t f r o m t h e e x p e r i e n c e a t s i n e s i n t h e d e s i g n a n d c o n s t r u c t i o n o f f u t u r e b r e a k w a t e r s . T h e s t r u c t u r e h a s s u s t a i n e d f u r t h e r damage s i n c e t h e F e b r u a r y 1978 s t o r m . I n D e c e m b e r 1978 a n d i n F e b r u a r y 1979 s t o r m a c t i o n r e m o v e d a l l a r m o r p r o t e c t i o n , i n c l u d i n g some t e m p o r a r y r e m e d i a l vrorks p l a c e d i n t h e F a l l o f 1978, f r o m t h e s e a w a r d 1-1/2 km o f t h e b r e a k w a t e r . Much o f t h e c o n c r e t e s u p e r s t r u c t u r e h a s b e e n l o s t .

2

CHAPTER 2 P r o j e c t D e s c r i p t i o n T h e S i n e s b r e a k w a t e r i s t h e s i n g l e m o s t c r i t i c a l c o m p o n e n t o f a v a s t i n d u s t r i a l c o m p l e x p l a n n e d b y t h e P o r t u g u e s e g o v e r n m e n t . The A t l a n t i c d e e p w a t e r p o r t a n d a h o s t o f l a n d s i d e f a c i l i t i e s d e p e n d o n t h e e f f i c i e n t , s a f e o p e r a t i o n o f t h e p o r t , w h i c h i n t u r n d e p e n d s o n a s e c u r e b r e a k w a t e r . T h e e n t i r e c o m p l e x i s s i t e d i m m e d i a t e l y s o u t h o f Cape S i n e s b e c a u s e o f t h a t a r e a ' s d e e p w a t e r . T h e C a p e , a b o u t 100 km s o u t h o f L i s b o n a l o n g t h e A t l a n t i c c o a s t ( s e e F i g u r e 2 . 1 ) , l i e s a l o n g t h e p r e s e n t i n t e r n a t i o n a l r o u t e s f o r c r u d e o i l a n d i r o n o r e c a r r i e r s . The s i t e h a s t h e s t e e p o c e a n f a l l o f f n e e d e d f o r a s u p e r t a n k e r p o r t ; r e q u i r e d d e p t h s f o r a n o i l t e r m i n a l o c c u r w i t h i n 1/2 t o 1 1/2 km o f t h e s h o r e . D e v e l o p m e n t o f a m a j o r p o r t a t C a p e S i n e s i n v o l v e d t h e c o n s t r u c t i o n o f a b r e a k w a t e r i n w a t e r d e p t h s o f u p t o 50 m. A l a y o u t o f t h e p o r t f a c i l i t y i s g i v e n i n F i g u r e 2.2. D e s i g n was b e g u n i n 1972 b y B e r t l i n a n d P a r t n e r s o f t h e U n i t e d K i n g d o m a n d C o n s u l m a r a n d L u s o t e c h n a , b o t h o f L i s b o n ; t h e c o n t r a c t o r c h o s e n was C o n d o t t e d ' A c q u a o f I t a l y . C o n s t r u c t i o n b e g a n . i n m i d - 1 9 7 3 . T h e b r e a k w a t e r i s a d u a l - p u r p o s e s t r u c t u r e , s u p p o r t i n g o i l p i p e l i n e s a s w e l l as p r o v i d i n g s h e l t e r f r o m t h e A t l a n t i c O c e a n f o r t h e p o r t . A q u a r r y f i l l c o r e i s a r m o r e d w i t h l a r g e r s t o n e , a n d on t h e s e a w a r d s i d e t h a t " s e l e c t e d " s t o n e i s b l a n k e t e d w i t h 4 2 - t c o n c r e t e d o l o s . A c o n c r e t e s u p e r s t r u c t u r e i n c l u d e s a w a v e w a l l , a n i n n e r ( p o r t s i d e ) r o a d v / a y , a n d s u p p o r t f o r t h e o i l p i p e l i n e s . The l a t t e r a r e i n t e n d e d t o s e r v e t h e t h r e e h a r b o r s i d e b e r t h s , b u i l t on c a i s s o n s a n d c o n n e c t e d t o t h e b r e a k w a t e r . The t h r e e , b e g i n n i n g w i t h t h e c l o s e s t t o s h o r e , a r e i n t e n d e d t o a c c o m m o d a t e 1 0 0 , 0 0 0 , 3 5 0 , 0 0 0 a n d 5 0 0 , 0 0 0 DWT t a n k e r s , r e s p e c t i v e l y . A b o u t 160 s q u a r e m i l e s o f i n l a n d f a c i l i t i e s a l s o d e p e n d o n t h e p o r t . T h o s e i n c l u d e a n o i l r e f i n e r y , a s t e e l m i l l , a p y r i t e p l a n t , a p e t r o c h e m -i c a l c o m p l e x , a n d o t h e r -i n d u s t r y , b o t h h e a v y a n d l -i g h t . Y e t a n o t h e r a s p e c t o f t h e m a s t e r p l a n i s a "new t o w n " , f o r w h i c h a p o p u l a t i o n o f a b o u t 1 0 0 , 0 0 0 h a s b e e n p r o j e c t e d . O v e r 5,000 d v / e l l i n g s a r e c o m p l e t e , a n d t h e c o n s t r u c -t i o n o f s c h o o l s , r e c r e a -t i o n c e n -t e r s , s h o p p i n g f a c i l i -t i e s a n d r e l a -t e d i n f r a s t r u c t u r e i s u n d e r w a y . 3

FIGURE 2

.1

LOCATION OF PORT SINES

P O R T O F S I N E S

The G a b i n e t e d a A r e a de S i n e s ( G A S ) h a s b e e n t h e r e s p o n s i b l e G o v e r n -m e n t a g e n c y f o r t h e e n t i r e S i n e s d e v e l o p -m e n t s i n c e t h e p r o j e c t i n c e p t i o n o v e r a d e c a d e a g o . T h e g o v e r n m e n t o f P o r t u g a l h a s u n d e r g o n e s e v e r a l c h a n g e s d u r i n g t h o s e y e a r s , m o s t n o t a b l y a r e v o l u t i o n i n 1 9 7 4 , t h e y e a r t h a t d e s i g n vias c o m p l e t e d a n d c o n s t r u c t i o n b e g a n . The S i n e s p r o j e c t o r i g i n a l l y i n c l u d e d p r i v a t e c a p i t a l . Some p o r t i o n s o f t h e p r o j e c t w e r e n a t i o n a l i z e d a f t e r t h e e v e n t s o f 1 9 7 4 . A t t h e t i m e o f t h e f a i l u r e i n F e b r u a r y 1978, t h e P o r t u g u e s e g o v e r n m e n t i s r e p o r t e d t o h a v e s p e n t , $ 1 7 6 , 0 0 0 , 0 0 0 on t h e b r e a k w a t e r a l o n e . T h e b r e a k w a t e r was d e s i g n e d b y t h e c o n s o r t i u m B e r t l l n C o n s u l m a r -L u s o t e c h n a . B e r t l i n a n d P a r t n e r s o f R e d h i l l , E n g l a n d , l e d t h e j o i n t d e s i g n e f f o r t w i t h t h e two P o r t u g u e s e f i rms > T h e b r e a k w a t e i r was c o n s t r u c t e d by t h e I t a l i a n f i r m S o c i e t a I t a l i a n a p e r C o n d o t t e d ' A c q u a o f Rome t h r o u g h t h e i r L i s b o n o f f i c e . 6

CHAPTER 3 P h y s i c a l S e t t i n g T h e l o c a l e n v i r o n m e n t a l f a c t o r s w h i c h v / o u l d a f f e c t t h e d e s i g n a n d c o n s t r u c t i o n o f t h e S i n e s b r e a k v / a t e r a r e w i n d s , w a v e s , t i d e s , c o a s t a l c u r r e n t s , e a r t h q u a k e s a n d t h e r e g i o n a l g e o l o g i c s e t t i n g . T h e w i n d a n d w a v e c l i m a t e o f P o r t u g a l i s d o m i n a t e d b y t h e " A z o r e s H i g h . " T h i s i s a h i g h p r e s s u r e s y s t e m f r e q u e n t l y p r e s e n t o v e r a g r o u p o f i s l a n d s some 2 , 0 0 0 km w e s t o f P o r t u g a l . W h i l e t h i s h i g h p r e s s u r e i s s t a t i o n a r y , l o w p r e s s u r e d i s t u r b a n c e s t r a v e l l i n g a c r o s s t h e A t l a n t i c O c e a n f r o m w e s t t o e a s t a r e f o r c e d t o t r a v e l t o t h e n o r t h o f t h e c o a s t o f P o r t u g a l . T h e h i g h p r e s s u r e s y s t e m may e f f e c t i v e l y r e m a i n o v e r t h e A z o r e s f o r a n u m b e r o f y e a r s . When t h i s h i g h p r e s s u r e r e g i o n I s d i s p l a c e d , l o w p r e s s u r e d i s t u r b a n c e s may m o v e d i r e c t l y t o w a r d s t h e c o a s t o f P o r t u g a l ; 1978 was a y e a r c h a r a c t e r i z e d b y s u c h a s i t u a t i o n . W i n d s T h e w i n d s a f f e c t t h e b r e a k w a t e r p r i n c i p a l l y b y g e n e r a t i n g w a v e s w h i c h a t t a c k t h e b r e a k w a t e r , a n d t h i s i s t h e m a j o r f a c t o r i n f l u e n c i n g i t s d e s i g n . A n o t h e r e f f e c t o f t h e w i n d i s i n p r o d u c i n g a s t o r m s u r g e , b u t , a s e x p l a i n e d i n a l a t e r s e c t i o n , t h i s i s a m i n o r c o n c e r n a t S i n e s . P r e c i s e d a t a d e s c r i b i n g t h e w i n d c l i m a t e a t S i n e s , o r o f f s h o r e f r o m S i n e s , a n d t h e w i n d s p e e d s a n d d i r e c t i o n s a s s o c i a t e d w i t h t h e F e b r u a r y 1978 s t o r m a r e n o t a v a i l a b l e . S e v e r e s t o r m s o v e r t h e A t l a n t i c O c e a n t h a t a r e n o t r e c o r d e d o n t h e c o a s t o f P o r t u g a l may p r o d u c e v e r y l a r g e w a v e s v / h i c h c a n r e a c h t h e P o r t o f S i n e s . H o w e v e r , u n t i l r e c e n t l y , t h e s e w a v e s w e r e n o t m e a s u r e d . I t was s u c h a c o n d i t i o n t h a t e x i s t e d o n 26 F e b r u a r y 1 9 7 8 . T h e s e w i n d s may b e f e l t o n t h e P o r t u g u e s e c o a s t , b u t t h e s p e e d s may be f a r l e s s t h a n t h e y a r e o v e r t h e o p e n f e t c h e s o f t h e o c e a n w h e r e t h e w a v e s a r e g e n e r a t e d . T h u s , m e a s u r e m e n t s o f w i n d s p e e d s , d u r a t i o n s , a n d d i r e c t i o n s o n t h e P o r t u g u e s e s h o r e a r e n o t r e l i a b l e i n d e x e s o f t h e w i n d s t h a t may b e e x p e c t e d t o g e n e r a t e w a v e s r e a c h i n g t h e P o r t u g u e s e c o a s t . W i n d v e l o c i t i e s o v e r t h e o c e a n a p p r o a c h e s t o S i n e s a r e m e a s u r e d a b o a r d v e s s e l s t r a v e r s i n g t h e w a t e r s o f f t h e P o r t u g u e s e c o a s t . One s e t o f t h e s e d a t a h a s b e e n c o l l e c t e d a n d s u m m a r i z e d b y t h e U.S. N a v y O c e a n o g r a p h i c 7

O f f i c e , a n d t h e s u m m a t i o n s a p p e a r i n t h a t o f f i c e ' s P u b l i c a t i o n 7 0 0 , O c e a n A t l a s o f t h e N o r t h A t l a n t i c , S e c t i o n I V "Sea a n d S w e l l " , 1963 ( R e p r i n t e d 1 9 7 0 ) . F o r t h e o c e a n a r e a i m m e d i a t e l y o f f s h o r e f r o m S i n e s , t h i s A t l a s s h o w s t h a t w i n d s i n e x c e s s o f 28 k n o t s ( 1 4 . 4 m/s) o c c u r d u r i n g e a c h m o n t h o f t h e y e a r e x c e p t J u n e , J u l y , A u g u s t , a n d S e p t e m b e r . U n f o r t u n a t e l y , t h e v e l o c i t y o f t h e maximum w i n d s i s n o t g i v e n , t h e d a t a b e i n g c o n f i n e d t o t h e s t a t e m e n t t h a t t h e w i n d s " e x c e e d e d 28 k n o t s . " A n o t h e r s e t o f w i n d d a t a a p p e a r s i n t h e Summary o f S y n o p t i c M e t e o r o -l o g i c a -l O b s e r v a t i o n s , W e s t e r n E u r o p e , V o -l . I , (SSMO) p u b -l i s h e d b y t h e U.S. N a v a l W e a t h e r S e r v i c e i n J a n u a r y 1 9 7 4 . T h e s e d a t a a r e a l s o b a s e d o n s h i p b o a r d o b s e r v a t i o n s , c o v e r i n g t h e p e r i o d 1 9 1 1 - 1 9 7 1 . T a b l e 3 o f t h e a b o v e SSMO f o r t h e 5° s q u a r e o f f t h e m i d - P o r t u g u e s e c o a s t s h o w s t h a t w i n d s i n e x c e s s o f a mean v e l o c i t y o f 4 8 + k n o t s h a v e b e e n o b s e r v e d i n 0 . 1 % o f t h e o b s e r v a t i o n s ( t o t a l o b s e r v a t i o n s , 1 2 , 9 0 0 ) . A l m o s t a l l o f t h e 4 8 + k n o t v ; l n d s h a v e come o u t o f t h e d i r e c t i o n s SW t h r o u g h W t o N. W i n d s b e t w e e n 34 a n d 47 k n o t s h a v e b e e n o b s e r v e d i n 2.3% o f t h e t o t a l o b s e r v a t i o n s , w i t h d i r e c t i o n c h a r a c t e r i s t i c s s i m i l a r t o t h e 4 8 + k n o t w i n d s . I t I s o f some i n t e r e s t t o n o t e h e r e t h e w i n d - w a v e g e n e r a t i o n r e l a t i o n s h i p g i v e n i n F i g u r e 3-16 o f t h e C o a s t a l E n g i n e e r i n g R e s e a r c h C e n t e r (CERC) S h o r e P r o t e c t i o n M a n u a l ( 1 9 7 5 ) . A t a b u l a t i o n f r o m F i g u r e 3-16 i s g i v e n o n T a b l e 3 . 1 , s h o w i n g a f e w o f t h e c o m b i n a t i o n s o f w i n d v e l o c i t y , f e t c h , a n d d u r a t i o n r e q u i r e d t o g e n e r a t e v/ave t r a i n s v / i t h a s i g n i f i c a n t h e i g h t o f 8, 1 0 , a n d 11 m e t e r s . The 8-m w a v e g e n e r a t i n g c o n d i t i o n s a r e shov/n b e c a u s e t h e F e b r u a r y 1978 s t o r m w h i c h s e v e r e l y d a m a g e d t h e b r e a k w a t e r i s b e l i e v e d t o h a v e g e n e r a t e d w a v e s o f a b o u t t h i s s i z e . A r e v i e w o f T a b l e 3.1 i n d i c a t e s t h a t a n 8-m s i g n i f i c a n t w a v e i s p r o b a b l y n o t a r a r e o c c u r r e n c e a t S i n e s . T h i s i s i n d i c a t e d , f o r e x a m p l e , b y t h e f a c t t h a t a 4 3 - k n o t w i n d b l o w i n g f o r o n e d a y o u t o f t h e w e s t e r l y q u a d r a n t c o u l d g e n e r a t e B-m w a v e s . M o r e o v e r , a 4 5 - k n o t w i n d b l o w i n g f o r 33 h o u r s c o u l d be e x p e c t e d t o r a i s e a 10-m w a v e a n d 4 8 - k n o t w i n d b l o w i n g f o r 32 h o u r s t o r a i s e a n 11-m w a v e . T h e s e v a l u e s a r e b a s e d o n a 500 m i l e f e t c h w h i c h i s p o s s i b l e f o r t h i s s i t e . T h e p u r p o s e o f t h i s p r e s e n t a t i o n i s t o show t h a t w i n d s o f s u f f i c i e n t v e l o c i t y t o g e n e r a t e 10-m, 11-m, a n d e v e n h i g h e r w a v e s h a v e b e e n 8

T A B L E 3.1

EXAMPLE CONDITIONS REQUIRED TO

GENERATE S I G N I F I C A N T WAVE HEIGHTS OF 8, 10, AND 11 m

To g e n e r a t e 8- m e t e r ( 2 6- f t ) w a v e s F e t c h ( m i l e s ) W i n d 1 0 0 3 0 0 5 0 0 J 0 0 £ V e l o c i t y ( I c n o t s ) 6 0 4 3 3 8 3 5 D u r a t i o n ( h o u r s ) 8 2 3 3 7 7 0 To g e n e r a t e 1 0 - m e t e r ( 3 3 - f t ) w a v e s F e t c h ( m i l e s ) W i n d J[00 300 500 1000 v e l o c i t y ( k n o t s ) 73 53 45 41 D u r a t i o n ( h o u r s ) 7 20 33 62 To g e n e r a t e 1 1 - m e t e r ( 3 6 - f t ) waves F e t c h ( m i l e s ) W i n d 100 300 500 J M O V e l o c i t y ( k n o t s ) 77 55 48 43 D u r a t i o n ( h o u r s ) 7 19 32 60

( T h i s t a b l e i s b a s e d on F i g u r e 3 1 6 , Volume 1, U.S. Army C o a s t a l E n g i n e e r -i n g R e s e a r c h C e n t e r S h o r e P r o t e c t -i o n M a n u a l , 1975 E d . T h e s t a t e d wave h e i g h t s a r e " s i g n i f i c a n t " h e i g h t s . )

o b s e r v e d o n s h i p b o a r d i n t h e S" s q u a r e o f f L i s b o n . T h e s e o b s e r v a t i o n s w e r e p r i m a r i l y f o r t h e 6 0 - y e a r p e r i o d , 1 9 1 1 - 1 9 7 1 . T h e o b s e r v a t i o n s i n d i c a t e t h a t o n 16 o c c a s i o n s o v e r t h i s 6 0 - y e a r p e r i o d , t h e w i n d s w e r e i n e x c e s s o f 48 k n o t s . T h e " d u r a t i o n " o f t h e w i n d s i s n o t g i v e n i n t h e r e f e r e n c e d SSMO. I t m u s t b e p o i n t e d o u t t h a t t h e a b o v e d a t a s h o u l d o n l y be u s e d t o p r o v i d e a n o v e r a l l u n d e r s t a n d i n g o f t h e c l i m a t e o f t h e A t l a n t i c O c e a n a d j a c e n t t o P o r t u g a l . To p r o v i d e u s e f u l i n f o r m a t i o n o n w a v e s g e n e r a t e d b y w i n d , t h e e n t i r e c h a r a c t e r i s t i c o f t h e v ; i n d f i e l d d u r i n g t h e s t o r m m u s t be k n o w n . Waves T h r e e s e t s o f w a v e d a t a a p p l i c a b l e t o t h e S i n e s a r e a a r e r e a d i l y a v a i l a b l e . R e c o r d e d w a v e d a t a h a v e b e e n o b t a i n e d o v e r a s e v e n y e a r p e r i o d v / i t h w a v e g a u g e s l o c a t e d a t F i g u e i r a d a P o z , some 250 km n o r t h o f S i n e s . A d e s c r i p t i o n o f t h e P o r t u g u e s e w a v e c l i m a t e m e a s u r e m e n t p r o g r a m e x i s t i n g i n 1964 I s p r o v i d e d b y J.P. B a r c e l o ( 1 9 6 4 ) . H o w e v e r , t h e s e d a t a a r e t a k e n v e r y n e a r t h e s h o r e l i n e a n d a r e l i k e l y t o b e d e p t h l i m i t e d . T h e s e c o n d s e t o f a v a i l a b l e d a t a c o n s i s t s o f s h i p b o a r d o b s e r v a t i o n s made f r o m v e s s e l s t r a v e r s i n g t h e o c e a n w a t e r s o f f s h o r e f r o m P o r t u g a l . T h e U.S. N a v y O c e a n o g r a p h i c O f f i c e a n a l y s i s o f t h e s e d a t a , a s g i v e n i n t h e i r p u b l i c a t i o n 7 0 0 , i s s u m m a r i z e d b e l o w . T h e s e d a t a a r e o b s e r v a t i o n s b y s h i p ' s o f f i c e r s o f " t h e a v e r a g e h e i g h t o f t h e l a r g e r w e l l - f o r m e d w a v e s " a n d a r e c o n s i d e r e d t o b e a p p r o x i m a t e l y e q u i v a l e n t t o t h e s i g n i f i c a n t w a v e h e i g h t . T h e s i g n i f i c a n t w a v e h e i g h t i s d e f i n e d a s t h e a v e r a g e o f t h e o n e -t h i r d h i g h e s -t w a v e h e i g h -t s i n a r e c o r d . T h e w a v e h e i g h -t s a r e n o r m a l l y d e f i n e d u s i n g a z e r o - c r o s s i n g p r o c e d u r e ( D r a p e r , 1 9 6 6 ) . 10

TABLE 3.2

PERCENT OF T I M E I N EACH MONTH THAT VALUE S I G N I F I C A N T WAVE HEIGHT E X C E E D S STATED VALUE

2.4 m 3.7 m 6. 1 m ( 8 f t ) (12 f t ) (20 f t ) J a n . - -

PERCENT OF T I M E THAT " S ^ ^ L L " FROM N AND NW E X C E E D S 3.7 m ( 1 2 F T ) I N EACH SEASON J a n . - F e b . - M a r c h 15 % A p r . -hïay-June 8% J u l y - A u g . - S e p t . 2% O c t . - N o v . - D e c . 10 % 11

TABLE 3.4

TOTAL NUMBER OF SHIPBOARD OBSERVATIONS BY SEASONS AND THE MAXIMUM OBSERVED S I G N I F I C A N T WAVE HEIGHT

RECORDED DURING THE SERIES OF OBSERVATIONS

Number o f Maximum S i g n i f i c a n t S e a s o n O b s e r v a t i o n s Wave O b s e r v e d J a n . - F e b . - M a r c h 2044 8.2 m ( 2 7 f t ) A p r . - M a y - J u n e 2 9 1 6 7.6 m ( 2 5 f t ) J u i y - A u g . - S e p t . 2230 9.1 m ( 3 0 f t ) O c t . - N o v . - D e c . 1770 7.6 m ( 2 5 f t ) T h e a b o v e d a t a a r e u s e f u l i n g i v i n g a s e n s e o f t h e wave c l i m a t e a s a s s e s s e d f r o m v i s u a l s h i p b o a r d o b s e r v a t i o n s . T h e s e d a t a show t h a t a s i g n i -f i c a n t w a v e h e i g h t i n e x c e s s o -f 6 m ( 2 0 -f t ) i s n o t a n uncommon o c c u r r e n c e o f f t h e c o a s t o f P o r t u g a l a n d t h a t a s i g n i f i c a n t w a v e h e i g h t o f 9 m ( 3 0 f t ) h a s b e e n r e p o r t e d . I t s h o u l d b e n o t e d t h a t t h e a c c u r a c y o f t h e v i s u a l o b s e r v a t i o n s i s p r o b a b l y n o t h i g h . A t h i r d s e t o f w a v e d a t a , a l s o s h i p b o a r d o b s e r v a t i o n s , a p p e a r s i n t h e U.S. N a v a l W e a t h e r S e r v i c e Command SSMO, V o l x i m e 1 . F o r t h e 5° s q u a r e o f f L i s b o n , T a b l e 18 o f t h e SSMO s h o w s t h a t s i g n i f i c a n t w a v e h e i g h t s o f b e t w e e n 7.9 a n d 9.8 m ( 2 6 a n d 32 f e e t ) o c c u r r e d i n 0 . 2 % o f t h e o b s e r v a t i o n s . S i g n i f i c a n t w a v e h e i g h t s o f b e t w e e n 1 0 . 1 a n d 1 2 . 2 m ( 3 3 a n d 4 0 f e e t ) w e r e r e p o r t e d , b u t f o r l e s s t h a n 0 . 1 % o f t h e o b s e r v a t i o n s . No v a l u e s g r e a t e r t h a n 12 m ( 4 0 f e e t ) w e r e r e p o r t e d . T h e d a t a w e r e r e c o r d e d b e t w e e n 1963 a n d 1 9 7 1 . T h e SSMO r e p o r t r e m a r l c s t h a t v e s s e l s u s u a l l y t r y t o a v o i d t h e a r e a s o f h i g h w a v e s a n d t h a t , a s a r e s u l t , t h e o b s e r v a t i o n s a r e p r o b a b l y b i a s e d t o t h e l o w s i d e . T h e w a v e d a t a g i v e n a r e n o t s u f f i c i e n t l y e x t e n s i v e o r a c c u r a t e t o u n d e r t a k e a n e x t r e m e v a l u e a n a l y s i s o f a c c e p t a b l e r e l i a b i l i t y . T i d e s T h e t i d a l r a n g e s a t S i n e s a s s h o w n i n t h e t i d e t a b l e s a r e a s f o l l o w s : Mean R a n g e 6.6 f t ( 2 . 0 1 m) S p r i n g R a n g e 8.7 f t ( 2 . 6 5 m) T h e r e was a n e x c e p t i o n a l l y h i g h t i d e p r e d i c t e d f o r 26 F e b r u a r y 1 9 7 8 , t h e d a t e o f t h e d a m a g i n g s t o r m a t S i n e s . T h e p r e d i c t e d t i d e s w e r e a s f o l l o w s : 12

a t 6:03 a.m., 3.75 m ( 1 2 . 2 f t ) ; a t 1 1 : 4 6 a.m., 0 . 5 8 m ( 1 . 9 f t ) ; a t 6.23 p.m., 3 . 6 3 m ( 1 1 . 9 f t ) . T h e s e 26 F e b r u a r y e l e v a t i o n s d o n o t , o f c o u r s e , i n c l u d e a n y a d d i t i o n a l w a t e r s u r f a c e e l e v a t i o n s d u e t o t h e s t o r m i t s e l f . A l l t h e a b o v e e l e v a t i o n s r e f e r t o l o c a l c h a r t d a t a . S t o r m S u r g e s S t o r m s u r g e i s a f u n c t i o n o f t h e w i n d v e l o c i t y , t h e w i n d f e t c h , t h e w a t e r d e p t h , a n d t h e w i n d d u r a t i o n . I f i t i s a s s u m e d t h a t t h e w i n d d u r a t i o n i s s u f f i c i e n t t o r e a c h e q u i l i b r i u m c o n d i t i o n s , a n a p p r o x i m a t i o n o f t h e s u r g e h e i g h t a g a i n s t t h e s h o r e i s g i v e n b y t h e f o l l o w i n g e q u a t i o n f r o m t h e S h o r e P r o t e c t i o n M a n u a l , (CERC, 1 9 7 7 ) : w'^F S = 0.0325 i n w h i c h : S = s u r g e h e i g h t , m e t e r s W = w i n d s p e e d , k i l o m e t e r s p e r h o u r F = f e t c h , n a u t i c a l m i l e s D = a v e r a g e d e p t h o v e r f e t c h , m e t e r s . I t i s a s s u m e d i n t h i s e q u a t i o n t h a t w i n d s a r e b l o w i n g a t a r i g h t a n g l e t o t h e s h o r e . F r o m t h e a b o v e , t h e f o l l o w i n g e s t i m a t e s o f s t o r m s u r g e h e i g h t s a r e o b t a i n e d . TABLE 3.5

STORM SURGE HEIGHT (m) FOR E X A W L E CONDITIONS

28 k n o t s 34 k n o t s 4 8 k n o t s WIND SPEED ( 5 1 . 9 k m / h ) ( 6 3 . 0 k m / h ) ( 8 8 . 9 k m / h ) DEPTH 100 m 300 m 100 m 300 m 100 m 3 0 0 m STORM SURGE HEIGHT 0.37 0.12 0.42 0.18 1.09 0.36 0.74 0.25 0.85 0.36 2 . 1 8 0.72 1.11 0.37 1.28 0.54 3.27 1.09 13

The a b o v e t a b u l a t i o n i n d i c a t e s t h a t , e v e n w i t h a s u s t a i n e d w i n d o f 48 k t b l o w i n g o v e r a 3 0 0- n a u t i c a l m i l e f e t c h , t h e s t o r m s u r g e w o u l d be o n l y 1.09 m f o r a n a v e r a g e d e p t h o f | o O m. T h e s e f a c t o r s , a s s t a t e d , a r e b e l i e v e d t o b e c o n s e r v a t i v e , a n d t h u s a s t o r m s u r g e o n t h e o r d e r o f 1 m e t e r i s p r o b a b l y t h e maximum t h a t c o u l d be e x p e c t e d . C o a s t a l C u r r e n t s T h e p r e v a i l i n g c o a s t a l c u r r e n t o n t h e P o r t u g u e s e c o a s t i s s o u t h e r l y , w i t h a n a v e r a g e p e r s i s t e n c e o f 50% a n d an a v e r a g e s p e e d o f 0 . 4 t o 0 . 5 k n o t s . The B r i t i s h A d m i r a l t y c h a r t s i n d i c a t e t h a t i n t h e i m m e d i a t e v i c i n i t y o f t h i s c o a s t a l a r e a t h e c u r r e n t s a r e l e s s t h a n 0 . 2 5 k n o t s f o r one t h i r d o f t h e t i m e a n d l e s s t h a n 1.0 k n o t s a l m o s t a l l t h e t i m e . T h e y a l s o s h o w t h a t t h i s v a l u e i s e x c e e d e d o n l y f o r 1 t o 2% o f t h e t o t a l t i m e a n d n e v e r e x c e e d s 2 . 0 k n o t s . P r i o r t o t h e d e s i g n o f t h e b r e a k w a t e r , a l i m i t e d f i e l d m e a s u r e m e n t p r o g r a m h a d b e e n c o n d u c t e d b y t h e G e n e r a l P o r t D e p a r t m e n t ( f o r m e r l y t h e M a r i t i m e S e r v i c e s ) . The f i e l d d a t a c o l l e c t e d s u p p o r t , i n g e n e r a l , t h e o b s e r v a t i o n s p r e s e n t e d a b o v e . M o r e o v e r , t h e l o c a l f i s h e r m e n c o n f i r m t h a t t h e c u r r e n t s a r e i n s i g n i f i c a n t a n d h a v e n o d o m i n a n t d i r e c t i o n o f f l o w . B a t h y m e t r y A g e n e r a l v i e w o f t h e b a t h y m e t r y o f t h e s e a b o t t o m s u r r o u n d i n g t h e P o r t o f S i n e s i s g i v e n i n F i g u r e 3 . 1 . As c a n b e s e e n , t h e d e p t h i n c r e a s e s r a p i d l y t o 50 m a t t h e h e a d o f t h e b r e a k w a t e r a n d c o n t i n u e s t o i n c r e a s e t o t h e e d g e o f t h e c o n t i n e n t a l s h e l f , w h i c h i s 14 km f r o m t h e p o r t . N e a r t h e c o a s t t h e r e a r e n u m e r o u s r o c k y h e a d l a n d s , b o t t o m o u t c r o p s , a n d I s l a n d s . T h e b a t h y m e t r y i n F i g u r e 3 . 1 was o b t a i n e d f r o m a 1977 s u r v e y . S u b s e q u e n t t o t h e f a i l u r e o f t h e b r e a k w a t e r , e x t e n s i v e a n d d e t a i l e d b a t h y m e t r y s u r v e y s w e r e c o n d u c t e d b y t h e c o n t r a c t o r . A l t h o u g h t h e w a t e r i s v e r y d e e p o f f S i n e s , i t i s s u f f i c i e n t l y s h a l l o w t o a f f e c t l o n g w a v e s w i t h p e r i o d s i n e x c e s s o f 10 s e c o n d s . R e f r a c t i o n d i a g r a m s h a v e b e e n p r e p a r e d b y t h e L a b o r a t o i r e C e n t r a l d ' H y d r a u l i q u e de F r a n c e ( s e e a n n o t a t i o n i n A p p e n d i x I ) a n d t h e D e p a r t m e n t o f P u b l i c W o r k s o f C a n a d a , T h e s e w o r k s shovz t h a t s i g n i f i c a n t w a v e - r e f r a c t i o n e f f e c t s o c c u r s e a w a r d o f t h e b r e a k w a t e r . F o r c e r t a i n w a v e c o n d i t i o n s , c o n c e n t r a t i o n o f 14

O 1J> 2;0 3,0 S C A L E IN K I L O M E T E R S

FIGURE 3.1 BATHYMETRY OF PORT SINES (METERS)

t h e e n e r g y o f w a v e s o c c u r r i n g f r o m t h e v / e s t a n d n o r t h - w e s t d i r e c t i o n s may o c c u r i n t h e v i c i n i t y o f t h e b r e a k w a t e r . R e g i o n a l G e o l o g i c a l S e t t i n g S i n e s B a y i s l o c a t e d o n t h e s o u t h s i d e o f t h e C a b o d e S i n e s , t h e m o s t n o t a b l e p r o m o n t o r y o f t h e P o r t u g u e s e A t l a n t i c s e a b o a r d b e t w e e n S e t u b a l a n d C a b o d e Sao V i n c e n t e . T h i s h e a d l a n d , t o g e t h e r w i t h i t s o f f s h o r e e x t e n s i o n , P e r c e v e i r a I s l a n d , i s f o r m e d b y a c o m p l e x o f i g n e o u s r o c k s . To t h e n o r t h o f C a b o de S i n e s , t h e c o a s t l i n e c o n s i s t s o f s t r o n g l y f o l d e d g r e y l i m e -s t o n e -s , w h i c h r e -s u l t -s i n q u i t e l o w g r o u n d f o r -some d i -s t a n c e i n l a n d . T o t h e s o u t h o f C a b o d e S i n e s , t h e r o c k s c o n s i s t o f o l d e r s e d i m e n t s a n d t h e c o u n t r y r i s e s s t e a d i l y e a s t w a r d f r o m a l o w s h o r e l i n e t o t h e h i l l s a r o u n d C e r e a l . R e g i o n a l G e o l o g i c a l S t r u c t u r e a n d T e c t o n i c s T h e i g n e o u s a n d v o l c a n i c c o m p l e x c o n s i s t s o f a l o w dome w h i c h i s h i g h e s t a t C h a o s ( 1 0 1 m e t e r s ) . The dome d i p s g e n t l y t o w a r d s t h e w e s t a n d f o r m s s u b m a r i n e f e a t u r e s . I t a p p e a r s i n r e c e n t g e o l o g i c a l h i s t o r y t h a t a d o w n w a r d s m o v e m e n t o c c u r r e d w h i c h l e d t o t h e s u b m e r g e n c e o f many o f t h e v o l c a n i c o u t c r o p s u n d e r t h e s e a . T h e v o l c a n i c r o c k o u t c r o p s a r e s u r r o u n d e d b y a m e t a m o r p h i c a u r e o l e f o r m e d b y c o n t a c t w i t h t h e P a l e o z o i c s h a l e y mud-s t o n e mud-s ( mud-s o u t h o f Cabo d e S i n e mud-s ) , o r w i t h t h e J u r a mud-s mud-s i c l i m e mud-s t o n e r o c k mud-s ( n o r t h o f C a b o d e S i n e s ) . T h e dome h a s t w o d i s t i n c t b l o c k s : a m a i n l a r g e r b l o c k f o r m i n g t h e h i g h g r o u n d t o t h e e a s t o f t h i s a r e a , a n d a s m a l l e r l o w e r b l o c k f o r m i n g t h e l o w e r g r o u n d a r o u n d t h e t o w n o f S i n e s a n d t h e C a b o de S i n e s i t s e l f . T h e dome c o n s i s t s c h i e f l y o f o l i v e n e g a b b r o a n d o t h e r a s s o c i a t e d i n t e r m e d i a t e v o l c a n i c r o c k s . T h e r o c k s a r e h e a v i l y f r a c t u r e d a n d c u t b y n u m e r o u s d y k e s , some o f v / h i c h a r e t o b e f o u n d i n t r u d i n g t h e s u r r o u n d i n g c o u n t r y r o c k s . F a u l t i n g i n t h e g a b b r o i n t r u s i o n a p p e a r s t o h a v e b e e n s i m u l t a n e o u s w i t h t h e i n t r u s i o n s . T h e d y k e s h a v e b e e n i n t r u d e d a l o n g f a u l t z o n e s i n a n o r t h - e a s t t o s o u t h - w e s t d i r e c t i o n . P o s t - v o l c a n i c f a u l t i n g i s d u e t o t h e f o l d i n g w h i c h h a s o c c u r r e d p a r a l l e l t o t h e s h o r e l i n e . T h e d o l e r i t e d y k e s v / e s t o f S i n e s h a v e b e e n i n t r u d e d a l o n g t h e f r a c t u r e s a n d f a u l t z o n e s i n a n e a s t - n o r t h - e a s t t o w e s t - s o u t h - w e s t d i r e c t i o n . T h e d y k e s , e a s t o f S i n e s i n t h e T e r m i n a l M i n e r a l e i r o , a r e g e n e r a l l y n o r t h e a s t t o s o u t h w e s t a n d e a s t -16

n o r t h - e a s t t o w e s t - s o u t h - w e s t . The l i k e l y d i p o f t h e s h a l e y m u d s t o n e i s t o t h e s o u t h , i n t h e T e r m i n a l M i n e r a l e i r o a r e a . T h e f r a c t u r i n g t h a t i s p r e s e n t i n t h e a n d e s i t e s a n d d o l e r i t e s t o t h e v/est o f S i n e s a p p e a r s t o b e o r i e n t e d n o r t h - e a s t t o s o u t h - w e s t a n d e a s t 30 d e g r e e s s o u t h . The f r a c t u r e s t o t h e s o u t h o f Cabo de S i n e s h a v e d i r e c t i o n s w h i c h v a r y b e t w e e n 30 d e g r e e s s o u t h t o e a s t 10 d e g r e e s s o u t h , a n d e a s t 20 d e g r e e s n o r t h t o e a s t 30 d e g r e e s n o r t h . S e i s m i c i t y i n t h e S i n e s - L i s b o n R e g i o n D e s t r u c t i v e e a r t h q u a k e s i n P o r t u g a l h a v e b e e n a s s o c i a t e d w i t h t h e A z o r e s - G i b r a l t e r r i d g e a n d m o r e s p e c i f i c a l l y w i t h a f r a c t u r e z o n e b e t w e e n t h e A z o r e s a n d t h e s o u t h w e s t c o a s t o f P o r t u g a l . The g r e a t L i s b o n e a r t h -q u a k e o f 1755 i s a n e x a m p l e o f t h i s t y p e o f e a r t h -q u a k e . S h o c k s g e n e r a t e d i n t h e A z o r e s - G i b r a l t a r f r a c t u r e z o n e a r e u s u a l l y l a r g e ( m a g n i t u d e 7 ) a n d o f s h a l l o w f o c u s , a n d s t r i k e t h e P o r t u g u e s e c o a s t i n t h e t w o d i s t i n c t modes o f s e i s m i c e a r t h w a v e s a n d s e i s m i c s e a w a v e s ( t s u n a m i s ) . The t s u n a m i i n 1755 was e s t i m a t e d t o h a v e a w a v e r u n n u p o f u p t o 15 m e t e r s . R e c e n t e x a m p l e s o f s e i s m i c a c t i v i t y o f t h e A z o r e s - G i b r a l t a r f r a c t u r e z o n e o c c u r r e d o n N o v e m b e r 2 5 , 1 9 4 1 (M = 8.25 a n d f e l t i n t e n s i t y V I I ) a n d F e b r u a r y 2 8 t h , 1969 (M = 7.25, f o c a l d e p t h 18 k i l o m e t e r s a n d f e l t i n t e n s i t y V I I ) . T h e 1969 e a r t h q u a k e , w h i c h was t h e m o s t p o w e r f u l i n E u r o p e s i n c e 1 9 6 0 , p r o d u c e d a t s u n a m i w h i c h a t t a i n e d a h e i g h t o f 1.2 m e t e r s i n t h e G u l f o f C a d i z . S t r o n g m o t i o n i n s t r u m e n t s r e c o r d e d a f t e r s h o c k s i n t h e A z o r e s o f 1 5 - 1 8 % g a n d i n L i s b o n o f l e s s t h a n 10% g . * S e a b e d S u r f a c e C o n d i t i o n s a t t h e P o r t T h e s e a b e d t o p o g r a p h y a n d s u r f a c e c o n d i t i o n s i n t h i s a r e a c a n be d e s c r i b e d i n t e r m s o f t w o b r o a d z o n e s d e l i n e a t e d b y t h e a r e a s I n s h o r e a n d s e a w a r d o f t h e 35 m b a t h y m e t r i c c o n t o u r . I n t h e z o n e i n s h o r e o f t h e 35 m b a t h y m e t r i c c o n t o u r , t h e s e a b e d s u r f a c e t o p o g r a p h y i s q u i t e v a r i a b l e , w i t h n u m e r o u s s t e e p - s i d e d p i n n a c l e s a n d r i d g e s o f i g n e o u s r o c k . W i t h i n t h i s a r e a t h e s e a b e d t o p o g r a p h y i s a l s o c h a r a c t e r i z e d b y t h e s e v e r a l s e a b o t t o m r i s e s . * g - a c c e l e r a t i o n due t o g r a v i t y . 17

I n s h o r e o f t h e 35 m b a t h y m e t r i c c o n t o u r , s e a b e d s u r f a c e d e p o s i t s g e n e r a l l y c o n s i s t o f b r o v m , m e d i u m - t o - c o a r s e s h e l l y s a n d s , c o a r s e s a n d y g r a v e l s w i t h o c c a s i o n a l b o u l d e r s , a n d a s s o r t e d s u b - r o u n d e d i g n e o u s r o c k p e b b l e s a n d b o u l d e r s . T h e s e d e p o s i t s may b e b e d r o c k w e a t h e r i n g i n - s i t u , o r t r a n s p o r t e d m a t e r i a l . I n g e n e r a l t h e s e s u r f a c e d e p o s i t s e x i s t o n t h e s h a l l o w e r s l o p e s a n d i n t h e h o l l o w s o f t h e o u t c r o p p i n g i g n e o u s b e d r o c k . On s t e e p s l o p e s a n d p o i n t s o f h i g h e r e l e v a t i o n t h e b e d r o c k i s r e l a t i v e l y c l e a n a n d f r e e o f s u p e r f i c i a l d e p o s i t s . S e a w a r d o f t h e 35 m b a t h y m e t r i c c o n t o u r , t h e s e a b e d s l o p e s r e l a t i v e l y u n i f o r m l y d o w n t o t h e s o u t h w e s t , r e a c h i n g a m i n i m u m e l e v a t i o n o f a p p r o x -i m a t e l y 50 m b e l o w d a t u m w -i t h -i n t h e b o u n d a r -i e s o f t h e s u b j e c t s -i t e . B o r e h o l e s a t t h e b r e a k w a t e r show t h a t t h e s e a b e d c o n s i s t s o f d e p o s i t s o f l i g h t b r o w n , m e d i u m - t o - c o a r s e s a n d w i t h some s h e l l f r a g m e n t s . 18

CHAPTER 4 D e s i g n o f t h e W e s t B r e a k w a t e r T h e g e n e r a l c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e m a i n b r e a k w a t e r a n d i t s l o c a t i o n r e l a t i v e t o t h e p o r t f a c i l i t i e s a r e d e s c r i b e d i n t h e p r e c e d i n g s e c t i o n s o f t h i s r e p o r t . A m o r e d e t a i l e d d e s c r i p t i o n o f t h e d e s i g n o f t h e c r o s s -s e c t i o n i -s p r e -s e n t e d i n t h i -s -s e c t i o n a l o n g w i t h a d e -s c r i p t i o n o f t h e d e -s i g n c r i t e r i a a n d t h e s u p p o r t i n g m o d e l s t u d i e s . A d e s c r i p t i o n o f t h e d e s i g n o f t h e m a i n b r e a k w a t e r a t S i n e s i s g i v e n by Mettam ( 1 9 7 6 ) a n d M o r a l s ( 1 9 7 4 ) . D e s i g n V7ave C o n d i t i o n s A d e s c r i p t i o n o f t h e p r o c e d u r e u s e d t o d e t e r m i n e e x t r e m e w a v e s f o r t h e d e s i g n o f t h e S i n e s b r e a k w a t e r i s g i v e n by Mettam e t a l . ( 1 9 7 2 ) . VJhen t h e p r o j e c t b e g a n no w a v e r e c o r d i n g s w e r e a v a i l a b l e f o r t h e a r e a n e a r S i n e s , a n d e x t e n s i v e c o n s i d e r a t i o n was g i v e n t o wave d a t a r e c o r d e d a t o t h e r l o c a t i o n s a l o n g t h e c o a s t o f P o r t u g a l . A s u m m a t i o n o f t h e r e c o r d e d d a t a a v a i l a b l e i n 1972 f o r d e s i g n p u r p o s e s i s p r o v i d e d by J o h n D. Mettam o f B e r t l i n a n d P a r t n e r s , t h e l e a d d e s i g n f i r m f o r t h e S i n e s b r e a k v / a t e r : "A wave r e c o r d e r h a d b e e n i n s t a l l e d a t S i n e s i n S e p t e m b e r 1 9 7 1 , a s s o o n a s i t h a d become c l e a r t h a t t h i s s i t e w o u l d be s e l e c t e d f o r t h e h a r b o u r . T h i s , h o w e v e r , h a d o n l y y i e l d e d r e c o r d s f o r one w i n t e r when d e s i g n o f t h e b r e a k w a t e r s t a r t e d , a n d f o r two w i n t e r s when t h e f i n a l d e c i s i o n h a d t o be made on t h e w e i g h t o f a r m o r u n i t s . To s u p p l e m e n t t h i s r e c o r d an a n a l y s i s w a s made t o a s s e s s t h e p r o b a b l e wave c l i m a t e a t S i n e s f r o m some e a r l i e r d e t a i l e d o b s e r v a t i o n s made a t F i g u e i r a da F o z o v e r a p e r i o d o f 7 y e a r s . " Mettam ( 1 9 7 6 ) .

T h e w a v e r i d e r buoy a t S i n e s h a s b e e n m a i n t a i n e d somewhat i n t e r m i t -t e n -t l y s i n c e 1972. I n a d d i -t i o n -t o -t h e o f f s h o r e buoy, one i s m a i n -t a i n e d v ; i t h i n t h e h a r b o r . No e f f o r t was made t o h i n d c a s t wave d a t a f r o m a v a i l a b l e h i s t o r i c a l m e t e o r o l o g i c a l i n f o r m a t i o n . I n 1972 a n d 1973 GAS r e c e i v e d r e p o r t s f r o m i t s c o n s u l t a n t s on a n a l y s i s o f w a v e d a t a a n d d e r i v a t i o n o f e x t r e m e wave h e i g h t s b a s e d on b o t h v i s u a l o b s e r v a t i o n s a n d r e c o r d e d v a l u e s . The r e p o r t o f 1972 p r e s e n t e d an a n a l y s i s o f t h e v i s u a l d a t a o b s e r v e d a t F i g u e i r a da F o z w h i c h i s a p p r o x i m a t e l y 250 km n o r t h o f S i n e s a n d t a k e n b e t w e e n 1954 a n d 1960. I n 1971 a d d i t i o n a l d a t a w e r e c o l l e c t e d a t F i g u e i r a da F o z and c o m p a r e d w i t h t h e W a v e r i d e r m e a s u r e -m e n t s a t S i n e s t o o b t a i n a " t r a n s f e r l a w ; " t h i s l a w v/as i n t u r n u s e d t o 19

t r a n s l a t e t h e s e v e n - y e a r wave c l i m a t e o f F i g u e i r a d a F o z t o S i n e s . T h e s t u d y s h o w e d t h a t wave h e i g h t s up t o 4 m e t e r s w e r e 30 p e r c e n t h i g h e r a t F i g u e i r a d a F o z t h a n a t S i n e s . T h e r e was i n s u f f i c i e n t d a t a f o r c o r r e l a t i o n o f h i g h e r w a v e s . A c c o r d i n g t o B e r t l i n ( p e r s o n a l c o m m u n i c a t i o n , 1979), a d e t a i l e d r e f r a c t i o n s t u d y was c a r r i e d o u t t o r e l a t e w a v e h e i g h t s a r o u n d S i n e s t o t h e W a v e r i d e r t h e r e . T h e 1973 r e p o r t i n c l u d e d a n a n a l y s i s o f t h e W a v e r i d e r d a t a f r o m O c t o b e r 1971 t o F e b r u a r y 1 9 7 3 . T h i s r e p o r t f u r t h e r c l a r i f i e d t h e " t r a n s f e r lav/" by u s i n g o b s e r v a t i o n s a t o t h e r p o i n t s a l o n g t h e P o r t u g u e s e c o a s t . T h u s t h e f i n a l d e s i g n v/ave e s t a b l i s h e d f o r t h e b r e a k w a t e r d e s i g n was b a s e d on a p p r o x i m a t e l y one y e a r o f wave r e c o r d s o b t a i n e d a t S i n e s a n d s e v e n y e a r s o f o b s e r v a t i o n s o b t a i n e d a t F i g u e i r a d a F o z ( M e t t a m , 1 9 7 6 ) . T h e p r o c e d u r e s f o l l o w e d i n o b t a i n i n g s e v e n y e a r s o f d a t a a r e d e s c r i b e d b y C a r v a l h o a n d B a r c e l o ( 1 9 6 6 ) . S i n c e F i g u e i r a da F o z i s l o c a t e d 250 km n o r t h o f S i n e s , Mettam recommended (Mettam, 1 9 7 6 ) t h a t e q u a l c o n s i d e r a t i o n s h o u l d be g i v e n t o t h e o n e y e a r o f d a t a a t S i n e s a s t o t h e s e v e n y e a r r e c o r d . W i t h t h e s e d a t a , d e s i g n s p e c i f i c a t i o n s v/ere e s t a b l i s h e d a s shown i n T a b l e 4.1. D e s i g n D e v e l o p m e n t I n t h e i n i t i a l d e s i g n , c o n s i d e r a t i o n was g i v e n t o a r a n g e o f p o s s i b l e s o l u t i o n s . T h e m a i n c h o i c e was b e t w e e n r u b b l e mound c o n s t r u c t i o n a n d c o m p o s i t e c o n s t r u c t i o n w i t h a v e r t i c a l - f a c e d c a i s s o n s t r u c t u r e l o c a t e d on a s u b m e r g e d r u b b l e mound. (Mettam, 1 9 7 6 ) . T A B L E 4.1 BREAKWATER D E S I G N C R I T E R I A (METTAM, 1 9 7 6 ) S t o r m R e t u r n P e r i o d ( Y e a r s ) S i g n i f i c a n t Wave H e i g h t H (m) D o l o s Movement O v e r t o p p i n g 1 6.5 N i l B e g i n s w i t h H i n d i v i d u a l 10-11 m 10 8.5 O s c i l l a t i o n o n l y 30 9.5 B e g i n n i n g o f d i s p l a c e m e n t S e v e r e o v e r t o p 15-16 m H i n d i v i d u a l 100 11.0 1% Damage 20