پیش بینی تراوش در سد خاکی با مدل شبکه عصبی

 چکیده

سدها همواره از سازه های زیر بنایی شمرده می‌شوند و دارای ارزش حیاتی می باشند. در گذشته ایجاد سد عمدتاً با اهداف تأمین آب آشامیدنی و آبیاری مزارع کشاورزی بوده ولی امروز به دلیل نیاز به انرژی برق آبی و اهداف دیگر توسعه بیشتری یافته است. برآورد میزان ۲۰ میلیارد متر مکعب برداشت از آب‌های شیرین جهان خود دلیلی بر اهمیت سد سازی در دنیای امروز است.  از این رو، بررسی و جلوگیری از خرابی سدها از اهمیت ویژه ای برخوردار است.

 اگرچه در گذشته پدیده روگذری، اولین دلیل تخریب سدها بوده است اما امروزه با افزایش دوره طراحی سیلاب، عمده ترین مشکلی که توجه مهندسان را به خود جلب کرده است، مسئله تراوش است. وجود تراوش در سدهای خاکی غیر قابل اجتناب است، اما اگر شرایط مناسبی برای فرسایش خاک وجود داشته باشد، موجب شسته شدن نقاط مستعد گردیده و چنانچه در ابتدای بروز فرسایش اقدامات لازم صورت نگیرد، به تخریب سد منجر می شود. اصولاً بروز تراوش در سدهای خاکی امری اجتناب ناپذیر است. اما می بایست تراوش طوری مهار شود تا در مدت ۵۰ الی ۱۰۰ سال بهره برداری سد، نتواند به پایداری و ایمنی سد لطمه ای بزند. با وجود تمام پیشرفت هایی صورت گرفته در علم مهندسی ژئوتکنیک، معضل تراوش تا به امروز اصلی ترین مشکلی است که در سدها بروز می کند.

در این تحقیق تلاش شد با به کارگیری شبکه عصبی مصنوعی به عنوان یکی از قویترین و معروف-ترین روش های داده کاوی به پیش بینی تراوش از بدنه سد  خاکی “ستارخان” پرداخته شود. جهت تحقق به این هدف، از مجموعه داده ای شامل ۱۶۸۴ داده پیزومتری استفاده شد. مجموعه داده به دو بخش آموزش و صحت سنجی با نسبت ۸۰ به ۲۰ تفکیک شدند.

کشور ایران بروی کمربند خشک کره زمین قرار دارد. متوسط بارندگی در ایران در حدود یک سوم بارندگی جهان و کمتر از یک دوم متوسط بارندگی آسیا می‌باشد؛ لذا اهمیت برنامه ریزی و مدیریت استفاده از منابع موجود آب امری حیاتی محسوب می‌شود. از این رو، شرایط اقلیمی کشور و نیاز آن به احداث سازه های ذخیره آب، احداث سدها را در دستور کار برنامه  ریزان قرار داده است که به عنوان سازه های مهارکننده آب‌های سطحی و کنترل سیلاب امکان استفاده بیشتر از آب رودخانه ها را فراهم می نمایند. مهار سیلاب ها و آب‌های جاری به کمک احداث سد از امور زیربنائی در رشد و توسعه هر کشور از جمله ایران به شمار می آید.

در کشورهایی مانند ایران که پراکندگی زمانی و مکانی بارندگی ها نامناسب است و ریزش های جوی در فصولی صورت می گیرد که شاید نیاز کمتری به آب باشد و یا قسمت اعظم نزولات در برخی مناطق متمرکز است، تنها راه چاره و مقابله با این مسئله احداث سد می-باشد و این امر به خصوص در کشورهای که متکی به کشاورزی هستند اجتناب ناپذیر است. احداث سد، کسب و کار و درآمد ملی به همراه دارد. در زمان حاضر شبکه های آبیاری وتامین آب کشاورزی در ایران باعث توسعه، بهبود و رونق اقتصادی مناطق شده است. یکی دیگر از اهداف عمده سد سازی استفاده از نیروی الکتریسیته است.

استفاده از این منبع که ارزان ترین نوع انرژی در اغلب کشورهای دنیاست، بسته به نیاز و ویژگی های ساختمانی، اهداف متفاوتی دارد. امروزه احداث سد با هدف تولید برق آبی یک امر متداول بوده و کشورهای پیشرفته و حتی در حال رشد کمال استفاده را از این پتانسیل موجود می برند.

چکیده

۱-۱- مقدمه ۲

۱-۲- بیان مسئله ۳

۱-۳- اهیمت و ضرورت تحقیق ۵

۱-۴- متغییرهای تحقیق ۸

۱-۵- متغییرهای تحقیق ۸

۱-۵-۱- هدف اصلی(کلی) تحقیق ۸

۱-۵-۲- اهداف فرعی(اختصاصی) ۸

۱-۶- سوال های تحقیق ۹

۱-۶-۱- سوال اصلی تحقیق: ۹

۱-۶-۲- سوال های فرعی(ویژه) ۹

۱-۷- فرضیه های تحقیق ۹

۱-۸- تعریف واژه ها و اصطلاحات فنی و تخصصی ( به صورت مفهومی و عملیاتی) ۱۰

۱-۸-۱- تعاریف مفهومی ۱۰

۱-۸-۲- تعاریف عملیاتی ۱۱

۱-۹- محدودیت های تحقیق ۱۱

۲-۱- تئوری پدیده تراوش ۱۳

۲-۱-۱- مقدمه ۱۳

۲-۱-۲- جریان در محیط‌های متخلخل ۱۳

۲-۱-۳- تراوش حالت پایدار ایزوتروپیک ناهمگن ۱۷

۲-۱-۴- تراوش حالت پایدار، غیر ایزوتروپیک و ناهمگن ۱۸

۲-۱-۵- جریان یک بعدی ۱۹

۲-۱-۶- قانون دارسی در خاک‌های غیراشباع ۲۱

۲-۱-۷- ضریب نفوذپذیری خاک‌های غیراشباع ۲۳

۲-۱-۸- شرایط مرزی در مسائل آنالیز تراوش ۲۶

مرز نفوذپذیر ۲۷

۲-۱-۸-۱- ورودی‌ها و خروجی‌ها ۲۷

۲-۱-۸-۲- سطح تراوش ۲۸

۲-۱-۸-۳- خط تراوش ۲۸

۲-۲- آمار سدسازی در کشورهای مختلف ۲۸

۲-۲-۱- خرابی سدها ۳۱

۲-۲-۲- آمار خرابی سدها ۳۵

۲-۲-۳- آمار دلایل مختلف خرابی سدها ۴۱

۲-۲-۴- علل افزایش تراوش ۴۶

۲-۲-۵- حجم مجاز و قابل قبول تراوش ۴۸

۲-۲-۶- عواقب سوء تراوش ۵۱

۲-۳- مظالعات اخیر در زمینه تراوش ۵۴

۲-۳-۱- مطالعه اِرسایین(۲۰۰۶( ۵۴

۲-۳-۲- مطالعه می آ او و همکاران(۲۰۱۲) ۵۶

۲-۳-۳- مطالعه نورانی و همکاران(۲۰۱۲) ۵۶

۲-۳-۴- مطالعه پورکریمی و همکاران(۲۰۱۳) ۵۷

۲-۳-۵- مطالعه کمان به دست و دلواری(۲۰۱۳) ۵۸

۳-۱- شبکه‌های عصبی مصنوعی ۶۱

۳-۱-۱- مقدمه ۶۱

۳-۱-۲- مدل ریاضی شبکه‌های عصبی ۶۴

۳-۱-۲-۱- نرون ۶۴

۳-۱-۲-۲- لایه‌های چند نرونی ۶۷

۳-۱-۳- شبکه‌های چند لایه ۶۷

۳-۱-۳-۱- توابع محرک (تابع تبدیل) ۶۹

۳-۱-۴- آموزش شبکه و تنظیم پارامترها ۷۲

۳-۲- سیستم استنتاج عصبی- فازی تطبیق پذیر (ANFIS) 73

۳-۲-۱- تاریخچه منطق فازی ۷۴

۳-۲-۲- انواع سامانه‌های فازی ۷۶

۳-۲-۳- ساختار سامانه‌های فازی ۷۷

۳-۲-۴- سامانه عصبی- فازی‌ ۸۰

۳-۳- معرفی سد ستارخان و بررسی داده های ابزار دقیق آن ۸۲

۳-۳-۱- مقدمه ۸۲

۳-۳-۲- موقعیت پروژه ۸۳

۳-۳-۳- مشخصات کلی پروژه ۸۴

۳-۳-۴- مصالح مورد استفاده در بدنه سد ۸۵

۳-۳-۴-۱- مصالح مورد استفاده در هسته آب بند ۸۵

۳-۳-۴-۲- مصالح مورد استفاده در لایه های فیلتر ۸۵

۳-۳-۴-۳- مصالح مورد استفاده در لایه های زهکش ۸۵

۳-۳-۴-۴- مصالح مورد استفاده در پوسته سنگریزه ای ۸۶

۳-۳-۴-۵- مصالح مورد استفاده در لایه محافظ شیب های سراب و پایاب سد ۸۶

۳-۳-۵- ویژگی های زمین شناسی و ژئوتکنیکی ساختگاه سد ستارخان ۸۷

۳-۳-۵-۱- زمین شناسی ۸۷

۳-۳-۵-۲- ژئوتکنیک ساختگاه سد ۸۸

۳-۳-۵-۳- سنگ تکیه گاه ها و زیر آبرفت ۸۹

۳-۳-۵-۴- آبرفت پی ۸۹

۳-۴- مطالعات ژئوتکنیک مرحله دوم ۹۰

۳-۵- آببندی سد توسط پرده های آب بند بتن خمیری ۹۲

۳-۶- ابزاربندی ۹۳

۳-۶-۱- پیزومترهای لوله باز ۹۵

۳-۶-۲- پیزومترهای تار (سیم) مرتعش ۹۵

۳-۷- بررسی داده های ابزاردقیق در بدنه سد ستارخان ۹۸

۴-۱- مقدمه ۱۰۰

۴-۲- مجموعه داده‌ها ۱۰۰

۴-۳- ساختار مدل شبکه عصبی پیشنهادی ۱۰۲

۴-۴- ارزیابی و مقایسه عملکرد مدل‌ پیشنهادی ۱۰۶

۴-۵- جمع بندی و نتیجه گیری ۱۱۸

۵-۱- مقدمه ۱۲۰

۵-۲- نتایج ۱۲۰

۵-۳- پیشنهادها ۱۲۱

شکل (۲-۱) عبور جریان در خاک های غیر اشباع ۱۵

شکل (۲-۲) تغییرات ضریب نفوذپذیری در یک خاک غیر اشباع ۱۸

شکل (۲-۳) تعادل استاتیکی و شرایط جریان رژیم پایدار در ناحیه با فشارهای حفرهای منفی ۲۱

شکل (۲-۴) بررسی آزمایشگاهی قانون دارسی برای جریان آب در خاک‌های غیراشباع ۲۳

شکل (۲-۵) مراحل غیراشباع شدن خاک بر اثر خروج تدریجی آب و کاهش درجه اشباع به جهت افزایش مکش ماتریک ۲۴

شکل (۲-۶) اثر مکش ماتریک بر روی درجه اشباع ۲۵

شکل (۲-۷) تغییرات ضریب نفوذپذیری و درصد رطوبت نسبت به مکش ماتریک ۲۵

شکل (۲-۸) تغییرات ضریب نفوذپذیری بر حسب درصد رطوبت ۲۶

شکل (۲-۹) مثال‌هایی از شرایط مرزی ۲۷

شکل (۲-۱۰) مقایسه سدهای خاکی ساخته شده در هفت کشور دنیا(ICOLD, 2008) 29

شکل (۲-۱۱) مقایسه سدهای سنگریزهای ساخته شده در هفت کشور دنیا(ICOLD, 2008) 30

ادامه را در تحقیق مشاهده خواهید کرد.

جدول (۲-۱) حجم تراوش، میزان خسارات و اقدامات اصلاحی در بعضی از سدها ۴۹

جدول (۲-۲) توابع فعالیت بکار رفته در مطالعه ارسایین ۵۵

جدول (۴-۱) پارامترهای آماری مربوط به داده‌های آموزش و آزمون ۱۰۴

جدول (۴-۲) وزن های ارتباطی مدل ANN 105

جدول (۴-۳) ثابت‌های مدل ANN 105

جدول (۴-۴) تعریف پارامترهای آماری ۱۰۷

جدول (۴-۵) ارزیابی عملکرد مدل‌های پیشنهاد شده توسط پارامترهای آماری برای دسته های مختلف داده‌های آموزش ۱۰۷

جدول (۴-۶) ارزیابی عملکرد مدل پیشنهادشده توسط پارامترهای آماری برای داده‌های آزمون ۱۱۸