| شبیه سازی فشار پیزومتریک در بدنه سد با شبکه ANN
هدف از این پایان نامه شبیه سازی فشار پیزومتریک در بدنه سد با شبکه ANN می باشد
|
 |
| دسته بندی | مهندسی عمران |
| فرمت فایل | doc |
| حجم فایل | 2927 کیلو بایت |
| تعداد صفحات فایل | 138 |
دانلود پروپوزال پایان نامه کارشناسی ارشد در مهندسی عمران
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 50 الی 100 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 1684 داده پیزومتری استفاده شد. مجموعه داده به دو بخش آموزش و صحت سنجی با نسبت 80 به 20 تفکیک شدند. به کارگیری پارامترهای آماری مناسب و کاربردی نشان داد شبکه ارائه شده به خوبی آموزش دیده است و قابلیت بالایی در پیش بینی پدیده تراوش دارد. بررسی جامع آمار خرابی در سدها، علل مختلف خرابی سدهای خاکی و شناخت پدیده تراوش به عنوان مهمترین علل خرابی سدهای خاکی از دیگر بخش های مهم این تحقیق می باشند.
کلمات کلیدی:
تراوش
داده کاوی
آمار سدسازی
سدهای خاکی
علل خرابی سدها
شبکه عصبی مصنوعی
مقدمه
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 كشور و نیاز آن به احداث سازه های ذخیره آب، احداث سدها را در دستور كار برنامه ریزان قرار داده است كه به عنوان سازه های مهاركننده آب‌های سطحی و كنترل سیلاب امكان 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 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. یکی دیگر از اهداف مهم سد سازی بهبود و توسعه شبکه آبیاری و کشاورزی زمین های پایین دست است. 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.
در صورت عدم توجه به شرایط ساختگاهی و ناکافی بودن مطالعات، خطر وقوع خرابی، سد را تهدید می کند. مطالعه آماری خرابی در سدهای خراب شده با توجه به وجود شباهاتی در شرایط، امکان ارائه راهکارهای مناسب در طراحی سدها توسط مهندسین را فراهم می کند. خرابی در سدها به اشکال مختلفی دیده می شود، شایع ترین علت شکت سدها خصوصاً در سال های اخیر فرسایش در اثر تراوش و یا رگاب بوده است. اصولاً بروز تراوش در سدهای خاکی امری اجتناب ناپذیر است. اما می بایست تراوش طوری مهار شود تا در مدت 50 الی 100 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.
فهرست مطالب
چکیده
فصل اول: کلیات1
1-1- مقدمه2
1-2- بیان مسئله3
1-3- اهیمت و ضرورت تحقیق5
1-4- متغییرهای تحقیق8
1-5- متغییرهای تحقیق8
1-5-1- هدف اصلی(کلی) تحقیق8
1-5-2- اهداف فرعی(اختصاصی)8
1-6- سوال های تحقیق9
1-6-1- سوال اصلی تحقیق:9
1-6-2- سوال های فرعی(ویژه)9
1-7- فرضیه های تحقیق9
1-8- تعریف واژه ها و اصطلاحات فنی و تخصصی ( به صورت مفهومی و عملیاتی)10
1-8-1- تعاریف مفهومی10
1-8-2- تعاریف عملیاتی11
1-9- محدودیت های تحقیق11
فصل دوم:مبانی نظری و پیشینه تحقیق12
2-1- تئوری پدیده تراوش13
2-1-1- مقدمه13
2-1-2- جریان در محیط‌های متخلخل13
2-1-3- تراوش حالت پایدار ایزوتروپیک ناهمگن17
2-1-4- تراوش حالت پایدار، غیر ایزوتروپیک و ناهمگن18
2-1-5- جریان یک بعدی19
2-1-6- قانون دارسی در خاک‌های غیراشباع21
2-1-7- ضریب نفوذپذیری خاک‌های غیراشباع23
2-1-8- شرایط مرزی در مسائل آنالیز تراوش26
مرز نفوذپذیر27
2-1-8-1- ورودی‌ها و خروجی‌ها27
2-1-8-2- سطح تراوش28
2-1-8-3- خط تراوش28
2-2- آمار سدسازی در کشورهای مختلف28
2-2-1- خرابی سدها31
2-2-2- آمار خرابی سدها35
2-2-3- آمار دلایل مختلف خرابی سدها41
2-2-4- علل افزایش تراوش46
2-2-5- حجم مجاز و قابل قبول تراوش48
2-2-6- عواقب سوء تراوش51
2-3- مظالعات اخیر در زمینه تراوش54
2-3-1- مطالعه اِرسایین(2006(54
2-3-2- مطالعه می آ او و همکاران(2012)56
2-3-3- مطالعه نورانی و همکاران(2012)56
2-3-4- مطالعه پورکریمی و همکاران(2013)57
2-3-5- مطالعه کمان به دست و دلواری(2013)58
فصل 3: روش تحقیق60
3-1- شبکه‌های عصبی مصنوعی61
3-1-1- مقدمه61
3-1-2- مدل ریاضی شبکه‌های عصبی64
3-1-2-1- نرون64
3-1-2-2- لایه‌های چند نرونی67
3-1-3- شبکه‌های چند لایه67
3-1-3-1- توابع محرک (تابع تبدیل)69
3-1-4- آموزش شبکه و تنظیم پارامترها72
3-2- سیستم استنتاج عصبی- فازی تطبیق پذیر (ANFIS)73
3-2-1- تاریخچه منطق فازی74
3-2-2- انواع سامانه‌های فازی76
3-2-3- ساختار سامانه‌های فازی77
3-2-4- سامانه عصبی- فازی80
3-3- معرفی سد ستارخان و بررسی داده های ابزار دقیق آن82
3-3-1- مقدمه82
3-3-2- موقعیت پروژه83
3-3-3- مشخصات کلی پروژه84
3-3-4- مصالح مورد استفاده در بدنه سد85
3-3-4-1- مصالح مورد استفاده در هسته آب بند85
3-3-4-2- مصالح مورد استفاده در لایه های فیلتر85
3-3-4-3- مصالح مورد استفاده در لایه های زهکش85
3-3-4-4- مصالح مورد استفاده در پوسته سنگریزه ای86
3-3-4-5- مصالح مورد استفاده در لایه محافظ شیب های سراب و پایاب سد86
3-3-5- ویژگی های زمین شناسی و ژئوتکنیکی ساختگاه سد ستارخان87
3-3-5-1- زمین شناسی87
3-3-5-2- ژئوتکنیک ساختگاه سد88
3-3-5-3- سنگ تکیه گاه ها و زیر آبرفت89
3-3-5-4- آبرفت پی89
3-4- مطالعات ژئوتکنیک مرحله دوم90
3-5- آببندی سد توسط پرده های آب بند بتن خمیری92
3-6- ابزاربندی93
3-6-1- پیزومترهای لوله باز95
3-6-2- پیزومترهای تار (سیم) مرتعش95
3-7- بررسی داده های ابزاردقیق در بدنه سد ستارخان98
فصل 4:نتایج تحقیق99
4-1- مقدمه100
4-2- مجموعه داده‌ها100
4-3- ساختار مدل شبکه عصبی پیشنهادی102
4-4- ارزیابی و مقایسه عملکرد مدل پیشنهادی106
4-5- جمع بندی و نتیجه گیری118
فصل 5:بحث، نتیجه گیری و پیشنهادها119
5-1- مقدمه120
5-2- نتایج120
5-3- پیشنهادها121
فهرست اشکال
شکل (2-1) عبور جریان در خاک های غیر اشباع15
شکل (2-2) تغییرات ضریب نفوذپذیری در یک خاک غیر اشباع18
شکل (2-3) تعادل استاتیکی و شرایط جریان رژیم پایدار در ناحیه با فشارهای حفرهای منفی21
شکل (2-4) بررسی آزمایشگاهی قانون دارسی برای جریان آب در خاک‌های غیراشباع23
شکل (2-5) مراحل غیراشباع شدن خاك بر اثر خروج تدریجی آب و کاهش درجه اشباع به جهت افزایش مكش ماتریک24
شکل (2-6) اثر مكش ماتریک بر روی درجه اشباع25
شکل (2-7) تغییرات ضریب نفوذپذیری و درصد رطوبت نسبت به مکش ماتریک25
شکل (2-8) تغییرات ضریب نفوذپذیری بر حسب درصد رطوبت26
شکل (2-9) مثال‌هایی از شرایط مرزی27
شکل (2-10) مقایسه سدهای خاکی ساخته شده در هفت کشور دنیا(ICOLD, 2008)29
شکل (2-11) مقایسه سدهای سنگریزهای ساخته شده در هفت کشور دنیا(ICOLD, 2008)30
شکل (2-12) مقایسه سدهای وزنی ساخته شده در هفت کشور دنیا(ICOLD, 2008)30
شکل (2-13) آمار سدهای ساخته شده در ایران(ICOLD, 2008)31
شکل (2-14) تعداد موارد تخریب یا آسیب سدها در کشوهای مختلف (ICOLD, 2008)36
شکل (2-15) تعداد موارد تخریب یا آسیب در سدهای ثبت شده در ICOLD37
شکل (2-16) درصد موارد تخریب یا آسیب در سدهای ثبت شده در ICOLD37
شکل (2-17) توزیع تعداد موارد تخریب یا آسیب نسبت به نوع پی در سدهای ثبت شده در ICOLD38
شکل (2-18) توزیع درصد موارد تخریب یا آسیب نسبت به نوع پی در سدهای ثبت شده در ICOLD39
شکل (2-19) توزیع تعداد نوع تخریب یا آسیب وارده در سدهای ثبت شده در ICOLD40
شکل (2-20) توزیع درصد نوع تخریب یا آسیب وارده در سدهای ثبت شده در ICOLD40
شکل (2-21) آمار خرابی در سدها ناشی از علل مختلف توسط میدل بروک43
شکل (2-22) آمار خرابی در سدها ناشی از علل مختلف توسط گرونر43
شکل (2-23) آمار خرابی در سدها ناشی از علل مختلف توسط تاکاسی44
شکل (2-24) آمار خرابی در سدها ناشی از علل مختلف توسط باب44
شکل (2-25) آمار خرابی در سدها ناشی از علل مختلف توسط USCOLD (2008)45
شکل (2-26) آمار خرابی در سدها ناشی از علل مختلف45
شکل (3-1) نواحی اصلی یک سلول عصبی بیولوژیک63
شکل (3-2) شمای یک نرون حسی63
شکل (3-3) مدل نرون تک ورودی65
شکل (3-4) مدل نرون با n ورودی را به همراه تابع تبدیل آن66
شکل (3-5) مدل شبکه‌ای با یک لایه‌ی پنهان با S نرون و R ورودی68
شکل (3-6) مدل شبکه‌ای با سه لایه‌ی پنهان به همراه R ورودی68
شکل (3-7) نمودار تابع محرک خطی69
شکل (3-8) نمودار تابع محرک آستانه‌ای دو مقداره حدی70
شکل (3-9) نمودار تابع محرک زیگموئید71
شکل (3-10) نمودار تابع محرک تانژانت هیپربولیکی71
شکل (3-11) ساختار کلی یک سامانه استنتاج فازی78
شکل (3-12) تعدادی از نمودارهای توابع عضویت مجموعه-های فازی79
شکل (3-13) نمایی کلی از سد ستارخان82
شکل (3-14) نقشه موقعیت سد ستارخان83
شکل (3-15) نمایی از مرتفع ترین مقطع سد ستارخان84
شکل (3-16) نمای شماتیک مقطع 170+097
شکل (3-17) نمای شماتیک مقطع 320+097
شکل (4-1) پراکندگی مقادیر فشار پیزومتریک داده های آموزش113
شکل (4-2) پراکندگی مقادیر فشار پیزومتریک داده های آزمون114
شکل (4-3) نمودار احتمال تجمعی مقادیر α115
شکل (4-4) نمودار توزیع نرمال مقادیر α (a) آموزش (b) آزمون116
شکل (4-5) هیستوگرام مقادیر α (a) آموزش (b) آزمون117
فهرست جداول
جدول (2-1) حجم تراوش، میزان خسارات و اقدامات اصلاحی در بعضی از سدها49
جدول (2-2) توابع فعالیت بکار رفته در مطالعه ارسایین55
جدول (4-1) پارامترهای آماری مربوط به داده‌های آموزش و آزمون104
جدول (4-2) وزن های ارتباطی مدل ANN105
جدول (4-3) ثابت‌های مدل ANN105
جدول (4-4) تعریف پارامترهای آماری107
جدول (4-5) ارزیابی عملکرد مدل‌های پیشنهاد شده توسط پارامترهای آماری برای دسته های مختلف داده‌های آموزش107
جدول (4-6) ارزیابی عملکرد مدل پیشنهادشده توسط پارامترهای آماری برای داده‌های آزمون118
دانلود طرح توجیهی مدرسـه غير انتـفاعي