پیش بینی تراوش در سد خاکی با مدل شبکه عصبی

مهندسی عمران
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: کلیات 1 1-1- مقدمه 2 1-2- بیان مسئله 3 1-3- اهیمت و ضرورت تحقیق 5 1-4- متغییرهای تحقیق 8 1-5- متغییرهای تحقیق 8 1-5-1- هدف اصلی(کلی) تحقیق 8 1-5-2- اهداف فرعی(اختصاصی) 8 1-6- سوال های تحقیق 9 1-6-1- سوال اصلی تحقیق: 9 1-6-2- سوال های فرعی(ویژه) 9 1-7- فرضیه های تحقیق 9 1-8- تعریف واژه ها و اصطلاحات فنی و تخصصی ( به صورت مفهومی و عملیاتی) 10 1-8-1- تعاریف مفهومی 10 1-8-2- تعاریف عملیاتی 11 1-9- محدودیت های تحقیق 11 فصل دوم:مبانی نظری و پیشینه تحقیق 12 2-1- تئوری پدیده تراوش 13 2-1-1- مقدمه 13 2-1-2- جریان در محیط‌های متخلخل 13 2-1-3- تراوش حالت پایدار ایزوتروپیک ناهمگن 17 2-1-4- تراوش حالت پایدار، غیر ایزوتروپیک و ناهمگن 18 2-1-5- جریان یک بعدی 19 2-1-6- قانون دارسی در خاک‌های غیراشباع 21 2-1-7- ضریب نفوذپذیری خاک‌های غیراشباع 23 2-1-8- شرایط مرزی در مسائل آنالیز تراوش 26 مرز نفوذپذیر 27 2-1-8-1- ورودی‌ها و خروجی‌ها 27 2-1-8-2- سطح تراوش 28 2-1-8-3- خط تراوش 28 2-2- آمار سدسازی در کشورهای مختلف 28 2-2-1- خرابی سدها 31 2-2-2- آمار خرابی سدها 35 2-2-3- آمار دلایل مختلف خرابی سدها 41 2-2-4- علل افزایش تراوش 46 2-2-5- حجم مجاز و قابل قبول تراوش 48 2-2-6- عواقب سوء تراوش 51 2-3- مظالعات اخیر در زمینه تراوش 54 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 تحقیق 60 3-1- شبکه‌های عصبی مصنوعی 61 3-1-1- مقدمه 61 3-1-2- مدل ریاضی شبکه‌های عصبی 64 3-1-2-1- نرون 64 3-1-2-2- لایه‌های چند نرونی 67 3-1-3- شبکه‌های چند لایه 67 3-1-3-1- توابع محرک (تابع تبدیل) 69 3-1-4- آموزش شبکه و تنظیم پارامترها 72 3-2- سیستم استنتاج عصبی- فازی تطبیق پذیر (ANFIS) 73 3-2-1- تاریخچه منطق فازی 74 3-2-2- انواع سامانه‌های فازی 76 3-2-3- ساختار سامانه‌های فازی 77 3-2-4- سامانه عصبی- فازی‌ 80 3-3- معرفی سد ستارخان و بررسی داده های ابزار دقیق آن 82 3-3-1- مقدمه 82 3-3-2- موقعیت پروژه 83 3-3-3- مشخصات کلی پروژه 84 3-3-4- مصالح مورد استفاده در بدنه سد 85 3-3-4-1- مصالح مورد استفاده در هسته آب بند 85 3-3-4-2- مصالح مورد استفاده در لایه های فیلتر 85 3-3-4-3- مصالح مورد استفاده در لایه های زهکش 85 3-3-4-4- مصالح مورد استفاده در پوسته سنگریزه ای 86 3-3-4-5- مصالح مورد استفاده در لایه محافظ شیب های سراب و پایاب سد 86 3-3-5- ویژگی های زمین شناسی و ژئوتکنیکی ساختگاه سد ستارخان 87 3-3-5-1- زمین شناسی 87 3-3-5-2- ژئوتکنیک ساختگاه سد 88 3-3-5-3- سنگ تکیه گاه ها و زیر آبرفت 89 3-3-5-4- آبرفت پی 89 3-4- مطالعات ژئوتکنیک مرحله دوم 90 3-5- آببندی سد توسط پرده های آب بند بتن خمیری 92 3-6- ابزاربندی 93 3-6-1- پیزومترهای لوله باز 95 3-6-2- پیزومترهای تار (سیم) مرتعش 95 3-7- بررسی داده های ابزاردقیق در بدنه سد ستارخان 98 فصل 4:نتایج تحقیق 99 4-1- مقدمه 100 4-2- مجموعه داده‌ها 100 4-3- ساختار مدل شبکه عصبی پیشنهادی 102 4-4- ارزیابی و مقایسه عملکرد مدل‌ پیشنهادی 106 4-5- جمع بندی و نتیجه گیری 118 فصل 5:بحث، نتیجه گیری و پیشنهادها 119 5-1- مقدمه 120 5-2- نتایج 120 5-3- پیشنهادها 121 فهرست اشکال شکل (2-1) عبور جریان در خاک های غیر اشباع 15 شکل (2-2) تغییرات ضریب نفوذپذیری در یک خاک غیر اشباع 18 شکل (2-3) تعادل استاتیکی و شرایط جریان رژیم پایدار در ناحیه با فشارهای حفرهای منفی 21 شکل (2-4) بررسی آزمایشگاهی قانون دارسی برای جریان آب در خاک‌های غیراشباع 23 شکل (2-5) مراحل غیراشباع شدن خاك بر اثر خروج تدریجی آب و کاهش درجه اشباع به جهت افزایش مكش ماتریک 24 شکل (2-6) اثر مكش ماتریک بر روی درجه اشباع 25 شکل (2-7) تغییرات ضریب نفوذپذیری و درصد رطوبت نسبت به مکش ماتریک 25 شکل (2-8) تغییرات ضریب نفوذپذیری بر حسب درصد رطوبت 26 شکل (2-9) مثال‌هایی از شرایط مرزی 27 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 ICOLD 37 شکل (2-16) درصد موارد تخریب یا آسیب در سدهای ثبت شده در ICOLD 37 شکل (2-17) توزیع تعداد موارد تخریب یا آسیب نسبت به نوع پی در سدهای ثبت شده در ICOLD 38 شکل (2-18) توزیع درصد موارد تخریب یا آسیب نسبت به نوع پی در سدهای ثبت شده در ICOLD 39 شکل (2-19) توزیع تعداد نوع تخریب یا آسیب وارده در سدهای ثبت شده در ICOLD 40 شکل (2-20) توزیع درصد نوع تخریب یا آسیب وارده در سدهای ثبت شده در ICOLD 40 شکل (2-21) آمار خرابی در سدها ناشی از علل مختلف توسط میدل بروک 43 شکل (2-22) آمار خرابی در سدها ناشی از علل مختلف توسط گرونر 43 شکل (2-23) آمار خرابی در سدها ناشی از علل مختلف توسط تاکاسی 44 شکل (2-24) آمار خرابی در سدها ناشی از علل مختلف توسط باب 44 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 مختلف 45 شکل (3-1) نواحی اصلی یک سلول عصبی بیولوژیک 63 شکل (3-2) شمای یک نرون حسی 63 شکل (3-3) مدل نرون تک ورودی 65 شکل (3-4) مدل نرون با n ورودی را به همراه تابع تبدیل آن 66 شکل (3-5) مدل شبکه‌ای با یک لایه‌ی پنهان با S نرون و R ورودی 68 شکل (3-6) مدل شبکه‌ای با سه لایه‌ی پنهان به همراه R ورودی 68 شکل (3-7) نمودار تابع محرک خطی 69 شکل (3-8) نمودار تابع محرک آستانه‌ای دو مقداره حدی 70 شکل (3-9) نمودار تابع محرک زیگموئید 71 شکل (3-10) نمودار تابع محرک تانژانت هیپربولیکی 71 شکل (3-11) ساختار کلی یک سامانه استنتاج فازی 78 شکل (3-12) تعدادی از نمودارهای توابع عضویت مجموعه-های فازی 79 شکل (3-13) نمایی کلی از سد ستارخان 82 شکل (3-14) نقشه موقعیت سد ستارخان 83 شکل (3-15) نمایی از مرتفع ترین مقطع سد ستارخان 84 شکل (3-16) نمای شماتیک مقطع 170+0 97 شکل (3-17) نمای شماتیک مقطع 320+0 97 شکل (4-1) پراکندگی مقادیر فشار پیزومتریک داده های آموزش 113 شکل (4-2) پراکندگی مقادیر فشار پیزومتریک داده های آزمون 114 شکل (4-3) نمودار احتمال تجمعی مقادیر α 115 شکل (4-4) نمودار توزیع نرمال مقادیر α (a) آموزش (b) آزمون 116 شکل (4-5) هیستوگرام مقادیر α (a) آموزش (b) آزمون 117 فهرست جداول جدول (2-1) حجم تراوش، میزان خسارات و اقدامات اصلاحی در بعضی از سدها 49 جدول (2-2) توابع فعالیت بکار رفته در مطالعه ارسایین 55 جدول (4-1) پارامترهای آماری مربوط به داده‌های آموزش و آزمون 104 جدول (4-2) وزن های ارتباطی مدل ANN 105 جدول (4-3) ثابت‌های مدل ANN 105 جدول (4-4) تعریف پارامترهای آماری 107 جدول (4-5) ارزیابی عملکرد مدل‌های پیشنهاد شده توسط پارامترهای آماری برای دسته های مختلف داده‌های آموزش 107 جدول (4-6) ارزیابی عملکرد مدل پیشنهادشده توسط پارامترهای آماری برای داده‌های آزمون 118