دانشگاه آزاد اسلامی

واحد سمنان

دانشکده فنی و مهندسی

پایان­نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد در رشته مهندسی عمران

گرایش مکانیک خاک و پی

 

عنوان

پیش بینی تراوش از بدنه سدهای خاکی با بهره گیری از روش­های داده­کاوی

استاد راهنما

دکتر  محمود نیکخواه شهمیرزادی

استاد مشاور

دکتر رحمان شریفی

شهریور    1393

برای رعایت حریم خصوصی نام نگارنده پایان نامه درج نمی گردد
(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود می باشد)
تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :
(ممکن می باشد هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود اما در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل می باشد)
فهرست مطالب
چکیده
فصل اول: کلیات 1
1-1- مقدمه 2
1-2- اظهار مسئله 3
1-3- اهیمت و ضرورت پژوهش 5
1-4- متغییرهای پژوهش 8
1-5- متغییرهای پژوهش 8
1-5-1- هدف اصلی(کلی) پژوهش 8
1-5-2- اهداف فرعی(اختصاصی) 8
1-6- سوال­های پژوهش 9
1-6-1- سوال اصلی پژوهش: 9
1-6-2- سوال­های فرعی(ویژه) 9
1-7- فرضیه­های پژوهش 9
1-8- تعریف واژه­ها 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- محدودیت­های پژوهش 11
فصل دوم:مبانی نظری و پیشینه پژوهش 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 واکاوی 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 علت های 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 کمان­به­دست و دلواری(2013) 58
فصل 3: روش پژوهش 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 مطالعه داده­های 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 بهره گیری در بدنه سد 85
3-3-4-1- مصالح مورد بهره گیری در هسته آب­بند 85
3-3-4-2- مصالح مورد بهره گیری در لایه­های فیلتر 85
3-3-4-3- مصالح مورد بهره گیری در لایه­های زهکش 85
3-3-4-4- مصالح مورد بهره گیری در پوسته سنگریزه­ای 86
3-3-4-5- مصالح مورد بهره گیری در لایه محافظ شیب­های سراب و پایاب سد 86
3-3-5- ویژگی­های زمین­شناسی 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 تکیه­گاه­ها و زیر آبرفت 89
3-3-5-4- آبرفت پی 89
3-4- مطالعات ژئوتکنیک مرحله دوم 90
3-5- آببندی سد توسط پرده­های آب­بند بتن خمیری 92
3-6- ابزاربندی 93
3-6-1- پیزومترهای لوله­باز 95
3-6-2- پیزومترهای تار (سیم) مرتعش 95
3-7- مطالعه داده­های ابزاردقیق در بدنه سد ستارخان 98
فصل 4:نتایج پژوهش 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- جمع­بندی و نتیجه­گیری 118
فصل 5:بحث، نتیجه­گیری و پیشنهادها 119
5-1- مقدمه 120
5-2- نتایج 120
5-3- پیشنهادها 121
 
فهرست اشکال
شکل (2-1) عبور جریان در خاک­های 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) مطالعه آزمایشگاهی قانون دارسی برای جریان آب در خاک‌های غیراشباع 23
شکل (2-5) مراحل غیراشباع شدن خاک بر اثر خروج تدریجی آب و کاهش درجه اشباع به جهت افزایش مکش ماتریک 24
شکل (2-6) اثر مکش 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 موردها تخریب یا آسیب سدها در کشوهای مختلف (ICOLD, 2008) 36
شکل (2-15) تعداد موردها تخریب یا آسیب در سدهای ثبت شده در ICOLD 37
شکل (2-16) درصد موردها تخریب یا آسیب در سدهای ثبت شده در ICOLD 37
شکل (2-17) توزیع تعداد موردها تخریب یا آسیب نسبت به نوع پی در سدهای ثبت شده در ICOLD 38
شکل (2-18) توزیع درصد موردها 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 مجموعه­های فازی 79
شکل (3-13) نمایی کلی از سد ستارخان 82
شکل (3-14) نقشه موقعیت سد ستارخان 83
شکل (3-15) نمایی از مرتفع­ترین 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 داده­های آموزش 113
شکل (4-2) پراکندگی مقادیر فشار پیزومتریک داده­های 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، اندازه 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 دسته­های مختلف داده‌های آموزش 107
جدول (4-6) ارزیابی عملکرد مدل پیشنهادشده توسط پارامترهای آماری برای داده‌های آزمون 118
 
 
 
 
 
چکیده
سدها همواره از سازه­های زیر بنایی شمرده می شوند و دارای ارزش حیاتی می­باشند. در گذشته ایجاد سد اکثراً با اهداف تأمین آب آشامیدنی و آبیاری مزارع کشاورزی بوده اما امروز به دلیل نیاز به انرژی برق آبی و اهداف دیگر توسعه بیشتری یافته می باشد. برآورد اندازه ۲۰ میلیارد متر مکعب برداشت از آب‌های شیرین جهان خود دلیلی بر اهمیت سد­سازی در دنیای امروز می باشد.  از این رو، مطالعه و جلوگیری از خرابی سدها از اهمیت ویژه­ای برخوردار می باشد. اگرچه در گذشته پدیده روگذری، اولین دلیل تخریب سدها بوده می باشد اما امروزه با افزایش دوره طراحی سیلاب، عمده­ترین مشکلی که توجه مهندسان را به خود جلب کرده می باشد، مسئله تراوش می باشد. وجود تراوش در سدهای خاکی غیر قابل اجتناب می باشد، 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 می­گردد. اصولاً بروز تراوش در سدهای خاکی امری اجتناب­ناپذیر می باشد. اما می­بایست تراوش طوری مهار گردد تا در مدت 50 الی 100 سال بهره­برداری سد، نتواند به پایداری و ایمنی سد لطمه­ای بزند. با وجود تمام پیشرفت­هایی صورت گرفته در علم مهندسی ژئوتکنیک، معضل تراوش تا به امروز اصلی­ترین مشکلی می باشد که در سدها بروز می­کند.
در این پژوهش کوشش گردید با به­کارگیری شبکه عصبی مصنوعی به عنوان یکی از قویترین و معروف­ترین روش­های داده­کاوی به پیش­بینی تراوش از بدنه سد  خاکی “ستارخان” پرداخته گردد. جهت شکل گیری به این هدف، از مجموعه داده­ای شامل 1684 داده پیزومتری بهره گیری گردید. مجموعه داده به دو بخش آموزش و صحت­سنجی با نسبت 80 به 20 تفکیک شدند. به­کارگیری پارامترهای آماری مناسب و کاربردی نشان داد شبکه ارائه شده به خوبی آموزش دیده می باشد و قابلیت بالایی در پیش­بینی پدیده تراوش دارد.
مطالعه جامع آمار خرابی در سدها، علل مختلف خرابی سدهای خاکی و شناخت پدیده تراوش به عنوان مهترین علل خرابی سدهای خاکی از دیگر بخش­های مهم این پژوهش می­باشند.
کلمات کلیدی: آمار سدسازی، سدهای خاکی، تراوش، علل خرابی سدها، داده­کاوی، شبکه عصبی مصنوعی
 
 

  • کلیات
این مطلب رو هم توصیه می کنم بخونین:   دانلود پایان نامه ارشد : بررسی عوامل تخریب دیواره های انتهایی حوضچه آرامش سدهای بتنی

 
 
 

  • 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؛ پس اهمیت برنامه­ریزی و مدیریت بهره گیری از منابع موجود آب امری حیاتی به شمار می رود. از این رو، شرایط اقلیمی کشور و نیاز آن به احداث سازه های ذخیره آب، احداث سدها را در دستور کار برنامه­­ریزان قرار داده می باشد که به عنوان سازه­های مهارکننده آب‌های سطحی و کنترل سیلاب امکان بهره گیری بیشتر از آب رودخانه­ها را فراهم می­نمایند. مهار سیلاب­ها و آب‌های جاری به کمک احداث سد از امور زیربنائی در رشد و توسعه هر کشور مانند ایران به شمار می­آید.
در گذشته ایجاد سد اکثراً با اهداف تأمین آب آشامیدنی و آبیاری مزارع کشاورزی بوده اما امروز به دلیل نیاز به انرژی برق آبی و اهداف دیگر توسعه بیشتری یافته می باشد. برآورد اندازه ۲۰ میلیارد متر مکعب برداشت از آب‌های شیرین جهان خود دلیلی بر اهمیت سد­سازی در دنیای امروز می باشد. یکی دیگر از اهداف مهم سد­سازی بهبود و توسعه شبکه آبیاری و کشاورزی زمین­های پایین­دست می باشد. در کشورهایی مانند ایران که پراکندگی زمانی و مکانی بارندگی­ها نامناسب می باشد و ریزش­های جوی در فصولی صورت می­گیرد که شاید نیاز کمتری به آب باشد و یا قسمت اعظم نزولات در بعضی مناطق متمرکز می باشد، تنها راه چاره و مقابله با این مسئله احداث سد می­باشد و این امر به خصوص در کشورهای که متکی به کشاورزی هستند اجتناب­ناپذیر می باشد. احداث سد، کسب و کار و درآمد ملی به همراه دارد. در زمان حاضر شبکه­های آبیاری وتامین آب کشاورزی در ایران باعث توسعه، بهبود و رونق اقتصادی مناطق شده می باشد. یکی دیگر از اهداف عمده سد­سازی بهره گیری از نیروی الکتریسیته می باشد. بهره گیری از این منبع که ارزان­ترین نوع انرژی در اغلب کشورهای دنیاست، بسته به نیاز و ویژگی­های 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 بهره گیری را از این پتانسیل موجود می­برند.
در صورت عدم در نظر داشتن شرایط ساختگاهی و ناکافی بودن مطالعات، خطر وقوع خرابی، سد را تهدید می­کند. مطالعه آماری خرابی در سدهای خراب شده با در نظر داشتن وجود شباهاتی در شرایط، امکان ارائه راهکارهای مناسب در طراحی سدها توسط مهندسین را فراهم می­کند. خرابی در سدها به اشکال مختلفی دیده می­گردد، شایع­ترین علت شکت سدها خصوصاً در سال­های اخیر فرسایش در اثر تراوش و یا رگاب بوده می باشد. اصولاً بروز تراوش در سدهای خاکی امری اجتناب­ناپذیر می باشد. اما می­بایست تراوش طوری مهار گردد تا در مدت 50 الی 100 سال بهره­برداری سد، نتواند به پایداری و ایمنی سد لطمه­ای بزند. با وجود تمام پیشرفت­هایی صورت گرفته در علم مهندسی ژئوتکنیک، معضل تراوش تا به امروز اصلی­ترین مشکلی می باشد که در سدها بروز می­کند.

  • اظهار مسئله

شرایط اقلیمی کشور و نیاز آن به احداث سازه های ذخیره آب، احداث سدهای خاکی را در دستور کار برنامه ریزان قرار داده می باشد که به عنوان سازه های مهارکننده آبهای سطحی و کنترل سیلاب امکان بهره گیری بیشتر از آب رودخانه ها را فراهم می نمایند. با در نظر داشتن مطالعاتی که معمولا قبل از ساخت سد انجام می شود، همیشه نمی توان رفتار هیدرولیکی بدنه سد و یا تشکیلات زمین شناسی مجاور آن را به دقت پیش بینی نمود. پس احتمال وقوع تراوش پس از ساخت سد تقریبا قطعی گویا. شدت تراوش در بسیاری از موردها تا زمانی که ایمنی سد به خطر نیفتاده می باشد قابل قبول می باشد. از نقطه نظر ایمنی، مطالعه خطرات ناشی از تراوش و نفوذ به علت پیچیدگی ذاتی در خصوصیات آنها مهم می باشد. بسیاری از مخازن سدهای ساخته شده در جهان دارای تراوش می باشند. این تراوش ممکن می باشد از تشکیلات زمین شناسی ساختگاه یا پی سد و یا از بدنه سد اتفاق بیافتد. از عواقب سوء تراوش می توان به مسائل اقتصادی، گرادیان هیدرولیکی بالا که منجر به پدیده هایی نظیر رگاب یا جوشش و افزایش فشار منفذی که منجر به کاهش تنش موثر می گردد تصریح نمود. از این رو، یکی از مهمترین نکات در مراحل مطالعاتی، در طول عملیات اجرایی و پس از ساخت سدهای خاکی، مسئله تراوش از پی و بدنه سد می باشد که به عنوان معضلی فرا روی طراحان سدها بوده می باشد. پس ضروری می باشد که با محاسبه دقیق مقدار دبی تراوش از بدنه و پی سد و مطالعه روش­های کنترل یا کاهش آن، به لحاظ فنی و اقتصادی در راستای جلوگیری از خطرات جانی و مالی پرداخته گردد.
تخمین دقیق تراوش از بدنه سدهای خاکی چالشی مهم در موضوع طراحی این سازه­های عظیم می­باشد. بهره گیری از ابزارگذاری شاید تا حدودی تخمین دقیقی از این پدیده در اختیار قرار دهد اما معضلات پیش رو مانند خرابی ابزارها در اثر زمان، صرف هزینه و نیروی انسانی متوالی جهت قرائت و…، این روش را با مشکل روبرو ساخته می باشد. بهره گیری از روش های حل تحلیلی که توسط محققین مختلف پیشنهاد گردیده­اند، برای ارزیابی اندازه تراوش از بدنه سدهای خاکی واقع بر بستر نفوذناپذیر به دلیل سهولت بهره گیری ار آن­ها، امری متداول می باشد. اما، این روش­های تحلیلی از فرضیاتی برای ساده سازی ساخت معادلات بهره گیری می­کنند که ممکن می باشد به خطاهای بزرگ منجر گردد.
پس با در نظر داشتن مطالب اظهار شده در بخش­های قبل، هدف این مطالعه ارائه مدل شبکه عصبی مصنوعی[1] برای پیش بینی دقیق تر اندازه تراوش از بدنه سدهای خاکی و از بین بردن معضلات فوق می­باشد. از این رو، کوشش می­گردد براساس داده های ابزار دقیق یک سد خاص و بکارگیری روش های داده کاوی، به پیش بینی پدیده تراوش در سدهای خاکی پرداخته گردد.
[1] Artificial Neural Network
تعداد صفحه : 153
قیمت : 14700 تومان

بلافاصله پس از پرداخت لینک دانلود فایل در اختیار شما قرار می گیرد

و در ضمن فایل خریداری شده به ایمیل شما ارسال می گردد.

دسته‌ها: عمران