پیش بینی تراوش از بدنه سدهای خاکی با استفاده از روش های داده کاوی :پایان نامه کارشناسی ارشد عمران گرايش مکانیک خاک و پی

دانلود پایان نامه پیش بینی تراوش از بدنه سدهای خاکی با استفاده از روش های داده کاوی

دانلود پایان نامه کارشناسی ارشدعمران گرايش مکانیک خاک و پی

پایان نامه ای که معرفی میگردد از سری پایان نامه های جدید رشته عمران  و با عنوان پیش بینی تراوش از بدنه سدهای خاکی با استفاده از روش های داده کاوی ، مطالعه موردی پل شهید حقانی تهران  در ۱۴۲ صفحه با فرمت Word (قابل ویرایش) در مقطع کارشناسی ارشد تهیه و نگارش شده است. امیدواریم مورد توجه کاربران سایت و دانشجویان عزیز مقاطع تحصیلات تکمیلی رشته های جذاب عمران  قرار گیرد.

چکیده پیش بینی تراوش از بدنه سدهای خاکی با استفاده از روش های داده کاوی:

سدها همواره از سازه ­های زیر بنایی شمرده می‌شوند و دارای ارزش حیاتی می­باشند. 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 براهمیت سد­سازی در دنیای امروز است.  از این رو، بررسی و جلوگیری از خرابی سدها از اهمیت ویژه­ای 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 می­شود. اصولاً بروز تراوش در سدهای خاکی امری اجتناب­ ناپذیر است. اما می­بایست 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 پیشرفت­هایی صورت گرفته در علم مهندسی ژئوتکنیک، معضل تراوش تا به امروز اصلی­ترین مشکلی است که در سدها بروز می­کند.

در این تحقیق تلاش شد با به­ کارگیری شبکه عصبی مصنوعی به عنوان یکی از قویترین و معروف­ترین روش­های داده ­کاوی به پیش­بینی تراوش از بدنه سد  خاکی “ستارخان” پرداخته شود. جهت تحقق به این هدف، از مجموعه داده­ای شامل ۱۶۸۴ داده پیزومتری استفاده شد. مجموعه داده به دو بخش آموزش و صحت­سنجی با نسبت ۸۰ به ۲۰ تفکیک شدند. به­کارگیری پارامترهای آماری مناسب و کاربردی نشان داد شبکه ارائه شده به خوبی آموزش دیده است و قابلیت بالایی در پیش­بینی پدیده تراوش دارد.

بررسی 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 تحقیق می­باشند.

 

 

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؛لذااهمیت برنامه ­ریزی و مدیریت استفاده از منابع موجود آب امری حیاتی محسوب می‌شود. از این رو،شرايط اقليمي كشور و نياز آن به احداث سازه هاي ذخيره آب، احداث سدها را در دستور كار برنامه­­ريزان قرار داده است كه به عنوان سازه­هاي مهاركننده آب‌های سطحي و كنترل سيلاب امكان استفاده بيشتر از آب رودخانه­ها را فراهم مي­نمايند. مهار سیلاب­ها و آب‌های جاری به کمک احداث سد از امور زیربنائی در رشد و توسعه هر کشور از جمله ایران به شمار می­آید.

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 براهمیت سد­سازی در دنیای امروز است. یکی دیگر از اهداف مهم سد­سازی بهبود وتوسعه شبکه آبیاری وکشاورزی زمین­های پایین ­دست است. درکشورهایی مانند ایران که پراکندگی زمانی ومکانی بارندگی­ها نامناسب است و ریزش­های جوی در فصولی صورت می­گیرد که شاید نیازکمتری به آب باشد ویا قسمت اعظم نزولات در برخی مناطق متمرکز است، تنها راه چاره ومقابله با این مسئله احداث سد می­باشد واین 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 درایران باعث توسعه، بهبود و رونق اقتصادی مناطق شده است. یکی دیگر از اهداف عمده سد­سازی استفاده از نیروی الکتریسیته است. استفاده 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 وحتی در حال رشد کمال استفاده را از این پتانسیل موجود می­برند.

در صورت عدم توجه به شرایط ساختگاهی و ناکافی بودن مطالعات، خطر وقوع خرابی، سد را تهدید می­کند. 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 می­کند. خرابی در سدها به اشکال مختلفی دیده می­شود، شایع­ترین علت شکت سدها خصوصاً در سال­های اخیر فرسایش در اثر تراوش و یا رگاب بوده است. اصولاً بروز تراوش در سدهای خاکی امری اجتناب ­ناپذیر است. اما می­بایست تراوش طوری مهار شود تا در مدت ۵۰ الی ۱۰۰ سال بهره­ برداری سد، نتواند به پایداری و ایمنی سد لطمه­ای بزند. با وجود تمام پیشرفت­هایی صورت گرفته در علم مهندسی ژئوتکنیک، معضل تراوش تا به امروز اصلی­ ترین مشکلی است که در سدها بروز می­کند.

 

 

اهداف تحقیق

هدف اصلي(کلی) تحقيق:

هدف اصلی این مطالعه عبارت است از:پیش­بینی تراوش از بدنه سد خاکی با استفاده از روش شبکه عصبی مصنوعی.

اهداف فرعي(اختصاصی):

هدف فرعی این مطالعه عبارت است از:تعیین روش های دقیق­تر تراوش از بدنه سد خاکی، افزایش دقت، در دسترس بودن، پیش­بینی شرایط احتمالی آینده و صرفه­جویی در هزینه های ناشی از ابزارگذاری.

 

 سوال­های تحقیق

سوال اصلي تحقيق:

  • اصلی­ترین علل خرابی سدهای خاکی چه بوده است؟
  • آیا استفاده از روش های داده کاوی می­تواند پیش­بینی دقیق تری از میزان تراوش در بدنه سدهای خاکی ارائه دهد؟

 

 سوال­های فرعي(ویژه):

  • در بین روش­ های داده کاوی، کدام روش پیش بینی دقیق­تری از تراوش ارائه می کنند؟
  • تفاوت روش­های داده­کاوی و عددی در پیش­بینی تراوش چیست؟

 

فرضيه­ های تحقیق

  • تراوش بيش از اندازه و خارج از معمول در سدهای خاکی همواره مي تواند باعث ناپايداري و خرابي آن­ها گردد.
  • فرضیات بکار رفته در روش های تحلیلی محاسبه تراوش به منظور ساخت معادلات، به خطاهاي بزرگي منجر شده است.

پیش بینی تراوش با استفاده از روش­های داده کاوی می­تواند به نتایج ابزاردقیق نزدیک باشد

 

فهرست مطالب

چکیده
فصل اول: کلیات ۱
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 اصلي(کلی) تحقيق ۸
۱-۵-۲- اهداف فرعي(اختصاصی) ۸
۱-۶- سوالهای تحقیق ۹
۱-۶-۱- سوال اصلي تحقيق: ۹
۱-۶-۲- سوالهای فرعي(ویژه) ۹
۱-۷- فرضيه های تحقیق ۹
۱-۸- تعریف واژهها 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- محدودیتهای تحقیق ۱۱
فصل دوم:مبانی نظری و پیشینه تحقیق ۱۲
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 دارسي در خاک‌های غيراشباع ۲۱
۲-۱-۷- ضريب نفوذپذيري خاک‌های غيراشباع 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 کمانبهدست و دلواری(۲۰۱۳) ۵۸
فصل ۳: روش تحقیق ۶۰
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 دادههای 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 آببند ۸۵
۳-۳-۴-۲- مصالح مورد استفاده در لایههای فیلتر ۸۵
۳-۳-۴-۳- مصالح مورد استفاده در لایههای زهکش ۸۵
۳-۳-۴-۴- مصالح مورد استفاده در پوسته سنگریزهای ۸۶
۳-۳-۴-۵- مصالح مورد استفاده در لایه محافظ شیبهای سراب و پایاب سد ۸۶
۳-۳-۵- ویژگیهای زمینشناسی 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 تکیهگاهها و زیر آبرفت ۸۹
۳-۳-۵-۴- آبرفت پی ۸۹
۳-۴- مطالعات ژئوتکنیک مرحله دوم ۹۰
۳-۵- آببندی سد توسط پردههای آببند بتن خمیری ۹۲
۳-۶- ابزاربندی ۹۳
۳-۶-۱- پیزومترهای لولهباز ۹۵
۳-۶-۲- پیزومترهای تار (سیم) مرتعش ۹۵
۳-۷- بررسی دادههای ابزاردقیق در بدنه سد ستارخان ۹۸
فصل ۴:نتایج تحقیق ۹۹
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- جمعبندی و نتیجهگیری ۱۱۸
فصل ۵:بحث، نتیجهگیری و پیشنهادها ۱۱۹
۵-۱- مقدمه ۱۲۰
۵-۲- نتایج ۱۲۰
۵-۳- پیشنهادها ۱۲۱

 

فهرست اشکال

شکل (۲-۱) عبور جریان در خاکهای 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) بررسي آزمايشگاهي قانون دارسي براي جريان آب در خاک‌های غيراشباع ۲۳
شکل (۲-۵) مراحل غيراشباع شدن خاك بر اثر خروج تدريجي آب و کاهش درجه اشباع به جهت افزايش مكش ماتریک ۲۴
شکل (۲-۶) اثر مكش ماتریک بر روي درجه اشباع ۲۵
شکل (۲-۷) تغییرات ضریب نفوذپذیری و درصد رطوبت نسبت به مکش ماتریک ۲۵
شکل (۲-۸) تغييرات ضريب نفوذپذيري 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
شکل (۲-۱۲) مقایسه سدهای وزنی ساخته شده در هفت کشور دنیا(ICOLD, 2008) 30
شکل (۲-۱۳) آمار سدهای ساخته شده در ایران(ICOLD, 2008) 31
شکل (۲-۱۴) تعداد موارد تخریب یا آسیب سدها در کشوهای مختلف (ICOLD, 2008) 36
شکل (۲-۱۵) تعداد موارد تخریب یا آسیب در سدهای ثبت شده در ICOLD 37
شکل (۲-۱۶) درصد موارد تخریب یا آسیب در سدهای ثبت شده در ICOLD 37
شکل (۲-۱۷) توزیع تعداد موارد تخریب یا آسیب نسبت به نوع پی در سدهای ثبت شده در ICOLD 38
شکل (۲-۱۸) توزیع درصد موارد تخریب یا آسیب نسبت به نوع پی در سدهای ثبت شده در ICOLD 39
شکل (۲-۱۹) توزیع تعداد نوع تخریب یا آسیب وارده در سدهای ثبت شده در ICOLD 40
شکل (۲-۲۰) توزیع درصد نوع تخریب یا آسیب وارده در سدهای ثبت شده در ICOLD 40
شکل (۲-۲۱) آمار خرابی در سدها ناشی از علل مختلف توسط میدل بروک ۴۳
شکل (۲-۲۲) آمار خرابی در سدها ناشی از علل مختلف توسط گرونر ۴۳
شکل (۲-۲۳) آمار خرابی در سدها ناشی از علل مختلف توسط تاکاسی ۴۴
شکل (۲-۲۴) آمار خرابی در سدها ناشی از علل مختلف توسط باب ۴۴
شکل (۲-۲۵) آمار خرابی در سدها ناشی از علل مختلف توسط USCOLD (2008) 45
شکل (۲-۲۶) آمار خرابی در سدها ناشی از علل مختلف ۴۵
شکل (۳-۱) نواحی اصلی یک سلول عصبی بیولوژیک ۶۳
شکل (۳-۲) شمای یک نرون حسی ۶۳
شکل (۳-۳) مدل نرون تک ورودی ۶۵
شکل (۳-۴) مدل نرون با n ورودی را به همراه تابع تبدیل آن ۶۶
شکل (۳-۵) مدل شبکه‌ای با یک لایه‌ی پنهان با S نرون و R ورودی ۶۸
شکل (۳-۶) مدل شبکه‌ای با سه لایه‌ی پنهان به همراه R ورودی ۶۸
شکل (۳-۷) نمودار تابع محرک خطی ۶۹
شکل (۳-۸) نمودار تابع محرک آستانه‌ای دو مقداره حدی ۷۰
شکل (۳-۹) نمودار تابع محرک زیگموئید ۷۱
شکل (۳-۱۰) نمودار تابع محرک تانژانت هیپربولیکی ۷۱
شکل (۳-۱۱) ساختار کلی یک سامانه استنتاج فازی ۷۸
شکل (۳-۱۲) تعدادی از نمودارهای توابع عضویت مجموعههای فازی ۷۹
شکل (۳-۱۳) نمایی کلی از سد ستارخان ۸۲
شکل (۳-۱۴) نقشه موقعیت سد ستارخان ۸۳
شکل (۳-۱۵) نمایی از مرتفعترین مقطع سد ستارخان ۸۴
شکل (۳-۱۶) نمای شماتیک مقطع ۱۷۰+۰ ۹۷
شکل (۳-۱۷) نمای شماتیک مقطع ۳۲۰+۰ ۹۷
شکل (۴-۱) پراکندگی مقادیر فشار پیزومتریک دادههای آموزش ۱۱۳
شکل (۴-۲) پراکندگی مقادیر فشار پیزومتریک دادههای آزمون ۱۱۴
شکل (۴-۳) نمودار احتمال تجمعی مقادیر α ۱۱۵
شکل (۴-۴) نمودار توزیع نرمال مقادیر α (a) آموزش (b) آزمون ۱۱۶
شکل (۴-۵) هیستوگرام مقادیر α (a) آموزش (b) آزمون ۱۱۷

فهرست جداول

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 دستههای مختلف داده‌های آموزش ۱۰۷
جدول (۴-۶) ارزیابی عملکرد مدل پیشنهادشده توسط پارامترهای آماری برای داده‌های آزمون ۱۱۸

مراحل خرید فایل دانلودی
اگر محصول را می پسندید لطفا آنرا به اشتراک بگذارید.

دیدگاهی بنویسید

0