بخشی از مقاله
خلاصه
در رودخانههاي کوهستانی به منظور کنترل آبشستگی در پایین دست سازههاي هیدرولیکی از سنگچینهاي شیبدار میتوان استفاده کرد. از طرفی با قرار دادن شمع در پایین دست، این سنگچینها تثبیت میشوند. یکی از مسایل مهم در طراحی این سازه براورد طول و عمق آبشستگی است. در این مقاله با استفاده از شبکه عصبی مصنوعی این پارامترها در شرایط مختلف پیشبینی و نتایج آن با نتایج آزمایشگاهی و معادلات تجربی بدست آمده از پاگلیارا مقایسه شد.
براي تخمین طول آبشستگی مقادیرR براي مدل شبکه عصبی 0/959 بدست آمد که مقدار مذکور توسط معادلات تجربی 0/683 بود. همچنین برآورد عمق آبشستگی با مدل شبکه عصبی نتایجی دقیقتر از معادلات تجربی حاصل شد. بنابراین استفاده از شبکه عصبی مصنوعی در تخمین طول وعمق آبشستگی در سنگچینهاي شیبدار روشی موثر میباشد.
.1 مقدمه
یکی از موضوعات مهم در مهندسی هیدرولیک، کنترل آبشستگی پایین دست سازه هاي هیدرولیکی است. آبشستگی پدیده اي است که در اثر اندرکنش آب و خاك در مجاورت سازه هاي هیدرولیکی بوجود آمده و گسترش آن منجر به تخریب و یا عدم کارآیی چنین سازههایی می شود
سنگچینهاي شیبدار و یا شوتهاي سنگیسازههاي متداول براي کنترل آبشستگی پاییندست سازههاي هیدرولیکی در رودخانههاي کوهستانی هستند که خصوصیاتی مطابق با محیط زیست دارند به طور مثال میتوانند به عنوان مسیري براي گذر ماهی استفاده شوند. این سازه عبارتست از بلوكهایی که درکف بستر شیبدار قرار داده شدهاند. این بلوكها با قرار دادن یک گروه از شمعها و یا میکروشمعها در پنجه سطح شیبدار تثبیت میشوند. معمولا شمعها و یا میکروشمعها از هسته فولاد، که احاطه شده با مخلوط دوغاب سیمان شسته است ساخته میشوند.
اگر چه سنگچینهاي شیبدار موجب اتلاف انرژي زیادي میشوند ولی به دلیل تبدیل سریع جریان فوقبحرانی به زیربحرانی در پنجه، حفرهي آبشستگی ایجاد میشود که پارامترهاي هندسی آن باید مورد ارزیابی قرار گیرد. پیشبینی مقدار آبشستگی در مرحله طراحی و قبل از اجراي هر سازه هیدرولیکی که در مجاورت جریان آب قرار دارد، از این جهت اهمیت دارد که طراح با برآورد مقدار تقریبی آن، پی سازه هیدرولیکی را به نحوي طراحی نماید تا آبشستگی ناشی از جریانهاي مختلف، منجر به تخریب آن نشود گاهی اوقات عمق آبشستگی به اندازهاي بزرگ است که باعث تضعیف سازه میشود.
حفاظت بستر بوسیله سنگچین یکی از روشهاي پر کاربرد در مقابل آبشستگی بوده که در صورت وجود مصالح مناسب در نزدیکی محل اجرا، علاوه بر اجراي سریع و آسان آن، از نظر اقتصادي نیز مناسب میباشد. البته نباید ناپایداري سنگچین در برابر جریانهاي با سرعت زیاد نادیده گرفته شود. در صورتیکه قطر متوسط ذرات تشکیل دهنده سنگچین به طور مناسب انتخاب نشده و یا طول آن بسیار کم طراحی شده باشد، در مقابل آشفتگیهاي جریان پایداري خود را از دست داده و عملاً تاثیري بر کنترل آبشستگی نخواهد داشت. بنابراین بررسی چگونگی تاثیر شرایط هیدرولیکی مختلف برمقدار آبشستگی وطول آن از اهمیت بسزایی برخوردار میباشد.
مطالعات قابل توجهی در زمینهي فرسایش در پاییندست سازهها در سالهاي اخیر انجام شده است .مطالعه بر روي فرسایش بوسیله جتهاي افقی درشرایط هیدرولیکی مختلف توسط راجاراتنام - - 1981 و راجاراتنام و مکدوگال در - - 1983 انجام شد.
هافمن - - 1998 نظریهاي بر اساس معادله مومنتم پیشنهاد کرد،که در آن براي پیشبینی حداکثر عمق آبشستگی در اثر جت افقی و مستغرق، عمق پایاب را هم تاثیر داد. مطالعات مختصري روي پارامترهاي هندسی حفره آبشستگی در پایین دست سنگچین شیبدار براي حوضچه آرامش با مواد یکنواخت توسط پاگلیارا و هیگر - - 2004 انجام شد.
پاگلیارا و پالرمو - - 2006 با استفاده از مدل آزمایشگاهی، چگونگی تاثیر سنگچین را بر کنترل آبشستگی مجاري پلکانی در حالت جریان مستغرق، مورد مطالعه قرار دادند. ایشان اجراي سنگچین را روش مناسبی براي کاهش آبشستگی بیان نمودند.
همچنین پاگلیارا - - 2007 در حالتی که پرش آزاد - - FMB روي بستر متحرك رخ میدهد، روابطی را براي تخمین عمق و طول آبشستگی پایین دست سنگچین شیب دار انجام داد. وي آزمایشات را فقط بر روي یک سطح شیبدار و فقط براي حالتی که ارتفاع کف حوضچه منطبق بر کف کانال بود اجرا کرد.
تائبی و همکاران - - 2009 تاثیر قطر ذرات سنگچین بر مقدار آبشستگی پاییندست حوضچه آرامش را به صورت آزمایشگاهی بررسی کردند.
مینورد - - 1991 نیز مطالعاتی بر روي مقدار مقاومت سنگچین در برابر جریان انجام داد و نتیجه گرفت، اجراي سنگچین با قطر مناسب در برابر جریان مقاوم بوده و با کاهش سرعت جریان، از مقدار آبشستگی کاسته میشود
پس از آن پاگلیارا و پالرمو - - 2010 مطالعهاي براي بررسی اثر ارتفاع لبه بالایی شمع، که معمولا براي تثبیت پنجه در سطوح شیبدار ساخته میشوند، و همچنین بررسی تغییرات عمق پایاب بر مکانیزم و هندسهي آبشستگی انجام دادند. آنها آزمایشات را در سه کانال مختلف و براي سه موقعیت متفاوت شمع انجام دادند و در نهایت معادلاتی را براي محاسبهي عمق و طول آبشستگی ارائه کردند
از انجایی که معادلات فوق تجربی بوده و دقت بالایی براي محاسبهي پارامترهاي هندسی حفره آبشستگی را ندارند استفاده از روشی با دقت بالا که در زمانی کمتر به انجام محاسبات بپردازد، لازم و ضروري میباشد. امروزه وجود روشهایی همچون شبکه عصبی و منطق فازي این نیاز را برآورده کردهاند. در این تحقیق کاربرد شبکه عصبی مصنوعی براي براورد پارامترهاي مذکور مورد بررسی قرار گرفت و سپس نتایج بدست آمده با نتایج معادلات تجربی و همچنین نتایج آزمایشگاهی مقایسه شد.
.2 شبکه عصبی
شبکه عصبی مصنوعی یک سیستم پردازش اطلاعات است که برگرفته از ساختار مغز انسان میباشد. در واقع این شبکه عبارتست از یک ساختار ریاضی به منظور ارتباط بین وروديها وخروجیهاي سیستم که قادر به شبیه سازي و درك ارتباط غیر خطی بین داده ها میباشد. در این سیستم، پردازش اطلاعات در گرهها که نرون نامیده میشوند انجام میشود. مدل شبکه عصبی داراي شباهتهایی با روابط رگرسیونی میباشد، با این تفاوت که قابلیت انعطاف شبکه عصبی در تنظیم وزنها بیشتر بوده و لذا جایگزینی مناسب براي رگرسیونهاي چند متغیره به حساب میآید.
در شکل - - 1 طرح شماتیک از ساختار شبکه عصبی نشان داده شده است. از طرفی اطلاعات از طریق اتصالات بین نرونها که به هریک وزنی اختصاص داده میشود، منتقل میشوند. اندازهي وزن هر اتصال تعیین کننده تأثیر هر متغیر بر میزان عملکرد لایه ورودي است.
شکل-1 ساختار شبکه عصبی
یکی از انواع مهم شبکههاي پیشرو شبکههاي پرسپترون چند لایه - MultiLayer Perceptron Network - و یا MLP هستند که معمولا از سه نوع لایهي مختلف که عبارتند از لایه ورودي، لایه میانی - مخفی - و لایه خروجی تشکیل شده اند. نرونهاي لایه ورودي اطلاعات ورودي را میگیرند.
در لایههاي مخفی نرونهاي محاسباتی یا پردازشگر هستند و لایه خروجی شامل مقادیر پیشبینی شده میباشد و بنابراین خروجی مدل را معرفی میکند. تعداد لایههاي مخفی و نرونهاي آنها از طریق آزمون و خطا مشخص میشود. براي تبدیل ورودي به خروجی هر لایه به لایههاي بعدي از توابع محرك استفاده میشود که داراي انواع مختلفی نظیر توابع تانژانت هیپربولیک، سیگموئید، خطی، باینري و گوسی می باشد. یکی از مرسومترین و پر کاربردترین توابع در این زمینه، توابع سیگموئیدي هستند.
.3 مواد و روش ها
داده هاي این تحقیق عبارتند از نتایج حاصل از 185 دسته دادهي آزمایشگاهی براي محاسبه عمق آبشستگی و 175 دسته داده براي محاسبه طول آبشستگی که توسط پاگلیارا و پالرمو - - 2010 در آزمایشگاه دانشگاه پیزا ایتالیا انجام شده است. از 185 دسته دادهي موجود براي عمق دو دستهي 50 و 135تایی و از 175 دسته داده براي طول دو دسته 50 و 125 تایی جدا شدند که دستههاي 50 تایی براي الگوي دادههاي ازمون و مابقی آن به منظور الگوي دادههاي آموزش بکار رفتند. جدول - - 1 زیر پارامترهاي هر دسته و همچنین محدودهي تغییرات آنها را نشان میدهد.
جدول-1 پارامترهاي مورد استفاده و محدوده تغییرات آنها
در این جدول - m - h1 عمق جریان در پنجه سطح شیبدار، - m - h0 عمق جریان در پاییندست، PL ارتفاع بدون بعد شمع است که با تقسیم ارتفاع شمع بر قطر متوسط ذرات بستر سطح شیبدار - D50 - بدست میآید. همانطور که در شکل - ٢ - نشان داده شده مقادیر زیر براي PL در نظر گرفته شده است: PL=0 براي موقعیت شمع پایین - PL/D50=0 - ، - PH/D50=1 - PL=1 زمانی که موقعیت شمع بالاست، وPL=0.5 براي حالتی که موقعیت شمع در وسط باشد . - PM/D50=0.5 - σramp پارامتر یکنواختی براي بستر سطح شیبدار، σbed پارامتر یکنواختی بستر کانال است که از رابطه - 1 - بدست میآید.
Fd90 و Fd50 عبارتند از عدد فرود جرمی براي d50 و d90 مواد بستر کانال. - m - zmax حداکثر عمق آبشستگی و - m - l0 طول آبشستگی میباشد.
