طراحی بهینه سراشیب ها در هواده های مستقر در تنداب های سد ها

پیشرفتهای علم و فناوری سد سازی در دهه های اخیر، امکان احداث سدهای مرتفعتر را فراهم کرده است. روند رو به رشد احداث سدهای بزرگ خاکی و بتونی در سالهای اخیر نیز موید این واقعیت است. نکته حائز اهمیت این است که در طراحی این سازه ها و کلیه ملحقات آنها می بایستی اصول مهندسی به طور کامل لحاظ گردد و لازمه این امر نیز شناخت صحیح و کامل از قوانین حاکم و پدیده هایی است که با این علم در ارتباط هستند. در غیر این صورت احتمال بروز خسارات جبران ناپذیری وجود خواهد داشت که علاوه بر تحمیل هزینه های اضافی بر طرح، حتی می تواند سلامت سازه را نیز به مخاطره بیندازد. برای اینکه سدها بتوانند کارایی لازم برای اهداف مهندسی که بر اساس آنها طراحی شده اند را برآورده سازند، نیاز به سازه های هیدرولیکی با اهداف مشخص دارند که یکی از مهمترین این سازه های هیدرولیکی سرریزها هستند. سرریزها از جمله سازه های هیدرولیکی مهمی هستند که برای تخلیه سیلاب استفاده می شوند و در پایداری سدها نقش اساسی ایفا می کنند. سرریز ها باید قادر باشند تا حجم آبی با دبی بزرگترین سیلاب محتمل در حوزه آبریز سد را در مدت زمان کوتاهی تخلیه کنند. یکی از پر کاربردترین سریزها سرریز شوت است که این سرریزها معمولا برای انتقال جریانهای معمولی یا سیل از روی تاج یک سد به سمت بستر رودخانه پایین دست سد استفاده می شوند. به عبارت دیگر سرریزهای شوت در واقع سازه های هیدرولیکی هستند متشکل از کانالهای باز که معمولا برای عبور دادن آب مازاد یا جریان آب ناشی از سیل، که بیشتر از ظرفیت تخصیص داده شده برای مخزن سد می باشد، از دریاچه سد به سمت رودخانه پایین دست ایجاد می شوند. کارکرد این سازه های هیدرولیکی این است که از پایداری سازه ای سد با تلف کردن مقداری از انرژی جریان آب و جلوگیری از خرابی و خوردگی دیواره های دره پایین دست سد که بستر رودخانه را تشکیل می دهند و خرابی آنها ممکن است به پایداری سد آسیب برساند، جلوگیری کنند. بنابراین طراحی هیدرولیکی ایمن سرریزهای شوت، در جلوگیری از حوادث فاجعه بار که ممکن است این سیستم انتقال آب ایجاد کند، از اهمیت زیادی برخوردار است. امتیازهای سرریزهای شوت معمولا عبارتند از طراحی و اجرای ساده، سازگاری مناسب با تقریبا هر شرایطی از فونداسیون و همچنین صرفه اقتصادی. ولی از طرف دیگر، جریانهای با سرعت بالا و دارای سطح آزاد معمولا در این سرریزها بوجود می آیند که باعث ایجاد فشارهای پایین و احتمال وقوع خرابی های ناشی از پدیده کاویتاسیون در کف و دیواره های کانال انتقال می شوند. پدیده کاویتاسیون روند تکرار شونده ایجاد و انفجار حبابها یا حفره ها در داخل یک سیستم سیال به علت نوسانات فشار می باشد. در عمل، در سرریزهای شوت به دلیل وجود عدد فرود و سرعت جریان بالا و وجود نوسانات فشار، خرابی های ناشی از پدیده کاویتاسیون ممکن است اتفاق بیافتد. حفره ها یا حبابهای ناشی از پدیده کاویتاسیون معمولا به علت دو نوع مکانیسم مختلف ایجاد می شوند که عبارتند از کاویتاسیون گازی و کاویتاسیون ناشی از بخار . کاویتاسیون گازی به علت وجود گاز حل نشده در داخل جریان آب و هنگامی که فشار کمتر از فشار اشباع گازها باشد، اتفاق می افتد که این نوع از کاویتاسیون خطری ندارد. در مقایسه، کاویتاسیون ناشی از بخار هنگامی اتفاق می افتد که فشار از فشار بخار آب کمتر شود که این پدیده کاویتاسیون می توان منجر به خرابی شود. حبابهای ایجاد شده ناشی از پدیده کاویتاسیون مخرب در ناحیه ای که پدیده کاویتاسیون اتفاق می افتد، بعد از آنکه توسط جریان به سمت پایین دست حمل می شوند و به نواحی با فشار بالاتر می رسند، در نزدیکی کف بتنی کانال منفجر می شوند و ایجاد موجهای فشاری در سطوح بسیار کوچک در نزدیکی کف کانال می کنند. این روند تکرار شونده ایجاد و انفجار حبابها می تواند به خرابی تدریجی و ناشی از خستگی مصالح کف کانال و در نتیجه کنده شدن تدریجی مصالح بتن کف کانال شود. یکی از روشهای عملی برای از بین بردن پدیده کاویتاسیون یا کاهش دادن خطرات ناشی از این پدیده، استفاده از سیستمهای هوادهی می باشد. علت استفاده از سیستمهای هواده برای جلوگیری از خرابی های ناشی از پدیده کاویتاسیون این است که با اضافه کردن هوای کافی در نزدیکی کف کانال، تراکم پذیری آب در این ناحیه افزایش پیدا می کند که باعث می شود این ترکیب دو فازه آب-هوا بتواند به علت خاصیت ارتجاعی خود، انرژی موجهای فشاری ایجاد شده ناشی از پدیده کاویتاسیون را تلف کرده و این موجها را میرا کند. به عبارت دیگر در مجاورت مرزهای صلب، هوای موجود در جریان به صورت المانهای قابل ارتجاع عمل می کند و باعث اتلاف انرژی ناشی از انفجار حبابها می گردد. به طور دقیقتر باید ذکر شود که هواده موجب می شود که جریان به صورت یک جت از کف سرریز جدا شود تا هوا از سطح زیرین جت نیز وارد آن گردد. بدین ترتیب غلظت هوا در نزدیکی سطح صلب زیاد می شود و از خسارات ناشی از کاویتاسیون جلوگیری به عمل می آید. این امر با طراحی یک سیستم هوادهی شامل طراحی هندسه سازه هواده، مشخصات هیدرولیکی جریان در اطراف و روی هواده و جانمایی و محل هواده ممکن می گردد. پیشرفت کامپیوتر باعث شده است که مسائلی که در گذشته از لحاظ تئوریک پیشرفت زیادی کرده بودند ولی قابلیت بکارگیری عملی آنها به علت عدم وجود یک دستگاه محاسباتی کارآمد وجود نداشت، در سالهای اخیر به صورت کاربردی در علوم مختلف استفاده شوند. یکی از علوم محاسباتی کارآمدی که پیشرفت علوم کامپیوتری استفاده عملی از آنها را فراهم کرده، الگوریتمهای تحلیل عددی قابل برنامه نویسی توسط کامپیوتر می باشند. یک دسته از این الگوریتمهای تحلیل عددی، الگوریتمهای مبتنی بر دینامیک سیالات محاسباتی (cfd) می باشند که امکان حل دسته معادلات پیچیده مشتق جزیی حاکم بر پدیده های دینامیک سیالات را در صورت مشخص بودن شرایط مرزی و اولیه مساله، فراهم می کنند. به علاوه، پیشرفت علوم کامپیوتری در سالهای اخیر باعث شده است که تئوری های کاربردی جدیدی در علوم ریاضیات شکل بگیرند که با استفاده از آنها بتوان مکانیسمهای تفکر انسانی را شبیه سازی نمود که این موضوع منجر به پدید آمدن تکنیکهای هوش مصنوعی شده است. یکی از تئوری های بسیار موثر در تکنیکهای هوش مصنوعی، تئوری فازی می باشد که هدف اصلی آن شبیه سازی کامپیوتری قضاوت انسانی بر اساس تجربیات حاصل از مشاهده رفتار پدیده مورد بررسی و با استفاده از الگوریتمهای قابل برنامه ریزی با کامپیوتر می باشد. در این راستا، سیستمهای فازی یکی از ابزارهای نیرومندی می باشند که تئوری فازی ارائه می کند که این سیستمها در صورت طراحی و آموزش درست، قابلیت تخمین و شبیه سازی هر پدیده ای را با دقت تعیین شده دارند. عملکرد سیستمهای فازی مبتنی است بر یک پایگاه قواعد متشکل از قوانین از پیش تعیین شده که بر اساس تجربه یک موجود خبره از پدیده مورد بررسی جمع آوری شده است و این سیستمها با اتکا به این پایگاه قواعد و بر اساس تئوری های مطرح شده در تئوری فازی، قادرند با دقت معینی رفتار پدیده مورد بررسی را پیشبینی و شبیه سازی کنند. تئوری فازی بر اساس تعریف جامعتری از مجموعه های ریاضی شکل گرفته است و در واقع مجموعه های فازی که اساس تئوری فازی را تشکیل می دهند از ایجاد اصلاحاتی در مجموعه های کلاسیک شکل گرفته اند که این اصلاحات قابلیت مدلسازی قضاوت انسانی و هوشمند را در تئوری فازی فراهم می کنند. در مجموعه های کلاسیک، تعلق یا عدم تعلق به یک مجموعه معنی دارد و حالت بینابینی وجود ندارد. در مقایسه، در مجموعه های فازی تعلق به یک مجموعه با یک درجه تعلق تعریف می شود که توسط تابع تعلق مجموعه فازی بیان می شود. در نتیجه مجموعه های فازی در مقایسه با مجموعه های کلاسیک این انعطاف پذیری را دارند که بتوان با بکارگیری آنها یک قضاوت هوشمند و دقیق را با داشتن اطلاعاتی از رفتار گذشته یک پدیده، از رفتار آینده یا مشاهده نشده آن پدیده ارائه نمود. با استفاده از قابلیتهای انعطاف پذیر مجموعه های فازی، این امکان فراهم شده است که بتوان قضاوت مهندسی مناسب و دقیقی را از یک پدیده با استفاده از یک الگوریتم برنامه نویسی شده توسط کامپیوتر ارائه داد. قابلیتهایی که تئوری فازی در اختیار مهندسین قرار داده باعث شده است که در سالهای اخیر، تئوری فازی در بسیاری از مسائل مهندسی از جمله مهندسی عمران و مکانیک بکار گرفته شود و به خصوص سیستمهای فازی به طور گسترده و موفقی در تخمین رفتار پدیده های پیچیده بکاربرده شده اند. در این راستا، سیستمهای فازی، الگوریتمهای محاسباتی بسیار ارزانتری را در مقایسه با روشهای عددی مرسوم از جمله دینامیک سیالات محاسباتی فراهم کرده اند که می توان با استفاده از آنها مسائل مطرح در مهندسی آب را با صرف زمان و هزینه کمتری در مقایسه با دینامیک سیالات محاسباتی تحلیل نمود. هدف از انجام پایان نامه حاضر این است که یک سری تحقیقات آزمایشگاهی بر روی عملکرد هیدرولیکی هواده ها در سرریز شوت ترتیب داده شود. در این پایان نامه، اندازه گیری های آزمایشگاهی بر روی مقدار هوای ورودی به جریان بوسیله سیستم هواده ارائه شده است. این آزمایشات در آزمایشگاه موسسه تحقیقات آب ایران بر روی مدل هیدرولیکی مقیاس شده سرریز سد داریان انجام شده است. همچنین باید ذکر شود که به منظور تعیین مکان مناسب سیستم هواده در سرریز شوت، ناحیه محتمل برای وقوع کاویتاسیون باید تعیین شود. با این هدف در این پایان نامه یک سیستم فازی آموزش داده شده است برای اینکه بتوان پدیده کاویتاسیون را در سرریز شوت پیشبینی کرد. به منظور آموزش دادن و کنترل کردن سیستم فازی، اطلاعات بدست آمده از اندازه گیری های آزمایشگاهی استفاده شده است. همچنین یک الگوریتم کمترین مربعات برای آموزش دادن سیستم فازی به طوری که سیستم فازی کارایی مطلوب را نشان دهد، استفاده شده است. سیستم فازی ارائه شده دارای توانایی بدست آوردن اندیس کاویتاسیون به ازای دبی های عبوری مختلف سرریز و در مکانهای مختلف در سرریز می باشد. مقایسات انجام شده نشان داده است که کاویتاسیون پیشبینی شده توسط سیستم فازی تطابق خوبی با نتایج اندازه گیری های آزمایشگاهی دارد. در نهایت در این پایان نامه یک رابطه تجربی برای تعیین میزان هوای ورودی به جریان به وسیله سیستم هواده نصب شده ارائه شده است و نتایج حاصل از آن با فرمولهای تجربی دیگر و همچنین نتایج حاصل از اندازه گیری های آزمایشگاهی مقایسه شده است. با توجه به موارد گفته شده، ترتیب مطالبی که در ادامه در پایان نامه حاضر ارائه می شوند به این صورت است فصل دوم پایان نامه به طور خلاصه به جوانب مختلف پدیده کاویتاسیون در سرریزها می پردازد و سعی می شود در این فصل با مطالعه و مرور تحقیقات گذشته، یک جمع بندی درباره رفتار جریان بر روی هواده و مکانیزم هواگیری ارائه شود. در فصل سوم پایان نامه، مدل فیزیکی ساخته شده از سرریز سد داریان که ابتدا بدون نصب سیستم هواده ساخته شده توضیح داده می شود و به ازای دبی های مختلف عبوری از سرریز، عدد کاوتاسیون در نقاط مختلف سرریز محاسبه می شود و همچنین وسایل اندازه گیری مورد استفاده در آزمایشگاه و خطاهای مربوط به آنها توضیح داده می شوند. در فصل چهارم این پایان نامه، سیستمی فازی برای تخمین اندیس کاویتاسیون در مکانهای مختلف مدل فیزیکی سرریز، آموزش داده می شود تا با استفاده از این سیستم فازی بتوان ناحیه ای از سرریز را که احتمال بروز خرابی های ناشی از پدیده کاویتاسیون در آن زیاد است مشخص نمود. برای ایجاد این سیستم فازی، ابتدا پارامترهای ورودی-خروجی سیستم فازی تعریف می شوند و سپس با هدف ساختن پایگاه داده های فازی، مجموعه های فازی در فضای ورودی تعیین می شوند. در مرحله بعدی ساختار کلی سیستم فازی استفاده شده در این پایان نامه بدست آمده و اصول تئوریک استفاده شده برای این کار تشریح می شوند. سپس به کمک یک الگوریتم کمترین مربعات خطای بازگشتی و با استفاده از داده های ورودی-خروجی بدست آمده از نتایج آزمایشگاهی، سیستم فازی برای عملکرد مناسب آموزش داده می شود. در نهایت با استفاده از داده های بدست آمده از اندازه گیری های آزمایشگاهی، سیستم فازی آموزش داده شده کنترل می شود. بعد از مشخص شدن ناحیه محتمل رخ دادن پدیده کاویتاسیون، در فصل پنجم پایان نامه مدل فیزکی ساخته شده از سرریز که در آن در محل وقوع کاویتاسیون سیستم هواده نصب شده است تشریح می شود. در مدل فیزیکی ساخته شده از سرریز با هواده، کارایی سرریز به همراه سیستم هواده بررسی می شود. در نهایت در این فصل، با استفاده از اطلاعات اندازه گیری شده در آزمایشگاه، یک رابطه تجربی برای محاسبه سرعت هوای عبوری از سیستم هواده ارائه می شود. این رابطه تجربی قابلیت بدست آوردن سرعت هوای گذرنده از سیستم هواده را با داشتن سرعت آب گذرنده از لبه رمپ هواده و زاویه جت آب در محل لبه رمپ هواده با افق، دارد. همچنین نتایج حاصل از رابطه تجربی بدست آمده، در این فصل با نتایج آزمایشگاهی و چند فرمول تجربی دیگر مقایسه می شود. در نهایت در فصل ششم، بعد از ارائه یک جمعبندی از مطالب مطرح شده و نتایج بدست آمده در این پایان نامه، پیشنهاداتی برای ادامه تحقیقات انجام شده در این پایان نامه، آورده شده است.