بررسی آزمایشگاهی و کاربرد محاسبات نرم در ارزیابی شکافت و آب‌نمود خروجی در شکست سد خاکی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 استادیار، گروه مهندسی عمران، واحد ورزقان، دانشگاه آزاد اسلامی، ورزقان، ایران

2 استاد، گروه مهندسی آب، قطب علمی هیدروانفورماتیک، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران

3 استاد، گروه مهندسی آب، دانشگاه صنعتی اصفهان، اصفهان، ایران

چکیده

تعیین فراسنج‌های شکافت و آب‌نمود حاصله به دلیل خسارت‌های جبران‌ناپذیر و آلودگی‌های محیط‌زیستی ناشی از شکست سد خاکی در اثر روگذری جریان و رگاب از اهمیت فراوانی برخوردار است. در این تحقیق با مطالعه بر روی ساختار فرسایش، فرآیندهای تاثیرگذار بر شکست سد خاکی بررسی شده و روابط تجربی برای تعیین میزان دبی اوج، ویژگی‌های شکافت و زمان در حالت روگذری جریان و رگاب ارائه می‌گردد. به‌منظور بررسی فرآیندهای گسترش شکافت از مدل‌های فیزیکی با ارتفاع و مشخصه‌های فنی مختلف تحت روگذری جریان در داخل مجرای آزمایشگاهی استفاده شده است. در بخش دیگر مطالعه حاضر، رابطه‌های تجربی جدیدی برای پیش‌بینی حجم فرسایش‌یافته (Ver) براساس ویژگی‌های شکافت و مشارکت منابع مختلف شامل داده‌های تاریخی، آزمایشگاهی و سدهای واقعی توسعه یافته است. در به‌دست‌آوردن داده‌های مربوط به شکافت فرضی سدهای مذکور از مدل ریاضی BREACH استفاده شده است. نتیجه‌های این تحقیق نشان می‌دهد زمان خرابی (tf) در سدهای خاکی وابستگی زیادی به ویژگی‌های هیدرولیکی و شکافت داشته و براین‌اساس، در روابط توسعه‌یافته جدید، tf به‌عنوان تابعی از ویژگی‌های مذکور در نظر گرفته می‌شود. بر اساس شاخص‌های کارآیی، مقدارهای ضریب تبیین (R^2) برای رابطه‌های پیشنهادی برای تعیین Qp در حالت‌های روگذری جریان و رگاب به‌ترتیب برابر با 0.94 و 0.91 می‌باشند. ضریب یادشده جهت تعیین رابطه Ver برابر با 0.98 و در تعیین رابطه‌های tf به‌ترتیب معادل با 0.85 و 0.87 محاسبه شده است. از آنجایی‌که آب‌نمود ناشی از شکست سد به هندسه و زمان تشکیل شکافت بستگی دارد، به کمک داده‌های آزمایشگاهی و تلفیقی از تحلیل‌های رگرسیونی و الگوریتم‌های تکاملی، آب‌نمود سدهای واقعی به عنوان مطالعه موردی شبیه‌سازی شده‌اند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Experimental Investigation and Application of Soft Computing in the Assessment of Breach and Outflow Hydrograph in the Embankment Dam Break

نویسندگان [English]

  • Kamran Kouzehgar 1
  • Yousef Hassanzadeh 2
  • Saeid Eslamian 3
1 Faculty of Civil Engineering, Islamic Azad University, Varzeghan Branch, Varzeghan, Iran
2 Department of Civil Engineering University of Tabriz, Tabriz, Iran Farazab Consulting Engineers, Tabriz, Iran
3 Department of Water Engineering, Isfahan University of Technology, Isfahan, Iran
چکیده [English]

Determination of the breach parameters and resulting hydrograph of the embankment dam failure due to overtopping and piping erosion has great importance because of the significant injuries and environmental impacts. In this research, by investigations on the erosion mechanisms, the affecting processes on the embankment dam failure are examined, and empirical relationships are presented to determine the peak outflow discharge (Qp), time, and breach characteristics in the overtopping and piping failure cases. Physical models with different heights and technical specifications were constructed and failed in the experimental flume to study the breach expansion rates. In the other part of the research, new empirical relations have been developed to predict the eroded volume (Ver) based on the breach characteristics and the contribution of various resources including historical, experimental, and hypothetical failures of the real embankments. The BREACH mathematical model has been used to obtain the failure parameters related to the hypothetical breach of the recent dams. According to observations, the failure time (tf) is highly dependent on hydraulic and breach characteristics. Therefore, the tf is considered as a function of these characteristics in the proposed formulas. Based on the performance indices, the values of the determination coefficient (R^2) for the newly proposed Qp relations are equal to 0.94 and 0.91, respectively, in the overtopping and piping failures. This coefficient for the development of the Ver relationship is equal to 0.98, and for the development of tf equations are equal to 0.85 and 0.87, respectively. Since the outflow hydrograph of a breached embankment dam is largely depended on the geometry and evolution time of the breach, the failure hydrographs of real embankments are simulated using a combination of regression analysis and evolutionary algorithms as a case study.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Experimental models
  • Peak outflow discharge
  • Failure time
  • Eroded volume
  • Hydrograph simulation
1[ حسن‌زاده، ی.. "هیدرولیک شکست سد". نشریه شماره 63، وزارت نیرو-کمیته ملی سدهای بزرگ, تهران، ایران، 1389.
[2] دهنوی، ع.؛ کوزه‌گر، ک.. "هم‌ارزسازی نتایج آیکولد اصلاح‌شده با هدف استفاده از مبانی تصمیم‌گیری روش لئوپولد ایرانی در طرح‌های توسعه منابع آب (مطالعه موردی محیط فیزیکی سد پیغام‌چای کلیبر)". فصلنامه علوم و تکنولوژی محیط زیست، دوره 21، شماره 6، ص. 15-1، 1398.
[3] Vaskinn, K.A., Lövoll, A., Hoëg, K., Morris, M., Hanson, G.J., Hassan, M.A. "Physical modeling of breach formation: large scale field tests". Dam safety. In: Proceedings of the Association of State Dam Safety Officials, Phoenix, Arizona, USA, 2004.
[4] سلطان‌نژاد، خ.؛ رئیسی‌استبرق، ع.؛ امید، م.ح.؛ عبداللهی، ج.. "اثر افزایش مقاومت خاک در برابر پدیده رگاب با مسلح‌سازی تصادفی آن". نشریه مهندسی عمران امیرکبیر، دوره 48، شماره 4، ص.448-439، 1395.
[5] حسن‌زاده، ی.؛ عبدی‌کردانی، ا.؛ حسن‌زاده، م.؛ شفیعی‌نجد، م.. "بررسی شکست سدهای خاکی، روندیابی و پهنه‌بندی سیلاب با اعمال مدل‌های ریاضی و سیستم اطلاعات جغرافیایی (مطالعه موردی: سد علویان)". دانش آب و خاک، دوره 29، شماره 3، ص. 134-121، 1398.
[6] Sattar, A.M.A., "Gene expression models for prediction of dam breach parameters". Journal of Hydroinformatics Vol. 16, No. 3, pp.550-571, 2013.
[7] Azamathulla, H.M., Ghani, A.A., Leow, C.S., Chang, C.K., Zakaria, N.A. "Gene-expression programming for the development of a stage-discharge curve of the Pahang River". Water resources management, Vol. 25, No. 11, pp.2901-2916, 2011.
[8] Froehlich, D.C., "Peak outflow from breached embankment dam". Journal of Water Resources Planning and Management, Vol. 121, No. 1, pp.90-97, 1995.
[9] Pierce, M.W., Thornton, C.I., Abt, .S.R "Predicting peak outflow from breached embankment dams". Journal of Hydrologic Engineering, Vol. 15, No. 5, pp.338-349, 2010.
[10] USBR. "Downstream hazard classification guidelines". ACER , Department of the Interior, Bureau of Reclamation, Report No. 11, 1988.
[11] Kouzehgar, K., Hassanzadeh, Y., Eslamian, S., Yousefzadeh Fard, M., Babaeian Amini, A., "Physical modeling into outflow hydrographs and breach characteristics of homogeneous earthfill dams failure due to overtopping". Journal of Mountain Science, Vol 18, No. 2, pp.462-481,  2021.
[12] Azimi, R., Vatankhah, A., Kouchakzadeh, S. "Predicting peak discharge fram breached embankment dams". 36th IAHR World Congress, Hague, Netherlands, 2015.
[13] Wang, B., Chen, Y., Wu, C., Peng, Y., Song, J., Liu, W., Liu, X., "Empirical and semi-analytical models for predicting peak outflows caused by embankment dam failures". Journal of Hydrology, Vol 562, pp.692-702, 2018.
[14] Jiang, X., Wei, Y., Wu, L., Hu, K., Zhu, Z., Zou, Z., Xiao, W. "Laboratory experiments on failure characteristics of non-cohesive sediment natural dam in progressive failure mode". Environmental Earth Sciences, Vol. 78 , No. 17, pp. 1-14, 2019.
[15] Sadeghi, S., Hakimzadeh, H., Babaeian Amini, A., "Experimental investigation into outflow hydrographs of nonhomogeneous earth dam breaching due to overtopping". Journal of Hydraulic Engineering, Vol. 146, No. 1, 2020.
[16] Gallegos, H.A., Schubert, J.E., Sanders, B.F. "Two-dimensional, high-resolution modeling of urban dam-break flooding: A case study of Baldwin Hills, California". Advances in Water Resources, Vol. 32, No. 8, pp.1323-1335, 2009.
[17] Fan, J., Galoie, M., Motamedi, A., "Mitigation of the amplitude and celerity of dam break shock wave using combination of groyne and vertical pier". Journal of Mountain Science. Vol. 17, No. 6, pp.1452-1461, 2020.
[18] Fan, J., Motamedi, A., Galoie, M. "Impact of downstream lakes on dam break wave attenuation". Natural Hazards, pp.1-18, 2021.
[19] حسن‌زاده، ی.؛ نورانی، و.؛ سپهری، و.، دل‌افروز، ه.؛ حسن‌زاده، م.؛ الماس‌پور، ف.. "تحلیل امواج ناشی از شکست سد و پهنه‌بندی دشت سیلابی با استفاده از مدل ریاضی)مطالعه موردی: سد ونیار". مجله دانش آب و خاک، دوره 25، شماره 4،  ص. 15-1، 1394.
[20] Galoie, M., Zenz, G., Eslamian, S., Motamedi, A. "Numerical simulation of flood due to dam-break flow using an implicit method". International Journal of Hydrology Science and Technology, Vol. 2, No. 2, pp.117-137, 2012.
[21] Singh, V.P., Scarlatos, P.D., "Analysis of gradual earth‐dam failure". Journal of Hydraulic Engineering, Vol. 114, No. 1, pp.21-42,1988.
[22] Von Thun, J.L., Gillette, D.R. "Guidance on Breach Parameters, 1990.
[23] MacDonald, T.C., Langridge‐Monopolis, J. "Breaching charateristics of dam failures". Journal of Hydraulic Engineering, Vol. 110, No. 5, pp.567-586, 1984.
[24] Chinnarasri, C., Jirakitlerd, S., Wongwises, S. "Embankment dam breach and its outflow characteristics". Civil Engineering and Environmental Systems, Vol. 21, No. 4, pp.247-264, 2004.
[25]. فیضی، ا.؛ اسدپور اردبیلی، ع.؛ عسکریان خوب، ا.. "بررسی اثرات شیب کف مخزن سد بر خصوصیات سیلاب ناشی از شکست سد در حالت بستر خشک پایین‌دست آن". فصلنامه علمی دریافنون، دوره 5، شماره 4، ص. 73-59، 1397.
[26] ارزنلو، ا.، حسن‌زاده، ی.؛ کاردان، ن.. "شبیه‌سازی عددی شکست سد و پهنه‌بندی سیلاب به منظور استفاده در تهیه برنامه واکنش سریع (مطالعه موردی: سد شهرچای ارومیه)". فصلنامه علمی دریافنون، دوره 3، شماره 2،  ص. 98-83، 1395.
[27] Chow, V.T. "Open-channel Hydraulics". Civil engineering series. McGraw-Hill, 1959.
[28] Walder, J.S., Iverson, R.M., Godt, J.W., Logan, M., Solovitz, S.A. "Controls on the breach geometry and flood hydrograph during overtopping of noncohesive earthen dams". Water Resources Research, Vol. 51, No. 8, pp.6701-6724, 2015.
[29] Chanson, H., Wang, H., "Unsteady discharge calibration of a large V-notch weir". Flow Measurement and Instrumentation, Vol. 29, pp.19-24, 2013.
[30] Wahl, T.L. "Prediction of Embankment Dam Breach Parameters: A Literature Review and Needs Assessment. DSO-98-004". Dam Safety Research Report  (trans: US Department of the Interior BoR). Denver, CO, USA, 1998.
[31]  Wahl, T.L., "Evaluation of Erodibility-Based Embankment Dam Breach Equations, Hydraulic Laboratory Report HL-2014-02". United.States Bureau of Reclamation, Denver, USA, 2014.
[32] Xu, Y., Zhang, L.M. "Breaching parameters for earth and rockfill dams". Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, Vol. 135, No. 12, pp.1957-1970, 2009.
[33]  Zhang, L., Peng, M., Chang, D., Xu, Y. "Dam Failure Mechanisms and Risk Assessment". John Wiley & Sons, USA, 2016.
[34] Ferreira, C.,  "Gene Expression Programming: Mathematical Modeling by An Artificial Intelligence. Studies in Computational Intelligence". Springer Berlin Heidelberg, 2006.
[35] Hahn, W., Hanson, G.J., Cook, K.R. "Breach morphology observations of embankment overtopping tests". Joint Conference on Water Resource Engineering and Water Resources Planning and Management:1-10, 2000.
[36] Hanson, G.J., Cook, K.R., Hahn, W. "Evaluating headcut migration rates of earthen embankment breach tests". Paper presented at the 2001 ASAE Annual Meeting, St. Joseph, USA,  2001.
[37]  Morris, M., Hassan, M., Kortenhaus, A., Visser, P. "Breaching Process: A Sstate of The Art Review, Report No. T06-06-03". HRWallingford, Oxfordshire, U.K., 2009.
[38] Duricic, J., Erdik, T., van Gelder, P., "Predicting peak breach discharge due to embankment dam failure". Journal of Hydroinformatics, Vol. 15 , No. 4, pp.1361-1376, 2013.
[39] کوزه‌گر، ک.. " بررسی شکست فرسایشی سد خاکی با استفاده از مدل فیزیکی، ریاضی و محاسبات نرم". رساله دکترای تخصصی، دانشگاه آزاد اسلامی واحد نجف آباد، 1399.
[40] Kouzehgar, K., Hassanzadeh, Y., Eslamian, S., Yousefzadeh Fard, M., and Babaeian Amini, A., "Experimental investigations and soft computations for predicting the erosion mechanisms and peak outflow discharge caused by embankment dam breach". Arabian Journal of Geosciences. Vol 14, No. 7, pp.1-19, 2021(b).