جغرافیا و برنامه ریزی منطقه‌ای

جغرافیا و برنامه ریزی منطقه‌ای

طراحی بهینه سد خاکی همگن با پنجه سنگی با استفاده از الگوریتم بهینه سازی چند هدفه ازدحام ذرات

نوع مقاله : مقاله علمی -پژوهشی کاربردی

نویسندگان
1 گروه مهندسی عمران، دانشگاه صنعتی شیراز، شیراز، ایران
2 گروه مهندسی عمران، واحد اصفهان (خوارسگان)، دانشگاه آزاد اسلامی، اصفهان، ایران
چکیده
سدها سازه های بسیار مهمی هستند که برای آبیاری، کنترل سیلاب، تولید برق و اب و غیره استفاده می شوند. ساخت سد بسیار پرهزینه و زمان بر است. از این رو، بهینه سازی سدها برای به حداقل رساندن هزینه ضروری و امری چالش برانگیز است. هدف این مقاله بهینه سازی سد خاکی همگن با پنجه سنگی با توجه به هزینه ساخت می باشد. در این نوع سد هزینه عملیات سنگی که در بستراستفاده می شود معمولا 2 تا 20 برابر بیشتر از عملیات خاکی در بدنه سد است. باید توجه داشت برای جلوگیری از آسیب و از دست دادن آب اضافی، تراوش در داخل بدنه سد باید کمترین حد ممکن را داشته باشد و این امر با بزرگ شده بدنه امکان پذیر است . این طراحی شامل معیار گرادیان هیدرولیکی و معیار پایداری شیب در بالادست و پایین دست سد در حالتهای مخزن پر و مخزن خالی و تخلیه سریع مخزن است. برای حل این مسئله که یک مسئله چند هدفه با محدودیت های غیر خطی است الگوریتم بهینه سازی گروه ذرات با چند تابع هدف (MOPSO) مورد استفاده قرار گرفته است. برای به دست آوردن فرمول های مناسب برای اعمال قیود بیش از 350 مدل سد در نرم افزار ژئو- استودیو (Geo-Studio) مدل سازی و با استفاده از تحلیل رگرسیون ، قیود حاصل شده است. سپس این فرمولها برای بهینه سازی سد در الگوریتم فراابتکاری فوق الذکر مورد استفاده قرار گرفته است. نتایج نشان می دهد که روش پیشنهادی کارآمد بوده و نتایج مناسبی ارائه می دهد.
کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله English

Optimum Design of Rock Toe Earth Dam Using MOPSO Algorithm

نویسندگان English

Abdolhossein Baghlani 1
Arash Ebrahimnezhad 2
Ali Khoshfetrat 2
1 Department of Civil Engineering, Shiraz University of Technology, Shiraz , Iran
2 Department of Civil Engineering, Isf.C, Islamic Azad University, Isfahan , Iran
چکیده English

Dams are highly important structures used for irrigation, flood control, power generation, water supply, and other purposes. Since dam construction is both costly and time-consuming, optimizing dam designs to minimize construction costs is essential, yet challenging. This study aims to optimize the design of a homogeneous earth dam with a rock toe by considering its construction cost. In this type of dam, the cost of rockfill operations at the dam toe is typically 2 to 20 times higher than that of earthwork operations in the dam body. It should also be noted that seepage through the dam body must be minimized to prevent structural damage and excessive water loss. This can generally be achieved by increasing the dimensions of the dam body.The proposed design considers the hydraulic gradient criterion as well as the stability of the upstream and downstream slopes under full-reservoir, empty-reservoir, and rapid-drawdown conditions. To solve this multi-objective optimization problem involving nonlinear constraints, the Multi-Objective Particle Swarm Optimization (MOPSO) algorithm was employed. To derive appropriate equations for applying the constraints, more than 350 dam models were developed and analyzed using GeoStudio software. The constraint equations were subsequently obtained through regression analysis. These equations were then incorporated into the aforementioned metaheuristic algorithm to optimize the dam design. The results demonstrate that the proposed method is efficient and provides satisfactory solutions.

کلیدواژه‌ها English

Multi-Objective Particle Swarm Optimization
homogeneous earth dam with a rock toe
slope stability
seepage
GeoStudio
وکیلی، ا.، آقا مجیدی، ر.، و احمدی، م. ح. (۱۴۰۴). بررسی تأثیر ویژگی‌های هندسی هسته بر الگوی جریان و میزان تراوش در سدهای خاکی. مهندسی منابع آب.
Reverences
Vakili, A., Aghamajidi, R., & Ahmadi, M. H. (2025). Investigating the effect of core geometric characteristics on flow patterns and seepage rates in earth dams. Mohandesi-ye Manabe Ab [in Persian]
Lam , Sameer.(2008). Multi-Objective Optimization in Computational Intelligence. New York ,Information Science Reference.
Braja M. Das.(2008).Advanced Soil Mechanics. Third edition, New York Taylor & Francis.
Mohammadi, M., Barani, G. A., Ghaderi, K., & Haghighatandish, S. (2013). Optimization of earth dams clay core dimensions using evolutionary algorithms. European Journal of Experimental Biology, 3(3), 350-361.
Mohammadi, M., Barani, G. A., & Qaderi, K. (2013). Using Simulated Annealing (SA), Evolutionary Algorithm To Determine Optimal Dimensions of Clay Core in Earth Dams. International Journal of Advanced Biological and Biomedical Research, 1(4), 382-397.
Giglou, A. N., & Zeraatparvar, A. (2012). Seepage estimation through earth dams. Journal of Basic and Applied Scientific Research, 2(8), 7861-7865.
Fakhari, A., & Ghanbari, A. (2013). Note: A simple method for calculating the seepage from earth dams with clay core. Journal of GeoEngineering, 8(1), 27-32.
Delvari, A., Kamanbedast, A., & Hasoni, H. (2012). Investigation of stability in earth dam using ansys, and geo–studio software.
Abhilasha ;Ashwini Suresh; Stability Analysis of an embankment dam.2014IJSRD 
Arshad, I; Babar, M.M; Javed, N; Numerical Analysis of seepage and slope stability in an earthen dam by using Geo-Slope software. 2017 PSM
Mohammed Ehteram; Hojat Karami; Sayed-Farhad Mousavi; Ahmed El-Shafie; Zahra Amini ; Optimizing dam and reservoirs operation based model utilizing shark algorithm approach.2017 Elsevier
Yanlong Li; Jing Wang; and Zengguang Xu; Design optimization of a concrete face rock Fill dam by using genetic algorithm.2015Hindawi
Magdy M. Aboelela; Control of seepage through earth dams based on pervious foundation using toe drainage Systems.2016Scirp
U.S. Department of the Interior Bureau of Reclamation, Embankment Dams. Design Standards No. 13,2012
US Army Corps of Engineers, General design and construction considerations for earth and rock-fill dams. EM 1110-2-2300 ,2004
US Army Corps of Engineers, Slope stability. EM 1110-1902 ,2003
US Army Corps of Engineers, Seepage analysis and control for dams. EM 1110-2-1901,1993
Design Standards No. 13, Embankment Dams. Chapter 1 to 8,2011
Indian Standard, Code of practice for stability analysis of earth dams, 2002.
Deb, K., Agrawal, S., Pratap, A., & Meyarivan, T. (2000, September). A fast elitist non-dominated sorting genetic algorithm for multi-objective optimization: NSGA-II. In international conference on parallel problem solving from nature (pp. 849-858). Springer Berlin Heidelberg.
Coello, C. A. C., Pulido, G. T., & Lechuga, M. S. (2004). Handling multiple objectives with particle swarm optimization. IEEE Transactions on evolutionary computation, 8(3), 256-279.
Akbari, R., Hedayatzadeh, R., Ziarati, K., & Hassanizadeh, B. (2012). A multi-objective artificial bee colony algorithm. Swarm and Evolutionary Computation, 2, 39-52.
Rao, R., & Patel, V. (2014). A multi-objective improved teaching-learning based optimization algorithm for unconstrained and constrained optimization problems. International journal of industrial engineering computations, 5(1), 1-22.
Coello, C. C. (2006). Evolutionary multi-objective optimization: a historical view of the field. IEEE computational intelligence magazine, 1(1), 28-36
Doaa A. El-Molla , Seepage and slope stability analysis of earth dams with different drain types under surface and internal modes of clogging(2026). Science direct