بهینه‌سازی مقطع و ارتفاع آزاد کانال‌های ذوزنقه‌ای براساس حداقل احتمال سرریز و هزینه‌های خاکبرداری و پوشش
محورهای موضوعی : تحلیل، طراحی و ساخت سازه های آبیمریم قاسمی خیادانی 1 , علی خوش فطرت 2 * , محمد ملکی 3
1 - دانش آموخته کارشناسی ارشد، گروه مهندسی عمران، واحد اصفهان (خوراسگان)، دانشگاه آزاد اسلامی، اصفهان، ایران.
2 - گروه مهندسی عمران، واحد اصفهان (خوراسگان)، دانشگاه آزاد اسلامی، اصفهان، ایران.
3 - گروه ریاضی، واحد اصفهان (خوراسگان)، دانشگاه آزاد اسلامی، اصفهان، ایران
کلید واژه: طراحیﻣﻘﻄﻊ ﻛﺎﻧﺎل, بهینه‌سازی غیرخطی, ارتفاع آزاد, حداقل احتمال سرریز, هزینه‌های خاکبرداری و پوشش,
چکیده مقاله :
در حالت عمومی بازدهی کانال‌های آبرسانی معمولا کمتر از حد قابل قبول می‌باشد یکی از دلایل آن عدم استفاده از روش‌های بهینه‌سازی مناسب در طراحی کانالها است. هدف از بهینه‌سازی مقطع کانال، طراحی کانال در مطلوب‌ترین حالت هیدرولیکی با اقتصادی‌ترین حالت ممکن است. در طراحی کانالها توجه به حداقل سازی احتمال سرریز نیز ضروری می‌باشد. در تحقیق حاضر، هدف، حداقل‌سازی مجموع هزینه‌های خاکبرداری و پوشش به همراه حداقل‌سازی احتمال سرریز شدن جریان از کانال برای کانال با مقطع ذوزنقه‌ای در دبی‌های مختلف بوده است. در ادامه، تاثیر تغییر دبی بر بهینه‌سازی ابعاد کانال مورد بررسی قرار گرفته است. ارتفاع آزاد و دبی جریان به عنوان متغیر طراحی لحاظ گردیده است. فرمول‌بندی مسئله با توجه به وجود قید برقراری معادله مانینگ، منجر به یک بهینه‌سازی غیرخطی می‌شود که با استفاده از نرم‌افزار ولفرام متمتیکا حل شده است. نتایج نشان داد که با افزایش دبی، مقدار بهینه عمق و عرض کف افزایش می‌یابد به دنبال آن هزینه‌های ساخت نیز افزایش یافته است ولی با افزایش دبی، ارتفاع آزاد کانال کاهش داشته است.
In general, the efficiency of water conveyance channels is often below the acceptable level, one of the reasons being the lack of appropriate optimization methods in channel design. The objective of channel cross-section optimization is to design a channel in the most hydraulically favorable condition while ensuring economic feasibility. Additionally, minimizing the risk of overflow is essential in channel design.
In the present study, the goal is to minimize the total costs of excavation and lining, along with minimizing the probability of flow overflow in a trapezoidal channel under varying discharge rates. Furthermore, the effect of discharge variation on channel dimension optimization is investigated. The freeboard and flow discharge are considered as design variables. Due to the constraint of satisfying Manning’s equation, the problem formulation leads to a nonlinear optimization, which is solved using Wolfram Mathematica software.
The results indicate that as the discharge increases, the optimal depth and bottom width also increase, leading to higher construction costs. However, with increasing discharge, the channel’s freeboard decreases.
Abd-El-Baky, R., (2023). Developed computational methodology for the most effective design of open channel cross sections. Journal of Civil Engineering and Construction, 12(4), 205-210. https://doi.org/10.32732/jcec.2023.12.4.205
Adarsh, S., & Sahana, A.S. (2013). Minimum cost design of irrigation canals using probabilistic global search lausanne. Arabian Journal for Science and Engineering, 38, 2631-2637. https://doi.org/10.1007/s13369-012-0493-x
Bhattacccharjya R. K. & Satish M. G. (2008). Flooding probability-based optimal design of trapezoidal open channel using freeboard as a design variable. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 134(3), 405-408. https://doi.org/10.1061/(asce)0733-9437(2008)134:3(405)
Das, A. (2000). Optimal channel cross secttion with composite roughness. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 126, 68-71. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9437(2000)126:1(68)
Das, A. (2007). Flooding probability constrained optimal design of trapezoidal channels. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 133, 53-60. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9437(2007)133:1(53)
Guo C.Y. & Hughes C. (1984). Optimal channel cross section with freeboard. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 110,304-314. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9437(1984)110:3(304)
Han, Y., Easa, S.M. & Gao, X. (2019). General explicit solutions of most economic sections and applications for trapezoidal and parabolic channels. Journal of Hydrodynamics, 31, 1034–1042. https://doi.org/10.1007/s42241-018-0155-x
Jafarinasab, M.A. (1999). Optimization of water supply network. Technical Faculty. Kerman Shahid Bahonar University. (In Persian)
Kentli, A., & Mercan, O. (2014). Application of different algorithms to optimal design of canal sections. Journal of Applied Research and Technology, 12(4). https://doi.org/10.1016/S1665-6423(14)70092-6.
Lavasani.E. (2020). Trapezoidal open channel cross section optimization by considering the total free height as a design variable and in terms of excavation, coating, evaporation, infiltration and acquisition costs. Master Thesis, Faculty of Engineering, Isfahan (Khorasgan) Branch, Islamic Azad University. (In Persian)
Muzaffar, S.Z.S., Atmapoojya, S.L., Agrawal, D.K., & Aquil, M. (2012). Minimizing the total cost of liningand excavation including free board. International Journal of Innovative Technology and Creative Engineering, 2(1), 2045-8711.
Pourmoghadam, M., Valisamani, H. (2013). Optimal design of trapezoidal composite channels using nonlinear optimization. 12th Iran Hydraulic Conference, Karaj, Department of Irrigation and Development Engineering, University of Tehran, Iran Hydraulic Association. (In Persian)
Swamee, P.K., Chahar B.R. (2015). Minimum water loss canal section. in: design of canals. Springer Transactions in Civil and Environmental Engineering. Springer, New Delhi.
Swamee, P.K., Mishra, G.C. & Chahar, B.R. (2000). Minimum cost design of lined canal section. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 14, 1-12. https://doi.org/10.1023/A:1008198602337