التفاعل سائل–هيكل في التفجير تحت الماء لهدم الهياكل المؤقتة: دراسة حالة لخزان cofferdam من الخرسانة المدكوكة في المرحلة الثالثة على سدّ الممرّات الثلاثة

تفجير سد مؤقت بأمان

عند بناء سد ضخم مثل سد الممرّات الثلاثة على نهر اليانغتسي، تحافظ سدود مؤقتة مساعدة تُسمى cofferdams على جفاف مواقع الإنشاء. لا بد في النهاية من إزالة هذه السدود المؤقتة، غالباً باستخدام المتفجرات، دون الإضرار بالسّدّ الرئيسي أو تعطيل توليد الطاقة. تشرح هذه الدراسة كيف استخدم المهندسون محاكاة حاسوبية متقدِّمة لفهم كيفية تفتت واندفاع سدّ خرسانية ضخم تحت الماء أثناء التفجير—وكيف تُسهم المياه المحيطة في تشكيل ذلك الحركة.

لماذا تجعل المياه الهدم أكثر تعقيداً

تفجير الصخور والخرسانة في الهواء الطلق أمر معقد بالفعل. تحت الماء يصبح الأمر أكثر تعقيداً بكثير. تغيّر المياه سلوك الانفجارات: فهي تضغط على المتفجر، وتنقل موجات صادمة قوية، وتدفع غازات عالية الضغط داخل الشقوق. ونتيجة لذلك، لا يمكن التنبؤ بطريقة تفتت الخرسانة وحركة الكتل المتكسرة على قاع النهر بقواعد التفجير المعتمدة على اليابسة. ومع ذلك فإن التفجير تحت الماء منتشر الآن في الموانئ وممرات الملاحة ومشروعات الطاقة الكهرمائية والأرصفة الكبيرة، حيث يجب هدم cofferdams بالقرب من منشآت ثمينة. يحتاج المهندسون إلى طرق أفضل للتنبؤ بكيفية‌اندفاع وشقوط وترسّب الشظايا حتى يحافظوا على أمان السدود والمحطات القريبة.

جدار مؤقت عملاق في مياه عميقة

تركّز هذه الدراسة على cofferdam من الخرسانة المدكوكة في المرحلة الثالثة ضمن مشروع الممرّات الثلاثة، وهو جدار طويل من طراز الجاذبية يمتد موازياً للسد الرئيسي على بعد حوالي 114 متراً فوق مجرى النهر. على خلاف العديد من المنشآت المؤقتة، صُمّم هذا cofferdam مع الأخذ في الاعتبار هدمه المستقبلي. أثناء البناء صُبّت ثلاث حجيرات شحن داخلية وثقوب «كسر» خاصة داخل الهيكل بحيث يمكن للانفجارات اللاحقة أن تقطع الجزء العلوي وتجعله يندفع باتجاه مسيطر عليه. وكان التحدي هائلاً: أكثر من 180,000 متر مكعب من الخرسانة كان لا بد من إزالتها في قطاع واحد بطول 480 متراً، وعلى أعماق مياه تصل إلى نحو 40 متراً—أي ما يقارب ضعفي الأعماق المستخدمة في تفجيرات cofferdam السابقة في العالم—مع البقاء ضمن حدود سلامة صارمة بالقرب من السدّ والمحطة الكهربائية.

محاكاة كل كتلة وكل دوامة

لدراسة هذه العملية الخطرة، أنشأ المؤلفون نموذجاً حاسوبياً مفصَّلاً يعامل الـcofferdam كآلاف "جسيمات" خرسانية منفصلة مترابطة، تحيط بها مياه تتدفق وتدفع هذه الجسيمات. جمعوا أداتين قويتين: إحداهما لتتبُّع حركة السائل (ميكانيكا السوائل الحاسوبية) وأخرى لتتبُّع حركة وتفتت العديد من القطع الصلبة (نمذجة العناصر المنفصلة). من خلال ربط هذين البرنامجين، تمكن الفريق من متابعة كيف ينحت الماء عالي الضغط الناتج عن الانفجار شقاً في الجدار، ثم كيف يتصدّع الجزء العلوي ويدور وينزلق ويسقط أخيراً إلى قاع النهر، بينما تتدفّق المياه وتدور وتبطئ أو توجّه الحطام.

كيف يتفكك الـcofferdam

تُظهِر المحاكاة أن الهدم يتكشف في ثلاث مراحل رئيسية. أولاً، تقطع التفجيرات الموقوتة في الحجيرات الداخلية وثقوب الكسر فتحة عميقة مائلة، مما يغيّر نقطة دعم الجزء العلوي. تحت وزنه ودفع اختلاف مستويات المياه داخل وخارج الـcofferdam، يبدأ هذا الجزء العلوي بالدوران مثل باب يسقط ببطء. ثانياً، أثناء انحنائه، ينزلق الجزء على طول الميل الجديد للخرسانة المتبقية، مع دفع المياه لوجهه وتدفقها تحته. تُسرّع القطع المكسورة التي تنزلق إلى قاع النهر المياه المحيطة وتخلق تيارات معاكسة تبطئ الشظايا قرب الحواف بينما تتحرَّك القطع في المنتصف أسرع. أخيراً، يفقد الجزء العلوي تماسه مع الميل ويسقط بحرية تحت الماء إلى القاع، حيث تحوم الدوامات واللزجات حول الحطام الهابط. يلتقط النموذج أيضاً كيف يحافظ الجزء السفلي المتبقي من الـcofferdam إلى حدٍّ كبير على الشكل والارتفاع المخطط لهما.

اختبار النموذج

نماذج الحاسوب مفيدة فقط إذا طابقت الواقع. خلال التفجير الفعلي عند الممرّات الثلاثة، سجّلت حساسات على السدّ الرئيسي اهتزازات حين اصطدمت كتلة الـcofferdam المندفعة بقاع النهر. ظهر أول إشارة صدمة قوية بعد حوالي 16.1 ثانية من التفجير—وهي نفس التوقيت الذي توقعتْه المحاكاة. أظهرت مسوحات التضاريس تحت الماء أن الفراغ المتروك بواسطة الـcofferdam المهدوم وارتفاع الجزء المتبقي طابقا تقريباً التصميم والنتائج المحسوبة. يمنح هذا الاتفاق المهندسين ثقة بأن النموذج المربوط قادر على التقاط كلٍ من فشل الخرسانة واستجابة الماء.

ما يعنيه هذا للسدود المستقبلية

للغير متخصصين، الخلاصة الأساسية هي أن الدراسة تحوّل تفجيراً تحت الماء عالي الطاقة وصعب الملاحظة إلى عملية يمكن التنبؤ بها وتصورها. من خلال معاملة الـcofferdam ككتل مترابطة كثيرة والنهر كسائل متحرك، يكشف الباحثون كيف لا تنقل المياه طاقة المتفجرات فحسب، بل تُوسِّد وتُوجّه وأحياناً تُبطئ الحطام الساقط. يمكن أن يساعد نهجهم المصممين على التخطيط لاستراتيجيات هدم أكثر أماناً للسدود المؤقتة والمنشآت تحت الماء الأخرى، مما يقلّل المخاطر على السدود الرئيسة ومحطات الطاقة والعمال، وفي الوقت نفسه يتيح استخداماً أفضل للمتفجرات وظروف الموقع.

الاستشهاد: Wu, L., Liang, Z., Cai, Y. et al. Fluid–structure interaction in underwater blasting demolition of cofferdam structures: a case study of three gorges phase III RCC cofferdam. Sci Rep 16, 5175 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35562-x

الكلمات المفتاحية: التفجير تحت الماء, هدم cofferdam, سد الممرّات الثلاثة, التفاعل سائل-هيكل, المحاكاة العددية