استخدام طريقة بلا شبكة لدراسة تأثير ضغط الحصر على عمليات التكسير الهيدروليكي في الأنفاق الهيدروليكية

لماذا يهم تكسير الصخر بالماء

مع نمو المدن وانتقال الدول للمزيد من شبكات المياه والطاقة تحت الأرض، يقوم المهندسون بحفر أنفاق أطول وأعمق عبر صخور صلبة. على أعماق كبيرة تحت السطح، تتعرض هذه الأنفاق لضغوط هائلة من الأرض المحيطة ومن المياه التي تدفع عبر الشقوق. عندما يجبر الماء المضغوط الصخر على الانفصال — وهي عملية تسمى التكسير الهيدروليكي — فقد يؤدي ذلك إلى اندفاع مفاجئ للمياه، أو طوارئ طينية، أو حتى انهيار النفق. تستخدم هذه الدراسة نوعًا جديدًا من النمذجة الحاسوبية لمراقبة، بتفصيل دقيق، كيف تبدأ الشقوق وتنتشر حول نفق مملوء بالماء تحت ظروف ضغط جوفي مختلفة، ما يقدم أدلة لتصميم وتشغيل أنفاق أكثر أمانًا.

طريقة جديدة لمراقبة تفتت الصخر

تقوم الطرق الحاسوبية التقليدية لمحاكاة فشل الصخر على تقسيم الأرض إلى شبكة ثابتة. هذا النهج ينجح حتى تظهر الشقوق ويبدأ الصخر في الانفصال والالتواء والتفرع بطرق معقدة. عندئذٍ يجب تحديث الشبكة باستمرار، وهو أمر بطيء وقد يفشل بسهولة. بدلاً من ذلك يعتمد المؤلفون على طريقة «بلا شبكة» تُعرف بتقنية الهيدروديناميكا الجسيمية الملساء (SPH). في هذا النهج تمثل الصخور والماء كسحب من الجسيمات المنفصلة التي تتفاعل فيما بينها. وبما أنه لا توجد شبكة ثابتة، يمكن أن تنشأ تشوهات كبيرة وشقوق جديدة وشبكات تكسير متفرعة بشكل طبيعي أثناء سير المحاكاة.

تحويل الأنفاق والماء إلى جسيمات

في النموذج، يحتوي كتلة صخرية مربعة أبعادها 50 مترًا في 50 مترًا على نفق على شكل حدوة حصان بعرض 9 أمتار في الوسط. تمثل الصخور بآلاف «الجسيمات الأساسية»، بينما يمثل الماء داخل النفق وفي أي كسور «جسيمات الماء». مع ارتفاع ضغط الماء المحاكاة داخل النفق بمرور الوقت، تنتقل القوى بين جسيمات الماء والصخر وفق قواعد بسيطة: الماء يدفع للخارج، والصخر يقاوم، وتتراكم الإجهادات في مناطق معينة. يتم فحص كل جسيم صخري باستمرار — إذا تجاوزت قوى الشد المحلية مقاومة الصخر الشدّية، يتم وسم ذلك الجسيم على أنه فاشل ولا يعود يحمل إجهادًا، محاكيًا قطعة صغيرة من الشق الجديد. من خلال تحديث ملايين مثل هذه التفاعلات بين الجسيمات، يمكن للنموذج تتبع كيفية بدء الشقوق ونموها وتفرعها وحتى قطعها عبر الكتلة الصخرية بأكملها.

كيف يوجّه الضغط الجوفي انتشار الشقوق

تركيز رئيسي في الدراسة هو «ضغط الحصر»، أي تأثير الضغط الجانبي والرأسي الذي تمارسه الأرض المحيطة على النفق. يفحص المؤلفون عدة حالات يتغير فيها نسبة الإجهاد الأفقي إلى الإجهاد الرأسي. عندما تكون هذه النسبة منخفضة — بمعنى أن الضغط الرأسي هو الغالب — تبدأ الشقوق الناتجة عن ارتفاع ضغط الماء عند زوايا النفق السفلية، حيث تكون الإجهادات أعلى، وتمتد بالأساس إلى الأعلى بشكل شبه مستقيم. تبدو شبكة الشق الناتجة آنذاك كصيغة شجرية متفرقة من الفروع الرأسية. مع ازدياد أهمية الإجهاد الأفقي، تبدأ الشقوق الثانوية عند سطح النفق وعند أطراف الشقوق الرئيسية في الانتشار جانبًا، مما يجعل النمط العام أكثر تعقيدًا وأكثر انتشارًا.

من أشجار بسيطة إلى بلورات ثلجية من الشقوق

مع اقتراب الإجهاد الأفقي من الإجهاد الرأسي، يتغير طابع شبكات الشقوق. عند نسب متوسطة، يصبح النمط «على شكل M»، حيث تتصل شقوق رأسية قوية بفروع جانبية بارزة تقوس إلى الخارج. عند نسب أعلى، تشبه شبكة الشقوق بلورة ثلج: تتطور الفروع الرأسية والأفقية على حد سواء، وتمتد الشقوق بشكل أكثر توازناً في جميع الاتجاهات حول النفق. في هذه الحالات، يتشوه النفق نفسه بشكل أوضح قبل الفشل الكامل، ويتباطأ نمو الشقوق مع ازدياد ضغط الحصر العام. عبر كل السيناريوهات، مع ذلك، تبقى ميزة ثابتة: الشقوق الأولى تبدأ تقريبًا دائمًا عند زوايا نفق الحدوة، حيث تتجمع الإجهادات بطبيعتها.

ما الذي يعنيه ذلك للأنفاق الحقيقية

تُظهر الدراسة أن نهج SPH بلا شبكة يمكنه إعادة إنتاج أنماط شقوق معقدة حول الأنفاق الهيدروليكية العميقة وكشف كيف تشكل مختلف شروط الإجهاد تلك الأنماط. للمهندسين، الرسالة واضحة: حيث يسود الإجهاد الرأسي، يجب توجيه الاهتمام إلى الشقوق الطويلة الرأسية التي قد توصل النفق فجأة إلى طبقات حاملة للمياه بعيدة. حيث يكون الإجهاد الأفقي قويًا، يصبح التصدّع الجانبي وشبكات الشقوق الشبيهة ببلورات الثلج أكثر احتمالًا، مما يستدعي تدعيمًا إضافيًا حول جدران النفق وزواياه. بربط شروط الإجهاد الجوفي بأشكال شقوق متوقعة، يوفر هذا العمل أداة عملية للمساعدة في توقع ومنع الفشل الخطير المتعلق بالمياه في مشاريع الأنفاق العميقة.

الاستشهاد: Zhang, H., Shi, Y., Mu, J. et al. Using a meshless method to investigate the effects of confining pressure on the hydraulic fracturing processes of hydraulic tunnels. Sci Rep 16, 5702 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36426-0

الكلمات المفتاحية: الأنفاق الهيدروليكية, التكسير الهيدروليكي, شقوق الصخور, المياه الجوفية, المحاكاة العددية