السلوك الميكانيكي الزمني وتوقيت تدعيم الصخور المحيطة المحكوم بنسبة إغلاق الشقوق

لماذا تحرك الصخور البطيء مهم تحت الأرض

المحطات الكهرومائية والأنفاق العميقة تُنحَت في صخور تستمر في الحركة وقتًا طويلًا بعد انتهاء التفجير. يمكن للحركة البطيئة والزاحفة هذه أن تغلق الشقوق الدقيقة في البداية، لكنها عبر أشهر أو سنوات قد تفتح تلك الشقوق وتضعف الصخر المحيط بالفتحة. تدرس هذه الورقة كيف ومتى يتراكم ذلك الضرر الهادئ في الجرانيت الصلب في موقع كهرمائي كبير بالصين، وتقترح طريقة جديدة لتحديد اللحظة المناسبة لتركيب التدعيم بحيث يساعد الصخر في تحمل نفسه بدلًا من الفشل المفاجئ.

مراقبة تلاشي الجرانيت ببطء

عمل الباحثون على عينات جرانيت مأخوذة من محطة شوانغجيانغكو الكهرومائية تحت الأرض، وهو مشروع ضخم دفين مئات الأمتار داخل الجبل. في المختبر، ضُغطت عينات أسطوانية من الصخر تحت ظروف تهدف لمحاكاة الضغوط المختلفة التي يتعرض لها الصخر في الأعماق. بدلاً من تحميلها مرة واحدة حتى الفشل، استخدم الفريق اختبارات الزحف: زادوا الإجهاد على مراحل ثم ثبتوه لساعات طويلة بينما سُجلت تغيّرات طول وعرض طفيفة. سمح ذلك برؤية كيف يتشوه الصخر سريعًا في البداية، ثم يستقر إلى تغيير بطيء شبه ثابت، وفي النهاية يتسارع نحو الفشل مع تشابك الشقوق داخله.

طريقة جديدة لقراءة الشقوق الخفية في الصخر

تفترض النماذج التقليدية أن القفزة الأولى في التشوه عند تطبيق الحمولة هي مرنة بحتة — مثل نابض يعود عند إزالة الحمل. لكن الصخور الصلبة تحتوي على عدد لا يحصى من الشقوق الدقيقة المسبقة التي تُغلق وتتحرك وتُفتح من جديد، ما يجعل ذلك الافتراض مبسّطًا للغاية. قدم المؤلفون "نسبة إغلاق الشقوق"، وهي قيمة تصف مدى انتقال هذه الشقوق الصغيرة من حالة مغلقة تمامًا إلى حالة مفتوحة على نطاق واسع. بدمج هذه النسبة مع قياسات الإجهاد–الانفعال التقليدية، فصلوا سلوك الصخر إلى جزأين: تشوه عادي قابل للاسترداد، وتشوه إضافي ناجم عن نمو الشقوق. كما رصدوا هذه التأثيرات في اتجاهين: على طول محور التحميل وشعاعيًا، بعيدًا عن جدران نفق أو كهف مستقبلي.

لماذا تحكم الشقوق العرضية القوة على المدى الطويل

أظهرت الاختبارات أن القوة على المدى الطويل للصخر ليست متماثلة في جميع الاتجاهات. عندما قارن الفريق الإجهاد الذي عنده يتحول الزحف الثابت فجأة إلى تشوه مفرط، وجدوا أن الشقوق التي تنمو شعاعيًا — بعيدًا عن فتحة تحت الأرض — تصل إلى هذه الحالة الحرجة عند إجهاد أقل مما عليه الشقوق على طول اتجاه التحميل الرئيسي. بعبارة أخرى، يصبح الصخر ضعيفًا بشكل خطير جانبياً قبل أن يحدث ذلك عموديًا. من خلال تعريف قيم حدية لنسبة إغلاق الشقوق المرتبطة بهذا الانتقال، بنى المؤلفون نموذجًا زمنيًا قادرًا على التنبؤ بموعد وسرعة امتداد الشقوق تحت ظروف إجهاد مختلفة، خاصة في الاتجاه الشعاعي الذي يتحكم أقوى في الفشل حول الأعمال الحفرية.

تحويل أفكار المختبر إلى سلامة ميدانية

لاختبار ما إذا كانت مقاربتهم صالحة في الواقع الميداني، دمج الباحثون نموذج زحف قائم على الشقوق في محاكاة رقمية لحفر محطة شوانغجيانغكو. قسموا الصخر المحيط إلى مناطق بناءً على الضغوط الموجودة واستخدموا النموذج لتتبع كيفية انتشار الضرر مع الزمن بعد كل خطوة حفر. أنتجت المحاكاة أنماط إزاحة وتشقق تطابقت عن قرب مع بيانات المراقبة والأضرار المرئية مثل تشوه العوارض وظهور شقوق جديدة. باستخدام نسبة إغلاق الشقوق الشعاعية، صنفوا الصخر حول الكهف إلى خمس مناطق، من سليم إلى مفشل تمامًا، وربطوا كل منطقة بنطاق قيم إغلاق شقوق يمكن تقديره مسبقًا من اختبارات مخبرية.

اختيار اللحظة المناسبة لتدعيم الصخر

بالنسبة للمهندسين، النتيجة الأكثر فائدة هي جدول زمني للتدعيم. تحدد الدراسة قيمة حرجة لنسبة إغلاق الشقوق تفصل بين صخر لا يزال معتمدًا على دعمه الذاتي إلى حد كبير وصخر فقد معظم قوته. بحساب متى يُتوقع أن تتجاوز مواقع مختلفة حول الكهف هذا الحد، يقترح المؤلفون فئات تدعيم مرحلية: تدعيم فوري حيث يبدأ الفشل تقريبًا على الفور، عدة مستويات من التدعيم المؤجل حيث يتراكم الضرر ببطء أكبر، وتدعيم نهائي "للتثبيت" بعد استقرار معظم الحركة. تُمكّن هذه المقاربة المصممين من تخطيط التدعيم بحيث يتحمل الصخر أكبر قدر ممكن من وزنه — موفرةً المواد والتكلفة — مع تجنب الانهيارات المفاجئة الناجمة عن نمو الشقوق البطيء والزمني.

الاستشهاد: Qian, L., Yao, T., Liu, E. et al. Time-dependent mechanical behavior and support timing of surrounding rock governed by crack closure ratio. Sci Rep 16, 9696 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39707-w

الكلمات المفتاحية: زحف الصخور, الكهوف تحت الأرض, الشقوق الدقيقة, تصميم التدعيم, استقرار الجرانيت