امتداد منطقة قاع النهر المثبتة بالإسمنت المنشط القلوي حول أعمدة وجدران الجسور في حالة المياه الصافية

لماذا تُهم سلامة الجسور

عندما تغمر الفيضانات الأنهار، يمكن للمياه السريعة أن تنحت بهدوء الرمال والحصى حول دعائم الجسور، وهي عملية تسمى التعرية القاعية (scour). حول العالم، هذا التآكل الخفي يعد سببًا رئيسيًا في ضعف الجسور وفشلها واحتياجها إلى إصلاحات مكلفة. ومع تغير المناخ الذي يجلب فيضانات أقل تكرارًا لكن أكثر قوة، يحتاج المهندسون على وجه السرعة إلى طرق لحماية الجسور تكون فعالة ومعقولة التكلفة وأقل ضررًا على البيئة. تستكشف هذه الدراسة نهجًا جديدًا: استخدام مادة شبيهة بالإسمنت صديقة للبيئة لتقسية الكمية المناسبة من قاع النهر حول أعمدة وجدران الجسور بحيث لا تتكوّن حفر مدمرة قد تهدد الهيكل.

كيف تؤكل الجسور من الأسفل

عندما تتجه مياه النهر باتجاه الجسر، تصطدم بالأعمدة والجدران الحاملة للسطح. يُجبر التدفق على الانحدار والدوران حول هذه العوائق، مكوّنًا دوامات متعرّجة تلف قواعدها وتُجرف الرواسب بعيدًا. مع مرور الوقت، تنحت هذه التيارات الدوامة حفرًا عميقة في القاع، خصوصًا أثناء الفيضانات. إذا كبرت الحفرة بما يكفي، قد تُعرّي الأساسات وتُضعف الجسر. يمكن أن تنجح دفعات الصخور التقليدية حول الأعمدة كدفاع، لكنها ثقيلة ومكلفة في التركيب وغالبًا ما تتطلب استخراجًا ونقلًا كميّات كبيرة من الحجر. كما يمكن استخدام أسمنت بورتلاند العادي لتقسية القاع، لكن إنتاجه يحمل بصمة كربونية كبيرة وأعباء بيئية أخرى.

طريقة أكثر خضرة لتقسية القاع

اختبر الباحثون نوعًا مختلفًا من المواد الرابطة يُعرف بالإسمنت المنشط قلوياً، المصنوع بخلط ناتج ثانوي من صناعة الصلب يُدعى خبث الفرن العالي المطحون مع محلول قلوي بسيط. عند خلط هذا المزيج مع رمال سطح قاع النهر الموجودة، يتشكل قشرة رقيقة صلبة تربط الحبيبات معًا بقوة بينما تترك نفاذية التربة الأساسية دون تغيير تقريبًا. أظهرت أعمال سابقة أن إضافة كمية صغيرة فقط من هذه المادة يمكن أن تزيد مقاومة الرواسب لتدفق الماء بمقدار يصل إلى مئة ضعف، دون إطلاق مواد ضارة في الماء. في تجاربهم، شكّل المؤلفون ألواحًا بسمك خمسة سنتيمترات من القاع المعالج حول نماذج مصغرة لأعمدة دائرية ومستطيلة ونوعين شائعين من الجدران الحاملة، ثم وضعوها في قناة مختبرية لمحاكاة تدفق النهر.

إيجاد حجم الحماية المناسب

السؤال الأساسي لم يكن ما إذا كان القاع المقسّى يعمل، بل إلى أي مدى يجب أن يمتد في اتجاهات مختلفة لحماية الجسر دون إهدار المادة. باستخدام أعماق مياه مضبوطة بعناية ومستويين قويين من التدفق — ممثلين ظروف فيضان صارمة ولكن مستقرة من حيث الرواسب — أجرى الفريق عشرات الاختبارات. غيّروا مدى امتداد الرقعة المعالجة إلى أعلى النهر، أسفله، وجانبيًا من كل عمود أو جدار، معرضين أين تتكوّن حفر التعرية بعد أكثر من يوم من التدفق المستمر. كان مبدأ التصميم الذي اعتمده الفريق عمليًا: تقبلوا تكوّن حفرة صغيرة أسفل مجرى الرقعة المعالجة بشرط ألا تتسع إلى ما يقطع تحت المنطقة المتصلبة أو يصل إلى الهيكل نفسه. من خلال التجربة والخطأ، حدّدوا الأشكال «الكافية فقط» لكل شكل وظرف تدفق.

كمية التعرية التي يمكن احتجازها

مع هذه التخطيطات المثلى، قلّصت الرقع المتصلبة حول الأعمدة الدائرية والمستطيلة، وحول كلا نوعي الجدران الحاملة، أقصى عمق للتعرية بنحو 70 إلى 80 بالمئة مقارنة بالقاع غير المحمي. والأهم أن أعمق جزء من الحفرة تم دفعه إلى أسفل النهر، بعيدًا عن العمود أو الجدار الحامل، تاركًا المنطقة المعالجة سليمة ومستقرة. نمت المساحة المحمية المطلوبة مع اشتداد التدفق، واحتاجت الجدران العمودية إلى مناطق أكبر من جدران الجناح لأنها تولد تيارات هابطة أقوى. أشارت اختبارات إضافية باستخدام رواسب أكثر خشونة إلى أن ليس فقط قوة التدفق، بل أيضًا مقياس لامتداد وسرعة التدفق الخالي من الأبعاد (رقم فرود) يؤثر في حجم المنطقة المتصلبة المطلوبة.

ماذا يعني هذا للجسور الحقيقية

بالنسبة لغير المتخصصين، النتيجة واضحة: عن طريق تقسية رقعة رقيقة ومحددة الحجم من قاع النهر حول دعائم الجسور باستخدام إسمنت أكثر صداقة للبيئة مصنوع من نفايات صناعية، يمكن للمهندسين تقليل التعرية الخطرة بشكل جذري ودفع أي تعرية متبقية إلى موقع أكثر أمانًا. يمكن لهذا النهج أن يستخدم مادة ومعدّات أقل بكثير من التدريع بالصخور، مع تجنّب العديد من العيوب البيئية للأسمنت التقليدي. كما تقدم الدراسة أبعادًا عملية مبدئية لأشكال الأعمدة والجدران المختلفة تحت ظروف المياه الصافية، وتسلط الضوء على ما يزال بحاجة إلى استكشاف — مثل تدفقات أكثر شدة مع حركة القاع وزوايا تدفق مختلفة — قبل أن تُكتب قواعد تصميم كاملة للأنهار الواقعية.

الاستشهاد: Ghaedi Haghighi, A., Zarrati, A., Karimaei Tabarestani, M. et al. Extent of stabilized streambed region by alkaline activated cement around bridge piers and abutments in clear water condition. Sci Rep 16, 9178 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40143-z

الكلمات المفتاحية: تآكل جسور, هندسة الأنهار, تثبيت الرواسب, الإسمنت المنشط قلوياً, سلامة الجسور