اختبار نموذج على طاولة اهتزاز والتحليل العددي لانهيارات المنحدرات الصخرية ذات الطبقات المائلة بشدة تحت تأثيرات الزلازل

لماذا يمكن أن تنهار المنحدرات الجبلية الشديدة الانحدار فجأة

في العديد من المناطق الجبلية المعرضة للزلازل، توجد بلدات وطرق وخزانات أسفل منحدرات صخرية تبدو صلبة وثابتة. ومع ذلك، خلال اهتزاز قوي قد تفقد بعض هذه المنحدرات تماسكها فجأة وتنزلق بسرعة على شكل انهيارات أرضية مدمرة. تبحث هذه الدراسة في نوع معين من التلال المصنوعة من طبقات صخرية تميل بشدة نحو الجبل، وتطرح سؤالاً عملياً: كيف تتشقق هذه المنحدرات التي تبدو مستقرة أولاً خلال اهتزاز زلزالي ثم تنهار، وما الذي يحدد ما إذا كان الضرر طفيفاً أم كارثياً؟

نقاط ضعف مخفية داخل الصخر

البُنى المدروسة هنا مبنية من طبقات صخرية متراكبة، كحزمة بطاقات مائلة. في هذه المنحدرات «ذات الميل الشديد»، تميل الطبقات الصخرية بشدة أكبر من وجه التل الخارجي، مما يجعلها تبدو مستقرة في الظروف العادية. ومع ذلك، فإن الأسطح بين الطبقات تشكل مستويات ضعف طبيعية. ركز الباحثون على كتلة أقصر وأكثر صلابة قرب قاعدة المنحدر تعرف بقسم القفل، والتي تساعد في تثبيت الكتلة الصخرية العلوية. عندما يفشل هذا القسم، قد تفقد المنحدر بأكمله دعمه فجأة.

هز جبل مصغر

لمتابعة عملية الفشل خطوة بخطوة، بنى الفريق نموذجاً فيزيائياً كبيراً لمنحدر طبقي شديد الميل باستخدام مواد مخلوطة بعناية تحاكي قوة وصرامة الصخر الحقيقي. وضعوا هذا النموذج على طاولة اهتزاز قوية قادرة على إعادة حركات زلزالية. باستخدام سجل زلزالي حقيقي من زلزال ونتشوان 2008 وموجات جيبية مسيطر عليها، زادوا تدريجياً قوة الاهتزاز. في البداية ظهرت فقط شقوق شد صغيرة قرب حافة قمة المنحدر. مع ازدياد الاهتزاز، انتشرت هذه الشقوق إلى الأسفل على طول الطبقات الصخرية، مكونة كتلة مقفلة عند القدم كانت تمنع المنحدر مؤقتاً من الانزلاق. عندما ازداد الاهتزاز أكثر، انزلقت تلك الكتلة المقفلة فجأة، وربطت الشقوق على طول الطبقات في سطح انزلاقي مستمر وأتاحت للصخر العلوي التحرك نزولاً.

التعمق داخلياً بصخور رقمية

النماذج الفيزيائية وحدها لا تكشف بسهولة عن الإجهادات داخل كل جزء من المنحدر، لذا استخدم الباحثون أيضاً أداة حاسوبية تسمى محاكاة تدفق الجسيمات. في هذه الطريقة، تمثل الكتلة الصخرية بآلاف الجسيمات الصغيرة المترابطة التي تتحرك وفق قوانين فيزيائية بسيطة. من خلال ضبط روابط الجسيمات بعناية حتى يتصرف الصخر الافتراضي كالمادة الحقيقية، أعادوا إنشاء المنحدر المختبر و«هزّوه» رقمياً بنفس موجة الزلزال. أعاد النموذج الحاسوبي نفس القصة ذات الأربع مراحل: تشقق أولي قرب القمة، نمو الشقوق للأسفل وتكوين الكتلة المقفلة، القص المفاجئ لتلك الكتلة، ثم انتقال الكتلة المنزلقة. هذا أكسب الفريق ثقة في أن العمليات الرئيسية قد تم التقاطها بشكل صحيح.

كيف يغير هندس المنحدر النتيجة

باستخدام المنحدر الرقمي، تمكن الفريق بسهولة من تغيير زاوية وسماكة الطبقات الصخرية. وجدوا أنه عندما تميل الطبقات فقط بقدر أقّل قليلاً من سطح المنحدر، كان الخطر الرئيسي هو الانزلاق التقليدي: قص قسم القفل عند القاعدة وانزلق كامل الكتلة على مسار مركب مكون من أسطح الطبقات والقدم المكسور. أما عندما كانت الطبقات أكثر انحداراً بكثير، فقد بقي قسم القفل سليماً إلى حد كبير. وبدلاً من ذلك، انثنت الطبقات الخارجية القريبة من السطح وتمزقت في شد من الخارج إلى الداخل، منتجة فشلًا متدرجاً يشبه الانقلاب بدلاً من انزلاق كبير واحد. كان لتغيير سماكة الطبقات تأثير أقل على نمط الفشل الأساسي، لكن الطبقات الأرق كانت تميل إلى معاناة انزلاقات أشد لأنها أكثر رقة وأسهل في الانحناء والتمزق.

ما الذي يعنيه هذا لحياة جبلية أكثر أماناً

لللهندسين والمخططين، رسالة الدراسة هي أن حتى المنحدرات الصخرية التي تبدو مستقرة في الطقس الهادئ يمكن أن تخفي تسلسلاً هشاً أثناء الزلزال. يبدأ الفشل غالباً بشقوق صغيرة على أسطح الطبقات قرب كتف المنحدر، ثم ينتشر نزولاً حتى يقص القسم الحاسم عند القاعدة إما مفصلاً، مطلقاً انزلاقاً سريعاً، أو أن تقشر الطبقات الخارجية على مراحل. وبما أن الضرر الأولي يميل إلى الظهور عند القمة، فإن تدعيم هذه المنطقة والأقسام القفلية الرئيسية يمكن أن يحسن السلامة بشكل كبير. تقدم هذه الرؤى صورة أوضح لمتى وكيف قد تنهار المنحدرات الطبقية الشديدة في الزلازل المستقبلية، مما يساعد في توجيه التصميم والمراقبة والتخطيط الطارئ في المناطق الجبلية.

الاستشهاد: Wang, C., Zhang, P., Dong, J. et al. Shaking table model test and numerical analysis of the steeply dipping bedded rock slopes under seismic actions. Sci Rep 16, 10788 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40667-4

الكلمات المفتاحية: انهيارات أرضية زلزالية, استقرار المنحدرات الصخرية, المنحدرات الصخرية ذات الطبقات, فشل المنحدر نتيجة الزلازل, النمذجة الجيوتقنية العددية