نمذجة الفشل التدريجي في المنحدرات الصخرية الشديدة الانحدار باستخدام طريقة العناصر المنتهية-المجزأة المدمجة

لماذا تهم جدران الجبال المهتزة

قد تبدو جدران الأخاديد الصخرية العالية صلبة، لكن في ظروف معينة يمكن أن تنهار فجأة، مرسلة ملايين الأطنان من الصخور متدفقة على المنحدر. بالنسبة للسكان أسفل السدود الكبيرة أو السائقين على طرق جبلية، يعد فهم متى قد تفشل هذه المنحدرات مسألة سلامة وتخطيط وتكلفة. تستكشف هذه الدراسة طريقة جديدة لاختبار المنحدرات الصخرية الشديدة رقمياً بحيث يتمكن المهندسون من رؤية ليس فقط ما إذا كانت التلة غير آمنة، بل كيف ومتى قد تتفتت بدقة.

نقاط الضعف الخفية في المنحدرات الشاهقة

نادرًا ما تتكون المنحدرات الجبلية من صخور متجانسة وخالية من العيوب. طبقات من الحجر الرملي والصخر الطيني، وشقوق قديمة، ومناطق متحللة تخلق فسيفساء من نطاقات قوية وضعيفة. في غرب الصين، خاصة على طول الأخاديد العميقة لنهر لانكانغ العلوي، تُبنى مشروعات للطاقة الكهرومائية مباشرة في مثل هذه الجدران الشديدة الانحدار. رغم أن هذه المنحدرات قد تتشوه ببطء تحت وزنها الذاتي، إلا أنها قد تفشل بشكل كارثي إذا اتصلت الشقوق على طول طبقات هشة. يمكن للأدوات الهندسية التقليدية تقدير هامش أمان عام، لكنها لا تلتقط بالكامل كيف تبدأ الشقوق الصغيرة عند قاعدة المنحدر، وتنمو صعودًا، وفي النهاية تطلق كتلة متحركة من الصخور.

حدود أدوات التنبؤ القديمة

استخدم المهندسون منذ وقت طويل ثلاثة أنواع رئيسية من الطرق الحاسوبية لفحص استقرار المنحدرات. الأولى، طريقة التوازن الحدّي، توازن القوى الدافعة والممانعة على سطح انزلاق مفترض؛ فهي سريعة لكنها تتطلب تخمين شكل ذلك السطح مسبقًا وتصف فقط لحظة الفشل. الثانية، طريقة العناصر المنتهية، تتبع كيف يتشوه الصخر الصلب، لكنها تواجه صعوبة في تمثيل ظهور الشقوق المفاجئ ونموها. الثالثة، طريقة العناصر المجرّدة، تمثل المنحدر ككتل منفصلة يمكنها أن تتحرك وتتصدّم، لكنها لا تستطيع وصف المرحلة المبكرة عندما يتصرف الصخر ككتلة متصلة. لا يمكن لأي من هذه الطرق بمفردها متابعة المنحدر بسلاسة من صخر واضح إلى صخور متفرقة في قاع الوادي.

منحدر رقمي ينكسر بشكل واقعي

يجمع المؤلفون بين نقاط قوة هذه المناهج في إطار عمل يسمى طريقة العناصر المنتهية–المجزأة (FDEM)، ويزاوجونها مع استراتيجية "زيادة الجاذبية". في منحدرهم الافتراضي، يُمثّل الصخر كقطع صلبة صغيرة كثيرة مترابطة عبر مفاصل غير مرئية. مع ارتفاع الإجهادات المحاكاة، يمكن أن تضعف هذه الروابط وتنكسر، محوِّلة الصخر المستمر إلى كتل منفصلة تنزلق وتتصدّم. بدلاً من تخمين سطح الفشل، يزيد النموذج تدريجيًا من قوة الجذب الفعّالة حتى يظهر للمنحدر قفزة مفاجئة في الحركة والطاقة الحركية. مستوى الجاذبية عند تلك النقطة يعطي عامل الأمان، بينما يبيّن نمط الشقوق والحركة المتطور بالضبط كيف يتكشف الفشل.

اختبار الطريقة في وادٍ حقيقي

للتأكد من أن هذا المنحدر الرقمي يتصرف كالعالم الحقيقي، قام الفريق بنمذجة منحدر صخري ارتفاعه 796 مترًا بجانب محطة كهرومائية على نهر لانكانغ العلوي. بنوا مقطعًا عرضيًا مبسطًا شمل مناطق تفتت مختلفة وصدعًا رئيسيًا، ثم استخدموا خصائص الصخور المقاسة لضبط معلمات النموذج. مع تضخيم الجاذبية تدريجيًا، أعادت المحاكاة تسلسلًا واقعيًا: أولاً تشكلت شقوق دقيقة قرب قاعدة المنحدر في أكثر الصخور تفتتًا؛ ثم اتحدت تلك الشقوق لتشكل حزامًا ضعيفًا مستمرًا؛ تلا ذلك انزلاق كتلة صخرية كبيرة على طول هذا الحزام، وتفتتت إلى كتل، وتوقفت في صورة ركام واسع في الوادي. المسافات المقطوعة، أعماق التشقّق، وعرض الحطام النهائي طابقت جميعها ملاحظات الحقل عن كثب، مع فروق عامة تقل عن 20 بالمئة.

التحقق مقابل الطرق القياسية

قارن الباحثون إطارهم الجديد مع طريقتي التوازن الحدّي والعناصر المجرّدة المستخدمتين على نطاق واسع عن طريق حساب مدى استقرار نفس المنحدر في كل حالة. أعطت الأساليب الثلاثة عوامل أمان متشابهة واتفقوا على الموقع العام لسطح الانزلاق الرئيس على طول الطبقة الضعيفة والمتحللة بشدة. كان الاختلاف الرئيسي أن نهج FDEM–الجاذبية الجديد فعل أكثر من تأكيد ما إذا كان المنحدر مستقرًا بهامش طفيف؛ فقد كشف أيضًا توقيت الحركة الأولى، ودور الصدع في تحفيز انهيارات ثانوية من أعلى، وكيف تفاعلت الكتل وتجزأت في مسارها نزولًا—تفاصيل حاسمة لتصميم الدعامات وتخطيط أنظمة الرصد.

ما يعنيه هذا لمشروعات جبلية أكثر أمانًا

تخلص الدراسة إلى أن إطار النمذجة المدمج هذا يمكنه تتبع القصة الكاملة للانهيار الأرضي بشكل موثوق، من أول الشقوق الدقيقة إلى الكومة النهائية من الحطام. بالنسبة لمنحدر نهر لانكانغ، يقترح عامل الأمان المحسوب أن الجدار الصخري يكاد يكون مستقرًا تحت الظروف الحالية، مما يعني أن هناك حاجة إلى دعم إضافي وحفر محسوب بعناية. وعلى نطاق أوسع، يقدم الأسلوب للمهندسين وسيلة لتحديد أماكن بدء الضرر المبكر بدقة، وأين ينبغي وضع المرابط وأجهزة الرصد، وكيف قد تغير المحفزات المستقبلية مثل الزلازل أو الأمطار الغزيرة الصورة. على الرغم من أن المحاكاة الحالية ثنائية الأبعاد ومكلفة حسابيًا، فإن تمديدها إلى ثلاثة أبعاد وإضافة محفزات واقعية قد يجعلها جزءًا قويًا من إدارة السلامة طويلة الأمد في المناطق الجبلية الشديدة الانحدار.

الاستشهاد: Xu, J., Deng, Z., Feng, Y. et al. Modeling progressive failure in steep rock slopes using the combined finite-discrete element method. Sci Rep 16, 11180 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40966-w

الكلمات المفتاحية: الانهيارات الأرضية, استقرار المنحدرات الصخرية, النمذجة العددية, سدود الطاقة الكهرمائية, الفشل الجذبي