تأثير حركة الفوالق الانزلاقية الطبيعية على آلية فشل أنفاق نقل المياه مع الأخذ في الاعتبار تفاعل المجالات المتعددة

لماذا قد تنهار أنفاق المياه تحت الأرض أثناء الزلازل

تعتمد العديد من المدن والمناطق الزراعية على أنفاق طويلة تحت الأرض لنقل المياه من الجبال إلى أماكن سكن الناس. غالباً ما تقطع هذه الأنفاق الممرات الحيوية فوالق نشطة — شقوق في القشرة الأرضية قد تتحرك فجأة أثناء الزلازل. عندما تتحرك فالق تحت نفق، يدفع كل جانب من الأرض في اتجاه مختلف، ما يؤدي إلى تمدد وانحناء الهيكل. تبحث هذه الدراسة في كيفية إتلاف مثل هذه الحركة لأنفاق المياه الكبيرة وما هي خيارات التصميم التي يمكن أن تجعلها أكثر أمانًا.

ماذا يحدث عندما يقطع فالق نفق مياه

يركز الباحثون على نوع شائع من الفوالق يسمى الفالق الانزلاقي الطبيعي، حيث ينخفض جانب من الصخر إلى الأسفل بالنسبة للجانب الآخر. في العديد من الزلازل السابقة، وُجدت أسوأ أضرار الأنفاق عند مواضع عبور الفالق، حتى عندما بدا الصخر المحيط متماسكًا. سُجلت تشققات وخرسان مكسور وحتى انهيارات عند هذه المواضع. بالنسبة لأنظمة مياه الشرب والري، قد تقطع مثل هذه الفشلات الإمداد، وتتسبب في تسريبات وتآكل، وتكون صيانتها صعبة ومكلفة للغاية في أعماق الأرض.

تجربة افتراضية تشمل الصخر والخرسانة والمياه الجارية

لاستكشاف هذه المسألة، بنى المؤلفون نموذجًا رقميًا ثلاثي الأبعاد مفصلاً لنفق مياه كبير مضغوط يمر عبر فالق انزلاقي طبيعي. يشمل النموذج الصخر المحيط، ومنطقة فالق مكسورة أضعف، وغلاف خرسانٍ مسلح للنفق، والمياه المتدفقة بداخله. رُبطت أداتان برمجيتان متخصصتان: واحدة تحسب كيف يتشوه الصخر والخرسانة ويتشققان، والأخرى تحاكي تدفق المياه المضطرب. تتيح منصة الارتباط لهذين العالمين "التواصل" مع بعضهما، مبادلة معلومات عن حركة النفق وكيف تدفعه مياه الضغط الداخلي. قبل إجراء عدد كبير من المحاكاة، تحقق الفريق من نموذجهم مقارنة بتجربة مخبرية مُصغّرة («صندوق رمل») لنفق يعبر فالقًا. انحنى النفق الرقمي وتشقق بطريقة تكاد تطابق النموذج الفيزيائي، خصوصًا من حيث مواقع تركّز التشوه وأماكن تشكل أكبر الشقوق، ما أعطى ثقة أن الإعداد الافتراضي يلتقط السلوك الأساسي.

أين وكيف يتضرر النفق

عبر جميع السيناريوهات المحاكاة، برز نمط واضح: أنتجت حركة الفالق أضرارًا محلية جدًا. تعرض البطانة الخرسانية في منطقة الفالق وممتد محدود — بعشرات الأمتار — على كل جانب لتشويه شديد، بينما بقي بقية النفق الطويل شبه مطاطي، مع تغيير دائم طفيف. كانت النقاط الأكثر عرضة للخطر هي التاج (القمة) والقاع (القاعدة) للنفق قرب الفالق، حيث يجتمع الانحناء والقص ليسحبا الخرسانة إلى حالة شد مفرطة فتتكسر. استخدم المؤلفون مؤشرًا واحدًا للضرر، أطلقوا عليه اسم إجمالي ضرر البطانة في الشد (OLDT)، لتجميع مدى تشقق البطانة عبر مقطع من النفق. مع زيادة انزياح الفالق، ارتفع هذا المؤشر بسرعة في منطقة الفالق، مقتربًا من حالة تعادل فقدانًا شبه كامل للوظيفة، بينما ظل منخفضًا في أماكن أخرى.

كيف يغيّر علم الصخور وخيارات التصميم النتيجة

بعد ذلك، غيّر الفريق خمسة عوامل رئيسة: مقدار انزياح الفالق، وزاوية الفالق، وعرض منطقة التصدع، وقوة تلك المنطقة الضعيفة، وقوة الخرسانة في بطانة النفق. رفعت الإزاحات الأكبر للفالق مؤشر الضرر بشكل قوي في منطقة الفالق، مؤكدة أن الإزاحة الدائمة للأرض عامل رئيسي في الفشل. غيرت الزوايا الأكثر انحدارًا والمناطق المكسورة الأعرض بشكل أساسي مدى انتشار التشوه على طول النفق، لكنها لم ترفع الضرر الأقصى بشكل كبير. بالمقابل، أدى جعل منطقة الفالق "أقوى" (أكثر تماسكًا) أو استخدام بطانات خرسانية أعلى قوة إلى تقليص المنطقة المتضررة بشدة وخفض مؤشر الضرر. من المثير للاهتمام أن المياه المضغوطة داخل النفق غيّرت قليلاً أنماط الإجهاد في البطانة لكنها لم تغير جذريًا طريقة فشل النفق؛ ظل التحكم الأساسي نسبيًا متعلقًا بمرونة الصخر ومنطقة الفالق والبطانة.

ما الذي يعنيه هذا لحماية خطوط المياه الحيوية

بالنسبة للمهندسين، الرسالة هي أن جهد التصميم يجب أن يتركز على مقطع عبور الفالق من نفق المياه بدلاً من طول المسار بأكمله. إن تقوية أو حقن منطقة فالق ضعيفة جدًا، واستخدام مواد بطانة أقوى أو تفاصيل خاصة حيث يتقاطع النفق مع الفالق، يمكن أن تقلل بشكل كبير من خطر التشقق الكامل والانهيار، حتى إذا حدث انزياح فالق كبير. تُظهر الدراسة أيضًا أن مؤشر ضرر كمي واحد، مثل OLDT، يمكن أن يساعد في مقارنة خيارات التصميم وتحديد أهداف الأداء. في الجوهر، بينما تشكل حركة الفالق الانزلاقي الطبيعي خطرًا جادًا، يمكن للتصميم المدروس لكل من معالجة الصخر ولب البطانة حول الفالق أن يُبقي هذه الأنفاق الحرجة لنقل المياه عاملة عندما تكون في أمسّ الحاجة إليها.

الاستشهاد: Xinwei, Z., Zhanxiang, C. & Weiheng, L. The effects of normal fault movement on the failure mechanism of water conveyance tunnels considering multi-field interaction. Sci Rep 16, 12447 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41070-9

الكلمات المفتاحية: أنفاق نقل المياه, الفوالق الانزلاقية الطبيعية, أضرار الأنفاق جراء الزلازل, تفاعل السائل-الهيكل, سلامة البنى التحتية تحت الأرض