الخصائص الديناميكية للاستجابة وكفاءة التحمل في هياكل أنفاق متعددة المواد المعرضة لحمْل سائل شديد ومتكرر

لماذا تهم الأنفاق الأقوى

تعتمد العديد من أنظمة الطاقة الحديثة على أنفاق تحت الأرض تنقل كميات هائلة من الماء إلى التوربينات ومن عندها. تتعرض هذه الأنفاق لضغوط مائية قاسية قد تتسبب في تصدّع بطاناتها الخرسانية، مما يعرضها للتسرب وإغلاق باهظ التكلفة، وحتى للانهيار الهيكلي. تستكشف هذه الدراسة نهجًا جديدًا لبناء بطانات الأنفاق بحيث تظل قادرة على تحمل الأحمال بأمان ومقاومة التسرب حتى بعد حدوث تشققات وتعرضها لتكرار الضغط.

قشرة متعددة الطبقات حول النفق

يقترح المؤلفون بطانة نفق من طراز «السندويتش» تتألف من ثلاث طبقات متكاملة: حلقة داخلية من الخرسانة المسلحة، وصفيحة فولاذية رقيقة ملفوفة حولها، وحلقة خارجية من الخرسانة المسلحة. تُكوّن هذه الطبقات معًا غلافًا مركبًا داخل الصخر المحيط. بدلاً من الاعتماد على الصفيحة الفولاذية بمفردها، كما في الأنفاق المبطنة بالصلب التقليدية، أو على الخرسانة وحدها، كما في الأنفاق البسيطة ذات الخرسانة المسلحة، يقوم هذا التصميم بتوزيع القوى بين الطبقات الثلاث. تُستخدم قضبان فولاذية مرتبة حول محيط النفق لربط الصفيحة الفولاذية ميكانيكيًا بالخرسانة على الجانبين، ما يساعد الطبقات على العمل معًا ونقل الإجهادات بشكل موثوق حتى عند تشكل الشقوق.

لماذا تفتقر البطانات الحالية للكفاءة

لكل بطانة تقليدية عيوب خطيرة في أنفاق المياه عالية الضغط. بطانات الصفيحة الفولاذية قوية في الشد ومقاومة لضغط المياه الداخلي جيدًا، لكنها قد تنقص وتتعرض للانبعاج تحت ضغط خارجي مرتفع أثناء التفريغ، كما أنها مكلفة وصعبة التنفيذ. البطانات الخرسانية المسلحة أرخص وأسهل في البناء ولا تنقص بسهولة عند تعرضها للضغط الخارجي، لكنها تحت ضغط مياه داخلي عالٍ تتصدع حتماً، ما يسمح بتسرب الماء إلى الصخر ويقلل من قدرة البطانة على تحمل الأحمال. محاولات سابقة للصق الفولاذ بالخرسانة باستخدام الإيبوكسي أو المركبات المدعمة بالألياف واجهت مشاكل متانة في بيئات رطبة وكيميائية عدوانية. هذا يترك فجوة لنظام بطانة يكون متينًا أمام التغيرات في الضغوط ودائمًا في ظروف غنية بالمياه.

اختبار البطانة الجديدة

لفحص سلوك بطانة السندويتش الجديدة، بنى الباحثون نموذجًا فيزيائيًا مصغرًا لقطاع نفق. تكوّن النموذج من البطانة ثلاثية الطبقات المثبتة داخل أسطوانة فولاذية قوية يمكن ملؤها بالماء من الداخل (لمحاكاة ظروف التشغيل) أو من الخارج (لمحاكاة تفريغ النفق مع ضغط مياه جوفية خارجي). سجلت مقيّاسات الإجهاد المدمجة في الخرسانة الداخلية، والصفيحة الفولاذية، والخرسانة الخارجية مدى امتداد أو انضغاط كل طبقة مع تزايد وضوح انخفاض الضغوط. سمحت سلسلة محكمة التحكم من دورات التحميل للفريق بفحص السلوك السليم وكذلك الاستجابة عند بدء تشقّق حلقات الخرسانة.

كيف تنتقل القوى مع تكرار ضغط المياه

تحت ضغط مياه خارجي، كانت كل الطبقات الثلاث في حالة انضغاط، حيث تحملت الخرسانة الخارجية حوالي 43–45% من الحِمل المحيطي، والخرسانة الداخلية حوالي 40–42%، في حين كانت حصة الصفيحة الفولاذية فقط 13–16%. بقي إجهاد الفولاذ بعيدًا عن المستوى الذي قد يتسبب في الانبعاج، خاصة وأن الخرسانة المحيطة قيدت الصفيحة. تحت ضغط مياه داخلي تغيّرت الصورة: قبل التصدع، تقاسم الصخر المحيط والخرسانة الداخلية والخرسانة الخارجية والفولاذ قوى الشد. عند تشقّق الخرسانة الداخلية عند حوالي 0.94 ميغا باسكال، انخفضت حصتها من القوة المحيطية بشكل حاد، وقفزت حصة الصفيحة الفولاذية من نحو 15% إلى حوالي 25%. عندما تشقّقت الخرسانة الخارجية لاحقًا، ارتفعت حصة الفولاذ مرة أخرى إلى نحو ربع إلى ثلث الإجمالي، بينما حملت حلقات الخرسانة المتشققة نصيبًا أقل. حتى خلال جولة ثانية من الضغط الخارجي والداخلي بعد التصدع، استمرت الصفيحة الفولاذية في التناوب بين حمل الانضغاط والشد، مساعدة الخرسانة المتضررة ومحددةً التشوه الدائم.

ماذا يعني هذا للأنفاق الحقيقية

بشكل عام، تُظهر التجارب أن بطانة السندويتش تستطيع الاستمرار في العمل بأمان حتى بعد أن تتصدع حلقات الخرسانة تحت ضغط مياه داخلي عالي. بدلاً من فقدان سعة مفاجئ، تقوم البنية بإعادة توجيه مزيد من التحميل إلى الصفيحة الفولاذية، بينما تستمر الخرسانة في توفير الصلابة والدعم ضد الانبعاج. ضمن عدد محدود من دورات الضغط المخبرية المختبرة، ظل النظام مستقرًا وخفّض خطر التسرب وعدم الاستقرار مقارنة بالبطانات التقليدية. وعلى الرغم من أن قضايا طويلة الأمد مثل التآكل والإجهاد وسلوك الكتل الصخرية الحقيقية لا تزال بحاجة إلى دراسات بالحجم الكامل، تقترح النتائج مسارًا واعدًا نحو أنفاق مياه عالية الضغط أكثر أمانًا ومرونة في مشاريع التخزين المضخّي والكهرومائية المماثلة.

الاستشهاد: Pei, J., Deng, Z. Dynamic response characteristics, load-bearing efficiency in multimaterial tunnel assemblies subjected to recurrent intense fluid loading. Sci Rep 16, 12079 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42916-y

الكلمات المفتاحية: أنفاق هيدروليكية, خرسانة مسلحة, بطانة صفيحة فولاذية, تحميل ضغط المياه, متانة الهيكل