אינטראקציה נוזל–מבנה בפיצוצים תת-מימיים להריסת סכרים זמניים: מקרה מבחן של סכר בטון רולר-קומפקט של שלב III בשלוש גבעות

לפוצץ סכר זמני, בבטחה

כשבונים סכר ענק כמו סכר שלוש הנהרות על נהר היאנגצה בסין, סכרי עזר זמניים הנקראים cofferdams שומרים על אזורי הבנייה יבשים. בסופו של דבר יש להסיר את הסכרים הזמניים הללו, לעתים קרובות באמצעות חומרי נפץ, מבלי להזיק לסכר הראשי או להפריע לייצור אנרגיה. מחקר זה מסביר כיצד מהנדסים השתמשו בסימולציות מחשב מתקדמות כדי להבין, בפירוט, כיצד סכר בטון מסיבי מתמוטט ומתנדנד מתחת למים בעת פיצוץ — וכיצד המים הסובבים מעצבים את התנועה הזו.

מדוע המים מקשים על ההריסה

פיצוץ סלע ובטון באוויר הפתוח כבר עסק מורכב. מתחת למים זה נעשה מסובך בהרבה. המים משנים את אופי ההתפוצצויות: הם לוחצים על המטען, מעבירים גלים זעזועיים חזקים ומנתבים גז בלחץ גבוה לסדקים. כתוצאה מכך, הדרך שבה הבטון מתנפץ ואיך הגושים השבורים נעים על קרקעית הנהר לא ניתנת לחיזוי באופן מהימן על פי כללי פיצוץ יבשתיים. יחד עם זאת, פיצוצים תת-מימיים הפכו שכיחים בנמלים, תעלות ניווט, פרויקטים הידרו-חשמליים ורציפים גדולים, שבהם יש להרוס cofferdams קרוב למבנים יקרי ערך. מהנדסים זקוקים לשיטות טובות יותר לצפות כיצד החתיכות יעופו, יחליקו ויתיישבו כדי לשמור על בטיחות הסכרים והתחנות הסמוכות.

קיר זמני ענק במים עמוקים

מושא העבודה הוא סכר שלב III מבטון רולר-קומפקט (RCC) בפרויקט שלוש הנהרות, קיר כבד ואורב במקביל לסכר הראשי כ-114 מטרים במעלה הנהר. שלא כמו מבני עזר רבים, סכר זה נבנה תוך מחשבה על העתיד שלו — ההריסה המתוכננת. במהלך הבנייה נשזרו במבנה שלוש מטרות מטען פנימיות וחורים מיוחדים ל״שבירה״ שיועדו לאפשר שהתפוצצויות מאוחרות יחצו את החלק העליון ויגרמו לו להתהפך בכיוון מבוקר. האתגר היה עצום: יותר מ-180,000 מטרים מעוקבים של בטון היה צריך להיעקר בקטע יחיד באורך 480 מטר, בעומקי מים של עד כ-40 מטר — כמעט כפול מהעומקים שנעשה בהם שימוש בפיצוצי cofferdam קודמים ברחבי העולם — תוך שמירה על גבולות בטיחות מחמירים סמוך לסכר הראשי ולתחנת הכוח.

סימולציה של כל גוש וכל מערבולת

כדי לחקור פעולה מסוכנת זו, הכותבים בנו מודל מחשב מפורט המטפל ב-cofferdam כאינספור "חלקיקי" בטון בודדים הקשורים זה לזה, מוקפים במים שזורמים ולוחצים עליהם. הם שילבו שני כלים רבי עוצמה: אחד שעוקב אחרי תנועת הנוזל (דינמיקת נוזלים חישובית) ואחד שלומד את תנועתם ושבירתם של חלקים מוצקים רבים (מודל סמי-דיסקרטי/דיסקרט אלמנטים). באמצעות חיבור בין הקודים הללו, הצוות יכל לעקוב כיצד מים בלחץ גבוה המונעים על ידי הפיצוץ חורצים תחילה חריץ בקיר, ואז כיצד החלק העליון סדוק, מסתובב, מחליק ולבסוף נופל לקרקעית הנהר, בעוד המים מזעפים, מסתובבים ומאט/מנתבים את הפסולת.

כיצד הסכר מתמוטט

הסימולציות מראות שההריסה מתפתחת בשלושה שלבים עיקריים. ראשית, המטענים המתוזמנים בחללים הפנימיים ובחורי השבירה חותכים מפרץ עמוק ושיפועי, שמשנה את נקודת התמיכה של החלק העליון. ממשקלו ודחיפת מפלסי מים לא אחידים בתוך ומחוץ ל-cofferdam, הבלוק העליון מתחיל להסתובב כמו דלת הנופלת לאט. שנית, כשהוא נשען החוצה, הבלוק מחליק למטה לאורך השיפוע שנוצר בבטון הנותר, עם מים הלוחצים על פניו ונוזלים מתחתיו. גושי שבר החולפים לקרקעית מזרזים את המים הסובבים ויוצרים זרמים נגדיים שמאטות חתיכות ליד הקצוות בעוד שחתיכות במרכז נעות מהר יותר. לבסוף, החלק העליון מאבד מגע עם השיפוע ונופל בחופשיות מתחת למים לקרקעית הנהר, שם מערבולות ותורות סיבוב מקיפות את הפסולת היורדת. המודל גם לוכד כיצד חלקו התחתון הנותר של ה-cofferdam שומר בערך על הצורה והרום המתוכננים.

מבחן המודל

מודלי מחשב שימושיים רק אם הם תואמים את המציאות. במהלך הפיצוץ בפועל בשלוש הנהרות, חיישנים על הסכר הראשי הקליטו רעידות כאשר ה-cofferdam ההופך פגע בקרקעית. אות הפגיעה החזקה הראשון הופיע כ-16.1 שניות אחרי ההצתה — אותו זמן שחיזתה הסימולציה. סקרים של השטח התת-מימי הראו שהפער שנוצר מה-cofferdam המוחרב וגובה החלק הנותר התאימו מקרוב לתכנון ולתוצאות המחושבות. ההסכמה הזו נותנת מהנדסים ביטחון שהמודל המקושר יכול ללכוד גם את כשל הבטון וגם את תגובת המים.

מה משמעות הממצאים עבור סכרים עתידיים

לקהל שאינו מקצועי, המסקנה המרכזית היא שהמחקר ממיר פיצוץ תת-מימי בעל אנרגיה רבה וקשה לצפייה לתהליך צפוי וממוויז. על ידי טיפול ב-cofferdam כמספר רב של גושים מלוכדים והנהר כנוזל זורם, החוקרים מגלים כיצד המים לא רק מעבירים את אנרגיית הפיצוץ אלא גם מרפדים, מנתבים ולפעמים מאטים את הפסולת הנופלת. הגישה שלהם עשויה לסייע למתכננים לתכנן אסטרטגיות הריסה בטוחות יותר עבור cofferdams גדולים ומבנים תת-מימיים אחרים, להפחית את הסיכון לסכרים ראשיים, תחנות כוח ועובדים ובו־בזמן לנצל טוב יותר את חומרי הנפץ ותנאי השטח.

ציטוט: Wu, L., Liang, Z., Cai, Y. et al. Fluid–structure interaction in underwater blasting demolition of cofferdam structures: a case study of three gorges phase III RCC cofferdam. Sci Rep 16, 5175 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35562-x

מילות מפתח: פיצוצים תת-מימיים, הריסת סכר זמני, סכר שלוש הנהרות, אינטראקציה נוזל-מבנה, סימולציה נומרית