Cross-Scale Analysis of Basalt Rock Mass Deformation and Energy Evolution Based on In-Situ Bearing Plate Tests and DEM Simulation

في أعماق الأرض، حيث تلتقي السدود الخرسانية الضخمة بالصخر الأساسي، يعتمد أمان الهيكل بأكمله على حقيقة واحدة غالباً ما يتم التغافل عنها: وهي أن الصخر ليس صلباً حقاً. فبالعين المجردة، يبدو جبل من البازلت ككتلة مستمرة وغير قابلة للاختراق، لكنه في الواقع عبارة عن فسيفساء معقدة من شظايا الحجارة التي تتماسك معاً بواسطة شقوق غير مرئية، وفوالق قديمة، وطبقات من المواد المتجوية. وعندما يبني المهندسون سداً كهرومائياً، يجب عليهم معرفة كيف ستنضغط هذه الفسيفساء الخفية أو تتحرك أو تستقر تحت الوزن الهائل للمياه. فإذا تشوه الصخر أكثر مما ينبغي، فقد يتصدع السد؛ وإذا تحرك بشكل غير متوقع، فقد تفشل القاعدة. ولعقود من الزمن، كانت الطريقة القياسية لقياس هذا السلوك هي الضغط بلوح معدني صلب وثقيل على وجه الصخر داخل نفق ومراقبة مدى هبوط الأرض. يكشف هذا الاختبار البسيط عن صلابة الصخر، لكنه يظهر النتيجة النهائية فقط، ولا يظهر الميكانيكا الخفية لكيفية انغلاق الشقوق داخل الحجر أو انزلاقها أو تكسرها للسمار على حدوث تلك الحركة.

ولفهم ما يحدث داخل الصخر أثناء هذه الاختبارات، قام فريق من الباحثين في محطة غوشوي للطاقة الكهرومائية في الصين بدمج القياسات الواقعية مع محاكاة حاسوبية قوية. لقد ركزوا على البازلت، وهو صخر بركاني شائع، وأجروا سلسلة من الاختبارات الصارمة حيث ضغطوا لوحاً فولاذياً بعرض 0.52 متراً على ست نقاط مختلفة في النفق. طبقوا الضغط في خمس خطوات متزايدة، وصولاً إلى حد أقصى قدره 10.203 ميجاباسكال، ثم خففوا الضغط ببطء، مكررين هذه الدورة خمس مرات في كل نقطة. سمحت هذه العملية للباحثين ليس فقط بقياس مقدار حركة الصخر، بل أيضاً بقياس مقدار تلك الحركة الدائمة مقابل مقدار استعادتها لشكلها مثل الزنبرك. ثم بنى الباحثون "توأماً رقمياً" لهذه الاختبارات باستخدام طريقة تعامل مع الصخر ليس ككتلة صلبة، بل كمجموعة من آلاف الجسيمات الدائرية الصغيرة. ومن خلال محاكة دورات الضغط نفسها تماماً على هذه الجسيمات الافتراضية، تمكنوا من مراقبة الرقصة غير المرئية للقوى والشقوق وتحولات الطاقة التي تحدث داخل الصخر، والتي لا يمكن لأي كاميرا التقاطها في العالم الحقيقي.

كشفت نتائج الاختبارات الواقعية عن تعقيد مفاجئ أغفلته التصنيفات الصخرية البسيطة. فقد صنف الفريق مواقع الاختبار بناءً على درجة تجوية الصخر، متوقعين أن تكون النقاط "ضعيفة التجوية" أكثر ليونة وأن النقاط "متوسطة التجوية" أكثر صلابة. ومع ذلك، حكت البيانات قصة مختلفة. فقد تصرفت نقطة اختبار معينة، تقع بالقرب من خط فلق صغير يقطع الصخر بزاوية 35 درجة، بشكل مختلف تماماً عن غيرها. وعندما أدرج الباحثون هذه النقطة المتحكم بها عبر الفلق في حسابات المتوسط، بدت مجموعة الصخور "ضعيفة التجوية" أكثر ليونة مما هي عليه في الواقع. وعندما أزالوا هذه النقطة الوحيدة، قفز متوسط صلابة الصخر ضعيف التجوية بشكل كبير، ليصبح حتى أكثر صلابة من المجموعة متوسطة التجوية. يشير هذا الاكتشاف إلى أن وجود فلق محلي أو شق محدد يمكن أن يكون له تأثير أكبر بكثير على سلوك الصخر من التجوية العامة للحجر نفسه. إن قوة الصخر ليست مجرد مسألة عمره أو مدى تعرضه للعوامل الجوية، بل هي مسألة الهندسة الخفية للكسور الممتدة عبره.

ولمعرفة سبب حدوث ذلك، لجأ الباحثون إلى نماذجهم الحاسوبية، التي عملت بمثابة مجهر عالي السرعة لداخل الصخر. لقد أنشأوا ثلاث سيناريوهات رقمية متميزة: أحدهما يمثل الصخر ضعيف التجوية المتوسط، وآخر للصخر متوسط التجوية، ونموذج خاص للنقطة المتحكم بها عبر الفلق. وبينما كانوا يطبقون الضغط في المحاكاة، راقبوا كيفية تفاعل الجسيمات الصغيرة. في النماذج التي تمثل الصخر الأكثر تماسكاً، كان الضغط يتوزع بشكل منتظم، وكان الصخر يخزن الطاقة مثل زنبرك مضغوط، حيث يعود إلى شكله الأصبي جيداً عند إزالة الحمل. ولكن في النموذج الذي يحتوي على الفلق بزاوية 35 درجة، تغيرت القصة تماماً. عمل الفلق مثل مفصل ضعيف، مما تسبب في انحراف وانزلاق "سلاسل القوة" — وهي المسارات التي تنتقل عبرها الضغوط. وبدلاً من انضغاط الصخر بشكل موحد، تركزت الحركة على طول خط الفلق. وأظهرت المحاكاة أنه بينما ولد الصخر السليم العديد من الشقوق الصغيرة الجديدة أثناء ضغطه، فإن الصخر المتأثر بالفلق ولد عدداً قليلاً جداً من الشقوق الجديدة؛ بدلاً من ذلك، جاء تشوهه الهائل من انزلاق الفلق واحتكاكه ببعضه البعض. وقد تسبب هذا الانزلاق في حركة دائمة وغير قابلة للانعكاس، مما يفسر سبب هبوط نقطة الاختبار تلك أكثر من غيرها.

كما تتبع البحث كيفية انتقال الطاقة عبر الصخر خلال هذه الاختبارات. في العالم الحقيقي، قاس الباحثون إجمالي العمل الذي قامت به الآلة لضغط اللوح لأسفل، وكمية الطاقة المفقودة كحرارة أو احتكاك أثناء مرحلة تخفيف الحمل. وفي المحاكاة، تمكنوا من تفصيل ذلك بشكل أكبر، ورؤية مقدار الطاقة المخزنة في التلامسات بين الجسيمات ومقدار الطاقة المفقودة بسبب الاحتكاك أثناء انزلاق الجسيمات بجانب بعضها البعض. ووجدوا نمطاً واضحاً: النقطة المتحكم بها عبر الفلق امتصت وشتتت أكبر قدر من الطاقة، مما أكد أن الفلق كان المصدر الرئيسي لضعف الصخر. أما الصخر متوسط التجوية، رغم احتوائه على بعض الشقوق الدقيقة الخفية، فقد حافظ على شكله بشكل أفضل وخزن المزيد من الطاقة المرنة. وقد لاحظ الباحثون بعناية أنه على الرغم من أن النموذج الحاسوبي لا يمكنه محاكة الطبيعة ثلاثية الأبعاد للصخر الحقيقي أو الاستقرار الزمني الدقيق الذي يحدث في الموقع بشكل مثالي، إلا أن الاتجاهات كانت لا تقبل الجدل. لقد نجح النموذج في إعادة إنتاج منحنيات التشوه المحددة التي تم قياسها في النفق، مما أثبت أن البنية المحلية للصخر، وخاصة اتجاه الفلوق، هي العامل المهيمن في كيفية سلوك الأرض تحت أساس السد.

في نهاية المطاف، يقدم هذا العمل صورة أوضح لما يكمب تحت السطح في مشاريع الطاقة الكهرومائية. فهو يوضح أن الاعتماد فقط على الفئات العامة مثل "التجوية" يمكن أن يكون مضللاً إذا وجد خط فلق محدد. فالكتلة الصخرية ليست مادة متجانسة، بل هي مجموعة من المناطق المتميزة حيث تتغير قواعد التشوه بناءً على الشقوق والفاصل المحلية. ومن خلال الجمع بين الاختبارات الفيزيائية والمحاكاة التفصيلية، أظهر الباحثون أن التحركات الأكثر أهمية لا تحدث لأن الصخر قديم أو لين، بل لأن فلقاً خفياً ينزلق. هذه الرؤية حاسمة للمهندسين الذين يصممون المنشآت الضخمة، حيث تسلط الضوء على الحاجة إلى النظر إلى ما وراء أنواع الصخور العامة ورسم خرائط للكسور المحددة والخفية التي قد تحدد استقرار القاعدة بأكملها. وتؤكد الدراسة أن فهم طاقة وتشوه الصخور يتطلب النظر في القصة المحلية المحددة لكل شق وفلق، بدلاً من مجرد العمر العام للحجر.