Development Characteristics of Expansive Soils along the Handan Section (Hebei Province, China) of the Middle Route of the South-to-North Water Diversion Project and Their Influence on Slope Stability

تخيل امتداداً من الأرض يتصرف ككائن حي، يتنفس الماء فينتفخ، ثم ينكمش مرة أخرى عندما يجف. هذه هي طبيعة التربة الانتفاخية، وهي مادة توجد في أجزاء كثيرة من العالم تحتوي على معادن طينية قادرة على امتصاص كميات كبيرة من الماء. عندما تبتل هذه التربة، تتمدد ويمكنها الضغط على الأساسات والطرق وجدران القنوات بقوة كافية للتسبب في شقوق وأضرار هيكلية. وعندما تجف، تنكمش، تاركة وراءها فجوات يمكن أن تمتلئ بالماء لاحقاً وتؤدي إلى حركة إضافية. لطالما عرف المهندسون والجيولوجيون أن هذه التربة مراوغة، لكن الخطر الحقيقي لا يكمن فقط في التربة نفسها، بل في كيفية وصول الماء إليها. في كثير من الحالات، قد تبدو طبقة من التربة على السطح صلبة، ولكن الشقوق أو الفواصل المخفية في أعماق الأرض يمكن أن تعمل كطرق سريعة، مما يسمح لمياه الأمطار بتجاوز السطح والتغلغل في الطبقات الضعيفة تحت الأرض، حيث تكون التربة أكثر حساسية للرطوبة.

هذه الديناميكية حرجة بشكل خاص لمشاريع نقل المياه الضخمة التي تنقل المياه عبر مسافات شاسعة، مثل مشروع تحويل المياه من الجنوب إلى الشمال في الصين. على طول القناة في قسم هاندان بمقاطعة هبي، واجه المهندسون تحدياً محدداً: تقطع القناة مشهداً طبيعياً غنياً بهذه التربة الحساسة للرطة. لم يكن السؤال هو ما إذا كانت التربة موجودة فحسب، بل كيف هي موزعة، وكيف ستتفاعل مع أمطار الصيف الغزيرة المعتادة في المنطقة، وما إذا كان بإمكان الماء الانتقال بعمق كافٍ لإضعاف المنحدرات التي تثبت القناة في مكانها. وضع فريق من الباحثين خطة لرسم خريطة للجيولوجيا المخفية، واختبار قوة التربة في المختبر، ومحاكاة كيفية تحرك مياه الأمطار عبر الأرض للإجابة على هذه الأسئلة. ويكشف عملهم عن صورة معقدة حيث يحدد موقع الشقوق العميقة أي أجزاء من المنحدر ستصبح عرضة للمياه.

بدأ الباحثون بالنظر إلى الأرض نفسها، متتبعين تاريخ التربة على طول امتداد القناة البالغ 80 كيلومتراً. ووجدوا أن التربة الانتفاخية هنا ليست مجرد طبقة واحدة من التراب، بل هي مزيج من رواسب البحيرات القديمة والصخور المتجوية. بعض هذه المواد يقع مباشرة على السطح، بينما يوجد جزء أكبر بكثير مدفوناً في أعماق الأرض، مخفياً تحت طبقات من اللوس (التربة الغرينية) أو الحصى. رسم الفريق خريطة لمنطقة تبلغ مساحتها حوالي 220 كيلومتراً مربعاً حيث توجد هذه التربة، ملاحظين أن الأنواع المدفونة أكثر انتشاراً بكثير من تلك المرئية فوق سطح الأرض. وقد حددوا ثلاثة أنواع رئيسية من المواد: الحجر الطيني من عصر النيوجين، والطين من عصر البليستوسين الأدنى، والطين الذي تشكل نتيجة تجوية الحجر الطيني الأقدم بمرور الوقت. معظم التربة التي اختبروها كانت تندرج تحت فئة الانتفاخ المتوسط أو الضعيف، مما يعني أن لديها القدرة على الانتفاخ ولكن ليس بعنف مثل الأنواع الأقوى. ومع ذلك، اكتشفوا نمطاً محدداً في أماكن وجود هذه التربة: حيث كانت العينات التي جمعوها مركزة بكثافة عند ارتفاعات تتراوح بين 70 و90 متراً، وهو نطاق ارتفاع يتزامن مع المكان الذي تقطع فيه القناة الأرض.

لفهم كيفية سلوك هذه التربة عندما تبتل، أخذ الفريق مئات العينات إلى المختبر. أخضعوا التربة لسلسلة من الاختبارات، حيث قاسوا مدى انتفاخها عند إضافة الماء وكيف تغيرت قوتها. كانت النتائج واضحة: مع امتصاص التربة للماء، تفقد قدرتها على التماسك. في مجموعة من التجارب، اختبروا التربة عند مستويات رطوبة مختلفة ووجدوا نقطة تحول حرجة؛ فعندما ارتفع محتوى الماء في التربة من 20 بالمائة إلى 25 بالمائة، انخفضت قدرة التربة على التماسك، والمعروفة بالتماسك (cohesion)، بشكل دراماتيكي بنسبة تقارب 75 بالمائة. وهذا يعني أن زيادة صغيرة في الرطوبة يمكن أن تحول منحدراً متماسكاً إلى منحدر أضعف بكثير. كما أظهرت الاختبارات أن قوة التربة تعتمد على تاريخها؛ فالتربة التي جُففت ثم أُعيد ترطيبها تصرفت بشكل مختلف عن التربة المشبعة ببساطة، مما يسلط الضوء على أن المسار الذي يسلكه الماء يهم بقدر كمية الماء الموجودة.

كانت القطعة الأخيرة من اللغز هي معرفة كيفية وصول مياه الأمطار فعلياً إلى هذه الطبقات العميقة والحساسة. في الميدان، غالباً ما يكون سطح منحدر القناة مغطى بطبقة من الردم الاصطناعي، والتي قد تبدو كدرع واقٍ. ومع ذلك، اشتبه الباحثون في أن الشقوق العميقة، أو الفواصل، يمكن أن تعمل كممرات مختصرة لمياه الأمطار. ولاختبار ذلك، بنوا نموذجاً رقمياً لمنحدر قناة نموذجي وحاكوا هطول الأمطار تحت ظروف مختلفة. وقارنوا بين منحدر بدون شقوق ومنحدرات بها شقوق عميقة تصل إلى عمق 7 أمتار. في النموذج الذي لا يحتوي على شقوق، تغلغلت مياه الأمطار في حوالي مترين فقط في الأرض، حتى بعد أيام من الأمطار الغزيرة؛ حيث تشربت المياه في الطبقة العليا وتوقفت. ولكن عندما أدخلوا الشقوق العميقة، تغيرت القصة تماماً؛ إذ عملت الشقوق كقنوات، مما سمح لمياه الأمطار بالاندفاع إلى أسفل المنحدر، لتصل إلى منطقة الانزلاق المحتملة حيث يمكن أن يبدأ الانهيار الأرضي.

أظهرت عمليات المحاكاة أن السرعة التي تتشبع بها هذه الطبقة العميقة تعتمد على كل من شدة المطر وموقع الشقوق. ففي حالة هطول أمطار غزيرة بمعدل 3 مليمتر في الساعة، وصلت نقطة بالقرب من أسفل منحدر به شق في المقدمة إلى حالة التشبع في حوالي 100 ساعة. وبالمثل، عندما كان الشق موجوداً في الجزء الخلفي من المنحدر، استجبت النقاط المنخفضة القريبة من ذلك الشق بسرعة أيضاً، حيث وصلت إلى التشبع في حوالي 100 ساعة. وإذا كانت الأمطار أخف، فإن الأمر يستغرق وقتاً أطول بكثير، أو أن الماء لا يصل إلى ذلك العمق على الإطلاق. والأهم من ذلك، أن موقع الشق كان مهماً؛ فالشق الموجود في مقدمة المنحدر جعل الطبقة السفلية تبتل بشكل أسرع من الشق الموجود في الخلف، مما يوضح أن هندسة الأرض المحددة هي التي تتحكم في مسار الماء. وخلص الباحثون إلى أن الخطر ليس في تشبع المنحدر بأكمله بشكل موحد، بل في ضعف موضعي حيث تجد المياه مساراً عبر الشقوق. وهذا يعني أن المنحدر قد يبدو مستقراً على السطح بينما تفقد التربة في الأعماق قوتها، منتظرة الظروف المناسبة للانهيار.

لا تتنبأ الدراسة بدقة متى سيحدث انهيار أرضي، كما أنها لا تدعي أن كل منحدر في هذه المنطقة محكوم عليه بالفشل. بدلاً من ذلك، فهي تقدم إطاراً واضحاً لفهم المخاطر. ينشأ الخطر من الجمع بين ثلاثة عوامل: وجود تربة حساسة للرطوبة، ووجود شقوق عميقة تسمح للماء بتجاوز السطح، وشدة هطول الأمطار التي يمكن أن تملأ تلك الشقوق. ويؤكد الباحثون أنه بينما تكون التربة ضعيفة بطبيعتها عندما تكون مبللة، فإن المحفز الحقيقي هو قدرة الماء على الوصول إليها. هذا الاستبصار ينقل التركيز من مجرد النظر إلى نوع التربة إلى التحقيق في الكسور المخفية في الأرض. وبالنسبة للمهندسين الذين يديرون القناة، فإن الخلاصة هي أن مراقبة وصيانة المنحدرات تتطلب النظر إلى ما وراء السطح، والاهتمام الشديد بالأماكن التي قد تتكون فيها الشقوق وضمان تحويل المياه بعيداً عن هذه المسارات قبل أن تصل إلى الطبقات الضعيفة تحتها. ومن خلال ربط الجيولوجيا، والاختبارات المختبرية، وتدفق المياه، تقدم الدراسة طريقة عملية لتقييم وإدارة استقرار هذه الممرات المائية الحيوية.