الوقاية الناجحة من كارثة تدفّق الركام باستخدام حواجز مرنة متعددة المراحل
أي شيء يحدث لكم يقع على عاتقنا
الدكتور المهندس البناء كورينا فنديلر
شركة Geobrugg AG Geohazard Solutions,
Aachstrasse 11، 8590 رومانسهورن، سويسرا
الهاتف: +41 71 466 81 55
البريد الإلكتروني : info@geobrugg.com
الملخّص:
في آب/أغسطس 2005، تأثرت قريتا هاسليبرغ ومايرينغن (سويسرا) بفيضانات وتدفّقات ملوّثات/ركام نتيجة هطول أمطار غزيرة غير اعتيادية.
وبالنظر إلى مستوى الخطر الذي تعرّضت له هذه التجمعات السكنية وإلى حجم الأضرار المحتملة، كان لا بد من اتخاذ تدابير وقائية مناسبة. وبسبب تسرب المياه إلى مادة الشيست الأليني ذات معامل الاحتكاك المنخفض جدًا والتي تصبح شديدة الانزلاق، إضافةً إلى الظروف الطبيعية الصعبة داخل الحوض، لم يكن من الممكن استخدام المنشآت الثابتة التقليدية نتيجة مشكلات أساسية في الأساسات. كحل جديد واعد، تم استخدام 13 حاجزًا مرنًا مصنوعًا من شبكات مؤلفة من عناصر حلقية، بسعة إجمالية تبلغ 12000 م³. ونظرًا لقلّة الخبرة المتوافرة حول هذا النوع من تدابير الحماية، كان من الضروري إجراء دراسات رصينة شملت محاكاة عددية وتجارب مخبرية تفصيلية. وقد أظهرت هذه التحليلات للمهندسين والجهات المختصة أن هذه التدابير توفّر حماية كافية بأدنى مستوى من المخاطر. وخلال سير الأعمال، أسهم التعاون الوثيق بين الفريق العلمي لمعهد WSL (المعهد السويسري لأبحاث الغابات والثلوج والمناظر الطبيعية)، والشريك الصناعي، وسلطات الكانتون، في التوصل إلى حل متماسك ومعقول.
وفي 10 تشرين الأول/أكتوبر 2011، شهدت منطقة هاسليبرغ – وفقًا لما أفاد به المكتب الاتحادي للبيئة (FOEN) – عاصفة تسببت بفيضان يُحتمل حدوثه مرة كل مئة عام. إذ بلغ هطول الأمطار في جبال الألب البرنية 80 مم خلال 12 ساعة، ومع إضافة ما يعادل 70 سم من المياه المخزنة من تساقط الثلوج، أدى ذلك إلى فيضان الأنهار الجبلية وحدوث انهيارات على المنحدرات وانزلاقات أرضية. وفي حوض هاسليبرغ، تدفقت الانهيارات السطحية الضحلة إلى مجرى الفيضان، مما أدى إلى تحرّك نحو 2000 م³ من المواد. امتلأ أحد الحواجز بالكامل، فيما امتلأ حاجزان آخران حتى نحو النصف. وقد جرى تركيب تدبير الحماية الجديد عام 2008 بحيث يكون قادرًا على إيقاف المواد الموجودة في الحوض أيضًا، وصُمّم مع توقع حدوث تدفّقات ركام أكبر، وكذلك لمنع التعرية التي وقعت باتجاه منبع النهر في آب/أغسطس 2005.
يعرض هذا البحث دراسة حالة لاستخدام الحواجز المرنة كأحد أساليب الحماية من الفيضانات والانهيارات الأرضية. كما يتناول التجارب المخبرية والميدانية التي أُجريت لتطوير هذه الحواجز، ويناقش الجوانب التي ينبغي أخذها بعين الاعتبار في التصميم والتنفيذ.
الكلمات المفتاحية: الوقاية من تدفّق الركام، حواجز مرنة متعددة المراحل، الانهيارات السطحية الضحلة، الفيضانات.
الوقاية الناجحة من مخاطر تدفّق الركام باستخدام حواجز مرنة متعددة المستويات
الملخّص
تعرّضت قريتا هاسليبرغ رويتي ومايرينغن لفيضانات وتدفّقات ركام نتيجة هطول أمطار غزيرة على نحو غير معتاد في آب/أغسطس 2005. ولم يكن مستوى الخطر الذي واجهته هذه التجمعات السكنية متناسبًا مع إمكانات الضرر القائمة، مما جعل الحاجة إلى اتخاذ إجراءات وقائية كبيرة جدًا. وبسبب الظروف الطبيعية الأساسية الصعبة في منطقة الحوض، حيث توجد مادة الشيست الأليني المنزلقة بشكل دائم والتي تتميز بمعامل احتكاك منخفض جدًا عند تسرب المياه، لم يكن من الممكن استخدام التدابير الوقائية الصلبة التقليدية بسبب مشكلات في الأساسات.
وقد تم اختيار حل جديد واعد يتمثل في استخدام 13 حاجزًا مرنًا من شبكات حلقية بسعة احتجاز إجمالية تبلغ 12,000 م³. ونظرًا لقلة الخبرة في تصميم هذا النوع الجديد من تدابير الحماية، كان لا بد من إجراء دراسات رصينة شملت اختبارات مخبرية مكثفة ومحاكاة عددية. وقد منحت هذه التحليلات أعلى درجة ممكنة من الثقة للمهندسين والسلطات المختصة بأن هذه التدابير ستوفّر حماية كافية وتُبقي المخاطر المتبقية عند أدنى مستوى ممكن. كما أن التعاون الوثيق خلال عملية التصميم بين الفريق العلمي لمعهد WSL، والشريك الصناعي، وسلطات الكانتون، أدى إلى التوصل إلى حل متماسك ومقبول تقنيًا.
وفي 10 تشرين الأول/أكتوبر 2011، ضربت منطقة هاسليبرغ مرة أخرى عاصفة كبيرة، أُعلن على إثرها عن فيضان يُحتمل حدوثه مرة كل مئة عام وفقًا للمكتب الاتحادي للبيئة FOEN. إذ بلغ هطول الأمطار في جبال الألب البرنية خلال 12 ساعة ما يصل إلى 80 مم، إضافةً إلى المياه المخزنة الناتجة عن تساقط الثلوج بارتفاع يصل إلى 70 سم، مما أدى إلى فيضان الأنهار الجبلية وحدوث انهيارات على المنحدرات وانزلاقات أرضية. وقد تحرّك نحو 2,000 م³ من المواد في حوض هاسليبرغ نتيجة انهيار سطحي ضحل تدفّق إلى السيل. امتلأ أحد الحواجز بالكامل، فيما امتلأ حاجزان آخران إلى النصف. وقد صُمّم إجراء الحماية الجديد الذي تم تركيبه عام 2008 لتوقّع حدوث تدفّقات ركام أكبر، وذلك عبر إيقاف المواد بالفعل داخل منطقة الحوض ومنع المزيد من التعرية في مجرى النهر في الجزء العلوي، وهي التعرية التي حدثت في آب/أغسطس 2005.
الكلمات المفتاحية: الوقاية من تدفّق الركام، حواجز شبكية حلقية متعددة المستويات، الانهيارات السطحية الضحلة.
المقدمة
ينبع نهر ميليبـاخ (Milibach) في منطقة غومن (Gummen) الواقعة بين كانتوني أوبرهاسلي (Oberhasli) وأوبفالدن (Obwalden). ويتجه مجراه من الشرق إلى الغرب بمحاذاة مستوطنة هاسليبرغ (Hasliberg)، وبعد مروره عبر وادٍ عميق (كانيون) يصب في نهر آره (Aare). ويمكن رؤية المنطقة في الشكل 1.
مسار تدفّق الركام
الشكل 1: وضع نهر ميليبـاخ، مقياس LK 1:25000، مقتبس من الخريطة رقم 1209 Innertkirchen.
يتكوّن وادي غومن من شيست ألينـي غني بالطين (Alenienschiefer) موازٍ للانحدار، وتوجد في بعض المواضع طبقات متداخلة من الحجر الرملي. ويُعد هذا الشيست الموازي للمنحدر حساسًا للتجوية ويؤدي سلوكًا شبيهًا بالطبقات غير المنفذة للمياه (aquiclude) [1].
الشكل 2: حوض نهر ميليبـاخ في منطقة غومن (يسارًا)، ومادة الشيست الألينـي (يمينًا)
كانت هذه التشكيلة الجيولوجية مغطاة بطبقة من الركام المتجوى بسمك عدة أمتار. وتشكل هذه المواد مصدر تدفّق الركام، وهي ناتجة عن الأجزاء المتجوية من العصر الجوراسي الأوسط (دوغر – Dogger) في المناطق العليا. وتوجد داخل الركام، وبشكل متفرق، أجزاء من الرواسب الجليدية (المورينات). ويتكوّن الركام من مادة طينية وسلتية ورملية مع كتل حجرية وصخور كبيرة.
عندما تكون المادة جافة، تتراوح زاوية الاحتكاك الداخلي φ' بين 25–28°، بينما يكون التماسك c' = 0–3 كيلونيوتن/م². وعند تشبع المادة بالمياه، تنخفض هذه القيم بشكل ملحوظ، حيث تهبط زاوية الاحتكاك الداخلي إلى نحو 15°. وبعد فترات رطبة ذات هطولات مطرية غزيرة، تتحرك هذه الحزم من التربة الحبيبية على شكل انزلاقات أرضية سطحية، ناقلةً الركام إلى مجرى النهر. كما تُعد اللدونة المنخفضة للمادة من خصائصها المميزة، إذ تبلغ نسبة الطين والسلت حوالي 15–20%. وتشكل هذه الخصائص مشكلة كبيرة عند إنشاء منشآت الحماية من الركام، إذ قد تتطلب إنشاء جدران استنادية شديدة الصلابة والقوة (2).
حادثة عام 2005
خلال الأمطار التي هطلت في آب/أغسطس 2005، تعرّضت منطقتا هاسليبرغ رويتي ومايرينغن لفيضانات. وقد نتجت الأضرار الرئيسية في المنشآت عن تدفّق الركام الذي بدأ في حوض غومن (الشكل 3))
تحرّك نحو 13,000 م³ من مادة الشيست المتجوية داخل الحوض بفعل الهطولات الغزيرة، وانحدرت عبر القناة على شكل ثلاث موجات. وعلى طول مسارها، جُمِعَ نحو 25,000 م³ إضافية بفعل التعرية، ليصل حجم التدفق الكلي إلى حوالي 40,000 م³.
قُدّرت سرعة هذا التدفق بحوالي 7 إلى 9 م/ث. ويمكن حساب السرعات وارتفاعات الجريان وتصريف التدفق وفق معادلات شيزي (Chezy) أو ستريكلر (Strickler) باعتبارها جريانًا نيوتنيًا ضمن نظام الجريان الاضطرابي.
.png)
الشكل 3: الركام المتراكم في قرية مايرينغن (باللون البنفسجي) ألحق أضرارًا بالبنية التحتية والمنازل.
وبما أن هذه التدفقات كانت تدفّقات طينية، فيمكن تقدير إجهاد القص الحدّي بعد الحدث بقيم تتراوح بين 600 و1100 نيوتن/م². وتبلغ نسبة الماء في التدفق حوالي 50%، بينما تتراوح كثافة الجريان بين 18 و20 كيلونيوتن/م³ [2].
التدبير الوقائي المقترح في حوض غومن باستخدام حواجز مرنة من الشبكات الحلقية
لمنع تكرار الأضرار التي لحقت بقريتي هاسليبرغ ومايرينغن كما في عام 2005، كان أحد التدابير الممكنة هو إيقاف تدفّق الركام داخل حوض غومن قبل دخوله إلى القناة وبدء عملية التعرية وجمع كميات أكبر من المواد، وذلك من خلال تركيب 13 حاجزًا مرنًا متعدد المستويات داخل الحوض.
وبسبب السلوك الزاحف والحركة المستمرة لمادة الشيست الأليني في هذا التكوين السطحي، اعتُبرت المنشآت المرنة المصنوعة من الشبكات الحلقيّة الحلّ الأنسب. أما التدابير الوقائية الثابتة والصلبة، مثل السدود الخرسانية، فكان من الممكن أن تتطلب أعمال صيانة كبيرة نتيجة التشققات ومشكلات التأسيس المعرضة للتعرية.
تم تحديد معاملات تصميم الحواجز المرنة ذات الشبكات الحلقية بالاعتماد على حدث عام 2005، وهي معروضة في الجدول 1 [3].
جرى تحديد أبعاد الحواجز المرنة باستخدام برنامج العناصر المحدودة FARO [4]. وقد تم تكييف هذا البرنامج، الذي طُوّر في الأصل لمحاكاة سقوط الصخور، مع حالات تحميل تدفّق الركام اعتمادًا على نتائج موقع الاختبار في Illgraben [5][9]. وبالمقارنة مع سقوط الصخور، يتميز تدفّق الركام بكونه حملًا موزعًا بدل الحمل النقطي واللحظي، وبزمن تحميل أطول، وانحرافات أقل، إضافة إلى وصول عدة موجات متتالية إلى الشبكة.
في مشروع غومن، أُخذت حالات التحميل التالية بعين الاعتبار عند تحديد أبعاد 13 حاجزًا من الشبكات الحلقية:
- تدفّق ركام لزج.
- تدفّق ركام طيني.
- الحمل الساكن على الشبكات الممتلئة (قيم ضغط التربة الفعّال).
- حمل الثلوج (تأثير الانزلاق والانهيار الثلجي).
- حالة تجاوز الحمولة (زيادة الحمل).
|
حالة التحميل الزائد |
|