تآكل الجسر

يُعرف تجريف الجسور بأنه إزالة الرواسب مثل الرمل والحصى من حول دعامات الجسور أو ركائزها . ويمكن أن يؤدي التجريف الهيدروديناميكي ، الناتج عن تدفق المياه السريع، إلى حفر ثقوب التجريف ، مما يُضعف سلامة الهيكل. ^{[ 1 ]}

في الولايات المتحدة ، يُعدّ تآكل الجسور أحد الأسباب الرئيسية الثلاثة لانهيارها (إلى جانب التصادم والحمولة الزائدة). وتشير التقديرات إلى أن 60% من حالات انهيار الجسور ناتجة عن التآكل وأسباب أخرى متعلقة بالهيدروليكا. ^{[ 2 ]} وهو السبب الأكثر شيوعًا لانهيار جسور الطرق السريعة في الولايات المتحدة، ^{[ 3 ]} حيث نتج 46 من أصل 86 حالة انهيار جسور رئيسية عن التآكل بالقرب من الدعامات خلال الفترة من 1961 إلى 1976. ^{[ 4 ]}

يتدفق الماء عادةً بسرعة أكبر حول الدعامات والركائز، مما يجعلها عرضةً للتآكل الموضعي. عند فتحات الجسور، قد يحدث تآكل انقباضي عندما يتسارع الماء أثناء تدفقه عبر فتحة أضيق من مجرى النهر أعلى الجسر. ويحدث تآكل تدهوري أعلى وأسفل الجسر على مساحات واسعة. وعلى مدى فترات طويلة، قد يؤدي ذلك إلى انخفاض قاع المجرى . ^{[ 2 ]}

قد يُساهم عدم استقرار مجرى النهر، وما ينتج عنه من تآكل وتغير في زوايا الجرف، في تآكل الجسور. كما يُمكن أن يكون للحطام تأثير كبير على تآكل الجسور بعدة طرق. فتراكم المواد يُمكن أن يُقلل من مساحة المجرى المائي أسفل الجسر، مما يُسبب تآكلًا انقباضيًا في المجرى. كما يُمكن أن يُؤدي تراكم الحطام على دعامة الجسر إلى زيادة مساحة العائق، وبالتالي زيادة التآكل الموضعي . وقد يُؤدي الحطام أيضًا إلى انحراف تدفق المياه، مما يُغير زاوية الجرف ، وبالتالي زيادة التآكل الموضعي. وقد يُؤدي الحطام أيضًا إلى تحريك المجرى بأكمله حول الجسر، مما يُسبب زيادة تدفق المياه والتآكل في موقع آخر. ^{[ 3 ]}

تتضمن معظم مشاكل تآكل الجسور الشائعة عادةً المواد الطميية الرخوة التي يسهل تآكلها. ولا ينبغي افتراض أن التآكل الكلي في التربة المتماسكة أو المتماسكة سيكون أقل من التآكل في التربة غير المتماسكة؛ فالتآكل ببساطة يستغرق وقتًا أطول للظهور.

استُمدت العديد من معادلات التآكل من دراسات مخبرية، يصعب تحديد نطاق تطبيقها بدقة. ركزت معظم الدراسات على دعامات وأعمدة الجسور ، مع أن معظم مشاكل تآكل الجسور ترتبط بالتكوين الأكثر تعقيدًا لدعامات الجسور. تم التحقق من صحة بعض الدراسات باستخدام بيانات ميدانية محدودة، إلا أن هذه البيانات يصعب أيضًا تحديد نطاقها بدقة لأغراض النمذجة الفيزيائية. خلال القياسات الميدانية للتآكل اللاحق، قد تُملأ حفرة التآكل التي تشكلت في مرحلة ارتفاع منسوب الفيضان، أو عند ذروته، مرة أخرى عند مرحلة انخفاضه. لهذا السبب، لا يمكن نمذجة أقصى عمق للتآكل ببساطة بعد وقوع الحدث.

قد يتسبب التآكل أيضًا في مشاكل في التحليل الهيدروليكي للجسر. إذ قد يؤدي إلى تعميق القناة بشكل ملحوظ عبر الجسر، مما يقلل أو حتى يزيل ظاهرة الارتداد المائي . مع ذلك، لا ينبغي الاعتماد على هذا الانخفاض في الارتداد المائي نظرًا لطبيعة العمليات غير المتوقعة.

عند دراسة التآكل، من المعتاد التمييز بين الرواسب غير المتماسكة أو عديمة التماسك (الرواسب الطميية) والمواد المتماسكة. عادةً ما تكون الرواسب غير المتماسكة هي الأكثر أهمية للدراسات المختبرية. أما المواد المتماسكة فتتطلب تقنيات خاصة، وهي قليلة البحث.

تتمثل أولى المسائل الرئيسية عند دراسة التآكل في التمييز بين التآكل الناتج عن المياه الصافية والتآكل الناتج عن قاع النهر المتحرك . وتكمن المسألة الحاسمة في ما إذا كان متوسط ​​إجهاد القص على قاع النهر في اتجاه جريان المياه قبل الجسر أقل من أو أكبر من القيمة الحدية اللازمة لتحريك مواد القاع.

إذا كان إجهاد القص في اتجاه المنبع أقل من القيمة الحدية، فإن مادة قاع النهر أعلى الجسر تكون ساكنة. يُشار إلى هذه الحالة بحالة المياه الصافية لأن تيار الاقتراب يكون صافيًا ولا يحتوي على رواسب. وبالتالي، فإن أي مادة قاع تُزال من حفرة التآكل الموضعية لا تُستبدل برواسب ينقلها تيار الاقتراب. ويتحقق أقصى عمق للتآكل الموضعي عندما يؤدي حجم حفرة التآكل إلى انخفاض موضعي في إجهاد القص إلى القيمة الحرجة بحيث لا يستطيع التيار إزالة مادة القاع من المنطقة المتآكلة.

يحدث التآكل في قاع النهر المتحرك عندما يتجاوز إجهاد القص في المنبع قيمة العتبة، وتتحرك مادة القاع في المنبع قبل نقطة التقاطع. وهذا يعني أن تيار المصب ينقل الرواسب باستمرار إلى حفرة تآكل محلية. لا يُحدث قاع النهر المتحرك في قناة منتظمة حفرة تآكل بحد ذاته، بل يتطلب الأمر زيادة إضافية في إجهاد القص، كما هو الحال عند حدوث انقباض (طبيعي أو اصطناعي، مثل جسر) أو عائق محلي (مثل دعامة جسر). ويتحقق عمق التآكل المتوازن عندما تُنقل المواد إلى حفرة التآكل بنفس معدل نقلها منها.

عادةً ما يكون الحد الأقصى للتجريف في حالة التوازن في المياه الصافية أكبر بنحو 10% من التجريف في حالة التوازن في قاع النهر المتحرك. تشمل الظروف التي تُفضّل التجريف في المياه الصافية خشونة مواد القاع بحيث لا يمكن نقلها، ووجود قنوات مُغطاة بالنباتات أو قنوات مُدعّمة اصطناعياً حيث تكون السرعات عالية بما يكفي فقط بسبب التجريف الموضعي، أو انحدارات القاع المسطحة أثناء التدفقات المنخفضة.

من الممكن حدوث كل من التآكل في المياه الصافية والتآكل في قاع النهر المتحرك. أثناء الفيضان، قد يتغير إجهاد القص على قاع النهر بتغير تدفقات الفيضان. من الممكن أن تكون المياه صافية عند بداية الفيضان، ثم تتحول إلى قاع متحرك قبل أن تعود إلى المياه الصافية. تجدر الإشارة إلى أن أقصى عمق للتآكل قد يحدث في ظل ظروف المياه الصافية الأولية، وليس بالضرورة عند ذروة منسوب الفيضان وبدء التآكل في قاع النهر المتحرك. وبالمثل، قد تُسجّل سرعات عالية نسبيًا عندما يكون التدفق محصورًا داخل ضفاف النهر، بدلًا من انتشاره على سهول الفيضان عند ذروة التصريف.

يؤدي التوسع العمراني إلى زيادة شدة الفيضانات ووصول منحنيات التدفق إلى ذروتها مبكرًا، مما ينتج عنه ارتفاع في سرعة جريان المياه وتدهور في حالة المجرى. كما أن تحسينات المجاري المائية أو استخراج الحصى (أعلى أو أسفل الموقع المعني) قد تُغير مستويات المياه وسرعات التدفق وانحدارات قاع المجرى وخصائص نقل الرواسب ، وبالتالي تؤثر على عملية التعرية. فعلى سبيل المثال، إذا تم تقويم مجرى رسوبي أو توسيعه أو تعديله بأي شكل آخر يؤدي إلى زيادة طاقة التدفق، فسيميل المجرى إلى العودة إلى حالة طاقة أقل من خلال التدهور في المنبع والتوسع والتراكم في المصب.

تكمن أهمية التآكل الناتج عن التعرية في تصميم الجسور في ضرورة أن يحدد المهندس ما إذا كان منسوب القناة الحالي سيظل ثابتًا طوال عمر الجسر، أم أنه سيتغير. وإذا كان التغير محتملاً، فيجب أخذه في الحسبان عند تصميم المجرى المائي والأساسات.

قد يؤثر استقرار مجرى النهر الجانبي على عمق التآكل، إذ قد تؤدي حركة المجرى إلى وضع الجسر في غير موضعه الصحيح أو عدم محاذاته مع اتجاه جريان المياه. تُعدّ هذه المشكلة بالغة الأهمية في جميع الأحوال، لكنها تُصبح خطيرة للغاية في المناطق القاحلة أو شبه القاحلة، وفي المجاري المائية الموسمية (المتقطعة). يصعب التنبؤ بمعدلات الهجرة الجانبية، ففي بعض الأحيان قد يبدأ مجرى نهر مستقر لسنوات عديدة بالتحرك فجأة، إلا أن الفيضانات، وتربة ضفاف النهر، والغطاء النباتي على الضفاف والسهول الفيضية، واستخدامات الأراضي، كلها عوامل مؤثرة بشكل كبير.

يُصنف التآكل في مواقع الجسور عادةً إلى نوعين: التآكل الناتج عن الانقباض (أو التضييق) والتآكل الموضعي. يحدث التآكل الناتج عن الانقباض على كامل المقطع العرضي نتيجةً لزيادة سرعة المياه وإجهادات القص على قاع النهر الناجمة عن تضييق القناة بسبب إنشاء جسر مثلاً. وبشكل عام، كلما صغرت نسبة الفتحة، زادت سرعة المياه في المجرى المائي، وازداد احتمال حدوث التآكل. إذا انقبض التدفق من سهل فيضي واسع، فقد يحدث تآكل كبير وانهيار للضفاف. قد تتطلب حالات التضييق الشديدة صيانة دورية لعقود لمكافحة التآكل. من الواضح أن إحدى طرق الحد من التآكل الناتج عن الانقباض هي توسيع الفتحة.

ينشأ التآكل الموضعي من زيادة السرعات والدوامات المصاحبة لها حيث تتسارع المياه حول زوايا الدعامات والأرصفة والسدود الفرعية.

تُجرى عملية الفحص عادةً بواسطة علماء الهيدرولوجيا وفنييها ، وتشمل مراجعة المعلومات الهندسية التاريخية المتعلقة بالجسر، يليها فحص بصري. تُسجل معلومات حول نوع الصخور أو الرواسب التي يحملها النهر، وزاوية تدفق النهر باتجاه الجسر وبعيدًا عنه. كما تُفحص المنطقة أسفل الجسر بحثًا عن ثقوب أو أي دليل آخر على التآكل.

يبدأ فحص الجسور بدراسة مكتبية. يجب تدوين تاريخ الجسر وأي مشاكل سابقة متعلقة بالتآكل. بمجرد تحديد الجسر كجسر مُعرّض للتآكل، يُحال إلى تقييم إضافي يشمل مراجعة ميدانية، وتحليل مدى تأثره بالتآكل، وتحديد أولوياته. كما تُصنّف الجسور في فئات مختلفة وتُعطى الأولوية لمخاطر التآكل. عند تقييم الجسر على أنه مُعرّض للتآكل بشكل حرج، يجب على مالكه إعداد خطة عمل للتآكل للتخفيف من أوجه القصور المعروفة والمحتملة. قد تشمل الخطة تركيب تدابير مضادة، والمراقبة، وعمليات التفتيش بعد الفيضانات، وإجراءات إغلاق الجسور عند الضرورة.

بدلاً من ذلك، يجري أيضاً استخدام تقنيات الاستشعار لتقييم التآكل. ويمكن تصنيف مستوى استشعار التآكل إلى ثلاثة مستويات: الفحص العام للجسور، وجمع بيانات محدودة، وجمع بيانات تفصيلية. ^{[ 5 ]} توجد ثلاثة أنواع مختلفة من أنظمة مراقبة التآكل: الثابتة، والمحمولة، والجيوفيزيائية. يُسهم كل نظام منها في الكشف عن أضرار التآكل بهدف تجنب انهيار الجسور، وبالتالي تعزيز السلامة العامة.

يحتوي الدليل الدوري للهندسة الهيدروليكية رقم 23 (HEC-23) على إرشادات تصميم عامة كتدابير لمكافحة التآكل، وهي قابلة للتطبيق على الدعامات والركائز. يشير الترقيم في الجدول التالي إلى قسم إرشادات التصميم في HEC-23: ^{[ 6 ]}

يمكن أن تساعد السدود المنحنية والنتوءات والضفاف الموجهة في توجيه التدفق باتجاه المنبع، بينما يمكن للصخور المتراصة والجابيونات والكتل الخرسانية المفصلية والفرش المملوءة بالخرسانة أن تعمل على تثبيت منحدرات الركائز والأعمدة ميكانيكيًا. ^{[ 6 ]} لا تزال الصخور المتراصة هي الإجراء المضاد الأكثر شيوعًا المستخدم لمنع التآكل عند أعمدة الجسور. يمكن لعدد من الإضافات المادية لأعمدة الجسور أن تساعد في منع التآكل، مثل تركيب الجابيونات والحصى باتجاه المنبع من الأساس. كما يمكن أن توفر إضافة الألواح الخشبية أو الكتل الخرسانية الجاهزة المتشابكة حماية إضافية. لا تُغير هذه الإجراءات المضادة من تدفق التآكل، وهي مؤقتة لأن من المعروف أن هذه المكونات تتحرك أو تُجرف في الفيضانات. ^{[ 7 ]} توصي إدارة الطرق السريعة الفيدرالية ( FHWA) بمعايير التصميم في HEC-18 و23، مثل تجنب أنماط التدفق غير المواتية، وتبسيط الدعامات، وتصميم أساسات الركائز المقاومة للتآكل دون الاعتماد على استخدام الصخور أو غيرها من التدابير المضادة.

يمكن للقنوات شبه المنحرفة الشكل التي تمر عبر الجسر أن تقلل بشكل ملحوظ من عمق التآكل الموضعي مقارنةً بالدعامات الجدارية الرأسية، إذ توفر انتقالًا أكثر سلاسة عبر فتحة الجسر. وهذا يُزيل الزوايا الحادة التي تُسبب مناطق مضطربة. أما السدود الجانبية ، والحواجز، والحواجز المائية ، والشرائح، فهي هياكل لتنظيم مجرى النهر تُغير من ديناميكيات التيار للحد من التآكل أو الترسبات غير المرغوب فيها. وعادةً ما تُستخدم هذه الهياكل في مجاري الأنهار غير المستقرة للمساعدة في إعادة توجيه تدفق المياه إلى مواقع أكثر ملاءمة عبر الجسر. كما يُستخدم إدخال الركائز أو الأساسات العميقة للمساعدة في تقوية الجسور.

نشرت إدارة الطرق السريعة الفيدرالية الأمريكية (FHWA) الدليل الدوري رقم 18 للهندسة الهيدروليكية (HEC-18)، والذي يتضمن عدة تقنيات لتقدير عمق التآكل. وتُعرض معادلات التآكل التجريبية لتآكل قاع النهر المتحرك، وتآكل المياه الصافية، والتآكل الموضعي عند الدعامات والركائز في الفصل الخامس - قسم التآكل العام. ويُحدد عمق التآكل الكلي بجمع ثلاثة مكونات للتآكل، تشمل التراكم والتآكل طويل الأمد لقاع النهر، والتآكل العام عند الجسر، والتآكل الموضعي عند الدعامات أو الركائز. ^{[ 8 ]} ومع ذلك، أظهرت الأبحاث أن المعادلات القياسية في HEC-18 تُبالغ في تقدير عمق التآكل في عدد من الظروف الهيدروليكية والجيولوجية. وتستند معظم علاقات HEC-18 إلى دراسات مخبرية أُجريت في قنوات مائية باستخدام رواسب بحجم الرمل ، مع زيادة عوامل الأمان التي يصعب تحديدها أو تعديلها. ^{[ ٩ ]} يُعدّ الرمل والحصى الناعم من أكثر مواد قاع الأنهار عرضةً للتآكل، إلا أن الجداول غالبًا ما تحتوي على مواد أكثر مقاومةً للتآكل، مثل الطمي المتماسك والطين الصلب والطفل . وتبرز عواقب استخدام أساليب التصميم القائمة على نوع واحد من التربة بشكلٍ خاص في العديد من المناطق الجغرافية الرئيسية ذات الظروف الجيولوجية ومواد الأساس المختلفة. وقد يؤدي ذلك إلى قيم تصميم متحفظة للغاية للتآكل في الظروف الهيدرولوجية منخفضة المخاطر أو غير الحرجة. ولذلك، يستمر العمل على تحسين المعادلات سعيًا لتقليل التقليل من تقدير التآكل أو المبالغة فيه. 

• حادث قطار كاستر كريك
• انهيار جسر جلانريد
• انهيار جسر هينتزي ريبيرو
• انهيار جسر شوهاري كريك

• قائمة حالات انهيار الجسور
• التدريع (علم المياه)
• قانون باير-بابينيه
• حاجز الأمواج (هيكل)
• صيانة الجسور
• ديناميكا الموائع
• نهر هوموتشيتو
• شارع كارمان الدوامي
• مايك 21 سي

• بورستين، روبرت أو. (1987). انهيارات جسر على الطريق السريع، مما أدى إلى احتجاز المركبات، المجلد 136، العدد 47، 101، صحيفة نيويورك تايمز، 6 أبريل 1987.
• هوبر، فرانك. (1991). "تحديث: تآكل الجسور". الهندسة المدنية، الجمعية الأمريكية للمهندسين المدنيين، المجلد 61، العدد 9، الصفحات  62-63، سبتمبر 1991.
• ليفي، ماثيس وسلفادوري، ماريو (1992). لماذا تنهار المباني. دبليو دبليو نورتون وشركاه، نيويورك، نيويورك.
• المجلس الوطني لسلامة النقل (NTSB). (1988). "انهيار جسر الطريق السريع نيويورك (I-90) فوق نهر شوهاري، بالقرب من أمستردام، نيويورك، 5 أبريل 1987". تقرير حادث الطريق السريع: NTSB/HAR-88/02، واشنطن العاصمة
• سبرينغر هولندا. المجلة الدولية للكسر، المجلد 51، العدد 1. سبتمبر 1991. "انهيار جسر شوهاري كريك: دراسة حالة في ميكانيكا كسر الخرسانة"
• بالمر، ر.، وتركية، ج. (1999). "قيصر: نظام خبير لتقييم التآكل واستقرار مجاري الأنهار". تقرير البرنامج الوطني التعاوني لأبحاث الطرق السريعة (NCHRP) رقم 426، واشنطن العاصمة
• شيبارد، روبن وفروست، ج. ديفيد (1995). الإخفاقات في الهندسة المدنية: دراسات حالة هيكلية، وأساسية، وجيولوجية بيئية. الجمعية الأمريكية للمهندسين المدنيين، نيويورك، نيويورك.
• ثورنتون، سي إتش، توماسيتي، آر إل، وجوزيف، إل إم (1988). "دروس من شوهاري كريك"، الهندسة المدنية ، المجلد 58، العدد 5، الصفحات  46-49، مايو 1988.
• ثورنتون-توماسيتي، بي سي (1987) "تقرير نظرة عامة حول التحقيق في انهيار جسر شوهاري كريك على طريق نيويورك السريع". أُعدّ لصالح: لجنة التأهب للكوارث في ولاية نيويورك، ديسمبر 1987.
• Wiss, Janney, Elstner Associates, Inc., and Mueser Rutledge Consulting Engineers (1987) "انهيار جسر الطريق السريع في شوهاري كريك"، التقرير النهائي، أعد لـ: هيئة الطرق السريعة لولاية نيويورك، نوفمبر 1987.
• ريتشاردسون، إي في، وديفيس، إس آر 1995. "تقييم التآكل عند الجسور، الطبعة الثالثة"، وزارة النقل الأمريكية، المنشور رقم FHWA-IP-90-017.
• سومر، بي إم، وفريدسو، جيه. (2002). "آليات التآكل في البيئة البحرية"، وورلد ساينتيفيك، سنغافورة.

• بروس دبليو. ميلفيل، ستيفن إي. كولمان، بريدج سكور
• دراسة تجريف الجسور
• مشروع هيئة المسح الجيولوجي الأمريكية الوطني لتآكل الجسور
• منشورات هيئة المسح الجيولوجي الأمريكية حول تآكل الجسور
• دراسة تجريف الجسور التي أجرتها هيئة المسح الجيولوجي الأمريكية
• قاعدة بيانات التآكل الوطني للجسور التابعة لهيئة المسح الجيولوجي الأمريكية
• الصيغ الرياضية لأنواع مختلفة من التآكل
• مكتبة أسكيليبراري - أرشيف عملية تجليخ الجسور، مؤرشف بتاريخ 27 مارس 2012 على موقع Wayback Machine