الهندسة الجيوتقنية البحرية

فيما يلي بعض الخصائص التي تميز التربة في بيئة بحرية: ^{[ 8 ]}

• تتكون التربة من رواسب ، والتي يُفترض عمومًا أنها في حالة تشبع - حيث تملأ المياه المالحة الفراغات المسامية.
• تتكون الرواسب البحرية من مواد فتاتية بالإضافة إلى بقايا الكائنات البحرية، وتشكل الأخيرة التربة الكلسية.
• يختلف سمك الرواسب الكلي على نطاق إقليمي - فهو عادة ما يكون أعلى بالقرب من خط الساحل مقارنة بما هو عليه بعيدًا عنه، حيث يكون أيضًا أكثر دقة في الحبيبات.
• في بعض الأماكن، قد يكون قاع البحر خالياً من الرواسب، وذلك بسبب التيارات القاعية القوية.
• تكون حالة تماسك التربة إما متماسكة بشكل طبيعي (بسبب الترسيب البطيء للرواسب)، أو متماسكة بشكل مفرط (في بعض الأماكن، بقايا من العصر الجليدي) أو غير متماسكة (بسبب المدخلات العالية للرواسب).

تُحدث قوى الأمواج حركةً في جميع درجات الحرية الست للمنشآت العائمة، وهي معيار تصميم رئيسي للمنشآت البحرية. ^{[ 9 ] [ ملاحظة 1 ]} عندما تصل الحركة المدارية للموجة إلى قاع البحر، فإنها تُحدث نقلًا للرواسب. ويحدث هذا فقط حتى عمق مائي يبلغ حوالي 200 متر (660 قدمًا) ، وهو الحد الفاصل المُعتمد عادةً بين المياه الضحلة والمياه العميقة . والسبب هو أن الحركة المدارية لا تمتد إلا إلى عمق مائي يُعادل نصف طول الموجة، ويُعتبر أقصى طول موجي ممكن عمومًا 400 متر (1300 قدم) . ^{[ 7 ]} في المياه الضحلة، قد تُولّد الأمواج ضغطًا مساميًا في التربة، مما قد يؤدي إلى انزلاق التربة، وقد يتسبب الاصطدام المتكرر بالمنصة في حدوث تسييل وفقدان الدعم. ^{[ 7 ]}  

تُعدّ التيارات المائية مصدرًا للأحمال الأفقية على المنشآت البحرية. وبسبب تأثير برنولي ، قد تُؤثر هذه التيارات أيضًا بقوى صاعدة أو هابطة على أسطح المنشآت، وقد تُسبب اهتزاز خطوط الأسلاك والأنابيب. ^{[ 7 ]} كما تُسبب التيارات الدوامات حول المنشآت، مما يؤدي إلى تجريف التربة وتآكلها. ^{[ 7 ]} وتتنوع أنواع التيارات المائية، منها: التيارات المحيطية ، والتيارات الجيوستروفية ، والتيارات المدية ، والتيارات التي تُحركها الرياح، والتيارات الكثيفة . ^{[ 7 ]}

نوعان من المقاطع الزلزالية (أعلى: صوت نقرة؛ أسفل: صوت مدفع مائي) لصدع داخل قاع البحر في خليج المكسيك.

التوزيع العالمي لهيدرات الغاز، والتي تشكل خطراً محتملاً آخر على عمليات التطوير البحرية.

مثال على جهاز السونار الجانبي، وهو جهاز يستخدم لمسح قاع البحر.

صورة ثلاثية الأبعاد لنظام وادي مونتيري، مثال لما يمكن الحصول عليه من أجهزة قياس الأعماق متعددة الحزم.

ترتبط المخاطر الجيولوجية بالنشاط الجيولوجي والخصائص الجيوتقنية والظروف البيئية. وتُعرف المخاطر الجيولوجية الضحلة بأنها تلك التي تحدث على عمق أقل من 400 متر (1300 قدم) تحت قاع البحر. ^{[ 10 ]} تُجمع المعلومات المتعلقة بالمخاطر المحتملة المرتبطة بهذه الظواهر من خلال دراسات الجيومورفولوجيا والبيئة الجيولوجية والإطار التكتوني في المنطقة المعنية، بالإضافة إلى المسوحات الجيوفيزيائية والجيوتقنية لقاع البحر. ^{[ 5 ]} تشمل أمثلة التهديدات المحتملة موجات التسونامي ، والانهيارات الأرضية ، والصدوع النشطة ، وقباب الطين، وطبيعة طبقات التربة (وجود الكارست ، وهيدرات الغاز ، والكربونات). ^{[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]} في المناطق الباردة، تُشكل تضاريس الجليد المتآكلة تهديدًا للمنشآت تحت سطح البحر، مثل خطوط الأنابيب. ^{[ 13 ] [ 14 ] [ 5 ]} تعتمد المخاطر المرتبطة بنوع معين من المخاطر الجيولوجية على مدى تعرض المنشأة للحدث، وشدة هذا الحدث، وتكراره (في حالة الأحداث العرضية). يجب رصد أي تهديد، والتخفيف من آثاره أو إزالته. ^{[ 15 ] [ 16 ]} 

في هذه المرحلة، التي قد تستغرق عدة أشهر (بحسب حجم المشروع)، تُجمع المعلومات من مصادر متنوعة، تشمل التقارير والمراجع العلمية (المقالات المنشورة في المجلات العلمية، ومحاضر المؤتمرات) وقواعد البيانات، بهدف تقييم المخاطر، ودراسة خيارات التصميم، والتخطيط للمراحل اللاحقة. ومن بين المعلومات التي تُطلب خلال هذه المرحلة: قياس الأعماق ، والجيولوجيا الإقليمية، والمخاطر الجيولوجية المحتملة، وعوائق قاع البحر، وبيانات الأرصاد الجوية والمحيطية ^{[ 17 ] [ 18 ] .}

يمكن استخدام المسوحات الجيوفيزيائية لأغراض متنوعة. منها دراسة تضاريس قاع البحر في الموقع محل الاهتمام، وإنتاج صورة لقاع البحر (التضاريس غير المنتظمة، والأجسام الموجودة على قاع البحر، والتغيرات الجانبية، وآثار الجليد ، ...). ويمكن إجراء مسوحات الانكسار الزلزالي للحصول على معلومات حول طبقات قاع البحر الضحلة ، كما يمكن استخدامها لتحديد مواقع مواد مثل الرمل، ورواسب الرمل، والحصى لاستخدامها في بناء الجزر الاصطناعية . ^{[ 19 ]} تُجرى المسوحات الجيوفيزيائية من سفينة أبحاث مجهزة بأجهزة سونار ومعدات ذات صلة، مثل أجهزة قياس الأعماق أحادية الحزمة ومتعددة الحزم ، وأجهزة السونار الجانبية ، وأجهزة "السحب"، والمركبات التي يتم تشغيلها عن بُعد (ROVs) . ^{[ 20 ] [ 21 ]} أما بالنسبة لطبقات ما تحت القاع، فتشمل الأدوات المستخدمة أجهزة قياس الأعماق، وأجهزة التفجير، وأجهزة النبض، وأجهزة النبضات الصوتية. ^{[ 22 ]} عادةً ما تكون المسوحات الجيوفيزيائية مطلوبة قبل إجراء المسوحات الجيوتقنية. في المشاريع الأكبر حجماً، قد تتداخل هذه المراحل. ^{[ 22 ]}

تتضمن المسوحات الجيوتقنية مزيجًا من أخذ العينات والحفر والاختبارات الموقعية، بالإضافة إلى اختبارات التربة المخبرية التي تُجرى في عرض البحر، ومع أخذ العينات، تُجرى أيضًا على اليابسة. وتُستخدم هذه المسوحات للتحقق من صحة نتائج الدراسات الجيوفيزيائية، كما تُقدم وصفًا تفصيليًا لطبقات قاع البحر وخصائص هندسة التربة. ^{[ 23 ]} وبحسب عمق المياه والظروف الجوية والبحرية، يمكن إجراء المسوحات الجيوتقنية من سفينة حفر جيوتقنية مُخصصة ، أو منصة شبه غاطسة ، أو منصة حفر ذاتية الرفع ، أو مركبة هوائية كبيرة ، أو غيرها من الوسائل. ^{[ 24 ]} وتُجرى هذه المسوحات في سلسلة من المواقع المحددة، مع ثبات موقع السفينة. ويُستخدم في ذلك نظام تحديد المواقع الديناميكي ونظام التثبيت بأربع نقاط.

قد تشمل المسوحات الجيوتقنية ذات الاختراق الضحل أخذ عينات من تربة سطح قاع البحر أو إجراء اختبارات ميكانيكية في الموقع. وتُستخدم هذه المسوحات لتوفير معلومات حول الخصائص الفيزيائية والميكانيكية لقاع البحر. ^{[ 25 ]} وتمتد إلى الأمتار القليلة الأولى أسفل خط الطين. وقد تكون المسوحات التي تُجرى على هذه الأعماق، والتي يمكن إجراؤها في الوقت نفسه مع المسح الجيوفيزيائي الضحل، كافية إذا كان الهيكل المراد نشره في ذلك الموقع خفيفًا نسبيًا. كما تُعد هذه المسوحات مفيدة لتخطيط مسارات خطوط الأنابيب تحت سطح البحر.

تهدف المسوحات الجيوتقنية ذات الاختراق العميق إلى جمع معلومات عن طبقات قاع البحر حتى أعماق تصل إلى بضع مئات من الأمتار أسفل خط الطين. ^{[ 10 ] [ 26 ]} تُجرى هذه المسوحات عند التخطيط لإنشاء هياكل كبيرة في هذه المواقع. تتطلب حفر الآبار العميقة بضعة أيام، يجب خلالها أن تبقى وحدة الحفر في نفس الموضع تمامًا (انظر تحديد المواقع الديناميكي ).

أخذ العينات والحفر

جهاز أخذ عينات التربة الذي يعمل بالجاذبية، ويستخدم لأخذ عينات من قاع البحر.

جهاز أخذ عينات التربة الذي يعمل بالجاذبية، ويستخدم لأخذ عينات من قاع البحر.

يمكن أخذ عينات من سطح قاع البحر باستخدام جهاز أخذ العينات اليدوي وجهاز أخذ العينات الصندوقي . ^{[ 27 ]} يوفر الأخير عينات غير مضطربة، يمكن إجراء اختبارات عليها، على سبيل المثال، لتحديد الكثافة النسبية للتربة ومحتواها المائي وخصائصها الميكانيكية . كما يمكن أخذ العينات باستخدام جهاز أخذ العينات الأنبوبي، إما الذي يعمل بالجاذبية، أو الذي يُدفع إلى قاع البحر بواسطة مكبس أو عن طريق نظام اهتزازي (جهاز يُسمى جهاز أخذ العينات الاهتزازي). ^{[ 28 ]}

يُعدّ الحفر وسيلة أخرى لأخذ عينات من قاع البحر، حيث يُستخدم لتسجيل طبقات قاع البحر أو التكوينات الصخرية أسفله. وتتشابه آلية أخذ عينات أساسات المنشآت البحرية مع تلك المستخدمة في صناعة النفط للوصول إلى مكامن الهيدروكربونات وتحديدها، مع بعض الاختلافات في أنواع الاختبارات. ^{[ 29 ]} يتكون أنبوب الحفر من سلسلة من قطع الأنابيب بقطر 13 سم (5 بوصات) مثبتة ببعضها بواسطة براغي، مع وجود رأس حفر في الأسفل. ^{[ 28 ]} عندما يخترق رأس الحفر التربة، تتكون نشارة التربة. ويقوم طين الحفر اللزج المتدفق أسفل أنبوب الحفر بجمع هذه النشارة ونقلها إلى خارج الأنبوب. وكما هو الحال في المسوحات الجيوتقنية البرية ، يمكن استخدام أدوات مختلفة لأخذ عينات التربة من حفرة الحفر، ولا سيما أنابيب شيلبي، وأجهزة أخذ العينات المكبسية، وأجهزة أخذ العينات ذات الملعقة المنقسمة. 

اختبار التربة في الموقع

رسم تخطيطي يوضح مبدأ عمل جهاز اختراق المخروط للحصول على ملف تعريف قوة التربة.

رسم تخطيطي يوضح مبدأ عمل جهاز القص لقياس قوة التربة القصوى وقوتها المتبقية.

يمكن الحصول على معلومات حول القوة الميكانيكية للتربة في الموقع نفسه (من قاع البحر مباشرةً، وليس في المختبر من عينة تربة). وتكمن ميزة هذا النهج في الحصول على البيانات من تربة لم تتعرض لأي اضطراب نتيجة نقلها. ومن أكثر الأدوات شيوعًا لهذا الغرض جهاز اختراق المخروط (CPT) وجهاز قياس القص الدوراني . ^{[ 30 ] [ 31 ]}

جهاز اختبار الاختراق المخروطي (CPT) عبارة عن أداة على شكل قضيب، طرفها مخروطي الشكل بزاوية رأس معروفة ( مثلاً 60 درجة). ^{[ 32 ]} عند غرسه في التربة، تُقاس مقاومة الاختراق، مما يُعطي مؤشرًا على قوة التربة. ^{[ 33 ]} يسمح غلاف خلف المخروط بتحديد مقاومة الاحتكاك بشكل مستقل. بعض المخاريط قادرة أيضًا على قياس ضغط ماء المسام . يُستخدم اختبار القص الدوراني لتحديد مقاومة القص غير المُصرّفة للتربة اللينة إلى متوسطة التماسك . ^{[ 34 ] [ 35 ]} يتكون هذا الجهاز عادةً من أربع صفائح ملحومة بزاوية 90 درجة عن بعضها البعض في نهاية قضيب. يُغرس القضيب في التربة ويُطبق عليه عزم دوران لتحقيق معدل دوران ثابت. تُقاس مقاومة عزم الدوران، ثم تُستخدم معادلة لتحديد مقاومة القص غير المُصرّفة (والمقاومة المتبقية)، مع مراعاة حجم وشكل الريشة. ^{[ 35 ]}

تُعدّ خطوط الأنابيب البحرية نوعًا شائعًا آخر من المنشآت الاصطناعية في البيئة البحرية. ^{[ 41 ]} تستقر هذه المنشآت إما على قاع البحر، أو تُوضع داخل خندق لحمايتها من سفن الصيد ، أو جرّ المراسي، أو الإجهاد الناتج عن التذبذبات الناجمة عن التيارات المائية. ^{[ 42 ]} كما يُستخدم حفر الخنادق لحماية خطوط الأنابيب من التآكل بفعل عوائق الجليد . ^{[ 13 ] [ 14 ]} في كلتا الحالتين، يتضمن تخطيط خط الأنابيب اعتبارات جيوتقنية. تتطلب خطوط الأنابيب المستقرة على قاع البحر بيانات جيوتقنية على طول مسار خط الأنابيب المقترح لتقييم مشكلات الاستقرار المحتملة، مثل الانهيار السلبي للتربة أسفلها (هبوط خط الأنابيب) بسبب عدم كفاية قدرة التحمل ، أو الانهيار الانزلاقي (انزياح خط الأنابيب جانبيًا) بسبب انخفاض مقاومة الانزلاق. ^{[ 43 ] [ 44 ]} عند الحاجة، يجب أن تأخذ عملية حفر الخنادق في الاعتبار خصائص التربة وكيفية تأثيرها على مدة الحفر. ^{[ 45 ]} يجب تقييم احتمالية الانبعاج الناجمة عن الاستجابة المحورية والعرضية لخط الأنابيب المدفون خلال فترة تشغيله في مرحلة التخطيط، وسيعتمد ذلك على مقاومة التربة المحيطة. ^{[ 44 ]}

تُعدّ المراسي المدفونة في المنصات البحرية مراسي تستمد قوتها من مقاومة الاحتكاك و/أو تحمل التربة المحيطة بها، على عكس المراسي القائمة على الجاذبية التي تستمد قوتها من وزنها. ومع امتداد مشاريع التطوير البحري إلى المياه العميقة، تصبح المنشآت القائمة على الجاذبية أقل جدوى اقتصادية نظرًا لحجمها الكبير وتكاليف نقلها الباهظة، مما يُتيح فرصةً سانحةً لاستخدام المراسي المدفونة.