Les effets du mouvement d'une faille normale sur le mécanisme de rupture des tunnels d'adduction d'eau en tenant compte de l'interaction multifield

Pourquoi les tunnels d'eau souterrains peuvent céder lors des tremblements de terre

De nombreuses villes et régions agricoles dépendent de longs tunnels souterrains pour transporter l'eau des montagnes vers les zones habitées. Ces conduites vitales traversent souvent des failles actives — des fissures de la Terre qui peuvent se déplacer brusquement lors des séismes. Lorsqu'une faille sous un tunnel se déclenche, les terrains de part et d'autre sont déplacés dans des directions différentes, étirant et fléchissant la structure. Cette étude examine comment un tel mouvement de faille endommage les grands tunnels d'eau et quelles options de conception peuvent améliorer leur sécurité.

Que se passe-t-il lorsqu'une faille coupe un tunnel d'eau

Les chercheurs se concentrent sur un type courant de faille appelé faille normale, où un bloc rocheux descend par rapport à l'autre. Dans de nombreux séismes passés, les dommages les plus importants aux tunnels ont été observés précisément là où le tunnel croise la faille, même lorsque la roche environnante paraît intacte. Des fissures, du béton brisé et parfois des effondrements ont été constatés à ces traversées. Pour les réseaux d'eau potable et d'irrigation, de telles ruptures peuvent interrompre l'approvisionnement, provoquer des fuites et de l'érosion, et être très difficiles et coûteuses à réparer en profondeur.

Une expérience virtuelle incluant roche, béton et eau en écoulement

Pour explorer ce problème, les auteurs ont construit un modèle informatique tridimensionnel détaillé d'un grand tunnel d'eau sous pression traversant une faille normale. Le modèle inclut la roche environnante, une zone de faille fracturée plus faible, la coque en béton armé du tunnel et l'eau qui y circule. Deux logiciels spécialisés sont couplés : l'un calcule la déformation et la fissuration des milieux solides (roche et béton), l'autre simule l'écoulement turbulent de l'eau. Une plateforme d'accouplement permet à ces deux mondes de « communiquer », échangeant les déplacements du tunnel et les efforts hydrauliques qui s'exercent sur lui. Avant de lancer de nombreuses simulations, l'équipe a validé son modèle en le confrontant à un essai expérimental à petite échelle reproduit en laboratoire dans un « bac à sable » simulant un tunnel traversant une faille. Le tunnel numérique s'est déformé et fissuré de façon très comparable au modèle physique, notamment en ce qui concerne les zones de concentration des déformations et l'emplacement des fissures les plus importantes, ce qui donne confiance dans le caractère représentatif de la modélisation virtuelle.

Où et comment le tunnel est endommagé

Dans tous les scénarios simulés, un schéma clair est apparu : le mouvement de faille provoque des dommages très localisés. Le revêtement en béton dans la zone de faille et une section limitée—de l'ordre de dizaines de mètres—de part et d'autre ont subi de fortes déformations, tandis que le reste du long tunnel est resté presque élastique, avec peu de modifications permanentes. Les points les plus vulnérables étaient la voûte (le sommet) et la banquette (le bas) du tunnel près de la faille, où le flexion et le cisaillement se combinent pour mettre le béton en tension et le fissurer. Les auteurs ont utilisé un indicateur de dommage unique, appelé Endommagement Global du Revêtement en Tension (OLDT), pour résumer l'importance des fissures sur une section du revêtement. À mesure que le glissement de la faille augmentait, cet indice montait rapidement dans la zone de faille, approchant un état correspondant à une perte quasi complète de la fonction, tout en restant faible ailleurs.

Comment la géologie et les choix de conception modifient le résultat

L'équipe a ensuite fait varier cinq facteurs principaux : l'ampleur du glissement de faille, l'angle de la faille, la largeur de la zone fracturée, la résistance de cette zone affaiblie et la résistance du béton du revêtement. Des déplacements de faille plus importants ont fortement augmenté l'indice de dommage dans la zone de faille, confirmant que le déplacement permanent du terrain est un moteur principal de la rupture. Des angles de faille plus raides et des zones fracturées plus larges ont principalement influé sur l'étendue des déformations le long du tunnel, sans pour autant relever drastiquement le pic de dommage. En revanche, rendre la zone de faille plus cohésive (plus résistante) ou utiliser des bétons de plus haute résistance pour le revêtement a réduit à la fois l'étendue de la zone fortement endommagée et l'indice de dommage. Fait intéressant, l'eau sous pression à l'intérieur du tunnel a légèrement modifié les champs de contraintes dans le revêtement mais n'a pas fondamentalement changé le mode de rupture ; le facteur déterminant est resté la rigidité relative de la roche, de la zone de faille et du revêtement.

Ce que cela implique pour la sécurité des conduites vitales d'eau

Pour les ingénieurs, le message est que l'effort de conception doit se concentrer sur la section traversant la faille plutôt que sur l'ensemble de l'alignement du tunnel. Renforcer ou injecter une zone de faille très faible, et utiliser des matériaux de revêtement plus résistants ou des détails constructifs spécifiques à l'intersection de la faille, peut grandement réduire le risque de fissuration traversante et d'effondrement, même en cas de glissement de faille important. L'étude montre aussi qu'un indicateur quantitatif unique, tel que l'OLDT, peut aider à comparer des options de conception et à fixer des objectifs de performance. En substance, bien que le mouvement d'une faille normale soit un risque sérieux, une conception soignée du traitement du massif rocheux et du revêtement autour de la faille peut permettre à ces conduites d'adduction d'eau cruciales de rester opérationnelles lorsque leur service est le plus requis.

Citation: Xinwei, Z., Zhanxiang, C. & Weiheng, L. The effects of normal fault movement on the failure mechanism of water conveyance tunnels considering multi-field interaction. Sci Rep 16, 12447 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41070-9

Mots-clés: tunnels d'adduction d'eau, failles normales, dommages sismiques des tunnels, interaction fluide-structure, sûreté des infrastructures souterraines