שימוש בשיטה ללא רשת לחקירת השפעות הלחץ הסוגר על תהליכי השבר ההידראולי במנהרות הידראוליות

מדוע שבירת סלע על ידי מים חשובה

ככל שהערים מתרחבות ומדינות מזיזות יותר מים ואנרגיה מתחת לפני הקרקע, מהנדסים חופרים מנהרות ארוכות ועמוקות יותר בסלע קשה. בעומק, המנהרות הללו נתונות ללחצים עצומים מן הקרקע הסובבת וממים החודרים דרך סדקים. כאשר מים בלחץ כופים הפרדה של הסלע — תהליך הנקרא שבירה הידראולית — הדבר יכול לגרום לשטיפת מים פתאומית, זרימות בוץ או אפילו קריסה של המנהרה. מחקר זה משתמש בסוג חדש של מודלים ממוחשבים כדי לעקוב, בפירוט רב, כיצד סדקים מתחילים ומתפשטים סביב מנהרה מלאה מים בתנאי לחץ תת‑קרקעיים שונים, ומציע רמזים לעיצוב ותפעול בטוחים יותר של מנהרות.

דרך חדשה לצפייה בשבירת סלע

שיטות מחשוב מסורתיות לסימולציה של כישלון סלע מחלקות את המערכת לרשת קשיחה. זה עובד טוב עד שמופיעים סדקים והסלע מתחיל להיפרד, להסתובב ולהתפצל בצורה מורכבת. אז יש לעדכן את הרשת בתדירות גבוהה, מה שיכול להיות איטי ופגיע לכישלון. המחברים במקום זאת משתמשים בשיטה «ללא רשת» הידועה בשם Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH). בגישה זו מייצגים את הסלע והמים כשכבות של חלקיקים בדידים המתקשרים זה עם זה. מאחר שאין רשת קבועה, עיוותים גדולים, סדקים חדשים ורשתות שבר מתפצלות יכולים להיווצר באופן טבעי במהלך הריצה של הסימולציה.

הפיכת מנהרות ומים לחלקיקים

בדגם, בלוק סלע מרובע בגודל 50 מטר על 50 מטר מכיל מנהרה מרכזית בצורת פרסה ברוחב 9 מטר. הסלע מיוצג על ידי אלפי «חלקיקי בסיס», בעוד המים בתוך המנהרה ובסדקים מיוצגים כ«חלקיקי מים». כאשר לחץ המים המדומה בתוך המנהרה עולה עם הזמן, כוחות מועברים בין חלקיקי המים והסלע לפי כללים פשוטים: המים דוחפים החוצה, הסלע מתנגד, והמתחים מתרכזים באזורים מסוימים. כל חלקיק סלע נבדק כל העת — אם כוח המשיכה המקומי עולה על חוזק המתיחה של הסלע, אותו חלקיק מסומן כנכשול ואינו נושא עוד מתח, מדמה קטע קטן של סדק חדש. על‑ידי עדכון של מיליוני אינטראקציות כאלה בין חלקיקים, הדגם מסוגל לעקוב כיצד סדקים מתחילים, גדלים, מתפצלים ולבסוף חותכים את כל מסת הסלע.

כיצד הדחיסה התת‑קרקעית מנחה את הסדקים

מוקד מרכזי של המחקר הוא «לחץ סוגר», אפקט הדחיסה שהקרקע הסובבת מפעילה אופקית ואנכית על המנהרה. המחברים בוחנים מספר מקרים שבהם משתנה יחס המתח האופקי למתח האנכי. כאשר יחס זה נמוך — כלומר הדחיסה האנכית דומיננטית — סדקים הנגרמים על‑ידי עליית לחץ המים מתחילים בפינות התחתונות של המנהרה, שם המתח גבוה ביותר, ונוטים להתפשט בעיקר כלפי מעלה בקו ישר יחסית. רשת השברים הנוצרת נראית כעץ דליל עם צמתים אנכיים. כשהמתח האופקי נעשה חשוב יותר, סדקים משניים על פני המנהרה ובקצות הסדקים הראשיים מתחילים להתפשט לצדדים, מה שיוצר דפוס כולל מורכב ורחב יותר.

מעצים פשוטים אל פתיתי שלג של סדקים

כאשר המתח האופקי מתקרב לערך של המתח האנכי, רשתות הסדקים משנות אופי. ביחסים בינוניים הדפוס נעשה בצורת «M», עם סדקים אנכיים חזקים המחוברים לענפים צדדיים בולטים היוצאים בקשת כלפי חוץ. ביחסים גבוהים יותר רשת הסדקים דומה לפתית שלג: ענפים אנכיים ואופקיים מפותחים היטב, והשברים מתפשטים בצורה יותר שווה בכל הכיוונים סביב המנהרה. במקרים אלה המנהרה עצמה מעוותת באופן בולט יותר לפני הכשל המלא, וצמיחת הסדקים מאטה ככל שגדל לחץ הסגירה הכולל. עם זאת, בכל התרחישים תכונה אחת נותרת קבועה: הסדקים הראשונים כמעט תמיד מתחילים בפינות המנהרה בצורת הפרסה, שם העומסים מתרכזים מטבע הדברים.

מה משמעות הדבר עבור מנהרות אמיתיות

המחקר מראה ששיטת SPH ללא רשת יכולה לשחזר בנאמנות דפוסי סדקים מורכבים סביב מנהרות הידראוליות עמוקות ולחשוף כיצד תנאי מתח שונים מעצבים דפוסים אלה. עבור מהנדסים, המסר ברור: כאשר המתח האנכי דומיננטי, יש למקד תשומת לב בסדקים אנכיים גבוהים העשויים להתחבר במהירות לשכבות נשא־מים מרוחקות. כאשר המתח האופקי חזק, קריעה צידית ורשתות שבר בדמות פתיתי שלג נעשות סבירות יותר, ויש צורך בחיזוק נוסף סביב קירות המנהרה ופינותיה. על‑ידי קישור בין תנאי המתח התת‑קרקעיים לצורות סדק צפויות, עבודה זו מספקת כלי מעשי כדי לסייע בחיזוי ומניעה של כשלי מים מסוכנים בפרויקטים של מנהרות עמוקות.

ציטוט: Zhang, H., Shi, Y., Mu, J. et al. Using a meshless method to investigate the effects of confining pressure on the hydraulic fracturing processes of hydraulic tunnels. Sci Rep 16, 5702 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36426-0

מילות מפתח: מנהרות הידראוליות, שבירה הידראולית, סדקי סלע, מים תת‑קרקעיים, סימולציה נומרית