השפעות תזוזת תקע נורמלי על מנגנון הכשל של מנהרות הובלת מים בהתחשב באינטראקציה רב-שדה

מדוע מנהרות מים תת-קרקעיות עלולות להיכשל במהלך רעידות אדמה

ערים רבות ואזורים חקלאיים מסתמכים על מנהרות תת-קרקעיות ארוכות להובלת מים מההרים אל אזורי המגורים. מנהרות אלה, שממלאות תפקידי עורק חיים, חוצות לעתים קרובות שברים פעילים — סדקים בקרום כדורת הארץ שיכולים להיסטלף פתאום ברעידות אדמה. כאשר תקע נמצא מתחת למנהרה והתקוע זז, כל צד של הקרקע נדחף בכיוון שונה, מה שממתח ומעקל את המבנה. מחקר זה בוחן כיצד תזוזת תקע כזו פוגעת במנהרות מים גדולות ואילו החלטות עיצוב יכולות להפחית את הסיכון.

מה קורה כאשר תקע חוצה מנהרת מים

החוקרים מתמקדים בסוג שכיח של תקע הנקרא תקע נורמלי, שבו צד אחד של הסלע שוקע כלפי מטה ביחס לצד השני. ברעידות אדמה רבות בעבר, הנזקים החמורים ביותר למנהרות נמצאו במקום בו המנהרה חצתה את התקע, גם כאשר הסלע הסובב נראה מוצק. תועדו סדקים, שבירת בטון ואף קריסות במעברים אלה. עבור מערכות מי שתייה והשקיה, כישלונות כאלה עלולים לקטוע אספקה, לגרום לדליפות ולשחיקה, ולהיות קשים ויקרים מאוד לתיקון בעומק הקרקע.

ניסוי וירטואלי הכולל סלע, בטון ומים זורמים

כדי לחקור את הבעיה בנו המחברים מודל ממוחשב תלת־ממדי מפורט של מנהרת מים גדולה בלחץ העוברת דרך תקע נורמלי. המודל כולל את הסלע הסובב, אזור תקע מסוגר ושביר, מעטפת הבטון המזוין של המנהרה והמים הזורמים בתוכה. שני כלים תוכנתיים מתמחים קושרו זה לזה: אחד מחשב כיצד החומר המוצק — סלע ובטון — מתעקל ומסדק, והשני מדמה את זרימת המים הסוערת. פלטפורמת חיבור מאפשרת לשתי המערכות "לדבר" זו עם זו, להחליף מידע על תנועת המנהרה וכוחות המים המפעילים עליה. לפני הפעלת סדרות רבות של סימולציות, הצוות בדק את המודל מול ניסוי מעבדה מוקטן בסגנון "חוליה" של מנהרה החוצה תקע. המנהרה הנומרית התעקמה והיסדקה בערך באותו אופן כמו המודל הפיזי, במיוחד בכל הנוגע למיקומי הכיווץ והסדקים הגדולים ביותר, מה שנותן ביטחון שהסימולציה הלכידה תופסת את ההתנהגות המרכזית.

איפה וכיצד המנהרה ניזוקה

בכל התרחישים המדומים נצפה דפוס אחד ברור: תזוזת התקע יצרה נזק ממוקד מאוד. ציפוי הבטון באזור התקע ומקטע מוגבל — עשרות מטרים — משני עבריו סבלו מעיוותים קשים, בעוד שאר המנהרה הארוכה נשאר כמעט אלסטית, עם מעט שינוי קבוע. הנקודות הפגיעות ביותר היו הכתר (החלק העליון) והתחתית של המנהרה בקרבת התקע, שם כיפוף וגזירה משתלבים ומושכים את הבטון לקריסה במתח. המחברים השתמשו במדד נזק יחיד, הקרוי נזק כולל לציפוי במתח (OLDT), כדי לאחד את חומרת הסדיקה של הציפוי לאורך קטע המנהרה. ככל שהחלקה של התקע גדלה, מדד זה עלה במהירות באזור התקע, והתקרב למצב התואם לאובדן פונקציונליות כמעט מוחלט, בעוד שבאזורים אחרים נותר נמוך.

כיצד גאולוגיה ובחירות עיצוביות משפיעות על התוצאה

הצוות שינה אחר כך חמישה גורמים עיקריים: מידה בה החלקה של התקע, זווית התקע, רוחב אזור השבר, חוזק האזור החלש, וחוזק הבטון של ציפוי המנהרה. תזוזות תקע גדולות יותר העלו במידה ניכרת את מדד הנזק באזור התקע, מה שמאשר שהסטת קרקע קבועה היא מניע ראשי לכשל. זוויות תקע תלולות יותר ורוחבי אזור שבירה גדולים יותר בעיקר שינו עד כמה העיוותים התפשטו לאורך המנהרה, אך לא הגדילו באופן דרסטי את שיא הנזק. לעומת זאת, חיזוק אזור התקע (יותר קוהזיה) או שימוש בציפויים מבטון בעובי וחוזק גבוהים יותר קיצרו את האזור שנפגע קשה והורידו את מדד הנזק. באופן מעניין, המים בלחץ בתוך המנהרה הזיזו במעט את דפוסי המתח בציפוי אך לא שינו באופן יסודי את דרך כישלון המנהרה; המשתנה השולט נותר היחס בין קשיחות הסלע, אזור התקע והציפוי.

מה משמעות הדבר עבור עורקי מים בטוחים יותר

מהנדסים יקבלו מסר ברור: יש למקד מאמצי תכנון בחלק המוחצה את התקע של מנהרת המים יותר מאשר לאורך כל הקו. חיזוק או מלאות (גראוטינג) של אזור תקע חלש מאוד, ושימוש בחומרים לציפוי חזקים יותר או בפרטים מיוחדים במקום החיתוך עם התקע, יכולים להפחית במידה רבה את הסיכון לסדקים מקיפים ולקריסה, אפילו אם תתרחש החלקה גדולה של התקע. המחקר גם מראה כי מדד נזק כמותי יחיד, כמו OLDT, יכול לסייע להשוות אפשרויות עיצוב ולקבוע יעדי ביצוע. במהותו, למרות שתזוזת תקע נורמלית היא סיכון משמעותי, תכנון זהיר של טיפול בסלע ושל ציפוי המנהרה סביב התקע יכול לשמור על תפקודן של מנהרות הובלת המים הקריטיות כשיזדקקו להן ביותר.

ציטוט: 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

מילות מפתח: מנהרות הובלת מים, תקלות נורמליות, נזקי מנהרות ברעידות אדמה, אינטראקציית נוזל־מבנה, בטיחות תשתיות תת-קרקעיות