Utilizzo di un metodo senza maglia per studiare gli effetti della pressione di confinamento sui processi di fratturazione idraulica nelle gallerie idrauliche

Perché rompere la roccia con l’acqua è importante

Con la crescita delle città e lo spostamento di sempre più acqua ed energia sotto terra, gli ingegneri scavano gallerie più lunghe e più profonde attraverso rocce dure. Lontano dalla superficie, queste gallerie sono soggette a enormi pressioni provenienti dal terreno circostante e dall’acqua che preme nelle fessure. Quando l’acqua pressurizzata forza l’apertura della roccia—un processo chiamato fratturazione idraulica—si possono verificare improvvisi ingressi d’acqua, colate di fango o perfino il collasso della galleria. Questo studio utilizza un nuovo tipo di modellazione al computer per osservare, nei dettagli, come si avviano e si propagano le fratture attorno a una galleria riempita d’acqua sotto diverse condizioni di pressione sotterranea, offrendo indicazioni per una progettazione e un esercizio più sicuri delle gallerie.

Un nuovo modo di osservare la roccia che si spezza

I metodi tradizionali per simulare il cedimento della roccia dividono il terreno in una griglia rigida. Questo funziona finché non compaiono fessure e la roccia comincia a separarsi, torcersi e ramificarsi in modi complessi. A quel punto la griglia deve essere aggiornata continuamente, operazione lenta e soggetta a errori. Gli autori invece si affidano a un metodo “senza maglia” noto come Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH). In questo approccio la roccia e l’acqua sono rappresentate come nubi di particelle discrete che interagiscono tra loro. Poiché non esiste una griglia fissa, grandi deformazioni, nuove fessure e reti di frattura ramificate possono emergere naturalmente durante l’esecuzione della simulazione.

Trasformare gallerie e acqua in particelle

Nel modello, un blocco quadrato di roccia di 50 metri per 50 contiene una galleria centrale a ferro di cavallo di 9 metri di larghezza. La roccia è rappresentata da migliaia di “particelle di base”, mentre l’acqua all’interno della galleria e nelle eventuali fratture è rappresentata da “particelle d’acqua”. Man mano che la pressione dell’acqua simulata all’interno della galleria aumenta nel tempo, le forze vengono trasmesse tra particelle d’acqua e di roccia secondo regole semplici: l’acqua spinge verso l’esterno, la roccia si oppone e gli sforzi si concentrano in determinate regioni. Ogni particella di roccia è costantemente controllata—se la forza locale di trazione supera la resistenza a trazione della roccia, quella particella viene segnata come ceduta e non sopporta più sforzi, imitando un minuscolo frammento di nuova frattura. Aggiornando milioni di queste interazioni tra particelle, il modello può tracciare come le fessure si innescano, crescono, si ramificano e infine attraversano l’intero massiccio roccioso.

Come la compressione sotterranea indirizza le fratture

Un punto chiave dello studio è la «pressione di confinamento», l’effetto di schiacciamento che il terreno circostante esercita orizzontalmente e verticalmente sulla galleria. Gli autori esaminano diversi casi in cui varia il rapporto tra lo sforzo orizzontale e quello verticale. Quando questo rapporto è basso—cioè domina la compressione verticale—le fratture innescate dall’aumento della pressione dell’acqua partono dagli angoli inferiori della galleria, dove lo sforzo è massimo, e si dirigono per lo più verso l’alto in modo quasi rettilineo. La rete di fratture risultante appare come un motivo arboreo sparso di rami verticali. Man mano che lo sforzo orizzontale diventa più importante, fratture secondarie sulla superficie della galleria e alle punte delle fratture principali cominciano a espandersi lateralmente, rendendo il motivo complessivamente più complesso e più diffuso.

Da semplici alberi a fiocchi di neve di fessure

Quando lo sforzo orizzontale si avvicina a quello verticale, le reti di frattura cambiano carattere. A rapporti intermedi il motivo assume una forma «a M», con potenti fratture verticali affiancate da marcate ramificazioni laterali che arcuano verso l’esterno. A rapporti ancora più alti, la rete di fratture somiglia a un fiocco di neve: rami verticali e orizzontali sono entrambi ben sviluppati e le fratture si propagano in modo più uniforme in tutte le direzioni attorno alla galleria. In questi casi la galleria stessa si deforma in misura più evidente prima del cedimento completo, e la crescita delle fratture rallenta all’aumentare della pressione di confinamento complessiva. Tuttavia, in tutti gli scenari, una caratteristica rimane costante: le prime fessure quasi sempre iniziano negli angoli della galleria a ferro di cavallo, dove gli sforzi si concentrano naturalmente.

Cosa significa per le gallerie reali

Lo studio dimostra che un approccio SPH senza maglia può riprodurre fedelmente complesse geometrie di frattura attorno a gallerie idrauliche profonde e rivelare come differenti condizioni di sforzo modellano tali geometrie. Per gli ingegneri il messaggio è chiaro: dove domina lo sforzo verticale, è necessario concentrarsi su fratture verticali elevate che potrebbero collegare improvvisamente la galleria a strati acquiferi distanti. Dove lo sforzo orizzontale è elevato, sono più probabili fratture laterali e reti di frattura a «fiocco di neve», richiedendo rinforzi aggiuntivi attorno alle pareti e agli angoli della galleria. Collegando le condizioni di sforzo sotterranee a forme di frattura prevedibili, questo lavoro fornisce uno strumento pratico per aiutare a prevedere e prevenire pericolosi cedimenti legati all’acqua nei progetti di gallerie profonde.

Citazione: 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

Parole chiave: gallerie idrauliche, fratturazione idraulica, fessure nella roccia, acque sotterranee, simulazione numerica