Gli effetti del movimento di faglia normale sul meccanismo di collasso delle gallerie di adduzione idrica considerando l’interazione multifisica

Perché le gallerie idriche sotterranee possono cedere durante i terremoti

Molte città e aree agricole dipendono da lunghe gallerie sotterranee per trasportare l’acqua dalle montagne dove è disponibile fino ai centri abitati. Queste gallerie, considerate linea di vita, spesso attraversano faglie attive — fratture della crosta terrestre che possono muoversi improvvisamente durante i terremoti. Quando una faglia sotto una galleria si sposta, il terreno sui due lati viene spinto in direzioni diverse, soggetto la struttura a trazione e flessione. Questo studio analizza come tali movimenti di faglia danneggiano grandi gallerie idriche e quali scelte progettuali possono renderle più sicure.

Cosa succede quando una faglia attraversa una galleria idrica

I ricercatori si concentrano su un tipo comune di faglia chiamata faglia normale, in cui un blocco roccioso si abbassa rispetto all’altro. In molti terremoti passati i danni più gravi alle gallerie si sono verificati proprio nel punto di attraversamento della faglia, anche quando la roccia circostante appariva solida. Sono stati riscontrati cretti, cemento armato fratturato e persino collassi in corrispondenza di questi punti. Per i sistemi di approvvigionamento idrico e irrigazione, tali guasti possono interrompere la fornitura, causare perdite ed erosione, e risultare molto difficili e costosi da riparare in profondità sotto terra.

Un esperimento virtuale che include roccia, calcestruzzo e acqua in movimento

Per indagare il problema, gli autori hanno costruito un modello numerico tridimensionale dettagliato di una grande galleria idrica pressurizzata che attraversa una faglia normale. Il modello comprende la roccia circostante, una zona di faglia fratturata più debole, l’involucro in calcestruzzo armato della galleria e l’acqua che scorre all’interno. Due strumenti software specializzati sono collegati: uno calcola come si deformano e fratturano i solidi (roccia e calcestruzzo), l’altro simula il flusso turbolento dell’acqua. Una piattaforma di accoppiamento consente a questi due domini di “dialogare”, scambiandosi come si muove la galleria e come l’acqua le esercita pressione. Prima di eseguire una vasta serie di simulazioni, il team ha confrontato il modello numerico con un test di laboratorio in scala tipo "sandbox" di una galleria che attraversa una faglia. La galleria numerica si è piegata e fessurata in modo molto simile al modello fisico, soprattutto per quanto riguarda dove la deformazione si è concentrata e dove si sono formate le fratture maggiori, fornendo fiducia che la simulazione cattura i comportamenti chiave.

Dove e come la galleria subisce danni

In tutti gli scenari simulati è emerso un disegno chiaro: il movimento di faglia genera danni molto localizzati. L’intonaco/linig in calcestruzzo nella zona di faglia e un tratto limitato — decine di metri — su entrambi i lati hanno subito intense deformazioni, mentre il resto della lunga galleria è rimasto quasi elastico, con poche alterazioni permanenti. I punti più vulnerabili sono la chiave (sommità) e l’imposta (fondo) della galleria vicino alla faglia, dove flessione e taglio si combinano per sollecitare il calcestruzzo a trazione fino alla rottura. Gli autori hanno usato un unico indice di danno, chiamato Danno Complessivo dell’Involucro a Trazione (OLDT), per riassumere quanto l’involucro sia fessurato su una sezione della galleria. Con l’aumentare dello scorrimento della faglia, questo indice cresce rapidamente nella zona di faglia, avvicinandosi a uno stato corrispondente a una perdita di funzione quasi completa, mentre rimane basso altrove.

Come la geologia e le scelte progettuali influenzano il risultato

Il team ha poi variato cinque fattori principali: l’entità dello scorrimento di faglia, l’angolo di faglia, la larghezza della zona fratturata, la resistenza di tale zona debole e la resistenza del calcestruzzo della galleria. Maggiori spostamenti della faglia hanno aumentato fortemente l’indice di danno nella zona di faglia, confermando che lo spostamento permanente del terreno è un fattore chiave nella rottura. Angoli di faglia più ripidi e zone fratturate più ampie hanno soprattutto modificato la distanza lungo la galleria su cui si propagano le deformazioni, senza però aumentare drasticamente il danno di picco. Al contrario, rendere la zona di faglia più coesiva (più resistente) o impiegare rivestimenti in calcestruzzo ad alta resistenza ha ridotto sia l’estensione della regione gravemente danneggiata sia il valore dell’indice di danno. È interessante notare che l’acqua pressurizzata all’interno della galleria ha leggermente modificato i campi di sollecitazione nell’involucro ma non ha cambiato in modo fondamentale il meccanismo di cedimento; il fattore determinante è rimasta la rigidezza relativa tra roccia, zona di faglia e rivestimento.

Cosa significa per la sicurezza delle linee idriche

Per gli ingegneri il messaggio è che lo sforzo progettuale dovrebbe concentrarsi sulla sezione di attraversamento della faglia piuttosto che sull’intero tracciato. Rinforzare o iniettare la zona di faglia molto debole e usare materiali di rivestimento più resistenti o dettagli costruttivi speciali dove la galleria interseca la faglia può ridurre notevolmente il rischio di fessurazione completa e collasso, anche in presenza di un forte scorrimento di faglia. Lo studio mostra inoltre che un singolo indice quantitativo di danno, come l’OLDT, può aiutare a confrontare le opzioni progettuali e a definire obiettivi di prestazione. In sostanza, sebbene il movimento di faglia normale rappresenti un pericolo serio, una progettazione accurata sia del trattamento della roccia sia del rivestimento della galleria intorno alla faglia può mantenere operative queste critiche condotte idriche quando servono di più.

Citazione: 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

Parole chiave: gallerie di adduzione idrica, faglie normali, danni sismici alle gallerie, interazione fluido‑struttura, sicurezza delle infrastrutture sotterranee