Wykorzystanie metody bezsiatkowej do badania wpływu ciśnienia otaczającego na procesy szczelinowania hydraulicznego tuneli wodnych

Dlaczego łamanie skał wodą ma znaczenie

W miarę jak miasta rosną, a kraje przenoszą coraz więcej infrastruktury wodnej i energetycznej pod ziemię, inżynierowie drążą dłuższe i głębsze tunele przez twarde skały. Głęboko pod powierzchnią takie tunele są poddane ogromnym naprężeniom od otaczającego gruntu oraz od wody przeciskającej się przez pęknięcia. Gdy woda pod ciśnieniem rozdziela skałę — proces zwany szczelinowaniem hydraulicznym — może to wywołać nagłe napływy wody, wyrzuty mułu, a nawet zawalenie tunelu. W tym badaniu zastosowano nowy rodzaj modelowania komputerowego, aby szczegółowo obserwować, jak pęknięcia inicjują się i rozprzestrzeniają wokół wypełnionego wodą tunelu przy różnych warunkach ciśnienia podziemnego, dostarczając wskazówek dla bezpieczniejszego projektowania i eksploatacji tuneli.

Nowy sposób obserwacji łamania skał

Tradycyjne metody komputerowe do symulacji zniszczeń skalnych dzielą grunt na sztywną siatkę. To dobrze działa, dopóki nie pojawią się pęknięcia i skała nie zacznie się rozdzielać, skręcać i rozgałęziać w skomplikowany sposób. Wtedy siatka wymaga ciągłej aktualizacji, co jest wolne i podatne na błędy. Autorzy polegają zamiast tego na metodzie „bezsiatkowej” znanej jako Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH). W tym podejściu skała i woda są reprezentowane jako chmury dyskretnych cząstek, które oddziałują ze sobą. Ponieważ nie ma stałej siatki, duże odkształcenia, nowe pęknięcia i rozgałęzione sieci szczelin mogą pojawiać się naturalnie w trakcie symulacji.

Przekształcanie tuneli i wody w cząstki

W modelu kwadratowy blok skały o wymiarach 50 na 50 metrów zawiera centralny tunel w kształcie podkowy o szerokości 9 metrów. Skała jest reprezentowana przez tysiące „cząstek bazowych”, podczas gdy woda wewnątrz tunelu i w pęknięciach jest reprezentowana przez „cząstki wodne”. W miarę jak symulowane ciśnienie wody wewnątrz tunelu wzrasta w czasie, siły przekazywane są między cząstkami wody i skały według prostych reguł: woda wypycha na zewnątrz, skała się przeciwstawia, a naprężenia koncentrują się w określonych obszarach. Każda cząstka skalna jest ciągle sprawdzana — jeśli lokalna siła rozciągająca przekroczy wytrzymałość na rozciąganie skały, ta cząstka zostaje oznaczona jako uszkodzona i przestaje przenosić naprężenia, imitując maleńki fragment nowego pęknięcia. Poprzez aktualizowanie milionów takich interakcji cząstek model może śledzić, jak pęknięcia inicjują się, rosną, rozgałęziają i w końcu przecinają masyw skalny.

Jak podziemne ściskanie kieruje pęknięciami

Kluczowym zagadnieniem badania jest „ciśnienie otaczające”, czyli efekt ściskania, jaki otaczający grunt wywiera poziomo i pionowo na tunel. Autorzy analizują kilka przypadków, w których zmienia się stosunek naprężenia poziomego do pionowego. Gdy ten stosunek jest niski — co oznacza przewagę ściskania pionowego — pęknięcia wywołane wzrostem ciśnienia wody zaczynają się na dolnych narożnikach tunelu, gdzie naprężenia są najwyższe, i przebiegają głównie w górę. Powstała sieć szczelin przypomina rzadki, drzewiasty wzór pionowych odgałęzień. W miarę jak naprężenie poziome zyskuje na znaczeniu, wtórne pęknięcia na powierzchni tunelu i na końcach głównych szczelin zaczynają rozprzestrzeniać się bocznie, czyniąc ogólny wzór bardziej złożonym i szerzej rozłożonym.

Od prostych drzew do śnieżynkowych sieci pęknięć

Gdy naprężenie poziome zbliża się do pionowego, sieci pęknięć zmieniają charakter. Przy pośrednich stosunkach wzór przyjmuje formę przypominającą literę „M”, z silnymi pionowymi pęknięciami połączonymi wyraźnymi bocznymi odgałęzieniami, które łukowato rozchodzą się na zewnątrz. Przy jeszcze wyższych stosunkach sieć pęknięć przypomina śnieżynkę: zarówno pionowe, jak i poziome odgałęzienia są dobrze rozwinięte, a pęknięcia rozprzestrzeniają się bardziej równomiernie we wszystkich kierunkach wokół tunelu. W takich przypadkach sam tunel odkształca się bardziej zauważalnie przed całkowitym zniszczeniem, a tempo wzrostu pęknięć spowalnia wraz ze wzrostem ogólnego ciśnienia otaczającego. We wszystkich scenariuszach jedna cecha pozostaje jednak stała: pierwsze pęknięcia niemal zawsze zaczynają się w narożnikach tunelu w kształcie podkowy, gdzie naprężenia naturalnie się koncentrują.

Co to oznacza dla rzeczywistych tuneli

Badanie wykazuje, że bezsiatkowe podejście SPH potrafi wiarygodnie odtworzyć złożone wzory pęknięć wokół głębokich tuneli hydraulicznych i ujawnić, jak różne warunki naprężeń kształtują te wzory. Dla inżynierów przekaz jest prosty: tam, gdzie dominuje naprężenie pionowe, należy zwrócić uwagę na wysokie, pionowe pęknięcia, które mogą nagle połączyć tunel z odległymi poziomami wodonośnymi. Gdy naprężenie poziome jest silne, bardziej prawdopodobne staje się boczne pękanie i śnieżynkowe sieci szczelin, co wymaga dodatkowego wzmocnienia ścian i narożników tunelu. Łącząc warunki naprężeniowe pod ziemią z przewidywalnymi kształtami pęknięć, praca ta dostarcza praktycznego narzędzia pomagającego przewidywać i zapobiegać niebezpiecznym, związanym z wodą awariom w projektach głębokich tuneli.

Cytowanie: 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

Słowa kluczowe: tunele wodne, szczelinowanie hydrauliczne, pęknięcia w skale, woda podziemna, symulacja numeryczna