Влияние движения нормального разлома на механизм разрушения водоводных туннелей с учетом многофакторного взаимодействия

Почему подземные водоводные туннели могут выходить из строя во время землетрясений

Многие города и сельскохозяйственные районы зависят от длинных подземных туннелей, которые перемещают воду из гор в населённые пункты. Эти жизненно важные туннели часто пересекают активные разломы — трещины в земной коре, которые при землетрясениях могут внезапно сместиться. Когда разлом под туннелем двигается, грунт по разным сторонам смещается в разные направления, растягивая и изгибая конструкцию. В этом исследовании рассматривается, как такое движение разлома повреждает крупные водоводные туннели и какие проектные решения могут повысить их устойчивость.

Что происходит, когда разлом пересекает водоводный туннель

Авторы сосредоточились на распространённом типе разлома — нормальном разломе, при котором одна сторона массива опускается относительно другой. Во многих прошлых землетрясениях наибольшие повреждения туннелей наблюдали именно в местах пересечения разлома, даже если окружающие породы казались плотными. На таких участках фиксировали трещины, разрушение бетона и даже обрушения. Для систем питьевого и ирригационного водоснабжения такие отказы могут привести к перебоям в подаче, утечкам и размывам, а ремонт на большой глубине часто оказывается крайне трудоёмким и дорогостоящим.

Виртуальный эксперимент с породой, бетоном и текущей водой

Чтобы изучить проблему, авторы построили детальную трёхмерную компьютерную модель крупного напорного водоводного туннеля, проходящего через нормальный разлом. Модель включает окружающие породы, ослабленную разрушенную зону разлома, армированную бетонную оболочку туннеля и воду внутри. Были связаны два специализированных программных средства: одно рассчитывает деформации и трещинообразование в твёрдых породах и бетоне, другое моделирует турбулентный поток воды. Платформа связи позволяет этим двум средам «обмениваться» информацией о движениях тоннеля и давлениях воды. Перед проведением большого числа расчётов команда верифицировала модель на основе масштабного лабораторного «песочницевого» эксперимента по пересечению туннелем разлома. Численная модель выгибалась и трещиновала почти так же, как физическая модель, особенно в отношении концентрации деформаций и расположения крупных трещин, что придало уверенность в адекватности виртуальной установки для описания ключевого поведения.

Где и как туннель получает повреждения

Во всех смоделированных сценариях проявилась одна очевидная закономерность: повреждения были очень локализованы. Бетонная оболочка в пределах разломной зоны и ограниченный участок в обе стороны — порядка десятков метров — испытывали сильную деформацию, тогда как остальная часть длинного туннеля в основном оставалась упругой, с небольшими остаточными изменениями. Наиболее уязвимыми оказались корона (верх) и подошва (низ) туннеля вблизи разлома, где изгиб и сдвиг сочетаются, растягивая бетон на растяжение и вызывая разрыв. Авторы использовали единый индекс повреждений — Общий Индекс Повреждения Оболочки на Растяжении (OLDT) — для суммирования степени растрескивания оболочки на участке туннеля. По мере увеличения размыкания разлома этот индекс резко возрастал в зоне разлома, приближаясь к состоянию, соответствующему почти полной утрате работоспособности, тогда как в других местах оставался низким.

Как геология и проектные решения меняют результат

Далее команда варьировала пять основных факторов: величину смещения по разлому, угол наклона разлома, ширину разрушенной зоны, прочность этой ослабленной зоны и прочность бетонной оболочки туннеля. Большие смещения по разлому значительно повышали индекс повреждений в зоне разлома, подтвердив, что постоянное смещение грунта — главный фактор отказа. Круче наклон разлома и шире разрушенная зона в основном влияли на протяжённость деформаций вдоль туннеля, но не приводили к резкому росту максимальных повреждений. Напротив, повышение когезии разломной зоны (сделать её «жёстче») или использование более прочного бетонного покрытия сокращало зону тяжёлых повреждений и снижало значение индекса. Интересно, что напорная вода внутри туннеля немного смещала распределение напряжений в оболочке, но не изменяла фундаментально способа разрушения — основным контролем оставалась относительная жёсткость пород, разломной зоны и оболочки.

Что это значит для более безопасных водных коммуникаций

Для инженеров вывод таков: усилия проектирования стоит сосредоточить на участке туннеля, пересекающем разлом, а не на всей трассе. Укрепление или инъектирование очень слабой разломной зоны и применение более прочных материалов оболочки или специальных конструктивных решений в местах пересечения разлома могут значительно снизить риск сквозного растрескивания и обрушения, даже при больших смещениях. Исследование также показывает, что единый количественный индекс повреждений, такой как OLDT, может помочь в сравнении вариантов проекта и установлении целевых требований к работоспособности. По сути, хотя движение нормального разлома представляет серьёзную угрозу, тщательное проектирование обработки массива и оболочки туннеля вокруг разлома может сохранить работоспособность этих критически важных водоводных туннелей в моменты наибольшей необходимости.

Цитирование: 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

Ключевые слова: водоводные туннели, нормальные разломы, сейсмические повреждения туннелей, взаимодействие жидкости и конструкции, безопасность подземной инфраструктуры