长江三峡库首区135 m水位蓄水以来发生了一系列微震群活动，引起国内外专家学者的广泛关注。三峡蓄水这一人类活动导致库首区的孕震环境发生变化，利用数值模拟对库首区的诱发地震过程进行仿真模拟能够从物理机制上解释水库诱发地震的过程。

20世纪80年代，梁青槐等^[1]对丹江口和三峡库区进行有限元模拟，鉴于当时计算机的性能有限，得出的模型比较简单。2005年，陈蜀俊等^[2]和吴建超等^[3-4]利用Marc软件平台，考虑三峡地区的地形和岩石渗水之后的弱化效应，建立了库区有限元模型。之后，刘素梅等^[5]和谢向东^[6]也利用仿真软件研究丹江口库首区的水库诱发地震情况，其模型不仅考虑了库水荷载的施压，还考虑了库水下渗过程的流固耦合效应，更符合实际的库水下渗过程。但前人的数值研究一般忽视了库首区的地形起伏，或没有考虑库水下渗过程的流固耦合效应。本文利用DEM地形图建立反映地形情况的三维模型，并计算该模型在145 m和175 m水位下库水渗透的流固耦合效应，考察岩层的应力变化和孔隙水压的变化情况。

1 建立模型 1.1 模型的建立

三峡水库为峡谷形水库，库首区地势陡峭，目前很多研究三峡库首区的数值模拟简化模型没有考虑地形的“峡谷效应”，这显然是不全面的。

本文选取的库首区研究范围见图 1，其中包含了库首区的长江、神农溪、高桥断裂和仙女山-九畹溪断裂。利用库首区1 :50 000数字地图，在Rhino软件中生成地形的起伏面，再将生成的地形面数据.stl格式文件直接导入到FLAC^3D软件中，生成的面元素见图 2。

在FLAC^3D软件中生成库首区的地形图之后，开始建立实体单元模型。模型厚度取自蓄水前水位至地壳深度12 km处，模型共分为6个地层，采用的是摩尔库仑本构模型。其中采用了六面体计算单元，单元的总个数为128 000。

利用FLAC^3D软件内置的分组功能，将该模型进行分组，建立了库首区3条主要断裂——高桥断裂、仙女山断裂和九畹溪断裂，并分组建立了两条主要河流——长江和神农溪(图 3)。

1.2 参数的设定

根据秭归地区地层岩性资料，按照表 1^[7]设置了各地层的岩石力学参数，在设置完每个地层和断层的相关参数之后，再约束侧面和底面单元垂直方向的位移(图 4)。

在长江和神农溪所在区域表面施加145 m和175 m水位的荷载和孔隙水压，上表面其他位置的孔隙水压设置为0(为透水边界)，侧面和底面为不透水边界。施加荷载模型见图 5。

最后打开软件的渗水计算模式，设置达到计算平衡时的条件，用model solve计算，至其达到平衡。

2 蓄水后应力场变化研究

目前，三峡库首区每年的蓄水水位在145~175 m之间变化，本文分别在两种水位工况下计算模型达到平衡后的情况。由于断层位于长江和神农溪附近，可成为库水下渗通道，岩层之中不仅存在很大的应力作用，还存在不容忽视的孔隙水压。图 6和7为计算达到平衡后断层和各地层之间的孔隙水压在两种水位工况下的模拟情况。

从图 6(a)可以看到，当水位为145 m时，在浅地表中由于地形起伏，处于低地势区域的孔隙水压大于高地势区域，这是由于在地势较低处江水的渗透作用更强，能产生更大的孔隙水压。对比图 6(a)和6(b)可以明显看出，相较于145 m水位，当水位上升至175 m时，整个区域的孔隙水压都增大了，特别是在地势较低处。

从图 7可以看出，在水位为175 m时，断层处的孔隙水压明显高于周围岩层，这是符合模型假定的。在设置模型参数时，由于断层相当于提供了库水下渗的通道，使得其渗透系数大于周围岩层，因此断层附近的孔隙水压更大，与模拟结果相符。另外，从图中还可以看到，当达到计算平衡时，库水并没能一直往下渗，随着深度的增加，其孔隙水压急剧减小，影响范围大约在1 000~2 000 m深度，再往下孔隙水压基本可忽略不计。

图 8为175 m库水水位下模型达到计算平衡条件之后三峡库首区的Mises等效应力云图。由图可见，区域最大的Mises等效应力为10⁸量级，且随着深度的增加，应力不断增大，最大应力位于模型底部，符合实际的物理模型，因为随着深度的增加，上层岩层的自重会全部加载在下一层岩石上。而断层所在位置的应力会略小于周围岩层应力，这是由于断层处的刚度较小，同等变形下刚度较小处的应力也会较小。

3 结语

本文建立了三峡库首区的计算模型，并基于该模型进行流固耦合数值模拟分析，根据计算过程，得出以下结论：

1) 对比蓄水位145 m和175 m两种工况，随着水位的升高，研究区整体的孔隙水压随之变大，且处于地势较低区域的孔隙水压大于高地势区域，受蓄水的影响更大。

2) 断层处的孔隙水压明显大于断层周围区域，因为断层的存在相当于提供了一条渗水通道。不过随着深度的增加，断层的影响范围最深处大概在1 000~1 500 m，孔隙水压不会一直增加。

3) 随着深度的增加，Mises等效应力也在不断增大，最大等效应力处位于最下层岩层，有10⁸量级，断层处的应力略小于周围岩层。