台风暴雨型滑坡滞后效应分析——以浙江青田县 “利奇马”台风为例

栗倩倩，王伟，黄亮，柴波，高乐

（1. 中国地质大学（武汉）环境学院，湖北 武汉 430074；2. 中南勘察基础工程有限公司，湖北武汉 430081；3. 中化地质矿山总局浙江地质勘查院，浙江 杭州 310002）

0 引言

台风，一种热带气旋，是仅次于地震的高危高频自然灾害[1−3]。强台风携带着巨大能量，登陆时常引发一系列气象-水文-地质灾害事件，造成严重社会经济损失和人员伤亡[4]。我国位于太平洋西岸，大陆海岸线总长1.84 万Km，据中国台风网资料统计分析，在1949—2019年，我国平均每年有9 次台风登陆[5]，浙江、福建、上海、江苏等省份既是沿海经济带、海上丝绸之路关键带，也是台风登陆影响的主要地带。

台风衍生灾害台风型滑坡是造成建筑损害和人员伤亡的主要原因，1996 年7 月，台风“Herb”在台湾触发滑坡1 315 处，致使600 余人伤亡，经济损失超10 亿美元[6]；2005 年8 月，台风“苏迪罗”诱发滑坡造成浙江省直接经济损失2 838.1 万元，威胁人口4 616人[7]；2009年，台风“莫拉克”浙江泰顺县诱发了18 000m3滑坡，冲毁下方7 间民房，伤亡6人[8]。台风暴雨是诱发台风型滑坡的关键因素[9]，其具有历时短、路径性强、雨量集中的特点[10]，与普通降雨具有显著区别。以往研究认为降雨特征的不同是造成普通降雨型滑坡和台风型滑坡两者差异的主要原因。

近年来，相关专家学者就台风暴雨与滑坡灾害发生之间展开了深入的研究调查，包括台风暴雨诱发滑坡灾害成因机制[11]、台风型滑坡临界降雨量[12]、台风暴雨条件下滑坡稳定性影响因素[13]、台风型滑坡预警模型[14]等方面。沈佳等[15]将室内相似物理实验模型和数值模拟分析结合，把台风暴雨型滑坡演化过程总结概括为3 个阶段；唐新华[12]通过对福建省历史台风特征统计调查，分析了台风型滑坡发生的外在因素规律性；张泰丽等[16]通过室内滑坡物理力学模型，归纳总结了台风暴雨条件下滑坡的变形破坏特征，发现台风暴雨渗流特征与滑坡的失稳密切相关；Lo等[17]利用三维离散元程序PFC3D，重现了小林村台风型滑坡的运动破坏过程；Yu等[18]根据台风“百合”在台北市引起的427 处滑坡事件，提出了一种基于降雨-地貌-地质特征的台风型滑坡分区方法；刘艳辉等[19]提出了基于“命中率、漏报率和空报率”三指标的台风型滑坡预警校验法，验证精度较高。研究成果涉及领域较广，但却缺乏对台风型滑坡发生时间的系统性深入讨论研究。

2019 年8 月10 日1 时，0919 号台风“利奇马”在浙江温岭登陆，导致多省市1 400 万人口受灾，直接经济损失约653 亿元[20]。基于统计发现，在此次台风暴雨影响作用下，所诱发的滑坡发生存在一定时间滞后，为此文章通过构建不同结构组合的斜坡模型，模拟台风登陆过程中不同降雨工况条件，得出斜坡的稳定性系数变化情况，研究该区域台风型滑坡的滞后效应，讨论分析相关成因机理，对台风型滑坡开展早期识别及预警预报有一定的参考意义。

1 研究区域概况

1.1 区域背景

青田县位于浙江省东南部，属中亚热带季风气候带，年平均气温18.5 °C，多年平均降雨量为1 956 mm。河流多属山区性河流，河床坡降大，水位涨落迅速，冲刷力强，每遇暴雨，水位陡涨陡落，在强降雨时易形成洪水，属台风严重影响区。

总体地势西高东低，以切割强烈的流水侵蚀地貌为主；地层发育简单，主要出露侏罗系、白垩系、第四系地层和燕山早晚两期侵入岩；构造形迹以断裂为主，褶皱不发育，对地形地貌格局起着重要的控制作用；地下水以大气降水垂向入渗补给为主，以及线状地表间歇性溪流、沟谷流水的补给。

1.2 地质灾害现状

受山高坡陡、残积物多、地形地貌条件复杂、地质构造发育、环境条件脆弱等多方不良因素影响，青田县地质灾害易发区面积达98.85%，近年来地质灾害发生数量持续增长，且具有点多面广、突发性强、危害性大的特点。

滑坡是青田县最主要的地质灾害，统计2009—2019 年青田县滑坡发生数量和降雨数据，发现滑坡的发生与降雨季节性、台风汛期具有一致性（图1）。1996 年8 月第8 号台风期间共发生滑坡灾害17处[21]；2015 年8 月8 日，1513 号台风“苏迪罗”期间引发多地泥石流和山体塌方；2015 年9 月23 日，1521 号台风“杜鹃”特大暴雨诱发滑坡灾害10 余处。

图1 2009—2019 年月均降雨量与滑坡发生数量Fig.1 The average monthly rainfall and the number of landslides during the year 2009 to 2019

2 台风概况

2.1 0919 号台风“利奇马”

如图2 所示，2019 年8 月4 日17 时台风“利奇马”在太平洋洋面上生成[22]，10 日1 时在我国浙江省温岭城南镇沿海登陆，最大风力达16 级；11 日20 时在山东省青岛黄岛区再次登陆，强度逐渐减弱；15 日已完全消散。

图2 台风“利奇马”路径Fig.2 Path of typhoon “Lekima”

2.2 降雨特征

台风“利奇马”具有陆上滞留时间长、影响范围广、持续降雨时间长、降雨过程强度大、灾害损失严重等特点[20]。据台风灾害风险评估模型统计显示，其风雨综合强度指数为1961 年以来最高[23]。受其影响，浙江省内多地破历史台风过程雨量历史纪录，降雨强度超百年一遇，是一次典型的台风大暴雨过程（图3），主体降雨时间为登陆1 d内[24]。台风“利奇马”诱发了多处洪涝和山体滑坡灾害，据不完全统计[20]，台风“利奇马”共造成1 400 万人口受灾，70 人死亡失踪，直接经济损失515亿元。

图3 台风“利奇马”雨量分布Fig.3 Rainfall distribution of typhoon “Lekima”

2.3 台风诱发滑坡特征

台风“利奇马”登陆前期青田县一直处于连续降雨阶段，随着台风登陆时伴随的暴雨，共引发了县内15 处滑坡灾害，滑坡分布如图4 所示。所引发滑坡点及所在自然斜坡面多为低山丘陵，少量侵蚀堆积，地形坡度较陡；主要出露第四系残坡积层（含碎石粉质粘土）及白垩系下西山头组（K1x）凝灰岩；无显著地表水系分布；滑坡体积均在250 m3及其以下，属小规模滑坡，影响程度、范围小；斜坡坡度集中于30°～40°，以人工切坡为主。

图4 浙江青田县台风“利奇马”诱发滑坡分布图Fig.4 Distribution map of typhoon “Lekima” induced landslides in Qingtian County,Zhejiang Province

在台风“利奇马”离陆后仍有4 处坡体发生滑动，占本次台风降雨型滑坡发生总数的26.4%（表1）。可认为青田县内滑坡灾害在台风暴雨条件下存在一定程度的滞后效应。进一步对登陆期间滑坡斜坡结构和规模的统计（表2），在台风登陆前所发生滑坡的体积在2～250 m3，坡度40°～70°；而离陆后方量集中分布于30～100 m3，坡度在30°～45°，规模均属小型，坡度和第四系残坡积物层厚存在显著差异。

表1 台风“利奇马”登陆期间降雨量和滑坡数量Table 1 Distribution of rainfall and landslides during the landing processes of typhoon “Lekima”

3 台风型滑坡滞后效应模拟分析

根据青田县内由于台风“利奇马”降雨诱发滑坡灾害的野外调查情况，结合历史降雨和滑坡资料，设计台风登陆的完整降雨过程，模拟分析其中不同降雨工况下的斜坡稳定性状态。针对青田县台风型滑坡的滞后效应展开研究，讨论该区域内台风型滑坡滞后效应的成因机理。

3.1 模型设计

通过对历史滑坡灾害资料统计显示，青田县滑坡发育的内在条件主要有地形地貌、地层岩性、岩土结构、坡体地下水位、植被覆盖度；外部诱发因素为人类工程活动及降雨。综合比对分析，选取坡度、地层岩性-表层第四系残坡积物厚度、地下水位高度作为主要影响参数。

据表2 统计，台风离陆后发生的滑坡坡度主要在30°～45°，以5°等间距划分；滑体表层的第四系残坡积物厚度范围1.0～3.5 m，按1 m、2 m、3 m 划分；由于滑体岩土层、地表水系差异引起的地下水位高度不同，将起始地下水位按照坡体高度的1/3、1/2、2/3 划分（表3）。结合青田县台风“利奇马”的登陆、降雨特征，通过影响因素的正交设计分组（表4），组合建立16 组不同斜坡结构模型，模拟一次为期10 d 的台风登陆过程（图5）。雨量值基于台风“利奇马”期间的青田县实时降雨数据，同时为减少模拟过程中出现误差，优化完善了10 d台风登陆中的雨量值，其主体呈单峰型，前期无降雨，第1 天时开始20 mm/h 低强度降雨48 h，100 mm/h 峰值降雨1 h，随后雨量快速减弱，在第7 天时降雨停止至第10 天。选取前期无降雨工况1 作为样本组，登陆前期开始低强度降雨1 h 和持续48 h、登陆时的暴雨1 h、离陆暴雨后48 h 四种降雨工况作为工况2−5 对比组，模拟得出五种不同降雨工况下斜坡的稳定性系数（Fs）。

图5 台风模拟降雨过程Fig.5 The simulated typhoon rainfall process

表2 台风“利奇马”登陆期间滑坡地貌和结构Table 2 Landslide landform and structure during the landing of typhoon “Lekima”

表3 影响因素划分Table 3 Influencing factors and their divisions

表4 影响因素正交设计表Table 4 Table of orthogonal design for different influencing factors

3.2 模型建立

滑坡岩体结构与基本参数选取参考了润嘉小区项目的基坑边坡岩体（表5），利用Van Genuchten 经验模型输入基本水土特征参数（饱和渗透系数KS、饱和含水量w），估算第四系残坡积物的土水特征曲线，土水特征曲线及渗透函数见图6。

图6 Van Genuchten 经验模型估算第四系残坡积物土水特征曲线Fig.6 Estimation of soil-water characteristic of the Quaternary residual deposit by Van Genuchten Empirical Model

表5 润嘉小区项目基坑边坡岩体参数Table 5 Physical and mechanical parameters of the Rock mass of a foundation pit slope in Runjia community project

利用Geo-Studio 软件中的SLOPE/W 和SEEP/W 模块，将模型左侧、底部和滑面边界设置为零流量边界条件，坡面则是设定以不同降雨强度为准的流量边界条件，并在坡脚处设置了地下水溢出面（图7）。

图7 斜坡概化模型A1-B2-C2Fig.7 The generalized model for slope A1-B2-C2

3.3 稳定性分析

图8 为在五种降雨工况下16 组不同斜坡Fs的 变化曲线。工况1 时斜坡均保持稳定；随着登陆前期的低强度降雨影响，稳定性系数逐步下降，斜坡处于基本稳定-欠稳定状态；在台风暴雨作用下，斜坡稳定性系数急剧降低至1.0 以下。在工况1 下，第16 组斜坡最为稳定，工况2—3 下的Fs均大于工况4—5，降雨是诱发该区域滑坡发生的主要因素，且其中台风暴雨的效果尤为显著。

图8 正交实验各组Fs 变化Fig.8 Variation of Fs of each group in orthogonal experiment

在图9 台风降雨过程斜坡稳定性变化中，部分结构斜坡稳定性系数在台风离陆后达最低值，甚有第14 组结构（A4-B1-C3）斜坡相较于台风登陆当天降低14%。相较于工况1 下的16 组斜坡稳定性系数（Fs），在工况2—5 下，分别下降了2.03%、5.94%，13.45%，13.82%，斜坡在台风离陆暴雨停止后的稳定性系数达到最低，部分斜坡处于不稳定状态。综上可认为所构建的斜坡模型存在滞后效应，其滞后程度与降雨强度、降雨时间有关，滞后程度随着降雨强度、降雨时间的增大而增大，其中受台风登陆过程中的持续降雨-单峰型暴雨影响显著。

图9 台风降雨过程斜坡Fs 变化Fig.9 Variation of slope stability during typhoon rainfall

3.4 参数敏感性

根据不同斜坡结构Fs的 变化，对其进行极差、方差分析，探究滑坡结构模型在不同工况下各影响因素显著值（sig 值）的差异。当sig 值<0.05，说明该工况下的影响因素对于斜坡的稳定性具有显著影响。经计算比对发现（表6），五种不同工况下坡度的sig 值均小于0.01，其对于滑坡稳定性具有显著影响，不同坡度对于降雨的入渗和地表径流存在导向作用，从而影响滑坡的稳定性；其次是第四系残坡积物层厚对于斜坡稳定性的影响作用，主要是由于青田县内发生滑坡物源以表层的第四系残坡积物为主，少数夹带下层部分强-中风化凝灰岩；起始地下水位高度在五种工况中均无明显影响。综合认为，在台风降雨过程中，各影响参数敏感性强弱为坡度>第四系残坡积物层厚>起始地下水位。

表6 各影响因素sig值Table 6 Sig values of all influencing factors

同时结合3.3 节中的斜坡稳定系数参考分析，坡度、地下水位高度、第四系残坡积物层厚参数影响着斜坡的稳定性和滞后效应程度。其中坡度影响最显著，当坡度<35°时，斜坡均处于基本稳定状态，不同降雨时间内的Fs差值较小，滑坡滞后效应不明显；当坡度>40°时，工况4—5 下滑坡均处于不稳定状态，不同降雨时间内的稳定系数差值增大，滑坡滞后效应表现显著；当坡度相同时，第四系残坡积物层厚主要决定了滑坡的稳定性和滞后效应程度，厚度越大，稳定性越低，滞后效应程度越明显。

3.5 滞后原因讨论

降雨是导致滑坡发生的关键因素[25−26]，而降雨诱发滑坡形成的实质是水—岩相互作用[27]。一般来说，降雨的入渗降低了土体的有效应力，同时降低了滑体强度参数，导致抗剪强度降低；另一方面，降雨导致的地下水渗流增加了坡体的下滑力，在二者的共同作用下，诱发了滑坡的形成和发展[28]。

对于青田县内的台风型滑坡，不同登陆期的降雨特征形成了不同的斜坡体入渗特征（图10），根据对概化模型的模拟分析和台风降雨特征，设降雨后主要存在坡体下渗i和地表径流d两种形式。在登陆前期的持续性低强度降雨，使得斜坡表层松散堆积体逐渐达到的平衡饱和状态[22]，此时以坡体下渗i为主；登陆时的单峰型强降雨，其中一部分雨水下渗破坏了表层松散堆积体饱和的临界状态[23]，另一部分沿坡面发生径流，且由于坡脚溢流面排水作用和岩土分界面渗透能力的差异性，同时县内多数斜坡受人工切坡开挖，大量地表水和地下水易在坡脚处大面积汇聚[29]，坡体下渗i和地表径流d共同作用；随着台风离陆后时间的推移，坡体内形成强大的动水压应力空间，未排泄雨水持续侵蚀斜坡前缘、坡脚，斜坡自重加大，影响斜坡体内渗流结构，不稳定结构面土体改变，最终失稳发生滑动（图11）。

图10 台风降雨特征Fig.10 Typhoon rainfall characteristics

图11 台风型滑坡机理示意图Fig.11 Schematic diagram of typhoon-induced landslide mechanism

综合考虑，由于台风暴雨作用边坡时入渗、侵蚀程度的差异性，滑坡发生失稳的时间也有所不同，可认为是滑坡滞后效应的客观表现，滞后效应是发生结果对致灾因子的响应，也是滑坡对于降雨影响的发生时间差。

4 结论

基于0919 号台风“利奇马”在浙江省青田县所诱发台风型滑坡数据统计，建立不同结构组合的斜坡渗流-稳定概化模型，模拟台风登陆不同降雨工况，比对16 组不同斜坡结构在各降雨工况下稳定性系数Fs的变化情况，讨论分析该区域台风型滑坡的滞后效应及其成因，得出以下结论：

（1）台风“利奇马”离陆后青田县内仍有4 处坡体发生滑动，占已发滑坡26.4%，该区域滑坡的发生在台风暴雨条件下存在一定程度的滞后效应。

（2）台风登陆暴雨作用下，影响青田县斜坡稳定性的结构参数敏感程度依次为坡度>第四系残坡积物层厚>起始地下水位高度。

（3）台风登陆过程降雨工况模拟中，斜坡稳定性在离陆后达到最低，相较于台风登陆前稳定性系数降低了13.82%。

（4）讨论认为由于边坡的入渗排泄差异性，台风暴雨易在坡脚汇聚持续侵蚀坡体，影响坡体渗流结构，从而延缓斜坡失稳时间，形成滞后效应。