基于环境噪声干涉法的公路路堑边坡短期监测研究

《Frontiers in Earth Science》：Short-term monitoring of cut slope along highway using the ambient noise method

　　

山体滑坡对交通基础设施构成重大风险，其中公路沿线的人工路堑边坡在降雨事件中尤其容易发生刚度退化甚至失稳。先进的边坡监测手段有助于滑坡风险评估。传统监测技术往往难以捕捉地表位移发生前的内部力学变化先兆。相比之下，基于环境噪声干涉法提取的地震波速度变化(dv/v)能够直接追踪地下介质刚度的演化过程。本研究以浙江省杭州市富阳区某公路旁的人工路堑边坡为对象，于2025年7月至9月分两个阶段布设地震仪采集环境噪声数据。通过对台站对进行互相关计算并结合拉伸技术(stretching technique)，获得了地下地震波速度的时间变化。第一阶段中，降雨事件导致地震波速度最大降幅达4%。第二阶段中，dv/v在干燥条件下有所恢复，但9月13日再次下降超过1%，表明长期湿润条件下边坡材料发生渐进性弱化。研究还评估了叠加时长对测量稳定性的影响。窄带滤波分析表明，4–6 Hz频段呈现以热弹性效应主导的稳定日循环变化，而6–8 Hz频段在8月27日捕捉到约3%的速度下降，并在24小时内完全恢复。本研究验证了利用环境噪声干涉法监测路堑边坡的可行性，并为路堑边坡的补充监测提供了概念验证。若要建立可靠的预警阈值，仍需开展降雨–速度关系的定量分析及更长时间的连续观测。

**论文解读：基于环境噪声干涉法的路堑边坡短期监测研究**

**1. 研究背景与问题提出**

滑坡是全球范围内分布广泛且破坏力极强的地质灾害之一，尤其在构造活跃和山地区域，频繁发生的滑坡对基础设施和人类生命造成重大损失。在山区修建公路、铁路等交通基础设施时，大规模的山体开挖和重塑形成了大量高陡路堑边坡。这些边坡并非天然斜坡，而是经过人工切割和加固处理的工程边坡。开挖改变了岩土体的原始应力状态，引发卸荷松弛和裂隙扩展。尽管采用了锚杆、抗滑桩、格构梁等加固技术，长期服役风险仍无法完全消除。相较于天然边坡，路堑边坡对降雨诱发失稳更为敏感，主要因为开挖形成的卸荷裂隙网络为雨水入渗提供了优先通道，同时水分入渗增加了岩土体自重，降低了剪切强度参数（特别是黏聚力和内摩擦角），从而削弱坡脚抗滑力，增加失稳风险。因此，路堑边坡监测技术必须同时对微小力学变化具有高灵敏度，并具备足够的时效性以实现有效预警。

传统滑坡监测技术主要集中于地表位移和外部环境因素。全球定位系统(GPS)虽成熟可靠，但时间分辨率低，难以捕捉地震等突发事件引起的短期快速变形。合成孔径雷达干涉测量(InSAR)可进行大范围地表形变监测，但易受植被和大气扰动影响，且对浅层岩土体内部损伤演化不敏感。激发极化法可量化含水率和渗透率等水文力学参数，但难以实现长期连续动态监测。地下水位和孔隙水压力监测虽物理意义明确，但只提供局部点测量，无法代表滑坡整体力学状态。微震监测可近实时探测内部破裂信号，但在软土滑坡中信号能量弱、衰减快，可靠性受限。水平向与竖向谱比(HVSR)方法无需人工源，但更适合具有明显几何特征的不稳定岩体，对软土路堑边坡适用性有限。这些方法各有优势，但普遍存在监测深度浅、对早期力学变化灵敏度低、布设成本高等局限，难以满足公路沿线小规模路堑边坡的时移监测需求。

地震波速度是反映介质物理属性的灵敏参数，其变化与岩土体刚度、密度、裂隙发育及含水率等直接相关。因此，利用环境噪声干涉法测量相对地震波速度变化(dv/v)成为评估边坡力学演化的有效工具。环境噪声干涉法通过对台站记录的环境噪声进行互相关计算，提取介质格林函数，进而量化dv/v。该方法利用多次散射的尾波，对介质微小变化具有增强的灵敏度。此前应用主要集中于大型天然边坡的长期监测，针对人工路堑边坡的研究有限，且将地震波速度变化与降雨强度、累计降水、前期含水率等环境因素关联的定量分析较为稀缺。为此，本研究在杭州富阳一处公路路堑边坡开展了短期监测实验，重点考察dv/v的时间分辨率及其受互相关函数稳定性和频段选择的影响，评估叠加时长对测量稳定性的作用，并定性分析降雨引起的地震波速度变化及其频率依赖性。

**2. 研究内容与主要技术方法**

研究人员在浙江省杭州市富阳区某公路旁（约119.9°E, 30.0°N）选取一处人工路堑边坡作为监测对象。该边坡高约15 m，坡顶高出路面约45 m，开挖后坡角超过60°，中部设有平台，坡脚线长约196 m。地层主要由第四纪残坡积土覆盖于中等风化的泥质砂岩之上，残积土层厚约1–4 m，下伏泥质砂岩节理裂隙发育。边坡采用格构梁、锚杆和抗滑桩墙加固，但自2022年11月起坡顶出现多条张拉裂缝，估算潜在不稳定方量约8,200 m3，推测失稳机制为沿土岩界面的浅层平移式滑动，由降雨入渗驱动。

监测实验分两个阶段进行。第一阶段于2025年7月4日至13日开展，布设15台地震仪，在降雨期间于中部平台布设密集台阵；第二阶段于8月8日至30日开展，布设13台地震仪，采用更均匀的空间分布以增加台站对覆盖率，其中4台三分量地震仪因电池续航优势持续记录至9月15日，约40天。所有地震仪埋设于约30 cm深的浅坑中，置于平台而非倾斜坡面以保证稳定。

数据处理遵循标准流程：原始采样率1,000 Hz重采样至100 Hz，去趋势，施加5%余弦锥形窗，进行2–25 Hz零相位带通滤波（四阶Butterworth），采用单比特归一化抑制瞬态信号，并进行频谱白化。互相关时间窗设为10 s，获得小时叠加互相关函数(CCF)，再进一步叠加为3小时CCF。采用拉伸方法(stretching technique)提取dv/v，以整个监测时段平均的CCF作为参考函数，在±5%范围内搜索最佳拉伸系数。尾波窗口设为0.02–0.30 s，对应约300–600 m·s?1的剪切波速度(Vs)和约10 m的平均台站间距。误差估计采用Weaver et al. (2011)的理论公式。为评估频率依赖性，还进行了4–8 Hz、4–6 Hz、6–8 Hz和8–12 Hz的窄带滤波分析。此外，利用三分量台站的单台站互相关（ZN、ZE、NE分量对）计算dv/v，采用12小时叠加时长。日降雨量、气温和气压数据来自距测点约3 km的气象站。

**3. 研究结果**

**3.1 台站间互相关**

第一阶段（7月4–13日），以台站F2-6为虚拟源与其余十个台站的互相关结果显示，7月11日前dv/v总体为正，11日骤降超过2%，随后逐渐恢复；12日再次显著下降，最大降幅接近4%，且恢复速度较慢。这被解释为降雨导致边坡材料刚度退化。计算日降雨序列与dv/v序列的相关系数，发现两者呈负相关（第一阶段Pearson r = ?0.52，p < 0.05；第二阶段r = ?0.48，p < 0.05），降雨峰值与dv/v最低值之间存在约1–2天的滞后。前3天累计降雨量与dv/v降幅相关性最强（r = ?0.61）。7月12日约4%的速度降低对应前3天约85 mm的累计降雨量。第二阶段（8月8–30日），以台站S3-1为虚拟源的dv/v在8月22日前稳定上升，表明降雨较少期间边坡刚度逐渐恢复。8月23日和26日前后出现数据缺口，功率谱密度分析显示强宽带噪声干扰导致互相关质量下降。

**3.2 窄带滤波分析**

对2–25 Hz带通滤波后的数据施加4–8 Hz、4–6 Hz、6–8 Hz和8–12 Hz窄带滤波。4–8 Hz频段的dv/v呈现明显日循环：每天01:00至14:00速度系统上升，14:00至次日01:00下降。进一步划分频段后发现，4–6 Hz频段主导了这一日循环信号，功率谱密度显示约5 Hz附近能量较强。6–8 Hz频段则对扰动表现出不同响应：8月27日该频段dv/v骤降约3%，并在当日恢复至背景水平，而4–6 Hz频段保持正常日循环。这种频率依赖性可理解为不同频段对应不同深度灵敏度：6–8 Hz主要采样约2–5 m的浅层，降雨入渗对孔隙压力和刚度影响最直接；4–6 Hz采样稍深区域，与日热弹性强迫耦合更强。恢复快速性与浅层风化带裂隙网络的排水作用一致。8–12 Hz频段的dv/v台站间变异性大，互相关函数受非相干噪声污染，测量可靠性较低。

**3.3 互相关叠加时长**

研究人员在台站S3-1处比较了1、2、3、6小时叠加时长对dv/v结果的影响。随叠加时长增加，互相关更稳定，日波动逐渐被抑制。但过长叠加（6小时）虽稳定性高，却降低时间分辨率，可能掩盖短期速度异常。3小时叠加时长在测量可靠性和瞬态变化分辨能力之间达到最优平衡，因此后续分析采用3小时叠加。

**3.4 单台站互相关**

第二阶段布设的四台三分量地震仪记录了约40天数据。单台站分析中对N、E、Z分量两两互相关获得ZN、ZE、NE三个CCF。采用12小时叠加时长。ZN和ZE分量对的相关系数较高且稳定（>75%时间内大于0.7），NE分量对受地表交通和浅层地形效应影响较大，被排除于定量解释。单台站dv/v结果显示，8月22日前速度稳步恢复，与台站间结果一致。9月13日，dv/v下降超过1%，且表现为数日下降后缓慢恢复的趋势，暗示渐进性弱化而非瞬时响应。单台站dv/v不确定度（±0.1%–0.3%）高于台站间结果（±0.05%–0.15%）。

**4. 讨论与结论**

讨论部分首先分析了降雨驱动的波速变化与边坡稳定性的关系。观测期呈现雨—干—雨交替模式，dv/v在降雨期下降、干燥期恢复。累计3天前期降雨量与dv/v降幅相关性最强（r ≈ ?0.6），表明残积土层入渗时间是控制速度响应的主要因素。本研究中降雨是边坡波速变化的主导驱动力，降雨入渗增加孔隙水压力、降低有效应力、削弱岩土体刚度。观测到的约4%（第一阶段）和约1%（第二阶段）速度降低与此前滑坡监测研究量级一致。第二阶段较小的dv/v变化可能归因于前期湿润导致的接近饱和状态，使得后续降雨的增量效应减小。与深层边坡在持续强降雨下可能因水重增加而产生围压强化不同，本研究浅层路堑边坡仅表现出降雨驱动的速度降低，符合孔隙压力效应主导的浅层粘土边坡行为。

单台站互相关结果与台站间分析趋势高度一致，验证了单台站方法在路堑边坡监测中的可靠性。9月13日超过1%的速度下降被解释为反复降雨入渗和水分累积的综合效应：雨水沿浅层裂隙和孔隙逐步入渗，提高土壤含水率和饱和度，增加孔隙水压力，降低剪切刚度。这表明单台站互相关方法能有效探测降雨诱发的边坡渐进性弱化。

研究存在的局限包括：缺乏原位水文测量（孔隙水压力、地下水位、土壤含水率）使得速度变化解释多为定性推断；缺少独立形变测量（GNSS、测斜仪、裂缝位移）使得刚度降低与真实变形的关联未被验证；监测期较短，不足以评估季节效应和长期稳定性；降雨相关宽带噪声导致数据缺口，且噪声源尚未明确表征；拉伸方法假设介质内速度变化均匀，在含残积土、风化砂岩、节理裂隙及加固结构的人工边坡中并非严格成立，因此dv/v值代表空间平均估计，可能掩盖局部刚度变化。此外，环境因素复杂交互，热弹性日循环信号表明温度效应不可忽略，降雨期间噪声源特征变化也可能引入非材料相关的视速度变化。未来计划引入时频域稀疏非负矩阵分解以分离降雨相关信号与微震信号，抑制非平稳降雨噪声，提高相关系数。更长时间的监测（至少覆盖一个完整水文年）并配备共置水文和形变仪器，将有助于建立用于预警的定量降雨–dv/v关系。

研究结论为：本研究利用环境噪声干涉法对浙江富阳一处公路路堑边坡开展了小尺度、短期地震监测实验，通过追踪dv/v刻画了降雨驱动的边坡刚度动态演化。结果表明，环境噪声干涉法能够检测路堑边坡1%–4%的降雨诱发的速度降低，且频段选择（4–6 Hz对6–8 Hz）和叠加时长（台站间3小时，单台站12小时）对监测灵敏度和时间分辨率有显著影响。4–6 Hz频段的日热弹性信号强调了在dv/v解释中考虑环境强迫的重要性。单台站互相关提供了比台站间台阵更实用、更低成本的替代方案，尽管测量不确定度更高。累计降雨量与dv/v降低之间的定量互相关初步约束了降雨阈值分析，但这些关系因监测期较短仍属初步结果。该研究作为概念验证，建立可靠预警阈值仍需更长期观测与共置水文形变测量的独立验证。