基于充電法的滑坡深部位移監(jiān)測儀設(shè)計(jì)*

呂中虎，韓永溫，張曉飛，張 青，史彥新，郝文杰

（中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心 國土資源部地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 保定071051）

滑坡作為地質(zhì)災(zāi)害中較為嚴(yán)重的一類，其危害是不容忽視的，許多科研人員和工程技術(shù)人員都對(duì)滑坡監(jiān)測進(jìn)行了深入的研究?；卤O(jiān)測作為預(yù)防滑坡的主要手段，指通過各種方法來預(yù)測滑坡的趨勢，為滑坡治理提供科學(xué)的依據(jù)[1]。本文以充電法(電法勘探類的一種方法)[2]的基本原理為基礎(chǔ)，通過觀測埋藏于滑坡面上、下不同點(diǎn)的電極在地表的電位分布與變化，從而達(dá)到滑坡位移示蹤的目的。

1 儀器設(shè)計(jì)原理

基于充電法原理，在滑坡體深部布設(shè)金屬球（供電電極），它們分別為 A1、A2、A3……。然后將鉆孔回填夯實(shí)，保持地層結(jié)構(gòu)不變；另一供電電極B置于鉆孔足夠遠(yuǎn)處，作為無窮遠(yuǎn)電極B（距離一般選擇為最大埋深電極的20～50倍），在鉆孔附近布設(shè)多個(gè)測量電極M，測量電極N選在B電極處。首先給A1B供電，測量整個(gè)陣列MN間的電位差，繪制出此時(shí)的電位曲線，依次給A2B、A3B……供電，同樣繪制出電位曲線。按照一定時(shí)間間隔繼續(xù)進(jìn)行相同操作，對(duì)比不同時(shí)間的電位曲線，若同一供電電極的電位曲線沒有發(fā)生電位錯(cuò)動(dòng)，說明該深度處未發(fā)生位移，若出現(xiàn)電位曲線不重合現(xiàn)象，則可根據(jù)等電位線移動(dòng)的方向和距離，以及觀測的相隔時(shí)間，求出滑動(dòng)方向和滑動(dòng)速度[3]。圖1為裝置示意圖。

2 儀器設(shè)計(jì)框圖

依據(jù)充電法的原理，結(jié)合傳統(tǒng)的直流電法儀器，設(shè)計(jì)制作的充電法滑坡監(jiān)測儀整體框圖如圖2所示。該儀器由電極轉(zhuǎn)換模塊、信號(hào)測量模塊、遠(yuǎn)程傳輸模塊及電源模塊4部分組成。

電極轉(zhuǎn)換模塊在監(jiān)測儀工作過程中負(fù)責(zé)供電電極A、B及測量電極M、N的切換；信號(hào)測量模塊由電壓測量通道和電流測量通道組成，每個(gè)測量通道均由前置放大電路、10 Hz低通濾波電路、50 Hz陷波電路、主放電路組成；微處理器控制部分采用STM32微控制器作為控制核心[4-7]，其在測量過程中控制供電電極 A、B和測量電極M、N的切換，同時(shí)也自動(dòng)地控制著電壓測量通道的放大倍數(shù)、采集數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)顯示及數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸?shù)裙δ?；遠(yuǎn)程傳輸模塊將采集的數(shù)據(jù)通過GSM網(wǎng)絡(luò)發(fā)射到監(jiān)控中心，監(jiān)控中心通過采集軟件接收測量的數(shù)據(jù)；電源模塊由蓄電池、DC/DC及其控制電路組成，提供監(jiān)測儀工作所需電壓以及為供電電極提供48 V、96 V、192 V 3種可選供電電壓。

3 滑坡監(jiān)測儀軟件結(jié)構(gòu)

充電法滑坡監(jiān)測儀的數(shù)據(jù)采集處理軟件主要針對(duì)STM32微控制器進(jìn)行編程，具體實(shí)現(xiàn)監(jiān)測儀器的初始化、系統(tǒng)參數(shù)的輸入，控制供電電極切換電路，將供電電壓通過供電電極A、B供入地下，控制測量電極選擇電路，選擇合適的測量電極 M、N，讀取 M、N間的電壓值及供電電流值，然后將采集到的數(shù)據(jù)保存在U盤中，同時(shí)將采集到的數(shù)據(jù)通過遠(yuǎn)程傳輸模塊發(fā)送到控制中心。軟件主體采用C語言編寫[8]，其流程圖如圖3所示。

4 監(jiān)測中心采集軟件

監(jiān)測中心采集軟件采用VB編寫，主要是基于WinSock控件的服務(wù)器程序的開發(fā)[9]。其主要流程及使用的主要函數(shù)如圖4所示。WinSock控件是一個(gè)ActiveX控件，允許使用傳輸控制協(xié)議 TCP（Transmission Control Protocol）和用戶 數(shù)據(jù) 協(xié) 議 UDP（User DataGram Protocol）兩個(gè)傳輸層協(xié)議。使用WinSock控件時(shí)，通信雙方要使用相同的協(xié)議，當(dāng)客戶端向服務(wù)器端發(fā)出連接請(qǐng)求時(shí)，服務(wù)器端不停地監(jiān)聽客戶端發(fā)出的消息。一旦連接成功，任何一方都可以通過 SendData發(fā)送數(shù)據(jù)，并借助GetData把數(shù)據(jù)分離出來[10]。

5 野外監(jiān)測實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的滑坡監(jiān)測儀是否能穩(wěn)定工作，選取野外試驗(yàn)場地模擬儀器處于滑坡監(jiān)測的狀態(tài)。實(shí)際選取的野外試驗(yàn)場地在烏魯木齊市郊甘河子大橋附近，地面上的30個(gè)測量電極布置成兩條平行測線，測線間距為30 cm，每個(gè)電極間隔25 cm，即A1離地面 25 cm，A2離地面50 cm；供電電極B及另一測量電極N布置在近似于無窮遠(yuǎn)處；初始時(shí)2個(gè)供電電極均布置在M8正下方，模擬滑坡監(jiān)測的初始狀態(tài)，將各電極連接至滑坡監(jiān)測儀，測量不同時(shí)刻各測量電極M電位的變化。圖5為供電電極A1和A2不同位置測量電位變化圖，從圖中可以看出，電極的位置移動(dòng)與測量的點(diǎn)位曲線一一對(duì)應(yīng)，說明了設(shè)計(jì)的滑坡監(jiān)測儀實(shí)現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)。

本文利用地球物理中的充電法原理，研制了基于充電法的滑坡監(jiān)測儀器，并經(jīng)過野外模擬試驗(yàn)驗(yàn)證了所研制的滑坡監(jiān)測儀能夠長期穩(wěn)定工作。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，配以太陽能裝置，即可實(shí)現(xiàn)長時(shí)間的無人值守的自動(dòng)監(jiān)測。

[1]胡小崗.GPS技術(shù)在滑坡監(jiān)測中的應(yīng)用[J].山西建筑，2009，35(13)：362-364.

[2]程志平.電法勘探教程[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2007.

[3]牛建軍，張曉培，杜立志.稠油汽驅(qū)電位法動(dòng)態(tài)監(jiān)測技術(shù)[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（地球科學(xué)版），2008，38(5)：171-175.

[4]武利珍，張文超，程春榮.基于 STM32的便攜式心電圖儀設(shè)計(jì)[J].電子器件，2009，32(5)：92-95.

[5]孫啟富，孫運(yùn)強(qiáng)，姚愛琴.基于 STM32的通用智能儀表設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].儀表技術(shù)與傳感器，2010(10)：34-36.

[6]He Huazhi.Hardware design of a vehicle monitoring equipment based on the STM32[J].Electronic Measurement Technology，2008(12)144-146，151.

[7]王永虹，徐煒，郝立平.STM32系列ARM Cortex-M3微控制器原理與實(shí)踐[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

[8]宋恒力，董浩斌.利用SoC單片機(jī)的多功能數(shù)據(jù)采集卡[J].電子設(shè)計(jì)應(yīng)用，2004，30(3)：53-54，59.

[9]Wu Meifang，Li Lihong.Network communication based on winsock[J].Microcomputer Applications，2009(1)：43，52-53.

[10]李秀紅，黃天戍，孫忠富，等.基于GPRS/SMS的嵌入式環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2007，37(6)：187-192.