基于充電法的滑坡深部位移監測儀設計*

呂中虎，韓永溫，張曉飛，張 青，史彥新，郝文杰

（中國地質調查局水文地質環境地質調查中心 國土資源部地質環境監測技術重點實驗室，河北 保定071051）

滑坡作為地質災害中較為嚴重的一類，其危害是不容忽視的，許多科研人員和工程技術人員都對滑坡監測進行了深入的研究。滑坡監測作為預防滑坡的主要手段，指通過各種方法來預測滑坡的趨勢，為滑坡治理提供科學的依據[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，通過觀測埋藏于滑坡面上、下不同點的電極在地表的電位分布與變化，從而達到滑坡位移示蹤的目的。

1 儀器設計原理

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

2 儀器設計框圖

依據充電法的原理，結合傳統的直流電法儀器，設計制作的充電法滑坡監測儀整體框圖如圖2所示。該儀器由電極轉換模塊、信號測量模塊、遠程傳輸模塊及電源模塊4部分組成。

電極轉換模塊在監測儀工作過程中負責供電電極A、B及測量電極M、N的切換；信號測量模塊由電壓測量通道和電流測量通道組成，每個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，同時也自動地控制著電壓測量通道的放大倍數、采集數據的存儲顯示及數據的遠程傳輸等功能；遠程傳輸模塊將采集的數據通過GSM網絡發射到監控中心，監控中心通過采集軟件接收測量的數據；電源模塊由蓄電池、DC/DC及其控制電路組成，提供監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 滑坡監測儀軟件結構

充電法滑坡監測儀的數據采集處理軟件主要針對STM32微控制器進行編程，具體實現監測儀器的初始化、系統參數的輸入，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，然后將采集到的數據保存在U盤中，同時將采集到的數據通過遠程傳輸模塊發送到控制中心。軟件主體采用C語言編寫[8]，其流程圖如圖3所示。

4 監測中心采集軟件

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

5 野外監測實驗

為了驗證所設計的滑坡監測儀是否能穩定工作，選取野外試驗場地模擬儀器處于滑坡監測的狀態。實際選取的野外試驗場地在烏魯木齊市郊甘河子大橋附近，地面上的30個測量電極布置成兩條平行測線，測線間距為30 cm，每個電極間隔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處；初始時2個供電電極均布置在M8正下方，模擬滑坡監測的初始狀態，將各電極連接至滑坡監測儀，測量不同時刻各測量電極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，電極的位置移動與測量的點位曲線一一對應，說明了設計的滑坡監測儀實現了預期目標。

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測儀器，并經過野外模擬試驗驗證了所研制的滑坡監測儀能夠長期穩定工作。在實際應用時，配以太陽能裝置，即可實現長時間的無人值守的自動監測。

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