摘  要： 利用地球物理中的充電法原理，成功設(shè)計了基于充電法原理的滑坡監(jiān)測儀。監(jiān)測儀由電極轉(zhuǎn)換模塊、信號測量模塊、遠程傳輸模塊及電源模塊四部分組成。微控制器控制電極轉(zhuǎn)換模塊將供電電壓通過位于井中的供電電極供入地下，信號測量模塊完成布設(shè)于地面的測量電極之間的電壓和供電電流的采集，遠程傳輸模塊將采集到的電壓值和電流值傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，從而實現(xiàn)對滑坡的遠程監(jiān)測。最后給出了野外應(yīng)用試驗，試驗結(jié)果表明監(jiān)測儀器能穩(wěn)定工作。
關(guān)鍵詞： 充電法；數(shù)據(jù)采集；滑坡監(jiān)測

    滑坡作為地質(zhì)災(zāi)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(shù)人員都對滑坡監(jiān)測進行了深入的研究?；卤O(jiān)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(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(shè)計原理
    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，保持地層結(jié)構(gòu)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(shè)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(xù)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(fā)生電位錯動，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(shè)計框圖
    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、信號測量模塊、遠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(shù)、采集數(shù)據(jù)的存儲顯示及數(shù)據(jù)的遠程傳輸?shù)裙δ埽贿h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STM32微控制器進行編程，具體實現(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，同時將采集到的數(shù)據(jù)通過遠程傳輸模塊發(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）兩個傳輸層協(xié)議。使用WinSock控件時，通信雙方要使用相同的協(xié)議，當客戶端向服務(wù)器端發(fā)出連接請求時，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)測實驗

      為了驗證所設(shè)計的滑坡監(jiān)測儀是否能穩(wěn)定工作，選取野外試驗場地模擬儀器處于滑坡監(jiān)測的狀態(tài)。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(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(yīng)，說明了設(shè)計的滑坡監(jiān)測儀實現(xiàn)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(jiān)測儀器，并經(jīng)過野外模擬試驗驗證了所研制的滑坡監(jiān)測儀能夠長期穩(wěn)定工作。在實際應(yīng)用時，配以太陽能裝置，即可實現(xiàn)長時間的無人值守的自動監(jiān)測。
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