王洪輝，劉 崎，庹先國，聶東林，李 鄢，孟令宇

（1.地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室（成都理工大學(xué)），四川 成都 610059；2.四川理工學(xué)院，四川 自貢 643000）

0 引 言

目前，滑坡監(jiān)測作為地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險減緩的重要措施之一，正越來越受到人們的重視[1-3]。根據(jù)監(jiān)測指標(biāo)來分，滑坡監(jiān)測包括地質(zhì)宏觀形跡監(jiān)測、地面位移監(jiān)測、深部位移監(jiān)測、誘發(fā)因素監(jiān)測、水壓力監(jiān)測和滑坡地球物理、地球化學(xué)場監(jiān)測等[4]。從監(jiān)測方法來看，通常有地面宏觀形跡的簡易觀測、地面儀器監(jiān)測、空間遙測和遙感監(jiān)測[5-7]。以地面相對位移監(jiān)測為例，它是測量地表裂縫兩側(cè)點與點之間的相對位移變化量的一種監(jiān)測方法，由最初的人工標(biāo)記或鋼尺簡易測量，到現(xiàn)在的自動化遙測[8-9]，在裂縫滑坡監(jiān)測預(yù)警上發(fā)揮了重要作用。

滑坡裂縫的發(fā)育包含了縱向下挫、橫向張裂、側(cè)向滑動3個分量，對于臨滑預(yù)警或高速滑坡來講，測量裂縫的綜合位移變化是可以的[9]。但如果要對滑坡裂縫的發(fā)育情況進行長期監(jiān)測，特別是蠕動型和慢速滑坡，需要分析其到底朝哪個方向滑移？該方向的滑移量是多少？采用直接測量裂縫兩端綜合位移的方法則無能為力，必須對測量方法和測量裝置進行改進?；诖?，本文提出一種數(shù)字式遠程地表裂縫的三維測量方法，可以有效解決滑坡裂縫三分量測量，為長期監(jiān)測、定性定量分析提供依據(jù)。

1 系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)設(shè)計主要由兩個子系統(tǒng)組成，即完成野外數(shù)據(jù)測量與傳輸?shù)臏y量節(jié)點子系統(tǒng)[10]；接收數(shù)據(jù)并傳輸?shù)絇C機用于災(zāi)害分析的室內(nèi)主機子系統(tǒng)。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

測量節(jié)點主要由單片機控制單元、數(shù)據(jù)采集單元、電源管理單元、GSM無線數(shù)傳單元組成（北斗通信方式亦可[11]），安裝于測量現(xiàn)場。室內(nèi)主機由GSM無線數(shù)傳單元、CMOS/RS232電平轉(zhuǎn)換單元、PC機組成，安裝于監(jiān)測中心。

測量節(jié)點各單元功能：1）單片機控制單元作為測量節(jié)點的核心，用于數(shù)據(jù)測量的控制計算、GSM無線通信以及系統(tǒng)的開、停機的控制；2）數(shù)據(jù)采集單元將傳感器的輸出信號經(jīng)過信號調(diào)理電路的濾波、變幅及阻抗匹配；3）電源管理單元用于DC-DC高效率變換及各單元電源的開關(guān)控制，測量節(jié)點采用太陽能（30 W）+蓄電池（70 Ah）供電[12]；4）GSM 無線數(shù)傳單元由M72-D集成GSM模塊、SIM卡及吸盤天線組成，以GSM網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳輸。

室內(nèi)主機各單元功能：1）GSM無線數(shù)傳單元負(fù)責(zé)對各測量節(jié)點傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行接收，再采用CMOS/RS232電平轉(zhuǎn)換單元將數(shù)據(jù)上傳PC機；2）PC機系統(tǒng)軟件實現(xiàn)裂縫數(shù)據(jù)分析的顯示與數(shù)據(jù)庫管理[13]。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 單片機控制單元

系統(tǒng)單片機選用目前業(yè)內(nèi)最小尺寸汽車級MCUC8051F530，采用4mm×4mmQFN封裝和TSSOP-20封裝，大大節(jié)省了PCB的占用面積，便于儀器的小型化及野外安裝。此外，C8051F530的停機模式下，其工作電流僅為0.1 μA，能夠滿足野外低功耗、長時間穩(wěn)定工作的要求。

2.2 數(shù)據(jù)采集單元

采用KTC系列電阻型拉桿式位移傳感器直接測量裂縫兩側(cè)點對點綜合位移，傳感器輸出的直流電壓信號隨拉伸距離的改變而變化，但傳感器輸出的電壓范圍與C8051F530內(nèi)部ADC的電壓測量范圍不匹配，因此需要一級信號調(diào)理電路進行濾波及變幅。C8051F530內(nèi)部集成有24位ADC，可直接對信號調(diào)理電路輸出的信號進行測量采集。角度傳感器采用SCA100T，其測量范圍±90°，分辨率達 0.002°，11 位SPI數(shù)字輸出，該傳感器具有長期穩(wěn)定性好、溫漂小、抗干擾能力強等優(yōu)點。由于C8051F530只有一個SPI接口，因此需采用多路選通電路（結(jié)構(gòu)圖和電路圖如圖2與圖3所示）分別對兩個角度傳感器進行通信，完成數(shù)據(jù)采集。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

圖2 數(shù)據(jù)采集單元結(jié)構(gòu)圖

圖3 多路選通電路圖

2.3 GSM無線數(shù)傳單元

測量節(jié)點以單片機C8051F530為核心，通過UART與GSM/GPRS無線數(shù)傳單元M72-D進行數(shù)據(jù)傳輸，再通過SIM卡與GSM建立連接，按GSM/GPRS方式發(fā)送數(shù)據(jù)到室內(nèi)主機。C8051F530與M72-D的電路連接示意圖如圖4所示。

圖4 M72-D與C8051F350連接電路

M72-D是一款自主研發(fā)的支持GSM900/DCS1800雙頻段的無線通信模塊，支持標(biāo)準(zhǔn)的AT指令，直接通過UART與主控單片機進行數(shù)據(jù)通信。

3 三維測量方法

本系統(tǒng)提出的三維測量方法及其裝置由一個電阻型拉桿式位移傳感器、角度傳感器1、角度傳感器2、固定樁A及測量樁A0組成，如圖5所示。

測量裝置狀態(tài)如固定樁A-測量樁A0所示，電阻型拉桿式位移傳感器的拉伸長度是L0，測量樁A0與固定樁A的水平夾角即下挫角度為α0，側(cè)移角度為β0，單片機上電初始化后由式（1）～式（3）計算出當(dāng)前X軸、Y軸、Z軸的初始值分別為

經(jīng)過系統(tǒng)測量周期t時刻后，測量樁的位置發(fā)生了移動，裝置變成固定樁A-測量樁A0′的狀態(tài)，此時電阻型拉桿式位移傳感器的拉伸長度為Lt，測量樁A0′與固定樁A的水平夾角即下挫角度變?yōu)棣羣，側(cè)移角度為βt，計算當(dāng)前X、Y、Z軸的當(dāng)前值：

進一步，可得到滑坡造成的三維測量的變化值為

圖5 系統(tǒng)三維測量方法示意圖

以上所述得到的 ΔXt、ΔYt、ΔZt即是一次測量周期測得的地表裂縫三維測量變化值。

4 監(jiān)測數(shù)據(jù)及分析

本系統(tǒng)（數(shù)字式遠程地表裂縫三維測量儀）的技術(shù)參數(shù)及技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 儀器技術(shù)指標(biāo)

測量節(jié)點如圖6所示，室內(nèi)主機如圖7所示。系統(tǒng)三維位移測量實驗如下：

1）將拉桿式位移傳感器的初始長度L0固定為10cm，將圖5所示的下挫角度α和側(cè)移角度β分別固定為20°和50°，分別以步進3cm和3°遞增改變拉桿式位移傳感器的長度L和下挫角度α，測量10組數(shù)據(jù)（X1、Y1、Z1分別代表X、Y、Z軸分量），圖 8（a）所示。

圖6 測量節(jié)點實物圖

圖7 室內(nèi)主機實物圖

圖8 三維位移測量實驗數(shù)據(jù)圖

圖9 滑坡裂縫位移監(jiān)測數(shù)據(jù)（2016年7月）

2）再將拉桿式位移傳感器的初始長度L0固定為10cm，下挫角度α和側(cè)移角度β分別固定為20°和30°，分別以步進3cm和3°遞增改變拉桿式位移傳感器的長度L和側(cè)移角度β，測量10組數(shù)據(jù)（X2、Y2、Z2分別代表X、Y、Z軸分量），圖 8（b）所示。

本系統(tǒng)已應(yīng)用于四川省綿陽市安縣某滑坡監(jiān)測現(xiàn)場，圖9為2016年7月一次連續(xù)降雨導(dǎo)致滑坡的監(jiān)測點三維位移測量數(shù)據(jù)，其中，1#曲線反映的是傳統(tǒng)儀器監(jiān)測數(shù)據(jù)（綜合位移）。

從圖9可知：

1）該滑坡于2016年7月10開始明顯滑移，7月16日趨于穩(wěn)定，持續(xù)時間6d，綜合位移曲線顯示累積位移量35.3mm，平均滑移速率5.88mm/d；最大當(dāng)日累積位移9.7mm。

2）傳統(tǒng)儀器只能監(jiān)測裂縫的綜合位移（1#曲線），而本測量儀還能監(jiān)測X、Y、Z3 向位移（2#、4#、3# 曲線），3 向累積位移量分別為 6.93，11.49，6.68mm。

3）通過X向位移、Y向位移和Z向位移可以看出，滑體主要沿垂直裂縫方向（Y向）滑動，并伴隨向下（Z向）移動，而水平（X向）移動不明顯。

上述表明本文提出的三維測量方法能有效地反映出滑坡滑移的走向。

5 結(jié)束語

本文提出了一種數(shù)字式遠程地表裂縫的三維測量方法，并設(shè)計了測量裝置以及對應(yīng)的電子電路，彌補了傳統(tǒng)的野外地表裂縫監(jiān)測基于直接測量裂縫兩邊綜合位移而導(dǎo)致不能準(zhǔn)確得出滑坡走向及其分量的缺點，一定程度上提高了監(jiān)測預(yù)警儀器的分析能力。實際應(yīng)用數(shù)據(jù)表明，三分量位移值對于準(zhǔn)確定位滑坡裂縫走向是有效的，為長期監(jiān)測、定性定量分析裂縫提供了依據(jù)。

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