НИВЕЛИРОВАНИЕ

Нивелированием называют совокупность инструментальных измерений и вычислений, выполняемых с целью определения пре­вышений между точками физической поверхности Земли или раз­личных инженерных сооружений, а также высот таких точек.

Высота точки - это расстояние по вертикали от начальной от-счетной поверхности, принятой за исходную, до данной точки. В качестве такой поверхности используют уровенную поверхность, совпадающую с уровнем Балтийского моря - нулем Кронштадтско­го футштока, и продолженную вдоль суши на всей территории страны. Если высота точки определена в Балтийской системе вы­сот, то ее называют абсолютной,если же исходная уровенная по­верхность не совпадает с уровнем моря, но параллельна ей, то вы­соты, определенные относительно такой поверхности, называют условными. Условную систему высот применяют, когда на участ­ке работ отсутствует государственная нивелирная сеть или когда определение абсолютных высот невозможно.

Превышением называют разность высот двух точек. Превыше­ние может быть положительным или отрицательным. Если точка А расположена у подножия холма, а точка В на его вершине, то пре­вышение точки В над точкой А положительно, а превышение точки А над В - отрицательно.

Нивелирование выполняют для создания высотной основы то­пографических съемок, производства съемок земной поверхности, построения профилей поверхности и горных выработок, задания и соблюдения проектных уклонов подъездных путей и гидротехни­ческих сооружений, а также когда требуется определить взаимное расположение элементов поверхности и строительных конструкций по высоте.

Высоты точек измерить непосредственно невозможно, их опре­деляют путем алгебраического суммирования высоты исходной

точки (нивелирного репера) и превышений между исходной и оп­ределяемой точками. Высотное обеспечение объекта задают сетью закрепленных на местности точек - нивелирных реперов, высоты которых определены в государственной или условной, единой для данного объекта, системе. Каждый репер такой сети может быть использован для определения превышений и высот любых точек в пределах данного объекта. Кроме этого, различают нивелирование трассы и нивелирование площади.

В зависимости от используемых приборов и методов измерения превышений различают нивелирование: геометрическое, тригоно­метрическое (геодезическое), гидростатическое, фотограмметриче­ское, барометрическое, автоматическое (механическое).

 

ГЕОМЕТРИЧЕСКОЕ НИВЕЛИРОВАНИЕ

 

Такое нивелирование основано на использовании горизонталь­ного визирного луча и двух реек, установленных на точках верти­кально. Максимальная точность геометрического нивелирования может достигать десятых долей миллиметра. На рис. 6.1 представ­лена схема геометрического нивелирования - определение превы­шений и абсолютных высотных отметок, закрепленных на местно­сти постоянными знаками точек (реперов) А, В и т.д. Между точка­ми устанавливают нивелир, на точках - одинаковые рейки, началь­ным делением вниз. О,, а,, а_г, в - отсчеты по рейкам с помощью горизонтального визирного луча зрительной трубы нивелира. По ходу нивелирования на каждой станции I, 11 - установке нивелира различают заднюю и переднюю точки. Для станции I точка О - зад­няя, точка А - передняя и т.д. Абсолютную высоту визирного луча на станции называют горизонтом прибора ГП. На станции I ГП, = Я₀ + о,, т.е. горизонт прибора равен высоте заднего репера (пикета) Н₀ плюс отсчет по рейке 0\.

На станции II ГП,, - Н_А+а₂.

Превышение точки А над точкой О на станции I равно разности отсчетов на заднюю 0\ и переднюю а, рейки, т.е. h_Ao — 0\~a\.

На станции II превышение точки В над точкой A h_BA = а_г - в.

Рис. 6.1. Схема определения превышений и высот точек на местности

Рис. 6.2. Схема нивелирования вперед

Высота точки А: Н_А= Н₀+ h_A0, или Н _А = ГП, - о,.

Высота точки (пикета) В: Н_В=Н_А + h_BA, или Н_в = ГП,, - в.

Различают нивелирование вперед и из середины. При нивели­ровании вперед нивелир устанавливают вблизи точки А, высота которой известна (рис. 6.2), а в определяемой точке В ставят верти­кально рейку. Измеряют (при помощи рейки или рулетки) расстоя­ние от точки А до центра окуляра горизонтально установленной зрительной трубы и берут отсчет по рейке. Высота точки В

H_B=H_A+i-e

или

H_B=H_A+h_BA, (6.1)

где h_BA-i-e - превышение между точками В и А.

При нивелировании из середины (рис. 6.3) нивелир устанавли­вают посередине между точками А и В. Горизонтальный луч пере­секает рейки в точках с отсчетами айв. Если высота точки А из­вестна (точку А называют задней),то высоту точки В (называемой передней) определяют по формуле

H_B=H_A±h_BA, (6.2)

где h_BA = а-в - превышение, знак которого определяет разность (а-в). Из формул следует, что величины превышений не зависят от выбранной системы отсчета высот. Это позволяет использовать в инженерных работах условные высоты.

Способ нивелирования вперед на практике применяют реже, так как он уступает по точности, надежности и производительности труда способу нивелирования из середины. При нивелировании из середины систематическая инструментальная погрешность негори­зонтальности визирной оси исключается (рис. 6.4). Если визирная ось наклонена под некоторым малым углом v к горизонту, а рас­стояния от нивелира до реек отличаются не более чем на 3-5 м, то, как видно из рисунка, погрешность отсчета х\ по задней рейке рав­на погрешности отсчета х₂ по передней рейке. Формула для опре­деления превышений в этом случае примет вид:

h_/IB=(a-e) + (x_]-x₇), (6.3)

т.е. превышение будет свободно от погрешности х.

При нивелировании вперед, напротив, эта погрешность целиком войдет в значение превышения.

 

 

Рис. 6.4. Нивелирование из середины при негоризонтальном положении визирной оси

В любом случае перед началом работ нивелир должен быть по­верен и, при необходимости, отъюстирован. В обязательном поряд­ке поверяют соблюдение главного условия нивелира - параллель­ность визирной оси горизонтальной оси уровня, параллельность горизонтальной нити сетки нитей горизонту и плавность хода подъемных и наводящих винтов.

Нивелируемые точки закрепляют металлическими костылями, отрезками металлических штырей, деревянными колышками или специальными нивелирными марками (рис. 6.5). Конструкции ре­перов выбирают в зависимости от необходимого срока их сохран­ности, а места их расположения должны быть удобны для проведе­ния работ и доступны. Нивелирные реперы, закрепляющие высот­ную основу участка работ, подлежат охране от механических воз­действий в процессе земляных, строительных и других работ.

Последовательность операций по определению превышений при нивелировании из середины следующая:

• устанавливают нивелир примерно посередине между двумя нивелируемыми точками;

• вращая подъемные винты, приводят в нуль-пункт пузырек круглого уровня;

• устанавливают на задней и передней рейках нивелирные рейки;

• визируют на заднюю рейку;

• приводят в нуль-пункт пузырек цилиндрического уровня при трубе.

Если нивелир с компенсатором, то убеждаются в работоспособ­ности компенсатора, слегка постукивая средним пальцем правой руки сверху по трубе; изображение сетки нитей при этом должно совершать колебательные движения вверх-вниз, останавливаясь каждый раз на одном и том же отсчете по рейке. Приведение в нуль-пункт уровня при трубе и контроль за работоспособностью компенсатора в обязательном порядке выполняют перед взятием каждого отсчета по рейкам;

• берут отсчет по черной стороне задней рейки (1) и записы­вают его в нивелирный журнал (табл. 6.1);

 

Грунтовый репер Государственной нивелирной сети

Стенной репер Рис. 6.5. Некоторые типы центров нивелирных сетей

• берут и записывают отсчет по черной стороне передней рейки (2);

• поворачивают переднюю рейку красной стороной и
фиксируют отсчет (3);

• визируют на красную сторону задней рейки - отсчет (4);

• не убирая и не сдвигая нивелир, вычисляют превышения как разность отсчетов по задней и передней рейкам, полу­ченные соответственно по черным и красны

Классификация нивелиров

Согласно действующим ГОСТам нивелиры изготавливают трех типов: высокоточные – Н-05; точные – Н-3; технические – Н-10.

В названии нивелира числом справа от буквы Н цифрой обозначают допустимую среднюю квадратическую ошибку измерения превышения на 1 км двойного нивелирного хода.

В зависимости от того, каким способом визирный луч устанавливается в горизонтальное положение, нивелиры изготавливают в двух исполнениях: - с цилиндрическим уровнем при зрительной трубе, с помощью у которого осуществляется горизонтирование визирного луча (рис. 63); - с компенсатором – свободно подвешенная оптико-механическая система, которая приводит визирный луч в горизонтальное положение. В названии нивелира буква К обозначает компенсатор (Н-3К, Н-3КЛ), где Л – лимб (рис. 64). На рис. 65 приведен технический нивелир второго поколения с компенсатором и лимбом 2Н-10КЛ

• Н-3

•

•

• Рис. 63. Точный нивелир Н-3 с цилиндрическим уровнем при зрительной трубе: 1 – подъемные винты; 2 – круглый уровень; 3 – элевационный винт; 4 – окуляр зрительной трубы с диоптрийным кольцом; 5 – визир; 6 – кремальера; 7 – объектив зрительной трубы; 8 – закрепительный винт; 9 – наводящий винт; 10 – контактный цилиндрический уровень; 11 – юстировочные винты цилиндрического уровня

 

• ЗН-3КЛ

•

• Рис. 64. Точный нивелир ЗН-3КЛ с компенсатором и лимбом: 1 – лимб; 2 – наводящий винт; 3 – кремальера; 4 – визир. ЗН-3КЛ

• 2Н-10КЛ

•

•

• Рис. 65. Технический нивелир 2Н-10КЛ

•

• SETL

 

 

 

 

Для нивелира обязательны следующие поверки:

1. Ось круглого уровня должна быть параллельна вертикальной оси вращения инструмента. При помощи подъемных винтов (рис. II.5) устанавливают пузырек в нуль-пункт (центр окружности). Поворачивают верхнюю часть нивелира на 180°. Если после поворота пузырек сместится с нуль-пункта, то при помощи котировочных винтов (рис. 11.5) его перемещают на половину отклонения, а затем подъемными винтами устанавливают пузырек в нуль-пункт.

2. Одна из нитей сетки должна быть горизонтальной. Поверка выполняется по отвесу аналогично соответствующей поверке теодолита.

3. Ось цилиндрического уровня должна быть параллельна визирной оси трубы (главное условие нивелира). Поверка выполняется в следующем порядке (рис. II. 6). На местности закрепляют две точки А и В, расположенные на расстоянии примерно 50 м одна от другой. Устанавливают нивелир над точкой А, измеряют высоту установки инструмента U1 и берут отсчет V1 по рейке, установленной на точке В. Затем меняют местами нивелир и рейку и определяют величины U2 и V2. Ошибка в отсчете, вызванная непараллельностью оси уровня и визирной оси,
X=0.5 (V1+V2)-0.5 (U1+U2).
Если величина X превышает 4 мм, то необходимо выполнить юстировку. Правильное значение отсчета, соответствующее горизонтальному положению визирной оси,
V0 = V2 — X (величина X вводится с учетом знака).
Вращая элевационный винт, устанавливают горизонтальную нить сетки на правильное значение отсчета V0. При этом пузырек уровня сойдет с середины. Устанавливают пузырек на нуль-пункт при помощи исправительных винтов уровня. Выполнению этой поверки необходимо уделять особое внимание.

Нивелирные рейки для нивелирования III – IV класса и технического изготавливают из деревянных брусьев двутаврового сечения шириной 8 – 10 и толщиной 2 – 3 см.

Рейка РН-3 (рис. 66) имеет длину 3 м. Деления нанесены через 1 см. Нижняя часть рейки заключена в металлическую оковку и называется пяткой.

Основная шкала имеет деления черного и белого цвета, ноль совмещен с пяткой рейки. Дополнительная шкала на другой стороне рейки имеет чередующиеся красные и белые деления. С пяткой рейки совмещен отсчет больше 4000 мм. Часто встречаются комплекты реек, у которых с пятками красных сторон совпадают отсчеты 4687 и 4787 мм. Поэтому превышения, измеренные по красным сторонам реек, будут больше или меньше на 100 мм измеренных по черным сторонам реек.

Рис. 66. Нивелирная рейка (а) и поле зрения зрительной трубы нивелира с цилиндрическим уровнем (б)

 

Лекция 10