Высотные измерения

4.3.1. Геометрическое нивелирование

Высотные измерения выполняются путем геометрического нивелирования, в результате которого находят превышения между точками, а также высоты этих точек над принятой уровенной поверхностью (средний уровень Балтийского моря). Нивелирование производят для изучения форм рельефа, определения высот точек, при проектировании, строительстве и эксплуатации различных инженерных сооружений.

В зависимости от требуемой точности определения отметок нивелирование делят на 1, 2, 3, 4- й классы и техническое.

Ходы нивелирования 1-го класса прокладывают вдоль железных и шоссейных дорог в различных направлениях. По данным нивелирования, повторяющегося по тем же точкам через несколько лет, изучают движение земной коры и решают другие научные задачи.

Ходы нивелирования 2-го класса, прокладываемые вдоль дорог, вдоль больших рек, образуют полигоны периметром 500…600км,которые опираются на пункты нивелирования 1-го класса. Нивелированием 1-го и 2-го классов на территории страны распространяют отметки относительно исходной уровенной поверхности.

Ходы нивелирования 3-го класса прокладывают между пунктами нивелирования 1-го и 2-го классов.

Нивелирование 4-го класса и техническое применяют для сгущения нивелирной сети более высоких классов. Эти сети являются высотным обоснованием для топографических съемок при составлении карт и планов, строительно-монтажных, мелиоративных и других работах.

Ходы нивелирования более низких классов всегда опираются на пункты ходов более высоких классов. Отметки пунктов ходов более высоких классов принимают за исходные. Результаты нивелирования используют в различных отраслях народного хозяйства: строительстве, мелиорации, горном деле и т. д. [1].

4.3.1.1. Инструменты, применяемые
при геометрическом нивелировании

При геометрическом нивелировании используются нивелиры, нивелирные рейки, костыли и башмаки.

В зависимости от устройств, применяемых для приведения визирной оси трубы в горизонтальное положение, нивелиры выпускают двух типов: с компенсатором углов наклона зрительной трубы и с уровнем при ней. У нивелиров, выпускаемых промышленностью СНГ, наличие в марке буквы К означает, что труба нивелира снабжена компенсатором, а буквы П – прямое изображение, например, нивелиры Н–05К, Н–ЗК, Н–10КП. Нивелиры с компенсатором угла наклона зрительной трубы называются самоустанавливающимися. Автоматическое приведение визирной оси в горизонтальное положение происходит за счет автоматического поворота компенсирующего элемента оптической системы.

Нивелиры Н–3, Н–10 имеют зрительную трубу и цилиндрический уровень. Труба с уровнем укреплена на вертикальной вращающейся оси, входящей в подставку.

Лазерные нивелиры (рис. 37) представляют собой комбинацию нивелиров с компенсаторами и лазерных трубок.

Рис. 37. Лазерный нивелир: 1– лазерная трубка, 2 – световод, 3 – штатив, 4 – переходная деталь, 5 – объектив, 6 – нивелир, 7 – источник электропитания

Из лазерной трубки с помощью световода 2 луч направляют в переходную деталь 4, из которой луч попадает в оптическую систему и выходит в виде видимого горизонтального лазерного луча из объектива 5 нивелира. Блок электропитания 7 крепится к штативу 3. При небольших расстояниях (до 100 м) используют деревянные рейки с сантиметровыми делениями. Рейки устанавливают в нивелируемых точках и после визирования на них и фокусировки лазерного пучка реечник берет отсчет визуально на рейке по пятну лазерного пучка.

При необходимости выполнения точных нивелирных работ используют рейки со специальными подвижными каретками с фотодетекторами, по которым с высокой точностью определяют центр лазерного луча, попавшего на рейку. Иностранные фирмы выпускают высокоточные нивелиры с регистрирующим электронным устройством, которое позволяет автоматически регистрировать отсчеты по рейкам и вычислять превышения между точками. Автоматизирован и весь процесс обработки результатов нивелирования с их запоминанием и хранением. Примером может служить нивелир Рени 002А фирмы Карл - Цейсс Йена.

Технические возможности нивелиров позволяют работатьимилюдям со зрением +5 диоптрий. Как правило, нивелиры работоспособны при температуре от – 30 до +50 °С. Каждому нивелиру придается не менее двух однотипных нивелирных реек [1].

Основные части нивелира Н–3 показаны на рис. 38 и 39, а нивелирная рейка, костыль и башмак – на рис 40.

Рис. 38. Нивелир Н–3 со стороны трибки фокусирующей линзы:

1 – окуляр; 2 – копус трубы; 3 – механический визир; 4 – объетив; 5 – трибка фокусирующей линзы (кремальера); 6 – наводящий (микрометренный) винт; 7 – установочный (круглый) уровень; 8 – исправительный винт установочного уровня; 9 – элевационный винт

Рис. 39. Нивелир Н–3 со стороны цилиндрического уровня при трубе:

1 – закрепительный винт; 2 – коробка цилиндрического уровня; 3 – подставка; 4 – подъемный винт; 5 – пружинящая пластина с втулкой; 6 – винт

Рис. 40. Рейка (а); костыль (б); башмак (в)	Рис. 41. Поле зрения трубы: 1 – изображения концов пузырька уровня; 2 – дальномерные штрихи

Система призм уровня при трубе передает изображения концов пузырька уровня в поле зрения окуляра 1 (см. рис. 38) зрительной трубы. Окуляр зрительной трубы обеспечивает перемещение в диапазоне ±5 диоптрий.

В поле зрения зрительной трубы (рис. 41) видны перекрестие с двумя дальномерными штрихами для измерения расстояний и боковое окно (слева), в которое передаются изображения концов пузырька уровня при трубе.

При горизонтировании нивелира изображения концов пузырька уровня при трубе (рис. 41) совмещаются с помощью элевационного винта 9 (рис. 38). Нивелир состоит из двух основных частей: неподвижной нижней и верхней, имеющей возможность вращаться относительно нижней на 360º и наклоняться в вертикальной плоскости на ±20'.

Нижняя часть представляет собой подставку 3 (см. рис. 39) с тремя подъемными винтами 4, на которых укреплена пружинящая пластина 5 с втулкой, имеющей резьбу под становой винт, служащий для закрепления нивелира на штативе.

В верхней части расположены:

– зрительная труба с внутренней фокусировкой;

– контактный уровень при трубе с призменной системой;

– система наклона зрительной трубы в вертикальной плоскости;

– установочный уровень 7 (см. рис.38);

– наводящий (микрометренный) винт 6;

– элевационный винт9;

– закрепительный винт 1 (см. рис. 39).

Наводящий и элевационный винты, головкатрибки 5 (см. рис. 38), установочный уровень расположены с правой стороны объектива, а с левой – контактный уровень при трубе с системой призм, закрытый коробкой уровня 2 (см. рис. 39).

Зрительная труба состоит из объектива 4, окуляра1 с сеткой (см. рис. 38) и фокусирующей линзы, расположенной между объективом и окуляром.

Перемещение фокусирующей линзы вдоль оптической оси трубы осуществляется вращением головки трибки.

В корпусе трубы 2 (см. рис. 38) со стороны окуляра имеются четыре исправительных винта для исправления уровня при трубе.

Нивелирная рейка на рис. 40, а состоит из двух брусков двутаврового сечения, соединенных между собой металлической фурнитурой. Это позволяет складывать рейку для транспортирования. Рейка имеет градуировку на обеих сторонах. Сантиметровые деления наносят по всей длине рейки с погрешностью 0,5мм и оцифровывают через 1 дм. На основной стороне рейки деления черные на белом фоне, на другой (контрольной) – красные на белом фоне. Для удобства и быстроты установки нивелирные рейки иногда снабжают круглыми уровнями и ручками. На торцах нивелирной рейки укрепляют пятки в виде металлических полос толщиной 2мм.

Рейки маркируют. Например, тип РН–10П–ЗОООС означает, что это рейка нивелирная, со шкалой деления 10мм,подписью цифр "прямо", длиной 3000мм, складная). Для точных и технических работ выпускают рейки длиной 3 и 4 м. Нивелирные рейки могут применять в разное время года. Температурный диапазон работы реек от – 40 до +50 °С. Во время работы рейки устанавливают на деревянные колья, костыли или башмаки.

Костыль (рис. 40, б)– металлический стержень с заостренным концом с одной стороны и сферической шляпкой с другой. Для забивки костыля в грунт на верхний торец его надевают крышку.

Башмак (рис. 40, в)– толстая круглая или треугольная металлическая пластина на трех ножках. В середине пластины укреплен стержень со сферической шляпкой, на которую устанавливают нивелирные рейки.

Рейки устанавливают вертикально "на глаз" или с помощью уровня. Если уровня нет, отсчет по рейке берут при покачивании рейки в сторону нивелира и от него. Из всех видимых отсчетов берут наименьший, который соответствует отвесному положению рейки. Отсчеты по рейкам (рис. 41) производят по средней нити нивелира. Отсчет записывают в миллиметрах.

На рис. 41 отсчет составляет 1712 (семнадцать двенадцать).

4.3.1.2. Поверки нивелира Н-3

Поверки – это действия, которыми контролируют правильность взаимного расположения основных осей прибора. Если при выполнении поверок обнаруживается несоответствие взаимного расположения частей прибора, его юстируют исправительными винтами.

1-я поверка. Ось круглого уровня ии должна быть параллельна оси вращения JJ нивелира (рис. 42, а).

Рис. 42. Схемы расположения осей при поверках нивелира

Чтобы проверить параллельность осей, выполняют следующие действия. Пузырек круглого уровня приводят подъемными винтами на середину. Верхнюю часть нивелира поворачивают на 180°. Нивелир считается исправным, если пузырек остается в центре, неисправным, если пузырек сместился. Для устранения этой неисправности пузырек уровня приводят на середину в два этапа: исправительными винтами уровня перемещают пузырек к центру на первую половину дуги отклонения, на вторую половину – подъемными винтами.

2-я поверка. Горизонтальная нить АА сетки должна быть перпендикулярна оси вращения JJ нивелира (рис. 42, б).

Поверку выполняют таким образом. Ось вращения нивелира приводят по круглому уровню в отвесное положение. На расстоянии 20...30 м от нивелира устанавливают рейку и берут отсчет, наводят левый конец средней горизонтальной нити на рейку и берут отсчет, перемещают наводящим винтом трубу в горизонтальной плоскости до пересечения правого конца средней горизонтальной нити и берут отсчет. Если нивелир исправен, то отсчет по рейке не изменяется или изменяется в пределах 1 мм, если – более чем на 1 мм, то он неисправен. Чтобы устранить неисправность, ослабляют исправительные винты сетки и развертывают диафрагму с сеткой нитей. Поверку повторяют.

3-я поверка. Визирная ось VV зрительной трубы должна быть параллельна оси ии цилиндрического уровня (рис. 42, в).

Выполнение поверки заключается в следующих действиях. На местности выбирают две точки А и В с расстоянием между ними 60 – 80 м. Точки закрепляют колышками, нивелир устанавливают посередине между точками и берут отсчеты a₁ и b₁ по рейкам. После этого вычисляют превышение h₁ = a₁ – b₁. Далее нивелир из середины перемещают к точке В таким образом, чтобы расстояние от него до рейки составляло 2 – 3 м. По рейкам берут отсчеты а₂ и b₂ и вычисляют превышение h₂ = а₂ – b₂ .

Если | h₁ – h₂ | ≤ 4 мм, то нивелир пригоден к эксплуатации. Если разность превышений больше 4 мм, вычисляют правильный отсчет по дальней рейке а₂' = b₂ + h₂.

Микрометренным винтом наводят на этот отсчет горизонтальную нить сетки, при этом пузырек цилиндрического уровня отклоняется от середины. Ослабляют боковые исправительные винты уровня и приводят вертикальными винтами пузырек уровня на середину. Поверку повторяют до выполнения условия | h₁ – h₂ | ≤ 4 мм.

4.3.1.3. Установка нивелира

Установка нивелира производится на штативе. Наконечники ножек штатива ногой вдавливаются в грунт.

Нивелир устанавливается на штативе так, чтобы наконечники подъемных винтов вошли в пазы на головке штатива. Становым винтом нивелир закрепляется на штативе. При закручивании этого винта не следует прикладывать большие усилия, так как в противном случае быстро изнашивается резьба подъемных винтов.

4.3.1.4. Порядок работы на станции

Порядок работы включает следующие действия.

1. Приведение вертикальнойоси нивелира в отвесное положение подъемными винтами 4 (см. рис. 39)поустановочному уровню7(см. рис. 38).

2. Получение четкого изображения сетки вращением втулки окуляра 1(см. рис. 38).

3. Получение резкого изображения рейки на сетке вращением головки трибки 5 (см. рис. 38) фокусирующего устройства. Изображения рейки и сетки должны быть видны одинаково резко.

4. Грубая наводка на рейку с помощью механического визира 3 (см. рис. 38).

5. Точная наводка нивелира на рейку с помощью наводящего (микрометренного) винта 6 (см. рис. 38).

6. Совмещение концов пузырька уровня при трубе элевационным винтом 9 (см. рис. 38). Совмещение выполнено, если оба пузырька образуют полукруг (см. рис. 41).

7. Снятие отсчета по рейке.

4.3.1.5. Способы геометрического нивелирования

Различают геометрическое нивелирование "вперед" (рис. 43) и "из середины" (рис. 44).

Рис. 43. Геометрическое нивелирование "вперед"

Рис. 44. Геометрическое нивелирование "из середины"

При нивелировании "вперед" измеряют высоту инструмента i (расстояние по вертикали от колышка до середины окуляра трубы) и берут отсчет по рейке О (расстояние по вертикали от колышка до проекции средней нити на рейку), тогда превышение h точки В над точкой А находят из выражения

h = i – O.

Например, i = 1756 мм, О = 1112, тогда h = 1756 – 1112 = 0644 мм.

При нивелировании "из середины" берут отсчеты по задней О_А и передней О_В рейкам, тогда превышение h точки В над точкой А вычисляют по формуле

h = О_А – О_В.

Например, О_А = 2534, О_В = 0912 , тогда h = 2534 – 0912 = = 1622 мм.

Величина превышения будет положительной, если точка В выше точки А, и наоборот, – отрицательной, если точка В ниже точки А. Превышение – это всегда разность отсчетов назад и вперед. Иногда отсчет по рейке называют "взглядом" и поэтому превышение равно "взгляду назад" минус "взгляд вперед".

Место установки нивелира называется станцией. С одной станции можно брать отсчеты по рейкам, установленным во многих точках.

4.3.1.6. Вычисление высот точек

Высота (отметка, альтитуда) точки – расстояние по вертикали от основной уровенной поверхности (средний уровень Балтийского моря) до этой точки.

На рис. 45 видно, что отметка точки В как при нивелировании вперед, так и при нивелировании из середины, вычисляется через превышение h, т. е.

Н_В = Н_А + h.

Рис. 45. Вычисление высот точек при нивелировании "вперед"(а)
и из "середины" (б)

При использовании понятия горизонт инструмента ГИ, а это высота визирного луча, отметку точки В можно получить из следующих выражений:

– при нивелировании вперед Н_В = ГИ – О, где ГИ = Н_А + i;

– при нивелировании из середины Н_В = ГИ – О_В,

где ГИ = Н_А + О_А.