Сущность, виды и назначение нивелирования.

Нивелирование - вид геодезических измерений (вертикальная съемка), в процессе которых определяют превышения одних точек местности над другими, а также сами высоты этих точек относительно принятой исходной (отсчетной) уровенной поверхности (как уже отмечалось, в России высоты точек местности определяются в Балтийской системе высот - от нуля Кронштадского футштока).

По методам измерений и применяемым приборам нивелирование делится на геометрическое, тригонометрическое (геодезическое), физическое, стереофотограмметрическое и механическое.

Геометрическое нивелирование - определение превышения между двумя смежными точками с помощью горизонтально установленного визирного луча, относительно которого производятся отсчеты на отвесно стоящих рейках с делениями. Горизонтальное положение визирного луча может быть задано приборами: нивелирами, теодолитами с уровнем при трубе и кипрегелями. Из всех видов нивелирования геометрическое самое точное. Его недостаток - небольшая длина визирного луча от прибора до рейки.

Тригонометрическое нивелирование основано на использовании тригонометрической зависимости между превышением, углом наклона визирного луча и расстоянием между нивелируемыми точками. По сравнению с геометрическим оно удобно при больших расстояниях и превышениях между точками, но уступает ему в точности. Оно является основным видом определения высот реечных (пикетных) точек при топографических съемках местности.

Физическое нивелирование бывает барометрическим, гидростатическим и радиолокационным (аэрорадионивелирование).

Барометрическое нивелирование выполняется с помощью барометров. При этом нивелировании по величинам атмосферного давления в двух точках определяется превышение между ними с учетом температуры воздуха, а иногда и влажности. По точности барометрическое нивелирование ниже геометрического и тригонометрического. Погрешности могут достигать 1- 2 м. Однако на небольших территориях при определенной методике работ точность может быть повышена до ±0,5 м.

Гидростатическое нивелирование базируется на фиксации разности уровней жидкости в двух сообщающихся сосудах. Оно позволяет устанавливать превышения с погрешностями порядка ± 0,5 мм, а с использованием высокоточных приборов - до 0,1 мм. Применяется при монтаже технологического оборудования, определении осадок зданий и сооружений.

Радиолокационное нивелирование основано на получении абсолютных высот с самолета при помощи специальных высотомеров. Погрешности определения высот от десятых долей до нескольких метров в зависимости от рельефа местности и используемого оборудования.

По результатам спутниковых измерений можно определить пространственные координаты точек местности в автономном режиме с точностью около 1м и в дифференциальном, т.е. относительно точек с известными координатами, с точностью до сантиметров и точнее. Для этого используются спутниковые системы ГЛОНАСС (ГЛОбальная Нави-гационная Спутниковая Система, Россия) и NAVSTAR (NAVigation Sattelite providing Time and Range - навигационная спутниковая система, США).

Стереофотограмметричеокое нивелирование базируется на определении высотного положения точек местности с летательных аппаратов и последующей обработки стереомоделей местности. Оно является основным методом съемки выраженного рельефа при составлении планов и карт обширных территорий. Точность измерений может достигать нескольких сантиметров.

Механическое нивелирование производится приборами, установленными на движущихся по земной поверхности механизмах (велосипедах, автомашинах и т. д.). При этом профиль местности вычерчивается автоматически для линии движения механизма. Точность этого нивелирования 0,2-0,3 м на 1 км расстояния, что достаточно при изысканиях дорог, линий электропередач и т. д.

Основным видом нивелирования является геометрическое, которое производится при помощи геодезических приборов - нивелиров.

Геометрическое нивелирование по технологии и точности работ разделяется на I, II, III и IV классы и техническое нивелирование.

Нивелирование I, II, III и IV классов составляет государственную нивелирную сеть, которая является высотной основой топографических съемок всех масштабов и геодезических измерений, проводимых для удовлетворения потребностей народного хозяйства и обороны страны.

Нивелирная сеть I и II классов является главной высотной основой, посредством которой устанавливается единая система высот на всей территории России. Она также предназначается для научных целей, связанных с изучением колебаний земной коры. Периметры полигонов нивелирования I и II классов на европейской территории страны составляют в среднем соответственно 2800 и 600 км.

Нивелирные сети III и IV классов и технического нивелирования служат высотной основой топографических съемок и предназначаются для решения различных инженерных задач (планировка, застройка и благоустройство населенных пунктов; проектирование и строительство дорог, оросительных и осушительных систем; водоснабжение, канализация и т. п.).

Нивелирные ходы закрепляют на местности постоянными знаками (реперами, марками) и временными знаками - точками съемочной сети.

На застроенной территории распространенным типом постоянного нивелирного знака является стенной репер из чугуна, который закладывают в стене (фундаменте) каменного здания (сооружения) на цементном растворе так, чтобы его торцевая часть выступала от поверхности стены примерно на 5 см. Рядом с репером к стене здания прикрепляют охранную металлическую табличку с надписью: «Геодезический пункт охраняется государством». На торцевой стороне репера указаны номер и учреждение, заложившее репер.

На незастроенной территории в землю закладываются грунтовые реперы - железобетонные столбы, металлические трубы с якорем в виде усеченной пирамиды из бетона или используют пункты плановой геодезической сети. Рядом с репером устанавливают железобетонный опознавательный знак с охранной табличкой.

Для закрепления результатов технического нивелирования в качестве грунтового репера применяют металлические трубы или железобетонные пилоны с приваренной или вделанной в бетон маркой. В качестве временных нивелирных знаков также используют отмеченные масляной краской характерные выступы железобетонных опор ЛЭП, мостов, фундаментов зданий, больших камней (валунов) и др., а также костыли или гвозди, забиваемые в деревянные строения, опоры линий связи и др., а также вкопанные в землю отрезки железобетонных или деревянных столбов, асбестоцементных и металлических труб, рельсов, уголкового железа, на которые устанавливают рейки при выполнении нивелирных работ.

5.12.2. Способы определения превышений и высот точек при геометрическом нивелировании

Геометрическое нивелирование выполняют при помощи нивелира и нивелирных реек.

Нивелир - геодезический прибор, обеспечивающий при работе горизонтальную линию визирования. Он представляет собой сочетание зрительной трубы с цилиндрическим уровнем или с компенсатором. Уровень и компенсатор служат для приведения визирной оси в горизонтальное положение.

Нивелирные рейки - это деревянные или металлические бруски длиной 1,5; 3; 4 или 5 м (рис.5.37).

По конструкции они бывают: цельные, складные и раздвижные. На нижнем конце рейки закреплена стальная пластина (пятка); деления реек - сантиметровые. На одной из сторон рейки (черной) деления нанесены черным цветом на белом фоне, на другой (красной) - красным. Нуль делений черной стороны рейки совпадает с нижней плоскостью пятки. Деления красной стороны нанесены и подписаны так, что с нижней плоскостью пятки совпадает отсчет, равный 4687 или 4787.

Рис. 5.37. Нивелирные рейки

а - цельная, черная сторона; б - складная.

Для удобства и быстроты установки в рабочее положение рейки иногда снабжают круглыми уровнями и ручками. Нивелирные рейки различают по точности нивелирования. Например, шифр РН-10П-3000С означает, что это рейка нивелирная, со шкалой деления 10 мм, подписью цифр «прямо», длиной 3000 мм, складная.

Нивелирным отсчетом по рейке называют отрезок отвесной линии от точки, на которой стоит рейка, до горизонтальной визирной оси. Отсчеты и превышения выражают в миллиметрах и записывают их с округлением до миллиметра.

Геометрическое нивелирование заключается в определении превышения h_АВ (рис. 5.38) точки В над точкой А.

Рис. 5.38. Схема геометрического нивелирования

а) - из середины; б) - вперед

Точки закрепляют на местности забитыми в землю деревянными кольями, металлическими костылями и др., обеспечивающими прочное, без осадок положение их по высоте.

Существуют два способа геометрического нивелирования: вперед и из середины.

Нивелирование из середины. Если в процессе измерения превышения между двумя точками А и В посередине между ними расположить нивелир, задающий горизонтальный визирный луч, а на точках установить отвесно рейки (рис.5.39, а), то такой способ называется нивелированием «из середины».

Место установки нивелира для работы называют станцией. Если нивелирование производят в направлении от точки А к точке В, то рейка, стоящая на точке А, называется задней, а на точке В - передней. Высота горизонтального визирного луча над точкой А определяется отсчетом «а» по задней рейке, полученным по средней горизонтальной нити сетки, видимой в поле зрения зрительной трубы нивелира. Высота горизонтального визирного луча над точкой В определяется отсчетом вперед «в» по передней рейке.

На рис.5.38 видно, что превышение между точками

h_АВ = а - в,

т.е. при нивелировании из середины превышение равно отсчету по задней рейке «а» минус отсчет по передней рейке «в».

Нивелирование вперед. Если же нивелир установить над точкой А на одной отвесной линии с ней (рис.5.38, б), а в точке В - отвесно рейку, то превышение определим способом „вперед", тогда

h_АВ = i - в,

т.е. при нивелировании вперед превышение равно высоте нивелира «i» минус отсчет по передней рейке «в».

В обоих случаях при известной высоте Н_А точки А и измеренном превышении между определяемой точкой В будем иметь

НВ = НА + hАВ

(5.30)

 

т.е. высота последующей точки равна высоте предыдущей точки плюс превышение между ними.

Высоты точек можно вычислять и через горизонт нивелира (ГН). На рис. 5.38, б видно, что

НВ = ГН - в,

(5.31)

где ГН = Н_А + а и ГН = Н_А + i.

Численно горизонт нивелира (ГН) равен высоте визирного луча над исходной уровенной поверхностью.

Определение высот точек через горизонт нивелира находит широкое применение в инженерно-строительной практике для определения высот нескольких точек с одной установки нивелира.

Нивелирование «из середины» обладает следующими преимуществами перед нивелированием «вперед»:

· при одном и том же числе установок прибора скорость выполнения работ увеличивается примерно в два раза.

· погрешности прибора, отклоняющие визирный луч от горизонтального положения, примерно одинаковы по знаку и размеру в заднем и переднем отсчетах и почти не входят в превышение h_АВ.

Нивелирный ход. Нивелирование, как правило, начинают с исходного репера (марки) или с точки, высота которой известна. Указанное выше нивелирование производится с одной постановки прибора в пределах одной станции. Если требуется определить превышение между точками А и К (рис. 5.39), значительно удаленными одна от другой, то нивелирование производят с нескольких станций, последовательно связывая каждую станцию со смежной. Таким образом составляется нивелирный ход.

В процессе такого последовательного нивелирования точки, общие для двух смежных станций, например, точки В, С и D, называются связующими (рис.5.39).

В случае когда нивелирование производится с целью составления профиля местности по линии А, В, С, D, К (рис.5.39), определяют высоты этих точек (при условии, что Н_А известно):

Н_В=Н_А + h₁; Н_С=Н_В + h₂; Н_D =Н_C - h₃; Н_К =Н_D - h₄,

Рис. 5.39. Схема последовательного (сложного) нивелирования.

т.е. происходит последовательная передача высоты через связующие точки по нивелирному ходу. Между этими точками на местности измеряются расстояния, и они должны быть закреплены, чтобы на них можно было ставить нивелирные рейки.

Если нивелирование производится с целью определения высоты Н_К конечной точки при заданной высоте Н_А начальной точки, то искомая высота будет равна

НК= НА + (h1+ h2 - h3 - h4) = НА ±∑ h,

(5.32)

т.е. высота конечной точки равна высоте исходной точки плюс сумма превышений по нивелирному ходу. В этом случае в качестве связующих точек используют временные точки, обозначаемые переносными металлическими костылями или башмаками (рис. 5.40).

При нивелировании особое внимание должно быть уделено связующим точкам, так как погрешность, допущенная в высоте связующей точки, передается на все остальные.

При производстве технического нивелирования вместо башмаков и костылей разрешается пользоваться простыми железными костылями или деревянными кольями длиной не менее 20 см. При неустойчивых грунтах, особенно в болотистых местах, рейки и нивелир ставят на более длинные колья, вбиваемые в грунт до отказа.

Рис. 5.40. Переносные опоры для реек:

а - костыль; б - башмак.

Если нивелирный ход прокладывают для передачи высоты с исходного репера на определяемую точку так называемым висячим ходом, то для контроля ход должен быть двойным, проложенным в прямом и обратном направлениях.

При изысканиях дорог и других линейных сооружений в результате последовательного нивелирования получают высоты всех характерных точек рельефа по оси будущего сооружения, по которым затем можно составить продольный профиль. Попутно производят определение высот точек (промежуточных), расположенных в характерных местах вдоль перпендикуляров к оси будущего сооружения. Такие определения относят к поперечному нивелированию.

Для планировки местности при возведении различных инженерных сооружений, городских и поселковых улиц требуется нивелирный план участка в горизонталях; он получается в результате нивелирования поверхности.