4.3. 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…600 км, 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 работать ими людям 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 винт 9;

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

Наводящий и элевационный винты, головка трибки 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, окуляра 1 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 0,5 мм 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 2 мм.

Рейки маркируют. Например, тип РН–10П–ЗОООС означает, что это рейка нивелирная, со шкалой деления 10 мм, подписью цифр "прямо", длиной 3000 мм, 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).