Глава 9 НИВЕЛИРНЫЕ РАБОТЫ

§ 83. Способы и методы нивелирования

Нивелированием называют комплекс геодезических работ, связанных с измерением превышений и высот точек местности. Данные работы проводятся при решении различных инженерно-геодезических задач в строительстве, при высотной съемке местности, а также научно-технических задач при изучении динамических процессов движения земной коры, исследовании разностей уровня воды в морях и океанах, при изучении деформаций инженерных сооружений и др.

Существует несколько основных способов и методов нивелирования: геометрическое, тригонометрическое, гидростатическое, барометрическое, механическое, стереофотограмметрическое.

Геометрическое нивелирование выполняют с помощью горизонтального визирного луча, образованного прибором, например, нивелиром (§ 48, 51). Превышение между точками получают как разность отсчетов по рейкам, установленных в этих точках.

При использовании высокоточных нивелиров и соблюдении специальных методик измерений может быть обеспечена точность определения превышений (передачи абсолютных высот) до 0,5 – 0,7 мм на 1 км хода, до 0,05 – 0,10 мм и менее – на коротких базах, т.е. при сравнительно небольших (до 20 м) расстояниях между точками. При техническом нивелировании точность передачи высот составляет 20 – 50 мм на 1 км хода.

Указанный большой диапазон точности измерений (от 0,05 до 50 мм) позволяет применять данный способ практически при решении любых инже- нерно-геодезических задач по определению превышений и высот точек. Кроме того, способ геометрического нивелирования по исполнению работ сравнительно прост, не требует использования громоздкого оборудования, вычислительные действия могут выполняться непосредственно в поле.

Подробно выполнение работ методом геометрического нивелирования будет рассмотрено ниже в последующих параграфах настоящей главы.

Тригонометрическое нивелирование выполняют наклонным визирным лучом (рис. 7.25), образованным, например, оптической системой теодолита (§ 43). Часто такой вид нивелирования используют при создании высотного обоснования теодолитных ходов, при передаче высот через недоступные расстояния, при больших уклонах местности, в горных выработках, когда наблюдаемые точки находятся в кровле выработки, а также в выработках, имеющих значительный уклон.

При соответствующей организации работ погрешность в определении превышения данным способом может достигать 0,1 – 0,3 м на 1 км хода. На небольших базах при использовании точных и высокоточных приборов превышения можно определять с точностью до 1 – 2 мм.

238

Очевидно, что при использовании нивелирных реек и установке угла наклона визирной оси зрительной трубы ν = 0о (при установке на шкале вертикального круга значения места нуля) теодолитом можно реализовать способ геометрического нивелирования.

Следующие виды нивелирования (барометрическое, гидростатическое, радиолокационное) относятся к физическим методам нивелирования.

Барометрическое нивелирование основано на изменении атмосферного давления с изменением высоты точки местности. Точность этого метода небольшая, от 1 до 5 м, однако часто барометрическое нивелирование применяют геологи при поисковых работах в горной и значительно пересеченной местности, при больших перепадах высот.

Для нивелирования используют барометры-анероиды, в показания которых вводят поправки за влияние внешних условий. Поскольку атмосферное давление в каждой точке изменяется по метеорологическим условиям, то для повышения точности ходы барометрического нивелирования прокладывают замкнутыми (с возвращением к исходной точке), либо разомкнутыми (между точками с известными высотами).

При гидростатическом нивелировании используется свойство жидкостей устанавливаться в со-

Рис. 9.1. Гидростатическое нивелирование Погрешности в определении пре- вышений при использовании раз-

личных конструкций гидронивелиров могут находиться в пределах от 0,1 до 2 мм. При измерениях с точностью до 1 – 2 мм отсчеты по шкалам берутся визуально. При более точных измерениях уровень жидкости в каждом из сосудов регистрируют электрическим способом с помощью электрического контакта с микрометренным винтом, закрепленного на сосуде (в этом случае используется токопроводящая жидкость).

Гидростатические нивелиры являются чаще всего стационарными системами и содержат несколько измерительных сосудов, соединенных между собой гибкими шлангами. Такие системы устанавливают на плотинах гидроэлектростанций, в горных выработках при исследовании геомеханических процессов, на прецезионных технологических комплексах. Гидростатическое нивелирование используют при передаче высот через большие водные препятствия. Имеются конструкции гидронивелиров, позволяющие определять взаимное смещение точек на базе 50 м с погрешностью до 5 – 10 мкм.

239

Радиолокационное нивелирование используют при нивелировании земной поверхности с самолета или другого летательного аппарата (аэрорадионивелирование). Погрешность в определении высот в зависимости от условий съемки достигает 2 – 5 м (до 10 м).

Этот вид нивелирования применяют для построения профиля местности и определения высот фотографирования при аэрофотосъемке. Он основан на непрерывном измерении расстояния с самолета до поверхности земли с помощью излучаемого передатчиком электромагнитного сигнала и приема его после отражения от подстилающей поверхности. Регистрируется время τ нахождения сигнала на двойном пути s, т.е используется радиодальномер.

Механическое нивелирование используют, в основном, для профилирования железнодорожных путей, подкрановых наземных и высотных путей и балок. Специальные приборы позволяют автоматически регистрировать при перемещении по направляющим (рельсам) пройденное расстояние, высоту и профиль пути, а также уклоны. Погрешность в определении превышений составляет от 0,15 до 0,30 м на 1 км пройденного расстояния.

Стереофотограмметрическое нивелирование реализуется при обработке стереопар фотоснимков одной и той же местности, полученных как при наземной фототеодолитной съемке, так и при воздушной съемке с летательных аппаратов. При наземной съемке используют фототеодолиты, представляющие собой теодолит, совмещенный с фотоаппаратом. При воздушной съемке применяются специальные аэрофотоаппараты, устанавливаемые на самолете на гиростабилизированной платформе, позволяющей удерживать оптическую ось фотокамеры в отвесном положении, либо близком к отвесному положению.

Данный вид нивелирования широко применяют при составлении топографических планов и карт по фотоснимками, при наблюдениях за деформациями, происходящими на инженерных сооружениях, в том числе и в горных выработках, при исследовании поверхностных перемещений земной поверхности в локальных областях (чаще – склоновых процессов сдвижения земной поверхности).

§84. Способы геометрического нивелирования

Вглаве 5 , при рассмотрении вопросов поверок нивелиров, говорилось о способах геометрического нивелирования «из середины» и «вперед». Рассмотрим несколько подробнее каждый их этих способов.

Нивелирование из середины. Для определения превышения между точками

Аи В нивелир устанавливают посредине между ними (рис. 9.2 а), т.е.

обеспечивают равенство плеч LA = LB на станции. Разность отсчетов на заднюю точку А (З) и переднюю точку В (П) определяет искомое превышение передней точки над задней, если оцифровка шкал используемых реек возрастает от их основания:

240

Рис. 9.2. Способы геометрического нивелирования: нивелирование из середины (а); нивелирование вперед (б); последовательное

нивелирование (в)

т.е. по той же формуле (9.2), а высоту точки В – по формуле (9.3).

При нивелировании вперед нивелир может размещаться непосредственно в точке А (проекция окуляра зрительной трубы совпадает с положением точки А), либо вблизи этой точки на расстоянии, позволяющем получить четкое изображение шкалы рейки.

Кроме рассмотренных выше способов геометрического нивелирования существует способ последовательного или сложного нивелирования, в котором могут быть реализованы как способ нивелироваия из середины, так и способ нивелирования вперед (рис. 9.2 в).

Этот способ используется при передаче высот на сравнительно большие расстояния (при трассировании), при нивелировании рек, геофизических профилей, создании высотного обоснования и в других случаях.

Для привязки нивелирного хода геометрического нивелирования значительной длины целесообразно иметь в начале и конце хода нивелирные реперы: РА (начальный репер) и РВ (конечный репер). В этом случае нивелирование можно выполнять в ходе одного направления.

Точки хода, отсчеты на которые по рейке берут на соседних двух станциях, называют связующими (точки 1, 2, … , n - 1). Расстояние между связующими точками, имеющими нумерацию, часто определено, например,

241

100 м, 50 м. Связующие точки закрепляют на местности кольями, либо выбирают устойчивые точки местности, на которые при нескольких постановках можно однозначно устанавливать рейку.

Рассмотрим передачу высот по нивелирному ходу от начального репера на конечный репер при числе станций n:

Если сложить уравнения (9.5) и исключить из них в суммарном уравнении одинаковые слагаемые в правой и левой частях, то получим

i= 1

Разность высот исходных реперов хода

i= 1

В зависимости от назначения нивелирного хода соотвествующими инструкциями установлены допуски на величину невязки, зависящие от длины L хода, либо от фактического числа станций n при его проведении. Так, для технического нивелирного хода

если число станций n (штативов) на 1 км хода превышает 25.

Условие, которое определяет качественное выполнение нивелирных ра-

Если на местности в конце хода не имеется возможности выполнить привязку к реперу (репер расположен слишком далеко), то нивелирование выполняют в прямом и обратном направлениях. Обратный ход прокладывается только по связующим точкам, либо по другому кратчайшему пути по другим связующим точкам. В этом случае, поскольку НРепА = НРепВ, теоретическая сумма превышений hТЕОР = 0, как это следует из (9.7). Невязка же в превышениях будет равна

i= 1

Для определения допустимого значения невязки используют те же формулы (9.9) и (9.10) с учетом фактически пройденного расстояния в прямом и обратном направлениях, либо фактического числа станций.

242