§ 140. Высокоточное и точное геометрическое нивелирование

Высокоточное и точное геометрическое нивелирование применяется при нивелировании в высотных сетях I, II, III и IV классов, при сгущении этих сетей, создании специального высотного обоснования, при решении большого круга инженерных научно-технических задач, связанных с изучением деформаций земной поверхности и инженерных сооружений, монтаже технологического оборудования и др.

Деление на высокоточное и точное геометрическое нивелирование несколько условное и относительное. Так, нивелирование в сетях I и II классов относят к высокоточному, а в сетях III и IV классов – к точному. При разработке специальных методик по наблюдениям за деформациями, например, вообще некорректно делать такое деление, поскольку в каждом конкретном случае устанавливается необходимая точность измерений, что, в частности, обусловливает использование лишь приборов, относящихся к тому или иному классу точности.

При рассмотрении способов геометрического нивелирования (гл. 9) поверхность Земли принимали за шар, т.е. уровенные поверхности принимали за концентрические сферы. В действительности, из-за того, что Земля представляет собой сложную фигуру с неравномерным распределением масс, уровенные поверхности в общем случае не параллельны друг другу. При этом даже для Земли-сфероида на полюсах уровенные поверхности сближаются, а на экваторе – растягиваются (рис. 15.3). Непараллельность уровенных поверхностей вызывает два основных следствия.

Первое следствие определяет, что результат нивелирования зависит от пути нивелирования между пунктами. Предположим, что выполняется нивелирование между пунктами А и В (рис. 15.4). Пройдем путь от точки А до точки С, а затем – по уровенной поверхности до точки В. Второй путь нивелирования образуем от точки А по уровенной поверхности до точки ВО, а затем – от точки ВО до точки В.

Очевидно, что при движении по первому пути получим превышение точки В, равное АС, а по второму пути – превышение, равное ВОВ, поскольку движение по уровенной поверхности не изменяет высоты точки. Из рисунка видно, что при непараллельных уровенных поверхностях АС ≠ ВОВ. Далее, при нивелировании по физической поверхности, что практически и делается, получится третий результат:

370

Рис. 15.4. Иллюстрация влияния непараллельности уровенных поверхностей на результат нивелирования

не равный первым двум. Следовательно, в результат нивелирования необходимо вводить поправку за непараллельность уровенных поверхностей.

Второе следствие устанавливает, что высоты точек, расположенных на одной уровенной поверхности, в общем случае не равны друг другу. Это связано с неравномерным распределением плотных масс внутри Земли, что приводит к искривлению линий силы тяжести, отвесных линий, кривизна которых становится двоякой, а уровенные поверхности становятся сложными по форме. Хотя изменение уровенных поверхностей и остается плавным, а сами они остаются выпуклыми. В связи с этим высоты уреза воды по границе водоема будут изменяться. Например, для озера Севан на расстоянии более 60 км между северной и южной его частями разность высот урезов воды составляет около 90 мм.

Учет уклонений линий силы тяжести довольно сложный, но он необходим для вычисления поправок в превышения hi за непараллельность уровенных поверхностей, вызванную неравномерностью распределения масс в теле Земли. Указанные поправки примерно на порядок меньше, чем первые, однако во многих случаях обе они могут оказаться весьма большими. Например, для высоких гор (Эверест) первая поправка составляет 20 м, вторая – 2 м.

Внастоящее время в России применяется т.н. система нормальных высот (предложена М.С.Молоденским). В этой системе высот точно учитывают обе поправки за непараллельность уровенных поверхностей. Геометрически нормальная высота – это расстояние по нормали от точки до отсчетной уровенной поверхности. Но высоты эти имеют особенности, указанные выше.

Всистеме динамических высот для точек одной и той же уровенной

поверхности высоты одинаковые, даже если эти точки находятся на разных

371

широтах. Название динамические высоты говорит не о геометрическом смысле высот, а о физическом, о работе, которую следует совершить в гравитационном поле Земли при переходе от исходной уровенной поверхности к уровенной поверхности искомой точки.

Ранее применялась система ортометрических высот, в которой отсчет высот выполняли от поверхности геоида. Точно такие высоты вычислить невозможно, поскольку остается неизвестной плотность вещества Земли в каждой точке.

Частично источники погрешностей при геометрическом нивелировании рассмотрены в гл. 9. В полной мере они действуют и при высокоточном и точном нивелировании.

Наиболее существенной приборной погрешностью нивелиров является невыполнение главного условия. Установленное допустимое невыполнение главного условия для точных и высокоточных нивелиров может составлять 10". Однако даже при небольших изменениях температуры прибора отступление от главного условия может измениться. Например, при изменении температуры на 1оС угол между визирной осью зрительной трубы и осью контактного уровня может измениться на 0,5". При разностях плеч в 10 м погрешность в превышении может из-за этого увеличиться на величину, сопоставимую с точностью измерений.

Здесь и далее необходимо иметь в виду, что изменение главного условия может произойти в лучшую сторону, однако это остается неизвестным наблюдателю. Как показывает практика, ожидать в таких случаях всегда следует худшего.

В некоторых случаях требуется выполнять защиту прибора от температурных воздействий использованием специального термозащитного кожуха. Измерения необходимо организовывать по симметричной программе, перед началом работ, а также при переходах из помещения на улицу и с улицы в помещение прибор следует выдерживать в условиях измерений не менее 45 минут. В некоторых случаях поверку главного условия выполняют отдельно на улице и в помещении, если схема измерений предусматривает такие переходы.

Из-за прилипания жидкости ампулы контактного уровня наблюдается преждевременная остановка пузырька при горизонтировании прибора. То же самое может произойти и с компенсатором. Преждевременная остановка движения чувствительного элемента компенсатора называется погрешностью недокомпенсации. Для ослабления действия указанного фактора совмещение концов пузырька уровня следует всегда выполнять движением элевационного винта на ввинчивание. Кроме того, такой прием позволяет ослабить действие люфта в ситеме элевационного винта. В нивелирах с компенсаторами необходимо контролировать значения отсчетов при механическом слабом воздействии на корпус прибора. Если отсчет не изменяется, то недокомпенсация практически отсутствует.

Такой же прием работы только на ввинчивание позволяет частично устранить погрешность из-за люфта в механической части системы отсчетного микроскопа.

372

У нивелиров, у которых точка поворота зрительной трубы элевационным винтом несколько смещена относительно вертикальной оси вращения зрительной трубы, следует весьма тщательно приводить вертикальную ось в отвесное положение. В противном случае будет наблюдаться разворот визирной оси, что может привести к неизвестной погрешности в отсчете.

Погрешности делений инварных нивелирных реек определяют на специальных компараторах. Затем эти погрешности, как систематические, вводят со своими знаками в средний метр комплекта нивелирных реек. При работе особой точности указанные погрешности вводят в отсчет.

Полностью устраняются погрешности из-за неравенства высот нулей реек и несовпадения основных шкал с плоскостью пяток, если измерения в ходе нивелирования выполнять с четным числом станций и при перестановке реек на соседних станциях по схеме: станция i (задняя А; передняя – В); станция (i+1) (задняя – В; передняя – А).

Несмотря на малый коэффициент линейного расширения инвара, при высокоточных измерениях для каждой из реек определяют значение этого коэффициента. При измерениях в солнечную погоду датчиками измеряют температуру инварной полосы и вводят систематические поправки в отсчеты или превышения, измеренные на станции.

§ 141. Нивелирование I класса

Нивелирование I класса выполняют в Государственных нивелирных сетях с наивысшей точностью, которая может быть обеспечена приборами и соответствующими методиками измерений. В настоящее время нивелирование I класса выполняют нивелирами Н05 (увеличение зрительной трубы не менее 45Х, цена деления контактного уровня не более 12", дена деления отсчетного микрометра 0,05 мм) с штриховыми двушкальными инварными рейками, имеющими погрешность метровых интервалов не более 0,15 мм.

Нивелирование проводят по двум отдельным параллельным линиям (по двум парам костылей), по правой и левой сторонам хода (рис. 15.5).

Рис. 15.5. Схема нивелироваия I класса

Последовательность отсчетов на станциях определена следующей схемой:

373

- при прямом ходе на нечетных станциях наблюдение начинают с задней рейки правой линии нивелирования:

- при прямом ходе на четных станциях наблюдения начинают с передней рейки правой линии нивелирования:

- при обратном ходе на нечетных станциях наблюдения начинают с передней рейки правой линии, а на четных станциях – с задней рейки правой линии (при обратном ходе правая линия нивелирования становится левой и наоборот).

Прямой и обратный ходы прокладывают по одной и той же трассе и по переходным точкам того же типа. В одной секции следует устраивать четное число ставнций (одна секция имеет длину 25 – 30 км). При переходе от прямого хода к обратному рейки меняют местами.

Прямой и обратный ходы в каждой секции следует прокладывать в разные половины дня в установленное для наблюдений время (утром и вечером в периоды изотермии воздуха).

Расстояния от нивелира до реек измеряют рулетками. Разность плеч на станции не должна быть больше 0,5 м, а накопление разности плеч в одной секции не должно превышать 1 м.

Длина визирного луча на станции не должна превышать 50 м, а высота визирного луча над поверхностью земли быть не менее 0,8 м. При длинах визирного луча до 25 м допускается высоту визирного луча выдерживать до 0,5 м.

Штатив на станции устанавливают без перекосов и напряжений, ножки штатива следует располагать в одинаковых условиях. Костыли забивают в плотный грунт, в асфальт забивают специальные гвозди с полусферической головкой.

При измерениях и переходах со станции на станцию нивелир должен быть защищен от действия прямых солнечных лучей (зонтом или белой материей). Через каждые две станции необходимо измерять температуру воздуха вблизи нивелира.

Работа на станции выполняется в приводимой ниже последовательности.

374