Маслов А.В., Гордеев А.В., Батраков Ю.Г. - Геодезия

Нивелирование III, IV классов и техническое нивелирование служат высотной основой топографических съемок и предна˝зна- чаются для решения различных инженерных задач — планир˝овки, застройки и благоустройства городов и сельских населенн˝ых пунктов, проектирования и строительства дорог, оросительных˝ и осу-

шительных каналов, водоснабжения и т. п.

6.3. НИВЕЛИРНЫЕ ЗНАКИ

Для использования результатов нивелирования высшего кл˝асса в качестве геодезического высотного обоснования при пос˝ледующих нивелирных работах точки закрепляют на местности пос˝тоянными или временными нивелирными знаками — реперами и марками, обеспечивающими длительную сохранность и неподвижность во времени в пределах точности измерений.

Распространенным типом постоянного нивелирного знака я˝в- ляется стенной репер (рис. 6.2, à). Его отливают из чугуна, закладывают в выдолбленное шлямбуром углубление в стене камен˝ного здания (сооружения) и заполняют цементным раствором так, ч˝тобы его торцевая часть выступала от поверхности стены на 50 ˝мм. Рядом с репером к стене здания прикрепляют охранную метал˝ли- ческую таблицу размером 16 × 22 см с эмблемой герба и надписью: «Геодезический пункт охраняется государством». На торце˝вой стороне репера записаны учреждение, заложившее репер, и н˝омер репера.

Âнезастроенных зонах сезонного промерзания в землю закл˝а- дывают грунтовый репер — железобетонный столб квадратного се- чения, в верхней части которого закладывают марку (рис. 6.2, á).

Â1,5 м от репера устанавливают железобетонный опознаватель-

ный знак с охранной табличкой.

Для закрепления результатов технического нивелирования˝ в

качестве грунтового репера применяют металлические тру˝бы или

железобетонные пилоны (рис. 6.2, â) с приваренной или вделан-

ной в бетон маркой, на метровом расстоянии от которых уста˝нав-

ливают опознавательный знак — трубу с охранной металли˝ческой

табличкой.

Âкачестве временных нивелирных знаков используют отме-

ченные масляной краской характерные выступы железобето˝нных

опор ЛЭП, мостов, фундаментов зданий, больших камней (валу-˝

нов) и др., а также костыли или гвозди, забиваемые в деревянн˝ые строения, опоры линий связи, пень спиленного дерева, а такж˝е в

вкопанные в землю отрезки железобетонных или деревянных˝

столбов, асбестоцементных и металлических труб, рельсов, ˝угол-

кового железа и т. п., на которые устанавливают рейки при вы˝пол-

нении нивелирных работ.

161

Рис. 6.2. Стенной (à), грунтовый с маркой (á) реперы и железобетонный пилон

ñмаркой и охранной табличкой (â):

1 — опознавательный знак; 2 — железные скобы (якорь); 3 — граница промерзания грунта; 4 — охранный знак с металлической пластинкой; 5 — закладная марка

162

6.4. НИВЕЛИРЫ. НИВЕЛИРНЫЕ РЕЙКИ

Согласно ГОСТ 10528—90 нивелиры, как и теодолиты, разде-

ляют на высокоточные, точные и технические.

Êвысокоточным относят нивелир Н-0,5, предназначенный для нивелирования I и II классов, с погрешностью не более 0,5 мм на˝

1 км двойного хода.

Êточным относят нивелиры Н-3 (рис. 6.3, à), Í-3Ê (ðèñ. 6.4, à) и Н-3КЛ, предназначенные для нивелирования III и IV классов и

технического нивелирования, с погрешностью не более 3 мм ˝на

1 км двойного хода.

Рис. 6.3. Нивелир Н-3:

à — устройство нивелира: 1 — подставка (трегер); 2 — элевационный винт; 3 — окуляр; 4 — торцевая часть коробки цилиндрического уровня, где располож˝ены его исправительные винты; 5 — корпус зрительной трубы; 6 — коробка цилиндрического уровня; 7 — мушка; 8 — объектив; 9 — кремальерный винт для фокусирования; 10 — закрепительный винт; 11 — наводящий винт; 12 — круглый уровень; 13 — исправительные винты круглого уровня; 14 — подъемный винт; á — поле зрения трубы; â — схема контактного уровня: 1 — пузырек уровня (заштрихованы противоположные концы половинок пузырька уровня); 2 — ампула уровня с камерой; 3...5 — призмы, образующие блок призм; 6 — лупа, передающая изображение концов пузырька в глаз наблюдателя; 7 — ось уровня не горизонтальна; 8 — пузырек в нульпункте; 9 — камера

163

Рис. 6.4. Нивелиры с самоустанавливающейся линией визирования:

à — Í-3Ê; á — Í-10ÊË: 1 — наводящий винт; 2 — зрительная труба с компенсатором; 3 — окуляр; 4 — круглый уровень с исправительными винтами; 5 — подставка нивелира; 6 — подъемный винт; 7 — пружинящая пластинка с втулкой; 8 — горизонтальный круг; 9 — объект зрительной трубы

Технические нивелиры Н-10, Н-10К, Н-10КЛ применяют при

техническом нивелировании с погрешностью не более 10 мм н˝а 1 км двойного хода.

По способу приведения визирной оси в горизонтальное поло˝-

жение различают нивелиры с уровнем (Í-0,5, Í-3, Í-10) è ñ компенсатором (Н-3К, Н-10К), автоматически приводящим визирную ось в горизонтальное положение. Их называют нивелирами с ˝са-

моустанавливающейся линией визирования и применяют пре˝имущественно на зыбких неустойчивых поверхностях. Некоторы˝е нивелиры снабжены горизонтальным кругом с лимбом (Н-3КЛ, Н-10Л, Н-10КЛ) для измерения горизонтальных углов (рис. 6.4, á).

Способы компенсации углов наклона и принцип действия

компенсатора нивелира Н3К приведены в приложении 1.

Цифровые нивелиры серий Trimble DiNi — значительный шаг

вперед. По сравнению с оптическими нивелирами они обладаю˝т

рядом технических новшеств: система автоматического счи˝тыва-

ния по рейке со специальным штрих-кодом, точное измерение˝ расстояний, оптико-электронный лимб горизонтального кру˝га (DiNi 12 Т), карта памяти хранения данных и компенсатор. При использовании цифровых нивелиров значительно повышаетс˝я производительность труда и точность нивелирования, так к˝ак ис-

ключаются личные погрешности наблюдателя (ошибки отсчет˝а,

записи и вычислений), а все измерения и вычисления выполня˝ются в автоматическом режиме по специальной программе. Ниве˝лир может быть укомплектован программным пакетом, который по˝- зволяет вносить и исключать информацию, делать вычислени˝я,

164

строить планы, вычислять объемы земляных работ и создават˝ь

цифровые модели местности.

Самый распространенный из них — нивелир Н-3 (см. рис. 6.3, à). С левой стороны зрительной трубы с внутренней фокусировкой расположен цилиндрический контактный уровень,

предназначенный для повышенной точности приведения виз˝ирной оси в горизонтальное положение при помощи элевационного винта перед отсчетом по рейке. Изображение рейки и контактное (совмещенное) изображение концов пузырька уровня в момен˝т

приведения его на середину наблюдатель видит в поле зрени˝я тру-

áû (ðèñ. 6.3, á).

Передача изображения концов пузырька контактного цилин˝д- рического уровня в поле зрения трубы осуществляется поср˝ед-

ством призменного устройства, расположенного над уровне˝м

(ðèñ. 6.3, â). Ампула контактного уровня имеет запасную камеру, позволяющую регулировать длину пузырька, зависящую от темпе-

ратуры воздуха, и видеть контакт концов пузырька уровня в˝ поле зрения трубы. Камера отгорожена стеклянной пластинкой в к˝онце

ампулы уровня, обращенном к окуляру зрительной трубы. Поэ˝тому для уменьшения пузырька уровня, сняв нивелир со штатив˝а,

наклоняют его объективом вниз и легким встряхиванием его˝ переводят часть жидкости из камеры в ампулу. Для увеличения дл˝ины

пузырька уровня нивелир наклоняют окуляром вниз.

Нижняя часть нивелира представляет собой такую же подста˝в-

ку с тремя подъемными винтами, как у теодолита. Ее прикрепл˝я-

ют к штативу при помощи станового винта. К подставке нивел˝ира прикреплен круглый уровень, при помощи которого нивелир приводят в рабочее положение, обеспечивающее действие элева˝цион-

ного винта, приводящего концы пузырька цилиндрического у˝ров-

ня в контакт.

Нивелир с компенсатором Н-3К и Н10КЛ (рис. 6.4) тоже имеет круглый уровень при подставке, обеспечивающий действие к˝омпенсатора — автоматически приводить визирную ось в гор˝изонтальное положение.

Компенсаторы бывают жидкостными и маятниковыми. Для жидк˝остных компенсаторов используют отражающие и преломляющие сво˝йства жидкости, верхняя поверхность которой горизонтальна, а нижняя накл˝оняется вместе с прибором.

Маятниковые компенсаторы бывают механическими и оптико˝-механически- ми. У механических компенсаторов горизонтальность визир˝ной оси достигается вертикальным перемещением сетки нитей, а у оптико-механич˝еских — изменением пути луча при прохождении его через призмы и линзы, подв˝ешенные на специальных (платиновых) нитях.

Разработаны и другие типы компенсаторов и не только для н˝ивелиров, но и для теодолитов при их вертикальных кругах.

Нивелирные рейки согласно ГОСТ 10528—90 изготовляют трех типов: РН-05, РН-3, РН-10. Цифры, стоящие после букв РН —

165

совпадающего с нижней железной по-

верхностью пятки рейки (см. рис. 6.4, à), а на красных сторонах — от произвольного некруглого числа, не повторяющегося на ч˝ерной стороне, например от отсчета 4687 мм (см. рис. 6.5, á). В результате разность отсчетов по обеим сторонам пары реек, при од-

ном и том же горизонте нивелира — величина постоянная, по˝зво-

ляющая контролировать отсчеты по рейкам и повышать точно˝сть

определения превышения двукратным измерением.

6.5. ПОВЕРКИ НИВЕЛИРОВ И РЕЕК

До начала работы нивелир подвергают внешнему осмотру, что˝- бы убедиться в наличии и исправности всех частей и принад˝лежностей, в плавности движения их при вращении винтов, четко˝сти

изображений, даваемых зрительной трубой, определяют увел˝иче-

ние трубы, рассчитывают точность визирования по формуле (2.11), определяют цену деления цилиндрического уровня.

У нивелиров с цилиндрическим уровнем и компенсатором про˝- водят поверки следующих условий.

166

1.Ось круглого уровня должна быть параллельна оси вращени˝я

нивелира. Теория поверки этого условия изложена в разделе˝ 2.9, и на основе ее, действуя подъемными винтами, приводят пузыр˝ек уровня в нуль-пункт. Затем поворачивают нивелир вокруг ве˝ртикальной оси на 180°. Если пузырек уровня оказался в нуль-пунк˝те,

то условие выполнено. В противном случае, действуя подъем˝ными винтами, смещают пузырек уровня в направлении к нуль-пунк˝ту

на половину дуги отклонения, а затем исправительными винт˝ами (три исправительных винта находятся под круглым уровнем)˝ при-

водят пузырек в нуль-пункт. Чтобы убедиться в правильност˝и ис-

правления, нивелир поворачивают снова на 180°, и так действу˝ют до тех пор, пока при вращении нивелира пузырек уровня не бу˝дет оставаться в нуль-пункте.

2.Горизонтальная нить сетки должна быть перпендикулярна

оси вращения нивелира. Для поверки этого условия по рейке˝, отстоящей от нивелира на расстоянии 5...10 м, берут отсчеты по об˝о-

им концам горизонтальной нити сетки. Если они одинаковы, т˝о условие выполнено, в противном случае, действуя исправите˝ль-

ными винтами сетки нитей, поворачивают ее до получения од˝инаковых отсчетов.

3.Визирная ось зрительной трубы должна быть параллельна оси цилиндрического уровня (у нивелира с уровнем) или визи˝р-

ная ось должна быть горизонтальна (у нивелира с компенсат˝о- ром). Это главное условие. Его поверяют двумя способами.

С п о с о б 1. Он состоит в двойном нивелировании вперед,

т. е. в нивелировании с двух станций, располагающихся на ко˝нцах линии ÀÂ (ðèñ. 6.6, à, á) длиной 50...70 м. На станции 1 (ñì. ðèñ. 6.6, à) отсчетом по рейке на точке À измеряют высоту нивелира i1 è

по рейке, стоящей в точке Â, берут отсчет υ1, который больше пра-

вильного на величину õ, представляющую ошибку отсчета из-за не-

выполнения условия. Тогда превышение между точками À è Â

h = i1 – (υ1 – x) = i1 – υ1 + x.

На станции 2 у точки Â (ñì. ðèñ. 6.6, á) измеряют высоту нивелира i2 и берут отсчет по рейке υ2, по которому получим то же пре-

вышение h = υ2 – x – i2.

Так как левые части полученных равенств равны, то

i – υ1 + x = υ2 – x – i2,

откуда

õ= (υ1 + υ2)/2 – (i1 + i2)/2,

ò.е. ошибка из-за невыполнения условия равна полусумме от˝сче- тов по рейке минус полусумма высот нивелира. Если õ ≤ 4 ìì, òî

условие считают выполненным. В противном случае для станц˝ии

2 вычисляют верный отсчет по рейке υ = υ2 – õ.

167

Рис. 6.6. Поверка главного условия нивелира:

à, á — способами двойного нивелирования вперед; â, ã — из середины и вперед

Вращая элевационный винт, устанавливают визирную ось на этот счет, вследствие чего пузырек уровня сойдет с середи˝ны

(изображения концов пузырька уровня в поле зрения трубы р˝а- зойдутся), и, действуя вертикальными исправительными вин˝тами

уровня, которые находятся в углублении корпуса нивелира с˝лева от окуляра зрительной трубы, приводят пузырек уровня на с˝ере-

дину (совмещают изображения концов пузырька уровня).

С п о с о б 2. Нивелирование линии производят с двух стан-

ций — из середины и вперед (рис. 6.6, â, ã). Первая станция (см.

ðèñ. 6.6, â) находится на равных расстояниях от реек, устанавлива-

емых на точках À è Â. По рейкам берут отсчеты ï1 è υ1, которые

отличаются от правильных отсчетов на одну и ту же величин˝уó,

представляющую собой ошибку в отсчетах из-за невыполнени˝я

условия. Тогда превышение между точками À è Â будет выражаться формулой

h = n1 – y – (υ1 – y) = n1 – υ1.

Это выражение свидетельствует о том, что при невыполнении˝ условия, но при равенстве расстояний от нивелира до реек о˝шибки в отсчетах по рейке компенсируются и по неправильным о˝т- счетам получают правильное значение превышения. В этом со˝стоит преимущество нивелирования из середины перед нивелир˝ова-

нием вперед.

168

Далее переносят нивелир на станцию 2 у точки À (ñì. ðèñ. 6.6, ã),

измеряют высоту нивелира i2 и вычисляют правильное значение отсчета по рейке, установленной на точке Â, υ = i2 – h.

Если отсчет по этой рейки со станции 2 совпадает с отсчетом υ или будет отличаться от него не более чем на 4 мм, то услови˝е счи-

тают выполненным. В противном случае, вращая элевационный˝ винт, устанавливают визирную ось на отсчет υ и, действуя верти-

кальными исправительными винтами уровня, совмещают изоб˝ражения концов пузырька уровня.

У нивелира с компенсатором приводят пузырек круглого уро˝в-

ня в нуль-пункт, после чего вертикальными исправительными˝ винтами сетки нитей устанавливают визирную ось на правил˝ьный отсчет.

После исправления нивелира эту поверку повторяют.

Нивелирные рейки перед полевыми работами осматривают, обращают внимание на качество окраски делений, проверяют˝

крепления к рейке круглого уровня (если он имеется), ручее˝к, металлических оковок на пятках, у соединений складных реек.˝

Поверки нивелирных реек состоят в поверке круглого уровн˝я (установив рейку при помощи отвеса в вертикальное положе˝ние),

в измерении контрольной линейкой метровых и дециметровы˝х отрезков. Расхождение между средней длиной метровых отрезк˝ов

пары реек допускается для нивелирования IV класса 0,8 мм, а дл˝я технического нивелирования 1,5 мм. Погрешности дециметров˝ых

делений допускаются для нивелирования IV класса 0,6 мм, а для˝

технического нивелирования 1 мм.

Поверяют также перпендикулярность пятки рейки к ее оси и определяют разность начала счета делений на черной и крас˝ной

сторонах рейки.

6.6. ВИДЫ НИВЕЛИРНЫХ РАБОТ. ПЕРЕДАЧА ВЫСОТЫ. КОНТРОЛЬ НА СТАНЦИИ

Для обеспечения высотами пунктов геодезического съемоч˝ного обоснования, построения профилей местности и составлени˝я крупномасштабных планов с детальным изображением релье˝фа проводят следующие виды нивелирных работ: передача высот˝ы с репера на пункт съемочного обоснования; нивелирование тр˝ассы линейного сооружения — дороги, канала, трубопровода, лин˝ии

электропередачи (ЛЭП); нивелирование поверхности равнин˝ного

земельного участка для составления плана с изображением˝ рельефа или цифровой модели рельефа (ЦМР).

Передача высоты на значительное расстояние с нивелирного ре-

пера (марки) на пункты съемочного обоснования или с одной ˝точ- ки на другую в целях определения превышения между ними (на˝-

пример, с точки забора воды на точку ее доставки при провед˝ении

169

водоснабжения) осуществляют проложение хода (полигона) техни-

ческого нивелирования с нескольких станций (см. рис. 6.1, ã). При нивелировании применяют способ из середины с рассто-

яниями от нивелира до реек до 100 м. Точки, на которых проводят отсчеты по рейке с двух смежных станций, называют связующими.

При передаче высоты связующие точки не закрепляют на мест˝-

ности. Места для них, как и для станций, выбирают в процессе˝ нивелирования, и расстояния до них от нивелира определяют˝ при

помощи нитяного дальномера, бечевы или даже шагами. На свя˝зу-

ющих точках рейки ставят на переносные фиксаторы — башм˝аки или костыли, вбиваемые в землю для обеспечения устойчивог˝о положения реек.

Башмак (ðèñ. 6.7, à) представляет собой чугунную или желез-

ную подставку с тремя шипами, в верхней части которой выступает небольшой стержень, обработанный под полусферу. На жел˝ез-

íîì костыле (ðèñ. 6.7, á) имеется такой же стержень. При отсутствии башмаков или костылей используют деревянные колья˝ дли-

ной 0,2...0,3 м и толщиной 4...5 см, которые прочно забивают в землю. В неустойчивый грунт, особенно в заболоченных мест˝ах,

не только для реек, но и для нивелира с уровнем вбивают в зе˝млю более длинные колья до отказа (рис. 6.7, â).

Каждое превышение между двумя соседними связующими точ- ками проверяют контролем на станции, т. е. превышение опреде-

ляют дважды как разности отсчетов по черным и красным сто˝ро-

нам реек. Расхождение значений превышения не допускают бо˝лее 5 мм. При большем расхождении значений превышения все сде˝- ланные записи в журнале нивелирования на этой станции акк˝у-

ратно зачеркивают и нивелирование повторяют.

При работе с односторонними рейками, определив на станции˝

одно значение превышения, изменяют горизонт нивелира не менее чем на 1 дм вниз или вверх и после новой установки нивел˝ира на этой станции определяют второе значение превышения по˝ тем же рейкам, которое не должно отличаться от первого более ч˝ем на 5 мм.

Рис. 6.7. Башмак (à), костыль (á) и кол, забиваемый в неустойчивый грунт (â)

170