Глава 5

Нивелирование

5.1. Виды нивелирования

Нивелирование — это геодезические измерения, в резуль­тате которых определяют разности высот точек земной по­верхности (превышения), а также высоты этих точек относи­тельно выбранной поверхности. Нивелирование является важной составной частью топографо-геодезических работ.

Высоты (отметки) точек и рельеф местности отображают­ся на картах и планах и служит основой для архитектурно-строительного проектирования, в том числе для составления проектов вертикальной планировки территории, проектов транспортных сетей и инженерных коммуникаций и др. Без нивелирования нельзя осуществить вынос проекта сооруже­ния в натуру, выполнить обмеры архитектурных комплексов.

В зависимости от применяемых инструментов и методов различают следующие виды нивелирования: геометрическое, тригонометрическое, стереофотограмметрическое, баромет­рическое, гидростатическое и автоматическое.

Геометрическое нивелирование основано на применении нивелира, который обеспечивает горизонтальное положение линии визирования. Геометрическое нивелирование может быть выполнено также при помощи теодолита-тахеометра.

Тригонометрическое нивелирование производится пу­тем измерения угла наклона визирной линии к горизонту и расстояния между нивелируемыми точками. Углы наклона измеряются теодолитом, расстояния — мерной лентой, даль­номером.

Стереофотограмметрическое нивелирование — это оп­ределение высот точек местности посредством измерения стереопар аэрокосмических и наземных снимков. Этот вид нивелирования имеет широкое применение, так как аэрофо­тотопографическая съемка в настоящее время является ос­новным методом картографирования территории.

Барометрическое нивелирование основано на определе­нии превышений по разности атмосферного давления в раз­личных по высоте точках местности. Разность давления из­меряется с помощью барометров-анероидов с учетом разни­цы температуры воздуха. Точность определения высот точек

из барометрического нивелирования невысока — от 0,5 до 2 м. Барометрическое нивелирование применяется в основ­ном при рекогносцировочных и изыскательских работах.

Гидростатическое нивелирование основано на свойстве жидкостей в сообщающихся сосудах оставаться на одном уровне. По разности отсчетов шкал двух одинаковых сосу­дов получается разность высот точек (превышение). Гидро­статическое нивелирование применяется для определения небольших превышений при наблюдениях за осадками зда­ний и промышленных сооружений, при архитектурных об­мерах, при монтаже технологического оборудования и др.

Автоматическое нивелирование производится в процес­се движения транспортного средства, оборудованного при­бором, автоматически вычерчивающим профиль пути и по­зволяющим определять высоты точек местности.

5.2. Сущность геометрического нивелирования

Геометрическое нивелирование выполняется с помощью нивелира и рейки. Рейки бывают: деревянные, металличес­кие, складные длиной 3—5 метров. Чаще всего рейки имеют сантиметровые деления, подписываются дециметры. Подпи­си дециметровых делений рейки могут иметь прямое или об­ратное изображение в зависимости от применяемых нивели­ров. Рейки могут быть одно и двухсторонние. На одной сторо­не двухсторонней рейки нанесены черные деления, на дру­гой — красные. Начало счета черных делений рейки — нуле­вой отсчет называется «пяткой» рейки. Начальный отсчет красной стороны рейки 4687 или 4787. Рейка устанавливается на точке «пяткой» вниз и приводится в отвесное положение или «на глаз» или с помощью круглого уровня, если на рейке он есть. Отсчет по рейке берется с точностью 1 мм, при этом десятые доли сантиметрового деления оцениваются «на глаз».

Различают два способа геометрического нивелирования: «из середины» и «вперед». При нивелировании «из середи­ны» нивелир устанавливается посередине между точками (не обязательно в створе). Визирная ось инструмента приводится в горизонтальное положение (рис. 35). На точках А и В уста­навливаются отвесно рейки. Точка, высота которой известна, называется задней, а точка, высота которой определяется, на­зывается передней. Последовательно визируя горизонталь­ным лучом нивелира на заднюю и переднюю рейки, определя­ют отсчеты по рейкам: задний отсчет а и передний отсчет Ь.

Превышение между точками /г вычисляется как разность заднего и переднего отсчетов:

h = а - b.

Превышение h может быть положительным (а>b) или отрицательным (а <b).

Для контроля отсчеты берутся по черной и красной сто­ронам рейки. Превышение подсчитывается дважды: как раз­ность черных отсчетов и как разность красных отсчетов. По известной высоте точки Л — H_А и измеренному превышению /г вычисляется высота точки В — H_в:

H _В=H_А+h

Способ нивелирования из середины применяется при приложении нивелирных ходов. Этот способ позволяет сни­зить влияние таких источников погрешностей как: отклоне­ние визирной линии нивелира от горизонтального положе­ния, а также влияние кривизны Земли и рефракции (при равенстве расстояний от инструмента до передней и задней реек погрешности в отсчетах по рейкам одинаковые и при вычитании взаимно уничтожаются).

При геометрическом нивелировании «вперед» нивелир устанавливается над одной из нивелируемых точек (рис. 36). При этом окуляр зрительной трубы нивелира располагается над точкой. В определяемой точке устанавливается рейка. Визирная ось нивелира приводится в горизонтальное поло­жение и направляется на рейку. Берется отсчет по рейке Ъ и измеряется высота инструмента г с точностью 1 мм. Превы­шение Н подсчитывается из выражения:

h-i-b

Высота точки Н_в определяется из выражения: Н_в H_B= Н_А+ h

Если с одной станции измеряются высоты нескольких точек, целесообразно выполнять расчет этих высот по гори-

зонту инструмента. Горизонтом инструмента на станции -H_Ги называется отметка визирного луча нивелира. Очевид­но, что H_ги определится из выражения:

_ГИ=H_А+ i Высота определяемой точки Н_в равна:

Нивелирный ход

При необходимости передачи высот на большие расстоя­ния прокладываются нивелирные ходы, состоящие из не­скольких связанных между собой станций (рис. 37). Путем проложения нивелирных ходов I, II, III, IV классов точности создается Единая государственная нивелирная сеть, явля­ющейся высотной основой всех геодезических работ на тер­ритории страны. Пункты государственной нивелирной сети закрепляются на местности постоянными знаками — репера­ми и марками, их отметки публикуются в специальных ката­логах.

Зрительная труба нивелира состоит из объектива и оку­ляра, между ними перемещается фокусирующая линза. В окулярной части трубы расположена стеклянная пластинка с нанесенной сеткой нитей. Исправительные винты сетки нитей закрыты отвинчивающейся крышкой. Подставка ин­струмента опирается на три подъемных винта.

Основные оси нивелира: ось вращения инструмента II, визирная VV ось цилиндрического уровня UU и ось кругло­го уровня II.

Установка нивелира имеет целью привести визирную ось зрительной трубы в горизонтальное положение. Вначале ин­струмент устанавливается «на глаз» так, чтобы зрительная труба была горизонтальна. Затем при помощи подъемных винтов пузырек круглого уровня приводится в нульпункт. Окончательное приведение визирной оси в горизонтальное положение выполняется непосредственно перед отсчетом по рейке: или путем приведения в нульпункт пузырька цилинд­рического уровня, или автоматически — при наличии в при­боре компенсатора. Следует иметь в виду, что наличие в кон­струкции прибора компенсатора значительно повышает про­изводительность работ.

Тип нивелира и его точность определяется по маркиров­ке прибора. Например, точный нивелир ЗН2КЛ — это при­бор 3-го выпуска, средняя квадратическая погрешность из­мерения превышения — 2 мм на 1 км двойного хода, К -имеется компенсатор для приведения визирной оси в гори­зонтальное положение, Л — имеется лимб для измерения го­ризонтальных углов.

Основные характеристики некоторых нивелиров приве­дены в таблице 11.

На производстве применяется точный нивелир ЗНЗКЛ (рис. 40) и ЗН5Л. Широко распространены также нивелиры с цилиндрическим уровнем при трубе: НВ-1 и НЗ. Цилинд­рический уровень — контактный. Это значит, что изображе­ния концов пузырька уровня системой призм передается в поле зрения трубы. Когда пузырек цилиндрического уровня находится в нульпункте, изображения концов пузырька со­вмещены (рис. 41), и визирная ось зрительной трубы нахо­дится в горизонтальном положении. При отклонении пу­зырька уровня от нульпункта концы контактного уровня рас­ходятся. Для приведения пузырька цилиндрического уров­ня в нульпункт служит элевационный винт. Предварительно необходимо выполнить установку прибора в рабочее поло­жение при помощи круглого уровня и подъемных винтов.

Наряду с оптическими нивелирами производства России и стран СНГ применяются также нивелиры зарубежных

фирм: С-300, С-310, С-320,С-330 (фирма Sokkiа, Япония), N1-30, N1-40, N1-50, N1-005 (Тrimblе) и др.

Цифровые нивелиры отличаются от обычных оптичес­ких наличием электронного устройства, снимающего отсче­ты по специальной штрих — кодовой рейке. Наблюдатель наводит прибор на рейку, фокусирует изображение и нажи­мает кнопку. На экране дисплея получается значения отсче­та по рейке и расстояния до нее. Применение цифровых ни­велиров исключает ошибки в отсчете и существенно повы­шает производительность труда. Цифровые нивелиры выпус­каются рядом зарубежных фирм: нивелир В1№ 22 (Тrimblе)

(рис. 42), 5ВЬ 30 (ЗоШа) и др. Лазерные нивелиры пред­назначены в основном для выполнения геодезических раз-бивочных, строительно-монтажных и отделочных работ. Ла­зерный нивелир дает видимый луч и работает без приемника излучения. Прибор незаменим в условиях слабой освещен­ности, в то же время, при ярком солнечном свете радиус дей­ствия видимого луча уменьшается.

Лазерный нивелир Лимка-Горизонт выполнен по конст­руктивной схеме обычного оптического нивелира. Особен­ностью прибора является вращение лазерного луча в гори­зонтальной плоскости. Поворотная пентапризма позволяет строить вертикальные плоскости. Имеется две модификации прибора: Лимка-Горизонт 1Л с лимбом и Л имка-Горизонт КЛ — с лимбом и компенсатором.

Выпускаются также лазерные визиры (насадки): ЛВН 3 и ЛВН 5, которые устанавливаются на оптические нивелиры 2НЗЛ и ЗН5Л соответственно. Использование визиров по­зволяет проводить геодезические работы в условиях слабой освещенности.