Мак Петр Анатольевич. Нивелирование

-- Сущность и способы геометрического нивелирования

Геометрическим нивелированием называют процесс измерения разностей высот точек местности (превышений) и определения их высот с помощью горизонтального луча визирования геодезического прибора.

При геометрическом нивелировании превышение h между точками А и В определяют с помощью горизонтального луча визирования (рис. 1).

Горизонтальный визирный луч создает специальный геодезический прибор -- нивелир, устанавливаемый между точками А и В. На точках А и В местности отвесно устанавливают нивелирные рейки с нанесенными на них делениями (см, мм). Горизонтальный визирный луч отсекает на рейках от их начала (пятки) отрезки а и b, называемые отсчетами.

0x01 graphic

Рис. 1. Способы геометрического нивелирования:

а-способ "из середины"; б- способ "вперед"

Для геометрического нивелирования могут быть использованы кроме нивелира и другие геодезические приборы (теодолиты, тахеометры и т. д.), если придать их визирным осям строго горизонтальное положение.

Различают способы геометрического нивелирования "из середины" (рис. 1, а) и "вперед" (рис. 1, б).

Геометрическое нивелирование "из середины" осуществляют следующим образом. Для определения превышения h между точками А и В (см. рис. 1, а) в этих точках отвесно устанавливают рейки и берут отсчеты а ("взгляд назад") на точку А и b ("взгляд вперед") на точку В. Как следует из рис. 1, а, превышение между точками А и В равно:

h = a - b.

Если превышение h оказалось положительным, то это означает, что передняя точка В расположена выше задней точки А и, наоборот, при отрицательном значении превышения h передняя точка расположена ниже задней.

Таким образом, превышение передней точки над задней равно разности отсчетов "взгляд назад" минус "взгляд вперед".

Если известна высота H_а задней точки А, то вычислив превышение h, легко определить высоту H_b передней точки В по формуле:

H_b = Н_а + h.

То есть высота передней точки равна высоте задней плюс соответствующее превышение.

Высота последующей точки может быть также определена и через горизонт прибора H_i (см. рис. 1, а):

H_i = Н_а +а.

Горизонт прибора равен высоте точки плюс "взгляд на эту точку". Тогда высоту передней точки В легко определить по формуле:

H_b = H_i - b

Высота точки равна горизонту прибора минус "взгляд на эту точку".

Способ нивелирования "из середины" является основным при производстве инженерных работ, поскольку на результаты нивелирования практически не сказывается точность юстировки прибора (нивелира), а также влияние кривизны Земли и рефракции земной атмосферы.

При геометрическом нивелировании способом "вперед" прибор устанавливают таким образом, чтобы окуляр его трубы находился над точкой А (рис. 1, б). Вертикальное расстояние от центра окуляра до точки А называют высотой прибора i. Высоту прибора обычно измеряют с помощью вертикально установленной рейки.

Если в точке В установить рейку и взять на нее отсчет "взгляд вперед" b, то превышение между точками А и В определится:

h = i - b,

т. е. превышение между точками равно высоте прибора минус "взад вперед".

На результаты нивелирования способом "вперед" существенное влияние оказывает точность юстировки прибора (т. е. обеспечение практической горизонтальности визирной оси), а также влияние кривизны Земли и рефракции земной атмосферы. Поэтому геометрическое нивелирование способом "вперед" используют, как правило, при поверках и юстировках нивелиров перед началом полевых работ.

-- Виды геометрического нивелирования

Нивелирование с одной стоянки прибора (станции) называют простым. Если требуется определить превышения или высоты для многих точек на значительном протяжении, то нивелирование осуществляют с нескольких станций, т. е. прокладывают нивелирный ход. Такое нивелирование называют сложным.

В процессе сложного нивелирования точки, общие для двух смежных станций, называют связующими, а остальные -- промежуточными (рис. 2).

0x01 graphic

Рис. 2. Схема нивелирного хода: точки связующие (Р_п, ПК1, +28, ПК3, +31, +72, ПК5);

точки промежуточные (+41, ПК2, ПК4);

а-продольный профиль; б-план

При сложном нивелировании особое внимание уделяют связующим точкам, так как ошибка, допущенная в определении высоты одной из связующих точек, передается на все последующие.

При изысканиях автомобильных дорог, мостовых переходов, каналов и других линейных инженерных сооружений нивелирование ведут вдоль трассы сооружений, с определением высот переломных и характерных точек местности, с последующим составлением продольного профиля по оси будущего сооружения. Такое нивелирование называют продольным.

В характерных местах производят определение высот точек местности по перпендикулярам к трассе (поперечникам). Такое нивелирование называют поперечным. Необходимо иметь в виду, что поперечное геометрическое нивелирование производят обычно при небольшом перепаде высот между крайними точками поперечников, когда каждый поперечник может быть снят с 1 -- 2 станций.

Для вертикальной планировки местности при изысканиях аэродромов, строительных площадок, улиц и площадей, промышленных объектов и т. д. для получения топографического плана в горизонталях производят нивелирование поверхности. Особенно часто его производят при изысканиях аэродромов.

3. Классификация и устройство нивелиров

В соответствии с действующим ГОСТом нивелиры по точности разделяют на три типа: высокоточные (типа Н-05), точные (типа Н-3) и технические (типа Н-10). Цифра в обозначении марки нивелира указывает значение средней квадратической ошибки превышения на 1 км двойного нивелирного хода; для нивелира Н-05 m = 0.5 мм; для нивелира Н-3 m = 3 мм; для нивелира Н-10 m=10 мм.

По своим конструктивным особенностям нивелиры могут иметь цилиндрический уровень при трубе (например, Н-З), у которых визирная ось приводится в горизонтальное положение вручную и с компенсатором, с помощью которого визирная ось зрительной трубы приводится в горизонтальное положение автоматически. Обозначение марки таких нивелиров дополняется буквой К (например, Н-ЗK).

Некоторые нивелиры одновременно снабжаются и лимбом для измерения горизонтальных углов. Обозначение марки нивелира такой конструкции дополняется буквой Л (например, Н-10КЛ).

Цифра, стоящая перед обозначением марки прибора, указывает номер улучшенной модификации базовой модели (например, 2Н-ЗЛ).

Перед началом полевых работ с использованием нивелиров они должны быть поверены и при необходимости отъюстированы.

Независимо от конструкции прибора главная поверка выполняется следующим образом.

На местности устанавливают две твердые точки А и В на расстоянии порядка 50 -- 70 м друг от друга и выполняют двойное нивелирование по способу "вперед" (рис.3.а). Для более точного определения высоты прибора его целесообразно устанавливать на расстоянии 2 -- 3 м от рейки, с тем чтобы обеспечить резкое изображение в поле зрения трубы ближней рейки, т. е. фактически отсчеты берут при резко различных плечах нивелирования (рис. 1, б).

0x01 graphic

Рис. 3.Схемы выполнения главной поверки нивелиров:

а-двойным нивелированием способом "вперед"; б-двойным нивелированием при разных плечах

На первой стоянке прибора измеряют его высоту i или берут отсчет на ближнюю рейку а₁ = i₁ и берут отсчет на дальнюю рейку b₁. Затем переходят с прибором на вторую стоянку и измеряют высоту прибора = i₂ или берут отсчет на ближнюю рейку а₂ =i₂ и берут, отсчет на дальнюю рейку b₂.

Если бы условие параллельности визирной оси и оси цилиндрического уровня (или горизонтальности визирной оси для нивелиров с компенсатором) было бы выполнено, то верные отсчеты по рейке были бы соответственно равны b'₁ и b'₂,, при невыполнении этого условия оба отсчета будут иметь одну и ту же ошибку х. Верные отсчеты при этом составят:

b'₁ = b₁ -- х и b'₂ = b₂-- х

Для определения величины превышения h (см. рис. 3) можно записать два выражения:

h = i₁- b'₁= i₁ - b₁ + х

и h = b'₂- i₂ = b₂ - х - i₂

Приравняв правые части уравнений между собой, получим:

i₁ - b₁ + х = b₂ - х - i₂

откуда получим величину ошибки х

0x01 graphic

Для технического нивелирования величина ошибки х не должна превышать х © ЃЂ4 мм Ѓ.

Если это условие оказывается не выполненным, осуществляют полевую юстировку нивелира.

После определения ошибки х вычисляют значение правильного отсчета на рейку, установленную в точке А,

b'₂ = b₂-- х

и наводят перекрестье нитей на этот отсчет. Поверку повторяют до окончательного устранения ошибки.

-- Способы нивелирования поверхности

Для составления топографических планов участков местности со слабо выраженным рельефом необходима повышенная точность топографической съемки. В таких случаях может быть применен метод геометрического нивелирования. Методом геометрического нивелирования выполняют топографическую съемку земной поверхности при изысканиях, проектировании и строительстве аэродромов, ирригационных систем на заболоченной и равнинной местности, для составления проектов вертикальной планировки и т.д.

Методом геометрического нивелирования обычно выполняют топографические съемки для составления планов и цифровых моделей местности (ЦММ) масштабов 1:500, 1:1000 и 1:2000 с высотой сечения рельефа 0,1 -- 0,5 м.

В зависимости от назначения съемок и условий местности могут быть использованы следующие способы геометрического нивелирования поверхности:

1. Способ поперечников к магистральному ходу. Наиболее часто используют при съемке притрассовой полосы вдоль трасс автомобильных, каналов и других линейных объектов. Планово-высотным обоснованием в этом случае является трасса линейного объекта (т. е. теодолитно-нивелирный ход). С помощью угломерного прибора и землемерной ленты или рулетки через определенные расстояния разбивают поперечники аа₁, bb₁, cc₁ и т. д. (рис. 4).

Поперечники обычно разбивают на пикетах и плюсах трассы линейного объекта, высоты которых уже определены в результате продольного нивелирования в два нивелира по пикетажу трассы. Поскольку съемку ситуационных особенностей местности производят в ходе разбивки пикетажа, ситуационные точки при нивелировании поперечников не фиксируют.

0x01 graphic

Рис. 4. Способ поперечников к Рис. 5. Способ параллельных линий

магистральному ходу

Съемку притрассовой полосы нивелированием по поперечникам осуществляют в такой последовательности:

-- на данной точке прямолинейного участка трассы с помощью угломерного прибора (нивелира с лимбом, теодолита или эккера) восстанавливают перпендикуляр к трассе, откладывая горизонтальный угол, равный ? = 90®. На криволинейных участках трассы поперечник разбивают, ориентируя прибор на одну из соседних точек трассы, расположенную на расстоянии ?К по кривой от снимаемого поперечника, и откладывают угол ? = 90®.

-- в полевом журнале съемки поперечников фиксируют пикетажное значение снимаемого поперечника (например, поперечник ПК 21+ 50);

-- обозначают характерные точки местности на поперечнике, фиксируя в журнале соответствующие расстояния влево и вправо от трассы (например, Л+3,5; Л+6,0; Л+10,2 и т. д., П +3,5; П+6,0П+8,4 и т. д.);

-- устанавливают нивелир вблизи снимаемого поперечника таким образом, чтобы по возможности с одной стоянки прибора можно было бы снять все точки поперечника;

-- берут отсчет на точку трассы, в которой разбит поперечник, и определяют горизонт прибора;

-- берут последовательно отсчеты на все точки влево и вправо от трассы;

-- высоты точек поперечника определяют через известный горизонт прибора.

2. Способ параллельных линий. Часто применяют на слабовсхолмленной местности при исполнительных съемках дорожных покрытий, искусственных покрытий взлетно-посадочных полос аэродромов, строительных площадок и т. д. В качестве планово-высотного обоснования используют взаимно перпендикулярные теодолитно-нивелирные прямолинейные ходы, прокладываемые вблизи границ снимаемого участка местности или по его середине (рис. 5).

Съемочные ходы прокладывают в виде линий, параллельных сторонам основного хода.

3. Способ полигонов. Может применяться на больших, сравнительно спокойных участках местности с выраженным рельефом. В качестве планово-высотного обоснования в данном случае используют систему теодолитных ходов, прокладываемых вблизи границ снимаемого участка местности и по характерным (структурным) линиям рельефа. Для съемки ситуации и рельефа съемочные ходы разбивают в виде поперечников к сторонам планово-высотного обоснования.

4. Способ квадратов. Используют на открытой местности со слабовыраженным рельефом. Является основным видом топографических съемок при изысканиях аэродромов (рис. 6).

Планово-высотным обоснованием служат вершины квадратов, закрепленные на местности кольями и обозначенными по определенной принятой на практике изысканий схеме.

При нивелирной съемке по способу квадратов создание планово-высотного обоснования ведут по принципу "от общего к частному". Сначала на местности с помощью угломерного прибора и землемерной ленты или рулетки строят наружный полигон в виде большого квадрата или прямоугольника, внутри которого разбивают сетку больших квадратов со сторонами от 100 до 1000 м. Затем каждый большой квадрат заполняют квадратами со сторонами от 20 до 200 м и т. д. Длины сторон квадратов принимают в зависимости от размеров снимаемой территории, масштаба съемки, высоты сечения рельефа и характера местности.

При нивелировании поверхности всеми способами используют точные или технические нивелиры с компенсаторами и горизонтальным кругом типа ЗН-2КЛ, Н-ЗК, Н-10КЛ и т. д. Наличие компенсаторов у нивелиров дает возможность заметно повысить производительность, полевых работ. Использование приборов с лимбами дает возможность при разбивке планово-высотного обоснования и съемочных ходов использовать только один прибор -- нивелир. При работе с регистрирующими нивелирами полностью автоматизируется процесс сбора, регистрации и обработки данных.

В результате топографической съемки местности геометрическим нивелированием, так же как и при других видах съемок, получают топографические планы и цифровые модели местности (ЦММ) -- как правило, регулярные модели в узлах правильных прямоугольных сеток.

-- Нивелирование поверхности по квадратам

Точками планово-высотного обоснования топографической съемки способом квадратов служат вершины квадратов, закрепляемые на местности точками, вбитыми вровень с поверхностью земли, и сторожками с надписью соответствующих обозначений. При разбивке на местности планово-высотного обоснования в виде сетки квадратов, их вершины, называемые пикетами, обозначают: по оси ординат -- арабскими цифрами, по оси абсцисс -- прописными буквами русского алфавита (см. рис. 6). Таким образом, точка М обоснования имеет обозначение в-З, а точка N -- б-5. Вершину каждого квадрата (пикет) обозначают на местности точкой, вбитой вровень с поверхностью Земли, и сторожком с соответствующим обозначением пикета.

0x01 graphic

Рис. 6. способ квадратов

Разбивку сетки квадратов на местности осуществляют в такой последовательности:

- установив в точке А угломерный прибор (теодолит, нивелир с лимбом и т.д.), осуществляют вешение линии АD;

- с помощью землемерной ленты или рулетки на линии АD разбивают пикеты а-1, а-2, а-3 и т. д., с шагом ?, где ? -- принятая длина стороны квадрата. Каждый пикет обозначают на местности точками и сторожками. Конечные точки А и D, кроме того, обозначают вехами;

- от линии AD откладывают горизонтальный угол 90®00' и намечают створ линии АВ. Начиная с точки А с шагом ? обозначают на местности пикеты б-1, в-1, г-1 и т. д.;

- устанавливают угломерный прибор в точке D, и от линии обоснования DA откладывают горизонтальный угол 90®00'. Полученное направление DC разбивают с шагом ?, и соответствующие пикеты обозначают на местности точками и сторожками. Конечную точку С линии DC, кроме того, обозначают вехой;

- устанавливают угломерный прибор в точке В обоснования и от направления ВА откладывают горизонтальный угол 90®00'. Проверяют положение точки С, отклонение от которой не должно превышать 0,5 мм в масштабе топографического плана. Разбивают и обозначают на местности с шагом ? пикеты д-2, д-3, д-4 и т. д.;

- осуществляют вешение линии и разбивку пикетажа по направлениям 2 -- 2, 3 -- 3, 4 -- 4 и т.д.;

- в ходе разбивки съемочного обоснования ведут абрис и съемку ситуационных особенностей местности. На абрисе показывают все пикеты, характерные точки рельефа и ситуации, направления склонов и т.д.

- характерные точки рельефа и ситуации, находящиеся внутри квадратов, снимают методом прямоугольных координат (точка К) или линейных засечек (точка L).

Порядок геометрического нивелирования пикетов обоснования и характерных точек рельефа во многом зависит от длины стороны квадрата d. Если стороны квадрата имеют размеры 100 м и более, то каждый квадрат нивелируют отдельно с установкой прибора приблизительно в его середине. При меньших размерах сторон квадрата с одной станции обычно нивелируют сразу несколько квадратов. В этом случае некоторые вершины квадратов образуют нивелирные хода технической точности. На рис.6 нивелирный ход образован связующими пикетами в-1, д-4, в-5 и а-3.

Между связующими пикетами превышения определяют по черным и красным сторонам реек: h_ч=а_ч--b_ч и h_к=а_к--b_к. При допустимом расхождении в превышениях до 10 мм вычисляют средние превышения h_ср . Остальные пикеты нивелируют как обычные промежуточные точки, при этом отсчеты берут только по основной (черной) стороне реек. Таким же образом нивелируют характерные точки рельефа и ситуации.

Съемочное обоснование топографической съемки способом нивелирования по квадратам привязывают в плановом и высотном отношениях к пунктам государственной геодезической сети в обычном порядке.

-- Камеральные работы

Камеральная обработка результатов нивелирования по квадратам состоит в следующем:

1. Обработка прямого и обратного нивелирного хода привязки съемочного обоснования к пункту государственной нивелирной сети. Вычисляют превышения между одной из точек съемочного обоснования (в данном случае в-1) и пунктом государственной нивелирной сети (Рп). Если расхождение между ?h_п_р и ?h_обр прямого и обратного нивелирного хода не превышает f_h©20-L, мм (где L -- длина двойного нивелирного хода привязки, км), то вычисляют среднюю сумму превышений ?h_ср и высоту точки обоснования (в-1):

H_в1 = Н_Рп + ?h_ср .

Если топографическая съемка выполняется в условной системе высот, то этот этап работы не выполняют.

2. Осуществляют уравнивание нивелирного хода (обычно замкнутого) съемочного обоснования. Для этого выполняют проверку допустимости невязки:

где ?h_T =0 -- теоретическая сумма превышений для замкнутого нивелирного хода.

Если полученное значение невязки меньше допустимой для технического нивелирования, то невязку в превышениях распределяют между связующими точками съемочного обоснования поровну с обратным знаком:

0x01 graphic

где n -- число связующих точек съемочного обоснования.

3. Вычисляют высоты связующих точек.

4. Высоты промежуточных точек вычисляют через горизонт прибора Н_i Высоты точек определяют с точностью до 1 см.

5. Составляют топографический план. На листе чертежной бумаги в заданном масштабе строят сетку квадратов и наносят характерные точки рельефа и ситуации. Около каждой вершины квадрата и точки рельефа выписывают соответствующие высоты с точностью до 1 см. Методом графической интерполяции высот проводят горизонтали с заданной высотой сечения. Интерполирование осуществляют по сторонам квадратов, а также по направлениям, указанным на абрисе. Топографический план оформляют тушью в принятых условных обозначениях.

-- Автоматизация обработки материалов нивелирных съемок

Процесс автоматизированной обработки материалов нивелирных съемок состоит из следующих этапов:

-- уравнивание нивелирных ходов;

-- вычисление высот связующих и промежуточных точек;

-- интерполирование горизонталей;

-- подготовка семантической информации (ситуационных особенностей местности);

-- вычерчивание на графопостроителе топографического плана;

-- подготовка ЦММ.

При нивелирной съемке способом поперечников к магистральному ходу обычно готовят нерегулярную ЦММ на поперечниках к магистральному ходу.

При нивелирной съемке способом параллельных линий готовят нерегулярную ЦММ на линиях, параллельных координатным осям.

При нивелирной съемке способом полигонов готовят нерегулярную ЦММ на структурных линиях.

При нивелирной съемке способом квадратов готовят регулярную ЦММ в узлах правильных прямоугольных сеток.

При использовании регистрирующих нивелиров значительный объем работы по обработке данных, включая уравнивание нивелирных ходов, производится непосредственно в поле, а материалы полевых измерений заносятся на магнитные носители для последующего ввода в память базового компьютера.

Оставить комментарий © Copyright Мак Петр Анатольевич Размещен: 13/05/2015, изменен: 13/05/2015. 32k. Статистика. Статья: Foreign+Translat Иллюстрации/приложения: 5 шт.		Ваша оценка:

Мак Петр Анатольевич : другие произведения.

Нивелирование