Размеры некоторых объектов, используемых для определения расстояний 3 страница

Приборы и средства геометрического нивелирования.Для про­ведения нивелирования необходимы: нивелир той или иной конст­рукции, штатив, на котором он устанавливается, две нивелирные рейки и нивелирные башмаки. Современные нивелиры по конструк­тивным особенностям делятся на две группы: нивелиры с цилиндри­ческим уровнем (уровенные нивелиры) и нивелиры с компенсато­рами (система качающихся призм, автоматически устанавливающая линию визирования в горизонтальное положение).

К первой группе нивелиров, например, относятся технический НВ-1 — глухой нивелир, у которого зрительная труба и цилиндриче­ский уровень наглухо скреплены между собой (рис. 105). Ко второй группе Н-10КЛ — нивелир с компенсатором углов наклона и лим­бом, со зрительной трубой прямого изображения.

Нивелиры в основном состоят из: зрительной трубы, снабженной сеткой нитей для взятия отсчетов по рейке, установочного уровня, обеспечивающего горизонтальное положение линии визирования, и подставки (треножника) с подъемными винтами для приведения прибора в горизонтальное положение. Труба насажена на верти­кальную ось, которая может вращаться во втулке подставки.

Рис. 105. Нивелир НВ-1

Нивелирные рейки (рис. 106) изготавливаются из деревянных брусков хвойных пород, как правило, трехметровые, двусторонние: основная шкала - черная, дополнительная - красная. Используют­ся также трех-четырехметровые складные рейки. Рейки окрашены белой краской, и деления нанесены в виде сантиметровых шашечек, оцифрованных через дециметр. Головки цифр направлены вниз, так как при визировании нивелиром их изображение будет перевер­нуто (исключение составляют нивелиры с прямым изображением зрительной трубы, например нивелир Н-10КЛ). Отсчет по рейкам делают с точностью до 1 мм (рис. 106). Начало счета (нуль рейки) расположен у окованного ее конца-пятки. Деления на красной стороне рейки сдвинуты относительно делений на черной стороне. В процессе нивелирования рейки устанавливают на колья.

Среди уровенных нивелиров большое распространение получили технические нивелиры, например НВ-1, предназначенные для геомет­рического нивелирования третьего и четвертого класса точности.

Рассмотрим его устройство (рис. 105, Л и Б). Зрительная труба / прибора, дающая перевернутое изображение, имеет внутреннюю фокусировку; перемещение фокусирово"но|^Рл^Уинзы осуществляется вращением винта 2. В окулярной части 3

щ		Eoi
50|		Dz3 Еэз
1*51		0%
Яр		Ей
ЕЙ
56| ill		EM 103
5f	a	Ei
й		,ii
ffll	i	Eii
Ей	i
sii	ч	P5
		1^
6f		f^1
|65		h
"f		Ф
B7
		Й'
Ей		2!3
7B|		Ei
|"l
If		E%
№
Чъ
Ш		Й9

Рис. 106. Нивелирная рейка. Рабочая (черная) и контрольная (красная) стороны

Рис. 107. Поле зрения зрительной трубы нивелира НВ-1. Слева — пузырек контактного уровня

(!)

Рис. 108. Поле зрения зрительной трубы нивелира Н-10КЛ

помещены окуляр, сетка нитей и микроскоп с призмой. В противоположной части трубы расположен объектив 5. Цилиндрический уровень с системой призм в оправе закрыт коробкой 6, прикрепленной к корпусу. Нивелир снабжен системой призм, делящей изображение пузырька уровня пополам по его продольной оси и передаю­щей изображения противоположных концов половинок в поле зрения трубы. Точная установка визирной оси трубы в горизонтальное положение осуществляется совме­щением изображений концов пузырька цилиндрического уровня, видимых в поле зрения трубы (рис. 107) при помощи элевационного винта 7.

Для грубого наведения трубы на рейку на корпусе трубы установлены целик 8 с мушкой 9. Точное наведение трубы на рейку осуществляется вращением наводящего винта 10. На треножнике имеются три подъемных винта 4.

На рисунке 107 видно поле зрения трубы при взятии отсчета. Сетка нитей прибора состоит из трех горизонтальных и одной вертикальной нитей. Основная рабочая нить сетки — средняя, по ней читаются отсчеты, две крайние короткие нити — дальномерные. В нашем примере отсчет равен 1280 мм.

Рассмотрим некоторые особенности нивелиров с компенсаторами.

Зрительная труба у нивелира Н-10КЛ¹ дает прямое изображение (рис. 108). Цилиндрический уровень у нивелира Н-10К.Л (рис. 109) заменен компенсатором с элементами в виде качающейся призмы, положение которых реагирует на направ-

¹ Н-10КЛ — буквы: Н — нивелир, К — компенсатор, Л — лимб, 10 — средняя квадратическая ошибка превышения на 1 км двойного нивелирного хода (в мм).

Рис. 109. Нивелир Н10КЛ

Рис. 110. Нивелирование хода

а,,а, отсчеты по

задней рейке

b,,b2,b3,b4

отсчеты по передней рейке

h= h,+ h₂+h₃ + lu

h=a₀-b, + a_l-.b₂+a_s-b3+a_s-b*=

= Ia-Ib h = H_n- H₀

ление силы тяжести — маятником или свободной поверхности жидкости. Компен­сатор автоматически устанавливает линию визирования в горизонтальное положение. Тем самым отпадает трудоемкая работа по совмещению изображений концов пузырька уровня и по наблюдению за его положением при взятии отсчетов. Это способствует

существенному ускорению работ.

В нижнюю часть нивелира вмонтирован лимб со шкалой делений, градуиро­ванной через 1°, предназначенной для измерения горизонтальных углов.

В строительстве все большее применение находят лазерные нивелиры, в которых луч лазера в горизонтальном положении воз­действует на фотоэлементы рейки. Эти фотоэлементы передвигают вдоль рейки, и в момент их пересечения с горизонтальным лазерным лучом автоматически фиксируется отсчет.

Нивелирование.Если определение превышений между двумя точками производится с одной станции (станция — место постановки нивелира), то нивелирование называется простым. Нивелирование между точками, далеко отстоящими друг от друга или расположен­ными на сравнительно крутом склоне, проводят с нескольких стан­ций, образующих нивелирный ход. Такой вид нивелирования назы-

вается последовательным. Связующими точками называют точки (пикеты), общие для двух смежных станций.

Предварительно по трассе нивелирного хода проводится пикетаж (размечаются места станций и пикетных точек). Для этого через каждые 100 или 200 м (реже 50 м) забивают вровень с землей колы­шек и рядрм с ним второй колышек — «сторожок», который выходит на 15—20 см над уровнем земли. На сторожке отмечается номер пикета (рис. ПО). Счет пикетам ведется от начального колышка, который нумеруется нулем (ПКО), далее ПК 1, ПК 2 — и так до конца трассы. По номеру пикета легко определить пройденное рас­стояние от ПК 0, например 28 пикет показывает расстояние 28 X ЮО м = 2,8 км.

Точки, определяющие микроструктуру рельефа (перегибы скатов, небольшие котловинки или поднятия, характерные переломы линий и т. п.), как и углы поворота линии хода, очень редко совпадают с пикетами. Для того чтобы они были отображены на профиле, необходимо узнать их высотные отметки. В этих точках тоже заби­вают колышки и ставят сторожки и называют их плюсовыми, так как расстояние, измеренное до них от предыдущего пикета, плюсуют к их номерам (например, ПК16 + 38).

Инструмент поочередно устанавливается на станциях I, II, III и т. д., а рейки в точках (пикетах) 0, 1, 2, 3 и т. д. Превышения fti, Лг, Нз и т. д. определяют по линии хода между пикетами 0 и 1, 1 и 2, 2 и 3 и т. д., т. е. между связующими точками. Таким образом, превышение последней и первой точек будет равно алгеб­раической сумме превышений между отдельными пикетами:

/г₀-_л = /г1+/г₂ + /гз + ...+/г_л = 2Л.

В замкнутом ходе сумма превышений теоретически должна быть равна нулю (2/г = 0). Ход, выполненный в прямом и обратном направлении по одной и той же линии нивелирования, является разновидностью замкнутого хода. В этом случае сумма превышений прямого хода должна быть равна сумме превышений обратного хода, но с обратным знаком: 2/г_пр =—%h_o6p}.

Нивелирование на каждой станции выполняется следующим образом: рейки устанавливают на пикетах, расстояния между кото­рыми на равнине составляют 100—200 м. На станции, посередине между пикетами, устанавливают нивелир и приводят трубу в горизон­тальное положение. Отсчеты по рейкам берут в такой последова­тельности: 1) по черной стороне задней рейки; 2) по черной стороне передней рейки; 3) по красной стороне передней рейки; 4) по красной стороне задней рейки. Результаты отсчетов по рейкам записывают в журнал геометрического нивелирования.

Следует учесть, что если начальные отсчеты по красным сторонам реек отличаются на 100 от начальных отсчетов по черным сторонам, то значение метров и дециметров берут по превышению, полученному по черным сторонам реек, усреднению подлежат только сантиметры и миллиметры. Убедившись, что полученные превышения по черной и

красной стороне реек одинаковы или не отличаются друг от друга больше чем на 4 мм, нивелир переносят на следующую станцию. Ход завершается съемкой последней точки трассы, отметка которой, как и начальной, известна заранее.

.Часто вследствие влияния ряда погрешностей выясняется высот­ная невязка. Предельная погрешность А за счет неточности взятия отсчетов по рейкам определяется по формуле Л ==±20 мм л[Ь, где L — длина хода в километрах.

Отметки плюсовых точек на станции вычисляют при помощи горизонта инструмента (ГИ), значение которого для данной станции получают суммированием абсолютной отметки задней точки и отсчета по черной стороне стоящей на ней рейки. Из значения ГИ вычитают отсчеты, взятые на плюсовые точки. По вычисленным высотным отметкам («отметкам Земли») строят профиль.

Географическая ситуация по обеим сторонам трассы (30—40 м с каждой стороны) фиксируется в пикетажной книжке в условных топографических знаках.

На пересеченной местности и, в частности, на крутых и коротких склонах использование нивелира затруднено, так как горизонталь­ный визирный луч аппарата может пройти выше задней рейки и упрется в землю ниже передней. В такой ситуации приходится вводить дополнительные станции и пикеты. Применение способа ватерпасовки позволяет избежать этого^

Ватерпасовка как наиболее простой вид геометрического нивелирования находит широкое применение в школьной практике и в краеведческой работе. Она незаменима при нивелировании и построении поперечных профилей оврагов, балок, крутых обрывов, валов, насыпей и т. п.

Инструментами для ватерпасовки служат две легкие рейки дли­ной около 2 м с сантиметровыми делениями и ватерпас — наклад­ной уровень. Принцип ватерпасовки представлен на рисунке 111. Одна рейка устанавливается вертикально, другая, имитирующая визирный луч нивелира,—

горизонтально (что конт- [|^__ j₄

Рис. 111. Схема ватерпасовки

ролируется ватерпасом). Отрезок вертикальной рей­ки (установленной нулем вниз) от земли до гори­зонтальной рейки опреде­ляет превышение h двух соседних точек, а длина, отсчитанная по горизон­тальной рейке от земли до вертикальной,— заложение d. Сумма всех превышений дает относительную высо­ту первой и конечной то­чек, а сумма всех заложе­ний — горизонтальную про-

I___	(Н"
Отвес
^	z
	|
V

екцию склона. Запись отсчетов по рейкам удобно вести в виде ступенчатого абриса (рис. 111), где указываются превышения (по вертикали) и заложения (по горизон­тали) в сантиметрах. По нему в камераль­ных условиях легко построить профиль. Скрепленные вместе вертикальная планка длиной в 1 м с отвесом и гори­зонтальная планка более короткая пред­ставляют собой школьный нивелир (рис. 112).

Рис. 112. Школьный нивелир

Нивелир устанавливают вертикально (по нитке с грузиком) в начальной точке. По верхнему ребру горизонтальной план­ки (заменяющей ось зрительной трубы нивелира) визируют по линии хода и от­мечают на склоне точку, куда попадает горизонтальный визирный луч. Превыше­ние этой точки над исходной будет равно 1 м. Затем последователь­но школьный нивелир переносят в другие точки по склону. Ведение абриса упрощается тем, что превышение между точками постоянно (1 м), поэтому записывается только горизонтальное расстояние между точками (по измерению шагами или рулеткой). В школе прибор применяется для измерения высоты крутого склона холма, речной долины, кургана и т. п.

Для производства тригонометрического нивелирования в началь­ной точке А (рис. 113) устанавливают инструмент с вертикаль­ным кругом; во второй точке В, высоту которой требуется опре­делить,— рейку. Обозначим буквами: h — искомое превышение точек А и В, D — горизонтальную проекцию склона, / — высо­ту инструмента, КВ = 1 — высоту точки визирования на рейке. Из рисунка видно, что h + / = КМ + /, отсюда h = KM-\-i — l. Из треугольника ОКМ: KM = D-tg а, следовательно, h = D-iga-\-+ /—/.

Удобнее при измерении угла наклона^ {а) визировать на метку,
закрепленную на рейке на высоте "инструмента / = /, тогда при
небольших углах наклона и расстоянии до 300 м используют со­
кращенную формулу: h = Dtga. , -v'

Контроль точности определения . превышений обеспечивается
измерением прямого и обратного превышений и их равенством
h_a6p = —h. Невязка в 3—4 см на^Ч^б'^м расстояния считается
допустимой. ,-*-*>"«

Углы наклона определяются При -ломощи вертикального круга теодолита и кипрегеля. В качестве яримера рассмотрим принцип измерения вертикального угла а т е о дтз*ЗГит о м (#иег-Н4). Вер­тикальный круг б теодолита вращается)в вертикальной плоскости вокруг горизонтальной оси % вместе-* с-ЧягЗйрной трубой Г, с ко­торой он скреплен. С помощью неподв"и"><?ной линейки — алидады 4

§ 25. ТРИГОНОМЕТРИЧЕСКОЕ НИВЕЛИРОВАНИЕ

При тригонометрическом нивелировании определение превыше­ния между двумя точками основывается на решении треугольника (рис. 113), катеты которого образованы направлением уровенной поверхности точки А и отвесной линией, проходящей через точку В, а гипотенуза — линией склона АВ. Тригонометрическое нивелирование на/местности включает измерение расстояния между точками А и В (мерной лентой или дальномером) и угла наклона а.

Угол наклона измеряется геодезическим прибором (вертикаль­ным кругом теодолита или кипрегеля)¹, визирная ось которого может перемещаться в вертикальной плоскости.

Прибор имеет также угломерное устройство с начальной ли­нией отсчета, принимающей горизонтальное положение, т. е. па­раллельное отрезку АВ уровенной поверхности.

Если склон направлен вверх от горизонтальной плоскости, то угол наклона и превышение положительные (со знаком плюс), вниз — отрицательные (минус).

Описание теодолита см. в § 21, кипрегеля — в § 27.

по ее горизонтальному диаметру, имеющему по обоим концам штрихи — нуль-пункты и верньеры, берут по вертикальному кругу теодолита отсчет величины угла наклона визирной оси трубы. По­ложение алидады фиксируется прикрепленным к ней цилиндрическим уровнем 5: Перед взятием отсчета пузырек уровня необходимо при­вести на середину с помощью наводящего винта 3. Естественно, что при горизонтальном положении визирной оси трубы и при сред­нем положении пузырька уровня алидады (совпадении диаметров О—180° лимба и отсчетного устройства) в нуль-пункте отсчет по вертикальному кругу должен равняться нулю. Такой отсчет назы­вается местом нуля (МО) (рис. 114).

Часто это условие (место нуля равно нулю) не сохраняется, в этом случае значение МО может быть определено при визирова­нии одной и той же точки при двух положениях вертикального круга прибора — сначала справа и затем слева от наблюдателя. Полученные отсчеты соответственно обозначают КЛ и КЛ и место нуля определяют по формуле:

Рис. 115. Эклиметр Брандиса. Положение эклиметра при работе

_МО_КП+КЛ + 180°

Вычисление вертикального угла а для теодолита Т — 5 имеет вид а=МО-(КЛ + 180°)=КП-МО, а для Т — 30 а=КЛ-МО= = МО-(КП + 180°) или _а==КП-кл ^ _{когда мо} = 0.

Определение превышений кипрегелем или теодолитом заклю­чается в измерении расстояния по дальномеру до дальномерной рейки, устанавливаемой в определяемой точке, и в измерении угла наклона по вертикальному кругу при КП, т. е. а = КЛ — МО. Далее по таблицам находят превышение h.

При рекогносцировочных геологических, ландшафтных и дру­гих полевых исследованиях для определения превышений точек (не требующих большой точности) применяют эклиметр. Расстоя­ния при этом измеряют рулеткой или, что еще менее точно, ша­гами.

Эклиметр Брандиса — наиболее распространенный пор­тативный прибор (рис. 115), состоящий из трубки визирования 1 с диоптрами 2 я 3. Круг 5 вращается вокруг оси 4, скрепленной с трубкой. На ободе круга 7 имеется штрих 0 и градусные де­ления по обе от него стороны. При вращении круга его диаметр с нулевым штрихом благодаря грузу 6 всегда занимает горизон­тальное положение. Естественно, что при горизонтальном поло­жении визирной оси (трубки) отсчет по кругу, читаемый через прорезь 8, будет равен 0, а при ее наклоне будет указывать число градусов, соответствующих углу наклона. Круг установ­лен в кожухе (коробке), на котором наклеена таблица для вычис­ления превышений и горизонтальных расстояний.

Из рисунка 115 видны приемы определения угла наклона а линии местности АВ, горизонтальной проекции D этой линии

Диоптр

и превышения точки В над А. В точке В устанавливается веха. С точки А эклиметром визируют метку вехи, расположенную на уровне глаз съемщика, и по кругу эклиметра берут отсчет угла на­клона с точностью до 0,5°. Рас­стояние AB = S измеряют рулет­кой (шагами). Из треугольника, где катеты представлены горизон­тальной проекцией и превышени­ем, а гипотенуза — расстоянием от А до В, находим: h — Ssin а и D = Scos а. Эти величины берутся из таблицы при эклиметре.

Школьный эклиметр представляет собой транспортир (рис. 116) (с оцифровкой граду­сов от 0° до 90° в обе стороны от 0°), свободно вращающийся во­круг оси, прикрепленной к дере­вянному бруску (высотой до уровня глаз школьника). На оси подвешен

ОТвес. К транспортиру крепитсяРис. 116.Школьный эклиметр

планка с двумя диоптрами (али­дада). При визировании линии склона транспортир выводится из горизонтального положения и отсчет величины угла наклона чита­ется по его шкале против нити отвеса, всегда сохраняющей вер­тикальное положение. Этот прибор может служить также простым нивелиром при определении превышений горизонтальным лучом ви­зирования (подобно ватерпасовке).

■?

§ 26. ФИЗИЧЕСКОЕ (БАРОМЕТРИЧЕСКОЕ) НИВЕЛИРОВАНИЕ

Физическое нивелирование основано на закономер­ности изменения атмосферного давления с изменением абсолютной высоты места: с подъемом над уровнем моря давление падает, со спуском — повышается. Нивелирование, при котором определяется разность высот двух точек (превышения), по данным изменения атмосферного давления, измеренного в этих точках, называется барометрическим.

Барометрическое нивелирование дает возмож­ность быстро определять абсолютные высоты точек местности, оно также используется для съемки рельефа высокогорной и сильно пересеченной территории.

По разности давления, как отмечалось выше, с учетом метео­рологических условий можно вычислить и разность высот двух не очень удаленных друг от друга точек. Для этой цели применяют понятие барической ступени высот или расстояния по вертикали в метрах, на котором атмосферное давление меняется на 1 мм ртутного столба. По формуле Бабине:

ft = 16000. (1+0,004^)-^^,
^V 2 ' Bi + B?

где Si и В₂— давление, определенное в точках 1 и 2, U и U — соответственно температура воздуха, составлены таблицы бари­ческих ступеней высот. Так, например, для средней полосы евро­пейской части СССР барическая ступень составляет 10,5 м/мм. Если ее обозначить АН, а давление в точках — В, и В₂, то превышение h можно вычислить по формуле:

/г=ДЯ(В,-В₂).

Атмосферное давление меняется не только с высотой, оно зависит также от ряда метеорологических факторов, в частности от тем­пературы воздуха.

Широкое применение при барометрическом нивелировании полу­чили пружинные барометры-анероиды (безжидкостные). Барометр-анероид БАММ, например, обеспечивает определение давления с точностью 0,2—0,3 мм ртутного столба. Определение температуры воздуха осуществляется с помощью термометра-праща.

Таким образом, на станциях определяется давление и темпера­тура воздуха, а в журнале фиксируется время наблюдения. Так как показания барометра-анероида отличаются от показаний ртутного барометра, то для приведения измеренного, анероидом атмосферно­го давления к показаниям ртутного барометра на каждой станции маршрута в показания анероида вводят три поправки: а) шкало-вую с (760—А) для учета нелинейности шкалы, вызываемой из­менением угла между передаточными рычагами; б) температур­ную поправку Ы_к (где Ъ — температурный коэффициент, поправ­ка на 1°С анероида, t_k — температура прибора); в) добавочную

поправку а, которая возникает из-за неточного учета шкаловой и температурной поправок, а также наличия механических погреш­ностей прибора. Шкаловые и температурные поправки перед каждым полевым сезоном вносят в паспорт анероида после сравнения по­казаний анероида с эталоном в баро- и термокамерах. Правильность показаний анероида не обеспечивается без паспорта.

Показания ртутного барометра В₀ получают алгебраическим суммированием показаний анероида и поправок:

B₀=A + b-t_A + c(760-A) + a.

Давление воздуха меняется в течение дня, поэтому барометри­ческое нивелирование осуществляется способом замкнуто­го хода. Его проводят при устойчивом состоянии атмосферы (в дни без гроз,-сильного ветра и т. п.).

Съемщик, измерив атмосферное давление и температуру воз­духа на исходной точке, обходит все точки маршрута, где после­довательно делает те же наблюдения, отмечая в журнале время измерений. Возвратясь в исходную точку, вновь определяет дав­ление и температуру, отмечает время. Полученная разность давле­ний на исходной точке в итоге двух измерений представляет не­вязку — результат суточного хода атмосферного давления и оши­бок приборов. Ее распределяют пропорционально затраченному на наблюдения времени. Вычислив средние значения давления и темпе­ратуры воздуха между соседними точками хода, находят из таблиц значения барических ступеней. По формуле определяют превыше­ния между ними. Зная абсолютную высоту одной точки и превы­шения, находят высотные отметки всех точек. Точность опреде­ления высот барометрическим нивелированием — 2—2,5 м.