Классификация и назначение нивелирных сетей

В предыдущих лекциях мы рассмотрели методы построения плановых государственных геодезических сетей, развиваемых с целью нахождения координат (х, у)центров пунктов. Однако для определения местоположения точки земной поверхности в пространстве необходима еще третья координата Н, обозначающая ее положение по высоте в некоторой высотной системе координат. Эта высотная координатная система задается в каждом государстве относительно некоторой исходной уровенной поверхности и распространяется на его территории методом высокоточного геометрического нивелирования, которому мы посвятим оставшиеся лекции по первому разделу высшей геодезии.

11.1. Общие сведения о нивелирных сетях. Классификация и назначение нивелирных сетей. Государственная нивелирная сеть

Нивелирные сети подразделяются:

1. Государственную нивелирную сеть.

2. Нивелирную сеть сгущения.

3. Нивелирную съемочную сеть.

4. Высокоточную нивелирную сеть специального назначения.

Государственная нивелирная сеть (ГНС) является высотной основой топографических съемок всех масштабов и всех геодезических измерений, проводимых для удовлетворения потребностей народного хозяйства, обороны страны, для решения научных и практических задач. Она развивается по принципу перехода от общего к частному и разделяется на нивелирные сети I, II, III и IV классов.

Нивелирная сеть I и II классов являетсяглавной высотной основой страны, которая создается по специально разработанным программам и схемам, предусматривающим выполнение высокоточных нивелирных работ на многие годы вперед. Основным назначением главной высотной основы страны является распространение единой системы высот на территорию всего государства. Кроме того, при помощи нивелирования I и II классов решают следующие научные задачи:

а) изучение фигуры и гравитационного поля Земли;

б) изучение современных вертикальных движений земной коры;

в) определение разностей уровней морей и океанов;

г) сейсмическое районирование территории страны, выявление предвестников землетрясений;

д) прогнозирование влияния производства на окружающую среду, особенно при добычи нефти, газа и других полезных ископаемых.

Нивелирные сети III и IY классов предназначены для обеспечения топографических съемок вплоть до масштаба 1:5000 и решения различных инженерно – геодезических задач.

Нивелирные сети сгущения служат высотной основой топографических съемок крупных масштабов (1:5000 – 1:500), а также инженерно геодезических работ. В зависимости от площади снимаемой территории и требуемой точности нивелирные сети сгущения развиваются в виде нивелирных полигонов и ходов 3 и 4 классов или технического нивелирования.

Высотная съемочная сеть является непосредственным высотным обоснованием топографических съемок всех масштабов и инженерно – геодезических работ. Она создается путем проложения между пунктами государственной нивелирной сети и сетей сгущения ходов технического или тригонометрического нивелирования.

Высокоточные нивелирные сети специального назначения создаются для различных специальных целей: на геодинамических полигонах для наблюдения за вертикальными деформациями земной поверхности; на промышленных и строительных площадках для монтажа оборудования или для наблюдения за осадками инженерно-технических сооружений и т.д. На каждом конкретном объекте такая нивелирная сеть создается по специальной программе. Специальные нивелирные сети могут создаваться в местной системе координат, но обязательно иметь высотную привязку к реперам государственной нивелирной сети.

26.Схема построения государственной нивелирной сети

Нивелирная сеть строится по принципу перехода от общего к частному, согласно которому вначале создается нивелирная сеть I класса, которая последовательно сгущается сетями II, III и IV классов.

Сеть I класса состоит из ходов, образующих замкнутые полигоны периметром около 3000-4000 км, или отдельных линий большой протяженности. Направление и протяженность этих линий обычно рассматривается и утверждается в специальных проектах Комитета по геодезии.

Нивелирная сеть II класса опирается на нивелирные линии I класса и создается в виде замкнутых полигонов. Периметры этих полигонов в обжитых районах составляют (400-800) км, в необжитых — (1000-2000) км.

Линии нивелирования I и II классов прокладывают, в основном, по железным, шоссейным и улучшенным грунтовым дорогам. При отсутствии дорог - по берегам больших рек, морей, тропам, зимникам.

Нивелирные сети III и IY классов развивают внутри полигонов высшего класса. Периметры нивелирных полигонов III класса в обжитых районах не превышают 150 км, в необжитых – 300 км. Периметры полигонов и длины отдельных линий IV класса не превышают 50 км.

Линии нивелирования всех классов на местности закрепляются постоянными знаками (реперами, скальными или стенными марками) не реже, чем через 5 км по трассе, в труднодоступных районах — не реже 6-7км.

В сетях I, II и III классов нивелирование прокладывают в прямом и обратном направлениях. Нивелирные ходы IV класса прокладывают только в одном направлении.

Вдоль всех нивелирных линий I и II классов, а в горных районах и вдоль линий III класса, по специальной программе выполняют гравиметрические измерения, что необходимо для вычисления поправок в измеренные превышения за переход к разностям нормальных высот.

Требования и допуски, соблюдаемые при производстве нивелирных работ в государственной сети, представлены в таблице

Технические требования к производству

государственного нивелирования

Класс	Периметр полигона (км), ср.	Основные допуски	СКО, мм/км
Допустимая невязка, мм	Длина плеча (м) ≤	Неравенство плеч (м) ≤	Накопление разностей плеч по секции (м) ≤	Высота визирного луча, не менее (м)	Случайная	Систематическая
I	3000-4000	3		0,5	1,0	0,8	0,5	0,05
II	500-600	5		1,0	2,0	0,5	1,2	0,2
III	150-200	10		2,0	5,0	0,3	5,0	-
IV		20		5,0	10,0	0,2	10,0	-

27. Понятие о системах высот применяемых в геодезии

Для точного определения разностей высот точек земной поверхности применяется метод геометрического нивелирования. Данный метод основан на использовании горизонтального луча визирования (рис. 11.1).

П3

П2

П1

З1

З2

З3

В

О

Рис. 11.1. Схема геометрического нивелирования: ОВ — нивелирная секция; 1, 2, 3 —номера станции (точки стояния нивелира); З, П — отсчеты по задней и передней рейкам на каждой станции; h — превышение на станции; — отметки реперов О и В.

Очень простая идея геометрического нивелирования осложняется следующим обстоятельством. Дело в том, что положение горизонтального луча визирования (т.е. луча, направленного по касательной к уровенной поверхности в точке наблюдения) определяется при помощи уровня нивелира, который зафиксирует этот луч по направлению перпендикуляра к отвесной линии в данной точке.

Отвесные линии в точках 1,2,3 стояния нивелира, а также в точках стояния реек, так как рейки тоже с помощью уровней устанавливаются по направлениям отвесных линий, не параллельны между собой. Следовательно, будут не параллельны между собой и проходящие через данные точки перпендикулярные к отвесным линиям уровенные поверхности (рис. 11.2).

Рис. 11.2. Зависимость результатов геометрического нивелирования от пути нивелирования вследствие непараллельности уровенных поверхностей в разных точках земной поверхности (для наглядности уровенная поверхность, проходящая через начальный репер секции О, совмещена с уровнем моря)

Превышение точки В над О обозначим через h_изм. Из чертежа видно, что т.е. расстоянию между уровенными поверхностями, проходящими через точку О и точку B, когда путь нивелирования совпадает с профилем ОB.

Если изменим путь нивелирования и пойдем через точку A, т.е. по пути ОAВ, то в результате получим измеренное превышение h'_изм = ОА, так как АВ — уровенная поверхность, т.е. поверхность одинакового потенциала, между любыми точками которой превышение равно 0.

Если путь нивелирования будет проходить через точку С (ОСВ), то получим уже третье значение измеренного превышения h²_изм =CВ.

Так как уровенные поверхности не параллельны между собой, то

h_изм ¹ h¢_изм ¹ h²_изм. Следовательно, мы видим, что высота точки B над точкой О зависит от того, по какому пути выполняется нивелирование, что приводит к неопределенности определения отметки точки земной поверхности из результатов геометрического нивелирования.

Чтобы избежать этой неопределенности, в практику нивелирных работ введено четыре системы высот:

1. Приближенная, в которой не принимается во внимание реальное гравитационное поле Земли.

2. Ортометрическая, в которой под ортометрической высотой Н_орт. понимают расстояние от поверхности геоида до точки земной поверхности, отсчитываемое по отвесной линии.

,(11.1)

W_B ,W_о — действительный потенциал силы тяжести уровенных поверхностей, проходящих, соответственно, через точку О (начало счета высот) и точку В ;

g — ускорение действительной силы тяжести.

3. Нормальная, где под нормальной высотой понимают расстояние от поверхности квазигеоида до точки земной поверхности, отсчитываемое по нормали к эллипсоиду.

,(11.2)

g — ускорение нормальной силы тяжести.

4.Динамическая, в которой за динамическую высоту Н_д принимают нормальную высоту, приведенную к широте 45°.

(11.3)

Детально с этими высотами мы ознакомимся в курсе геодезической гравиметрии. Сейчас только отметим, что в странах бывшего СССР и странах восточной Европы в качестве основной принята система нормальных высот, которую ввел Молоденский. Нормальные высоты наиболее удобны для практических целей, так как они не зависят от пути нивелирования и от распределения плотности масс внутри Земли. При обработке геометрического нивелирования всегда вводится поправка за переход к нормальным высотам.

Исходная уровенная поверхность. За исходное начало счета высот в Беларуси и странах бывшего СССР принята уровенная поверхность, проходящая через нуль Кронштадского футштока. Эта система называется Балтийской. Практически нуль Кронштадского футштока представляет собой горизонтальную черту на медной пластине, которая укреплена на устое моста через Обводной канал в Кронштадте.

28. Классификация нивелирных знаков

Как уже упоминалось выше, все нивелирные линии на местности закрепляются нивелирными знаками.

Нивелирные знаки делятся на фундаментальные реперы, рядовые и временные. Для специальных целей закрепление производят еще глубинными реперами.

Фундаментальный репер области сезонного промерзания состоит из железобетонного пилона в виде усеченной четырехгранной пирамиды, составляющей единое целое с расположенной внизу железобетонной плитой (рис. 11.5)

Рис. 11.4 Грунтовый репер (тип 5): Рис. 11.5. Фундаментальный репер

1— железобетонный пилон с маркой и

якорным устройством; 2— граница промерзания

(оттаивания грунта); 3— опознавательный знак.

При наличии монолитной скальной породы закладывают фундаментальные реперы для скальных грунтов.

Фундаментальные реперы закладываются по линиям нивелирования I и II классов через 50-60км; в 50-150м от фундаментального репера закладывается репер-спутник.

Рядовые нивелирные знаки делятся на следующие виды:

а) грунтовые реперы (рис.11.4);

б) скальные реперы;

в) скальные марки;

г) стенные реперы;

д) стенные марки.

Временные нивелирные знаки закладываются на короткий срок и закрепляются деревянными столбиками с гвоздиками или костылем.

Глубинные реперы закладываются на большие глубины (~ 10м и более) на специальных линиях нивелирования повышенной точности. Например, на геодинамических полигонах при наблюдении за вертикальными деформациями земной поверхности; на площадках строящихся АЭС при выборе тектонически спокойного участка строительства; при наблюдении за осадками особо важных инженерно-технических сооружений: плотин ГЭС, турбогенераторов ТЭЦ, реакторов АЭС и т.д.

Нивелирные знаки закрепляются на местности центрами, которые подразделяются еще на типы в зависимости от конструкции. Типы центров нивелирных знаков даны в специальном альбоме центров. Они разработаны в ЦНИИГАиК и применяются в зависимости от климатических условий конкретной местности, грунта, глубины промерзания почвы и т.д.

Основным требованием, предъявляемым к закладке центров нивелирных знаков, является требование долговременной сохранности знаков и устойчивость во времени, исключая перемещение реперов в результате современных движений земной коры, землетрясений, извержений вулканов и т.д.

Наиболее благоприятной является закладка реперов в скальные породы. С целью быстрого отыскания нивелирные реперы должны по возможности закладываться вблизи долговечных ориентиров.