Способы и методы нивелирования
Вот несколько значений слова нивелирование: 1) определение высот точек земной поверхности относительно какой-либо исходной точки с известной или заданной (условной) высотой; 2) приведение основной оси геодезического прибора в установленное положение (см. установку геодезических приборов в рабочее положение); 3) сглаживание (различий и т.п.), выравнивание (поверхности и т.п.). Замтим, что в основном это слово применяется в геодезии.
В геодезии нивелированием называют комплекс геодезических работ, связанных с измерением превышений и высот точек местности. Данные работы проводятся при решении различных инженерно-геодезических задач в строительстве, при высотной съёмке местности, а также научно-технических задач при изучении динамических процессов движения земной коры, исследовании разностей уровня воды в морях и океанах, при изучении деформаций инженерных сооружений и др.
Существует несколько основных способов и методов нивелирования: геометрическое, тригонометрическое, гидростатическое, барометрическое, механическое, стереофотограмметрическое.
Геометрическое нивелирование выполняют с помощью горизонтального визирного луча, образованного прибором, например, нивелиром (§ 44, 48). Превышение между точками получают как разность отсчётов по рейкам, установленным в этих точках.
При использовании высокоточных нивелиров и соблюдении специальных методик измерений может быть обеспечена точность определения превышений (передачи абсолютных высот) до 0,5 – 0,7 мм на 1 км хода, до 0,05 – 0,10 мм и менее – на коротких базах, т.е. при сравнительно небольших (до 20 м) расстояниях между точками. При техническом нивелировании точность передачи высот составляет 20 – 50 мм на 1 км хода.
Указанный большой диапазон точности измерений (от 0,05 до 50 мм) позволяет применять данный способ при решении практически любых по точности инженерно-геодезических задач по определению превышений и высот точек. Кроме того, способ геометрического нивелирования по исполнению работ сравнительно прост, не требует использования громоздкого оборудования, вычислительные действия могут выполняться непосредственно в поле.
Подробно выполнение работ методом геометрического нивелирования будет рассмотрено ниже в последующих параграфах настоящей главы.
Тригонометрическое нивелирование выполняют наклонным визирным лучом (рис. 7.24 – автор приносит извинения за отсылку вперёд), образованным, например, оптической системой теодолита (§ 39). Часто такой вид нивелирования используют при создании высотного обоснования теодолитных ходов, при передаче высот через недоступные расстояния, при больших уклонах местности, в горных выработках, когда наблюдаемые точки находятся в кровле выработки, а также в выработках, имеющих значительный уклон.
При соответствующей организации работ погрешность в определении превышения данным способом может достигать 0,1 – 0,3 м на 1 км хода. На небольших базах при использовании точных и высокоточных приборов превышения можно определять с точностью до 1 – 2 мм.
Следующие виды нивелирования (барометрическое, гидростатическое, радиолокационное) относятся к физическим методам нивелирования.
Барометрическое нивелирование основано на изменении атмосферного давления с изменением высоты точки местности. Точность этого метода небольшая, от 1 до 5 м, однако часто барометрическое нивелирование применяют геологи при поисковых работах в горной и значительно пересеченной местности при больших перепадах высот.
Для нивелирования используют барометры-анероиды, в показания которых вводят поправки за влияние внешних условий. Поскольку атмосферное давление в каждой точке изменяется по метеорологическим условиям, то для повышения точности ходы барометрического нивелирования прокладывают замкнутыми (с возвращением к исходной точке) либо разомкнутыми (между точками с известными высотами).
| При гидростатическом ниве- | |
 Рис. 6.1. Гидростатическое нивелирование. | лировании используется свойство жидкостей устанавливаться в сообщающихся сосудах на одном уровне. На измерительных колбах 1 и 2 (рис. 6.1), заполненных жидкостью, имеются одинаковые шкалы, по которым производят отсчёты а и b уровня жидкости в точках А и В. Разность отсчётов характеризует превышение: h = a – b . (6.1) Погрешности в определении превышений при использовании |
различных конструкций гидронивелиров могут находиться в пределах от 0,1 до 2 мм. При измерениях с точностью до 1 – 2 мм отсчёты по шкалам берутся визуально. При более точных измерениях уровень жидкости в каждом из сосудов регистрируют электрическим способом с помощью электрического контакта с микрометренным винтом, закреплённым на сосуде (в этом случае используется токопроводящая жидкость).
Гидростатические нивелиры являются чаще всего стационарными системами и содержат несколько измерительных сосудов, соединённых между собой гибкими шлангами. Такие системы устанавливают на плотинах гидроэлектростанций, в горных выработках при исследовании геомеханических процессов, на прецезионных технологических комплексах. Гидростатическое нивелирование используют при передаче высот через большие водные препятствия. Имеются конструкции гидронивелиров, позволяющие определять взаимное смещение точек на базе 50 м с погрешностью до 5 – 10 мкм.
Радиолокационное нивелирование используют при нивелировании земной поверхности с самолёта или другого летательного аппарата (аэрорадионивелирование). Погрешность в определении высот в зависимости от условий съёмки достигает 2 – 5 м (до 10 м).
Этот вид нивелирования применяют для построения профиля местности и определения высот фотографирования при аэрофотосъёмке. Он основан на непрерывном измерении расстояния с самолёта до поверхности земли с помощью излучаемого передатчиком электромагнитного сигнала и приёма его после отражения от подстилающей поверхности. Регистрируется время нахождения сигнала на двойном пути.
Механическое нивелирование используют, в основном, для профилирования железнодорожных путей, подкрановых наземных и высотных путей и балок строительных конструкций. Специальные приборы позволяют автоматически регистрировать при перемещении по направляющим (рельсам) пройденное расстояние, высоту и профиль пути, а также уклоны. Погрешность в определении превышений составляет от 0,15 до 0,30 м на 1 км пройденного расстояния.
Стереофотограмметрическое нивелирование реализуется при обработке стереопар фотоснимков (цифровых снимков) одной и той же местности, полученных как при наземной фототеодолитной (либо цифровой) съёмке, так и при воздушной съёмке с летательных аппаратов. При наземной съёмке используют фототеодолиты, представляющие собой теодолит, совмещённый с фотоаппаратом. При воздушной съёмке применяются специальные аэрофотоаппараты, устанавливаемые на самолете на гиростабилизированной платформе, позволяющей удерживать оптическую ось фотокамеры в отвесном положении либо близком к отвесному положению.
Данный вид нивелирования широко применяют при составлении топографических планов и карт по фотоснимкам, при наблюдениях за деформациями, происходящими на инженерных сооружениях, в том числе и в горных выработках, при исследовании поверхностных перемещений земной поверхности в локальных областях (чаще – склоновых процессов сдвижения земной поверхности).