Загальні відомості про геометричне нівелювання

НІ і IV класів

1.1.1. Призначення державної нівелірної мережі

Державна геодезична мережа (скорочено ДГМ) - це сукупність пунктів, рівномірно розташованих на території країни й закріплених на місцевості спеціальними центрами, які забезпечують їхнє збереження та стійкість у плановому та висотному аспектах протягом тривалого часу.

ДГМ є носієм системи координат і висот України.

Складовими частинами ДГМ є планова та висотна геодезичні мережі. Між ними повинен бути постійний зв'язок.

У цьому розділі описуються висотні мережі.

Відзначимо три головні групи задач, розв'язання яких неможливе без державної висотної основи. А саме:

1. Топографічне знімання. Нівелірна мережа є висотною основою під час складання планів та карт різних масштабів і зображення на них рельєфу місцевості в єдиній для всієї країни системі висот.

2. Будівництво, меліорація та інші задачі інженерно-технічного харак­теру.

До цієї самої групи задач можна зарахувати й задачі оборони країни, якщо мати на увазі будівництво захисних споруд. Для розв'язання цих двох груп задач використовують висоти точок, які отримані за допомогою нівелювання І, II, III та IV класів. Детальніше з використанням висотної основи під час розв'язання задач інженерно-технічного характеру студенти ознайомляться під час вивчення курсу "Інженерна геодезія". Поки що зазначимо, що, не знаючи висот, неможливо збудувати навіть найпримітивнішу споруду, наприклад, гараж для автомобіля, так, щоб його не заливали дощові потоки.

3. Наукові задачі. Як зазначалось вище, сучасна геодезія вивчає не
тільки форму та розміри Землі, але і їхні зміни у просторі та часі. Глобальні,
регіональні та локальні зміни фігури та розмірів Землі стали об'єктом між-
предметних досліджень астрономів, геодезистів, геофізиків, сейсмологів, океа­
нологів. На особливу увагу заслуговує вивчення локальних геодинамічних явищ
на важливих промислових об'єктах. Такі дослідження вимагають побудови
локальних геодинамічних полігонів (ГДП). Кінцевою метою створення ГДП є
недопущення катастрофічних ситуацій, аварій, сприяння надійній експлуатації

Розділ І

промислових та енергетичних об'єктів, реалізація комплексних заходів із захисту довкілля. На ГДП, передусім, виконують спостереження за верти­кальними та горизонтальними рухами поверхні Землі й технологічного облад­нання. До появи космічної геодезії та GPS-технологій, геометричне нівелю­вання було найточнішим методом дослідження вертикальних рухів. І у наш час для вивчення вертикальних рухів на локальних ГДП геометричне нівелювання залишається неперевершеним за точністю. Тільки під час вивчення глобальних та регіональних геодинамічних явищ перевагу мають GPS-методи. Під час розв'язання наукових задач використовують нівелірні мережі тільки І та II класів [20]. З їхньою допомогою розв'язують такі наукові задачі:

• визначення фігури Землі та її зовнішнього гравітаційного поля;

• визначення різниць висот морів та океанів, що омивають територію країни;

• визначення ухилів середніх рівнів поверхонь морів та океанів.

Обсяг наукових задач розширяється, якщо використовують результати повторного нівелювання. З'являється можливість:

• вивчати та прогнозувати вертикальні рухи земної кори та поверхні, а також технологічного обладнання;

• вивчати техногенні (антропогенні) процеси, тобто вплив виробництва на довкілля, особливо під час видобування вугілля, нафти, газу та інших корис­них копалин.

Рухи земної кори є передвісниками землетрусів, тобто необхідними даними для їхнього прогнозування.

Результати повторного нівелювання використовують для вивчення будови земної кори, отримання даних про швидкості та напрямки рухів окремих блоків, виявлення діючих розломів у земній поверхні. Дані про вертикальні рухи земної кори та поверхні дають змогу цілеспрямованіше виконувати пошуки корисних копалин, прогнозувати майбутнє нашої планети. Результати повторного нівелювання також допомагають підтримувати висотні державні мережі на сучасному рівні, враховувати зміни висот пунктів мережі.

Отже, нівелірна мережа має неабияке значення в народному господарстві, у науці та обороні країни.

1.1.2. Класифікація державної нівелірної мережі

Державна нівелірна мережа України поділяється на чотири класи: мережі І, II, III та IV класів. За початковий (вихідний) рівень (нульову відмітку висот) в Україні прийнято середній (за багато років спостережень) рівень Балтійського моря, точніше - нуль Кронштадтського футштока - нуль особливої рейки на станції вимірювання рівня води.

Висотні геодезичні мережі

Державні нівелірні мережі І та II класів - головна висотна основа країни. Нівелірні мережі III, IV класів згущують мережу точок із відомими висотами. Нівелювання І класу виконують із найвищою точністю, яку можливо досягти завдяки сучасному рівню техніки, використовуючи найточніші прилади та методи нівелювання.

Точність нівелірних мереж II, IIIта IV класів поступово зменшується.

Нівелювання І класу виконують через кожні 25 років, а в сейсмічних районах - через кожні 15 років. Нівелювання II класу повторяють відповідно через 35 та 25 років.

Граничні значення випадкових та систематичних середніх квадратичних похибок нівелювання різних класів на один кілометр ходу та допустимі нев'язки у нівелірних полігонах або ходах (лініях) подано у табл. 1.1.1.

Таблиця 1.1.1

Граничні випадкові Г| та систематичні о похибки; допустимі нев'язкиf_h

Клас нівелювання	Граничні середні квадратичні похибки	Допустимі нев'язки у полігонах та ходах fh, MM
випадкові Т), мм/км	систематичні О, мм/км
І	0,8	0,08	3 mm y/L
II	2,0	0,20	5 mm y/L
III	5,0	-	10 mm 41
IV	10,0	-	20 mm 41

У табл. І.1.1: L- периметр (довжина) нівелірного полігона чи ходу (лінії), км. Похибки ті та арозраховують за нев'язками f^ у полігонах або лініях. Розглядаючи табл. 1.1.1, зауважимо: по-перше, що для IIIта IV класів нівелювання допустимі нев'язки на один кілометр ходу приймають як подвійні середні квадратичні випадкові похибки; по-друге, що систематичні похибки в IIIта IV класах нівелювання Інструкцією не розглядаються.

Це можна пояснити тим, що лінії нівелювання цих класів значно коротші порівняно з лініями І та II класів. А оскільки систематичні похибки приблизно на порядок менші за випадкові, то для коротких ходів їхній вплив на результати вимірювання вважають незначним і не враховують.

Розділ І

Полігони та лінії нівелювання І класу найдовші. Такими полігонами (лініями) пов'язані моря та океани, наприклад, Балтійське та Чорне моря.

В Україні, станом на 1997 рік, було 29 ліній І класу, їхня загальна довжина - 11975 км (максимальна - 1301 км, мінімальна - 70,7 км), 62 лінії II класу, їхня загальна довжина - 11180 км (максимальна - 384 км, мінімальна - 38 км), більше ніж 60000 км III класу, близько 300000 км IV класу.

Нівелірні лінії І класу прокладають ходами завдовжки близько 1000 км. Нівелірні мережі II класу створюють всередині полігонів І класу окремими лініями або системами з вузловими точками, утворюючи полігони з периметром до 400 км. Лінії нівелювання III класу прокладають всередині полігонів II класу так, щоб утворювались полігони з периметром 60-150 кілометрів.

Для забезпечення топографічного знімання у масштабі 1:5000 і більше лінії нівелювання III класу прокладають із розрахунком створення полігонів із периметром до 60 км.

Нівелювання IV класу є згущенням нівелірної мережі III класу. Його виконують ходами завдовжки не більше за 50 км.

Лінії нівелювання І та II класів прокладають переважно вздовж шосейних та залізничних доріг, а за їхньої відсутності, у важкодоступних районах - по берегах рік, стежках. Взагалі лінії нівелювання будь-якого класу потрібно, за

Висотні геодезичні мережі

можливістю, прокладати на місцевості із твердим, незаболоченим ґрунтом та з найменш складним рельєфом (із малими ухилами).

Довжини ліній (ходів) у полігонах повинні бути, якщо можливо, однако­вими. Нівелірну мережу II класу створюють у межах полігона І класу. Нівелірні мережі III та IV класів відповідно прокладають, як правило, у межах полігонів II класу, також окремими лініями (ходами) або їхніми системами.

Схематично послідовне заповнення деякої території точками нівелірної мережі різних класів можна уявити так, як це показано на рис. 1.1.1.

Насправді реальні нівелірні мережі (оскільки їх прокладають переважно вздовж доріг) не є такими точними квадратами, як на рис. 1.1.1.

Ходи нівелювання молодших класів спираються на ходи старших класів, тобто під час прокладання нівелірних ходів, наприклад, III класу, вихідними будуть висоти реперів першого або другого класів.

Репери, як відомо з курсу "Топографі'ї" - це фундаментально закріплені на місцевості точки, висоти яких знайдено у результаті нівелювання.

Лінії державної нівелірної мережі І, II, III та IV класів закріплюють реперами через 5 км (вздовж траси).

У важкодоступних районах на окремих відрізках траси, де важко вибирати місця для закладання реперів, віддаль між ними може бути збільшена до 7 км. У гірських районах лінії нівелювання закріплюють скельними та стінними реперами через 1-2 км, а ґрунтовими - через 3-4 км.

На геодинамічних полігонах, які призначені для вивчення рухів земної поверхні, поблизу геологічних розломів та меж головних блоків, репери закладають через 0,5-1,5 км. На кожній стороні блока або розлому повинно бути закладено принаймні два репери.

У результаті виконання нівелірних робіт уся територія країни покри­вається нівелірними точками (реперами) із відомими відмітками в одній системі висот, що під час визначення висоти будь-якої точки місцевості чи інженерної споруди звільняє від необхідності прокладати довгі нівелірні ходи (аж від Кронштадтського футштока). Достатньо прокласти хід від репера, який розташований найближче стосовно точки, висоту якої необхідно визначити.

1.1.3. Особливості нівелірної мережі у містах, населених пунктах та на будівельних майданчиках

Нівелірна мережа у містах, населених пунктах та на будівельних майдан­чиках повинна забезпечити всі потреби міського господарства та будівельних робіт у висотах. Перевищення між найвіддаленішими реперами нівелірної мережі міста повинні бути відомі з похибкою, що не перевищує 30 мм. Вимоги

Розділ І

до методів нівелювання, нівелірів та рейок такі самі, як і під час створення державних нівелірних мереж відповідного класу. Різниця тільки:

• у довжинах ходів;

• у щільності закладання реперів;

• у частоті виконання повторного нівелювання І та II класів. У містах площею більше за 500 км² створюють мережі І класу. У містах площею від 500 до 50 км² прокладають мережі II класу. У містах площею від 50 до 25 км² створюють мережі III класу.

І, нарешті, у містах площею менше за 25 км² створюють мережі тільки IV класу.

Висотні мережі І та II класів у містах повторно необхідно нівелювати через кожні 15 років. Довжини нівелірних ходів у містах подано у табл. 1.1.2.

Щільність закладання реперів на лініях (ходах) міської нівелірної мережі подана у табл. 1.1.3.

Таблиця 1.1.2