1 - edu.dvgups.ru

2. НИВЕЛИРЫ, ИХ УСТРОЙСТВО
2.1. Сущность и методы нивелирования
Нивелированием называется совокупность геодезических измерений, выполняемых для определения превышений между точками физической поверхности Земли или их высот относительно принятой отсчетной поверхности. Существует несколько методов нивелирования: геометрическое, тригонометрическое, физическое, механическое, стереофотограмметрическое. При геометрическом нивелировании пользуются горизонтальным лучом визирования, который получают преимущественно с
помощью приборов, называемых нивелирами. При тригонометрическом
нивелировании - наклонным лучом визирования. На местности измеряют
углы наклона и расстояния между нивелируемыми точками для вычисления превышений (разности высот) между ними. К физическим методам
нивелирования относятся барометрическое, гидронивелирование, лазерное и аэронивелирование. Барометрическое нивелирование - определение высот точек местности или превышений путем измерения давления
воздуха. Гидронивелирование основано на свойстве сообщающихся сосудов. Аэронивелирование производится с самолета с помощью приборов, позволяющих определять высоту самолета над земной поверхностью и изменение высоты в полете. Механическое нивелирование производится с помощью приборов, устанавливаемых на велосипедных рамах,
автомобилях и дрезинах, при движении автоматически фиксирующих
профиль местности, по которой продвигался прибор. При стереофотограмметрическом нивелировании фотографируют одну и ту же местность
(с земли или с воздуха) с двух различных точек. По полученным снимкам
определяют относительные высоты точек.
Различают два способа геометрического нивелирования: из середины
и вперед. При нивелировании из середины для определения превышения
одного пункта над другим устанавливают нивелир на одинаковых расстояниях между ними и приводят визирную ось его в горизонтальное положение. В пунктах ставят вертикально нивелирные рейки с нанесенными
на них сантиметровыми делениями, счет которых идет от их нижних концов вверх. Визируя последовательно горизонтальным лучом на рейки,
берут отсчеты по задней и передней рейкам. Превышение между пунктами определяют как разность отсчетов по задней и по передней рейкам;
превышение может быть или положительным или отрицательным. Если
высота одного из пунктов известна, то высота другого пункта может быть
определена через превышение между ними, как сумма превышения и известной высоты.
При нивелировании вперед нивелир устанавливают над пунктом, измеряют его высоту и снимают отсчет по рейке, установленной над другим пунктом. В данном случае превышение равно разности между высотой нивелира и отсчетом по передней рейке.
Предельное расстояние от нивелира до реек при нивелировании
100 – 150 м. Следовательно, с одной станции, если позволяют условия
местности, можно нивелировать точки, расстояния между которыми не
превышают 200–300 м. Расстояния большей протяженности нивелируют
с нескольких станций, связанных между собой общими точками. Точки,
общие для двух смежных станций, называют связующими, их высоты,
как правило, вычисляют последовательно по направлению нивелирования через превышения. Остальные нивелируемые точки называются
промежуточными, ими, обычно, являются характерные точки местности. Их высоту вычисляют через горизонт прибора, т.е. горизонт
прибора минус отсчет на промежуточную точку. Горизонтом прибора называется высота визирной оси зрительной трубы нивелира над
уровнем моря или над условным уровнем.
2.2. Нивелиры
Нивелир - геодезический прибор, предназначенный для определения разности высот двух точек при помощи горизонтального луча и нивелирных реек, вертикально установленных в этих точках.
По классу точности нивелиры разделяют на: высокоточные Н-05;
точные Н-3 и технические Н –10. Числа в шифре нивелира означают
допустимую среднюю квадратическую погрешность, получаемую при нивелировании на 1 км двойного хода. Кроме того, числа, стоящие впереди Н, – номера последующих моделей. Нивелиры всех типов в зависимости от устройства, применяемого для приведения луча визирования в
горизонтальное положение, выпускают в двух исполнениях: с уровнем
при зрительной трубе (уровенные) и с компенсатором углов наклона
(компенсационные). При наличии компенсатора к шифру нивелира добавляется индекс К, например Н-3К. Нивелиры типов Н-3 и Н-10 допускается изготовлять с лимбом для измерения горизонтальных углов с
точностью до 5'. При наличии лимба к шифру нивелира добавляется индекс Л, например Н-10КЛ.
Нивелир Н-3 (рис.6) относится к точным нивелирам, увеличение зрительной трубы – 31,5х, наименьшее расстояние визирования – 1 м, цена
деления уровней: круглого - 10', контактного цилиндрического - 15''. Прибор предназначен для нивелирования III и IV классов, а также для инженерно-геодезических работ при изысканиях и в строительстве.
Нивелир крепят к штативу с помощью станового винта и пружинящей
пластины. В отвесное положение ось вращения нивелира устанавливают по круглому уровню 3 с помощью подъемных винтов 1, винтовая
нарезка которых входит в гнезда подставки (трегера) 7. Для приближенного наведения трубы на рейку служит мушка над объективом зрительной трубы нивелира, для точного - наводящий винт 6, который работает,
когда труба зафиксирована закрепительным винтом 8. Винт кремальеры
4 служит для фокусировки трубы, а резкость изображения сетки нитей
достигается вращением диоптрийного кольца окуляра 10. Перед каждым
отсчетом по рейке визирную ось нивелира устанавливают в горизон-
тальное положение элевационным винтом 2.
а)
б)
Рис.6. Точный нивелир Н-3: а – вид со стороны круглого уровня; б – вид со стороны цилиндрического уровня; в – вид со стороны окуляра зрительной трубы без
предохранительного колпачка: 1 – подъемные винты; 2 – элевационный винт;
3 – круглый уровень; 4 – кремальера; 5 – корпус зрительной трубы; 6 – наводящий винт; 7 – трегер; 8 – закрепительный винт; 9 – объектив; 10 – окуляр с диоптрийным кольцом; 11 – контактный цилиндрический уровень; 12 – юстировочные
винты цилиндрического уровня; 13 – крышка; 14 – сетка нитей; 15 – металлическая пластина; 16 – крепежные винты сетки нитей
Изображения половинок концов пузырька контактного цилиндрического уровня 11 через систему призм передаются в поле зрения трубы
(рис.7). Если центр пузырька уровня совместить с нуль-пунктом ампулы,
то произойдет оптический контакт - изображения половинок концов пузырька уровня будут равными по длине и образуют в верхней части
один овал (рис.7,в). При наклоне оси уровня контакт нарушается
(рис.7,а,б).
а)
б)
в)
Рис.7. Поле зрения зрительной трубы нивелира Н-3 при положениях пузырька
цилиндрического уровня вне нуль-пункта (а,б) и в нуль-пункте (в)
У нивелира Н-3К (рис.8) основные параметры те же, что и у нивелира Н-3. Предварительное наведение луча визирования нивелира на
рейку осуществляется от руки, а точное - вращением бесконечного
наводящего винта 1.
Рис.8. Точный нивелир Н-3К (а) и поперечный разрез окулярной части трубы
(б): 1 – винт наводящего устройства бесконечной наводки; 2 – кремальера;
3 – окуляр с диоптрийным кольцом; 4 – предохранительный колпачок; 5 – откидное зеркальце; 6 – круглый уровень с тремя юстировочными винтами;
7 – подъемный винт; 8 – юстировочные винты сетки нитей; 9 – оправа окуляра;
10 – диафрагма сетки нитей
Предел работы компенсатора не менее 15', время затухания колебаний подвесной системы не более 2 с. Основные части компенсатора,
обеспечивающие постоянство фокусировки и повышение точности его
работы, - верхняя неподвижно закрепленная призма и нижняя, подвешенная на четырех стальных нитях; она придает визирному лучу горизонтальное положение.
Нивелир Н-10КЛ – технический нивелир с компенсатором, состоит
из двух основных частей: нижней неподвижной части с тремя подъемными винтами и верхней – с горизонтальным лимбом, вращающейся относительно нижней на З60. В верхней части нивелира укреплены зрительная труба, ось вращения которой приводится в вертикальное положение круглым установочным уровнем. Визирная ось наводится поворотом верхней части нивелира. Особенностью нивелира является наличие
ломаных зрительных труб.
При нивелировании используются три типа реек: РН-05 - для нивелирования I и II классов; РН-3 - для нивелирования III и IV классов и инженерно-геодезических изысканий; РН-10 - для технического нивелирования и строительных работ. Рейки РН-3 и РН-10, предназначенные для
нивелирования с погрешностями соответственно 3 и 10-мм на 1 км хода,
имеют двусторонние сантиметровые шашечные деления: на одной стороне они нанесены черным цветом и начало счета их совпадает с нижней плоскостью пятки рейки, а на другой – красным и подписаны так, что
с нижней плоскостью пятки совпадает отсчет, равный 4687 или 4787
мм. Рейки РН-3 имеют круглые уровни с исправительными винтами и
защитным кожухом. При нивелировании их ставят на вбитые в землю
колышки или переносные трости или костыли.
Перед началом работы с помощью контрольного метра проверяют
правильность метровых и дециметровых делений рейки.
2.3. Поверки нивелиров Н-3 и Н-10
В нивелире должны соблюдаться соответствующие геометрические
и оптико-механические условия. Поэтому перед работой нивелир проверяют (делают поверки). Если будут обнаружены нарушения этих условий, нивелир исправляют (выполняют юстировку) в соответствии [1].
2.3.1. Проверка внешнего состояния и комплектности нивелира
Проверку внешнего состояния и комплектности нивелира производят
осмотром. Визуально проверяют чистоту оптических деталей зрительной трубы, контрастность и четкость одновременного изображения нитей сетки, концов пузырька контактного уровня. Убеждаются в отсутствии коррозии и дефектов на приборе, которые могут затруднить работу с прибором. Комплектность нивелира должна соответствовать указанной в паспорте нивелира.
2.3.2. Проверка работоспособности нивелира
Проверку работоспособности нивелира и взаимодействие его по-
движных узлов производят опробованием. При опробовании обращают
внимание на исправность всех частей нивелира, отсутствие качаний в
подъемных, наводящих и закрепительных винтах; плавность вращения
окуляра, элевационного винта. Проверяют исправность зеркала подсветки уровня и крепления всех подвижных частей нивелира и стопорных винтов. Юстировочные винты должны занимать среднее положение. При проверке нивелира с компенсатором необходимо убедиться,
что подвесная система компенсатора и демпфер работают.
Проверяют исправность штатива, убеждаются, подходит ли становой
винт к нивелиру. Подтягивают все винты и гайки на штативе и проверяют его устойчивость. Для этого нивелир устанавливают на штатив и
приводят его в рабочее положение; наводят трубу на рейку и запоминают по ней отсчет. Затем слегка нажимают на головку штатива, после
чего опять отсчитывают по рейке. При устойчивом штативе отсчеты по
рейке и положение пузырька незначительно отличаются от первоначального. При проверке нивелира с компенсатором при легком постукивании по штативу отсчет по рейке не должен изменяться. Если отсчёты
различаются значительно, то следует установить и устранить причины
неустойчивости штатива.
2.3.3. Проверка круглого (установочного) уровня
Ось круглого уровня должна быть параллельна оси вращения
нивелира. Ось круглого уровня – нормаль к поверхности шлифовки
уровня в точке нуль-пункта.
Зрительную трубу устанавливают параллельно двум подъемным
винтам. Тремя подъемными винтами приводят пузырек круглого уровня
в нуль-пункт и поворачивают верхнюю часть нивелира вокруг вертикальной оси на 180. Если после этого пузырек уровня останется в центре ампулы, то условие выполнено. В противном случае пузырек приводят в первоначальное положение, перемещая его на первую половину
дуги отклонения при помощи юстировочных винтов уровня к нуль-пункту,
а на другую половину - подъемными винтами. После этого проверку повторяют до выполнения условия. По окончании проверки юстировочные винты надежно закрепляют.
2.3.4. Проверка правильности установки сетки нитей
зрительной трубы
Проверку правильности установки сетки нитей производят для того,
чтобы убедиться, что вертикальная нить сетки при среднем положении
пузырька уровня совпадает с отвесной линией, а горизонтальная нить
сетки перпендикулярна к вертикальной оси нивелира.
Для выполнения проверки на расстоянии 10 - 15 м от нивелира закрепляют отвес. Приводят нивелир в рабочее положение и наводят вер-
тикальную нить сетки на нить отвеса. Если один конец вертикальной нити сетки отклоняется от нити отвеса более чем на 1 мм (определяется
линейкой), то установку сетки нитей исправляют. Для этого отвинчивают
винты (под отвертку), крепящие окулярную часть, и отсоединяют ее от
корпуса трубы, тем самым освобождают доступ к оправе сетки нитей.
Ослабив винты 16 (рис.6,в), крепящие оправу, слегка поворачивают ее
до совпадения изображения вертикальной нити сетки и нити отвеса. После этого винты закрепляют и устанавливают на место окулярную часть.
Проверку повторяют, чтобы убедиться, что вертикальная нить установлена правильно.
Проверку правильности установки горизонтальной нити сетки производят следующим образом: приводят нивелир в рабочее положение,
наводят краем горизонтальной нити на четко видимую цель, находящуюся на удалении около 10 м от нивелира. Медленно перемещают в горизонтальной плоскости зрительную трубу наводящим винтом и следят,
не отклоняется ли горизонтальная нить с выбранной цели. При отклонениях более 1 мм выполняют юстировку сетки нитей так же, как для вертикальной нити.
2.3.5. Проверка правильности установки цилиндрического
уровня при трубе
Для нивелира с цилиндрическим уровнем при зрительной трубе
необходимо выполнение следующего главного условия: ось цилиндрического уровня должна быть перпендикулярна оси визирования
зрительной трубы.
Проверку правильности установки цилиндрического уровня выполняют в два последовательных этапа:
а) отвесная плоскость, проходящая через ось цилиндрического уровня, должна быть параллельна отвесной плоскости, проходящей через визирную ось зрительной трубы;
б) проекция на отвесную плоскость угла (i) между осью цилиндрического уровня и визирной осью трубы должна быть не
более установленной величины (по инструкции - 20").
Для проверки первого условия нивелир устанавливают в 50 м от рейки, при этом один подъемный винт подставки должен быть направлен в
сторону рейки. Тщательно горизонтируют прибор, совмещая элевационным винтом концы пузырька уровня (см. рис.7, в), фокусирующим винтом добиваются четкого изображения и записывают отсчет. Далее
подъемными винтами дают боковой наклон оси прибора (примерно на
два полных оборота винта), следя при этом, чтобы отсчет по рейке не
изменялся, и отмечают положение концов пузырька уровня. Те же операции необходимо проделать при боковом наклоне оси в противоположную сторону. Если в обоих случаях концы пузырька уровня остаются в
совмещенном положении или смещаются в обоих случаях в одинаковом
направлении, установка уровня считается правильной. В противном
случае (см. рис.7,а, б) должна быть выполнена юстировка уровня с помощью горизонтальных исправительных винтов 12 (см. рис.6,в) при цилиндрическом уровне 11 (см. рис.6,б), предварительно необходимо
ослабить один из вертикальных исправительных винтов 12.
Проверку второго условия следует проводить одним из следующих
способов:
 нивелированием вперед (рис.9);
 нивелированием из середины в сочетании с нивелированием вперед
(рис.10);
 нивелированием с разными плечами (рис.11).
Количество приемов при каждом способе измерений должно быть не
менее трех. В каждом приеме определяют угол i. За окончательное значение угла i принимают среднее арифметическое из всех результатов.
Расхождение отдельных значений угла i не должно превышать 5".
Способ нивелирования вперед основан на принципе двойного нивелирования двух точек 1 и 2, закрепленных на местности костылями или
кольями на расстоянии около 50 м.
Нивелир устанавливают над одной из точек, приводят его в рабочее
положение, измеряют высоту прибора h1 над точкой 1 и берут отсчет l2
по рейке, установленной в точке 2. Меняют местами нивелир и рейку,
повторяют операции и получают высоту h2 и отсчет l1. Значение угла i
вычисляют по формуле
i
l1  l2   h1  h2 
2S
,
где S - расстояние между точками 1 и 2;  = 206265" - число секунд в
радиане.
Юстировка угла i выполняется с помощью вертикальных исправительных винтов 12 (см. рис.6, в) при цилиндрическом уровне, предварительно слегка ослабив один из горизонтальных винтов 12.
В лаборатории второе условие поверки можно выполнить методом
кондукторов. Для этого закрепляют металлические линейки на противоположных стенах лаборатории на одном уровне от пола. Нивелир устанавливают на станции, приводят его в рабочее положение, берут отсчеты а и b, соответственно по дальней и ближней линейкам. Если отсчеты
одинаковы или различаются на 1 мм, то условие поверки выполняется.
Рис.9. Схема способа нивелирования вперед
Рис.10. Схема способа нивелирования из середины
в сочетании с нивелированием вперед
Рис.11. Схема способа нивелирования с разными плечами
В противном случае полученный отсчет по дальней линейке считается
неправильным. Необходимо определить правильный отсчет а1, для чего
рулеткой измеряют расстояния до дальней D1 и ближней D2 линеек и
вычисляют отсчет а1 по формуле
a1  a  a  b 
D1
.
D1  D2
Для юстировки визирную ось трубы устанавливают элевационным
винтом на правильный отсчет а1, при этом пузырек цилиндрического
уровня отклоняется с нуль-пункта. Отклонение устраняют вертикальными
исправительными винтами 12 (см. рис.6,в) при цилиндрическом уровне,
предварительно слегка ослабив один из горизонтальных винтов 12.
Примечание. У нивелиров с компенсатором проверяют угол между
горизонтальной плоскостью и визирной осью трубы (выполняют только
второе условие проверки). Проверку проводят как для нивелиров с
уровнем при трубе. Юстировку выполняют вертикальными исправительными винтами (под шпильку), расположенными на окулярном колене
трубы.
2.3.6. Проверка работоспособности компенсатора нивелира
Для выполнения проверки пузырек круглого уровня приводят в нульпункт (рис.12,а), наводят визирную ось зрительной трубы на линейку,
тщательно фокусируют и берут отсчет b1. Подъемными винтами задают
наклоны оси вращения нивелира. Всего необходимо получить четыре
положения пузырька круглого уровня при наклоне оси нивелира подъемными винтами (рис.12,б, в, г, д): вправо, влево, вперед и назад. После
каждого наклона оси берут отсчет по линейке (b2, b3, b4 и b5). Разность
значений (b1b2), (b1b3), (b1b4), (b1b5) во всех случаях не должна превышать 1 мм. В случае невыполнения условия проверки, неисправность
работы компенсатора устраняется в мастерской.
а
б
в
г
д
Рис.12. Положение пузырька круглого уровня при выполнении проверки
работоспособности компенсатора
2.3.7. Проверка правильности смещения визирной оси при
перефокусировке зрительной трубы
Зрительную трубу нивелира наводят на рейку, тщательно фокусируют и берут отсчет. Затем изображение расфокусируют головкой кремальерного устройства, снова тщательно фокусируют и берут новый отсчет. Разность отсчетов не должна превышать 1 мм, в противном случае неисправность устраняется в мастерской.
2.3.8.Определение погрешности измерения превышения на
станции
Проверку производят многократным измерением превышения между
двумя точками на местности способом нивелирования из середины. Измерения проводят по двум шкалам реек при длине визирного луча 100
м. Точки установки реек закрепляют нивелирными костылями или кольями с ввинченными в них шурупами со сферической головкой. Рейки в
процессе измерения должны сохранять неизменное вертикальное положение. Нивелир устанавливают в створе между рейками на равных
расстояниях от них, приводят в рабочее положение, и десятью приемами измеряют превышение между рейками, что составляет одну серию
измерений. Число серий должно быть не менее пяти. Горизонт нивелира
меняют перед каждым приемом и при переходе к новой серии.