Методы нивелирования в геодезии

Вычисление невязки в превышениях нивелирного хода

_______Невязка в геодезии показывает отклонение полученного на практике результата от его теоретического значения (f_h), то есть для нивелирного хода, и вычисляется как:

_______Если нивелирный ход замкнутый, то

_______Если нивелирный ход разомкнутый, расположенный между двумя реперами с отметками H_R1 и H_R2, то

_______Допустимая невязка в превышениях нивелирного хода подсчитывается по формуле:

_______Для сильно пересеченной местности, когда приходится брать много иксовых точек и, соответственно, делать много станций, допустимая невязка вычисляется по формуле:

_______Невязка распределяется поровну на все превышения с противоположным знаком.

_______Контроль: Сумма исправленных превышений должна быть равна Σh_теор. После этого вычисляются отметки всех точек нивелирного хода.

Геометрическое нивелирование

Заключается в использовании инструментальной способности построения горизонтального луча (оси) конструкцией нивелиров для выполнения высотных измерений. Характерным способом геометрического нивелирования является так называемый метод «из середины» с использованием нивелирных реек со специально нанесенными на них шкалами. Типовая схема его показана на рис.1.

Рис.1. Схема геометрического нивелирования.

Суть способа состоит в установлении нивелиров ориентировочно посередине между точками, на которых необходимо измерить высотные отметки. Именно на них устанавливаются в вертикальное (отвесное) положение рейки, по которым снимаются отсчеты в миллиметрах (0123). Сначала измерения осуществляют с задней (З) рейки после этого нивелир разворачивается в направлении передней точки (П). Изначально задней точкой выступает исходный репер с известным значением абсолютной отметки.

Превышение (h) между точками, на которых устанавливались рейки, вычисляют по формуле:

З – задний отсчет по рейке;

П – передний отсчет.

Точность снятия отсчетов по рейкам колеблется в пределах 1-2 мм при техническом нивелировании и 0,1 мм при нивелировании I класса.

Определение превышений между точками с однократной установкой инструмента именуется станцией стояния. Многократное число станций на значительном удалении друг от друга на протяжении многих сотен метров и даже километров называют нивелирным ходом. Методики нивелировок регламентируются выполнением измерений в прямом и обратном направлении, при различных горизонтах инструментов и требуют соблюдения предельных значений среднеквадратических и допустимых погрешностей.

Виды нивелиров

Сегодня прямо ответить на вопрос, что же такое нивелир, не так просто, как еще с десяток лет тому назад. Тогда под этим названием подразумевался оптический прибор, напоминающий небольшую подзорную трубу, закрепляемую на треноге, в которую были хорошо видны метки на рейке, находящейся на большом расстоянии от прибора. Ее, по указанию оператора, помощник устанавливал в различных точках участка. Изображение в нем было перевернутым, что составляло определенное неудобство для снятия замеров. Но прибор отличался исключительной надежностью, что позволило ему дожить до наших дней.

Но вместе с тем на рынок вышли более удобные в использовании нивелиры, да в таком ассортименте, что разбираться в их многообразии легче с использованием сравнительной таблицы.

Из нее мы вычленим 2 главные группы. А это:

оптические;
лазерные.

Оптические нивелиры пополнились широкой линейкой нивелиров прямого действия, где изображение не перевернуто вверх ногами, а также цифровыми нивелирами, в которых человеческая функция ведения журнала нивелирования и произведение расчетов превышений уровней стала выполняться самим прибором. Человек же должен только нажать кнопочку при наведении на линейку и в самом конце считать готовый журнал с памяти нивелира.

Но, все же, все оптические нивелиры предусматривают наличие у оператора хоть небольших знаний о работе с ними.

Лазерные же нивелиры настолько просты в использовании, что для их использования специальные навыки не нужны, главное, чтобы прибор был четко выверен и настроен.

Лазерный луч такого нивелира рисует четкую светящуюся линию в различных плоскостях, что радикально упрощает все построения и расчеты. А в тандеме с обычной рулеткой, такой прибор позволяет с легкостью выполнить все задачи традиционного нивелира и даже более.

Единственным, но ощутимым недостатком лазерных нивелиров является их ограниченное использование ясным солнечным днем, но самые мощные модели минимизируют этот фактор, а наши кулибины нашли изящный и простейший выход из данной ситуации.

Такие нивелиры бывают позиционными и ротационными. Второй отличается от первого наличием серводвигателя, закрепленного на подвесе, который вращает преломленный в призме под углом 900 лазерный луч вокруг своей оси.

Точность такого прибора – выше.

Собственно, все лазерные нивелиры таковыми являются только в соединении с измерительной рейкой, а без нее они – лазерные уровни, но на практике, последними принято считать маломощные приборы, используемые внутри помещений.

Большинство современных нивелиров являются самовыравнивающимися (естественно – в определенных пределах отклонений от горизонтали), но сохранились и уровенные модели, где установка производится по уровням, но с этим мы разберемся ниже.

Различие по классам точности для наших видов нивелирования большого значения не имеет, поэтому их описание мы сознательно опустим.

Ведение журнала и расчёты

Процесс нивелирования сопряжён с ведением большого количества записей. Геодезист должен иметь под рукой план участка, на котором схематически изображен объект, для строительства которого выполняется нивелирование, а также места расположения контрольных кольев. Каждый колышек нужно пронумеровать и вынести эти обозначения в отдельную таблицу, в которой отмечаются измеренные превышения.

Теперь о самих превышениях. Они бывают относительными и абсолютными, то есть от плоскости измерения нивелира и от репера. К примеру, превышение репера составило 145,2 см, а контрольной точки — 151 см. Вычтя из превышения репера превышение точки мы обнаружим, что абсолютное превышение составит -4,8 см, при этом знак «минус» точно дает понять, что тока расположена ниже. Подобные вычисления следует провести для каждой из точек.

Практический смысл нивелирования заключается в нанесение на колья отметок, находящихся в одной горизонтальной плоскости. Для этого необходимо найти самую высокую точку с наибольшим положительным значением превышения и добавить к нему, например, 20 см. Следуя от одного колышка к другому, на них с помощью рулетки откладывают значение превышения точки, к которому добавлено значение смещения — те самые 20 см. Полученные метки используются при ведении земляных работ и определения глубины котлована, либо для натягивания причального шнура.

Современные системы нивелирования в дорожном строительстве

В современном дорожном строительстве широко применяются автоматизированные системы нивелирования, которые позволяют управлять рабочим органом дорожно-строительной техники в зависимости от его текущего положения. При этом системы автоматического нивелирования отличаются высокой точностью работ, значительно повышающей качество дорожного полотна и сокращающей общие сроки строительства.

Автоматические системы нивелирования, установленные на асфальтоукладчиках, дорожных фрезах или бульдозерах, позволяют устранять дефекты старого дорожного полотна при укладке нового слоя покрытия. Такая нивелировка контролирует поперечный уклон дороги и выполняет его точно с заданными проектом параметрами.

Современные системы нивелировки для дорожно-строительной техники разделяются на несколько видов в зависимости от используемой технологии:

ультразвуковые системы с различным количеством датчиков;
лазерные системы нивелирования;
системы на базе спутниковых GPS-технологий;
трехмерные системы, работающие на базе тахеометра.

В зависимости от сложности и требуемого качества дорожно-строительных работ может использоваться та или иная система автоматической нивелировки. Главной особенностью таких систем, предлагаемых лидирующими мировыми производителями, является возможность модернизации систем нивелирования от простых до наиболее сложных.

Изготовление обноски

Разметка фундамента с помощью лазерного нивелира осуществляется параллельно с выполнением обноски. Обноска необходима, чтобы контролировать нулевой уровень. Она существенно упрощает процесс нанесения разметки.

Обноска устанавливается по внешним границам основания с запасом в 1 м. Это обязательное условие, позволяющее выкопать котлован без препятствий.

Для начала следует определить высоты угловых точек и выбрать ту, которая находится выше остальных. В данной точке устанавливается первая обноска, которая будет являться ориентировочной. Сама обноска выполняется из дерева. Заглубляются 3 столбца, и проводится нулевая отметка. Посредством шуруповерта закрепляются 3 доски, по верхним граням которых будет контролироваться нулевой уровень угловой отметки. Проверяется горизонтальность конструкции нивелиром.

Выполнение обносок продолжается аналогичным способом. При помощи нивелира и ориентировочной обноски определяется общий нулевой уровень на всех последующих обносках. Общая ровность проверяется лазерным оборудованием.

В завершение по разметке натягивается бечевка, которая заходит на верхнюю часть получившихся обносок. При помощи нивелира бечевка совмещается с нижним очертанием базиса. Вбиваются гвозди, чтобы закрепить лицевые и внутренние границы.

Следует помнить о проверке диагоналей. Если они совпадают, можно продолжить разметку возводимого фундамента вдоль лицевого контура.

Определение превышения точек

Как устанавливать инструмент мы разобрались, теперь рассмотрим, как определять с помощью нивелира разность высот двух и более точек. Для этого нам понадобится рейка и помощник, который будет рейку держать и переносить туда, куда нужно.

Выбираем первую точку измерения (обозначим ее «а»), на которую помощник ставит рейку по возможности вертикально. Вертикальность можно корректировать по вертикальной риске визирной сетки, подавая соответствующие сигналы помощнику.

Наводим прибор на рейку, сначала приблизительно, пользуясь «прицелом» сверху трубы. Смотрим в окуляр и, вращая маховик, добиваемся четкой видимости рейки.

Снимаем показания. Для этого смотрим, между какими значениями рейки оказалась горизонтальная линия визирной сетки, добавляем к нижнему значению количество сантиметровых делений между линией значения и линией визира прибора (или, если это удобнее, вычитаем из верхнего значения).

К примеру, риска легла чуть больше чем на три деления выше цифры 15. Нужно записать в блокноте значение 153, округляя до сантиметра в большую или меньшую сторону.

Нивелирование

Нивели́рование (от фр. nivellement или фр. nivèlement — «выравнивание», от фр. niveau — «уровень», «ровень») — определение разности высот двух и более точек земной поверхности, то есть определение превышения. Существуют следующие способы нивелирования:

Геометрическое (нивелиром и рейками);
Тригонометрическое (угломерными приборами (в осн. теодолитом или тахеометром посредством измерения наклонения визирных линий с одной точки на другую);
Барометрическое (при помощи барометра).
Гидростатическое (основано на свойстве жидкости сообщающихся сосудов всегда находиться на одном уровне, независимо от высоты точек, на которых установлены эти сосуды)
Радиолокационное (производится с помощью радиовысотомеров и эхолотов, установленных как на воздушных, так и на водных судах, автоматически вычерчивающих профиль проходимого пути)
Спутниковое (производится с помощью GNSS-приёмников)

«Нивелировать»

Геометрическое нивелирование

Во время геометрического нивелирования превышение между точками получают как разность отсчётов по рейкам при горизонтальном положении визирной оси нивелира. Этот метод является наиболее простым и точным, но позволяет с одной постановки прибора получить превышение не более длины рейки, поэтому при больших превышениях в горной местности его эффективность падает.

Определение превышения заключается в визировании горизонтальным лучом с помощью нивелира и отсчета разности высот по рейкам. h = h b − h a ; {\displaystyle h=h_{b}-h_{a};} где h b {\displaystyle h_{b}} — отсчет по задней рейке; h a {\displaystyle h_{a}} — отсчёт по передней рейке;

Точность отсчета по рейкам составляет от 1-2 мм (техническое нивелирование) до 0,1 мм (нивелирование I класса).

На рисунке показано нивелирование методом «из середины», также существует метод «вперёд».

Тригонометрическое нивелирование

При тригонометрическом нивелировании превышение между точками определяют по измеренным вертикальным углам и расстояниям между точками (горизонтальным проложениям). Тригонометрическое нивелирование позволяет с одной станции определить практически любое превышение между точками, имеющими взаимную видимость, но его точность ограничена из-за недостаточно точного учёта влияния на величины вертикальных углов оптического преломления и уклонений отвесных линий, особенно в горной местности.

Превышение определяется по измеренному теодолитом (кипрегелем, эклиметром или тахеометром) углу наклона линии визирования с одной точки на другую (α) и расстоянию между этими точками (S). Тригонометрическое нивелирование применяется при топографической съемке и других работах. h = S ⋅ sin ⁡ α ; {\displaystyle h=S\cdot \sin \alpha ;} В основе тригонометрического нивелирования лежит линейно-угловая засечка.

Тригонометрическое нивелирование

Барометрическое нивелирование

Превышение определяется по значениям атмосферного давления при помощи полной барометрической формулы

Барометрическое нивелирование

Гидростатическое нивелирование

Основано на свойстве поверхности жидкости в сообщающихся сосудах находиться на одном уровне. Этот метод имеет высокую точность, позволяет определять разность высот между точками при отсутствии взаимной видимости, но измеряемая разность высот ограничена длиной наибольшей из трубок, соединённых шлангами.

Гидроуровень

Превышения вычисляются методом GNSS-измерений (GPS, ГЛОНАСС и так далее).

Спутниковое нивелирование

Построение плоскостей

Вертикальное проектирование или построение плоскостей выполняется электронно-механическими прибором Зенит-прибором или лазерным уровнем.

Зенит-прибором (прибором оптического вертикального проецирования) переносят точки по вертикали. При возведении высоких зданий и сооружений положение стен и других элементов на каждом этаже проверяют от осей. Точки пересечения осей проецируют оптическим или лазерным лучом зенит-прибора.

Отметки проецируются с использованием принципа вращения лазерного луча и оптической системы, позволяющей развернуть луч в линию. Основное достоинство лазерного уровня — простота в работе, не требующая специальных навыков по настройке прибора, и возможность проведения работ только одним человеком. Такие уровни применяются в строительстве. Многие модели лазерных уровней имеют также возможность построения наклонных плоскостей и отвесных линий.

ru.wikipedia.org

Как пользоваться оптическим нивелиром при строительстве фундамента

Алгоритм действий практически идентичен подготовке основания, с тем лишь отличием, что в этом случае фундамент уже готов, если лишь необходимо выровнять. Итак, последовательность работ:

Установите нивелир так, чтобы чётко видеть каждый угол фундамента в относительно узком поле зрения (90° или меньше). Это поможет избавиться от ошибок, связанных с поворотами нивелира на большие углы. Чтобы свести к минимуму ошибку, установите нивелир над фундаментом как можно ниже.
С помощником, удерживающим рейку, прострелите внешние углы a, b, c, d и запишите их высоту. В нашем примере самый высокий угол b.
Из высоты самого высокого угла вычтите высоты остальных углов и запишите разницу − это будет толщина прокладок.
Подкладками выведите углы до уровня высокого угла с допуском ±1,5 мм.
Протяните шнурку между углами. Натянув шнур горизонтально, положите стальные прокладки между лежнем и фундаментом под все лаги, балки и точечные нагрузки.
Для грубой подгонки лежня к шнуру в нужных местах положите подкладки.

Это общие рекомендации при работе с нивелиром на разных строительных этапах постройки дома.

Что такое нивелирование

Нивелирование – комплекс замеров, применяемых в геодезии. Оно используется, чтобы определить перепад высот между двумя или более точками. Таким образом выявляется превышение.

Применяя нивелирование и сопоставляя результаты измерений, можно в точности отобразить рельеф на топографических картах, разработать проекты организационно-хозяйственной деятельности.

Прибор, применяемый для измерения разности высот, называется нивелиром. Его устанавливают на подставку и винтами регулируется уровень.

Подразделяются на высокоточные (для работ I и II классов), точные (III и IV), технические (инженерно-технические исследования).

Инструментарий геометрической нивелировки

Как было указано данный тип работ проводиться с помощью нивелира. Он представляет классический прибор с оптико-механической начинкой, обеспечивающий горизонт для визирного луча. Прибор монтируется на штативе и выставляется в точку стояния, затем при помощи специальных винтов выводиться в горизонтальную плоскость. Трубка нивелира бывает двух видов, прямого и обратного изображения. Трубкой прямого изображения оснащаются в основном нивелиры современного типа.

Приборы старого образца, хоть и имеют систему обратного изображения, но имеют отличную видимость. К тому же при работе с трубками обратного изображения применяется измерительная линейка в перевернутом виде и система поворотных линз. Стоимость таких приборов высока, да к тому же система линз для поворота изображения страдает одним недостатком. В условии рефракции наблюдаются незначительные искажения объектов, при использовании в жаркий период года.

И все же качество советских приборов цениться, по причине высокой четкости по сравнению с современными аналогами. В качестве примера возьмем советский теодолит и сравним его с электронным геодезическим тахеометром имеющий оптическую систему Carl Zeiss . Результат будет не в пользу последнего, так как советский хорошо подходит для локальной выверки с адекватным изображением. Если нужна глобальная картинка, необходимо использовать метод спутниковой геодезии.

Существует три типа конструкций нивелиров: цилиндрического уровня зрительной трубы, с компенсатором автоматом и электронные. Нивелиры так же принято делить по классу точности: технические (H -10), точные (Н-3, Н-3К, Н-3КЛ) и приборы высокой точности (Н-05, Н-1, Н-2).

Компенсаторы предназначены для устранения погрешности при установке нивелиров, и бывают ручного и автоматического типа. То есть, вывод в горизонтальную плоскость при ручном компенсаторе выполняется непосредственно человеком, а при автоматическом соответственно самовыравниванием.

Тригонометрическая нивелировка

Она построена на принципе использования одного из двух измерительных приборов, тахеометра или теодолита. Для считывания превышения используют угол от горизонта до верхнего края измерительной рейки, а в случае большой удаленности объекта его вершины. К примеру, этим способом измеряют высоты опор линий электропередач. Он хоть и дает незначительную погрешность расчета, но зато позволяет производить расчеты превышений на больших расстояниях и углах рельефа местности.

Формула высоты тригонометрического измерения выглядит так: h = s * tg ν + i – б или h = S * sin ν + i – б. Значения величин подставляются в нее с учетом того, что:

ν — это угол луча по отношению к горизонту
s — горизонт линии
S — длина отрезка визирной линии
i — высота измерительного прибора
б — высота визировки