Нивелирная рейка
обратного изображения
отсчет 1043
совмещенные половинки
пузырька контактного уровня
Поле зрения нивелира Н-3
- 3. Классификация нивелиров
Главное требование к нивелиру в рабочем положении – горизонтальность визирного луча. В зависимости от принципа приведения визирного луча в горизонтальное положение различают нивелиры двух видов - с цилиндрическим уровнем при зрительной трубе и с компенсатором. Компенсатор обеспечивает автоматическую установку линии визирования благодаря наличию компенсатора малых наклонов трубы - подвижного оптического элемента в виде качающейся призмы на нитях, которая размещена между фокусирующей призмой и окуляром.
Типы нивелиров по точности:
Высокоточные Н – 05 - для нивелирования I и II классов;
Точные Н – 1, Н - 2, Н – 3 – для нивелирования III и IV классов;
Технические Н – 10 – технические, используемые для топосъемок, нивелирования трассы, для инженерных работ не требующих высокой точности.
Цифра при букве – средняя квадратическая погрешность определения превышений в мм на километр двойного хода.
Увеличение высокоточных нивелиров – до 40 крат и более, точных - 30 крат, технических - 20 крат.
Кроме того, выпускаются Н-3К , Н3Л, Н3КЛ, Н-10 К , Н10Л, Н10КЛ.
Буква К - наличие компенсатора углов наклона оси трубы и соответственно отсутствие цилиндрического уровня. Компенсатор дает автоматическую установку оси трубы в горизонтальной плоскости. В современном исполнении нивелиры с компенсатором - С – 410 , С – 330. Нивелиры с компенсатором значительнее производительнее, поскольку при съемке экономится время. Кроме того, все эти нивелиры прямое изображение.
Буква Л - означает наличие лимба, оцифрованного круга, позволяющего приблизительно определить величину горизонтального угла.
Цифра, стоящая перед обозначением марки нивелира , указывает номер улучшенной модификации базовой модели. Например, 3Н2КЛ.
Выпускаются также и лазерные нивелиры, позволяющие работать с видимым горизонтальным лучом. В ряде случаев это очень удобно.
Электронные нивелиры - цифровые нивелиры со встроенным цифровым устройством для считывания отсчетов по специальной штрихкодовой рейке с высокой точностью. Процесс измерения сводится к поочередному наведению прибора на рейки нажатием всего на одну клавишу. На экране нивелира отображается измеренное значение и расстояние до рейки. Результаты измерений можно сохранить на специальной карте памяти или во внутренней памяти прибора. С карточки памяти информация может быть скинута в компьютер для обработки. В памяти сохраняется несколько тысяч значений измерений.
Подробное изучение устройства нивелиров, нивелирных реек, а также изучение поверок предполагается на лабораторных занятиях.
4. Тригонометрическое нивелирование
Это вид нивелирования реализуется при работе с теодолитом как при простом нивелировании, так и в ходе тахеометрической съемки.
Пусть требуется определить превышение h между точками А и В.
Установив в точке А теодолит, наводят его трубу на поставленную в точке
В рейку и измеряют вертикальный угол ν .
Cхема тригонометрического нивелирования
D
ν h' l
В
i
h
А d
По известной высоте наведения на рейку l (снимается отсчет по средней нити сетки) и измеренным на местности горизонтальному проложению d и высоте прибора i можно вычислить превышение по формуле , очевидной из рисунка:
h + l = h' + i откуда h = h' + i - l
Поскольку h = d * tg ν , то искомое значение h будет равно
h = d * tg ν + i - l
Это полная формула тригонометрического нивелирования.
Если визировать на метку, прикрепленную к рейке на высоте прибора,
то есть при i = l , получим сокращенную формулу тригонометрического нивелирования: h = d*tg ν
В ходе тахеометрической съемки при съемке объектов на местности расстояния измеряются нитяным дальномером, заложенным в устройстве теодолита. В этом случае формулу следует преобразовать , поскольку при работе с нитяным дальномером наклонное расстояние пересчитывается в горизонтальное проложение по формуле d = D * . Известно, что D = k * n, где к - коэффициент дальномера = 100, а n - разность отсчетов по дальномерным нитям. Подставив значение d , получим :
h = D * cos²ν * tgν + i - l = D * sinν * cosν + i - l
то есть h = ( ½ ) * (k*n) * sin 2*ν + i - l , а при i=l h = (1/2) *(k*n) * sin 2*ν
При расчете пользуются специальными таблицами или микрокалькуляторами. В электронном тахеометре и при обработке на компьютере расчет превышений автоматизируется.
При нивелировании высотного хода тригонометрическим способом допустимая невязка превышений определяется по формуле: fhдоп = 20 см , где L - длина хода в км . Так, при длине хода в 1 км f = 20 см . Сравним с геометрическим нивелированием : fhдоп = 50 мм . При такой же длине хода допустимая невязка составит 5 см. Очевидно, что требования к точности при работе с нивелиром более жесткие.
5. Влияние кривизны Земли и рефракции на результаты нивелирования
Покажем на схеме сегмент плоскости, секущей земной эллипсоид, нивелир, направления визирного луча, а также уровенную поверхность Мирового океана. Пусть необходимо определить превышение точки В над точкой А .
r
f
b
i B k
А h-превышение b1=b-k
М
N – уровень моря
R
R
Если бы визирный луч нивелира совпадал с кривой, параллельной уровенной поверхности MN, то превышение точки В над точкой А было бы равно разности : h = i – b1 . Но визирный луч идет по прямой,касательной к этой кривой и в отсчет по рейке b должна войти поправка k за кривизну Земли: h = i – (b –k) = i –b+k. Однако, в действительности луч пойдет не по прямой, а по кривой с вогнутостью к уровенной поверхности – по рефракционной кривой . Это происходит потому, что, проходя через воздушные слои различной плотности, визирный луч преломляется и сходит с горизонтальной прямой.
Рефракция - это явление преломления визирного луча при его прохождении через слои различной плотности в связи с разностью температур и влажности.
Стало быть, видно из схемы, поправка «за кривизну» должна быть уменьшена. Если обозначить r – влияние рефракции на величину превышения, то разность f = k – r выражают суммарное влияние кривизны Земли и рефракции.
Общая поправка за кривизну Земли и рефракцию обозначается, как правило, f , поправка за кривизну Земли - k , а поправка за рефракцию - r. Для поправок получены теоретические формулы: k = / (2*R) и r = 0.16 * k.
Здесь d - расстояние от нивелира до рейки; R - радиус Земли, равный 6371 км.
Общая поправка за кривизну Земли и рефракцию будет:
f = k - r = / (2*R ) - 0.16* / (2*R) = ( 1 – 0.16)* / (2*R) = 0,84 */ 2*R
f = 0.42 d / 2
Приведем числовые значения этой поправки :
d , м 50 100 150 200 300 400
f , мм 0,2 0,7 1,5 2,6 6,0 10,5
При нивелировании «вперед» необходимо учитывать эту поправку. При техническом нивелировании как нивелиром, так и теодолитом, поправка учитывается с расстояния в 400м со знаком «плюс»: h = i–b +f ; h = d* tg ν + i-l + f
При равных расстояниях от нивелира до реек влияние кривизны Земли и рефракции на результаты нивелирования исключается.
6. Особые случаи нивелирования
1) Нивелирование крутых склонов
Если нивелирование ведется по достаточно крутому склону и превышение между пикетами таково, что отсутствует видимость рейки в зрительной трубе, то стандартный отрезок между пикетами в 100 м разбивается на более короткие отрезки. Пикеты – это точки, закрепленные на местности через 100 метров при нивелировании трассы. Новые точки между пикетами называют х – точками – «иксовые» точки. Рисунок :
Ст3
Ст1 Ст2 ПК2 .ст1 .ст3
Х2
ПК1 Х1 П1 Х1 Х2 ПК2
Профиль .ст2
План
При обработке хода надо учитывать, что «иксовые» точки , как и пикетные, являются связующими, то есть общими для двух смежных станций. А это значит, что снимать отсчеты следует по обеим сторонам рейки ( по черной и для контроля – по красной). При этом допускается нивелир выносить поочередно вправо и влево от хода, как на рисунке.
2) Нивелирование через препятствие
Чаще всего препятствием является река. Перебросить отметку можно одним из способов - по урезу воды или двойным нивелированием.
Первый способ заключается в том, что у самого уреза выкапывают ямки с двух сторон реки. Уровень в них, если река спокойная и не на повороте, установится единый. Забивают колышек вровень с уровнем воды в ямке и передают на него отметку, которая принимается равной отметке уреза на другой стороне реки. На крутых поворотах реки с мощным течением может наблюдаться так называемый поперечный уклон водной поверхности, когда отметки уреза воды левого и правого берегов могут быть неодинаковы. Тогда нужно нивелировать пикеты, закрепленные колышками на двух берегах, используя геометрическое либо тригонометрическое нивелирование с визированием через реку. Второе нивелирование делается для дополнительного контроля.