Глава 7

НИВЕЛИРОВАНИЕ

7.1. НИВЕЛИРЫ, НИВЕЛИРНЫЕ РЕЙКИ, КОСТЫЛИ И БАШМАКИ

Нивелирование - вид геодезических измерений, в результате которых определяют превышения точек, а также их высоты над принятой уровенной поверхностью.

60

Рис. 7.1. Зрительная труба (разрез а), оптическая схема (б) и поле зрения и сетки нитей в различных приборах (")•

1 - объектив, 2 - линза, 3 - кремальера, 4 - стеклянная пластина, 5 - окуляр, 6 - регулировочные винты, 7, 8 - вертикальные и горизонтальные нити#

Нивелирование производят для изучения форм рельефа, определения высот точек при проектировании, строительстве и эксплуатации различных инженерных сооружений.

Результаты нивелирования имеют большое значение для решения научных задач как самой геодезии, так и других наук о Земле.

Основными геодезическими приборами, которыми производятся измерения, являются нивелиры. Прежде чем приступить к изучению конструкции нивелиров, рассмотрим устройство их основных частей, которые являются также основными частями и других геодезических приборов.

Зрительная труба (рис. 7.1, а) представляет собой оптическую систему (рис. 7.1, б), помещенную в металлический корпус (трубу). С одного края трубы размещен объектив 1, с другого - окуляр 5. Между ними находится двояковогнутая линза 2. В окулярной части трубы есть стеклянная пластина 4 с нанесенной на ней сеткой нитей (рис. 7.1, в).

Специалиста, применяющего для измерений приборы со зрительными трубами, принято называть наблюдателем. При работе со зрительной трубой наблюдатель совмещает перекрестие сетки нитей с наблюдаемым предметом. Линия, соединяющая оптический центр объектива и перекрестие сетки нитей, называется визирной

61

Рис. 7.2. Цилиндрический уровень и уклоны при положении пузырька:
а) вид сбоку, 6) вид сверху; 1 - ампула, 2 - жидкость, 3 - пузырек, 4 - исправительный винт, 5 - уклон ампулы

осью трубы. Процесс наведения зрительной трубы на точку наблюдения называют визированием. В момент совмещения перекрестия сетки нитей с какой-либо точкой визирная ось трубы проходит через эту точку. Вращением фокусировочно-го кольца, или кремальеры, 3 перемещают фокусирующую линзу 2, добиваясь четкого изображения наблюдаемого предмета. Такое действие называют фокусированием. Перемещением окуляра 5 относительно сетки нитей фокусируют изображение сетки. Окуляр перемещают вращением окулярного кольца. Геодезические приборы оборудуют уровнями.

Уровни геодезических приборов бывают цилиндрические и круглые.

Цилиндрический уровень (рис. 7.2) представляет собой стеклянную ампулу 1, заполненную жидкостью 2 (спирт, эфир). Часть пространства, заполненную парами этой жидкости, называют пузырьком 3 уровня. Внутренняя (верхняя) поверхность ампулы отшлифована по дуге определенного радиуса. На верхней наружной ее поверхности нанесены 2-миллиметровые деления. Среднюю точку шкалы 0 называют нуль-пунктом. Касательную линию ии в нуль-пункте к дуге внутренней поверхности уровня называют осью цилиндрического уровня.

Использование уровня основано на свойстве пузырька занимать наивысшее положение. Если пузырек уровня переместить на одно деление относительно начального положения, ось уровня склонится на величину г, называемую ценой деления уровня. Как правило, цена деления цилиндрических уровней геодезических приборов бывает 2” ...60”.

Рис. 7.3. Круглый уровень:
1 ампула, 2 жидкость, 3 - пузырек

62

Рис. 7.4. Подставка (а) и штатив (б):
1, 2, 5 - винты, 3 - отверстие для установки прибора, 4 - столик, 6 - ремень, 7 - наконечник

Круглый уровень (рис. 7.3) отличается от цилиндрического тем, что его верхняя часть отшлифована по сферической поверхности. Деления на внешней стороне представляют собой концентрические окружности, а осью уровня является радиус сферы, проходящий через нуль-пункт. Цена деления круглых уровней от нескольких минут до нескольких десятков минут.

Подставка и штатив (рис. 7.4, а, б) служат для крепления и установки геодезических приборов. Вращением подъемных винтов 1 подставки изменяют положение вертикальной оси вращения прибора, а следовательно, и всех остальных его частей. Ось прибора вставляется в отверстие 3 и закрепляется в подставке винтом 2.

Подставка крепится на столике 4 штатива становым винтом 5. Штатив имеет три деревянные или металлические ножки, которые шарнирно соединены с головкой штатива. Ножки бывают раздвижные и цельные. Нижние концы ножек снабжены металлическими наконечниками 7. Штатив обеспечивает устойчивость прибора. В собранном виде штатив переносят на плечевом ремне 6.

Типы нивелиров. В зависимости от устройств, применяемых для приведения визирной оси трубы в горизонтальное положение, нивелиры выпускают двух типов: с компенсатором углов наклона зрительной трубы и с уровнем при ней. У нивелиров, выпускаемых промышленностью СНГ, наличие в марке буквы К означает, что труба нивелира снабжена компенсатором, а буквы П - прямое изображение, например, нивелиры Н-05К, Н-3К, Н-10КП.

Нивелиры с компенсатором угла наклона зрительной трубы называются самоустанавливающимися (рис. 7.5, а). Компенсация угла наклона визирной оси или автоматическое приведение ее в горизонтальное положение у этих нивелиров происходит за счет автоматического поворота компенсирующего элемента (компенсатора) оптической системы (рис. 7.5, б).

Так, компенсатор нивелира Н-10КП состоит из двух пентапризм 9 и 10 (пятиугольных призм), склеенных между собой и скрепленных с корпусом прибора коробчатой формы, а также подвижной прямоугольной призмы. Прямоугольная призма заключена в рамку,

63

Рис. 7.5. Нивелир Н-10К (а) и его оптическая схема (б):
1 - установочная прижимная пластина, 2 - корпус, 3 - маховичок, 4 - круглый уровень с зеркальцем, 5 - объектив, 6 - подставка, 7 - закрепительный винт, 8, 12 - линзы объектива и окуляра, 9, 10 - пентапризмы, 11 - сетка нитей, 13, 14 - призма и рамка

перемещаемую в вертикальной плоскости маховичком 3, укрепленным в корпусе 2. Ее перемещение обеспечивает фокусировку зрительной трубы по объекту наведения. Диапазон работы компенсатора определяют по максимальному углу наклона оси нивелира. У нивелиров для низкоточных и технических работ этот диапазон колеблется в пределах 5’...20’.

До начала работ нивелир вынимают из укладочного ящика и укрепляют на штативе становым винтом. Выдвигая и убирая ножки штатива, устанавливают его головку "на глаз" в горизонтальное положение. Затем с помощью подъемных винтов подставки приводят пузырек круглого уровня к середине концентрических окружностей или в нуль-пункт.

Подготовка нивелиров для работы состоит из двух действий: приведения визирной оси прибора в горизонтальное положение (нивелир с компенсатором считается готовым к работе, если пузырек круглого уровня приведен в середину концентрических окружностей, нанесенных на стеклянной капсуле уровня) и установки трубы для наблюдения.

Трубу устанавливают по рейке вращением корпуса рукой. Наведение трубы на рейку фиксируют закрепительным винтом. В некоторых нивелирах закрепительного винта нет, а корпус имеет постоянное фрикционное (тугое) сцепление с вертикальной осью вращения нивелира. Точное наведение зрительной трубы по рейке производят наводящим винтом (под точным наведением понимают такое положение, при котором сетка нитей зрительной трубы совпадает с осью рейки).

Нивелиры с цилиндрическим уровнем имеют зрительную

64

трубу и цилиндрический уровень. Труба с уровнем укреплена на вертикальной вращающейся оси, входящей в подставку. Наиболее распространенные нивелиры этого типа Н-3, Н-10. Нивелир Н-3 (рис. 7.6, а) состоит из верхней части, несущей зрительную трубу 6 с цилиндрическим 7 и круглым 3 уровнями, основанием, наводящим 10, элевационным 4 и закрепительными 9 винтами, и нижней, представляющей собой подставку с тремя подъемными винтами 1 и прижимной пластиной 11.

Зрительная труба представляет собой телескопическую систему (рис. 7.6, б), состоящую из объектива 12, фокусирующей линзы 13, сетки нитей 14 и окуляра 15. Лучи, идущие от концов пузырька уровня 22, отражаются от скошенных граней призм 21, направляются в расположенную сбоку прямоугольную призму 19, идут в призму 18, затем через линзу 17 и призму 16 попадают в окуляр зрительной трубы нивелира. Пузырек уровня освещается светом, передаваемым в трубу зеркалом 20. Пузырек цилиндрического уровня приводится в нулевое положение элевационным винтом 4.

Цилиндрический уровень 7, расположенный в корпусе слева от зрительной трубы, служит для точного приведения визирной оси прибора в горизонтальное положение. Для грубого приведения вертикальной оси прибора в отвесное положение служит круглый уровень 3. Пузырек круглого уровня приводится в нулевое положение подъемными винтами 1 подставки 2. Зрительную трубу 6 наводят на рейку винтами 1 подставки 2. Зрительную трубу 6 наводят на рейку по визиру 8 винтом 10 при закрепленном винте 9. Резкость изображения нивелирной рейки достигается вращением винта 5 фокусирующей линзы.

Нивелир крепится к штативу прижимной пластиной 11, которая в своей центральной части имеет втулку с резьбой под становой винт штатива.

Рис. 7.6. Нивелир Н-3 (а) и его оптическая схема (б):
1, 4, 5, 9, 10 - винты, 2 - подставка, 3, 7 - уровни, 6 - зрительная уруба, 8 - визир, 11 - установочная прижимная пластина, 12 - объектив, 13 - фокусирующая линза, 14 - сетка нитей, 15 - окуляр, 16 - 19, 21 - призмы и линзы, 20 - зеркало, 22 - уровень

65

Рис. 7.7. Лазерный нивелир:
1 - лазерная трубка, 2 - световод, 3 - штатив, 4 - переходная деталь, 5 - объектив, 6 - нивелир, 7 - источник электропитания

Нивелир с цилиндрическим уровнем готовят к работе так же, как нивелир с самоустанавливающейся линией визирования.

Лазерные нивелиры (рис. 7.7) представляют собой комбинацию нивелиров 6 с компенсаторами и лазерных трубок 1. (Более подробно лазерные геодезические приборы рассмотрены в гл. X.) Из лазерной трубки с помощью световода 2 луч направляют в переходную деталь 4, из которой луч попадает в оптическую систему и выходит в виде видимого горизонтального лазерного луча из объектива 5 нивелира. Блок электропитания 7 крепится к штативу 3. При небольших расстояниях (до 100 м) используют деревянные рейки с сантиметровыми делениями. Рейки устанавливают в нивелируемых точках и после визирования на них и фокусировки лазерного пучка реечник берет отсчет визуально на рейке по пятну лазерного пучка. При необходимости выполнения точных нивелирных работ используют рейки со специальными подвижными каретками с фотодетекторами, по которым с высокой точностью определяют центр лазерного луча, попавшего на рейку.

Иностранные фирмы выпускают высокоточные нивелиры с регистрирующим электронным устройством, которое позволяет автоматически регистрировать отсчеты по рейкам и вычислять превышения между точками. Автоматизирован и весь процесс обработки результатов нивелирования с их запоминанием и хранением. Примером может служить нивелир Рени 002А фирмы Карл-Цейсе Йена. Технические возможности нивелиров позволяют работать ими людям со зрением + 5 диоптрий. Как правило, нивелиры работоспособны при температуре -30...+ 50 °С.

Каждому нивелиру придается не менее двух однотипных нивелирных реек.

Нивелирная рейка (рис. 7.8, а) состоит из двух брусков двутаврового сечения, соединенных между собой металлической фурнитурой. Это позволяет складывать рейку для транспортирования. Рейка имеет градуировку на обеих сторонах. Сантиметровые шашки наносят по всей длине рейки с погрешностью 0,5 мм и оцифровывают через 1 дм. Высота подписанных цифр не менее 40 мм. На основной стороне рейки шашки черные на белом фоне, на другой (контрольной) - красные на белом фоне. На каждой стороне рейки три цветные шашки каждого дециметрового интервала, соответствующие участку в 5 см, соединяются вертикальной полосой. Для контроля при отсчетах по двум сторонам рейки начало первого

66

Рис. 7.8. Нивелирная рейка (а), костыль (б), башмак (в) и отсчеты по рейке (г)

оцифрованного дециметрового интервала контрольной стороны смещено по отношению к началу первого оцифрованного дециметрового интервала основной стороны.

Для удобства и быстроты установки нивелирные рейки иногда снабжают круглыми уровнями и ручками. На торцах нивелирной рейки укрепляют пятки в виде металлических полос толщиной 2 мм.

Рейки маркируют так: например тип РН-10П-3000С означает, что это рейка нивелирная, со шкалой деления (разграфкой с 10 мм, подписью цифр "прямо", длиной 3000 мм, складная). Для точных и технических работ выпускают рейки длиной 3 и 4 м.

Нивелирные рейки могут применять в разное время года при различных метеорологических условиях. Температурный диапазон работы реек -40... + 50 °С.

Во время работы рейки устанавливают на деревянные колья, костыли или башмаки.

Костыль (рис. 7.8, б) - металлический стержень с заостренным концом с одной стороны и сферической шляпкой с другой. Для забивки костыля в грунт на верхний торец его надевают крышку.

Башмак (рис. 7.8, в) - толстая круглая или треугольная металлическая пластина на трех ножках. В середине пластины укреплен стержень со сферической шляпкой, на которую опирают нивелирные рейки.

Рейки устанавливают вертикально "на глаз" или с помощью уровня. Если уровня нет, отсчет по рейке берут при покачивании рейки в сторону нивелира и от него. Из всех видимых отсчетов берут наименьший - он соответствует отвесному положению рейки.

Отсчеты по рейкам (рис. 7.8, г) производят по средней нити нивелира - по месту, где проекция средней нити пересекает рейку. Сделать отсчет по рейке - это значит определить высоту визирной оси нивелира над нулем (основанием) рейки. Цифры считывают в такой последовательности: сначала меньшую, видимую вблизи средней нити, подпись (сотни миллиметров), потом прибавляют к ней целое число делений, на которое нить сетки отстоит от меньшей подписи в сторону большей (десятки миллиметров), затем наименьший десятимиллиметровый отрезок делят

67

"на глаз" (количество миллиметров). Отсчет записывают в миллиметрах (на рис. 7.8, г он равен 1514).

68