Нивелирование

Министерство образования  и науки Российской Федерации

Федеральное агентство  по образованию

 

 

БАЙКАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ               ЭКОНОМИКИ И ПРАВА

_______________________________________

             наименование кафедры

 

     Допускаю  к защите

Руководитель                     _____________________

_____________________

                                                                                 И.О. Фамилия

 

Нивелирование

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине

 

_____________________________________________________________

 

 

Выполнил студент группы ________    ________       ________________

                                               шифр         подпись           И.О. Фамилия

 

 

 

 

Курсовой проект защищен с оценкой ___________________________

 

 

 

 

 

 

Иркутск 20   г. 

РЕФЕРАТ

 

Курсовая работа 27 с., 6 рис., 1 табл., 11 источников.

 

НИВЕЛИРОВАНИЕ, тригонометрическое, барометрическое, гидростатическое, гидромехническое, механическое, стерефотограмметрическое, геометрическое, системы координат, топография, картограмма, пикетаж, трассирование, план местности, нивелирный ход, геодезические координаты, геоцентрические системы координат.

 

Объектом исследования являются системы геодезических  координат, создаваемые на основе применения нивелирования.

Цель работы – рассмотреть задачу нивелирования, которая состоит в том, чтобы получить отметки пикетов и плюсовых точек для построения профиля земли.

Рассмотрены вопросы  создания и развития систем координат  на основе широкого применения методов нивелирования. Показано, что все современные реализации общеземных геоцентрических систем координат основаны на одной и той же системе отсчета. Рассмотрены геодезические работы с использованием различных методов нивелирования.

 

Содержание

 

Введение……………………………………………………………………4

1. Методы нивелирования……………………………………………………5
2. Сущность и способы геометрического нивелирования…………………7
3. Оптико-механические и цифровые нивелиры: устройство,

поверки…………………………………………………………………….11

1.      Высотные сети…………………………………………………………12
2.      Площадное нивелирование (нивелирование по квадратам)..………12
3.       Продольное техническое нивелирование (нивелирование    

          траccы)...……………………………………………………………….17

 

 

 

 

 

 

Заключение………………………………………………………………...26

Библиографическое описание документов………………………………27

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Геодезия – наука об определении формы и размеров Земли, об измерениях на земной поверхности, вычислительной обработке их для построения карт, планов, профилей и для решения инженерных, экономических и других задач.

Геодезия (в переводе с греч. «землеразделение») возникла в глубокой древности и развивалась с ростом потребностей человека в жилье, делении земельных массивов, изучении природных богатств и их освоении.

Научными задачами геодезии являются:

- установление систем координат;

- определение формы и размеров  Земли и ее внешнего гравитационного  поля и их изменений во времени; 

- проведение геодинамических исследований (определение горизонтальных и вертикальных деформаций земной коры, движений земных полюсов, перемещений береговых линий морей и океанов и др.).

Научно-технические задачи геодезии в обобщенном виде заключаются в  следующем:

- определение положения точек  в выбранной системе координат;

- составление карт и планов местности разного назначения;

- обеспечение топографо-геодезическими данными нужд обороны страны;

- выполнение геодезических измерений  для целей проектирования и  строительства, землепользования, кадастра, исследования природных ресурсов и др.

Совокупность геодезических измерений, выполняемых для определения  превышений между точками земной поверхности, или высот относительно принятой отсчетной поверхности называется нивелированием. В зависимости от используемых приборов и принципов различают следующие методы нивелирования: геометрическое, тригонометрическое, физическое (барометрическое, гидростатическое и гидромеханическое), механическое и стереофотограмметрическое.

1. Методы нивелирования

Тригонометрическое нивелирование

Тригонометрическое нивелирование выполняют наклонным визирным лучом. При этом измеряют угол наклона линии визирования и горизонтальное (или наклонное) расстояние между точками. Превышение получают из вычислений по тригонометрическим формулам. Точность тригонометрического нивелирования характеризует погрешность порядка 4 см на 100 м расстояния.

 

Барометрическое нивелирование

Барометрическое нивелирование основано на использовании зависимости значения атмосферного давления от высоты над уровнем моря. На малых и равнинных участках высоты точек определяют с точностью 0,2 – 0,3 м.

 

Гидростатическое  нивелирование

Гидростатическое  нивелирование основано на свойстве жидкости устанавливаться на одинаковых уровнях в сообщающихся сосудах. Фиксируют высоты столбов жидкости в сообщающихся сосудах, установленных в точках с разной высотой, и вычисляют превышения

 

где l₁ и l₂ – высоты сосудов;

с₁ и с₂ – расстояния от верха соответствующего сосуда до уровня жидкости в нем.

 

Гидромеханическое нивелирование

Гидромеханическое нивелирование заключается в измерении давления столба жидкости в гидростатической системе, расположенной между нивелируемыми точками. Превышение определяют как функцию избыточного давления или вакуума, создаваемого столбом жидкости в гидростатической системе.

Механическое нивелирование

Механическое нивелирование осуществляют, используя принцип маятника, стремящегося сохранить отвесное положение. Относительно него определяют наклон транспортирующих средств при передвижении. Профиль пути автоматически вычерчивается на поверхности вращающегося цилиндра или записывается на фотопленке. Погрешность измерений составляет несколько сантиметров на 1 км.

 

Стерефотограмметрическое нивелирование

Стерефотограмметрическое нивелирование основано на измерении превышений по стереоскопической модели местности при помощи стереоприбора по двум перекрывающимся аэрофотоснимкам (АФС) одного и того же участка местности. Погрешность определения высот при наземной стереоскопии 0,1– 0,3 м, при АФС ≈ 1:1 500 высоты (H) фотографирования.

 

Геометрическое нивелирование

Геометрическое нивелирование основано на использовании горизонтальной линии визирования прибора, называемого нивелиром. Разность высот точек определяют из отсчетов по рейкам, вертикально установленным в двух точках. Этот метод является наиболее совершенным и обеспечивает погрешность определения превышений от 0,5 до 50 мм на 1 км хода.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Сущность и способы геометрического нивелирования

 

Для определения превышения между  точками А и В местности на точках вертикально устанавливают одинаковые рейки, а между ними нивелир (рис. 1, 2)

 

 

Рис. 1. Нивелир с компенсатором АТ-24D (КНР)

 

 В комплект нивелира входят нивелир и две деревянные рейки. Последние представляют собой деревянный брусок, на котором нанесены по шашечному принципу сантиметровые деления с началом счета от нижнего конца рейки. Каждый дециметр подписан, миллиметровые деления определяются на глаз. В обозначении рейки, например РН-3, указывается ее длина в метрах (3 м). Рейка имеет черную основную и красную – контрольную стороны.

Геодезический прибор нивелир представляет собой зрительную трубу с закрепленным на ней цилиндрическим уровнем (или компенсатором), по которому устанавливают горизонтально визирную ось. Горизонтальный луч пересекает рейки в точка А' и B' (рис. 2).

Разность длин АА' и BB', заключенных между горизонтальным лучом и точками А и В местности, равно превышению h_AB, то есть h_AB = АА' – BB'. Поскольку отсчеты по рейкам а и b равны соответствующим длинам АА' и BB', то превышение можно выразить формулой:

 

 

 

Рис. 2. Схема нивелирования  из середины

 

 Точку А, относительно которой определяют превышение называют задней, а точку В – передней. Таким образом, превышение равно отсчету по задней рейке минус отсчет по передней. Этот способ называется способом нивелирования из середины.

Простое нивелирование – одна установка нивелира и одна станция. Если организуется несколько станций, образующих нивелирный ход, то такое нивелирование называется сложным. Точки нивелирного хода общие для двух смежных станций называются связующими.

При этом превышение конечной точки В нивелирного хода над начальной А равно сумме превышений между связующими точками, т.е.

Если  известна высота начальной точки  А (H_A), то высоту конечной точки В определяют по формуле (превышение может быть положительным и отрицательным)

Сложное геометрическое нивелирование, выполняемое с целью определения высот точек, расположенных на оси сооружения линейного типа (автодороги, ЛЭП), нивелирования теодолитных ходов, называется продольным нивелированием.

Второй способ геометрического  нивелирования – это нивелирование вперед. Нивелир устанавливают в начальной точке А, а в точке В ставят вертикально рейку, обращенную черной стороной к прибору (рис. 3). Отсчеты берут только по черной стороне рейки. Рулеткой или рейкой измеряют расстояние от верха колышка (А) до центра окуляра горизонтально установленной зрительной трубы, называемое высотой прибора i и берут отсчет b по рейке. Затем вычисляют превышение по формуле:

Рис. 3. Схема нивелирования  вперед

 

  Таким образом, при нивелировании вперед превышение равно высоте прибора – i минус отсчет по рейке – b. Нивелирование вперед имеет низкую производительность и меньшую точность, по сравнению с нивелированием из середины. Для определения отметки точки В (H_B) вначале находят горизонт прибора ГП по формуле:

затем по формуле:

окончательно находят отметку точки В.

Горизонт прибора (инструмента) – расстояние по отвесной линии от визирной оси нивелира до уровенной поверхности, принятой за начало счета отметок. Он также численно равен отметке точки, на которой установлена рейка, плюс отсчет по рейке

Геометрическое нивелирование  точек (способом вперед), расположенных с заданной плотностью в пределах участка местности, называется нивелированием поверхностей.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3  Оптико-механические и цифровые нивелиры:

устройство, поверки

 

 

 

 

 

В современных нивелирах визирная ось прибора устанавливается  в горизонтальное положение либо при помощи цилиндрического уровня, либо автоматически посредством специальных устройств, называемых компенсаторами. В связи с этим нивелиры первого типа называются нивелирами с уровнем при трубе, а второго – с самоустанавливающейся линией визирования. В нивелирах с самоустанавливающейся линией визирования используют компенсаторы для автоматического удержания визирной оси в горизонтальном положении. При наклоне зрительной трубы на некоторый малый угол компенсатор стабилизирует положение визирной линии, т.е. возвращает ее в горизонтальное положение. В современных нивелирах диапазон работы современного компенсатора 5-30'.

Марки нивелиров: Н-05, Н-3, Н-10 и др. Цифры в шифрах нивелиров обозначают средние квадратические погрешности нивелирования в мм на 1 км двойного хода. Н-3 точный нивелир, погрешность не более 3 мм на 1 км двойного хода, предназначен для нивелирования III кл. Нивелир имеет контактный уровень и элевационный винт.

 

 

 

 

 

 

 

Н-3КЛ – нивелир такой же точности, но имеет компенсатор и лимб.

Все нивелиры не менее одного раза в год должны проходить аттестацию и быть поверены. В результате поверки  проверяется и исправляется (юстировка) основное геометрическое условие нивелира – оптическая ось зрительной трубы должна быть горизонтальна (для нивелиров с компенсатором), и должна быть параллельна оси цилиндрического уровня (для нивелиров с уровнем при трубе).

 

 

 

 

3.1 Высотные сети

 Передачу высот на пункты сгущения и съемочных сетей осуществляют с помощью технического нивелирования, предельная невязка которого             (мм) не должна превышать

где  L – длина хода (км).

Геометрическое нивелирование  разделяют на государственное I, II, III и IV классов и техническое нивелирование.

Сети I и II класса – главная высотная основа.

Сеть III класса – высотное обоснование  топографических съемок, опирающаяся на нивелирные знаки I и II классов.

Сеть IV класса является сгущением  сетей III класса и служит для обоснования топографических съемок

Нивелирные знаки делятся на постоянные (фундаментальные реперы, стенные марки) и временные (временные  реперы, грунтовые марки).

 

3.2 Площадное нивелирование (нивелирование по квадратам)

Может использоваться как вид топографической съемки. Оно производится на открытой местности со слабовыраженным рельефом для составления крупномасштабных планов. Допустимые уклоны в пределах                       0,0002 – 0,005. Масштабы 1:1 000 – 1:5 000, сечение рельефа 0,25 – 0,5 м. Цель съемки – составление проектов вертикальной планировки и подсчет объемов земляных работ.

В зависимости от характера рельефа, требуемой точности разбивают сеть квадратов или магистралей, реже полигонов со сторонами от 10 до                100 м, обычно 10х10 м, или 20х20 м. Вершины квадратов закрепляют колышками с номерами. Перед началом нивелирования на плотной бумаге составляют схему квадратов, которая одновременно является и полевым журналом нивелирования. Реечника снабжают такой схемой с указанием порядка перемещения. Если на сторонах квадрата имеются точки перегиба, то их отмечают как плюсовые пикеты. Станции выбирают так, чтобы из связующих точек образовался замкнутый полигон. С каждой станции, в зависимости от характера рельефа, определяют отметки вершин квадратов в радиусе 100 – 150 м. Одновременно снимают абрис или кроки. Отметки вершин квадратов и промежуточных точек определяют через горизонт прибора и записывают с точностью до 1 мм на схему нивелирования под отсчетами по черной стороне рейки этих же точек.

Найденное значение горизонта прибора  вписывают на схему нивелирования.

Контроль нивелирования на станции  состоит в том, что суммы накрест  лежащих взглядов (отсчетов) на связующие  точки должны быть равны. Расхождение сумм не должно быть более 4 мм.

Уравнивание результатов нивелирования  и вычисление отметок вершин квадратов  производят в следующем порядке. По каждой линии хода вычисляют превышения конечной точки над начальной из пары отсчетов взятых на одной станции.

Вычисляют превышения по полигону, записывают в ведомость, в которой уравнивают и вычисляют высоты вершин опорного полигона, приняв одну из них за исходную.

Вычисленные высоты связующих точек  выписывают на полевую схему. Затем  по высотам двух точек на каждой станции вычисляют два значения горизонта прибора, средние из которых выписывают над номером станции, округляя до сотых долей метра.

После вычислительной обработки результатов  нивелирования составляют топографический план, на который наносят границу участка, вершины квадратов, дополнительные точки в характерных местах рельефа, контуры ситуации. Подписывают высоты точек и проводят горизонтали с заданной высотой сечения рельефа. План вычерчивают тушью в соответствии с условными знаками.

По отметкам вершин квадратов, используя  кроки нивелирования, производят построение горизонталей методом графического интерполирования с заданной высотой сечения рельефа.

Горизонтали интерполируют только между точками на однородном скате. Существуют аналитический (рис. 4) и графический способы интерполирования.

Из условий подобия имеем

 

где h₁ – расстояние (по высоте) до ближайшей горизонтали;

        h₂ – расстояние до следующей горизонтали.

Далее находим расстояние d₁ + d₂

Аналогично интерполируют по другим сторонам квадрата, после чего проводят горизонтали через точки с одинаковыми высотами. Способ графического интерполирования основан на использовании палетки. Ход горизонталей должен быть плавным и соответствовать рельефу местности. Опытные топографы интерполируют на глаз.

Рис. 4. Схема аналитического интерполирования

Горизонтали – линии равных отметок, поэтому задача будет решена, если найти на плане точки с одинаковыми отметками и соответствующим образом соединить их плавными кривыми линиями. Для удобства зрительного восприятия и простоты расчетов, возникающих при решении задач по горизонталям, принято проводить их по отметкам, кратным высоте сечения. Например, при высоте сечения h = 0,5 м и диапазоне отметок 115,35 м –               121,17 м горизонтали должны соединять точки с отметками 115,50; 116,00; 116,50 и т.д.

Выполнив нивелирование по квадратам, приступают к подсчету объема земляных масс, необходимых для планировки площадки под горизонтальную плоскость. Вначале вычисляется отметка проектной плоскости, которую будет иметь площадка после планировки. Отметку проектной плоскости (H_пр.) вычисляют по формулам:

 

где H_i –отметка вершины i-того квадрата;

      H_{ср.ч отм.} – средняя черная отметка квадрата;

      n – число квадратов.

Контроль вычислений выполняется  по формуле:

 

где H₁ – отметка, характерная для одной вершины квадрата;

      H₂ – отметка, характерная для двух вершин квадратов;

      H₄ – отметка, характерная для четырех вершин квадратов.

Затем составляют картограмму земляных масс на миллиметровой бумаге в масштабе 1:500, если длина стороны квадрата 20 м. Далее определяют рабочие отметки, которые указывают на то, предстоит ли подсыпка грунта или наоборот срезка для получения отметки проектной плоскости. Соответственно рабочие отметки имеют положительные (+ насыпь) или отрицательные           (– срезка) значения. Рабочие отметки вписывают красным цветом на картограмму земляных масс с точностью 0,01 м. Рабочие отметки определяют по формуле:

 

Для тех сторон квадрата, где рабочие  отметки имеют разные знаки, определяют местонахождение точек нулевых работ

 

где X – расстояние до точки нулевых работ по оси X.

Точки нулевых работ соединяют  прямыми линиями, которые разграничивают насыпь от выемки. Насыпь окрашивают красным, выемку – желтым. Расстояния до точек нулевых работ записывают синим. Объем земляных работ (V) определяется по формуле:

 

где S – площадь строительной площадки;

       h_пр – высота призмы, равная средней рабочей отметке для данной фигуры.

Высоту вычисляют до тысячных долей  метра, результаты заносят в    таблицу 1.

 

Таблица 1

Ведомость вычисления объемов земляных работ

Номер фигуры	Площадь	Высота призмы	Объемы
			Насыпь	Выемка
1 2 3

           

При производстве планировочных работ  объем выемки примерно должен быть равен объему насыпи

 

если баланс нарушен, то находят  поправку ΔH к отметке проектной плоскости

и все вычисления выполняют снова.

 

 

3.3  Продольное техническое нивелирование                                             (нивелирование трассы)

 

 

 

 

 

 

При проектировании линейных объектов (автодорог, траншей, линий электропередач, связи и т.д.) возникает необходимость построения продольных профилей по осям этих сооружений. Комплекс геодезических работ на местности при прокладке трассы складывается из: назначения на местности линии заданного направления и заданного уклона, вешение и закрепление этой линии, измерение и разбивка углов поворота трассы, разбивка пикетажа, поперечников и кривых, съемка узкой полосы местности, нивелирование трассы и поперечников.

Если трассу проектируют по картам или планам, то трассирование называют камеральным; если выбирают непосредственно на местности, то полевым. Данная задача обычно выполняется техническим нивелированием – определяются высотное и плановое положение точек, расположенных вдоль оси сооружения через определенные интервалы (20 – 100 м), и дополнительных между ними точек, отражающих особенности рельефа местности.

В состав полевых работ изысканий  этих сооружений входят подготовительные, рекогносцировка местности, разбивка пикетажа и съемка ситуации вдоль трассы, разбивка закруглений, вынос пикетов на кривую, нивелирование всех точек трассы.

Подготовительные работы включают поверки, юстировки, исследования геодезических приборов и их принадлежностей.

Рекогносцировка местности проводится с целью выбора окончательного положения трассы.

 

 

 

 

 

 

Разбивка пикетажа.

Определив окончательное положение  трассы, приступают к разбивке оси  сооружения на равные по длине участки, как правило, в 100 м. При углах наклона местности ν > 20^ο между пикетами откладывают расстояния                       D = d/cosν (d = 100 м). Конечные точки таких участков трассы называют пикетами, поэтому совокупность действий по определению их положений на местности получило название разбивки пикетажа.

Пикеты закрепляют на местности  деревянными колышками, вбиваемыми почти вровень с землей. Для их быстрого отыскания и обозначения рядом с пикетами вбивают сторожок (колышек длиной 0,3 – 0,4 м), на верхней части которого подписывают номер пикета. Пикету, совпадающему с началом трассы, присваивают нулевой номер, следующему через 100 м – номер один и т.д. Такая нумерация удобна тем, что по номеру пикета легко определить расстояние от начала трассы. Например, ПК3 (пикет № 3) находится в 300 м от начала трассы.

Если трасса представляет собой  ломаную линию, то вершины углов  закрепляют колышками на местности и теодолитом измеряют углы Θ. Угол Θ, составленный воображаемым продолжением прямолинейного участка трассы и ее новым направлением, называют углом поворота трассы.

Для более полной характеристики рельефа местности помимо пикетов в местах перегиба земной поверхности вдоль трассы фиксируют дополнительные точки С, Е, Р (рис. 5), называемые плюсовыми.

 

 

 

 

 

 

Рис. 5. Продольное нивелирование

 

На сторожке плюсовой точки подписывают  номер ближайшего заднего пикета и расстояние от него в метрах, например ПК 1 + 19,4.

Закрепление по трассе пикетов и  промежуточных точек сопровождается одновременной разбивкой точек, расположенных влево и вправо от трассы по перпендикулярным к ней направлениям, называемым поперечными профилями. Они характеризуют рельеф в поперечном направлении к трассе и их используют для подсчета объемов земляных работ. Для нахождения положения точек поперечного профиля измеряют расстояния в обе стороны от трассы. Длины поперечных профилей и расстояния между ними могут быть различными в зависимости от назначения профиля, характера местности и точности работ.

Чтобы иметь информацию о ситуации местности, непосредственно прилегающей к трассе, в процессе разбивки пикетажа проводится съемка узкой полосы с помощью прибора или глазомерная съемка в пределах 25 – 50 м влево и вправо от оси. Результаты разбивочных и съемочных работ отражают в пикетажной книжке, страницы которой разграфлены на квадраты. Центральную линию на странице пикетажной книжки принимают за ось сооружения, а влево и вправо от нее в принятом масштабе съемки показывают ситуацию местности. Трасса независимо от наличия поворотов изображается в пикетажной книжке в виде прямой линии. Углы поворота показывают условно в виде стрелки с указанием нового направления трассы. Рядом на полях пикетажной книжки вписывают значение угла поворота и азимут (или румб) нового направления. Поскольку ось сооружения линейного типа в пикетажной книжке представлена прямой линией, то реальное положение ситуации местности сохраняется только относительно каждого прямолинейного участка трассы. По данным пикетажной книжки вычерчивают план местности на продольном профиле.

Таким образом, передвигаясь по прямолинейному участку трассы, одновременно выполняют разбивку пикетажа и поперечных профилей, фиксируют положение промежуточных точек и ведут съемку ситуации. Дойдя до вершины первого угла поворота, и определив его пикетажное значение, разбивочные работы временно приостанавливают, поскольку в месте поворота трассы необходимо вставить между прямолинейными участками сопрягающую кривую, называемую закруглением. Поскольку длину трассы необходимо знать по сопрягающей кривой, а не по ломаной линии, то возникает задача разбивки кривой.