Понятие о тригонометрическом нивелировании

Вычисление отметок реперов разомкнутого хода технического нивелирования

По точности измерения превышений различают нивелирование 1, 2, 3, 4 классов и техническое. При техническом нивелировании предельная ошибка измерения превышения на 1 км хода не должна превышать 50 мм; это соответствует средней квадратической ошибке 20 мм на 1 км хода. Для нивелирования 1, 2, 3 и 4 классов средняя квадратическая ошибка измерения превышения на 1 км хода равна 0.8 мм, 2.0 мм, 5 мм и 10 мм соответственно.

Ходы технического нивелирования прокладывают между реперами с известными отметками (реперами нивелирования 1, 2, 3, 4 классов); допустимая длина хода зависит от его формы. Так, длина разомкнутого (рис.4.37-а) или замкнутого (рис.4.37-б) хода может достигать 16 км; длина висячего хода (рис.4.37-в) не должна превышать 8 км. В разомкнутом и замкнутом ходах нивелирование выполняют один раз, в висячем ходе - два раза: в прямом и обратном направлениях. При проектировании ходов следует выбирать наиболее удобные для нивелирования пути: дороги, просеки в лесу, берега рек, участки с небольшим уклоном и твердым грунтом.

Рис.4.37

Часть хода между двумя соседними реперами, закрепленными на местности, называется секцией. Длину секции определяют суммированием расстояний от нивелира до реек, которые можно измерять по нитяному дальномеру или шагами. Превышения по секции получают как суммы превышений на станциях секции.

Обозначим в разомкнутом нивелирном ходе:
n - количество секций (количество измеренных превышений),
h_i - превышение по i-той секции,
l_i - длина i-той секции,
L - длина хода (L = l_i),
k_i - количество станций в i-той секции,
K - количество станций в ходе (K = k_i),
H_A - отметка исходного репера в начале хода,
H_B - отметка исходного репера в конце хода.

Количество реперов с неизвестными отметками равно (n-1), т.е. в ходе имеется одно избыточное измерение, которое порождает одно геометрическое условие, и, следовательно, вычисление отметок необходимо выполнять методом уравнивания.

Запишем формулы для последовательного вычисления отметок реперов хода:

H₁ = H_A + h₁,
H₂ = H₁ + h₂,
. . . . . . .,
H_n-1 = H_n-2+ h_n-1,
H_B = H_n-1+ h_n.

Сложим эти уравнения и получим:

(H₁ + H₂ + ... + H_n-1) + H_B = H_A + (H₁ + H₂ + ... + H_n-1) + h

или

H_B = H_A + h,

откуда

h = H_B - H_A. (4.60)

Формула (4.60) представляет собой математическую запись условия, существующего в разомкнутом нивелирном ходе: сумма превышений по секциям должна быть равна разности отметок конечного и начального исходных реперов. Сумму превышений, подсчитанную по формуле (4.60), называют теоретической суммой.

Сумма измеренных превышений в общем случае не равна теоретической сумме; их разность называется невязкой хода и обозначается f_h:

f_h = h - h_изм . (4.61)

Невязка нивелирного хода характеризует нарушение условия (4.60) вследствие ошибок измерений. Значение допустимой невязки по Инструкции [14] равно:

(4.62)

или

(4.63)

При f_h < f_hдоп вычисляют поправки в измеренные превышения по формулам:

(4.64)

или

(4.65)

при этом нужно, чтобы выполнялся контроль:

V_hi = - f_h . (4.66)

По исправленным превышениям h_iиспр = h_i + V_hi вычисляют отметки реперов хода. Заключительным контролем правильности вычислений является получение в конце хода отметки конечного исходного репера.

Тригонометрическое нивелирование называют также геодезическим или нивелированием наклонным лучом. Оно выполняется теодолитом; для определения превышения между двумя точками нужно измерить угол наклона и расстояние. В точке А устанавливают теодолит, в точке В - рейку или веху известной высоты V. Измеряют угол наклона зрительной трубы теодолита при наведении ее на верх вехи или рейки (рис.4.38). Длину отрезка LK можно представить как сумму отрезков LC и CK с одной стороны и как сумму отрезков LB и BK с другой. Отрезок LC найдем из ΔJLC: LC = S*tg ν , остальные отрезки обозначены на рисунке.

Рис.4.38

Тогда

LC + CK = LB + BK и S * tg( ν) + i = V + h.

Отсюда выразим превышение h

h = S * tg(ν) + i - V. (4.67)

Выведем формулу превышения из тригонометрического нивелирования с учетом кривизны Земли и рефракции. Вследствие рефракции луч от верхнего конца вехи идет по кривой, а визирная линия трубы будет направлена по касательной к этой кривой в точке J. Визирная линия трубы пересечет продолжение вехи в точке L₁, а не L. Проведем уровенные поверхности в точках A, B, J (рис.4.39).

Проведем касательную к уровенной поверхности в точке J и обозначим: высоту прибора - i, высоту вехи - V, горизонтальное проложение линии AB - S.

Превышение точки B относительно A выражается отрезком BK. Отрезок L₁K на рис.4.39 можно выразить через его части двумя путями:

L₁K = L₁E + EF + FK,
L₁K = L₁L + LB + BK.

Рис.4.39

Отрезок L₁E найдем из Δ JL₁E. Этот треугольник можно считать прямоугольным, так как угол L₁EJ очень мало отличается от прямого, всего лишь на величину центрального угла ε =(S / R)*r. Этот угол при S = 1 км не превосходит 0.5'.

Итак,

L₁E = JE * tg(ν),

но поскольку JE = S, то L₁E = S * tg(ν).

Отрезок EF выражает влияние кривизны Земли:

EF = p = S² / 2*R;

отрезок FK равен высоте прибора FK = i; отрезок L₁L выражает влияние рефракции:

L₁L = r * (S² / 2*R) * k = p * k;

отрезок LB равен высоте вехи V.

Таким образом,

S * tg(ν) + p + i = r + V + h,

откуда

h = S * tg(ν) + (i - V) + (p - r),

или

h = S * tg(ν) + (i - V) + f. (4.68)

При измерении расстояния с помощью нитяного дальномера формула превышения несколько изменяется; так как S = (Cl + c)* Cos²(ν), то

h = 0.5*(Cl + c)*Sin(2*ν) + i - V + f = h'+ i - V + f,

Величину h'= 0.5*(Cl + c)*Sin(2*ν) называют тахеометрическим превышением.

При S = 100 м величиной f можно пренебречь, так как

f = 0.66 мм . S² ,

где S - расстояние (в сотнях метров).

Ошибка измерения превышения из тригонометрического нивелирования оценивается величиной от 2 см до 10 см на 100 м расстояния.

При последовательном измерении превышений получается высотный ход; в высотном ходе углы наклона измеряют дважды: в прямом и обратном направлениях.