Величко В.А., Мовчан С.Ф., Дементьев В.Е. и др. Новая геодезическая техника и ее применение в строительстве

Подождите немного. Документ загружается.

В большинстве случаев при проложении нивелирного хода бо-

лее рационален способ «манометром вперед», при котором техник,

идя впереди, выбирает направление хода. В ходах большой протя-

женности может иметь место значительное накопление системати-

ческой ошибки из-за неточной установки стрелки на нуль при кор-

рекции места нуля. Его можно избежать, если, прокладывая ход,

устанавливать впереди мановакуумметр и компенсатор поперемен-

но (через точку).

Гидромеханический нивелир применялся в Ленинградской об-

ласти для съемки рельефа строительного объекта линейного типа.

Участок изысканий представлял собой полосу местности шириной

200 м и длиной 2700 м. На местности разбили и закрепили сетку

из 216 квадратов размером 50x50 м, а затем выполнили нивелиро-

вание вершин квадратов — гидромеханическое и геометрическое

(второе производилось для сравнения).

Гидромеханическое нивелирование выполняли при температу-

ре воздуха от +8 до +23° С; изменения атмосферного давления

были в пределах от 747 до 755 мм рт. ст.; максимальное значение

превышения, измеряемого в одну укладку шланга, составило 3 м.

Никаких поправок за отклонения условий внешней среды от соот-

ветствующих показателей в момент установки коэффициента при-

бора не вводилось.

Значения превышений, полученные из геометрического нивели-

рования, принимались за истинные. При оценке точности гидроме-

ханического нивелирования, выполненной без какой-либо отбраков-

ки даже заведомо грубых результатов, средние квадратические

ошибки определения превышения на станции составили 2,6 см (по

истинным ошибкам) и 2,1 см (по невязкам в квадратах).

Проведенный хронометраж показал, что гидромеханическим ни-

велиром бригада из двух человек прокладывает ход примерно на

7з быстрее, чем при геометрическом или тригонометрическом ниве-

лировании.

В дальнейшем точность гидромеханического нивелирования бы-

ла повышена применением более точных манометров. Осенью

1970 г. на полигоне МИСИ им. В. В. Куйбышева в Мытищах была

выполнена опытная работа, в которой при нивелировании трассы

автомобильной дороги применили гидромеханический нивелир ти-

па МК. В качестве индикатора давления в нем использовали об-

разцовый-манометр класса точности 0,4 с диапазоном измерений

от 0 до +1 кгс/см

; после пересадки стрелки на середину шкалы

манометр измерял как избыточное давление, так и вакуум.

Система прибора заливалась 30%-ным водным раствором хло-

ристого кальция (АНТА) с объемным весом у~\,2 гс/см

= 11,8 мН/см

. Юстировкой манометра коэффициент прибора был

приведён к единице. После оцифровки шкалы прибора в метрах со-

ответственно значениям измеряемых превышений ее цена деления

составила 5 см, что дало возможность производить отсчеты с ошиб-

ками ±5 мм. Таким образом, среднее арифметическое из двух от-

счетов, фиксирующее величину измеряемого давления, получалось

с ошибками порядка ±3,5 мм.

При нивелировании трассы сооружения длиной 5,6 км, выполнен-

ном одновременно с помощью гидромеханического нивелира и ни-

велира НВ-1 (для сравнения), гидромеханическим нивелиром из-

мерили по способу «манометр впереди» 147 превышений в диапазо-

не от —3,8 м до +1,6 м. При этом пятидесятиметровый шланг при-

бора использовали и для разбивки пикетажа.

Установка коэффициента прибора была произведена на стенде

при температуре окружающего воздуха 15° и, хотя во время ниве-

лирования трассы температура опускалась до 3°, никаких поправок

за изменения условий внешней среды в результаты измерений не

вводили. Средняя квадратическая ошибка измерения превышения

гидромеханическим нивелиром, вычисленная по истинным ошиб-

кам, составила 5,5 мм.

К настоящему времени конструкция гидромеханического ниве-

лира типа МК усовершенствована *. Прибор имеет удобные устрой-

ства для коррекции места нуля и установки коэффициента (цены

деления). Приведение места нуля к нулю выполняют поворотом ци-

ферблата мановакуумметра с помощью фрикционного устройства.

Для установки коэффициента за счет изменения длины рычага

множительного устройства, передающего движения конца спирали

Бурдона на стрелку, служит специальный котировочный винт, дос-

туп к которому осуществляется через отверстие в корпусе манова-

куумметра. Нивелир снабжен надежным перекрывающим устрой-

ством, защищающим ЧЭ прибора от гидравлических ударов при

транспортировке и использовании шланга прибора для измерения

расстояний между точками. Для повышения точности линейных

измерений разработана конструкция шланга с повышенной про-

дольной жесткостью; последняя достигается армированием поли-

этиленового шланга четырьмя капроновыми нитями, Через каждые

0,5 м на шланге специальным составом нанесены метки. Армиро-

ванный шланг позволяет выполнять линейные измерения с отно-

сительными ошибками не более Vsoo. При фиксированной силе натя-

жения точность измерений может быть повышена.

Значительные работы по- конструированию гидромеханических

нивелиров, исследованию их точности и внедрению в производство

выполнены в последние годы под руководством А. Г. Приходы в

лаборатории геодезии СНИИГГиМСа.

Надежность и точность гидромеханического нивелирования мо-

гут быть существенно повышены в случае применения нивелира с

двумя компенсационными камерами** (рис. V.30). Нивелир пред-

ставляет собой измерительное устройство с чувствительным элемен-

том в виде полой мембранной коробки 2 или трубки Бурдона, со-

* Роев Ю. Д., Грошев В. В. Некоторые конструктивные особенности гидро-

статических нивелиров. — Геодезия и картография, 1978, № 7.

** Мозгов А. К., Прихода А. Г., Скоб як В. С. Гидростатическое устройство

для определения превышений между смежными точками. — Авт. свидетельство

СССР № 371430, 1973.

единенное шлангом через тройник с одинаковыми компенсатора-

ми 1 и 7. Для снятия отсчетов по шкале прибора измерительное

устройство по очереди соединяется краном 3 с компенсатором 1

и краном 6 с компенсатором 7. Тройник переходит в ловушку 5,

выполненную в виде прозрачной трубки с краном 4

через который

выпускают воздух из системы.

Установив один из компенсаторов 1 в точке Л, измерительное

устройство — в точке В

а второй компенсатор 7 — в точке С, от-

крывают кран 3 и, измеряя вакуум, отсчитывают превышение к

в-

Перекрыв кран 3, открывают кран 6 и, измеряя избыточное давле-

ние, отсчитывают превышение h

c. После этого компенсатор 1 пе-

реносят в точку Б, измерительный блок — в точку С, а компенса-

тор 7 — на последующую точку хода и выполняют измерения по

той же программе. Таким образом, каждое превышение в нивелир-

ном ходе измеряется дважды при противоположных режимах рабо-

ты измерительного устройства (на избыточное давление и на ва-

куум), благодаря чему повышаются надежность и точность ниве-

лирования. Описанная схема гидромеханического нивелира с дву-

мя компенсаторами использована в радиусомере — устройстве для

определения радиусов кривизны профилированных поверхностей

(см. сноску* на с. 189).

В другой конструкции нивелира* (рис. V.31) необходимость ра-

боты прибора на вакуум может быть устранена вообще. В компен-

сатор 4 вводится жидкость с удельным весом значительно большим

чем у рабочей жидкости, заполняющей всю гидростатическую систе-

му, например ртуть. Жидкости в компенсаторе разделяются эла-

стичной мембраной 5. При расположении измерительного блока 1

* Мозгов А. К., Прихода А. Г., Скобяк В. С. Гидростатический нивелир.—

Авт. свидетельство СССР № 502219, 1976.

Рис. V.30. Принципиальная схема гидромеханического нивели-

ра с двумя компенсаторами

ниже компенсатора измерительное устройство воспринимает избы-

точное давление и стрелка прибора отклоняется вправо от нуля.

При расположении измерительного блока выше компенсатора

стрелка отклоняется влево от нуля, но и в этом случае измеряется

избыточное давление.

Интересную конструкцию двухжидкостного гидромеханическо-

го нивелира, предназначенного для измерений превышений в диа-

пазоне + 3-.—3 м с точностью ±1,5 мм, предложил Д. В. Лисиц-

кий (Научно-исследовательский институт прикладной геодезии).

Рис. V.31. Принципиальная схема гидромеханического нивелира

типа МК с введением в компенсатор тяжелой жидкости:

1 — измерительный блок; 2 — кран; 3 — соединительный шланг; 4— ком-

пенсатор; 5 —эластичная мембрана

Гидромеханическое нивелирование в строительстве можно ре-

комендовать для геодезических изысканий трасс линейных соору-

жений (дорог, трубопроводов, линий электропередач и т. п.), для

съемки рельефа строительных площадок в условиях сильно пере-

сеченной и закрытой местности, а также дл* геодезического конт-

роля по высоте при производстве земляных работ.

§ V.9. БАРОПРОФИЛОГРАФ И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ

ДЛЯ СЪЕМОК РЕЛЬЕФА ПРИ СКОРОСТНЫХ ИЗЫСКАНИЯХ

Геодезические изыскания, непосредственно предшествующие

проектированию рельефа строительной площадки или объекта, вы-

полняют в настоящее время главным образом методом геометри-

ческого нивелирования, который в целом является точным, но до-

вольно громоздким и мало приспособленным для скоростных изыс-

каний, а также для работы на закрытой местности, зимой, в темное

время суток и т. п. Методика съемки рельефа совершенствуется

медленно, хотя удельный вес земляных работ, особенно при стро-

ительстве линейных сооружений, все время увеличивается.

Оснащенность строительно-монтажных участков глубинной зем-

леройной и строительной техникой за последние годы претерпела

коренные изменения. Появились мощные высокопроизводительные

землеройные и планировочные механизмы. В количественном от-

ношении землеройная техника возросла в несколько раз. Примене-

ние типовых сборных элементов позволяет переходить к скорост-

ным методам строительства. Это создает некоторый разрыв между

сроками изысканий и строительства и особенно чувствуется на эта-

пе составления проектного задания для объектов линейного типа

(дорог, взлетно-посадочных полос аэродромов и др.), когда из не-

скольких возможных вариантов не всегда удается избрать выгод-

нейший из-за недостаточной оперативности методики геодезиче-

ских изысканий.

В практике высотного обеспечения полевых геофизических съе-

мок применяют барометрическое нивелирование. Отечественной

промышленностью в последние годы выпускается несколько типов

высокоточных микробарометров: ОМБ, МБНП, МБ-63, СМБ-1,

СМБ-2 и другие, позволяющих повысить точность измерения ат-

мосферного давления до 0,01—0,03 мбар, что обеспечивает в рав-

нинной местности на площадке 30x30 км получение высот с точ-

ностью 0,5—1 м, а на площадке 3x3 км — 0,1—0,3 м. Среди этих

приборов представляет интерес струнный микробарометр (СМБ),

который может быть изготовлен как дифференциальный прибор,

обеспечивающий автоматическую синхронизацию наблюдений на

двух — определяемой и опорной — точках; выделение разностного

давления и запись его графически на ленте пишущего миллиампер-

метра в виде профиля местности в заданных вертикальном и гори-

зонтальном масштабах.

Проведенные опытно-производственные работы показали, что

при установке определяемой станции на автомашине скорость ни-

велирования ограничивается практически только возможностью

проезда по участку изысканий. При движении по шоссе скорость

нивелирования доходила до 90 км/ч. Комплексирование СМБ с то-

пографическим привязчиком, обеспечивающим плановую привязку

нивелируемых точек, открывает пути к автоматизации всего ком-

плекса изысканий, включая и скоростной вынос проекта в натуру.

Барометрическое нивелирование основывается на. предположе-

нии, что в точках с одинаковой высотой давление воздуха одинако-

во, т. е. изобарические поверхности параллельны уровенной. При пе-

репаде высот до 50 м можно пользоваться упрощенной формулой,

связывающей разность высот двух точек с разностью давления воз-

духа в них:

где Ah— искомая разность высот двух точек 1 и 2\ р

{

и — давле-

ние воздуха в этих точках; р

р= (Pi+P2)/Z и t

р= (t\ + U)!2 — сред-

ние значения давления и температуры воздуха; а= 1/273 — газовая

постоянная.

Величина

ДА=N

\(Рх - р

)/р

ср

] (1 + at

(V.76)

(Ho/Pcv№ + at

)=E

(V.7 7)

называется барической ступенью и показывает, на какую высоту

нужно подняться или опуститься, чтобы давление изменилось на

1 мбар. Для величины Е составлены таблицы для случая однород-

ной атмосферы (атмосферы, плотность воздуха которой с высотой

не изменяется). По результатам измерения давления воздуха в

точках, разность высот которых известна, может быть определена и

натуральная барическая ступень.

Таким образом, формулу (V.76) можно написать в виде

A h = E (р

- р

)=ЕАр. (V.78)

Наиболее точные определения высот барометрическим нивели-

рованием можно получить дифференциальным путем с помощью

двух станций: опорной и определяемой. Опорную станцию устанав-

ливают на участке изысканий неподвижно и на ней непрерывно из-

меряют давления воздуха; определяемую устанавливают на каком-

либо транспортном средстве и перевозят по точкам, высоты которых

нужно определить, или по заданному направлению — для получе-

ния непрерывного профиля местности. Информация о давлении на

определяемой станции передается в виде радиочастотных сигналов

на опорную станцию, на которой автоматически выделяется раз-

ностное давление Ар. Превышения искомых точек все время опре-

деляют относительно опорной станции. Для получения абсолютных

отметок к полученным превышениям следует прибавить абсолют-

ную высоту установки опорной станции.

Формула (V.76) получена в предположении, что атмосфера не-

подвижна. В действительности в атмосфере имеет место действие

таких факторов, как приливо-отливные явления, движение возду-

ха в горизонтальном и вертикальном направлениях из-за неравно-

мерного его нагревания и т. д. Это приводит к колебаниям давле-

ния атмосферы, которые можно разделить на периодические и слу-

чайные.

Периодические колебания имеют период, близкий к 24, 12, 8 и

6 ч. Наиболее резко выражена амплитуда двенадцатичасовых ко-

лебаний, достигающая в экваториальных областях 4 мбар, что

эквивалентно изменению высоты до 40 м; по мере увеличения ши-

роты амплитуда этих колебаний уменьшается. Для периодических

колебаний характерен глобальный характер, примерно одинаково

сказывающийся на всех точках небольшого участка местности. Син-

хронизация наблюдений на опорной и определяемой станциях поз-

воляет бороться с периодическими колебаниями, так как очевидно,

что если давление одинаково изменилось на опорной и определяе-

мой станциях, то в разности давлений это изменение исключится.

Случайные колебания давления являются фактором, определяю-

щим точность барометрического нивелирования. Они представляют

собой «локальный всплеск» давления с последующим затуханием

колебаний в пределах от десятых^долей секунды до нескольких

минут; амплитуда их может составлять десятые доли миллибара.

Из всей массы факторов, вызывающих случайные колебания

давления, следует отметить тепловую конвекцию и турбулентность.

7—623

193

Тепловая конвекция представляет собой неупорядоченное движение

воздуха по вертикали, обусловленное нагреванием его от земли.

Она наиболее резко выражена в ясные безветренные дни. В период

изотермии, имеющей место в утренние и вечерние часы, тепловая

конвекция уменьшается. Турбулентность — вихревое движение воз-

духа, обусловленное обтеканием воздушным потоком неровностей

поверхности Земли, а также нарушением ус-

тойчивости воздушной среды от неравномер-

ного ее прогревания. Меры борьбы со случай-

ными колебаниями давления — правильный

выбор времени наблюдений и (частично) син-

хронизация наблюдений на опорной и опреде-

ляемой станциях. Экспериментальным путем

доказано, что наиболее точные результаты ни-

велирования могут быть получены днем и

ночью в пасмурную, туманную, безветренную

погоду и в период изотермии.

Принципиальная схема струнного датчи-

ка давления (рис. V.32). Действие такого дат-

чика основано на преобразовании силы натя-

жения струны 3, закрепленной между двумя

сильфонами 2, в частоту f переменного тока

(частоту колебаний струны). Частота колеба-

ний струны определяется эмпирическим соот-

ношением

/= 1/(2/) УШу^)

(V.79)

где I — длина струны; F — сила, растягивающая струну; g— ускоре-

ние силы тяжести; у— удельный вес материала струны; s — пло-

щадь поперечного сечения струны.

При изменении атмосферного давления изменяется сила натя-

жения струны сильфонами. Так как параметры / и s при этом оста-

ются постоянными (при малых изменениях давления), то изменя-

ется частота колебаний /.

Для возбуждения и последующего поддержания незатухающих

колебаний струна помещена в поперечное магнитное поле (прохо-

дит между полюсами постоянного магнита 4), а электрически изо-

лированные концы струны подключены к входу усилителя с поло-

жительной обратной связью. Таким образом, струнный датчик ат-

мосферного давления представляет собой генератор с самовозбуж-

дением, называемый струнным генератором, резонатором которого

служит струна. Обычно струнные генераторы работают в области

звуковых частот (4—5 кГц).

Струнный датчик атмосферного давления выгодно отличается

от других устройств измерения давления с помощью сильфонов или

анероидных коробок тем, что благодаря большой продольной жест-

кости струны (в несколько раз большей, чем у сильфонов) сильфо-

ны работают без деформаций, чем практически почти полностью

Рис. V.32. Принци-

пиальная схема

струнного датчика

давления:

1 — П-образная ра-

ма; 2 — сильфоны;

3 — струна; 4 — воз-

буждающий магнит

исключается явление гистерезиса и обеспечивается более высокая

точность измерения давления.

Давление атмосферы р через частоту колебаний f струны мож-

но выразить следующим приближенным уравнением

/>«А>+РЛ (V.80)

где ро — некоторое постоянное давление внутри сильфонов; р— ко-

эффициент, определяемый эмпирически и зависящий от параметров

струны, сильфонов и ускорения силы тяжести.

Струнные датчики, используемые на опорной и определяемой

станциях, подбирают с одинаковыми параметрами р

и р.

Пусть на опорной станции 1 и определяемой 2 установлены

струнные датчики давления. Тогда для одного и того же физическо-

го момента времени давление р\ и р

можно представить в виде

P\=Po + fifi ; p2=p0 + $fl, откуда разность давлений

А/>=А -

(/? -

fl)

= 2р/

(V. 81)

где /о= (/i +Ь)/2 — среднее значение частоты; Д/=/1—/2 — разность

частот.

Обозначая 2pfo=e и подставляя значение Ар из (V.81) в (V.78),

получим рабочую формулу баропрофилографа

ДЛ

= £вД/. (V.82)

Барическую ступень Е определяют как функцию температуры и

давления воздуха, значения которых измеряют в процессе нивели-

рования.

Структурная схема баропрофилографа (рис. V.33). Баропро-

филограф представляет собой прибор дифференциального типа,

состоящий из двух станций с радиотелеметрической аппаратурой

для передачи информации о давлении атмосферы и пройденном

пути с определяемой станции на опорную. На выходе опорной стан-

ции включен самописец, вычерчивающий непрерывный «профиль ме-

стности, по которой движется определяемая станция.

Определяемая станция двигается по искомым точкам или про-

филю. Струнный генератор (датчик давления) размещается над

задней осью автомашины, возможно ближе к ней, с тем чтобы он

повторял все вертикальные перемещения колеса, совершающего

наезд rfa нивелируемую точку или прокатку по заданному профилю.

Сигнал частоты /

зависящий от давления воздуха, поступает в пе-

редатчик и излучается в эфир.

Датчиком пути является переднее колесо автомашины. Датчик

(контактный прерыватель) отсчитывает количество оборотов коле-

са. Сигналы контактного прерывателя модулируют частоту вспомо-

гательного генератора, и информация о расстоянии в виде последо-

вательности модулирующих импульсов передается в эфир. При не-

обходимости привязки профиля или искомых точек в плане вклю-

чается гироскопический курсопрокладчик топографического привяз-

чика (на рис. V.33 курсопрокладчик не показан), и по команде опе-

ратора опорной станции визуально со счетчиков координат (или

графически — по карте) оператор определяемой станции снимает

195

СО

о)

Вспомога-

тельный

генератор

одмо-

дулятор

Датчик

пути

Микрофон-

телефон

Част

фи/,

отный

ibmp

ё)

Частотный

фильтр

Частотный

фильтр

Смеситель

Передатчик

Смеситель

Ш)

Самописеи

Приемник

Частотный

фильтр

Управление

лентопро-

тяжной

Част,

фи,

отный

пьтр

Струнный

генератор

Частотный

фильтр

Микрофон-

-телефон

Струнный

генератор

Рис. V.33.

Структурная схема баропрофилографа:

а —

определяемая станция;

б —

опорная станция

координаты х и у или азимут профиля. Микрофон-телефон служит

для переговоров между операторами станций.

Опорная станция устанавливается приблизительно в середине

участка изысканий. При необходимости получения абсолютных

отметок искомых точек станция устанавливается на точке с из-

вестной высотой. Частота f\ определяемой станции улавливается

приемником и поступает в смеситель. В этот же смеситель поступа-

ет частота /2 от струнного генератора (датчика давления) опорной

станции. В смесителе выделяется разностная частота A/=/i—/2.

Постоянный ток, пропорциональный величине £еД/ [см. (V.82)], по-

600 м

Рис. V.34. Образец записи профиля:

волнистая линия — барометрический профиль; кружки — точки геометрического нивели-

рования

ступает в механизм управления пером самописца. В зависимости

от величины тока перо занимает то или иное положение по высоте

на бумажной ленте, обеспечивая этим масштаб записи по верти-

кали.

Информация о пройденном пути в виде последовательности им-

пульсов поступает в шаговый механизм управления лентопротяж-

кой. От каждого поступившего импульса лента продергивается на

величину Д/М, где Д — длина окружности колеса автомашины (дат-

чика расстояния), М — знаменатель горизонтального масштаба за-

писи профиля. Таким образом, на ленте самописца вычерчивается

профиль в заданных вертикальном и горизонтальном масштабах.

Баропрофилограф был многократно опробован на опытных и

опытно-производственных работах при съемках рельефа объектов

линейного типа. На рис. V.34 приведен образец профиля, получен-

ного с помощью баропрофилографа за один проезд. Кружками по-

казаны пикеты, взятые на характерных точках рельефа, высоты ко-

торых для оценки точности были определены геометрическим ниве-

лированием. Как видно из рисунка, отклонения «барометрическо-

го» профиля от «геометрического» не превышают 0,2 м.

На основании многочисленных оценок точности по истинным

ошибкам точность барометрического нивелирования при удалении

определяемой станции от опорной до 4 км характеризуется сред-

ней квадратической ошибкой (м) определения высоты точки

= [0,09+ (0,08/1/^)], (V.83)

где ti — количество рейсов по профилю (количество определений

высоты данной точки).

Обычно нивелирование выполняется в прямом и обратном на-

правлениях (п=2). В этом случае /72^=0,15 м.

Т—6231

197