Гидростатические нивелирования целесообразно применять при наблюдениях за осадками фундаментов

Наблюдения за осадками сооружений

Наблюдения за осадками сооружений выполняют способами геометрического и тригонометрического нивелирования, гидронивелирования, микронивелирования, а также фото- и стереофотограмметрическим способами.

Наиболее широко распространен способ геометрического нивелирования. Он обладает рядом достоинств, делающих его практически универсальным. Это высокая точность и быстрота измерений, простое и недорогое стандартное оборудование, возможность выполнять измерения в сложных и стесненных условиях.

Способом геометрического нивелирования можно определять, разности высот точек, расположенных на расстоянии 5 — 10 м, с ошибкой 0,05 — 0,1 мм, а на несколько сотен метров — с ошибкой до 0,5 мм.

В зависимости от требуемой точности определения осадок применяются различные классы нивелирования. Так, например, при определении осадок бетонных плотин гидроузлов применяют I и II классы, которые характеризуются средней квадратической ошибкой измерения превышения на одной станции соответственно 0,3 и 0,4 мм. При определении осадок промышленных и гражданских зданий чаще всего применяют II и III классы, для которых средние квадратические ошибки измерения превышения на станции соответственно равны 0,4 и 0,9 мм.

Отметки деформационных точек в цикле измерений определяют относительно исходного опорного репера. Отметку исходного репера чаще всего принимают условно, например, 100,000 м, но она постоянна на весь период наблюдений. Для передачи отметки от исходного репера на все деформационные реперы разрабатывают специальную схему (рис. 19.3).

При выполнении измерений в зависимости от класса нивелирования применяют специальную методику и соответствующие приборы. Так, при измерениях высокой точности используют тщательно выверенные высокоточные нивелиры типа Н-05, штриховые инварные или специальные малогабаритные рейки. Нивелир устанавливают строго посередине между наблюдаемыми точками, отсчеты берут по основной и дополнительной шкалам реек.

Рис. 19.3. Схема нивелирных ходов для наблюдений за осадками ТЭЦ

Нивелирование выполняют при двух горизонтах прибора, в прямом и обратном направлениях. Длина визирного луча допускается до 25 м, его высота над поверхностью земли или пола — не менее 0,5 м. Нивелирование производится только при вполне благоприятных условиях видимости и при достаточно отчетливых, спокойных изображениях штрихов реек. Соблюдают и другие меры предосторожности, обеспечивающие высокую точность работ.

Полученные результаты тщательно обрабатывают: оценивают фактическую точность и сравнивают ее с заданной, уравнивают, вычисляют отметки, а по разности их в циклах — осадки, строят графики осадок и т. д.

Способ тригонометрического нивелирования позволяет определять осадки точек, расположенных на существенно разных высотах, в труднодоступных местах. Такие случаи возникают при наблюдениях за высокими зданиями, башнями, плотинами, при производстве измерений через препятствия.

Наиболее высокая точность порядка 0,1 мм обеспечивается при коротких (до 100 м) лучах визирования с применением высокоточных теодолитов типа ЗТ2 и специальной методики измерений, позволяющей измерять зенитные расстояния с ошибкой порядка 5″. Кроме того, методика предусматривает однообразную во всех циклах установку теодолита и его тщательное исследование, строгую вертикальность реек, выбор времени и условий наблюдений для уменьшения влияния вертикальной рефракции и ряд других мероприятий,

направленных на ослабление действий различных источников ошибок. Расстояния до определяемых точек должны измеряться с ошибкой 3-5 мм.

Гидронивелирование обеспечивает такую же точность, как и геометрическое нивелирование, но применительно к наблюдениям за осадками позволяет создавать стационарные автоматизированные системы с дистанционным съемом

При использовании гидростатического нивелирования применяют различные системы, конструкция которых зависит от условий проведения работ, требуемой точности и от способа измерения положения уровня жидкости относительно отсчетных индексов измерительных сосудов.

Простейшая система, используемая на гидротехнических сооружениях (рис. 19.4), состоит из отрезков металлических труб, уложенных на стержнях, заделываемых в стену.

Рис. 19.4. Стационарная гидростатическая система: 1- отрезок металлической трубы; 2 — стержень; 3 — шланг;

4 — марка; 5 -измеритель

Отрезки труб соединяются между собой шлангами. Над трубой в точках, между которыми систематически определяются превышения, в стену закладываются марки с посадочными втулками для переносного измерителя. При измерениях измеритель вставляется во втулку марки. Вращением микрометренного винта измерителя добиваются контакта острия штока с жидкостью, о чем свидетельствует загорание сигнальной лампочки. В этот момент берется отсчет по барабану микрометра. При привязке гидростатической системы к опорной нивелирной сети на марку вместо измерителя устанавливается нивелирная рейка. Существуют автоматизированные системы гидростатического нивелирования, в которых изменение положения уровня жидкости в сосудах определяется автоматически с помощью электрических или оптико-электронных датчиков.

Способ микронивелирования применяют при наблюдениях за взаимным высотным положением близко расположенных на расстоянии 1 — 1,5 м точек. Такие задачи возникают при изучении осадок и наклонов отдельных конструкций: фундаментов, балок, ферм, технологического оборудования. Измерения выполняют с помощью микронивелира.

Фото- и стереофотограмметрический способы предусматривают применение фототеодолита для фотосъемки исследуемого объекта. Определение деформаций вообще и в частности осадок этими способами заключается в измерении разности координат точек сооружения, найденных по фотоснимкам начального (или предыдущего) цикла и фотоснимкам деформационного (или последующего) цикла.

В зависимости от решаемой задачи, условий фотосъемки, вида сооружения и т. д. применяют следующие способы:

• — Фотограмметрический. Деформации определяются в одной вертикальной плоскости XYZ, т. е. в плоскости, параллельной плоскости фотоснимка;
• — Стереофотограмметрический. Деформации определяются по направлениям всех трех координат.

При фотограмметрическом способе фотографирование производят с одной точки при неизменном положении фотокамеры в циклах. При этом плоскость прикладной рамки, по возможности, устанавливают параллельно основной плоскости сооружения. Для вычисления деформаций, кроме измерения координат или параллаксов, на снимках необходимо знать отстояние фотокамеры от объекта и фокусное расстояние объектива фотокамеры.

При стереофотограмметрическом способе фотографирование объекта производят в циклах с двух точек базиса известной длины, в результате чего получают стереопару. Для вычисления деформаций измеряют по снимкам координаты точек базиса и горизонтальные параллаксы.

В обоих способах обработку снимков по координатам или смещениям производят в основном на стереокомпараторе.

Тщательно выполненные измерения и соответствующий учет элементов ориентирования позволяет определять деформации сооружений фотограмметрическими способами со средней квадратической ошибкой менее 1,0 мм.

При наблюдениях за осадками крупных инженерных сооружений, отличающихся повышенными требованиями к точности производства этих работ, разрабатывается, как правило, специальная методика геодезических измерений. Исходными данными для разработки методики измерений служат величины ошибок т определения осадок наблюдаемых точек, измеренных относительно исходного репера, ошибок т_й5 разности осадок двух точек, расположенных на определенном расстоянии друг от друга.

Связь между требуемой точностью наблюдений и ошибкой единицы веса д, определяющей методику измерений, может быть представлена в виде:

где Он — обратный вес отметки наиболее слабо определяемой точки; Олн — обратный вес превышения между исследуемыми точками, к точности взаимного положения которых предъявляются повышенные требования.

При использовании способа геометрического нивелирования в качестве ошибки единицы веса д удобно принимать среднюю квадратическую ошибку превышения h, измеренного на станции по двум шкалам в ходе одного направления при выбранной базовой длине D визирного луча:

При использовании тригонометрического нивелирования в качестве ошибки д единицы веса целесообразно принять ошибку превышения, определенного при зенитных расстояниях от 85° до 95°, измеренных одним приемом, и базовом расстоянии О_н= 2 м.

В случае применения переносного гидронивелира или микронивелира за ошибку д принимают ошибку превышения между двумя смежными точками, измеренного при перемене местами гидростатических головок или при перекладывании микронивелира.

При проектировании схемы измерений следует стремиться к получению наименьшего значения обратных весов Q_H и О_лн, что при заданной ошибке определения осадки приводит к большей эффективности работ за счет менее жестких требований к выбору их класса. Помимо этого, к схеме измерений предъявляются такие требования, как минимальный объем работ, обеспечение независимого контроля результатов измерений и получение данных для достоверной оценки точности. В значительной степени этим требованиям отвечает построение схемы в виде системы замкнутых полигонов малых размеров и нивелирование при двух горизонтах прибора или в прямых и обратных ходах.

Для случая, когда на одном и том же объекте приходится выполнять разные по точности наблюдения за осадками различных по чувствительности к деформациям сооружений, проектируют двух- и трехступенчатую схему или несколько не связанных между собой схем, опирающихся на самостоятельный или на один общий исходный репер.

Методом гидростатического нивелирования.

ГОБПОУ «Липецкий машиностроительный колледж»

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

ПО ОСНОВАМ ГЕОДЕЗИИ

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА №3

Определение превышений

Опорных поверхностей конструкций

методом гидростатического нивелирования.

Метод гидростатического нивелирования применяют при нивелировании строительных конструкций, монтаже оборудования, строительстве шахт и трубопроводов, определении осадок и деформаций различных сооружений. Достоинства метода заключаются в компактности аппаратуры, отсутствии сложных поверок, оперативности и высокой точности измерений. Наиболее эффективно применение гидростатического нивелирования в стесненных условиях закрытых помещений, где традиционные методы применить практически невозможно.

Рис. 1.Схема гидростатического нивелирования

В основу метода гидростатического нивелирования положено свойство сообщающихся сосудов: жидкость в них устанавливается на одном уровне, а ее поверхность располагается перпендикулярно к направлению силы тяжести.

На рис. 1 приведена принципиальная схема гидростатического нивелирования. На точки 1 и 2 установлены своими основаниями сообщающиеся сосуды, имеющие высоты соответственно А и В. Линия, соединяющая уровни жидкости в сосудах, горизонтальна, а ее положение характеризуется расстояниями а и b от верхних краев сосуда. Превышение между точками 1 и 2 можно найти по формуле

Разность (А — В) называют местом нуля нивелира и обозначают через МО. Для определения места нуля сосуды меняют местами и берут отсчеты а¢ и b¢,a значение МО вычисляют по формуле

. (1)

С использованием МО превышение вычисляют по формуле

Точность измерения превышений гидростатическим прибором зависит в основном от точности определения положения уровня жидкости в сосудах. В современных приборах используют следующие способы фиксации уровня жидкости в сосудах.

Визуальный способ фиксации по шкалам сосудов.

Шкалы градуируются непосредственно на стеклянных сосудах. Достоинство таких приборов — простота конструкции, недостаток — сравнительно невысокая точность.

Этот способ фиксации использован в шланговом техническом нивелире НШТ-1, который представляет собой легкую переносную систему, состоящую из двух взаимозаменяемых головок (рис. 2). Каждая измерительная головка состоит из стеклянного цилиндра 4 с миллиметровой шкалой 3, заключенного в металлический корпус 2. Измерительные головки соединяются между собой 10-метровым шлангом 6. Верхняя часть металлической оправы головок заканчивается рамкой, в которой размещена опорная пятка 1 для подвешивания нивелира на стенной репер. В нижней части металлической оправы вмонтирована пятка 7 для установки нивелира на грунтовый репер. Включение гидросистемы осуществляют открытием кранов 8, а фиксацию уровня жидкости производят путем отсчетов по шкале с помощью красных кольцевых рисок на цилиндрических поплавках 5.

Рис. 2. Нивелир шланговый технический НШТ-1

Технические данные НТШ-1: диапазон измерения превышений — 200 мм, средняя квадратическая погрешность определения превышений — 1 мм.

Прибор используют при нивелировании фундаментов, монтаже конструкций в шахтах и метрополитене, при наблюдениях за осадками сооружений.

Задача № 1

Изучите основные части, детали НШТ-1 и напишите названия пронумерованных на рисунке 2 основных частей.

Визуально-контактныйспособфиксации уровня жидкости основан на применении щупа в виде острого полированного конуса, перемещающегося вертикально с помощью микрометренного винта. На этом принципе работает уровень гидростатический модели 115.

Прибор (рис. 3) состоит из двух герметических сосудов, соединенных шлангом длиной 6 м. Каждый сосуд 3 заключен в бронзовый корпус, в нижней части которого смонтирована стальная плита 4 для установки прибора на нивелируемую поверхность. Через герметическую крышку сосуда проходит микрометренный винт 1 с барабаном 2. В нижней части микрометренный винт имеет острый конусообразный щуп. Отсчет по барабану берется в момент контактирования щупа с поверхностью жидкости. Шаг резьбы микрометренного винта равен 1 мм, а окружность барабана разделена на 100 частей, т.е. цена деления барабана равна 0,01 мм.

Рис. 3. Уровеньгидростатический модели 115

Технические данные прибора: диапазон измерения превышений — 50 мм, средняя квадратическая погрешность определения превышений — 0,005 ¸ 0,008 мм.

Прибор предназначен для установки по высоте горизонтальных элементов крупногабаритного оборудования.

Задача № 2

Изучите основные части, детали гидростатический модели 115 и напишите названия пронумерованных на рисунке 3 основных частей.

Электроконтактный способ фиксации. При использовании данного метода в момент соприкосновения щупа с жидкостью замыкается электрическая цепь исполнительной схемы. Этот способ использован в точном гидростатическом шланговом высотомере проф. О. Мейссера (прецизионный шланговый ватерпас), выпускаемом Народным предприятием «ФрайбергерПрецизионсмеханик» (ГДР).

Прибор (рис. 4) состоит из двух взаимозаменяемых измерительных головок, соединенных 30-метровым шлангом. Измерительные головки навешиваются на специальные стенные реперы, заложенные в точках наблюдений за осадками. Под каждым репером дополнительно устанавливают два анкерных болта и тем создают для измерительной головки три опорные точки в одной вертикальной плоскости. При фиксации уровня жидкости щуп 2 микрометренного винта 3 приводят в контакт с токопроводящей жидкостью, замыкая цепь индикаторной лампочки 1.

Технические данные прибора: диапазон измерения превышений — 200 мм, средняя квадратическая погрешность определения превышений — 0,01 мм.

Рис. 4. Прецизионный Прибор предназначен для определения малых осадок сооружений.

шланговый ватерпасКроме перечисленных выше, известны способы фиксацииуровня

жидкости с помощью емкостных, индуктивных и фотоэлектрических датчиков, обеспечивающих высокую точность и позволяющих автоматизировать процесс измерений. В СССР разработаны системы гидростатического нивелирования с дистанционным методом измерения превышений. Эти стационарные системы успешно применяют для исследования деформаций прецизионных сооружений и обеспечивают высокую точность при большой оперативности измерений. В нашей стране выпускают малой серией системы СГН-27Д, СГН-54Д, СГН-ВИ, предназначенные для регулярных наблюдений за вертикальными перемещениями оснований гидроэлектростанций, теплоэлектростанций и энергоагрегатов атомных электростанций.

Задача № 3

Изучите основные части, детали прецизионногошлангового ватерпаса и напишите названия пронумерованных на рисунке 4 основных частей.

Методика измерения превышений

Рассмотрим методику измерений превышений приборами с визуально-контактным способом фиксации уровня жидкости.

Переносная система фирмы «Фрайбергер» (ГДР), предназначенная для наблюдений за осадками зданий, состоит из двух сосудов 1 (рис. 5), наполненных дистиллированной водойисоединенныхшлангом 14. Определениеположенияуровняжидкости10производятконтактированием острого щупа 9 с мениском жидкости. Перемещение щупа осуществляют микрометренным винтом 6 с фиксацией отсчетов в окошке 5 (миллиметры) и окошке 3 (сотые доли миллиметра). Систему включают и выключают краном 13. Ручка 4 и скоба 11 предназначены для навешивания сосудов-пьезометров наРис. 5. Переносная система специальные стенные реперы. Установку пьезометров вфирмы «Фрайбергер» (ГДР)

винтами12покругломууровню 2. Для герметизации системы и исключения разности давлений в пьезометрах служит дополнительный штуцер 8. Штуцеры обоих пьезометров при измерениях соединяют шлангом 7.

Прибор не требует проведения предварительных поверок, а его работоспособность выясняют в процессе измерений на первой станции.

При измерениях на станции пьезометры подвешивают к стенным реперам, регулировочными винтами по круглому уровню приводят сосуды в вертикальное положение и открывают краны 13,включая тем самым гидросистему. Вода в системе приходит в равновесие в течение 2 — 3 мин. Измерение заключается в одновременном приведении щупов в контакт с поверхностью воды. Для этого наблюдатели по команде руководителя начинают синхронно вращать микрометренные винты, опуская щупы к поверхности воды. По мере приближения щупа к поверхности вращение винтов необходимо замедлить. Момент контактирования обнаруживают по резкому поднятию мениска воды. При таком контактировании погрешность фиксации не превышает 0,02 мм. Производят не менее трех фиксаций, каждый контакт сопровождают отсчетами, которые записывают в журнал наблюдений. Допустимые расхождения между отсчетами 0,04 мм. В этом случае систему арретируют, закрывая краны 13,пьезометры снимают с реперов и меняют местами, а измерения повторяют, т.е. производят нивелирование в обратном направлении.

Задача № 4

Изучите основные части, детали переноснойсистемф фирмы «Фрайбергер» и напишите названия пронумерованных на рисунке 5 основных частей.