Файл: Новая геодезическая техника и ее применение в строительстве учеб. пособие.pdf

§ IV. 5. Нивелиры гидростатические

Все вышеописанные инструменты для геометрического ни­ велирования, несмотря на их достоинства, обладают и рядом недостатков, ограничивающих применение геометрического ни­ велирования. Оптические нивелиры требуют прямой видимости между инструментом и нивелируемыми точками, хорошей осве­ щенности нивелирных реек. На некоторых строительных объ­ ектах эти нивелиры неприменимы из-за громоздкости реек и отсутствия свободных удобных площадок для установки ниве­ лира и работы наблюдателя. К тому же, инструменты для гео­

пригодными для работы в тесных закрытых помещениях. Даже при самых благоприятных условиях работы оптические нивели­ ры подвержены разъюстировкам, что заставляет постоянно вы­ полнять довольно сложные поверки. Наконец, результаты гео­ метрического нивелирования искажаются влияниями рефрак­ ции, которые учесть крайне трудно.

От части этих недостатков свободны гидростатические и гид­ ромеханические нивелиры. Не требуя сложных поверок, они просты в обращении и обеспечивают быстрое определение пре­ вышения. Гидростатическое нивелирование, кроме того, дает широкие возможности автоматизации измерений и получения непрерывной информации о высотном положении наблюдаемых объектов. В последние годы гидростатические нивелиры приме­ няются :

1) при нивелировании фундаментов и монтаже крупногаба­ ритного оборудования;

2)для измерения отклонений от горизонтальности и прямо­ линейности направляющих большой длины;

3)при монтажных работах на строительстве шахт и метро;

4)при наблюдениях за осадками и деформациями опор мо­ стовых кранов, опор транспортных мостов и других сооружений, подвергающихся действию динамических нагрузок;

5)при наблюдениях за осадками зданий и сооружений, особенно таких уникальных, как ускорители заряженных частиц;

6)при строительстве самотечных канализационных коллек­ торов с малыми уклонами;

7)при передаче высот через крупные водные преграды. Нивелирование с помощью жидкости, свободная поверхность

которой всегда устанавливается нормально к направлению силы тяжести и в сообщающихся сосудах располагается на одном уровне, независимо от массы жидкости и поперечных сечений сосудов, зародилось в глубокой древности. Еще более двух с по­ ловиной тысяч лет назад трассирование канала, соединяющего Средиземное и Красное моря, выполнялось с помощью хоробата — переносного вытянутого желоба, наполненного водой, сво-

142

бодная поверхность которой использовалась для построения го­ ризонтального луча зрения.

величина р гидростатического давления в какой-либо точке М (рис. IV.9,a) жидкости с объемным весом у определяется дав­ лением ро над поверхностью жидкости и глубиной z погруже­ ния этой точки. Следовательно, в покоящейся жидкости давле­ ние во всех точках одной и той же уровенной поверхности оди­ наково.

Рис. IV.9. Гидростатическая система:

а — к определению гидростатического давления в точке М; б— схема гидростатической системы

Пусть имеются два сообщающихся сосуда / и 2 (рис. IV.9,6), заполненных жидкостями с различными значениями у\ и у2 объемного веса; давления на поверхностях жидкостей в сосу­ дах соответственно равны poi и рогЕсли Z\ и z2 — высоты сво­ бодных поверхностей жидкостей над поверхностью / — // их раз­ дела в одном из сосудов, то гидростатическое давление р в плоскости / — Я, в соответствии с основным уравнением гидро­ статики, будет равно:

С другой стороны, учитывая глубину z2 погружения поверх­ ности / — / / под уровнем жидкости в сосуде 2, получим:

Приравняв правые части двух последних выражений, найдем уравнение равновесия жидкостей в сообщающихся сосудах:

из которого следует, что при равенстве давления poi = рог на сво­ бодных поверхностях жидкостей в сосудах

Т А = Тг г 2 .

143

а если сосуды заполнены однородной жидкостью с одинаковыми значениями объемного веса (yi = Y 2 ) , то поверхности жидкости устанавливаются на равных высотах Z\ =z 2 , отсчитываемых в этом случае от любой произвольно выбранной горизонтальной

ящий из двух стеклянных цилиндрических сосудов, соединенных жесткой трубкой. Нивелир заполняют какой-либо подкрашен­

установленные на нивели­ руемых точках рейки с де­ лениями, производят от­ счеты по ним, как при гео­

сткой трубкой, а гибким шлангом; сами сосуды выполняются в виде заключенных в металлическую оправу стеклянных цилинд­ ров с миллиметровыми шкалами на стенках. В течение послед­ них четырех десятилетий техника гидростатического нивелиро­ вания развивается в трех направлениях:

1) разработка переносных высокоточных приборов для из­ мерения небольших превышений при наблюдениях за осадками зданий и промышленных сооружений, а также при монтаже тех­ нологического оборудования и исследовании сдвижения горных пород;

144

2)конструирование переносных гидростатических нивелиров средней точности с повышенным диапазоном измерений;

3)создание стационарной аппаратуры для наблюдения за деформациями крупных сооружений, тектоническими движени­ ями земной коры, для передачи высот через крупные водные преграды и т. п.

Для определения превышения h гидростатическим нивелиром надо знать относительные высоты Z\A над точкой А (рис. IV. 10, а) и Z2B над точкой В уровня жидкости в измерительных голов­ ках (сосудах). Тогда превышение h между точками А и В мо­ жет быть найдено:

В соответствии с рисунком, выполненным применительно к последним моделям гидростатических нивелиров, в которых ну­ левое деление располагается в верхней части нанесенной на стен­ ке сосуда шкалы *, получим:

нет ясно, что место нуля представляет собой разность отсчетов уровня жидкости в сосудах при установке их на горизонтальной поверхности.

В этом уравнении два неизвестных — h и МО, для отыскания которых необходимо иметь второе уравнение. При работе с пере­ носными гидростатическими нивелирами его можно получить, поменяв сосуды местами (рис. IV. 10,б). Тогда, взяв отсчеты

* При отсутствии шкалы на стенке стеклянного цилиндра измерительным устройством нивелира фиксируется условный нуль, относящийся также к верх­ ней части сосуда.

145

Зоб и Поъ, фиксирующие уровень жидкости в заднем и переднем сосудах при их обратном положении (2-—И), можем записать:

Нетрудно представить, что для гидростатических нивелиров, шкалы которых имеют нулевое деление в нижней части сосуда, при прямом положении (1—У2) измерительных головок выраже­ ние (IV. 32) раскрывается в виде:

ft = (sx + З п р ) — (52 + Я п р ) .

Перегруппировав члены последнего уравнения и воспользо­ вавшись принятым ранее обозначением [см. формулу (IV. 34)], запишем:

К настоящему времени создано немало конструкций гидро­ статических нивелиров различных устройств и назначений. Точ-

146

ность гидростатического нивелира определяется применяемым способом фиксации уровня жидкости в сосудах и возможностями учета (или исключения влияния) изменений условий внешней среды.

Способов фиксации и отсчета уровня жидкости известно мно­ го. Наиболее же широкое применение сейчас находят визуаль­ ный, контактно-визуальный, электроконтактный с различными их разновидностями.

В самом простом случае фиксация уровня жидкости в стек­ лянных трубках нивелира выполняется визуально—'взятием от-

Рис. IV.11. Способы фиксации уровня жидкости в сосудах

скольку обычно применяемые жидкости — смачивающие, поверх­ ность жидкости в трубке представляет собой вогнутый мениск; по самой низкой точке менисковой дуги и берут отсчет с погреш­ ностью ± 1 мм.

Точность визуального способа повышается до ±0,5 мм, если отсчет производить по шкале, расположенной рядом с трубкой, фиксируя уровень жидкости при помощи передвижной рамки *1 (рис. IV. 11. б) с прорезанной щелью 2 и индексом на продолже­ нии ее оси симметрии. Передвигая рамку по трубке, устанавли­ вают ее так, чтобы нижний край мениска проходил по оси сим­ метрии прорези, после чего против индекса берут отсчет по шка-

147

ле. Для большего повышения точности индекс может быть заменен верньером.

Визуальный отсчет по нанесенной на трубку шкале может производиться против риски плавающего на поверхности жидко­ сти специальной формы поплавка 3 (рис. IV. I I , в) В этом слу­ чае точность отсчета характеризуется погрешностью ±0,2 мм.

При контактно-визуальном способе уровень жидкости фикси­ руется острием мнкрометренного винта 4 (рис. IV. 11, г). Вращая барабанчик 5, мпкрометрениый винт,4 в стеклянном цилиндричес­ ком сосуде плавно опускают сверху и в момент прорыва острием пленки поверхностного натяжения смачивающей жидкости, когда вокруг острия образуется менисковая поверхность, производят отсчет по шкале 6, укрепленной рядом с барабанчиком мнкромет­ ренного винта. Для удобства шаг винта делают равным 1 мм, а окружность барабанчика разбивают на десять частей, что дает возможность по вертикальной шкале отсчитывать количество це­ лых, а по барабанчику — десятых и сотых долей миллиметра.

Электроконтактный способ заключается в фиксации глубины опускания мнкрометренного винта от фиксированного нуля до соприкосновения с жидкостью. В момент соприкосновения замы­ кается электрическая цепь и появляется соответствующий свето­ вой или звуковой сигнал. Известны электроконтактные датчики положения уровня жидкости в сосуде как непрерывного дейст­ вия (из одного подвижного электрода), так и дискретные. Ди­ скретный датчик состоит из большого числа сигнальных уст­ ройств в виде контактов 7 (рис. IV. 11,(3), смонтированных по­ следовательно на разных высотах. Расстояние между контакта­ ми по вертикали (шаг) зависит от необходимой точности полу­ чения информации о положении уровня жидкости.

возможность дистанционного получения информации о высотном положении объекта.

Проанализируем влияние изменений условий внешней сре­ ды на результаты гидростатического нивелирования. При ниве­ лировании считается, что поверхность жидкости в сообщающихся сосудах горизонтальна и за время измерений на станции своего положения ие меняет. В действительности же факторы, опреде­ ляющие равновесие гидростатической системы, в различных ее частях могут быть непостоянны, к тому же непостоянны они и во времени. Неравенство атмосферных давлений на поверхность жидкости в сосудах возможно за счет естественных воздушных течений, особенно при значительных расстояниях между нивели­ руемыми точками, а при работе в помещении может вызываться действием вентиляционных установок. Неравномерный нагрев

148