明渠的主要功能是輸送水流。工程實(shí)踐表明，明渠底坡的大小和橫斷面的形狀及尺寸的幾何特性對(duì)明渠水流狀態(tài)和輸送流量的大小有著重要的影響。因此在研究明渠水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律之前，首先介紹明渠的底坡、橫斷面等幾何特性。

8．1．1　明渠的底坡

在大多數(shù)情況下，明渠的渠底沿流向向下傾斜，其傾斜程度對(duì)明渠水流的狀態(tài)是有影響的。一般將明渠渠底線在單位長(zhǎng)度內(nèi)的高程差(渠底傾斜程度)，稱為明渠的底坡，以符號(hào)i表示。如圖8-1所示，設(shè)1—1和2—2兩斷面之間渠底線長(zhǎng)度為dx，兩斷面的渠底高程分別為z01和z02，則渠底高程差為

z01－z02=－(z02－z01)=－dz0

根據(jù)底坡的定義，底坡i可以表示為

式中θ為渠底線與水平線之間的夾角。當(dāng)夾角θ較小(θ=6°)時(shí)，渠底線長(zhǎng)度dx近似等于水平距離dl，則i≈tanθ。

圖8-1　明渠的底坡示意圖

如圖8-2所示，明渠底坡可能有三種情況:

渠底高程沿流程下降的底坡稱為正坡，或稱順坡，這時(shí)dz0＜0，i＞0;

渠底線高程沿流程不變的底坡稱為平坡，這時(shí)dz0=0，i=0;

渠底的高程沿流程上升的底坡稱為負(fù)坡，或稱逆坡，這時(shí)dz0＞0，i＜0。

對(duì)于人工渠道上述三種底坡都可能出現(xiàn)，只是大多數(shù)情況下為正坡，負(fù)坡情況最為少見。由于天然河道的河底線為復(fù)雜的曲線，其底坡只能是某一河段的平均底坡。

圖8-2　幾種明渠底坡示意圖

8．1．2　明渠的橫斷面

明渠的橫斷面有各種各樣的形狀。如圖8-3所示。人工渠道的橫斷面均為規(guī)則形狀。土渠大多為梯形斷面;涵管、隧洞則多為圓形斷面，也有采用馬蹄形斷面或蛋形斷面;混凝土渠道或渡槽則可能采用矩形斷面或半圓形斷面。天然河道的橫斷面一般為不規(guī)則形狀，同一條河道各個(gè)橫斷面的形狀和尺寸差別較大。大多橫斷面的形狀由主槽和灘地組成，流量小水位低時(shí)，水流集中在主槽內(nèi);流量大水位高時(shí)，主槽內(nèi)的水流將漫至灘地。

需要注意的是，明渠的橫斷面與過水?dāng)嗝媸怯袇^(qū)別的。橫斷面一般泛指渠道的斷面形狀，而過水?dāng)嗝媸侵概c流向垂直的橫斷面。

8．1．3　過水?dāng)嗝娴膸缀我?/p>

在對(duì)明渠進(jìn)行水力計(jì)算時(shí)，常常必須計(jì)算渠道過水?dāng)嗝娴膸缀我亍，F(xiàn)以梯形過水?dāng)嗝鏋槔?，進(jìn)行討論。

當(dāng)渠道有水流通過時(shí)，我們將過水?dāng)嗝嫔锨鬃畹忘c(diǎn)至水面的距離稱為水深，以h表示，如圖8-3所示。水深h是進(jìn)行水力計(jì)算時(shí)首先需考慮的基本尺寸。在實(shí)際工程中，當(dāng)夾角θ較小時(shí)，水深h可以用鉛垂線深度h'來代替。

一般梯形渠道是修建在土質(zhì)地基上的，斷面兩側(cè)邊坡的傾斜程度用邊坡系數(shù)m來表示。邊坡系數(shù)m的大小為邊坡傾角α的余切，即m==cotα。邊坡系數(shù)m的取值應(yīng)根據(jù)土質(zhì)的種類或邊坡護(hù)面的情況而定。

圖8-3　明渠的橫斷面示意圖

關(guān)于過水?dāng)嗝婷娣e、濕周、水力半徑的計(jì)算，有以下公式:

過水?dāng)嗝婷娣e

濕周

水力半徑

其他形狀的過水?dāng)嗝婷娣e、濕周、水力半徑等可以用相應(yīng)的公式求得。

總的來說，可以按明渠底坡和橫斷面是否沿流程變化將明渠分為棱柱體明渠和非棱柱體明渠。對(duì)于橫斷面形狀和尺寸以及底坡沿程不變的順直明渠稱為棱柱體明渠;而橫斷面形狀和尺寸以及底坡沿流程有變化的明渠，或者彎曲的明渠稱為非棱柱體明渠。如圖8-4所示。

圖8-4　棱柱體明渠與非棱柱體明渠示意圖