明渠的几何特性

明渠的主要功能是输送水流。工程实践表明，明渠底坡的大小和横断面的形状及尺寸的几何特性对明渠水流状态和输送流量的大小有着重要的影响。因此在研究明渠水流运动规律之前，首先介绍明渠的底坡、横断面等几何特性。

8．1．1　明渠的底坡

在大多数情况下，明渠的渠底沿流向向下倾斜，其倾斜程度对明渠水流的状态是有影响的。一般将明渠渠底线在单位长度内的高程差(渠底倾斜程度)，称为明渠的底坡，以符号i表示。如图8-1所示，设1—1和2—2两断面之间渠底线长度为dx，两断面的渠底高程分别为z01和z02，则渠底高程差为

z01－z02=－(z02－z01)=－dz0

根据底坡的定义，底坡i可以表示为

式中θ为渠底线与水平线之间的夹角。当夹角θ较小(θ=6°)时，渠底线长度dx近似等于水平距离dl，则i≈tanθ。

图8-1　明渠的底坡示意图

如图8-2所示，明渠底坡可能有三种情况:

渠底高程沿流程下降的底坡称为正坡，或称顺坡，这时dz0＜0，i＞0;

渠底线高程沿流程不变的底坡称为平坡，这时dz0=0，i=0;

渠底的高程沿流程上升的底坡称为负坡，或称逆坡，这时dz0＞0，i＜0。

对于人工渠道上述三种底坡都可能出现，只是大多数情况下为正坡，负坡情况最为少见。由于天然河道的河底线为复杂的曲线，其底坡只能是某一河段的平均底坡。

图8-2　几种明渠底坡示意图

8．1．2　明渠的横断面

明渠的横断面有各种各样的形状。如图8-3所示。人工渠道的横断面均为规则形状。土渠大多为梯形断面;涵管、隧洞则多为圆形断面，也有采用马蹄形断面或蛋形断面;混凝土渠道或渡槽则可能采用矩形断面或半圆形断面。天然河道的横断面一般为不规则形状，同一条河道各个横断面的形状和尺寸差别较大。大多横断面的形状由主槽和滩地组成，流量小水位低时，水流集中在主槽内;流量大水位高时，主槽内的水流将漫至滩地。

需要注意的是，明渠的横断面与过水断面是有区别的。横断面一般泛指渠道的断面形状，而过水断面是指与流向垂直的横断面。

8．1．3　过水断面的几何要素

在对明渠进行水力计算时，常常必须计算渠道过水断面的几何要素。现以梯形过水断面为例，进行讨论。

当渠道有水流通过时，我们将过水断面上渠底最低点至水面的距离称为水深，以h表示，如图8-3所示。水深h是进行水力计算时首先需考虑的基本尺寸。在实际工程中，当夹角θ较小时，水深h可以用铅垂线深度h'来代替。

一般梯形渠道是修建在土质地基上的，断面两侧边坡的倾斜程度用边坡系数m来表示。边坡系数m的大小为边坡倾角α的余切，即m==cotα。边坡系数m的取值应根据土质的种类或边坡护面的情况而定。

图8-3　明渠的横断面示意图

关于过水断面面积、湿周、水力半径的计算，有以下公式:

过水断面面积

湿周

水力半径

其他形状的过水断面面积、湿周、水力半径等可以用相应的公式求得。

总的来说，可以按明渠底坡和横断面是否沿流程变化将明渠分为棱柱体明渠和非棱柱体明渠。对于横断面形状和尺寸以及底坡沿程不变的顺直明渠称为棱柱体明渠;而横断面形状和尺寸以及底坡沿流程有变化的明渠，或者弯曲的明渠称为非棱柱体明渠。如图8-4所示。

图8-4　棱柱体明渠与非棱柱体明渠示意图