（1）天然河道、人工渠道中的水流显露于大气中，具有自由水面，均属于明渠水流。水利工程中的灌渠、渡槽、溢洪道泄槽、无压泄洪或导流隧洞、引水渠等建筑物（图4.60）都涉及明渠流的水力计算问题。

（2）明渠均匀流水力计算常采用谢才公式。

谢才公式：

曼宁公式：

式中：c为谢才系数，常采用曼宁公式计算；R为水力半径。

图4.60　明渠流实例

综合可得

由于产生明渠均匀流的条件很难满足，人工渠道或天然河道中的水流绝大多数是非均匀流。明渠非均匀流的特点是底坡线、水面线、总水头线彼此互不平行（图4.61）。若流线是接近于相互平行的直线，或流线间夹角很小、流线的曲率半径很大，这种水流称为明渠非均匀渐变流。反之，则为明渠非均匀急变流（水跃或水跌）。明渠非均匀渐变流着重研究水面曲线变化规律，并进行水面线计算，公式如下：

（3）在影响过水断面的两个变量中，水流的阻力与过水断面的面积A负相关，与湿周χ正相关。A/χ最小时，阻力系数最小，此时的过水断面称为最优过水断面。即面积一定而过水能力（流量Q）最大的明槽（渠）断面，或可定义为通过流量一定而湿周最小的明槽（渠）断面，其实质就是阻力系数最小的水力断面。相同过流断面时圆管最好。一些山区石渠、渡槽和涵洞是按水力最佳断面设计的。

图4.61　明渠非均匀流

应该指出，水力最佳断面多属于窄深形，从结构和施工角度看，开挖不便，边坡养护困难，有时也难以满足通航和灌溉等要求，虽然水力最佳，但经济上并不最佳。对于大型渠道的断面形式，往往需要由工程量、施工技术、运行管理等各方面因素综合比较后才能决定。

（4）明渠流水力计算包括流量、水面线、底坡、断面形状与尺寸、糙率等问题，其中明渠的流量、断面形式、坡度、糙率等变化，都会引起自由水面变化，相应明渠水深和流速随之发生变化，因此自由水面的计算是工程中需解决的一个重要问题。如拦河筑坝后水库淹没范围的估算、溢洪道边墙高度的确定等，都与明渠流水面曲线的特性有关。

针对恒定非均匀渐变流某一流程为Δs的流段，水面曲线采用分段求和法计算：

式中：ΔEs为流段Δs两端断面上断面比能的差值；Esd、Esd分别为Δs流段下游和上游断面上的断面比能。

一般计算如下：

式中：为两过水断面的平均水力要素。

利用公式可逐步算出明渠非均匀流中各个断面的水深及它们相隔的距离，从而整个流段的水面线就可定量地确定和绘出。采用分段求和法计算水面曲线，分段越多，计算结果的精度越高，相应的计算量也越大。

（5）明渠流流态包括缓流与急流（图4.62），当从急流转变为缓流则将产生水跃现象，如从水闸或溢流坝下泄的急流受下游渠道缓流的顶托便发生水跃。

典型的水跃现象是：在很短的距离内，水深急剧增加，流速相应减小。水跃区上部为激烈翻腾的表面旋滚，底部为流速急剧减缓的主流，二者之间的交界面上流速梯度很大，产生漩涡和质量交换，水流内部产生剪切摩擦与混掺，因而消耗能量较大（图4.63）。水利工程中常利用水跃作为一种有效的消能方式（见本章消能部分）。

图4.62　水流流态

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图4.63　水跃现象及其要素

水跃研究的内容包括水跃长度Lj、水跃纵剖面形状、水跃位置的确定和控制、水跃能量损失等。其中水跃长度Lj为水跃前后两断面的距离，是泄水建筑物消能设计的重要依据之一，其值多由经验公式估算。水跃始端和终端两个断面的水深分别称为跃前水深h′和跃后水深h″。这两个水深之间存在着共轭关系。对于平底棱柱形渠道（即断面形状和尺寸沿流向不变的渠道），共轭水深计算公式为

（6）穿河、临河、沿河布置的涉水建筑（如码头、桥梁、管道等）（图4.64）修建后，墩、柱、台、板等挡水部位阻挡水流，水流被压缩，上游较大范围的水面抬升高度称为壅水高度，其最大值称为最大壅水高度，水面线抬升的范围称为壅水影响范围。这种情况下的水面线是原河道受工程影响，原河道过流条件被迫发生改变后形成的，影响因素复杂，精确确定很困难。

图4.64　涉河工程实例

堤防工程设计中，设计堤顶高程需要考虑一定的安全加高值，涉河建筑物的壅水高度值，并不包含在该安全加高值中。壅水高度值越大，则堤防实际的安全加高值越小，水位壅高减小了堤防防洪的安全高度，防洪能力降低就越明显。由于设计洪水水面线往往较平缓，较大壅水范围内抬升的水面线增大了堤防临水面与堤防背水面的水力坡度，则可能影响堤防及河势稳定，危及河道防洪安全。随着城市涉河建筑物建设密度不断加大，则会造成叠加壅水，势必会进一步削弱河道行洪能力，增加洪涝灾害发生的概率与严重程度，所以研究壅水问题非常重要。

以桥梁工程为例，如图4.65所示，桥前无导流堤时，最大壅水高度位置大约位于桥位中线上游一个桥孔长度L处，有导流堤时大约在导流堤的上游坝顶附近。桥前最大壅水高度ΔZ可根据水力学原理，列出能量方程求其理论解。但是桥位附近的水流与河床变化非常复杂，很多参数难以精确求得。

图4.65　桥梁壅水曲线示意图

涉河桥梁壅水的影响因素多而且复杂，其中壅水高度所受影响因素较多，如河道糙率、桥梁阻水率、流速、桥墩形状、河床底质等，其中阻水率是比较明确的、易于控制的参数，根据对湖南省新建桥梁阻水率的调研与分析，阻水率基本在3.5%～7%。从实际情况来看，这样的阻水率未对泄洪、防汛以及河势变化造成明显不利的影响。阻水率为设计水位条件下，桥梁阻水结构在垂直于水流方向上的投影面积与河道过水断面面积之比。

目前桥梁工程中大多选择壅水计算的经验公式，涉河码头、管道、隧道等工程的阻水构造物所造成的壅水情况，可参照相应经验公式计算，或采用模型试验或数值计算等方法进行专题研究。

习题

【思考题】

1.明渠均匀流的基本特性和产生条件是什么？从能量观点分析明渠均匀流为什么只能发生在正坡长渠道中？

2.你认为4.4.2节[例题1]中明渠设计适宜采用“最佳水力断面”条件吗？如果采用，计算结果会与结论15m相同吗？如果不能采用，理由是什么？

3.工程中明渠断面糙率依据什么条件确定？从图4.58施工照片看出，如果渠底与两侧边坡采用不同的护面材料，糙率该如何确定？

4.河道行洪或者多级船闸中间渠道灌泄水时常看成明渠非恒定流，其具有哪些基本特性？

5.两条明渠（均为均匀流），通过的流量、底坡和糙率均相同，但底宽不同，试分析正常水深的大小。

6.什么是水力最佳断面？它是否渠道设计中的最佳断面？为什么？

7.从明渠均匀流公式导出糙率的表达式，并说明如何测定渠道的糙率。

8.试叙述水跃的特征和产生的条件。如何计算矩形断面明渠水跃的共轭水深？在其他条件相同的情况下，当跃前水深发生变化时，跃后水深如何变化？

【计算题】

1.一梯形灌溉土质渠道，按均匀流设计。根据渠道等级、土质情况，选定底坡i=0.001，m=1.5，n=0.025，渠道设计流量Q=4.2m3/s，并选定水深h=0.95m，试设计渠道的底宽b。

2.红旗渠某段长而顺直，渠道用浆砌条石筑成（n=0.028），断面为矩形，渠道按水力最佳断面设计，底宽b=8m，底坡i=，试求通过流量。

3.有一矩形断面混凝土渡槽（n=0.014），底宽b=1.5m，槽长L=116.5m。进口处槽底高程z1=52.06m，当通过设计流量Q=7.65m3/s时，槽中均匀流水深h0=1.7m，试求渡槽底坡和出口槽底高程z2。

4.为收集某土质渠道的糙率资料，今在开挖好的渠道中进行实测：流量Q=9.45m3/s，正常水深h0=1.20m，在长L=200m的流段内水面降落z=0.16m，已知梯形断面尺寸b=7.0m，边坡系数m=1.5m，试求糙率n值。

5.某矩形断面渠道，通过的流量Q=30m3/s，底宽b=5m，水深h=1m，判断渠内水流是急流还是缓流？如果是急流，试计算发生水跃的跃后水深是多少。

6.连接水库与水电站的引水渠道长l=15km，Q=50m3/s，渠道断面为梯形，底宽b=10m，边坡m=1.5，n=0.025，i=0.0002，已知渠道末端水深hn=5.5m，试绘制渠道水面曲线。