明渠流

　　具有顯露於大氣中的自由水面的水流，如天然河道、人工管道中的水流。明渠的流量、斷面形式、坡度、糙率等的變化，都會引起自由水面的變化，相應地也使水深和流速變化。自由水面的計算是工程中需解決的一個重要問題，如引水或排水管道的合理斷面尺寸和流速大小的決定，攔河築壩以後水庫淹沒範圍的估算，都歸結為明渠流水面曲線的繪製。

　　明渠的渠身形狀和大小保持不變的長直管道稱為棱柱形管道；斷面形狀和大小沿程變化的管道稱為非棱柱形管道。

　　明渠恒定均勻流　在順直棱柱形長渠道中可形成渠中水深、流速沿程不變的均勻流。均勻流水力計算式：

式中 Q為流量； v為流速； A為過水斷面面積； R為水力半徑（過水斷面面積與斷面固體周長，即濕周之比）； C為謝才系數，通常采用 C＝ R ^1/6/ n； n為糙率，表示渠壁的“粗糙”情況； i為底坡，即渠道底線與水平線夾角的正弦。

　　在工程設計中，有時要求在給定斷面面積A的條件下，使渠道通過最大的流量。從上式看出，當n、A、i一定時，要使流量Q極大，必須水力半徑R極大，即濕周極小。使渠道水力半徑為極大的斷面，稱為水力最佳斷面。通常渠道的斷面為梯形。梯形水力最佳斷面滿足如下條件：

式中 m為梯形斷面邊坡比； _h為水深； b為梯形斷面的底邊。矩形水力最佳斷面的水力半徑 R＝ _h/2。

　　無壓管道（如下水道）具有某些水力特點。如直徑為b的圓形斷面管道，並非剛剛充滿管道時的流量或流速為最大，而是水深_h＝0.95b時的流量最大；_h＝0.81b時的流速最大。這是因為過水斷面面積A及水力半徑R與水深_h的關系並非單調變化所引起。

　　明渠恒定非均勻流　在渠道底坡、斷面或糙率等沿程變化的渠道中，必然形成水深、流速沿程變化的非均勻流。

　　棱柱形渠道非均勻漸變流水深_h沿流程s的變化，可由伯努利方程和連續性方程得到如下的規律：

式中 B為斷面上水深為 _h時的水面寬度。用 Fr ²表示分母中的 Q ² B/ ɡA ³＝ v ²/ ɡ_h， 稱為弗勞德數。當 Fr＜1時，渠道某處水流(如水深)的變化可影響該處上下遊，這種水流稱為緩流；當 Fr＞1時，某處水流的變化隻波及下遊而不影響上遊，這種水流稱為急流。對上式積分，即可求出水深沿流程的分佈，即水面曲線，相應可求各斷面的流速。求得水深及流速沿程的變化，即可解決有關工程問題。非棱柱形渠道的水面曲線可用差分法解伯努利方程及連續性方程得到。

　　水躍　是明渠水流從急流過渡到緩流狀態時水面突然躍起的局部水力現象（圖1，h_K為臨界水深）。

　　水躍前後的水深分別為h′及h"，兩者的關系在矩形斷面棱柱形平底渠道中為

水躍中的水頭損失為

由此看出，水躍前的弗勞德數愈大，即水流愈急，水頭損失愈大。

　　消能　在堰閘下遊，陡坡渠道的尾端，橋涵出口，跌水處等水流的流速很大，會沖刷河床，危及建築物的安全。為瞭把引起沖刷的水流能量在較短的區域內消除，設計有各種消能的措施，如增加渠底粗糙度的人工粗糙（圖2）和利用水躍消能而建的消力池（圖3）等。

　　明渠非恒定流　基本特征是流量Q和水位Z等，都是時間t和位置s的函數。描述明渠非恒定漸變流的聖維南方程組為

　　　　

聯解該方程組並使其符合初始條件和邊界條件，即可求出非恒定流的變量 Q＝ Q( s， t)和 Z＝ Z( s， t)，以解決實際工程問題，如洪水坡的演進等。