衬砌渠道的横断面设计
衬砌渠道按其衬砌材料可分为两类：一类是土料衬砌渠道或具有土料保护层的衬砌渠道。这种衬砌渠道的纵横断面设计方法和一般土质渠道的设计方法相同。另一类是材料质地坚硬、抗冲性能良好的衬砌渠道。这类渠道渠床糙率较小、允许流速较大、工程投资较高，为了降低工程造价和节省渠道占地，常采用水力效率更高的断面形式，水力计算方法也有自己的特色。
衬砌护面应有一定的超高，以防风浪对渠床的淘刷。衬砌超高指加大水位到衬砌层顶端的垂直距离。小型渠道可采用20～30cm，大型渠道可采用30～60cm。
衬砌层顶端到渠道的堤顶或岸边也应有一定的垂直距离，以防衬砌层外露于地面，易受交通车辆等机械损坏；也可防止地面径流直接进入衬砌层下面，威胁渠床和衬砌层的稳定，这个安全高度一般为20～30cm。
下面，对衬砌渠道常用的几种非梯形断面形式及其水力计算方法作简要介绍。
1.圆底三角形断面的水力计算
圆底三角形过水断面是以水面宽度的中点为圆心，以最大水深为半径，画一圆弧，作为渠底，和两侧边坡相切，构成一个近似半圆形的过水断面，如图4-29所示。这种过水断面和水力最优断面十分接近，具有占地少、工程量省、输水能力大等优点，可用于中小型渠道。
图4-29 圆底三角形过水断面
圆底三角形过水断面的水力计算公式如下：
过水断面面积：
式中 A——过水断面积，m2；
h——最大水深，m；
θ——渠道边坡和水平面的夹角。
过水断面的湿周：
式中 P——过水断面的湿周，m。
过水断面的水力半径：
根据断面平均流速公式可写出以下关系式：
根据式（4-50）可求出最大水深h，即渠底圆弧的半径。
根据渠床土质选定边坡系数m值，按下式计算坡角θ值：
根据h、θ值即可画出渠道的过水断面。
水面宽度B可从图上量出，也可用下式计算：
渠道平均流速应满足不冲不淤要求。
【例4-4】 设计一混凝土衬砌渠道，设计流量Q=20m3/s，渠道比降i=1/10000，边坡系数m=1.25，糙率系数选用n=0.014，断面形式选用圆底三角形断面。
解
将已知的Q、A、i、n等代入式（4-50）得
由上式解出：h=3.24m。
根据圆弧半径r=h=3.24m和θ=38.67°，即可画出过水断面。也可根据式（4-52）计算水面宽度B：渠道平均流速：
显然，渠道流速满足校核要求。
2.圆角梯形断面的水力计算
圆角梯形断面是以渠道的设计水深为半径，将梯形过水断面底部两个拐角变成圆弧，圆弧两端分别和渠底、边坡相切，渠底两切点间的距离为b，圆心角为θ，如图4-30所示。
把梯形断面两个拐角变为圆弧是提高渠道输水能力的一种有效方法。
图4-30 圆角梯形过水断面
圆角梯形断面的水力计算公式如下：
过水断面面积：
过水断面的湿周：
渠道的输水能力：
式（4-55）中包含着b、h两个未知数，求解时，必须补充一个条件，或选择适宜的流速，或选择适宜的水深。
根据渠床土质选择适当的θ值，再求出b、h值，就可画出渠道的过水断面，水面宽度B可从图上量得，也可用下式计算：
渠道流速应满足不冲不淤要求。
【例4-5】 设计一圆角梯形混凝土渠道，Q=100m3/s，i=1/4000，m=1.5，n=0.016，v=1.5m/s。
解
根据流速公式求水力半径：
将A=66.67m2，P=35.65m，θ=0.59rad，ctgθ=1.5代入式（4-53）和式（4-54）得到以下两式：
将h值代入③式得(https://www.daowen.com)
根据b=26.68m，h=2.145m，θ=33.8°即可绘出过水断面图。从图上可量出水面宽度，亦可按下式计算：
【例4-6】 设计一圆角梯形断面的混凝土渠道，Q=400m3/s，i=1/10000，m=1.25，n=0.014，h=5m。
解
将Q、A、P、n、i的数值代入式（4-55）得
虽然该式中只有一个未知数b，但因公式复杂，难以直接求解，需按下式试算：
假设一个底宽b值，算出相应的输水流量Q′，当Q′等于或接近设计流量Q值时，假设的b值就可作为设计值。经过试算，该题的设计底宽为
根据h=5m，b=34.0m，θ=38.67°就可绘出渠道的过水断面。水面宽度可按下式计算：
根据b、h值可算出过水断面积和平均流速为
对混凝土衬砌渠道来说，该流速值满足校核要求。
3.U型断面的水力计算
U型断面接近水力最优断面，具有较大的输水输沙能力，占地较少，省工省料，而且由于整体性好，抵抗基土冻胀破坏的能力较强。因此，U型断面受到普遍欢迎，在我国已广泛使用，多用混凝土现场浇筑。
图4-31 U型断面
图4-31为U型断面示意图，下部为半圆形，上部为稍向外倾斜的直线段。直线段下切于半圆，外倾角α=5°～20°，随渠槽加深而增大。较大的U型渠道采用较宽浅的断面，深宽比H/B=0.65～0.75，较大的U型渠道则宜窄深一点，深宽比可增大到H/B=1.0。
U型渠道的衬砌超高a1和渠堤超高a（堤顶或岸边到加大水位的垂直距离）可参考表4-19确定。
表4-19 U型渠道衬砌超高a1和渠堤超高a值表
注 衬砌体顶端以上土堤超高一般用0.2～0.3m。
U型断面有关参数的计算公式见表4-20。
表4-20 U型断面有关参数计算公式
U型断面水力计算的任务是根据已知的渠道设计流量Q、渠床糙率系数n和渠道比降i，求圆弧半径r和水深h。由于断面各部分尺寸间的关系复杂，U型断面的设计，需要借助某些尺寸间的经验关系，如式（4-57）和表4-21给出的经验关系。设计步骤如下：
（1）确定圆弧以上的水深h2。圆弧以上水深h2和圆弧半径r有以下经验关系：
式中 Nα——直线段外倾角为α时的系数。α=0时的系数用N0表示。
直线段的外倾角α和N0值都随圆弧半径而变化，见表4-21。
表4-21 U型渠道断面尺寸的经验关系
为了保持圆心以上的水深与α=0时相同，则应遵守以下关系：
（2）求圆弧的半径r。将已知的有关数值代入明渠均匀流的基本公式，就可得到圆弧半径的计算式：
或
式中 θ——圆弧的圆心角，rad；
Q——渠道的设计流量，m3/s；
r——圆弧半径，m；
α——直线段的倾斜角，（°）。
（3）求渠道水深h。
（4）校核渠道流速。计算过水断面面积：
计算断面平均流速：
该断面平均流速应满足不冲不淤要求。
【例4-7】 某斗渠拟采用混凝土U型断面，Q=0.8m3/s，n=0.014，i=1/2000，计算过水断面尺寸。
解
根据经验估计r=60～80cm，查表4-21，选择α=10°，N0=0.3。
该流速值能满足不冲不淤要求。
【注释】
[1]《水利学报》1959年第四期沙玉清著“冲淤平衡稳定渠道设计方法”；陕西省水利科学研究所编《陕西水利科技》1977年第一期张浩著“高含沙输水渠道设计方法”。