设计渠道时要求工程量小，投资少，即在设计流量Q、比降i、糙率系数n相同的条件下应使过水断面面积最小；或在过水断面面积A、比降i、糙率系数n值相同的条件下，使通过的流量Q最大。符合这些条件的断面称为水力最佳断面。从公式（3-23）可以看出，当A、n、i一定时，水力半径最大或湿周最小的断面就是水力最佳断面。在各种几何图形中，以圆形断面的周界最小，所以半圆形断面是水力最佳断面。但天然土渠修成半圆形是很困难的，也是不稳定的，只能修成接近半圆的梯形断面。本节主要介绍梯形渠道的断面设计，其他形式渠道断面设计原理相同，其断面尺寸和参数参见本章第三节。
（一）渠道设计的依据
渠道设计的依据除输水流量外，还有渠底比降、渠床糙率、渠道边坡系数、稳定渠床的宽深比以及渠道的不冲、不淤流速等。
1.渠底比降
在坡度均一的渠段内，两端渠底高差与渠段长度的比值称为渠底比降。比降选择是否合理关系到渠床稳定、工程造价和控制面积等，应根据渠道沿线的地面坡度、下级渠道进水口的水位要求、渠床土质、水源含沙情况、渠道设计流量大小等因素，参考当地灌区管理运用经验，选择适宜的渠底比降。为了减少工程量，应尽可能选用与地面坡度相近的渠底比降。一般随着设计流量的逐级减小，渠底比降应逐级增大。一般地区，干渠比降选用1/2000～1/5000，支渠比降选用1/1000～1/3000，斗农渠比降选用1/200～1/1000。地形十分平坦的平原地区，灌溉渠道有时采用平底渠道，即渠底比降i=0。干渠及较大支渠的上、下游流量相差很大时，可采用不同的比降，上游平缓、下游较陡。清水渠道易发生冲刷，比降宜缓；浑水渠道容易淤积，比降应适当加大；抽水灌区的渠道应在满足泥沙不淤的条件下尽量选择平缓的比降，以减小提水扬程和灌溉成本。表3-9所列数值，可作为山丘、丘陵地区选择渠道比降时参考。在我国北方盐土地区引用多泥沙河流的浑水进行灌溉时，渠道允许最大挟沙量为165～200kg/m3，其不同流量的不淤比降如表3-10所示，或参考陕西省水利科学研究所的经验公式确定，即
式中：ρ0为水流的饱和挟沙能力，kg/m3；ω为泥沙平均沉速，mm/s；其他符号意义同前。
表3-9 山丘区渠底比降参考值
在设计工作中，可参考地面坡度和下级渠道的水位要求先初选一个比降，计算渠道的过水断面尺寸，再按不冲流速、不淤流速进行校核，如不满足要求，再修改比降，重新计算。
表3-10 黄土地区渠道不淤比降
2.渠床糙率系数
渠床糙率系数n是反映渠床粗糙程度的技术参数。该值选择得是否切合实际，直接影响到设计成果的精度。如果n值选得太大，设计的渠道断面就偏大，不仅增加了工程量，而且会因实际水位低于设计水位而影响下级渠道的进水。如果n值取得太小，设计的渠道断面就偏小，输水能力不足，影响灌溉用水。糙率系数值的正确选择不仅要考虑渠床土质和施工质量，还要估计到建成后的管理养护情况，表3-11和表3-12中的数值可供选择。
表3-11 渠床糙率系数
表3-12 防渗渠道的糙率系数
续表
3.渠道的边坡系数
渠道的边坡系数m是渠道边坡倾斜程度的指标，其值等于边坡在水平方向的投影长度与在垂直方向投影长度的比值。m值的大小关系到渠坡的稳定，要根据渠床土壤质地和渠道深度等条件选择适宜的数值。大型渠道的边坡系数应通过土工试验和稳定分析确定，中小型渠道的边坡系数根据经验选定，可参考表3-13和表3-14。
表3-13 挖方渠道的最小边坡系数
表3-14 填方渠道的最小边坡系数
4.渠道断面的宽深比
渠道断面的宽深比α是渠道底宽b和水深h的比值，对渠道工程量和渠床稳定有较大影响。渠道宽深比的选择要考虑以下要求。
（1）工程量小。在渠道比降和渠床糙率一定的条件下，通过设计流量所需要的最小过水断面称为水力最优断面，采用水力最优断面的宽深比可使渠道工程量最小。梯形渠道水力最优断面的宽深比按下式计算：
式中：α0为梯形渠道水力最优断面的宽深比；m为梯形渠道的边坡系数。
水力最优断面具有工程量最小的优点，小型渠道和石方渠道可以采用。对大型渠道来说，因为水力最优断面比较窄深，开挖深度大，可能受地下水影响，施工困难，劳动效率较低，而且渠道流速可能超过允许不冲流速，影响渠床稳定。所以，大型渠道常采用宽浅断面。可见，水力最优断面仅仅指输水能力最大的断面，不一定是最经济的断面，渠道设计断面的最佳形式还要根据渠床稳定要求、施工难易等因素确定。
（2）断面稳定。渠道断面过于窄深，容易产生冲刷；过于宽浅，又容易淤积，都会使渠床变形。稳定断面的宽深比应满足渠道不冲、不淤要求，它与渠道流量、水流含沙情况、渠道比降等因素有关，应在总结当地已成渠道运行经验的基础上研究确定。比降小的渠道应选较小的宽深比，以增大水力半径，加快水流速度；比降大的渠道应选较大的宽深比，以减小流速，防止渠床冲刷。
国内外很多学者对灌溉渠道稳定断面的宽深比做了大量的研究工作，提出了许多经验公式，这里介绍几个常用的公式，供参考使用。
1）陕西省对从多泥沙河道引水的灌溉渠道进行了研究，提出了以下公式：
式中N=2.35～3.25，一般采用2.8；
式中N=1.8～3.4，一般采用2.6。
2）原苏联C·A·吉尔什康公式：
3）美国垦务局公式：
由于影响渠床稳定的因素很多，也很复杂，每个经验公式都是在一定地区的特定条件下产生的，都有一定的局限性。这些经验公式的计算结果只能作为设计的参考。
（3）有利通航。有通航要求的渠道，应根据船舶吃水深度、错船所需的水面宽度以及通航的流速要求等确定渠道的断面尺寸。渠道水面宽度应大于船舶宽度的2.6倍，船底以下水深应不小于15～30cm。
5.渠道的不冲不淤流速
在稳定渠道中，允许的最大平均流速称为临界不冲流速，简称不冲流速，用vcs表示；允许的最小平均流速称为临界不淤流速，简称不淤流速，用vcd表示。为了维持渠床稳定，渠道通过设计流量时的平均流速（设计流速）vd应满足以下条件：
（1）渠道的不冲流速。水在渠道中流动时，具有一定的能量，这种能量随水流速度的增加而增加，当流速增加到一定程度时，渠床上的土粒就会随水流移动，土粒将要移动而尚未移动的水流速度就是临界不冲流速（简称不冲流速）。渠道不冲流速和渠床土壤性质、水流含沙情况、渠道断面水力要素等因素有关，见表3-15所示，具体数值要通过试验研究或总结已成渠道的运用经验而定。
表3-15 土质渠床的不冲流速
注 表中所列不冲流速值属于水力半径R=1m的情况，当R≠1.0m时，表中所列数值乘以Rα。指数α值依据下列情况采用：①各种大小的砂、砾石和卵石及疏松的砂壤土、粘土，α=1/3～1/4；②中等密实的和密实的砂壤土、壤土及粘土，α=1/4～1/5。
表3-16 渠床土壤耐冲程度系数K值
土质渠道的不冲流速可用C·A·吉尔什康公式计算：
式中：vcs为渠道不冲流速，m/s；K为渠床土壤耐冲系数，查表3-16；Q为渠道的设计流量，m3/s。
GB50288—99《灌溉与排水工程设计规范》规定的渠道允许不冲流速见表3-17、表3-18和表3-19。
表3-17 非粘性土渠道允许不冲流速 单位：m/s
注表中所列允许不冲流速值为水力半径R=1.0m时的情况；当R≠1.0m时，表中所列数值应乘以Rα，指数α值可采用α=1/3～1/5。
表3-18 石渠允许不冲流速 单位：m/s
有衬砌护面的渠道的不冲流速比土渠大得多，如混凝土护面的渠道允许最大流速可达12m/s。但从渠床稳定考虑，仍应对衬砌渠道的允许最大流速限制在较小的数值，因为流速太大的水流遇到裂缝或缝隙时，流速水头就转化为压能，会使衬砌层翘起和剥落。我国规范规定的防渗衬砌渠道的不冲流速见表3-19。
表3-19 防渗衬砌渠道允许不冲流速
（2）渠道的不淤流速。渠道水流的挟沙能力随流速的减小而减小，当流速小到一定程度时，部分泥沙就开始在渠道内淤积。泥沙将要沉积而尚未沉积时的流速就是临界不淤流速。渠道不淤流速主要取决于渠道含沙情况和断面水力要素，也应通过试验研究或总结实践经验而定。在缺乏实际研究成果时，可选用有关经验公式进行计算。这里，仅介绍黄河水利委员会水利科学研究所的不淤流速计算公式：
式中：vcd为渠道不淤流速，m/s；C0为不淤流速系数，随渠道流量和宽深比而变，见表3-20；Q为渠道的设计流量，m3/s。
表3-20 不淤流速系数C0值
公式（3-31）适用于黄河流域含沙量为1.32～83.8kg/m3、加权平均泥沙沉降速度为0.0085～0.32m/s的渠道。
黄河流域浑水渠道水流挟沙能力按下述三个经验公式计算。
1）黄河中游地区，可按沙玉清公式计算：
式中：ρ为浑水渠道水流挟沙能力，kg/m3；ω为泥沙沉降速度，mm/s；d为泥沙粒径，mm；R为水力半径，m；K为水流挟沙系数，与不淤保证率有关，可从表3-21选取；v为断面平均流速，m/s；v01为挟动幺速，m/s，当泥沙随水流进入渠道呈运动状态时，挟动幺速等于止动幺速，即v01=vH1，vH1为明渠水流水力半径R=1.0m时的止动幺速（即泥沙由运动状态转变为静止状态时的临界流速），可从表3-22查得；n为指数，与水流的弗劳德数Fr有密切关系，即：缓流Fr≤0.8，n=2；急流Fr＞0.8，n=3。
表3-21 水流挟沙系数
表3-22 止动幺速
2）黄河中、下游地区可按黄河水利委员会水利科学研究院公式计算：
式中：H为断面平均水深，m；B为水面宽度，m；g为重力加速度，m/s2；
为泥沙沉降速度的加权平均值，cm/s。
3）黄河下游地区衬砌渠道可按山东水利科学研究院公式计算：(www.xing528.com)
含沙量很小的清水渠道虽无泥沙淤积威胁，但为了防止渠道长草，影响输水能力，对渠道的最小流速仍有一定限制，通常要求大型渠道的平均流速不小于0.5m/s，小型渠道的平均流速不小于0.3～0.4m/s。
（二）渠道水力计算
渠道水力计算的任务是根据上述设计依据，确定渠道过水断面的水深h和底宽b。土质渠道梯形断面的水力计算方法介绍如下：
1.一般断面的水力计算
这是广泛使用的渠道设计方法。根据公式（3-23）用试算法求解渠道的断面尺寸，具体步骤如下：
（1）假设b、h值。为了施工方便，底宽b应取整数。因此，一般先假设一个整数的b值，再选择适当的宽深比α，用公式h=b/α计算相应的水深值。
（2）计算渠道过水断面的水力要素。根据假设的b、h值计算相应的过水断面面积A、湿周χ、水力半径R和谢才系数C，计算公式如下：
用公式（3-21）计算谢才系数C值。
（3）用公式（3-23）计算渠道流量。
（4）校核渠道输水能力。上面计算出来的渠道流量（Q计算）是假设的b、h值相应的输水能力，一般不等于渠道的设计流量（Q）。通过试算，反复修改b、h值，直至渠道计算流量等于或接近渠道设计流量为止。要求误差不超过5%，即设计渠道断面应满足的校核条件是：
在试算过程中，如果计算流量和设计流量相差不大时，只需修改h值，再行计算；如二者相差很大时，就要修改b、h值，再行计算。为了减少重复次数，常用图解法配合：在底宽不变的条件下，用三次以上的试算结果绘制h-Q计算关系曲线，在曲线图上查出渠道设计流量Q相应的设计水深hd，如图3-5。
图3-5 渠道的h-Q计算关系曲线
（5）校核渠道流速：
如不满足流速校核条件，就要改变渠道的底宽b值和渠道断面的宽深比，重复以上计算步骤，直到既满足流量校核条件又满足流速校核条件为止。
例 某灌溉渠道采用梯形断面，设计流量Q=3.2m/s，边坡系数m=1.5，渠底比降i=0.0005，渠床糙率系数n=0.025，渠道不冲流速vs=0.8m/s，该渠道为清水渠道，无防淤要求，为了防止长草，最小允许流速为0.4m/s。求渠道过水断面尺寸。
解
（1）初设b=2m，h=1m，作为第一次试算的断面尺寸。
（2）计算渠道断面各水力要素：
（3）计算渠道输水流量（Q计算）：
（4）校核渠道输水能力：
从上看出，流量校核不满足要求，需更换h值，重新计算。再假设h=1.1m，1.15m，1.22m，按上述步骤进行计算，计算结果列入表3-23。
按表3-23中的计算结果绘制h-Q计算关系曲线（图3-6），从曲线上查得Q=3.2m3/s所对应的hd=1.185m。
表3-23 渠道过水断面水力要素
（5）校核渠道流速：
设计流速满足校核条件：
所以，渠道设计过水断面的尺寸是：
2.水力最优梯形断面的水力计算
采用水力最优梯形断面时，可按以下步骤直接求解。
（1）计算渠道的设计水深。由梯形渠道水力最优断面的宽深比公式（3-25）和明渠均匀流流量计算公式（3-23）推得水力最优断面的渠道设计水深为：
式中：hd为渠道设计水深，m。
（2）计算渠道的设计底宽：
式中：bd为渠道的设计底宽（m）；α0为梯形渠道断面的最优宽深比。
图3-6 h-Q计算关系曲线
（3）校核渠道流速。流速计算和校核方法与采用一般断面时相同。如设计流速不满足校核条件时，说明不宜采用水力最优断面形式。
需要指出，前面几种渠道水力计算方法都是以渠道设计流速满足不冲和不淤流速为条件的，适用于清水渠道或含沙量不多的渠道断面设计。而对于从多沙河流引水的渠道，例如我国西北黄土地区从多沙河流引水的渠道，其设计情况要复杂得多。因为这些引水河流一般夏季水浑、冬季水清，一年中来水的含沙量变化很大；而且渠道含沙量很大时的允许不淤流速vcd常大于渠道含沙量很小时的允许不冲流速vcs，所以，在确定这类渠道的设计流速vd时，如果以夏季不淤为标准，即vd≥vcd，到了冬季，由于vd＞vcs，就会引起冲刷；同样，若以冬季不冲为标准，即vd≤vcs，到了夏季，就会发生淤积。要解决这个矛盾，可以设法使夏季的淤积量与冬季的冲刷量大致相等。也就是说，允许渠道有时冲刷，有时淤积，但是在一定期间内（一年或若干年），要使渠道保持冲淤平衡，这就是冲淤平衡的渠道设计思想。但关于冲淤平衡设计的具体方法，国内至今仍处于探索阶段，有待进一步研究，可参考有关文献。
在国外，不少学者试图从总结经验入手，分析研究那些多年运行仍保持断面稳定的渠道，找出其水力要素之间的关系，从而探索高含沙渠道的设计方法。例如肯尼迪（R.G.Kennedy）通过对印度下巴里多贝渠系的稳定断面渠道及其水流含沙情况的观测研究，发现稳定渠道的断面平均流速（称为临界流速）是渠道水深的函数，曾于1895年提出了如下公式：
式中：v0为临界流速，m/s；h为渠道水深，m。
为了使公式（3-41）也能适用于其他地区，引入一个考虑泥沙粒径变化的系数M，称为“临界流速比”，表示当地的临界流速v与公式（3-41）计算出的临界流速v0的比值，即
于是，具有普遍意义的临界流速公式就可写为：
对含沙量较大的渠道，系数M的推荐值是：渠首段取1.1，渠尾段取0.85。
利用上述肯尼迪临界流速公式设计稳定渠道断面的方法步骤详见下例。
例 某灌溉干渠设计流量Qd=45m3/s，比降i=1/6000，糙率系数n=0.0225，边坡系数m=1.5，临界流速比M=0.95。求过水断面尺寸。
解
（1）假设渠道水深h=2.5m。
（2）应用公式（3-43）计算渠道临界流速：
（3）计算渠道过水断面面积：
（4）计算渠道底宽
（5）计算渠道湿周
（6）计算实际流速：
由于va≈v，即实际流速非常趋近于临界流速，故假设的渠道水深就是设计水深，相应的渠道设计底宽和设计水深分别为：bd=b=15.6m，hd=h=2.5m。
（三）渠道过水断面以上部分的有关尺寸
1.渠道加大水深
渠道通过加大流量Qj时的水深称为加大水深hj。计算加大水深时，渠道设计底宽bd已经确定，明渠均匀流流量公式中只包含一个未知数，但因公式形式复杂，直接求解仍很困难。通常还是用试算法或查诺模图求加大水深，计算的方法步骤与求设计水深的方法相同。如果采用水力最优断面，可近似地用公式（3-40）直接求解，只需将公式中的hd和Q换成hj和Qj。
2.安全超高
为了防止风浪引起渠水漫溢，保证渠道安全运行，挖方渠道的渠岸和填方渠道的堤顶应高于渠道的加大水位，要求高出的数值称为渠道的安全超高，通常用经验公式计算。GB50288—99《灌溉与排水工程设计规范》规定一般渠道岸顶超高计算公式为：
式中：Δh为渠道岸顶超高，m。
3.堤顶宽度
为了便于管理和保证渠道安全运行，挖方渠道的渠岸和填方渠道的堤顶应有一定的宽度，以满足渠道稳定和交通的需要。万亩以上灌区干、支渠岸顶宽不应小于2m，斗渠、农渠不宜小于1m，万亩以下灌区可适当减少。如果渠堤与主要交通道路结合，渠岸或堤顶宽度应根据交通要求确定。交通部颁发的JTJ1—81《公路工程技术标准》把公路按其任务、性质和交通量分为五级，又按地形和公路等级规定了路基宽度和行车道宽度，见表3-24。
表3-24 各级公路的宽度
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