为探求高水头、大单宽流量下阶梯坝面坡度对宽尾墩+阶梯溢流坝+消力池一体化消能工水力特性的影响,本文以阿海水电站为原型,采用三维-双方程紊流模型,引入水气两相流VOF计算方法,对51.34°、53.13°、56.98°三种阶梯坝面坡度进行数值模拟研究。主要研究成果如下:(1)在不增设掺气坎的方案中,阶梯坝面坡度为56.98°的方案三,消能率最大,但相对于阶梯坝面坡度为51.34°的方案一,消能率只增大0.79%。同时,阶梯坝面坡度为56.98°的消力池尾坎处水深最大和临底流速最小及消力池内最大紊动能k值和最大紊动耗散率ε值最大。但各方案阶梯面均出现负压双峰值,并且第二峰值位置附近的掺气浓度低于阶梯面最小保护浓度3%,而且阶梯面空化数随坡度增加而减小,特别是阶梯坝面坡度为56.98°时,空化数为1的等值线进入部分阶梯内部,增加了阶梯面空化空蚀破坏风险。因此在不增设掺气坎的方案中,水力特性均较差。(2)增设掺气坎后,同样单纯改变阶梯坝面坡度对一体化消能工的消能影响不大,坡度增加,消能率只增大0.15%。同时,消力池尾坎处最大水深和最小临底流速及消力池内最大紊动能k值和最大紊动耗散率ε值与无掺气坎的分布规律一致。但阶梯坝面坡度为51.34°的方案一,消力池最大临底流速超过工程允许值25m/s,阶梯坝面坡度为56.98°的方案三,首级阶梯负压超过《混凝土重力坝设计规范》允许值6×9.81k Pa,并且此阶梯坝面坡度下的阶梯面出现不连续空腔,空腔积水处掺气浓度低于阶梯面最小掺气保护浓度3%。因此,增设掺气坎后,阶梯坝面坡度为53.13°的方案二水力特性最优。综上所述,单纯改变阶梯坝面坡度对一体化消能工的消能有一定的影响,但影响不大。无掺气坎时,随着阶梯坝面坡度增加,消能率增大0.79%,有掺气坎时消能率增大了2.26%。虽然增加有掺气坎的阶梯坝面坡度,消能率增大了2.26%,但坡度过大,易产生超过《混凝土重力坝设计规范》允许值6×9.81k Pa的负压。坡度过小,消力池最大临底流速易超过规范允许值25 m/s,易形成消力池的冲刷破坏。根据阿海电站的实际工程应用,不设掺气坎的一体化消能方式易产生空蚀空化破坏。因此,增设掺气坎的53.13°阶梯坝面坡度是较合理的方案。