X型宽尾墩-台阶联合消能工是在索风营电站特殊的泄洪消能条件下被发明的,其消能机理已经通过大量的模型试验被研究。然而,在其在阿海电站、鲁地拉电站等电站的普及和应用过程中,溢流台阶表面均发生了不同程度的侵蚀破坏。近几年来,国内外众多学者对X型宽尾墩-台阶联合消能工的消能特性进行了研究,得到了大量的研究成果。但针对台阶破坏问题尤其是可能引起台阶破坏的空蚀空化问题一直未取得较好的研究成果。本文以金沙江某电站为例,通过数值模拟的方法对与X型宽尾墩联合应用的台阶侵蚀破坏机理进行了探究。数值模拟采用Flow 3D商用软件,利用其中的掺气模型、空化模型等得到了台阶附近的掺气浓度、空化潜力、空化体积分数等重要数据。同时,也对流速、压强等常规水力学参数进行了分析。数值模拟计算结果与原型观测和以往试验研究成果相符较好。本文主要取得以下成果:(1)对6种典型工况下的流量和台阶面附近的压强、流速进行了计算,得到的流量结果与设计值差别不大,且台阶立面和水平面上的压强分布规律与前人的研究成果吻合较好,水流流态和台阶面附近流速分布规律也与普遍规律一致,说明计算所选取的软件、网格和模型参数准确,计算成果有效。(2)重点针对6种典型工况下台阶阳角和阴角附近的掺气浓度进行了分析。结果显示掺气坎可以保证前30级台阶掺气充分,但第30～40级台阶在绝大多数工况下均有掺气不足(小于8%)的现象发生。(3)文章以正常蓄水位(1223m)闸门全开的工况为例,利用Flow 3D中的probe和baffle功能对台阶面附近的冲击压强和脉动压强进行了计算分析,并采用Ansys有限元的方法对台阶的应力进行了简单计算,结果显示冲击压强和脉动压强不足以造成台阶破坏。但台阶立面阳角的负压和主破坏区(30～40级台阶)的低掺气量很可能导致台阶发生空蚀破坏。(4)本文还利用Flow 3D中的主动空化模型对正常蓄水位(1223m)闸门全开的工况下的台阶进行了空化的模拟,得到了空化体积分数、空化潜力等成果,成果显示台阶附近水流很有可能在阳角立面附近使空化初生。同时,本文还对同一工况和同一计算条件下的模型尺度(1:50比尺)的数学模型进行了计算分析,发现了掺气和空化现象的不相似特点。