我国首创将宽尾墩+阶梯溢流坝+消力池相结合的联合消能方式因坝体具有较高消能效果与较好的经济收益被广泛应用于大、中型水工泄洪建筑物。随着我国对西部山区高水头、大单宽河道流域开发,这种新型联合消能工的消能方式在高坝泄水建筑工程中出现坝体破坏与坝基失稳等问题。尤其在实际工程中发现,阶梯溢流坝在宣泄高速水流时,阶梯溢流坝前几阶台阶面的溢流表孔出口处容易出现空化空蚀破坏,导致坝体表面的混凝土材料出现严重的剥落现象。为此,国内外水利工作者为了解决坝面在泄洪运行的过程中出现水舌不稳定及坝面空蚀、冲蚀现象,往往在WES曲线与阶梯溢流坝衔接处设置掺气坎。通过底部强迫掺气方式提高水体掺气量加强坝面掺气保护作用。前人对掺气坎的研究主要通过数学模型进行数值分析或底水头、小单宽流量下对其某种水力特性进行分析。本文基于阿海水电站,以溢流表孔物理模型实验为基础,设计3种不同角度与3种不同高度的掺气坎体型。首先,通过单一因素分别分析掺气坎角度或高度对宽尾墩+阶梯溢流坝+消力池联合消能方式的台阶面空腔、沿程掺气浓度、台阶水平面与立面负压分布、沿程时均压强、流速及消能率等水力特性的影响;再者,将3种掺气坎角度与3种掺气坎高度进行9组组合分析,探讨影响阶梯溢流坝减蚀消能等水力特性的主要因子。为完善掺气坎体型在高水头、大单宽流量下阶梯溢流坝联合消能工设计提供理论依据。主要研究成果如下:1、与未设置掺气坎相比,增设掺气坎可明显增大台阶面掺气空腔长度及面积,相应水流掺气浓度随之增加。保持掺气坎高度不变,台阶面空腔与掺气浓度随掺气坎角度的增大而增加、台阶立面与水平面负压随之减小。同样地,掺气坎角度不变,坎高度由0.7m增至1.3m时,有利于增大台阶面掺气空腔及面积,同时增大台阶面掺气浓度,可有效避免台阶面的空化空蚀破坏。2、有无增设掺气坎对阶梯溢流坝时均压强、消力池水深及沿程沿程流速的变化规律影响不大。掺气坎角度由7°增至11.3°时与坎高度由0.7m增至1.3m,均可加大上游水流对坝面的直接冲击作用,阶梯段模型中轴线与溢流表孔中心线上的时均压强随之增加。同样的,消力池水深亦明显增大、沿程流速对应减小,消能效果随掺气坎角度、高度的增大也越优。3、通过掺气坎角度与高度的共同作用对阶梯溢流坝掺气特性的敏感性分析可知,方差结果显示增加掺气坎角度对增大阶梯溢流坝掺气量及减少台阶面负压的显著性影响较大,和坎高度相比处于主要地位,与极差分析的结论相一致。4、通过极差与方差分析可知,与掺气坎角度相比坎高度对上游水流的挑射作用更大,因此掺气坎高度对反弧段时均压强的显著影响更大。消力池的时均压强值是上游水舌冲击与掺入水中气体共同作用的结果,掺气坎角度与高度对消力池最小时均压强的显著性影响相差不大。5、根据阶梯溢流坝消力池沿程流速及消能率的方差与极差分析可知,与坎角度相比掺气坎高度是影响阶梯溢流坝沿程流速及消能率的主要因素。说明掺气坎高度的增大,加大了水流对坝面直接冲击作用的同时,可明显削弱水体较大动能、利于减少消力池工程长度。综上所述,在高水头、大单宽流量下结合阶梯溢流坝联合消能工台阶立面与水平面减蚀效果、减缓上游水流对下游坝体的冲刷强度及消能率等综合考虑,推荐掺气坎角度为11.3°,高度为1.0m的体型为最优试验方案。