阶梯坝面消能

与消力池联合应用时，可使消力池长度缩短10%~30% 。

与宽尾墩联合应用时，既能利用阶梯坝面进一步增进宽尾墩的消能率、又能利用宽尾墩后的无水区对阶梯和水舍底部之间通气而减免空蚀。从而可扩大阶梯坝面消能的适用范围，向高水头、大单宽流发展 。

阶梯坝面消能是指利用水流流经阶梯坝面时形成的水平轴游滚、碰撞和掺气等而逐步消耗、分散能量的一种沿程消能方式。可以单独采用，也可以与消力池、宽尾墩等联合应用 。

多适用单宽流量q<300m³(s·m)的低坝 。

阶梯坝面消能最早应用在1906年建成的国新克罗顿（ New Croton）坝。1987年建成的美国上静水（ Upper Stillwater）坝，截流坝的溢流面做成了阶梯形，由于阶梯沿程消能消耗了大部分水流能量，进入消力池的流速大为降低，不仅消力池尺寸可减小，而且消力池底板允许用碾压混凝土建造，是首先用阶坝面消能的压混凝土坝。至20世纪末，世界上已建成的阶梯溢流坝有数十座，运用情况良好。中国20世纪90年代中期建成的水东水电站碾压混混凝土坝（坝高57m），采用了宽展尾墩一阶梯坝面一戽式消力池联合消能，最大单宽流量达120m³/（s・m） 。2100433B

溢流坝面阶梯式消能工式一种经济高效的消能方式，但在大单宽流量时通气难和易产生空蚀破坏，其应用受到限制。本项目将从水流内部结构出发，深入探讨其在大泄量条件下的消能机理和影响消能率的主要水力要素，以及阶梯坝面掺气条件、掺气浓度分布和空化特性；为其广泛应用提供科学依据。研究成果对该消能工的设计和运行有重要理论指导意义。 2100433B

阶梯消能工促进水流消能的机理主要是陡槽面的阶梯增加了溢流槽面的“表面糙率”。当泄流流过溢洪道陡槽段阶梯时，一方面由于阶梯产生落差跌流，在阶梯跌坎下游内部产生稳定的低压漩涡；另一方面阶梯跌坎顶不断产生小漩涡，并卷入大量空气，由此加剧了泄流的紊动，加速了坝面紊流边界层的发展，在一定的单宽流量条件下，沿程水气与水流充分掺混形成稳定的掺气水流，槽面水深增大，流速相应减小，故耗散了坝面泄流的大量能量，大大增加了泄流的消能率。