在水利工程中,台阶式溢洪道已经得到较为广泛地应用。结合前人分析,继续分析其水力特性对于理论发展和工程实际应用而言有着重要的意义,可进一步促进台阶式溢洪道的发展。本文基于岗曲河一级水电站台阶式溢洪道模型试验各水力特性的实测数据,结合数值模拟方法,采用VOF法、标准k-ε两方程湍流模型及Open channel flow方法对岗曲河一级水电站台阶式溢洪道单独泄流的情况进行数值模拟,将模拟值与试验的测量值相比,发现两者吻合较好。然后在此基础上,研究了岗曲河一级水电站台阶式溢洪道的摩阻流速等水力特性。主要结论有:(1)台阶式溢洪道台阶进口段水深逐渐收缩,越往下游水深逐渐保持稳定,水面线与台阶凸角连线接近平行。水流流速从台阶内部到水流表面逐渐增加,在接近水流表面的位置流速最大,且最大流速值随着流量的增加而增加,台阶凸角连线以上的主流区,流速方向与台阶凸角连线接近平行。在台阶内部,水流具有顺时针涡流。(2)在台阶式溢洪道台阶段下游水深稳定区域,各个台阶内部压强等值线基本相同,就台阶压强大小而言,竖直面和水平面相比,后者更大。最大位置位于台阶水平面中部靠凸角位置处。(3)溢洪道台阶结构内部竖直面壁面切应力从底部到顶部先逐渐增加然后逐渐减小,水平面壁面切应力从凹角到凸角则是先增大后减小,最后再增大,两者都随着流程长度的增加而增加,并在溢洪道台阶段下游逐渐保持稳定。台阶凸角处壁面切应力的方向与阶角连线平行,其大小与流程长度和下泄流量的关系,与竖直面壁面切应力和水平面壁面切应力类似。(4)台阶式溢洪道摩阻流速的大小随着流程长度和下泄流量的增加而增加。相对于流速来说摩阻流速值较小。在台阶式溢洪道中,台阶凸角位置处的摩阻流速与相应位置平均流速之间同样存在良好的线性关系,便于分析运用。(5)本文采用的两种方法拟合得到的摩阻流速与由壁面切应力计算得到的摩阻流速基本接近,由此表明:使用数值模拟得到的流速反推摩阻流速和直接采用数值模拟得到的壁面切应力计算摩阻流速是可行的;常规明渠流壁面切应力与摩阻流速之间的关系公式对于台阶式溢洪道台阶凸角处的摩阻流速推求同样适用,这为台阶结构内部的研究提供了一种思路。(6)台阶式溢洪道相对摩阻流速与流程长度之间呈较好的线性关系,此线性关系便于分析运用。相对摩阻流速随着流量的增加而减小,表明在同等条件下,随着下泄流量的增大,台阶式溢洪道摩阻流速虽然呈逐渐增大的趋势,但相对摩阻流速并没有逐渐增大,相反则是逐渐减小,这意味着增大水流下泄流量对台阶消能较为不利。