随着高坝建设的快速发展,为了减小高速下泄水流对坝下游造成的冲刷毁坏,阶梯溢洪道凭借其高消能率优势广泛应用到高坝泄流中。在高水头、大单宽流量的条件下溢洪道阶梯面、边壁极易遭受空化、空蚀破坏,部分学者提出在阶梯前部加设挑坎掺气以减小水流对前部阶梯带来的破坏。因此研究前置挑坎对阶梯溢洪道水力特性影响对于此种新型掺气设施广泛应用到工程实际中具有重要参考价值。本文借助物理模型试验、数值模拟方法、原型观测等方式研究前置挑坎对阶梯溢洪道的水力特性影响。以某高坝阶梯溢洪道为原型,通过ICEM软件对设前置挑坎与不设挑坎的传统型阶梯溢洪道进行结构化网格划分,采用FLUENT软件中的RNG k-ε紊流模型、引入可追踪自由水面的VOF方法进行不同单宽流量下阶梯溢洪道的三维数值模拟计算,将计算结果与试验数据对比,发现两者吻合较好。因此通过分析计算结果详细研究其水流流态、水面线、速度场、压强场、消能等水力特性规律,此外还结合原型观测结果分析其空化空蚀特性。本文研究结论如下:(1)前置挑坎对挑后水流水面线有一定影响,挑后水流水面线先减小后增大,但对阶梯段、下游出口段水面线影响不大。水面线随单宽流量增加,阶梯溢洪道沿程水面逐渐抬高。(2)前置挑坎阶梯溢洪道沿程主流流速大于传统型阶梯溢洪道,随着流量增大,主流流速增大。前置挑坎型首级阶梯内水流漩涡较传统型分布规律有所差异,但对掺气稳定的后半段阶梯内部漩涡分布基本没有影响,旋涡形态与掺气有关,掺气打乱阶内旋涡形态。边墙对近壁水流流速有一定作用,自水流远离边壁,主流流速逐渐增大,阶内顺时针水流漩涡分布逐渐清晰。(3)阶梯溢洪道沿程负压区主要集中在前几级阶梯与阶梯中下游区域。前置挑坎型沿程水平面压强分布与传统型趋势类似,阶梯水平面近壁最小压强在0.3倍水平阶梯长度处,压强最高点在0.7~0.8倍水平阶梯长度处;竖直面近壁最小压强在0.9倍阶梯高处,下游段前置挑坎型压强低于传统型,竖直阶面遭受空蚀破坏风险增加。边墙对阶内压强分布有所影响,自水流远离边壁,阶面负压范围自阶梯凹角向阶梯中部转移。作用在阶梯面压强越大,负压区越大,作用位置越靠近阶梯凹侧,负压区靠近阶梯凹侧。(4)随着流量逐渐增大,阶梯溢洪道消能率逐渐减小。前置挑坎型较传统型消能率稍有减小,但是差别不大,仍保持高消能率,前置挑坎对阶梯溢洪道消能率影响较小。(5)前置挑坎阶梯溢洪道在阶梯段前部阶梯掺气明显大于传统型,而中下部阶梯掺气极少,其挑坎掺气作用范围较为局限,仅对前段阶梯有作用。随着流量增加,掺气减小,掺气作用距离增加。掺气虽然减小阶梯压强值,但是近壁一定浓度掺气率可有效减少壁面发生空蚀破坏。(6)阶梯空化位置在水面同阶梯内部三角区域的上部范围,即负压区同速度较大的主流区的公共区域;结合对某阶梯溢洪道的原型观测结果,空蚀破坏位置主要存在于中下游区域。阶面空蚀位置处于空化区下部。