为了对阶梯溢流坝面流场特性进行全面的研究，同时探求在大单宽流量下提高阶梯溢流坝消能率的措施，本文采用紊流数值模拟与实验相结合，数值计算为主、实验为辅的研究方法对阶梯溢流坝面流场进行了较系统深入的研究。阶梯溢流坝面流场带有曲线自由水面和复杂边界条件，给数值模拟技术难度很高，本文首次采用三维k-ε双方程紊流模型，引入水气两相流的VOF模型，利用几何重建格式来迭代生成自由水面，对复杂的几何边界采用非结构网格进行处理，成功地对阶梯溢流坝面的紊动流场进行了数值模拟，得出了流场速度、压力、紊动能和紊动耗散率等的分布规律。采用多普勒激光测速仪和测压管分别对阶梯溢流坝面典型速度场和阶梯表面压力进行详细测量。数值模拟与实测结果的对比分析表明，两者吻合较好。 本文首次从紊动能和紊动耗散率在整个流场的变化规律出发，分析了阶梯的消能机理。研究表明，阶梯坝面水流能量耗散较大的重要原因之一是由于势能沿程不断转化为动能，而动能又部分转化为紊动能，进而由紊动耗散的方式而消耗。在每个阶梯上，紊动耗散率的最大值出现在阶梯的突角处，正是由于滑移主流与阶梯突角之间的相互作用使能量不断耗散，从而使阶梯具有良好的消能效果。 通过对工程实例的三维数值模拟，得到了缓坡阶梯坝面上的水压力、紊动能和紊动耗散率的分布规律。三维计算着重体现了流场沿溢洪道宽度方向的变化规律，进一步验证了VOF模型、非结构网格与卜。紊流模型相结合能够成功地模拟三维阶梯溢流坝面复杂流场。 本文首次应用数值模拟的方法对影响阶梯溢流坝面流场特性的一些重要因素，例如坝面坡度、阶梯尺寸、过渡阶梯等，进行了优化计算。通过对计算成果的分析和讨论，初步弄清了影响阶梯坝面消能率的机理，并提出了增大坝面消能率的工程措施，得到了一些具有实用价值的结论。 根据坝坡较缓时，阶梯的消能率较高的研究成果，提出把阶梯溢流应用于一定高度过水土石坝。并以万县鱼背山水库岸边溢洪道为例，计算了溢洪道上所受的水流荷载及其分布，为土石坝坡和护面的稳定分析提供了依据。通过计算证实了既使在较大的单宽流量下，缓坡上的阶梯仍有较高的消能率。