什么是台阶式溢洪道？

溢流式溢洪道经坝顶泄洪，水流作为明槽水流或自由溢流下泄，并需要将水流中的大部分动能释放掉；否则，溢流可能危及下游、周围甚至大坝本身。工程中一般采用以下三种方式进行消能：高速水流从挑流鼻坎挑入水垫塘中；在溢洪道下游建造标准消力池，以形成水跃并消掉大部分的能量；在溢洪道上设置台阶，水流流过粗糙的或有台阶的泄槽，就能消去大部分的能量。在台阶式陡槽上，水流沿着溢洪道表面的台阶流动，明显地提高消能率；于是，排除或极大降低了在溢洪道末端进行大量消能的必要性。

台阶式溢洪道的运用

在过去的几十年里，台阶式溢洪道已经成为一种很风行的安全泄洪方式。碾压混凝土的发展又增强了台阶式溢洪道的兴趣。上面已提到了的，在台阶式溢洪道中，水流沿着溢洪道表面的台阶流动，明显地提高消能率；因而，减少了下游消力池的规模和费用。
台阶也可用于暴雨渠道中的消能。在挪威，台阶也被用在明流的泄洪隧洞中，以提高消能。这种设计允许在竖井的上游卷出空气，以避免竖井中有空气。台阶布置也被用于水处理厂中。阶梯式布置和跌水还被沿河和溪流所引用，以便给低溶氧的水充氧。台阶式的溢洪道能建造在各种地形上。

台阶式泄槽由在底板上有多级跌水的开敞式渠道组成。台阶上的水流分成两种形态：舌形水流（插图1）

而在表层水流形态中，沿台阶表面向下的水流表现为粘滞流，表层水流流过台阶，并有台阶间的洄流作为水垫。台阶的外角连线形成了水流流过的虚拟底板。在这虚拟底板下面，产生了洄流旋涡，水流通过台阶外角剪切力的传递保持的这些旋涡。在溢洪道最初的台阶上，水流平滑并没有空气掺入；而在最初几个未掺气的台阶以后，水流表现为：当快速发展的边界层到达水流表面时，空气强烈地掺入了（插图3）。由于动能转化为旋涡的作用，加强了消能效果。大坝上，表层水流形态比舌形水流形态消能更充分。

对于泄量小且底坡比较平缓的情况，水流表现为连续跌落的舌形水流。泄量增加或底坡变陡则可能导致出现表层水流形态。当自由跌落水舌下的空腔消失时，表层水流形态就开始出现了。这种现象与掺气设施和通风孔的的空腔充填（或称淹没）类似。

插图2表层水流形态

台阶式溢洪道的消能率是台阶尺寸和泄槽纵坡的插图3

函数。坡度增大，消能率减小；而台阶尺寸越大，消能越多。

舌形水流的消能随台阶数的减少而增加，随纵坡坡度的增加而减小。

台阶式溢洪道中，坡度越陡则掺气相应增加fff。随着台阶尺寸的加大，相应也增大了掺气。但是，掺气多却使溢洪道的消能率降低，水体膨胀。为减小空蚀破坏的风险，掺气水流中至少需要大约4%~8%的含气浓度。

水中溶气对环境的影响也相当严重。在深池中，高掺气的水流在光照射下，造成静水压力迫使大气中的气体溶解；由于气泡损伤，导致幼鱼死亡。为避免上述情况发生，设计溢洪道时应限制水的饱和度到110%TDG左右。采用台阶式溢洪道，在消能上能有所帮助，可形成浅的消力池，降低掺气水流中静水压力的作用。

初始点是边界流与水流上游面的交点。在初始点之前，可能会有空穴发生，而在初始点之后，由于掺入了一定量的气体，空穴风险就降低了。如果泄量大些，则初始点下移，形成一大片未掺气水流区，该范围空穴风险实际上存在于较高的流速。