湯建青，楊具瑞

(昆明理工大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，昆明 650500)

0 引 言

隨著擋水建筑物不斷向百米級的迅速發(fā)展與進步，我國學(xué)者提出將Y型寬尾墩、階梯溢流壩與消力池相結(jié)合的聯(lián)合消能形式取得較好的效果[1-4]。雖然這種聯(lián)合消能工彌補了寬尾墩和階梯溢流壩獨立消能時的缺陷，但在大單寬流量、高水頭以及寬尾墩與階梯溢流壩連接設(shè)置不佳、水流難以較平穩(wěn)的銜接與過渡時，依舊會產(chǎn)生下泄水流在階梯面的覆蓋而導(dǎo)致壩面空化空蝕、階梯壩面通氣及下泄水舌不穩(wěn)定等問題[4-8]。彭勇等人[9]由實驗得知，當階梯溢流道上的下泄水流的單寬流量超過50 m2/s，下泄水流對階梯段的沖刷作用主要出現(xiàn)在前幾級臺階。田嘉寧[10]、Stephenson[11]等人通過試驗得出，階梯尺寸越大，階梯面水流摻混越劇烈，從而對階梯溢流壩的消能效果越明顯。胡耀華、張挺等人[12-14]對寬尾墩、階梯溢流壩和消力池的聯(lián)合消能進行數(shù)值模擬，證明在高水頭、大單寬流量情況下，階梯溢流壩面上水深將會增大，水舌底部摻氣量將會降低，且在第一級階梯垂直面與WES曲線段尾部的交接處將會存在一定大小的負壓。王強等人[15]對阿海水電站通過數(shù)值模擬與物理試驗等方法得知，首級階梯垂直面與WES曲線段尾部的交接處存在較大負壓，并且得到首級階梯尺寸對階梯溢流壩的消能效果影響最大的結(jié)論。例如，丹江口水庫的階梯式溢洪道在宣泄120 m2/s的單寬流量洪水后，階梯面上亦出現(xiàn)了大面積的空蝕坑；水東水電站采用階梯式溢洪道與寬尾墩聯(lián)合消能工，該電站泄水建筑物在宣泄單寬流量為90 m2/s時，溢洪道出現(xiàn)輕微的破壞；阿海水電站亦是采用寬尾墩、階梯溢流壩和消力池的聯(lián)合消能形式，但其泄水建筑物宣泄水流時間不到半年，階梯面就出現(xiàn)部分空蝕空化破壞。因此，人為減小階梯壩面的負壓，并且為水舌底部創(chuàng)造摻氣條件，以此來削弱溢流壩面的空蝕破壞，這對聯(lián)合消能形式往高水頭、大單寬流量的發(fā)展具有一定意義。近年來，對過渡階梯的個數(shù)、體型及其組合等方面研究頗多，但過渡階梯改變的實質(zhì)為階梯的摻氣面積大小，而過渡階梯的摻氣面積大小對聯(lián)合消能形式的水力特性影響，缺乏相應(yīng)的試驗研究與結(jié)果分析[16-17]；此外，在不同摻氣坎體型作用下的不同過渡階梯組合試驗卻研究甚少。本文以阿海水電站為原型，將階梯溢流壩的前六級階梯設(shè)置為過渡階梯，設(shè)計成四種不同摻氣面積的過渡階梯體型，并且在寬尾墩墩尾與過渡階梯銜接處亦設(shè)置四種不同體型的摻氣坎體型，對過渡階梯與摻氣坎的不同體型進行組合，共采取十二組試驗方案進行分析對比，研究不同體型摻氣坎與過渡階梯的聯(lián)合作用，在高水頭、大單寬流量下的階梯面摻氣特性，為寬尾墩與階梯溢流壩聯(lián)合消能工的發(fā)展提供依據(jù)。

1 試驗?zāi)Ｐ图胺桨冈O(shè)計

1.1 模型設(shè)計

本試驗以阿海水電站作為試驗原型，選取該電站泄水建筑物左岸五個溢流表孔中的兩個溢流表孔為試驗對象。模型的整體結(jié)構(gòu)采用透明有機玻璃進行制作，按1∶60的重力相似準則進行試驗設(shè)計，且各泄水建筑物與模型地形等方面的空間尺寸、加工工藝的精度以及高程的安裝精度等方面皆滿足《水工(常規(guī))模型試驗規(guī)程(SL155-2012)》中的標準。壩體由兩孔溢流表孔組成，單孔寬度為216.67 mm，溢流堰模型為WES堰型，曲線段上部為Y型寬尾墩，其收縮比為0.445，側(cè)收縮角為18.52°；后接坡度1:0.75的29個12.5 mm×16.67 mm(寬×高)的階梯溢流壩段以及半徑833.3 mm、角度53°的反弧段，下接消力池底板，采用寬尾墩+階梯溢流壩+消力池聯(lián)合消能方式。且模型與原型之間根據(jù)水流連續(xù)相似條件和重力相似準則得出以下各比尺的相似條件。詳見表1。

表1 模型比尺關(guān)系Tab.1 The model of scale relation

1.2 方案設(shè)計

為研究不同體型摻氣坎與過渡階梯對階梯溢流壩面摻氣特性的影響，本文的摻氣坎體型采取兩種不同高度(H)：16.67 mm和11.67 mm,以及兩種不同角度(β)：8°和10°，分別為H=11.67 mm、β=8°(體型A)，H=11.67 mm、β=10°(體型B)，H=16.67 mm、β=8°(體型C)和H=16.67 mm、β=10°(體型D)共四種；以原阿海水電站寬尾墩墩尾所接的29級均勻階梯溢流壩中的前6級12.5 mm×16.67 mm(寬×高)的均勻階梯作為過渡階梯；體型a將前6級12.5 mm×16.67 mm(寬×高)的均勻階梯修改為3級25 mm×33.33 mm(寬×高)的大階梯；體型b則在體型a的基礎(chǔ)上，加上3個18.75 mm×16.67 mm(寬×高)的階梯形成過渡階梯；體型c則在體型a的基礎(chǔ)上，加上3個12.5 mm×25 mm(寬×高)的階梯形成過渡階梯；體型d則在體型a的基礎(chǔ)上，加上3個18.75 mm×25 mm(寬×高)的階梯形成過渡階梯；4種不同體型的過渡階梯均接23級均勻階梯溢流壩段。本文的水工模型試驗使用的試驗場地為昆明勘察設(shè)計研究院水工所實驗室，水工試驗的整體模型結(jié)構(gòu)均由水科所專業(yè)的模型制作者按照設(shè)計圖紙進行準確無誤的制作，且對模型各個方面的尺寸精度皆進行了嚴格控制，其整體尺寸的誤差皆控制在±1 mm以內(nèi)，在對水工模型進行整體試驗之前，已根據(jù)有關(guān)規(guī)程、設(shè)計圖紙等具體材料對昆明勘察設(shè)計研究院水工所提供的實驗室供水系統(tǒng)以及堰板等模型進行了反復(fù)檢測和復(fù)檢，確保水工試驗?zāi)Ｐ偷闹谱髋c安裝完全符合有關(guān)規(guī)程的要求。試驗方案則將四種不同摻氣坎與過渡階梯進行組合，一共16組方案，分析摻氣坎與過渡階梯對階梯溢流壩面摻氣特性的影響，各不同摻氣坎與過渡階梯的試驗方案見圖1和圖2。

1.3 試驗方法

本試驗主要對階梯面摻氣空腔長度、摻氣面積以及摻氣濃度等摻氣特性進行測量。階梯面摻氣空腔長度采用鋼尺測量，精度為1 mm，量測1號表孔的下泄水股在階梯面上的摻氣空腔長度值；摻氣空腔面積實測挑射空腔水舌下緣與階梯面形成的包絡(luò)面面積，誤差范圍1%；摻氣濃度采用環(huán)形桿式CQ6-2005型摻氣濃度傳感器進行測量。采取5 000 年一遇(P=0.02%)的校核洪水位進行試驗，相應(yīng)模型的洪峰流量為0.628 m3/s。摻氣濃度測點布置主要分布在階梯溢流壩段，分別為：樁號0+046.783 m、0+049.033 m、0+051.283 m、0+053.533 m、0+055.783 m、0+058.033 m、0+060.283 m，記作樁號Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ共7個測點。各測點布置見圖3，而試驗?zāi)Ｐ偷木唧w結(jié)構(gòu)見圖4。

圖1 摻氣坎體型(單位：mm)Fig.1 The type of aerator

圖2 過渡階梯體型Fig.2 The type of transition steps

圖3 樁號圖Fig.3 The figure of station

圖4 試驗?zāi)Ｐ偷木唧w結(jié)構(gòu)圖Fig.4 The concrete structure of the test model

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 摻氣坎高度與過渡階梯體型聯(lián)合作用對階梯溢流壩面摻氣特性的影響

針對摻氣坎體型中的高度與過渡階梯體型的聯(lián)合作用對階梯溢流壩面摻氣特性的影響進行試驗。由前人研究可知，摻氣坎角度一般的選取范圍在8°～11.3°，試驗選取一個保守的摻氣坎角度為8°，摻氣坎高度分別為11.67 mm和16.67 mm，即摻氣坎體型選取A和C；而過渡階梯體型則選取a、b、c和d進行組合，得到Aa、Ab、Ac、Ad、Ca、Cb、Cc、Cd共8組試驗?zāi)Ｐ瓦M行對比分析，具體模型見圖5和圖6。

圖5 8°/11.67 mm的摻氣坎與過渡階梯組合模型(單位：mm)Fig.5 The 8 angle/11.67 millimeter aerator and transition steps of combination model

圖6 8°/16.67 mm的摻氣坎與過渡階梯組合模型(單位：mm)Fig.6 The 8 angle/16.67 millimeter aerator and transition steps of combination model

2.1.1 階梯溢流壩面的空腔長度

Y型寬尾墩墩尾對下泄水流存在約束力，水體受寬尾墩的擠壓，致使在下泄的過程中形成縱向水股，因此階梯溢流壩面上僅在寬尾墩墩尾處存在下泄水流，而階梯面上的其他位置皆為無水區(qū)。下泄水流在前幾級階梯與階梯溢流壩面產(chǎn)生分離，水舌底部和階梯面之間形成摻氣空腔[18]。摻氣空腔的長度量測即可通過無水階梯的個數(shù)來進行確定，表2為不同方案下的摻氣空腔長度。

表2 摻氣空腔長度值Tab 2 The length of aerated cavity

由表2可知，摻氣空腔長度最大值出現(xiàn)在過渡階梯體型a與摻氣坎體型C這一組合，為229.21 mm；一方面，在摻氣坎角度為8°時，通過對體型Aa和Ca兩組試驗方案進行對比發(fā)現(xiàn)，摻氣坎高度為16.67 mm時的空腔長度較11.67 mm提升約22.2%；通過對體型Ab和Cb、Ac和Cc四組試驗方案進行對比發(fā)現(xiàn)，摻氣坎高度為16.67 mm時的空腔長度較11.67 mm提升約12.5%；通過對體型Ad和Cd兩組試驗方案進行對比發(fā)現(xiàn)，摻氣坎高度為16.67 mm時的空腔長度較11.67 mm提升約16.7%；由此可知，在摻氣坎角度為8°、過渡階梯體型為四種體型中任意一種時，摻氣坎高度越大，摻氣空腔長度提升越明顯；分析得出，下泄水流在通過寬尾墩進入到階梯溢流壩時，被摻氣坎微微挑起以致其下緣與階梯距離增大，在慣性力的作用下，水流射擊的距離變長，最終表現(xiàn)為摻氣空腔長度值升高。另一方面，通過對體型Aa、Ab、Ac、Ad以及Ca、Cb、Cc、Cd八組試驗結(jié)果進行對比可知，摻氣高度一定時，過渡階梯體型a較b的摻氣空腔長度提升約22.2%，過渡階梯體型b、c較d的摻氣空腔長度提升約33.3%，而過渡階梯體型b與c的摻氣空腔長度幾乎相同；由此可知，在摻氣坎體型為8°和16.67 mm(或11.67 mm)、過渡階梯體型越大，摻氣空腔長度提升越顯著；分析得出，下泄水流到達階梯溢流壩時，過渡階梯體型越大，越有利于階梯面與水舌下緣形成的包絡(luò)面從階梯溢流壩的無水區(qū)進行強迫摻氣，以致過渡階梯面摻氣量的增加而利于摻氣空腔長度的發(fā)展，最終表現(xiàn)為摻氣空腔長度值的提升。

2.1.2 階梯溢流壩面的摻氣面積

過渡階梯體型的改變以及摻氣坎高度的變化，兩者組合方案下的摻氣面積見表3。由表3可知，Ca的摻氣面積值最大，為2 917.25 mm2；在摻氣坎角度為8°、摻氣坎高度為11.67 mm時，通過對體型Aa、Ab、Ac、Ad四組試驗方案進行對比發(fā)現(xiàn)，四組方案的摻氣面積大小呈現(xiàn)的關(guān)系為Aa>Ac>Ab>Ad，Aa較Ab和Ac提升100.9%，較Ad則更是提升123.1%，而Ac的摻氣面積略大于Ab為0.19 mm2，兩者相差甚小，可忽略不計；由此可知，Aa的摻氣面積遠大于Ab、Ac和Ad，說明過渡階梯體型的改變對摻氣面積的作用非常明顯，而過渡階梯的不同主要表現(xiàn)為添加階梯的尺寸不同，即過渡階梯內(nèi)添加階梯的尺寸越小，所占摻氣空間越小，過渡階梯與水舌下緣面之間形成的包絡(luò)面越大，即摻氣面積則越大；Ac與Ab過渡階梯內(nèi)添加階梯的尺寸相近，而Ac與Ab兩者間的摻氣面積又相差甚小，亦表明過渡階梯與水舌下緣面之間形成的包絡(luò)面與摻氣面積的聯(lián)系。

表3 摻氣面積值Tab 3 The value of aeration area

在摻氣坎角度為8°、摻氣坎高度為16.67 mm時，通過對體型Ca、Cb、Cc、Cd四組試驗方案進行對比發(fā)現(xiàn)，四組方案的摻氣面積大小呈現(xiàn)的關(guān)系亦為Ca>Cc>Cb>Cd，Ca較Cb和Cc提升86.65%，較Cd則更是提升165.46%，而Cc的摻氣面積略大于Cb為0.18 mm2，兩者相差甚小，幾乎可以忽略不計；由此可知，摻氣坎高度為16.67 mm時，摻氣面積的改變亦符合摻氣坎高度為11.67 mm的趨勢；摻氣坎高度為11.67 mm時，方案Aa較Ad的摻氣面積增大1 224.50 mm2，而摻氣坎高度為16.67 mm時，方案Ca較Cd的摻氣面積增大1 818.32 mm2，表明摻氣坎高度的增加，過渡階梯體型的改變對摻氣面積的提升更為有利；此外，在摻氣坎角度為8°、過渡階梯體型為四組體型中任意一種時，通過對Aa和Ca、Ab和Cb、Ac和Cc、Ad和Cd等體型之間進行對比發(fā)現(xiàn)，這八組方案的摻氣面積表現(xiàn)為Aa

2.1.3 階梯溢流壩面的摻氣濃度

階梯溢流壩上的水流摻氣量須達到一定程度才可有效避免空蝕破壞，這要求水流通過寬尾墩后形成良好的挑射形態(tài)，保證水流在下泄的過程中不斷地進行摻氣[5]；從階梯溢流壩面第11級階梯開始設(shè)置摻氣濃度測點，其對應(yīng)的樁號為Ⅰ，測點間距為3個均勻階梯，布置到29級階梯處時，共7個測點，對應(yīng)的樁號為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ；通過環(huán)形桿式CQ6-2005型摻氣濃度傳感器進行測量，其試驗結(jié)果見圖7。

由圖7可知，每組方案中的摻氣濃度最大值出現(xiàn)在樁號Ⅶ，而8組試驗方案中的摻氣濃度最大值為方案Ca的樁號Ⅶ，為87%；在摻氣坎角度為8°、摻氣坎高度為11.67 mm時，一方面，通過對體型Aa、Ab、Ac、Ad四組試驗方案進行對比發(fā)現(xiàn)，在樁號I處的摻氣濃度值的大小關(guān)系為Aa最大(72.3%)，Ac(64.4%)與Ab(64.3%)次之，Ad最小(61.7%)，Aa相對于Ad的摻氣濃度值提升10.6%，而Ab與Ac兩者的摻氣濃度值近乎相等，且兩者也比Ad高2.6%，說明摻氣坎體型一定時，過渡階梯體型的變化引起摻氣空腔長度和摻氣面積的改變，對摻氣濃度的提升較為顯著；另一方面，通過對比樁號Ⅰ與Ⅶ處的摻氣濃度值得知，Aa在階梯溢流壩面上的摻氣濃度值提升為11.4%，Ab、Ac、Ad分別為10%、9.1%和9.2%，四種不同體型過渡階梯的摻氣濃度值的提升幅度相差不大，主要區(qū)別在樁號I處的摻氣濃度值的起始值不同，說明摻氣濃度的提升主要取決于和摻氣坎相接的首級過渡階梯體型。

圖7 摻氣濃度Fig.7 The value of aeration concentration

此外，在摻氣坎角度為8°、過渡階梯體型為四組體型中任意一種時，通過對Aa和Ca、Ab和Cb、Ac和Cc、Ad和Cd等體型進行分析可知，從樁號I到VII的摻氣濃度，每一個樁號處皆為Aa

圖8 試驗現(xiàn)場的摻氣水流Fig.8 The aerated water flow at the test site

2.2 摻氣坎角度與過渡階梯體型聯(lián)合作用對階梯溢流壩面摻氣特性的影響

針對摻氣坎體型中的角度與過渡階梯的聯(lián)合作用對階梯溢流壩面摻氣特性的影響進行試驗。由上述研究結(jié)論可知，摻氣坎高度選取為16.67 mm為宜，固定摻氣坎高度為16.67 mm，摻氣坎角度為8°和10°，即摻氣坎體型選取C和D；過渡階梯體型仍選取a、b、c和d，組合成Ca、Cb、Cc、Cd、Da、Db、Dc、Dd共8組試驗?zāi)Ｐ瓦M行對比分析，具體模型見圖6和圖9。

圖9 10°/16.67 mm的摻氣坎與過渡階梯組合模型(單位：mm)Fig.9 The 10 angle/16.67 millimeter aerator and transition steps of combination model

2.2.1 階梯溢流壩面的空腔長度

為驗證不同摻氣坎角度與過渡階梯體型的聯(lián)合作用對階梯溢流壩面摻氣空腔長度的影響，通過摻氣坎角度8°、10°和四組不同過渡階梯體型進行試驗，測得摻氣空腔長度如表4所示。

表4 摻氣空腔長度值Tab 4 The length of aerated cavity

由表4可知，試驗方案Da的摻氣空腔長度值最大，為270.89 mm；在摻氣坎高度為16.67 mm時，通過對方案Da和Ca兩組試驗進行對比得出，摻氣坎角度為10°時的空腔長度較8°提升約18.18%，而方案Db和Cb、Dc和Cc、Dd和Cd六組試驗，則分別提升約11.11%、11.11%和14.28%，由此可知，在摻氣坎高度為16.67 mm、過渡階梯體型為四種體型中任意一種時，摻氣坎角度增大，摻氣空腔長度值也隨之增大，且過渡階梯體型越大，其增大成度越明顯；分析可得，下泄水流在通過摻氣坎射入階梯面時，因摻氣坎角度的增加以致水流下緣與階梯面的距離變大，在慣性力的作用下以致水流下緣射擊接觸到階梯面的位置后移，而體現(xiàn)出摻氣空腔長度變大。通過對方案Da、Db以及Ca、Cb四組試驗結(jié)果進行分析得知，當摻氣坎角度為8°時，過渡階梯體型a較b的摻氣空腔長度提升約22.22%，而摻氣坎角度為10°時，過渡階梯體型a較b的摻氣空腔長度提升約30%，由此可知，在摻氣坎角度越大的基礎(chǔ)上，過渡階梯體型的增大更適合階梯面進行摻氣，以致水流下緣受階梯面因負壓而產(chǎn)生的脅迫力較小，故水流下緣與階梯面接觸的時間相對延長，即摻氣空腔長度值增大。

2.2.2 階梯溢流壩面的摻氣面積

不同試驗方案下的摻氣面積值見表5。由表5可知，摻氣面積最大值出現(xiàn)在過渡階梯體型a與摻氣坎體型D這組試驗方案，為3 335.32 mm2；摻氣坎角度不論為8°亦或是10°時，多組試驗方案表現(xiàn)的關(guān)系皆為Ca>Cc>Cb>Cd和Da>Dc>Db>Dd，對比各組方案中摻氣面積相差最大的兩組試驗可得，Ca較Cd提升165.46%，而Da較Dd則更提升177.22%，說明同一角度下，過渡階梯體型的改變，影響到階梯面與水流下緣之間形成的包絡(luò)面大小，進而階梯面的摻氣面積也因此而變化；摻氣坎角度越大，過渡階梯體型的改變對階梯面摻氣能力的影響就越加明顯，同時對摻氣空腔長度的增加也越有利，故摻氣面積的提升就越顯著；Cc和Cb的摻氣面積相差0.18 mm2，Dc和Db的摻氣面積相差0.19 mm2，說明過渡階梯體型即便不一致，而階梯面與水流下緣形成的包絡(luò)面相差不大時，摻氣坎角度對摻氣面積的作用效果幾乎相同，這也反映出階梯面的摻氣面積的提升，主要取決于摻氣坎角度越大時，階梯面與水舌下緣形成的包絡(luò)面的大小。此外，在摻氣坎高度為16.67 mm、過渡階梯體型為四組體型中任意一種時，通過對Da和Ca、Db和Cb、Dc和Cc、Dd和Cd等體型之間進行對比發(fā)現(xiàn)，這八組方案的摻氣面積表現(xiàn)為Da>Ca、Db>Cb、Dc>Cc、Dd>Cd，Da較Ca增加14.33%、Db較Cb增加13.33%、Dc較Cc增加13.33%、Dd較Cd增加9.48%，由此可知，當過渡階梯體型一致時，摻氣坎角度10°對摻氣面積的提升優(yōu)于摻氣坎角度8°，且過渡階梯體型越大，摻氣面積提升越高，說明摻氣坎角度增加的基礎(chǔ)上，過渡階梯體型的增大更有利于摻氣面積的增加。

表5 摻氣面積值Tab.5 The value of aeration area

2.2.3 階梯溢流壩面的摻氣濃度

對8組不同方案進行試驗，在7個測點的摻氣濃度值見圖10。由圖10可知，每組試驗中的摻氣濃度最大值出現(xiàn)在樁號Ⅶ，而8組試驗方案中的摻氣濃度最大值為方案Da的樁號Ⅶ，其值為90.8%；在摻氣坎角度為10°、摻氣坎高度為16.67 mm時，通過對體型Da、Db、Dc和Dd四組試驗進行對比得出，在樁號I處的摻氣濃度值的大小關(guān)系為Da最大(77.3%)，Dc與Db次之(69.2%、69.1%)，Dd最小(66.5%)，Da相對于Dd的摻氣濃度值提升10.8%，而Db與Dc兩者的摻氣濃度值近乎相等，但兩者也比Dd高約2.7%，說明過渡階梯體型的改變以致過渡階梯與水流下緣形成的包絡(luò)面的增大，提升了摻氣面積的大小，從而使得過渡階梯處的摻氣濃度值增大，即階梯溢流壩面的摻氣濃度起始值變大；在摻氣坎高度為16.67 mm、過渡階梯體型為四組體型中任意一種時，通過對不同角度的摻氣坎體型進行分析可知，從樁號I到Ⅶ的摻氣濃度，每一個樁號處皆為Ca

圖10 摻氣濃度Fig.10 The value of aeration concentration

3 結(jié) 論

本文通過對前置摻氣坎高度11.67、16.67 mm，角度8°、10°以及4組不同體型的過渡階梯進行組合試驗，研究不同摻氣坎與過渡階梯體型聯(lián)合作用下對階梯溢流壩面的摻氣特性的影響，為進一步完善寬尾墩與階梯溢流壩聯(lián)合消能工提供依據(jù)，現(xiàn)得出如下結(jié)論：摻氣坎角度與過渡階梯體型一定時，摻氣坎高度從11.67 mm增至16.67 mm，摻氣空腔長度最大可提高22.2%，摻氣面積最大可提升41.50%，摻氣濃度最大可增加2.7%；摻氣坎高度與過渡階梯體型一致時，摻氣坎角度從8°提高為10°，摻氣空腔長度最大可提高18.18%，摻氣面積最大可提升14.33%，摻氣濃度最大可增加3%；摻氣坎高度為16.67 mm、角度為10°時，過渡階梯體型的變化對摻氣特性的影響非常顯著，過渡階梯體型由大階梯上添加18.75 mm×25 mm(寬×高)的過渡階梯改成25 mm×33.33 mm(寬×高)的大階梯，摻氣空腔長度提高30%，摻氣面積提升177.22%，摻氣濃度提升10.8%；綜上所述，摻氣坎角度與高度適當增加，可使水流下緣接觸階梯面的位置后移，摻氣空腔長度相應(yīng)增加，摻氣面積以及摻氣濃度也隨之提高；且在此基礎(chǔ)上，過渡階梯體型適度增加，過渡階梯與下泄水流下緣形成的包絡(luò)面也隨之增大，即摻氣面積增大；且下泄水流所受脅迫力減小，可增加摻氣空腔長度；此外，有利于階梯面從無水區(qū)進行脅迫摻氣，增加階梯面的摻氣濃度。故前置摻氣坎角度為10°、高度為16.67 mm時，過渡階梯設(shè)置為25 mm×33.33 mm(寬×高)的大階梯，階梯溢流壩面的摻氣特性為所有方案最優(yōu)。

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