近年来,随着水电建设的发展,高水头泄水建筑物越来越多,对掺气保护提出了更高的要求。由于,掺气设施直接决定掺气效果,因此,对掺气设施进行优化研究具有重要的意义。本文在总结前人研究成果的基础上,针对某高水头泄洪洞掺气设施优化问题,通过模型试验与数值模拟相结合的方法,对泄洪洞突扩突跌段复杂的水力特性进行研究,主要研究的内容及成果如下:(1)泄洪洞原设计方案试验结果表明:泄洪洞突扩突跌掺气设施在低水位时不能形成稳定的空腔,高水位时水翅高、流态差,必须对突扩突跌掺气设施进行优化;泄槽各断面流速均大于35m/s,最大流速49.88m/s,水流空化数均比较小,最小值为0.07,结合掺气有效保护范围,应该在泄槽下游增设两道掺气设施;(2)突扩突跌掺气设施体型要素对底空腔、侧空腔、水翅、下游流态有着显著的影响。试验与计算结果表明:增设挑坎,使底空腔长度、高度增大,水翅长度、高度增大,下游流态变差;增大下游底坡,使底空腔长度、高度增大,水翅长度、高度增大,下游流态变差;增设侧壁折流贴角,使侧空腔变长,底空腔回水减少,水翅现象加剧,流态变差;(3)保持水流入射角较小,可以同时改善下游流态和底空腔回水。对比分析突扩突跌之后不同底板的试验结果可知,水流入射角较小时,可以使水舌与底板之间衔接平顺,易于流态稳定,可以使回溯水流较少,易于空腔形成。工程实际中可以在增大底坡的同时抬高底板,确保水流入射角较小;(4)水流流经突扩突跌掺气设施之后压力变化较大,在侧墙上形成空腔区、冲击区、压力较小区及稳定区,在底板上形成空腔区、冲击区及稳定区。底板冲击点对应的左右两侧边墙的底部为侧墙压力最大区域,计算数据表明此处最大压强接近冲击区最大压强的两倍。水流在冲击区很小的范围内压力发生骤变,压力测点位置的微小偏差会导致压力值出现较大的差距,因此实验未必可以捕捉到最大冲击压力,设计时应注意。