在已建的大型水电站中,作为消能防护结构的底流消力池和拱坝水垫塘,由于对其稳定机理复杂性认识不深,以致设计或运行不当,造成破坏的事件屡见不鲜。本文针对高坝泄洪消能防护结构的安全问题,通过模型试验、理论分析、原型观测及有限元分析相结合对其进行了研究,得出一些有意义的结论。本文从底流消能和挑(跌)流消能防护结构工程问题出发,从水力特性和结构特性两方面综合研究了水平底板、反拱形底板及护坡的受力特性、稳定机理,对影响泄洪消能防护结构稳定的主要因素进行了分析,论述了泄洪消能防护结构的试验研究方法,提出了模型试验的主要控制措施,介绍了物理模型及数值计算两种研究泄洪消能防护结构动力响应的方法。从底板抗浮升稳定准则出发,分析了水垫塘平底板各种工况下稳定模型及影响荷载,并对平底板的荷载特性进行了研究。以鱼塘水电站消力塘底板为研究背景,通过有限元分析方法研究了底板块断裂破坏这一新的破坏模式,着重探讨了底板厚度、锚固钢筋水平对底板断裂或倾覆失稳形式的影响。对五强溪消力池底板的破坏原因进行了试验反馈分析。对反拱底板的整体稳定和局部稳定机理进行了深入分析,通过物理模型和理论分析,得出反拱底板局部稳定条件大大优于平底板的结论。对反拱底板曲率、板块尺寸等体型参数进行了试验研究,得出了底板曲率和板块尺寸对底板极限抗力影响规律。以长潭岗水电站为工程背景,通过设计研究,原型观测及非线性有限元分析,研究证明了反拱型水垫塘的安全可靠性。观测结果与有限元计算结果表明,采用接触模型模拟板块—拱座、板块—基岩之间的相互作用,以及采用非线性弹簧单元来模拟基岩与锚筋之间的粘结滑移作用是可行的,计算结果是可靠的。初步研究了透水底板的水力特性,通过模型试验,对底板各种透水率、透水孔直径对底板上举力和反拱底板拱端推力影响进行了研究分析,得出结论:透水底板能显著减小动水荷载,可大大增强泄洪消能防护结构的安全。本文还对“护岸不护底”水垫塘体型进行了部分研究,得出结论:通过适当扩宽水舌冲击区水垫塘宽度,可有效减小岸坡区冲刷能量集中,减少护坡工程动水荷载,从而达到增强护坡工程安全性目的。最后,以二滩水电站水垫塘工程为背景,结合二滩水电站水垫塘模型试验和原型观测,采用先进的监测技术,应用模式识别、模糊评价和突变理论,以动位移为主要监控指标,开发了泄洪消能防护结构安全实时监控系统。