长陡坡隧洞水流条件复杂,进口旋涡,闸门井吸气,洞身明满流等水力问题对水工建筑物安全运行非常不利,目前关于长陡坡隧洞水力特性的研究成果还比较鲜见,长陡坡隧洞流态转变机理尚不明晰,泄流能力影响因素也很多。本论文在收集整理相关文献研究的基础上,结合某实际长陡坡隧洞项目1:50工程模型试验,重点研究长陡坡隧洞流态演变过程,分析长陡坡隧洞流态转变的分界点,研究复杂水力条件下导流洞内水流流态,压力变化规律,分析长陡坡隧洞水流运动特性规律。为进一步深化研究长陡坡水力特性规律,在工程模型的基础上增加了概化模型,并与工程模型试验的结果相互验证,相互补充,分析比较了影响长陡坡隧洞泄流能力的相关因素。通过模型试验分析与比较,论文主要研究成果如下:(1)系统性地研究了长陡坡隧洞水流运动特性,分析总结出长陡坡隧洞水流演变规律,长陡坡隧洞中明满流过渡流态可以分为4类:间歇性触顶水流流态,激烈的折冲波水流流态,大的截留气囊水流流态,阵发性小气泡水流流态。在水位上升和水位下降过程中,洞内流态顺序不同,但是都归于上述几类流态。同时对流态转换机理进行了分析,提出从高速水气两相流理论和边界层理论进行综合研究的理论。高速水气两相流从宏观角度对隧洞内流态进行阐释,边界层理论从微观角度对隧洞内流态进行阐释。(2)研究了长陡坡隧洞流态转换界限规律。分析认为陡坡隧洞明满流过渡的界限与坡度有关,随着坡度的增加,明满流上限逐步上升,超过临界坡度,明满流上限反而出现下降现象,试验观测到的最大明满流上限值H/D约为2.72。流态转换界限上临界水位不稳定,下临界水位稳定,即明流转换成明满流,或明满流转换成明流的H/D的值约为1.1。陡坡隧洞水位上升过程和水位下降过程流态界限存在差异,并且在水位下降过程中明满流范围小于水位上升过程中的明满流范围。(3)脉动压力变化和明满流过程有关,库区水位上升过程和库水位下降过程导流隧洞洞内脉动压力变化存在差异,水位上升过程,脉动压力变化更加剧烈,佐证了明满流在水位上升过程和水位下降过程存在差异。长陡坡隧洞内时均压力变化规律沿程基本相同,明流时,压力水头线基本与隧洞底坡平行,变化不大;满流时,进口段压力变化较大,主要与进口段收缩局部水头损失增大有关,满流流态下下洞尾均出现负压状态。明流阶段,洞身直管段压力坡降表现为定值。满流流态洞内直管段压力水头坡降随着库水位升高水头坡降增大。(4)研究了出口地形,糙率,坡度和弯道对泄流能力的影响,综合分析认为各种因素对长陡坡隧洞泄流能力的影响关系表现为:糙率>坡度>地形>弯道。在四种因素的影响中,糙率对于泄流能力的影响最大,主要表现在沿程水头损失与糙率的二次方成正比,所以糙率的变化对于泄流能力的影响最大。