随着对水能资源不断开发和利用,一大批高水头、大泄流量的世界级水平水利枢纽已经运行或者正在建设。由于高速水流的复杂性,如何保证高坝消力塘的安全泄洪消能一直是许多研究人员不断解决的难题之一。为了保护高坝下游河床和岸坡不受高速泄流的严重冲刷,需要修建不同的消力塘防护结构来构建保证大坝安全稳定运行的第一道防线。因此,消力塘的安全稳定性是高坝泄洪安全的前提保障,对其结构进行优化设计是国内许多研究人员不断探索研究的新思路,比如反拱型底板、带键槽底板、透水底板等新型结构形式。本文主要依托向家坝水垫塘水弹性模型为研究背景,利用多种先进实验仪器和信号处理技术,对这一新型结构进行了模型试验研究,基于模型试验结果,研究了带键槽透水底板脉动压力特性及其水动力荷载特性,从而研究了该异形构造底板的减压降载机理,试验分析研究的内容主要包括:(1)研究了增设透水孔对带键槽底板脉动压力传播特性的影响。基于水弹性模型试验成果,对比分析了透水前后水垫塘塘底板上下表面以及板块缝隙处脉动压力大小、频域特性和相关特性。结果如下:增设透水孔后,带键槽底板下表面的最大脉动上举力和脉动压强系数都有所减小;当H=95m时,脉动压强系数减小幅度都在30%以上。透水前后脉动压力的正态性没有发生改变;透水后,带键槽底板下表面各测点间的相关性有所减小,透水孔起到均化调压作用,从而有利于底板结构的稳定性。(2)研究键槽对平底板水动力荷载特性的影响。在平底板上增设键槽,改变底板的结构型式,研究键槽的增设对底板的上举力的影响。结果如下:增设键槽后,减小了底板所受到的最大上举力和脉动上举力,有利于板块的稳定性;增设键槽前后,并没改变上举力的正态性;增设键槽后,上举力的主频更趋向低频。(3)研究透水对带键槽底板水动力荷载特性的影响。通过在带键槽底板上增设透水孔,研究了透水孔和键槽的联合作用对底板上举力的影响。结果如下:透水后,带键槽底板所受到的最大上举力和脉动上举力进一步减小,说明键槽和透水共同作用增加了底板的稳定性;透水孔的增设并没有改变上举力的正态性;在前人的研究基础上,得出了带键槽不透水底板和带键槽透水底板的最大上举力和脉动上举力之间的量化关系,对于带键槽不透水底板,最大上举力基本是对应脉动上举力的4倍,而带键槽透水底板,最大上举力基本是对应脉动上举力3倍。(4)研究了带键槽透水底板稳定性。在平底板上增设键槽和透水孔,对比分析了带键槽透水底板与一般型式平底板水垫塘在高速泄流的冲击作用下水动力荷载特性。分析得出:带键槽透水能够更好地降低底板下表面脉动压强系数,从而降低底板缝隙水流的脉动能量。发挥了键槽和透水的综合优势,有利于底板的稳定性。