公伯峡水电站水平旋流泄洪洞由导流洞改建而成，是国内第一个泄量超过1000m3/s，且水头超过100m量级的已运行的水平旋流洞。本论文结合国家自然科学基金和高校博士学科点基金的研究，提出并采用涂层痕迹图像分析法进行了公伯峡水电站旋流泄洪洞的旋流洞段水力特性的原型观测；进行了不同比尺的常、减压反演模型试验，并与原型观测的成果进行了对比，研究了旋流泄洪洞水力特性的缩尺效应和原型与模型的相似比尺关系，丰富和发展了旋流泄洪消能工的相关理论和高速水流原型观测的方法和技术，因此具有重要的理论意义与实际应用价值。　　 通过可行性论证、室内选择涂层材料试验、涂层痕迹的原型观测、室内涂层痕迹的反演试验和涂层痕迹的图像分析处理等研究和测试分析过程，成功进行了公伯峡水电站竖井水平旋流泄洪洞的旋流洞段水力特性的原型观测，得到了旋流洞洞段的空蚀、壁面剪切力、壁面流速、旋流角等水力特性及沿程的变化规律。用涂层痕迹图像法进行原型观测的结果表明，在起旋器收缩环后的扩散斜面上存在水流的分离现象和空化现象，但程度不足以导致旋流洞该部位混凝土壁面的空蚀破坏，而其它位置，在旋流洞本身无施工缺陷时，没有空化空蚀发生的痕迹；旋流洞段的旋流角的变化范围为75.45～33.56度；旋流洞段壁面流速的变化范围为35～37m/s，最大值在导流洞0+240.00m断面左右；壁面切应力的最大值也在该断面左右，变化范围为2～3kN/m2。可见采用涂层痕迹法进行高速水流水力特性的原型观测是可行的，也是非常经济的。　　 通过不同比尺的减压模型试验、原型观测，采用空化噪声量测与分析的方法，对公伯峡竖井水平旋流泄洪洞的空化特性进行了对比分析与研究。研究结果表明，可能发生空蚀的位置位于水平旋流洞中后段及水垫塘进口和末端。各部位不同比尺的减压模型试验结果和原型观测结果存在一定的差异，其原因可能是缩尺效应导致的旋流泄洪洞内的水力特性和掺气浓度等不相似所致。公伯峡水电站竖井水平旋流泄洪洞在起旋器出口设置折流坎，并在紧邻其后的水平洞段上设置收缩环，对防止与减免起旋器出口低压区的空化空蚀效果非常显著。　　 在与原型观测相同的水力条件下，进行了1:40和1:60常压反演模型试验，观测了公伯峡水电站竖井水平旋流泄洪洞的各种水力特性，并与原型观测成果进行了对比，分析与研究了这些水力特性的缩尺效应。观测与分析结果表明，开敞式进口堰闸段、竖井段和水平旋流洞内的流态的变化过程可分为几个明显的阶段，水力特性的变化规律在不同的阶段是不同的；在几何尺寸一定时，环形掺气坎水流携带气体的能力与相对空腔长度成正比，携气量系数εφ、通风量系数与携气量系数的比值εφ/μφ均随闸门开度的增加呈指数规律减小，并趋向于常数；泄流量、流态、流速、压力、旋流夹角和消能率等水力特性，基本符合重力相似准则，但由于原、模型气体的可压缩性、通气管(井)系统摩阻和气体逸出的不相似等原因，受其影响的竖井水位、通气量、环形掺气坎内的空腔长度、空腔内的负压、壁面掺气率、旋流洞的空腔直径和旋流空腔内压强等水力特性不符合重力相似准则，缩尺效应较明显。　　 通过理论分析、原型观测和不同比尺的反演模型试验结果的对比，进行了水平旋流泄洪洞水力特性相似关系的初步研究。研究结果表明，竖井水平旋流洞的流态、水力特性相似的条件应该满足起旋室出口断面的水流弗劳德数、通气井出口断面的通气量弗劳德数、旋流洞出口的相对下游水位和起旋室出口断面的相对含气率在原型与模型间的对应相等；应满足原型与模型旋流洞相对通气量、相对携气量的相似和通气量与携气量比值的相似，还需要保证旋流洞内定解性质的边界条件，即与空腔半径rD、空腔内的气体压强P0和壁面压强Pw有关的离心力效应的相似。在几何相似的前提下，由这些相似条件就可得到相应的比尺关系。这些比尺关系表明气体的可压缩性、通气与泄流系统的摩阻、旋流空腔负压、相对通气量与携气量、离心力效应均是原型与模型竖井水平旋流泄洪洞水力特性相似比尺关系中的影响因素。　　 本论文填补了国内外竖井水平旋流泄洪洞旋流洞段的水力特性的原型观测的空白；首次提出并成功应用了涂层痕迹图像分析方法和技术对旋流泄洪洞的水力特性进行了原型观测；首次对原型观测与不同比尺的反演模型试验的研究成果进行了对比分析，并在此基础上研究了旋流泄洪洞的水力特性的缩尺效应和原、模型的相似比尺关系。这些成果，丰富和发展了旋流泄洪消能工和水力特性原型观测的相关理论、方法与技术，并为该项新技术的推广应用奠定了较为扎实的基础。