我国目前高山峡谷区高坝建设普遍采用坝身泄洪消能形式挑跌流水垫塘消能型式,实践表明,通过坝身泄洪是峡谷区高拱坝一种最为经济有效的泄洪消能型式。我国面前存在很多在建或已建成的高坝、超高坝工程,这类水利工程具有很高的水头,因此下泄流量巨大的且具有极高的泄洪功率,与中低坝掺气消能等工程特点有着很大的差别,在实际工程中坝体高速下泄的水流会携带大量气体与水垫塘内部水体发生碰撞,产生剧烈的紊动剪切作用,沿程消能过程中,大量掺气的水体向下游河道扩散,对水流的掺气浓度分布与变化规律进行研究是目前水利工程安全建设以及河流生态环境领域中的重点课题。在流域开发过程中,流域梯级工程由于泄洪消能带来的水流大量掺气,气体超饱和问题会导致河流产生梯级气障,不仅会对流域连续性产生破坏,同时会给整个流域水环境生态及鱼类健康造成不利影响,因此研究泄流消能以及掺气水流带来的水环境问题也是水利工程建设发展的重点之一。目前我国对高坝下游泄洪消能后段河流水体气体超饱和问题尚未进行系统研究,未形成以气体高溶解度为重点研究的环境评价体系。研究水垫塘内部各水流结构区气泡交换过程及完成的塘内气体迁移扩散特性可为气体的运动机理研究提供重要依据。在水垫塘消能工下,高速射流卷吸气体下泄进入水垫塘内形成掺气水流,主射流与塘内水体发生强烈的紊动剪切作用形成水流剪切带,气泡在沿程运动中不断发生聚并,扩散和上浮现象,并通过水流剪切带实现各水流结构区之间的气体交换过程。气泡在水垫塘内迁移扩散伴随不同能量间的转化与耗散,大量气体在水流中掺混会造成水垫塘水深增加,同时气泡的迁移扩散对水流的抗剪强度、流速分布和压力梯度产生一定的影响。因此掺气水流的研究对水垫塘消能工的体型优化设计和对空蚀现象保护具有重要意义。本文采用水工模型试验与理论分析相结合的方式,对水垫塘水流结构进行分区,实测了不同入池流下水垫塘各水流结构区内流速和掺气浓度值。根据流速推算出水垫塘各水流结构区测量断面处的时均动能和时均动能耗散率,并与流速梯度衰减规律结合确定水流剪切带的厚度,将所在结构区最大流速的50%与最大流速的30%之间定义为水流剪切带。通过水流剪切带内掺气浓度的梯度变化分析各水流结构区之间的气泡交换过程。得出对水垫塘消能贡献的大小为:紊动剪切>旋滚区吸收>气泡消耗。