近年来,水利枢纽工程的兴建成为我国能源发展规划的重点。泄水建筑物布置常受地形等条件的影响与限制,其内部流动形式也纷繁多变,与之相关的建筑物泄洪能力、体型设计等问题日益突出,对其运行的合理性也相应的提出了更高的要求。溢洪洞是水利枢纽工程中的重要泄水建筑物,常建于地质条件多样的深山峡谷地区,其开挖场地狭窄、施工难度大,对工程质量及安全要求高,且承担着宣泄洪水的重要任务。因而,溢洪洞体型与尺寸的合理设定是工程安全的主要影响因素,与水利工程整体的运行安全性与经济技术合理性息息相关。本文以新疆某水利工程为研究背景,采取物理模型试验与数值模拟技术相结合的手段,探究其表孔溢洪洞在不同运行情况下的水力特性。主要内容和研究成果有:(1)应用重力相似准则制作水工模型,模型比尺为1:35,进行了表孔溢洪洞多个运行工况的试验研究。试验观测不同库水位下表孔溢洪洞整体流态、水面线,以及沿程各测点流速、压强等水力要素分布。针对其下游河道及岸坡抗冲力较低的情况,分析冲坑位置与形态。(2)为了改善表孔溢洪洞闸室控制段流态,通过试验对溢洪洞进口进行优化,将进口边墙由斜坡式直角边墙优化为喇叭形进水口,遇流区修圆处理以平顺引导水流。通过优化有效改善了进口处的紊乱流态,减少了在边墙形成的水翅,使水流平稳进入控制段;针对表孔溢洪洞WES堰后渐缩段流态较差的问题,通过优化设计,改变渐缩段的型式,经对比分析给出了经济合理的优化方案,有效地改善了溢洪洞局部流态紊乱、掺气水流拍打洞顶等不利水力现象,使其满足工程设计要求。(3)本工程泄洪洞上、下游水位落差大,泄流时沿程时均流速较高,其空化空蚀问题值得关注。针对模型试验结果,分析了溢洪洞局部流态及流速,按照设计规范要求,对洞身圆弧段附近流速较高的位置设置掺气设施,分析了掺气设施局部水流流态、流速及压强,验证了掺气位置的合理性,减轻了发生空蚀破坏的可能性。(4)数值模拟技术作为一种研究复杂区域紊流运动的重要手段,因其具有的准确、经济、耗时短、避免比尺效应等优点,获得了普遍认同。本文利用Fluent软件中的非恒定流RNG k~ε模型模拟复杂湍流运动,并应用VOF法界面追踪技术模拟自由表面两相流模型,压力和速度场的耦合采用PISO算法进行合理计算。对表孔溢洪洞原型进行整体数值计算,避免了比尺效应。得出两个典型工况的溢洪洞沿程流速、动水压强及水面线等水力特性,分析其流态、流速场及压力场的分布规律。(5)数值计算结果与水工模型试验结果进行对比分析,二者基本一致。溢洪洞体型的合理设计是水库安全运行的关键,通过优化溢洪洞进口型式可有效地改善闸室控制段流态,对溢洪洞整体流态及流速的分布有着重要影响,同时渐缩段长度的合理设计是溢洪洞体型优化与安全运行的关键,本文对表孔溢洪洞的水力特性进行研究,为工程提出了可行性优化设计方案,为深入分析溢洪洞内复杂流场提供了技术保障,本文提出的优化思想已应用于该工程。