高水头泄水建筑物空化空蚀问题显著,掺气是一种有效的减蚀措施。而对于底坡缓、Fr低的泄洪放空洞,这种结构下因掺气坎下积水严重,导致水流掺气困难,必须通过优化掺气设施降低空腔回水。本文以实际工程中某大型水电站泄洪放空洞为研究对象,采用数值模拟的方法研究了不同跌坎坎高、底坡坡度对空腔积水深度和净空腔长度的影响;分析了平面梯形坎、平面凹型坎、平面凸型坎对空腔回水的作用机制;数值优化获得了合理的掺气坎体型,并通过物理模型试验的方法对泄洪放空洞的水力特性进行测量和分析,验证优化方案是否合理。基于支持向量机的方法,建立了预测空腔积水深度和空腔长度的机器学习模型,分析了不同无量纲参数组合对模型预测精度的影响。主要研究及成果如下:（1）依据某大型水利工程,采用RNG k-ε紊流模型,利用VOF法捕捉空腔积水和自由表面,对泄洪放空洞进行三维数值模拟,得到了水面线及空腔形态、压强分布等水力要素。并将试验值与数值模拟计算的结果进行对比,结果表明模拟值与试验值吻合较好,说明数值模型能够准确计算各水力要素;原方案1#、2#掺气坎存在大量空腔回水问题,且2#掺气坎下游水面波动大,洞室两侧水深接近洞顶直墙高度,水流流态差。（2）针对原方案前两道掺气坎存在空腔积水的问题,研究减少积水的主要因素,主要包括不同坎高、底坡坡度和新型掺气坎体型对空腔积水的影响。结果表明,随着坎高降低、底坡增加,空腔回水呈现下降的趋势。当空腔体积大时,影响空腔积水的主要原因是水舌冲击角较大所致;当空腔体积较小时,空腔积水的形成除了水舌冲击角以外,还需要考虑负压的影响。分析平面梯形坎、平面凸型坎、平面凹型坎和普通坎的底部水舌形态、落点区水流结构、紊动能分布,发现新型掺气坎减缓空腔积水的主要原理是依据水舌落点在横向上的分布不同,落点较短的水流去抵挡落点较远产生的回流,从而减缓空腔回水,且经对比发现平面梯形坎、平面凹型坎减缓回水的作用较好。分析以上规律后选定1、2#掺气坎的体型结构,通过物理模型试验对6种工况下泄洪放空洞的泄流能力、水面线、压强、通气量和掺气浓度进行分析,发现优化方案积水较少,掺气空腔能够形成稳定进气,2#掺气坎下游流态较好。（3）通过python语言构建支持向量机模型,研究了4种训练集抽取比例、12组输入变量组合,通过网格搜索和交叉验证的方法研究超参数的分布规律,并对空腔积水和空腔长度进行预测。结果表明,训练集抽取比例会显著影响模型预测的准确性;支持向量机模型超参数之间存在相互制约的关系,从而提高了模型泛化性能;保持模型的复杂度与样本的复杂度一致且在合理的输入组合下能够实现模型对空腔积水和空腔长度的准确预测。