在水利枢纽中,泄水建筑物具有至关重要的地位,水流挟带巨大能量通过泄水建筑物下泄,若消能不充分,会对坝体、坝基、下游河床造成冲刷破坏,水工建筑物的安全存在较大威胁,因此,泄水建筑物良好的消能效果是水利枢纽安全运行的关键因素之一。台阶式溢洪道作为一种新型的泄水建筑物,具有缩减工期、消能效果显著等优点,在水利工程泄洪消能中的应用越来越多。台阶面水流流态较为复杂,水气掺混剧烈,由于复杂的边界条件,导致台阶式溢洪道的许多水力特性还有待进一步研究,如水流流态的分类及界限、边界层发展状况、台阶面水流速度场及压力场、掺气特性、湍流强度等;此外,对台阶式溢洪道消能率影响因素的研究依然不够全面。本文通过模型试验对坡度为0.8H:1.0V的台阶式溢洪道湍流特性及消能机理进行了系统的研究,分析了水流流态、边界层发展状况、台阶面速度场及压力场、掺气特性、湍流强度、自相关尺度以及消能率等水力特性的变化规律。试验发现,实用堰入流条件下台阶面水流湍动剧烈,台阶段消能效果更好;减小粗糙度使得初始掺气点向上游移动,台阶面水流掺气浓度增大,一定程度上提高了消能率;台阶式溢洪道联合宽尾墩应用方案中挑射水流增大了台阶面水流的湍动程度和掺气浓度,大幅度提高了消能率,同时增大了台阶式溢洪道的适用流量范围。论文主要内容如下:（1）考虑可能影响台阶面水流特性的因素,设置了不同入流方式（宽顶堰与实用堰入流）、不同粗糙度、联合宽尾墩应用等体型,通过对台阶面虚拟底板以上水流湍流特性及消能效果的研究,分析台阶面水流对各因素的敏感性。（2）对台阶面水流流态进行了观察记录,确定了各体型跌落流、过渡流和滑行流的临界值,根据上游段台阶（如第2级台阶）是否存在挑射流现象将跌落流及过渡流细化分为两种类型。（3）根据台阶面水流是否掺气,将其分为边界层发展区和掺气区。分析了边界层发展区的水深、流速、边界层厚度等水力特性,确定了自由液面掺气发生的临界点。将自由液面波动与底部粗糙度对比,揭示了台阶式溢洪道水流的湍流特性与宏观粗糙度之间的相关性。计算了边界层发展区的断面比能、断面平均能量、水头损失系数、达西-威斯巴赫摩擦系数,从多个方面分析了边界层发展区的消能效果。（4）对初始掺气点的位置和水深进行测量记录,并提出了初始掺气点的相关经验公式。利用电导探针测量了初始掺气点下游台阶面水流的掺气浓度分布情况,评估了各体型台阶面水流的掺气效果。（5）对掺气区沿水深方向的流速进行了密集测量,发现流速由虚拟底板至掺气浓度50%处遵循幂函数分布规律,提出了掺气浓度为50%处的物理分界点,与基于90%掺气浓度的传统尺度相比,在该位置处水相由连续相变为离散相,流速、压强、湍流强度、自相关尺度等均在此处存在极值点或拐点,以此为尺度变量,可直观分析台阶对水流的影响作用。（6）通过电导探针及微型压力传感器所测的相关参数和湍流统计理论提出了掺气区水相湍流强度的计算公式,对总压强的波动、自相关尺度等湍流特性进行了对比分析,从水流湍动的角度分析台阶式溢洪道的耗能特性。（7）采用积分平均的方法计算各体型的断面平均能量、消能率,通过摩擦坡降法计算了掺气水流达西-威斯巴赫摩擦系数,分析了底部台阶对能量耗散的影响。（8）研究了宽尾墩对台阶式溢洪道掺气浓度的影响,从台阶面水流流速分布、压强波动、湍流强度、自相关尺度等方面揭示了台阶式溢洪道联合宽尾墩应用的消能机理及耗能特性。