为解决一体化消能设施在大单宽流量运行时,较高的消能率与空蚀破坏之间存在矛盾这一难题,本文基于阿海电站的基础上,按1:60的模型比尺进行水工模型试验,采用三种角度的掺气挑坎与四种阶梯体型进行组合共十二种组合掺气设施,分析这十二种组合掺气设施对该一体化消能工水力特性的影响,为该一体化消能工应用于更高水头、更大单宽流量的工程中提供一定的理论依据,研究的主要结论如下:(1)当仅增设过渡阶梯体型时,发现首级大阶梯对该一体化消能工掺气影响比较突出;增设掺气挑坎+过渡阶梯的组合设施时,发现11.3°,1m+带有一个大阶梯的过渡阶梯的组合体型为最优的组合掺气设施;(2)时均压强、流速变化规律基本相似,时均压强最大值出现两个峰值,一个是反弧段的冲击压强最大值,一个是消力池段的静水压强最大值;当增设组合掺气设施时,挑坎角度一定时,第一阶为大阶梯的过渡阶梯体型的动能耗散程度最大,最大值均在90%左右;(3)挑坎+均匀阶梯体型下的最大负压出现在第一级阶梯立面凸角处;而挑坎+新型过渡阶梯的组合体型的最大负压出现的位置下移了,均出现在第二级阶梯立面凸角处;所有试验方案的最大负压值均没有超过规范允许的最大负压值;且十二个试验方案中最大负压最小值出现在11.3°+第一阶为大阶梯的过渡阶梯体型方案中,最大负压值为-5.46kPa;(4)增设过渡阶梯时,掺气浓度最大值仅达到61.6%,掺气空腔长度最大值达到13.88m;增设组合掺气设施后,第一、二阶为大阶梯或无大阶梯的过渡阶梯体型方案中掺气浓度最大值均达不到50%,第一阶为大阶梯的过渡阶梯体型方案的掺气浓度最大值超过了60%,空腔长度随挑坎角度的增大而增大,挑坎角度一定时,发现第一阶为大阶梯的过渡阶梯体型方案的空腔长度值最大,掺气浓度和空腔长度值最大的均出现在11.3°+第一阶为大阶梯的过渡阶梯体型方案中,最大值分别为88.46%,17.50m。(5)增设过渡阶梯时,消能率最大值达到52.70%,增设组合掺气设施后,消能率最大值达到59.95%。综上所述:在一体化消能工阶梯段与WES曲面衔接处增设组合掺气设施可以减小该衔接处存在的负压、提高该一体化消能工的掺气量和消能效果,其中最优的组合掺气设施体型为11.3°+第一阶为大阶梯的过渡阶梯体型。