本试验的重点是观察溯源冲刷过程中床面的变化形式。试验是在水槽壅水的情况下，将试验土样自然沉降在试验段内。然后在调好所需的模型冲刷流量后，提起尾门，使水位迅速下降，溯源冲刷即行开始，通过水槽玻璃上的坐标网格，记录下床面的变化形态。

试验共进行50组，其冲刷单宽流量的变幅为0.8～40L/（s·m），侵蚀基准面降落幅度为2～10cm。通过试验发现溯源冲刷的基本图形可以概括为跌坎式，见图8（a）、辐射扇形式［图8（b）］和过渡式［图8（c）］三种基本形态。当把这些在不同单宽冲刷流量q及侵蚀基面下降值Δz下发生的冲刷图形点绘在同一张图上时（见图9），就可看出q、Δz对冲刷图形的影响，从图示的点据分布中，可以明显地看出存在两条分区线，即从分区线Ⅰ以下为跌坎式的冲刷图形区，分区线Ⅱ以上为辐射扇形式的冲刷图形区，分区线Ⅰ、Ⅱ之间为过渡型的冲刷图形区。

图8　溯源冲刷床面变化

（a）跌坎式；（b）辐射扇形式；（c）过渡式

无论何种形式的溯源冲刷，总是在库水位下降到Δz2以下后（见图10），才可能从坡折点A处形成溯源冲刷。由床面剪切力测验可看出（见图11），随着试验中冲刷流量的加大，床面剪切力值也逐渐加大，同时由于坡折点处正是水流剪切力的峰值区，因此，A点处的土体就会随着冲刷流量的提高，而最先发生冲刷破坏，并逐渐上溯，因为淤积面坡折点的上溯过程，就是A点以下坡面的展缓过程，所以，这时的溯源冲刷就表现为辐射扇形式的冲刷形式。当冲刷流量还没有加大到一定程度时，水流所形成的剪切力就难于在A点以上的淤积坡面上形成冲刷，此时若坝前水位不再继续下降，就形不成溯源冲刷。但是，若水位仍继续下降，则由于A点是坡折点，故当水流过A点以后，将形成跌落。由能量转换关系可以看出，水流在很短的距离内将势能转化为动能，从而使水流跌落区的动能骤增，提高了水流的冲刷能力，当其超过了淤积土体的抗冲阻力后，在坡折点下游即可形成冲刷，由于A点以上的淤积床面还不能产生冲刷，所以，A点以下局部的集中冲刷，就表现为以跌坎的形式上溯。对于黏性淤积物，由于抗冲能力很高，在A点以上难以形成冲刷，所以就常表现为跌坎式的冲刷形式。

图9　溯源冲刷形式分区图

图10　溯源冲刷前后水位及淤积体变化示意图

z1—冲刷前库水位高程；z2—使坡折点处的水深等于坡面上均匀流水深的库水位；z3—淤积体表面坡折点高程；z4—水库降水后的库水位；z5—溯源冲刷发生后的淤积面坡折点高程

由于水流的肤面剪切力是床面破坏的直接原因［6］，因此，冲刷图形的变化问题，实质上就表现为水流的冲刷能力（由水流的肤面剪切力τ0反映）与淤积物的抗冲刷能力（由淤积物的临界起动剪切力τc反映）之间的关系问题。

当坡折点区即初始跌坎顶部的水流剪切力τ0t，满足

τ0t＜τc时

冲刷形式由水流跌落后的坎底床面剪切力τ0b决定，即

图11　不同流量下的跌坎区床面剪切力分布(www.daowen.com)

（a）Q=6L/s，Δz=6cm；（b）Q=2L/s，Δz=6cm

τ0b≤τc时，不发生冲刷

τ0b＞τc时，发生跌坎式冲刷

而对于τ0t＞τc的情况，冲刷究竟以什么形式发展，就变得比较复杂，因为τ0b＞τ0t，所以τ0b也大于τc。这样，当τ0t＞τc时，就反映出在初始跌坎顶底部都能发生冲刷。问题就取决于哪一部位的冲刷大。如果初始跌坎顶部的冲刷大，则就使A点的上溯快于水流跌落区床面的上溯，形成辐射扇形式的冲刷形式；反之，当水流跌落区的冲刷强度大时，将形成跌坎式的冲刷形式。

进一步的分析可以看出，τ0t、τ0b的调整，主要是由于q、Δz的变化所引起的。故把q、Δz与淤积物的抗冲特性指标一起作为影响冲刷图形变化的三个主要因素。由于影响淤积物抗冲刷特性的因素很多，为了能综合反映这些影响因素，选用土的临界起动摩阻流速U*c作为反映淤积物抗冲刷能力的指标。这样，作为判别冲刷图形的无量纲数K应包含以下三个因子，即

通过量纲分析，可得这一无量纲判数

这一判数反映了初始跌坎区局部水流强度q/Δz与跌坎区淤积物抗冲刷能力U*c的比值。由于q对提高坎顶部的水流剪切力起主要作用，而Δz对提高坎底的水流剪切力起主要作用。因此，q/Δz大反映了水流的冲刷作用主要在坎顶，当它与淤积物的U*c相比大于某个值后将发生辐射扇形式的冲刷形式；而q/Δz小则反映了水流的冲刷作用主要在坎底部，当它与U*c相比小于某个值后将发生跌坎式的冲刷形式。可见K值既反映了水流冲刷强度与淤积物抗冲能力的关系，又反映了初始跌坎顶底之间水流冲刷作用的关系。

从图9的试验资料中可以看出，冲刷图形的分区线Ⅰ、Ⅱ都可近似为一直线，这反映出对于某种特定的淤积物，在冲刷图形分区线上q/Δz一定，这与从量纲分析得到的无量纲判数所反映的关系是一致的。将50组试验资料中不同K值的点据绘入各自不同的冲刷图形区，可看出随着K值的不同，冲刷图形处于三个不同的范围内（见图12）。图中看出三个区域的重叠部分较小，故从过渡区的上下界作为三种冲刷图形的分区界限值。即

由于目前对于水库溯源冲刷的实测资料比较少，而对于发生跌坎式溯源冲刷的实测资料还多处在现象的轮廓描述阶段，根据收集到的一些水库的溯源冲刷资料，按上面介绍的方法进行判别，表1列出了实测数据及判别结果。

图12　各冲刷图形K值分区

表1　水库溯源冲刷资料及冲刷图形判别