阶梯形丁坝在航道整治工程中应用广泛，但关于其坝头局部冲刷特性的研究却少有涉及。开展阶梯形丁坝局部冲刷特性研究，对丰富航道整治理论体系具有重要理论意义，可为航道整治工程设计优化提供技术支撑。本文采用数值模拟与理论分析相结合的方法，研究了冲坑尺度随单因素变化规律，探讨了非恒定流对冲坑尺度的影响规律，取得的主要研究成果如下：
　　(1)清水恒定流时，相同条件下，非淹没的单式丁坝与阶梯形丁坝达到最大冲深所需冲刷历时相同，床面最终形态基本一致，但单式丁坝的回流区尺度、回流负流速、冲坑形态尺度均大于阶梯形丁坝。
　　(2)坝头局部冲刷可分为3个阶段：初始段、发展段、平衡段。冲刷坑形态尺度在初始段发展迅速，完成了最大冲深的40%；在发展段，冲刷坑形态尺度增长速率减缓；当冲深随冲刷历时变化曲线逐渐坦化，床面冲刷基本达到平衡状态，即平衡段。总体上，最大冲深随时间基本呈对数型增长。
　　(3)分析了弗劳德数Fr、一级丁坝高度Hd1、二级丁坝长度Ld2、床沙粒径d50对局部冲刷坑形态尺度的影响规律；定义一级丁坝相对高度ψ=Hd1/H，二级丁坝相对长度ε=Ld2/B，一级丁坝坝顶被淹没的平面为阶梯层，阶梯层相对长度为阶梯层沿槽宽长度与Ld1的比值；当ψ=0.13时，二级丁坝对水流泥沙运动影响占主导，与单式丁坝相比，其最大冲深减少了45.34%，除此之外，阶梯形丁坝使最大冲深的减少最多能达到10%左右。当阶梯形丁坝挡水面积相同，阶梯层相对长度越长，最大冲深越大；两级丁坝高度固定时，若阶梯层相对长度较长同时挡水面积较小，或阶梯层相对长度较短同时挡水面积较大时，阶梯形丁坝的最大冲深比单式丁坝高出约2%~8%。
　　(4)以数值模拟计算成果为基础，经过双变量相关性分析，运用量纲分析方法以及优化组合，建立了恒定流条件下，适用于非淹没阶梯形丁坝的最大冲深计算公式。
　　(5)采用马尔柯夫模型对天然河道来流过程进行随机模拟，将模拟流量过程概化为平均流量、冲刷历时、时段内总来水量与恒定流条件都相同的典型非恒定流过程，采用起始冲刷流量不同的2种典型概化过程作为数值模型的水流边界条件，即波谷起冲与波峰起冲流量过程。
　　(6)非恒定流条件下，床面冲淤发展与冲刷历时有关，流量相同时流场分布具有差异性，且波谷起冲流量过程的差异性强于波峰起冲。
　　(7)波谷起冲时，坝头的冲坑几何尺度呈线性增长；冲坑发展在洪峰来临前开始减缓，但最大冲深仍高速增长；冲坑最大宽度达到2Ld1，长度达到9.19Ld1。
　　(8)波峰起冲时，冲坑迅速成形，最大冲深呈线性增长；由于受落水期流量逐步降低、坝后长条状淤积区以及冲坑边壁坍塌的影响，冲坑长度先增长后稳定再增长；在涨水期，冲坑面积呈线性增长，其长度增长速率逐渐减小。冲刷历时结束时，冲坑最大宽度达到2.1Ld1，长度达到11.3Ld1。
　　(9)非恒定来流时的丁坝局部冲刷演变规律不同于恒定流，丁坝上游缓流区出现淤积，下游回流区负流速较大的地方出现冲刷，将床沙往逆水流方向推移导致回流区产生少量淤积。冲坑长度达到恒定流时的2~2.5倍，最大冲深增加了25.6%~54.41%。