西部黄土地区高边坡多采用骨架结构进行防护，但其服役期间容易产生土体侵蚀破坏，造成防护效力的局部丧失，严重者甚至可诱发垮塌灾害。通过开展人工模拟降雨冲蚀模型试验，对比分析了裸坡和骨架边坡的坡面冲蚀过程、含沙量、径流量及累计冲蚀量，探讨了骨架结构的防护效果，厘清了骨架关键部位处的坡面冲蚀规律，揭示了强降雨诱发骨架防护边坡侵蚀破坏机制。试验结果表明：骨架结构具有一定防护效力，但其框格边缘土体容易侵蚀破坏；随着降雨时间增长，裸坡和骨架边坡的含沙量、径流量及累计冲蚀量均逐渐增加。相比于裸坡，冲蚀60 min时骨架边坡的含沙量降低25%（坡比1：1.5），21.4%（坡比1：1.75），径流量降低33.6%（坡比1：1.5），31.4%（坡比1：1.75），累计冲蚀量降低43.6%（坡比1：1.5），40.0%（坡比1：1.75）；骨架关键部位，尤其是尖角边缘土体所承受的雨水冲刷作用较强，其冲蚀演化历程归纳为：溅蚀-片蚀-细沟侵蚀-切沟侵蚀（初次冲蚀），或溅蚀-片蚀-切沟侵蚀（再次冲蚀）；骨架结构可限制土颗粒运移、削弱径流冲蚀，起到截流、挡水及分流作用，但也会在骨架关键部位处产生较为明显的边缘汇流现象，容易使得骨架支撑土体的侵蚀破坏，造成骨架结构的局部悬空。研究成果可为黄土地区路堤边坡拱形骨架防护的优化设计与现场施工提供参考。