海底管道是海上油气开发生产系统的生命线,其在位稳定性是海洋油气安全运输的重要保障。在波浪、水流的长期作用下,海底管道易发生局部冲刷,随着冲坑发展,管道会出现悬空段,容易诱发管道结构破环和疲劳破坏。海底管道一旦失事,将导致巨大的经济损失和环境灾难。因此,充分了解海底管道的冲刷特性对其安全设计和运营具有十分重要的意义。本文基于海底管线在发生局部冲刷和部分自埋后会发生二次冲刷的工程背景,利用简化的物理模型开展了在单向流作用下倾斜管道的三维冲刷研究工作。本文第一部分工作为来流方向与管道轴线垂直时的倾斜管道三维冲刷试验。首先,通过沙样冲蚀试验建立床面剪切应力（τ）与沙样表面侵蚀速率（η）之间的关系。然后,在来流方向与管道垂直的倾斜管道三维冲刷试验中通过冲排水和扫描地形的方法获取管道下方控制体内泥沙变化量,进而获得管道下方的应力放大系数（λ）。试验中,通过等间距布置的UDV探头来监测冲坑长度（L）随时间的变化,同时用UDV记录其所在位置处管道正下方冲刷深度S（t）随时间的变化。最后,基于沙样冲蚀试验和管道下方的应力放大系数λ的测量结果,建立冲坑沿管轴线方向的冲刷扩展速率预测模型。本文第二部分工作为来流与管道轴线具有来流攻角（α）时的倾斜管道三维冲刷试验。该部分内容对两种流速和四种来流攻角作用下的倾斜管道的冲刷深度特性、冲坑沿管轴线的冲刷扩展特性以及冲刷地形特性进行系统分析,并与第一部分结果进行了比较。对于冲刷深度,本文试验发现不同来流攻角和流速作用下的不同初始埋深比（e/D）处的冲深变化具有明显差异:1)α=0°时,e/D＞0.2位置处大流速作用下冲深较大,而在e/D=0和0.1处出现小流速作用下冲深较大的情况;2)α＞0°时,相同埋深比e/D处,大流速作用下冲深均比小流速作用下较大,但当α＜0°时,相同埋深比e/D处小流速作用下冲深要比大流速作用下较大。对于冲刷扩展速率,本文试验发现:1)冲坑沿管轴线的冲刷扩展分为快速冲刷扩展和缓慢冲刷扩展两个阶段,α≥0°时两阶段的分界点在e/D=0.3附近,α＜0°时两个阶段的分界点在e/D＜0.3处;2)α≥0°时,来流攻角的增大使快速冲刷扩展阶段的冲刷扩展速率增加,使缓慢冲刷扩展阶段的冲刷扩展速率降低;3)α=0°和22.5°时,流速的增加使两个冲刷扩展阶段的冲刷扩展速率都增加,而在α=45°时,流速的增加使初始扩展阶段的冲刷扩展速率增加,使缓慢扩展阶段的冲刷扩展速率降低,α＜0°时,来流攻角绝对值的增加使冲刷扩展速率降低。对于冲刷地形,本文试验发现:冲刷肩的坡角约在5°和20°之间,且α≠0°时,管道后方存在沿流速沿管轴线分速度方向进行扩展的沙波。