海底管道是海洋工程中的重要设施,是进行海洋油气资源输运的生命线,其在位稳定性是是工程界十分关注的重要问题。在实际工程中,海底管道往往会受到海流等水动力因素的作用而发生局部冲刷,形成悬跨,进一步引起管道的疲劳损伤。因此,充分认识海底管道的局部冲刷机制,建立海底管道局部冲刷扩展的预报分析方法,对海底管道的安全设计、运维维护和节省工程造价都具有重要的实际意义。本文重点针对单向流作用下海底管道的三维冲刷扩展问题开展物理实验和理论分析研究。通过开展海底管道局部冲刷扩展实验,分析流向、流速、管道埋深等物理因素对冲刷扩展速率、冲刷坑边缘处切应力放大系数以及局部冲坑坡度角的影响。通过开展表观冲刷速率实验,分析泥沙特性拟合参数对三维局部冲刷的影响,解决此前预报模型无法用于实际工程的问题。在两部分实验结果的基础上,结合理论分析,建立了海底管道局部冲刷扩展速率预报公式。本论文的实验结果表明,在复杂因素的联合作用下,海底管道的局部冲刷扩展具有两种基本形式,即匀速冲刷扩展、变速冲刷扩展。在匀速冲刷扩展的情况下,冲刷扩展速率保持为常数,冲刷坑边缘处的底切应力放大系数在冲刷扩展的过程中保持不变,管道轴线下方的冲刷剖面在冲刷扩展过程中不断变化,而坎肩处的坡度角在整个冲刷过程中保持不变;在变速冲刷扩展的情况下,管道的悬跨长度存在极值,冲刷坑边缘处的底切应力放大系数沿管道跨长方向近似以线性的方式降低,并在悬跨端部降低至1,冲刷扩展速率也沿着管道跨长逐步以线性规律降低到0。基于大量实验结果,本文给出了判断冲刷扩展形式的方法。针对局部冲刷扩展初始阶段,本文建立了底床切应力放大系数对管道埋深比和来流攻角的依赖关系;基于冲刷扩展过程的理论分析,本文建立了管道轴线下方的冲刷坑剖面随时间的演化方程,给出了坎肩处坡度角的取值。基于对泥沙特性参数、切应力放大系数以及坡度角的综合考虑以及理论分析,建立了考虑来流攻角和埋深比影响的冲刷扩展的经验模型,可对冲刷扩展速率进行预报。