史 卿

(長江南京航道局，南京 210011)

南京長江大橋(以下簡稱“大橋”)位于長江干線下游南京段，自1968年12月建成以來，已歷經(jīng)49 a。大橋橋區(qū)航道歷來是長江航運的重要通道，目前開放了第四孔、第六孔、第八孔3個通航橋孔。近年來，國家致力于依托長江黃金水道，建設通江達海的綜合交通運輸體系，打造長江經(jīng)濟帶[1]。受橋跨布置、水流流態(tài)、船舶流量等因素影響，第六孔航道航標被碰頻繁，給航道維護帶來了較大壓力，對橋區(qū)航道通航安全造成了一定影響。因此，優(yōu)化第六孔航道布置，對指引船舶安全通航具有十分重要的意義。

本文介紹了大橋橋區(qū)航道概況、航道布置與航標配布及維護情況，研究分析了第六孔航道布置優(yōu)化方案，為切實保障橋區(qū)航道通航安全提供參考。

1 航道概況

大橋處于長江干線南京長江大橋水道，上接南京水道，下臨長江主汊草鞋峽水道和支汊寶塔水道的分汊處。南京長江大橋水道上起中山碼頭(下游航道里程341.7 km)，下迄西方角(下游航道里程347.8 km)，全長約6.1 km。該航段船舶流量較大，有關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計表明，通過大橋水域的船舶日均達2 300艘次，高峰時日通行量接近3 000艘次[2]。

1.1 自然條件

該水道呈順直微彎河型，大橋以上河段河床窄深，大橋以下河段河道逐漸展寬。兩岸碼頭密布，大橋下游南岸側(cè)設有上元門錨地。

航道水深條件優(yōu)良，平均河寬在1.5 km左右，平均水深約25 m，主流居中并偏右岸側(cè)。

1.2 通航橋孔開放情況

大橋自左岸起算共9墩10孔，目前開放了第四孔、第六孔、第八孔3個通航橋孔。除去橋墩及水下圍堰所占據(jù)的寬度，3個通航橋孔寬度均為144 m。

1.3 航道維護尺度

1.3.1 航道維護水深

近年來，大橋所在的蕪湖至南京河段航道維護尺度得到了多次提高，并根據(jù)國家批復的航道養(yǎng)護計劃，實行分月維護水深。

自2011年7月5日起，航道維護水深每年6月至9月提高至10.5 m，其他月份提高至9.0 m[3](表1)。

表1 分月航道維護水深Tab.1 Monthly waterway maintenance depths m

1.3.2 橋梁通航凈空尺度

(1)凈空寬度：大橋通航凈空寬度為120 m。

(2)凈空高度：橋下通航凈空高度為設計最高通航水位以上24 m。

2 航道布置與航標配布情況

2.1 航道布置

根據(jù)通航橋孔開放情況，航道布置自左到右依次為：第四孔上水航道、第六孔下水航道和第八孔下水航道，綜合考慮通航凈寬及航標本身的最小安全航行距離，最小航道寬度均為140 m。

其中，第四孔上水航道供上行機動船(隊)通航；第六孔下水航道供294 kW(400匹馬力)以上的下行單船、頂推船隊選擇通航；第八孔下水航道供下行機動船(隊)通航。

為有效區(qū)分第六孔、第八孔航道及航標，保持第四孔航道與第六孔航道適當?shù)木嚯x，并為今后第五孔可能開通為通航橋孔[4]預留空間，第六孔航道現(xiàn)狀下未采用喇叭形態(tài)布置(圖1)。

圖1 大橋航道布置示意Fig.1 Waterway layout of Nanjing Yangtze River Bridge

2.2 航標配布情況

橋區(qū)航道實行一類航標配布，3個通航橋孔均采用在航道兩側(cè)連續(xù)配布側(cè)面標標示航道界限的方式，共配布有16座助航標志，類型均為浮標。

其中，第四孔航道配布2對半(5座)航標，第六孔航道配布3對(6座)航標(#3左右通航浮與第八孔航道共用)，第八孔航道配布2對半(5座航標)(表2)。

表2橋區(qū)航道航標配布

Tab.2 Aids to navigation arrangement for waterway in bridge area m

航標配布情況第四孔航道第六孔航道第八孔航道第1對航標設標間距140140140距橋軸線距離300200200第2對航標設標間距160160150距橋軸線距離600600600第3對航標設標間距僅設第四孔#1白浮210200距橋軸線距離1 0001 3001 350

3 航道演變與影響

3.1 河床變化情況

大橋水道位于上游梅子洲汊道匯流區(qū)以下，水流過梅子洲尾后走勢順直平緩。20世紀50年代對兩岸岸線實施了沉排守護工程，之后河勢基本穩(wěn)定，河床與岸線均未發(fā)生劇烈變化[4]。自2000年以來，10 m和20 m深槽始終貫通，平面形態(tài)穩(wěn)定。2017年6月測圖顯示，10 m等深線寬度在1 100 m以上，20 m等深線最小寬度約790 m。

3.2 水流變化情況

2014～2017年中、洪水期橋區(qū)航道表面流速流向觀測資料表明，中、洪水期第六孔航道水流流速大于第四孔、第八孔，第六孔航道水流流速在1.28～3.27 m/s之間，水流流向與大橋軸線法線方向始終存在一定交角，角度值在1.8°～7.3°之間。一般而言，水位越高，流速越大；除個別月份以外，當水位超過4 m時，第六孔航道水流最大流速均達到2 m/s以上(表3)。

表3 橋區(qū)流速流向統(tǒng)計Tab.3 Statistics on velocity and direction of flow in bridge area

注：表中交角為水流流向與大橋軸線法線方向交角。

3.3 水流條件對航道航標的影響

2014～2017年橋區(qū)航標被碰統(tǒng)計資料表明，第六孔航道航標被碰次數(shù)為13～31次/a，平均值為21.25次/a，明顯多于第四孔、第八孔航道。

洪水期間，第六孔航道水流流速較大，且流向與大橋軸線法線交角較大，航標被碰次數(shù)8～21次/a，平均值為15次/洪水期，占第六孔航道年均航標被碰次數(shù)的比例超過70%。2016年和2017年，由于洪水位較高，洪水期航標被碰次數(shù)明顯多于其他年份(表4)。

表4 橋區(qū)航標被碰統(tǒng)計Tab.4 Statistics on crashed aids to navigation for bridge area

部分船舶沿第六孔航道分中駛過#3對浮后，由于不了解水流流態(tài)情況，駕引人員未及時調(diào)整操縱，艏向與水流流向不一致。洪水期流速較大，受偏向右岸側(cè)的水流推壓作用，船位逐步偏向右側(cè)，待察覺時往往已調(diào)整不及或調(diào)向過度，致使船舶碰撞#2對浮或#1對浮。圖2示意了2017年洪水期某船舶通過第六孔航道過程中碰撞#2紅浮的AIS航行軌跡。

圖2 某船舶AIS航行軌跡示意Fig.2 The AIS tracking diagram of a ship

綜上所述，洪水期水流流速增大、流向與大橋軸線法線交角增大，易導致航標被碰，并對船舶安全通航造成影響。因此，有必要對第六孔航道布置進行調(diào)整，優(yōu)化橋區(qū)航道條件。

4 航道布置調(diào)整方案研究

4.1 航道布置調(diào)整原則

(1)符合《內(nèi)河通航標準》、《長江干線通航標準》、《長江干線橋區(qū)和航道整治建筑物助航標志》、《南京長江大橋水上交通安全管理規(guī)定》等標準、規(guī)范及規(guī)定要求；

(2)減小第六孔航道軸線與水流流向的交角，使航道更加順直；

(3)適當加大第六孔航道浮標設標寬度，拓寬航道上段喇叭口形態(tài)，更利于船舶駛?cè)霕騾^(qū)航道。

4.2 方案設計

航道布置的調(diào)整，主要反映在航標配布的調(diào)整。通過合理調(diào)整助航標志的位置，可有效改善航道通航條件[5]。由于第六孔航道界限由兩側(cè)側(cè)面標標示，可基于調(diào)整單側(cè)航標配布和雙側(cè)航標配布2種思路，研究航道布置調(diào)整方案。根據(jù)上述航道布置調(diào)整原則，以第六孔航道布置現(xiàn)狀為基礎(chǔ)，提出如下2個方案。

(1)方案一。

調(diào)整第六孔航道單側(cè)航標配布，將第六孔航道左側(cè)的#2白浮、#3白燈船向左橫向調(diào)整10 m、20 m，其它航標位置不變，調(diào)整后#2、#3對浮間距(航寬)增加至170 m、230 m。

(2)方案二。

調(diào)整第六孔航道雙側(cè)航標配布，將第六孔航道左側(cè)的#2白浮、#3白燈船向左橫向調(diào)整20 m，并將右側(cè)的#3左右通航浮向左橫向調(diào)整10 m。

4.3 方案計算和比選

4.3.1 計算依據(jù)

《內(nèi)河通航標準》(GB 50139-2014)和《長江干線通航標準》(JTS180-4-2015)中，對代表船型、航道水深、通航凈空尺度等進行了規(guī)定。《長江干線通航標準》(JTS180-4-2015)是在《內(nèi)河通航標準》(GB 50139-2014)的基礎(chǔ)上，參考相關(guān)標準、規(guī)范，根據(jù)長江干線航道條件與船舶、港口、通航環(huán)境等實際情況編制，故主要依據(jù)《長江干線通航標準》(JTS180-4-2015)進行計算。

4.3.2 代表船型

經(jīng)查詢相關(guān)資料，南京長江大橋無設計代表船型。參照上游大勝關(guān)長江大橋、南京長江三橋的設計代表船型均為5 000 t級海船[6]，因此選定5 000 t級海船作為代表船型。

根據(jù)《長江干線通航標準》規(guī)定，5 000 t級海船代表船型尺度如表5所示。

表5 代表船型尺度Tab.5 Moulded dimensions of the representative ship m

4.3.3 航道水深

根據(jù)《長江干線通航標準》B.0.1，航道水深可按下式計算

H=T+ΔH

(1)

式中:H為航道水深，m；T為船舶吃水，m；ΔH為富裕水深，m。5 000 t級海船對應航道等級為Ⅰ-3級，富裕水深ΔH取值為0.7 m。

經(jīng)計算，5 000 t級海輪計算航道水深為7.7 m。目前全年最小航道維護水深為9.0 m，滿足航道水深要求。

4.3.4 航道寬度

(1)通航凈寬。

第六孔航道實施單孔單向通航，根據(jù)《長江干線通航標準》附錄C.0.1規(guī)定，通航凈寬可按下式計算

Bm1=BF+ΔBm+Pd

(2)

BF=BS+Lsinβ

(3)

式中:Bm1為單孔單向通航凈寬，m；BF為船舶航跡帶寬度，m；ΔBm為船舶與兩側(cè)橋墩間的富裕寬度，m，Ⅰ級航道取0.6倍航跡帶寬度；Pd為下行船舶偏航距，m，按表C.0.1取值；BS為船舶寬度，m；L為貨船長度，m；β為船舶航行偏航角(°)，取6°。

方案一和方案二中，調(diào)整后航道軸線與水流流向交角均小于大橋軸線法線方向與水流流向最大交角6.1°，則最大橫向流速vx=3.27×sin7.3°=0.42 m/s。根據(jù)附錄C.0.2，當大橋軸線法線方向與水流流向交角大于5°，且橫向流速大于0.3 m/s時，單向通航凈寬應考慮增加值根據(jù)表C.0.2，采用內(nèi)插法，通航凈寬增加值取36 m。通過計算，5 000 t級海船單向通航凈寬為85.3 m。

方案一和方案二均滿足通航凈寬的要求。

(2)直線段航道寬度。

根據(jù)《南京長江大橋水上交通安全管理規(guī)定》第十一條，在大橋航道上過橋船舶必須順序前進，并保持適當安全距離，不準追越和齊頭并進。根據(jù)《長江干線通航標準》附錄B.0.2規(guī)定，直線段航道寬度可按單線航道計算

B1=BF+2d

(4)

BF=BS+Lsinβ

(5)

式中:B1為單線航道寬度，m；BF分別為船舶航跡帶寬度，m；d為船舶外舷至航道邊線的安全距離，m，可取0.34～0.40倍航跡帶寬度；BS為船舶寬度，m；L為貨船長度，m；β為船舶航行偏航角(°)，取3°。通過計算，5 000 t級海船單向航道寬度為44.7 m。

方案一和方案二均滿足航道寬度的要求。

4.3.5 方案比選

2個方案中，第六孔航道布置調(diào)整后，通航凈寬、航道寬度均滿足有關(guān)標準、規(guī)范的要求，既減小了航道軸線與水流流向的交角，使航道更加順直，又適當加大設標寬度，拓寬航道上段喇叭口布置形態(tài)，有利于船舶和橋區(qū)通航安全。理論上2個方案均可行(表6)。

表6 方案一與方案二參數(shù)對比Tab.6 Comparison of parameters between Scheme 1 and 2

(1)比較航道軸線與水流流向最大交角值和交角變化范圍。

方案一的交角由#3對浮處4.5°，過渡到#2對浮處3.9°，再到#1對浮處4.0°，交角變化幅度分別為0.6°、0.1°；方案二的交角由#3對浮處5.1°，過渡到#2對浮處2.7°，再到#1對浮處4.0°，交角變化幅度分別為2.4°、1.3°。方案一的最大交角值和交角變化范圍均小于方案二，且方案一的航道軸線較方案二更加平順。方案一較方案二更加適應水流流態(tài)，更有利于船舶通過大橋時的操縱。

(2)比較航道平面形態(tài)。

方案一和方案二的航道均以橋軸線為基點，向上游方向逐步增大，符合《長江干線橋區(qū)和航道整治建筑物助航標志》5.2.3條規(guī)定。最大航道寬度：方案一為230 m，方案二為220 m，均位于第六孔航道上端#3對浮處。方案一的喇叭口形狀較方案二更加寬闊，更利于船舶由上游駛?cè)氲诹缀降馈?/p>

(3)比較對其他通航橋孔的影響。

方案一未對第四孔、第八孔航道布置造成影響；方案二由于需要調(diào)整#3左右通航浮，會影響第八孔現(xiàn)有航道布置，可能會對沿第八孔航道下行通過大橋的船舶造成影響。

綜上所述，方案一優(yōu)于方案二，推薦方案一。

4.4 對橋區(qū)船舶安全航行的影響

第六孔航標配布調(diào)整后，在優(yōu)化第六孔航道布置、改善橋區(qū)通航條件的同時，未改變六孔航道船舶航行習慣和第四孔、第八孔現(xiàn)有航道布置，有利于橋區(qū)船舶安全航行。

5 結(jié)語

(1)受橋跨布置、橋區(qū)水流流態(tài)等因素影響，目前南京長江大橋第六孔航道布置與航標配布不能完全滿足船舶通航需要，對橋區(qū)航道維護和通航安全造成一定影響。因此，適當優(yōu)化第六孔航道布置，對減少航標被碰和保證橋區(qū)航道暢通是十分必要的。

(2)南京長江大橋水道近年來河勢基本穩(wěn)定，未發(fā)生劇烈變化。洪水期橋區(qū)水流流速增大、流向與大橋軸線法線的交角增大，致使第六孔航道航標被碰頻繁。為改善航道通航條件，宜在符合國家有關(guān)標準、規(guī)范的前提下，結(jié)合航道布置現(xiàn)狀與水流分布情況，科學合理地調(diào)整第六孔航道布置。

(3)提出了2個航道布置優(yōu)化方案。經(jīng)過比選，選定方案一為推薦方案，即調(diào)整第六孔航道左側(cè)的#2白浮、#3白燈船，減少航道軸線與水流流向交角、進一步順直航道，適當加大設標寬度，拓寬航道上段喇叭口寬度，并避免對其他通航橋孔造成影響，從而改善橋區(qū)航道通航條件，有利于橋區(qū)船舶安全航行。