南京長(zhǎng)江大橋第六孔航道布置優(yōu)化研究

史 卿

(長(zhǎng)江南京航道局，南京 210011)

南京長(zhǎng)江大橋(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“大橋”)位于長(zhǎng)江干線下游南京段，自1968年12月建成以來(lái)，已歷經(jīng)49 a。大橋橋區(qū)航道歷來(lái)是長(zhǎng)江航運(yùn)的重要通道，目前開(kāi)放了第四孔、第六孔、第八孔3個(gè)通航橋孔。近年來(lái)，國(guó)家致力于依托長(zhǎng)江黃金水道，建設(shè)通江達(dá)海的綜合交通運(yùn)輸體系，打造長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)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(biāo)被碰頻繁，給航道維護(hù)帶來(lái)了較大壓力，對(duì)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(duì)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(biāo)配布及維護(hù)情況，研究分析了第六孔航道布置優(yōu)化方案，為切實(shí)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(zhǎng)江干線南京長(zhǎng)江大橋水道，上接南京水道，下臨長(zhǎng)江主汊草鞋峽水道和支汊寶塔水道的分汊處。南京長(zhǎng)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(zhǎng)約6.1 km。該航段船舶流量較大，有關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表明，通過(guò)大橋水域的船舶日均達(dá)2 300艘次，高峰時(shí)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(shè)有上元門(mén)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(kāi)放情況

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

1.3 航道維護(hù)尺度

1.3.1 航道維護(hù)水深

近年來(lái)，大橋所在的蕪湖至南京河段航道維護(hù)尺度得到了多次提高，并根據(jù)國(guó)家批復(fù)的航道養(yǎng)護(hù)計(jì)劃，實(shí)行分月維護(hù)水深。

自2011年7月5日起，航道維護(hù)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(hù)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(shè)計(jì)最高通航水位以上24 m。

2 航道布置與航標(biāo)配布情況

2.1 航道布置

根據(jù)通航橋孔開(kāi)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(biāo)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(jī)動(dòng)船(隊(duì))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(duì)選擇通航；第八孔下水航道供下行機(jī)動(dòng)船(隊(duì))通航。

為有效區(qū)分第六孔、第八孔航道及航標(biāo)，保持第四孔航道與第六孔航道適當(dāng)?shù)木嚯x，并為今后第五孔可能開(kāi)通為通航橋孔[4]預(yù)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(biāo)配布情況

橋區(qū)航道實(shí)行一類(lèi)航標(biāo)配布，3個(gè)通航橋孔均采用在航道兩側(cè)連續(xù)配布側(cè)面標(biāo)標(biāo)示航道界限的方式，共配布有16座助航標(biāo)志，類(lèi)型均為浮標(biāo)。

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

表2橋區(qū)航道航標(biāo)配布

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

航標(biāo)配布情況第四孔航道第六孔航道第八孔航道第1對(duì)航標(biāo)設(shè)標(biāo)間距140140140距橋軸線距離300200200第2對(duì)航標(biāo)設(shè)標(biāo)間距160160150距橋軸線距離600600600第3對(duì)航標(biāo)設(shè)標(biāo)間距僅設(shè)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(guò)梅子洲尾后走勢(shì)順直平緩。20世紀(jì)50年代對(duì)兩岸岸線實(shí)施了沉排守護(hù)工程，之后河勢(shì)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(lái)，10 m和20 m深槽始終貫通，平面形態(tài)穩(wěn)定。2017年6月測(cè)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(cè)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(gè)別月份以外，當(dāng)水位超過(guò)4 m時(shí)，第六孔航道水流最大流速均達(dá)到2 m/s以上(表3)。

表3 橋區(qū)流速流向統(tǒng)計(jì)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(duì)航道航標(biāo)的影響

2014～2017年橋區(qū)航標(biāo)被碰統(tǒng)計(jì)資料表明，第六孔航道航標(biāo)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(biāo)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(biāo)被碰次數(shù)的比例超過(guò)70%。2016年和2017年，由于洪水位較高，洪水期航標(biāo)被碰次數(shù)明顯多于其他年份(表4)。

表4 橋區(qū)航標(biāo)被碰統(tǒng)計(jì)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(guò)#3對(duì)浮后，由于不了解水流流態(tài)情況，駕引人員未及時(shí)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(jué)時(shí)往往已調(diào)整不及或調(diào)向過(guò)度，致使船舶碰撞#2對(duì)浮或#1對(duì)浮。圖2示意了2017年洪水期某船舶通過(guò)第六孔航道過(guò)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(dǎo)致航標(biāo)被碰，并對(duì)船舶安全通航造成影響。因此，有必要對(duì)第六孔航道布置進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)》、《長(zhǎng)江干線通航標(biāo)準(zhǔn)》、《長(zhǎng)江干線橋區(qū)和航道整治建筑物助航標(biāo)志》、《南京長(zhǎng)江大橋水上交通安全管理規(guī)定》等標(biāo)準(zhǔn)、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(dāng)加大第六孔航道浮標(biāo)設(shè)標(biāo)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(shè)計(jì)

航道布置的調(diào)整，主要反映在航標(biāo)配布的調(diào)整。通過(guò)合理調(diào)整助航標(biāo)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(biāo)標(biāo)示，可基于調(diào)整單側(cè)航標(biāo)配布和雙側(cè)航標(biāo)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(gè)方案。

(1)方案一。

調(diào)整第六孔航道單側(cè)航標(biāo)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(biāo)位置不變，調(diào)整后#2、#3對(duì)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(biāo)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(jì)算和比選

4.3.1 計(jì)算依據(jù)

《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50139-2014)和《長(zhǎng)江干線通航標(biāo)準(zhǔn)》(JTS180-4-2015)中，對(duì)代表船型、航道水深、通航凈空尺度等進(jìn)行了規(guī)定?！堕L(zhǎng)江干線通航標(biāo)準(zhǔn)》(JTS180-4-2015)是在《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50139-2014)的基礎(chǔ)上，參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范，根據(jù)長(zhǎng)江干線航道條件與船舶、港口、通航環(huán)境等實(shí)際情況編制，故主要依據(jù)《長(zhǎng)江干線通航標(biāo)準(zhǔn)》(JTS180-4-2015)進(jìn)行計(jì)算。

4.3.2 代表船型

經(jīng)查詢相關(guān)資料，南京長(zhǎng)江大橋無(wú)設(shè)計(jì)代表船型。參照上游大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋、南京長(zhǎng)江三橋的設(shè)計(jì)代表船型均為5 000 t級(jí)海船[6]，因此選定5 000 t級(jí)海船作為代表船型。

根據(jù)《長(zhǎng)江干線通航標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，5 000 t級(jí)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(zhǎng)江干線通航標(biāo)準(zhǔn)》B.0.1，航道水深可按下式計(jì)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(jí)海船對(duì)應(yīng)航道等級(jí)為Ⅰ-3級(jí)，富裕水深ΔH取值為0.7 m。

經(jīng)計(jì)算，5 000 t級(jí)海輪計(jì)算航道水深為7.7 m。目前全年最小航道維護(hù)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(shí)施單孔單向通航，根據(jù)《長(zhǎng)江干線通航標(biāo)準(zhǔn)》附錄C.0.1規(guī)定，通航凈寬可按下式計(jì)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(jí)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(zhǎng)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(dāng)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(shí)，單向通航凈寬應(yīng)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(guò)計(jì)算，5 000 t級(jí)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(zhǎng)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(guò)橋船舶必須順序前進(jìn)，并保持適當(dāng)安全距離，不準(zhǔn)追越和齊頭并進(jìn)。根據(jù)《長(zhǎng)江干線通航標(biāo)準(zhǔn)》附錄B.0.2規(guī)定，直線段航道寬度可按單線航道計(jì)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(zhǎng)度，m；β為船舶航行偏航角(°)，取3°。通過(guò)計(jì)算，5 000 t級(jí)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(gè)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(biāo)準(zhǔn)、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(dāng)加大設(shè)標(biāo)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(gè)方案均可行(表6)。

表6 方案一與方案二參數(shù)對(duì)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(duì)浮處4.5°，過(guò)渡到#2對(duì)浮處3.9°，再到#1對(duì)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(duì)浮處5.1°，過(guò)渡到#2對(duì)浮處2.7°，再到#1對(duì)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(yīng)水流流態(tài)，更有利于船舶通過(guò)大橋時(shí)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(diǎn)，向上游方向逐步增大，符合《長(zhǎng)江干線橋區(qū)和航道整治建筑物助航標(biāo)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(duì)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(duì)其他通航橋孔的影響。

方案一未對(duì)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(huì)影響第八孔現(xiàn)有航道布置，可能會(huì)對(duì)沿第八孔航道下行通過(guò)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(duì)橋區(qū)船舶安全航行的影響

第六孔航標(biāo)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(shí)，未改變六孔航道船舶航行習(xí)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(yǔ)

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

(2)南京長(zhǎng)江大橋水道近年來(lái)河勢(shì)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(biāo)被碰頻繁。為改善航道通航條件，宜在符合國(guó)家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、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(xué)合理地調(diào)整第六孔航道布置。

(3)提出了2個(gè)航道布置優(yōu)化方案。經(jīng)過(guò)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(jìn)一步順直航道，適當(dāng)加大設(shè)標(biāo)寬度，拓寬航道上段喇叭口寬度，并避免對(duì)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。