南京长江大桥第六孔航道布置优化研究

史 卿

(长江南京航道局，南京 210011)

南京长江大桥(以下简称“大桥”)位于长江干线下游南京段，自1968年12月建成以来，已历经49 a。大桥桥区航道历来是长江航运的重要通道，目前开放了第四孔、第六孔、第八孔3个通航桥孔。近年来，国家致力于依托长江黄金水道，建设通江达海的综合交通运输体系，打造长江经济带[1]。受桥跨布置、水流流态、船舶流量等因素影响，第六孔航道航标被碰频繁，给航道维护带来了较大压力，对桥区航道通航安全造成了一定影响。因此，优化第六孔航道布置，对指引船舶安全通航具有十分重要的意义。

本文介绍了大桥桥区航道概况、航道布置与航标配布及维护情况，研究分析了第六孔航道布置优化方案，为切实保障桥区航道通航安全提供参考。

1 航道概况

大桥处于长江干线南京长江大桥水道，上接南京水道，下临长江主汊草鞋峡水道和支汊宝塔水道的分汊处。南京长江大桥水道上起中山码头(下游航道里程341.7 km)，下迄西方角(下游航道里程347.8 km)，全长约6.1 km。该航段船舶流量较大，有关数据统计表明，通过大桥水域的船舶日均达2 300艘次，高峰时日通行量接近3 000艘次[2]。

1.1 自然条件

该水道呈顺直微弯河型，大桥以上河段河床窄深，大桥以下河段河道逐渐展宽。两岸码头密布，大桥下游南岸侧设有上元门锚地。

航道水深条件优良，平均河宽在1.5 km左右，平均水深约25 m，主流居中并偏右岸侧。

1.2 通航桥孔开放情况

大桥自左岸起算共9墩10孔，目前开放了第四孔、第六孔、第八孔3个通航桥孔。除去桥墩及水下围堰所占据的宽度，3个通航桥孔宽度均为144 m。

1.3 航道维护尺度

1.3.1 航道维护水深

近年来，大桥所在的芜湖至南京河段航道维护尺度得到了多次提高，并根据国家批复的航道养护计划，实行分月维护水深。

自2011年7月5日起，航道维护水深每年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 分月航道维护水深Tab.1 Monthly waterway maintenance depths m

1.3.2 桥梁通航净空尺度

(1)净空宽度：大桥通航净空宽度为120 m。

(2)净空高度：桥下通航净空高度为设计最高通航水位以上24 m。

2 航道布置与航标配布情况

2.1 航道布置

根据通航桥孔开放情况，航道布置自左到右依次为：第四孔上水航道、第六孔下水航道和第八孔下水航道，综合考虑通航净宽及航标本身的最小安全航行距离，最小航道宽度均为140 m。

其中，第四孔上水航道供上行机动船(队)通航；第六孔下水航道供294 kW(400匹马力)以上的下行单船、顶推船队选择通航；第八孔下水航道供下行机动船(队)通航。

为有效区分第六孔、第八孔航道及航标，保持第四孔航道与第六孔航道适当的距离，并为今后第五孔可能开通为通航桥孔[4]预留空间，第六孔航道现状下未采用喇叭形态布置(图1)。

图1 大桥航道布置示意Fig.1 Waterway layout of Nanjing Yangtze River Bridge

2.2 航标配布情况

桥区航道实行一类航标配布，3个通航桥孔均采用在航道两侧连续配布侧面标标示航道界限的方式，共配布有16座助航标志，类型均为浮标。

其中，第四孔航道配布2对半(5座)航标，第六孔航道配布3对(6座)航标(#3左右通航浮与第八孔航道共用)，第八孔航道配布2对半(5座航标)(表2)。

表2桥区航道航标配布

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

航标配布情况第四孔航道第六孔航道第八孔航道第1对航标设标间距140140140距桥轴线距离300200200第2对航标设标间距160160150距桥轴线距离600600600第3对航标设标间距仅设第四孔#1白浮210200距桥轴线距离1 0001 3001 350

3 航道演变与影响

3.1 河床变化情况

大桥水道位于上游梅子洲汊道汇流区以下，水流过梅子洲尾后走势顺直平缓。20世纪50年代对两岸岸线实施了沉排守护工程，之后河势基本稳定，河床与岸线均未发生剧烈变化[4]。自2000年以来，10 m和20 m深槽始终贯通，平面形态稳定。2017年6月测图显示，10 m等深线宽度在1 100 m以上，20 m等深线最小宽度约790 m。

3.2 水流变化情况

2014～2017年中、洪水期桥区航道表面流速流向观测资料表明，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之间，水流流向与大桥轴线法线方向始终存在一定交角，角度值在1.8°～7.3°之间。一般而言，水位越高，流速越大；除个别月份以外，当水位超过4 m时，第六孔航道水流最大流速均达到2 m/s以上(表3)。

表3 桥区流速流向统计Tab.3 Statistics on velocity and direction of flow in bridge area

注：表中交角为水流流向与大桥轴线法线方向交角。

3.3 水流条件对航道航标的影响

2014～2017年桥区航标被碰统计资料表明，第六孔航道航标被碰次数为13～31次/a，平均值为21.25次/a，明显多于第四孔、第八孔航道。

洪水期间，第六孔航道水流流速较大，且流向与大桥轴线法线交角较大，航标被碰次数8～21次/a，平均值为15次/洪水期，占第六孔航道年均航标被碰次数的比例超过70%。2016年和2017年，由于洪水位较高，洪水期航标被碰次数明显多于其他年份(表4)。

表4 桥区航标被碰统计Tab.4 Statistics on crashed aids to navigation for bridge area

部分船舶沿第六孔航道分中驶过#3对浮后，由于不了解水流流态情况，驾引人员未及时调整操纵，艏向与水流流向不一致。洪水期流速较大，受偏向右岸侧的水流推压作用，船位逐步偏向右侧，待察觉时往往已调整不及或调向过度，致使船舶碰撞#2对浮或#1对浮。图2示意了2017年洪水期某船舶通过第六孔航道过程中碰撞#2红浮的AIS航行轨迹。

图2 某船舶AIS航行轨迹示意Fig.2 The AIS tracking diagram of a ship

综上所述，洪水期水流流速增大、流向与大桥轴线法线交角增大，易导致航标被碰，并对船舶安全通航造成影响。因此，有必要对第六孔航道布置进行调整，优化桥区航道条件。

4 航道布置调整方案研究

4.1 航道布置调整原则

(1)符合《内河通航标准》、《长江干线通航标准》、《长江干线桥区和航道整治建筑物助航标志》、《南京长江大桥水上交通安全管理规定》等标准、规范及规定要求；

(2)减小第六孔航道轴线与水流流向的交角，使航道更加顺直；

(3)适当加大第六孔航道浮标设标宽度，拓宽航道上段喇叭口形态，更利于船舶驶入桥区航道。

4.2 方案设计

航道布置的调整，主要反映在航标配布的调整。通过合理调整助航标志的位置，可有效改善航道通航条件[5]。由于第六孔航道界限由两侧侧面标标示，可基于调整单侧航标配布和双侧航标配布2种思路，研究航道布置调整方案。根据上述航道布置调整原则，以第六孔航道布置现状为基础，提出如下2个方案。

(1)方案一。

调整第六孔航道单侧航标配布，将第六孔航道左侧的#2白浮、#3白灯船向左横向调整10 m、20 m，其它航标位置不变，调整后#2、#3对浮间距(航宽)增加至170 m、230 m。

(2)方案二。

调整第六孔航道双侧航标配布，将第六孔航道左侧的#2白浮、#3白灯船向左横向调整20 m，并将右侧的#3左右通航浮向左横向调整10 m。

4.3 方案计算和比选

4.3.1 计算依据

《内河通航标准》(GB 50139-2014)和《长江干线通航标准》(JTS180-4-2015)中，对代表船型、航道水深、通航净空尺度等进行了规定。《长江干线通航标准》(JTS180-4-2015)是在《内河通航标准》(GB 50139-2014)的基础上，参考相关标准、规范，根据长江干线航道条件与船舶、港口、通航环境等实际情况编制，故主要依据《长江干线通航标准》(JTS180-4-2015)进行计算。

4.3.2 代表船型

经查询相关资料，南京长江大桥无设计代表船型。参照上游大胜关长江大桥、南京长江三桥的设计代表船型均为5 000 t级海船[6]，因此选定5 000 t级海船作为代表船型。

根据《长江干线通航标准》规定，5 000 t级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

根据《长江干线通航标准》B.0.1，航道水深可按下式计算

H=T+ΔH

(1)

式中:H为航道水深，m；T为船舶吃水，m；ΔH为富裕水深，m。5 000 t级海船对应航道等级为Ⅰ-3级，富裕水深ΔH取值为0.7 m。

经计算，5 000 t级海轮计算航道水深为7.7 m。目前全年最小航道维护水深为9.0 m，满足航道水深要求。

4.3.4 航道宽度

(1)通航净宽。

第六孔航道实施单孔单向通航，根据《长江干线通航标准》附录C.0.1规定，通航净宽可按下式计算

Bm1=BF+ΔBm+Pd

(2)

BF=BS+Lsinβ

(3)

式中:Bm1为单孔单向通航净宽，m；BF为船舶航迹带宽度，m；ΔBm为船舶与两侧桥墩间的富裕宽度，m，Ⅰ级航道取0.6倍航迹带宽度；Pd为下行船舶偏航距，m，按表C.0.1取值；BS为船舶宽度，m；L为货船长度，m；β为船舶航行偏航角(°)，取6°。

方案一和方案二中，调整后航道轴线与水流流向交角均小于大桥轴线法线方向与水流流向最大交角6.1°，则最大横向流速vx=3.27×sin7.3°=0.42 m/s。根据附录C.0.2，当大桥轴线法线方向与水流流向交角大于5°，且横向流速大于0.3 m/s时，单向通航净宽应考虑增加值根据表C.0.2，采用内插法，通航净宽增加值取36 m。通过计算，5 000 t级海船单向通航净宽为85.3 m。

方案一和方案二均满足通航净宽的要求。

(2)直线段航道宽度。

根据《南京长江大桥水上交通安全管理规定》第十一条，在大桥航道上过桥船舶必须顺序前进，并保持适当安全距离，不准追越和齐头并进。根据《长江干线通航标准》附录B.0.2规定，直线段航道宽度可按单线航道计算

B1=BF+2d

(4)

BF=BS+Lsinβ

(5)

式中:B1为单线航道宽度，m；BF分别为船舶航迹带宽度，m；d为船舶外舷至航道边线的安全距离，m，可取0.34～0.40倍航迹带宽度；BS为船舶宽度，m；L为货船长度，m；β为船舶航行偏航角(°)，取3°。通过计算，5 000 t级海船单向航道宽度为44.7 m。

方案一和方案二均满足航道宽度的要求。

4.3.5 方案比选

2个方案中，第六孔航道布置调整后，通航净宽、航道宽度均满足有关标准、规范的要求，既减小了航道轴线与水流流向的交角，使航道更加顺直，又适当加大设标宽度，拓宽航道上段喇叭口布置形态，有利于船舶和桥区通航安全。理论上2个方案均可行(表6)。

表6 方案一与方案二参数对比Tab.6 Comparison of parameters between Scheme 1 and 2

(1)比较航道轴线与水流流向最大交角值和交角变化范围。

方案一的交角由#3对浮处4.5°，过渡到#2对浮处3.9°，再到#1对浮处4.0°，交角变化幅度分别为0.6°、0.1°；方案二的交角由#3对浮处5.1°，过渡到#2对浮处2.7°，再到#1对浮处4.0°，交角变化幅度分别为2.4°、1.3°。方案一的最大交角值和交角变化范围均小于方案二，且方案一的航道轴线较方案二更加平顺。方案一较方案二更加适应水流流态，更有利于船舶通过大桥时的操纵。

(2)比较航道平面形态。

方案一和方案二的航道均以桥轴线为基点，向上游方向逐步增大，符合《长江干线桥区和航道整治建筑物助航标志》5.2.3条规定。最大航道宽度：方案一为230 m，方案二为220 m，均位于第六孔航道上端#3对浮处。方案一的喇叭口形状较方案二更加宽阔，更利于船舶由上游驶入第六孔航道。

(3)比较对其他通航桥孔的影响。

方案一未对第四孔、第八孔航道布置造成影响；方案二由于需要调整#3左右通航浮，会影响第八孔现有航道布置，可能会对沿第八孔航道下行通过大桥的船舶造成影响。

综上所述，方案一优于方案二，推荐方案一。

4.4 对桥区船舶安全航行的影响

第六孔航标配布调整后，在优化第六孔航道布置、改善桥区通航条件的同时，未改变六孔航道船舶航行习惯和第四孔、第八孔现有航道布置，有利于桥区船舶安全航行。

5 结语

(1)受桥跨布置、桥区水流流态等因素影响，目前南京长江大桥第六孔航道布置与航标配布不能完全满足船舶通航需要，对桥区航道维护和通航安全造成一定影响。因此，适当优化第六孔航道布置，对减少航标被碰和保证桥区航道畅通是十分必要的。

(2)南京长江大桥水道近年来河势基本稳定，未发生剧烈变化。洪水期桥区水流流速增大、流向与大桥轴线法线的交角增大，致使第六孔航道航标被碰频繁。为改善航道通航条件，宜在符合国家有关标准、规范的前提下，结合航道布置现状与水流分布情况，科学合理地调整第六孔航道布置。

(3)提出了2个航道布置优化方案。经过比选，选定方案一为推荐方案，即调整第六孔航道左侧的#2白浮、#3白灯船，减少航道轴线与水流流向交角、进一步顺直航道，适当加大设标宽度，拓宽航道上段喇叭口宽度，并避免对其他通航桥孔造成影响，从而改善桥区航道通航条件，有利于桥区船舶安全航行。