南京棲霞山長江大橋（原南京長江第四大橋，以下簡稱棲霞山大橋）是南京繞城高速公路的過江通道和重要組成部分，大橋位於南京長江第二大橋下遊約10公裡處。棲霞山大橋主橋為雙塔三跨鋼箱梁懸索橋，其跨徑布置為576.2+1418+481.8=2476米，大橋於2008年12月開工建設,2012年12月建成通車。
棲霞山大橋橫跨長江，是重要的交通樞紐。大橋的建成給兩岸的生產及生活帶來交通便利，也給橋梁的管理養護帶來了巨大的挑戰。截至2020年6月底，棲霞山大橋累計交通通行量為8082萬輛，其中貨車約2779萬輛，佔比為34%。當前日均交通量約為35000輛，近期統計數據表明，平均每天約有300輛危化品車輛要從大橋通過。
在大橋建設期，為防止危化品運輸車輛洩漏及汙染長江水體，在主橋橋面上各洩水孔安裝了不鏽鋼材質的排水蓋板（見圖1），共計552個。
圖1 主橋橋面的不鏽鋼排水蓋板
為避免雨水在橋面積聚，排水蓋板平時處於開啟狀態。當有危化品洩漏等特殊情況發生時，需要人工進行關閉，關閉實施的過程中存在安全和應急時效性差等問題。
排水系統的管養「痛點」
大量危化品運輸車輛通行
由於地域的特殊性，棲霞山大橋毗鄰化工園區及倉儲區，為南京市內主要化工品車輛過江通道，也是過境危化品車輛的主要通道之一。根據2019年10月30日至11月6日的危化品車輛通行情況統計：7天內總計通行2120輛危化品車輛，其中易燃易爆為1617輛，有毒127輛，易腐蝕為261輛，不燃115輛，如圖2所示。
圖2 棲霞山大橋一周內危化品車輛通行狀況
由此可以看出，大量的危化品運輸車輛在大橋上通行，因而危化品發生洩漏的風險較大。
排水板蓋缺陷
棲霞山大橋橋址距離二級水源保護區上遊邊界約2.5公裡，距離一級水源保護區上遊邊界約6公裡。在一級水源保護區內有南京市龍潭水廠的取水口，根據政府規定需作重點保護。棲霞山大橋與龍潭飲用水水源保護區的位置關係，如圖3所示。
圖3 棲霞山大橋與龍潭飲用水水源保護區的位置關係
根據原有的管理流程，排水蓋板始終處於開啟的時候，能有效降低橋面積水，避免車輛在橋面出現打滑現象。但在實際管理使用過程中，原有排水蓋板的管養過程存在以下幾點不足：
（1）易產生二次洩漏
原排水蓋板直接與瀝青路面接觸，存在較大間隙，封閉不嚴，在危化品洩漏後可能直接排入長江汙染水源。
（2）應急管理流程問題
由於排水蓋板處於開啟狀況，此時若發生危化品洩漏，有關工作人員必須奔赴現場去關閉蓋板。但從危化品洩漏處置的應急管理要求來看，所有人員都應儘快撤離，而人工關閉蓋板的安排則顯得不夠合理。
（3）人工操作效率不高
若涉及關閉多個排水蓋板，工程量較大，而人工操作效率低下，耗時又多，基本無法滿足應急處置的要求。
（4）較大的安全隱患
排水蓋板均勻分布於2476米長的主橋橋面，橋面常有高速通行的車輛。即便不考慮危險品的洩漏風險，工作人員乘坐工程車上路手動啟閉蓋板時，亦會影響其他車輛通行，存在較大的交通安全隱患。
蓋板的智能化改造
為了解決排水蓋板養護管理的痛點，經充分調研，大橋管理單位探索實施棲霞山大橋主橋面排水蓋板智能化改造，擬採用低壓氣動控制蓋板啟閉，開發專用軟體實現開閉動作的自動化控制，目標是為了消除危化品車輛洩漏後直排入江的安全隱患。
改造方案比選
經調研，相關人員主要對電動閥門控制和低壓氣動控制兩種方案展開討論，最終選擇後者。兩種改造方案的對比情況可見表1。
低壓氣動控制方案
低壓氣動方案採用分段分區域控制，以跨中和橋中線，將主橋橋面劃分為4個區域。在兩橋塔處各安裝兩套防爆控制電櫃及動力氣源，控制方式為氣動控制，即採用氣缸來控制排水蓋板的開啟與關閉。其中，A、B區域共用控制系統C1#， C、D區域共用控制系統C2#。兩套控制系統通過GPRS與監控室進行數據交換與控制。該方案應用兩種工作模式：
（1）遠程無線控制。在監控室通過GPRS無線監控A、B、C、D各區域排水蓋板的啟閉狀態，同時監測各路氣壓。如果氣壓不足，系統會發出報警信號（見圖4）。
圖4 第一種模式：遠程無線控制
（2）現場手動控制。根據現場情況，可選擇現場手動控制，分別控制A、B、C、D區域排水蓋板的啟閉狀態（見圖5）。需要說明的是，正常情況下蓋板是打開狀態，只有出現危化品洩漏，才會將其關閉。
圖5 第二種模式：現場手動控制方式
採用本方案具有以下優點：
（1）橋面採用氣壓傳動，無火花且無汙染，安全環保。
（2)專門開發軟體並通過4G、5G網絡遠程控制，先進可靠。
（3）現場設有手動控制模式，方便應急處理。
（4）可用手機簡訊、APP、雲平臺遠程控制，靈活機動。
（5）建立資料庫管理，便於數據追蹤。
（6）可根據用戶需求，未來加裝智能檢測裝置、升級控制系統，例如可根據雨量、通行量等數據信息，實現更加安全、可靠的數位化、信息化、智能化的智慧交通與智慧橋梁管理與控制。
關鍵技術與實施效果
關鍵技術
根據橋面跨度大、排水蓋板分布廣的特點，在控制方式上採用分段分區域控制。其目的是當一個區間關閉時，不影響其他區域正常工作，確保各系統的穩定性和及時性，同時便於分區域檢修和監控。在區域劃分上結合橋面橋塔的位置、蓋板的分布、控制系統的位置安放綜合考慮。針對突出問題，管養單位制定應對措施，涉及以下幾項關鍵技術：
（1）重新設計運行方式
①設計控制方式。開啟為常態，緊急情況下關閉；實時監測，對資料庫進行統一管理。
②分段分區域控制。每個區域單獨控制，互不影響，也便於分區域檢修和監測。全橋四個區域，共計552個排水蓋板，每個區域138個，實現分段分區域控制。
③開發專用控制系統。自主開發研製自動化控制系統，採用西門子PLC控制系統、GPRS無線通訊，設置遠程無線控制和現場手動控制方式。在優先級方面，設置現場手動控制方式為最高級別，方便根據實際情況進行應急處理。系統方框圖如圖6所示。
圖6 控制系統方框圖
（2）增強防水密閉性
拆下原排水蓋板，在蓋板外輪廓內側加裝矽膠類密封圈（如圖7所示）。密封圈材質為矽膠，可耐200攝氏度以上高溫，具有較強的抗腐蝕、抗老化、低溫柔韌性。加裝密封圈後，蓋板關閉時可實現良好的密閉效果，在寒冷冬季亦不失效。
圖7 排水蓋板密封
（3）保證系統功能性
由於原洩水孔、排水蓋板日久損壞，對可以修復的加以維修，對於破損嚴重的器件，需要重新製作蓋板或直接更換，如圖8所示。
圖8 排水蓋板維修與更換
（4）創新管養方式
由於開發了遠程監測軟體，管養方式發生了變化。操作人員在監控大廳就可以實現遠程監測與控制，在發生事故時亦不必奔赴現場，保障人身安全。為便於應急處理，在橋塔內控制電櫃、橋塔外手動按鈕箱均安裝手動操作裝置，提高了系統的穩定性與安全性，如圖9所示。
圖9 遠程監控與現場手動控制
實施效果
根據改造方案目標，管養單位對排水蓋板控制系統進行設計，並經現場施工和調試，控制系統於2020年6月中投入試運行（圖10）。
圖10 現場及遠程調試
2020年6月23日，棲霞山大橋管理單位在大橋上組織開展危化品車輛過橋應急演練，如圖11所示。經現場實際測試，主橋排水蓋板氣動控制系統單區域氣壓在0.4-0.6MPa時，氣缸就能快速啟閉，排水蓋板分區域控制正確、動作無誤、反應迅速（如圖12），最快6秒鐘就可完成蓋板關閉。經實際檢驗，所有參數均達到既定目標，排水蓋板自動控制系統達到設計預期，能滿足大橋應急管養之用。
圖11 危化品車輛過橋應急演練
圖12 現場關閉效果
經本次改造工程的建成及投用，解決了棲霞山大橋原有排水蓋板需要手動操作及效率低等問題，有效防範危化品事故車輛洩漏直排長江等風險，保護長江水體和下遊集中式飲用水水源地，提高應急處置效率和能力。
在排水蓋板的智能化控制方面，充分運用先進物聯網技術，對原運行控制方式進行重新定義與設計，並專門開發智能控制系統，可實現遠程控制與資料庫全程實時監測管理。為了確保安全，在現場設置最高級別的手動控制裝置。
該項目是國內跨江大橋排水系統管養技術與控制方式的革新，是將現代控制技術與物聯網技術有效結合的成功案例，亦為此類技術在跨江大橋排水系統上的首次應用，為同類跨江跨海大橋的科學管養，提供了借鑑與指導。
本文刊載 / 《大橋養護與運營》雜誌 2020年 第4期 總第12期
作者 / 李金橋 倪修勤 張鵬飛
作者單位 / 南京長江第四大橋有限責任公司
中交公路規劃設計院有限公司