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渡江准备工作中的战役、战术侦察，刘伯承也付出了大量的心血。从派出先遣军扫除敌人在江北的掩护阵地起，他就强调了侦察的重要性。以后他又直接部署了野战军的战略侦察和战役侦察，指示司令部通过各种手段，包括派人偷渡，尽力搜集长江南岸的敌情，实地研究长江地形、水情，绘制出渡江作战地图。对于长江的水位、流速、暗礁、浅滩、江洲、航线，天候的晦晴、风向；两岸的地势、土质；以及船只的航速、性能、载人量；人马上下船的时间，拖拉船只所需的时间、人力等，他都要求进行细密的观察、记载，实地试验，精确计算，并依据其结果制订出适当的计划和具体的动作。
对各部队的战术侦察，他指示必须“派出于部观察，携带望远镜、察明江幅、江洲，尤其是南岸地形、工事、敌人配置，对于所发现目标在何地如何动作，都应登记下来，作为判断、决心的基矗”他认为“这种观察的侦察与战斗的侦察结合起来作用更大”。对于渡江的步、炮、工兵等组织协同动作，他也指示“应由相关干部在实地侦察中实施之。”根据刘伯承的指示，各级指挥机关组织了观察所，昼夜不停地进行观察，结合实地侦察，掌握到许多重要的敌情和长江水文地质情况，为实施渡江作战准备了可靠的资料。
3月31日，总前委书记邓小平根据中共中央、毛泽东关于“和谈以揭露敌人，备战以实施渡江”的指示，结合国民党军江防情况和第二、三野战军的兵力配置，制订了《京沪杭战役实施纲要》。决定以第二野战军组成西作战集团，以第三野战军组成中、东两个作战集团，在靖江至望江段实施渡江作战，共同协力，求歼沿江防御之敌，夺取南京、上海、杭州，占领苏南，皖南及浙江全省，前出浙赣路，彻底摧毁国民党反动统治的政治、经济中心。
另以第四野战军第十二兵团位武汉正面，在中原军区部队配合下，钳制白崇禧集团，策应第二、三野战军作战。战役计划分为渡江展开、割袭包围敌人前出浙赣路、分歼被围之敌三个阶段。邓小平强调指出，战役的关键在于东、中两集团迅速对进，打乱敌之作战体系，完成钳形合围，达成割裂包围敌人之目的。西集团着重密切协同第三野战军行动，适时以主力东进，担任攻占芜湖、夺取南京和杭州的任务，并以主力一部速出衢县地区，确实控制浙赣路一段及屯溪南北公路，断敌退路。
刘伯承遵照中共中央军委、总前委的指示，于4月8日下达了《第二野战军渡江作战基本命令》。他在分析判断了敌情多种变化的可能性后，指出：“敌人主要是扼守长江。只要我军渡江成功，无论敌人如何处置，战局的发展都将发生于我有利的变化，并有可能演变成敌人全部混乱的局面。故战斗渡江乃为京、沪、杭战役重大关键。我野战军当前江防之敌（刘汝明）较弱，又为蒋桂两系的结合部，而我军态势则处于蒋匪的侧背，成为有利的渡江突击方向。”为了便于战役进行得更为顺利，他决心以3个兵团并列在贵池至马垱间宽约200里的正面，以安庆东西地段为重点实施突破。具体部署为：第三兵团从安庆以东至棕阳段渡江，挺进歙县（徽州），截断徽杭公路，尔后沿公路东向杭州；第五兵团在安庆以两至望江段渡江，尔后速沿浮梁、婺源直出衢县，控制浙赣线，断敌退路；第四兵团于望江至马垱间渡江，尔后沿江东进，接替第三野战军第九兵团监视芜湖敌人的任务，并准备夺取南京。
各部队在成渡后，即派有力部队向两翼扩张，主动接应友邻登陆，协同作战。
第四野战军先遣兵团主力位于武汉以东，并指挥桐柏、江汉、鄂豫军区部队积极活动，牵制白崇禧集团，策应第二、三野战军渡江。
第二野战军渡江对岸的国民党军，是第八兵团刘汝明所部3个军7个师，约4万余人。其第六十八军3个师位于湖口到吉阳镇一线，第九十六军两个师位于吉阳镇至乌沙闸一线，第五十五军1个师位于乌沙闸至贵池一线。绵亘200余里的防线上，区区4万之众，面对兵精弹足的第二野战军，刘汝明白知难以抗拒，心中焦虑万分。刘伯承曾通过多种途径规劝刘汝明放弃无谓的抵抗。投到人民方面来。刘汝明执迷不悟，竟然加以拒绝。
4月20日，国民党南京政府撕下“和谈”假面具，拒绝在国共双方代表团拟就的《国内和平协定》上签字。毛泽东主席、朱德总司令随即发出“向全国进军的命令”，号召人民解放军“奋勇前进，坚决、彻底、干净、全部地歼灭中国境内一切敢于抵抗的国民党军队，解放全中国，保卫中国领土主权的独立和完整。”号令既出，第二、三野战军百万雄师，发起了声势浩大的渡江作战。第三野战军中突击集团于4月20日夜，首先在贵池至芜湖间突破，将敌长江防线拦腰斩断。第二野战军各兵团继于21日黄昏，同时在西起马垱，东至枞阳镇，约200里的宽正面上，有重点地对敌发起攻击。
第二野战军的渡江是在强大的炮火掩护下进行的。战前，刘伯承强调指出：“现代战斗的权威就是火力，而炮兵的火力就是要掩护步兵突击的成功。
我们在突破纵深阵地的战斗中，必须在每一阶段完成每一任务时尽量造成火力的优势。各种炮兵有组织而有互相联系的射击与飞雷发扬高密度的一齐发射作用极大。”据此，野战军司令部适时强化和调整了炮兵编成，除留少量炮兵对付敌人的舰队、飞机外，主要炮火都集中在第一线支援渡江，特别是集中在安庆上下流由第三、五兵团组成的主要突击地段上，正面不到30里就放列各种火炮300余门。4月21日16时，炮兵群开始试射，由于事先侦察周密和测算精确，急雨般的炮弹纷纷直接命中目标。17时30分，炮兵转入摧毁性射击，在安庆上下流的主要突击地段上，数百门大炮纷纷吐出火舌，发出震天动地的轰响。炮弹铺天盖地倾泻到对岸敌人阵地上，朵朵烟云倏忽间汇聚成浓黑的烟幕，不断地升腾和扩展着。经过整整1个小时的猛烈轰击，南岸敌人堡垒大部遭到摧毁，敌军的炮火显得极为微弱，18时30分，主渡突击基地响起了雄壮嘹亮的《人民解放军进行曲》的乐曲声。滔滔江面，霎时千船齐发，争入激流。指战员们与水手密切合作，橹翻桨飞，直冲对岸。
惊恐万状的国民党军慌乱地进行抵抗，打出一些零乱的炮弹，在江面上掀起点点水花。数架飞机赶飞上空侦察投弹，几艘炮艇前来袭扰。但在人民解放军防空、阻截、压制各类炮火的坚决还击下，飞机、炮艇连忙逃窜，对岸炮火渐渐归于沉寂。船过中流，国民党军残存的火炮和机枪再次恢复了射击，企图作最后的挣扎。突击船队立即集中各式武器予以还击，直接掩护冲锋。
勇士们发扬船自为战，舍生忘死的大无畏精神，冒着弹雨破浪前进，有的船只被击中击翻，他们边抢修边划行，有的甚至干脆跃入水中，进行泅渡。各部先头船，仅以15至30分钟的时间，即横渡长江，分头强行登陆，很快抢占了滩头阵地。由于准备充分，组织严密，第三、五兵团第一航次成功的6个步兵团，伤亡不到10人。第四兵团第十三、十五两军的突击队在彭泽上下流遭到第六十八军较为顽强的抵抗，伤亡稍大。
渡江那天，刘伯承渡过了一个不眠之夜。在作战室里，他不停地命令参谋们了解部队进展情况，计算航次、航速和过渡兵力。当第一航次报告成功时，他立即要求部队按预定方案行动。下令“一达南岸，首先是以足够兵力横扫敌人，扩大突破地段，接应友邻登陆，贯穿敌人纵深，截敌退路而兜击之。”成渡部队根据刘伯承的命令，一面分兵横扫沿江之敌，一面以主力向敌纵深挺进。后续部队则源源过江登岸，加入了对敌人的连续突击。至21日20时，已渡过了16个团，控制了宽200余里、纵深10至20里的登陆常至23日，野战军主力全部渡过长江。
第二野战军和第三野战军在千里江面全线突破，使敌人防不胜防。汤恩伯眼看江防军一触即溃，有在沿江被分割围歼的危险，就于22日下午下令总退却。芜湖以西部队向浙赣路撤退，芜湖以东部队分别向上海、杭州两个方向撤退。从22日晚起，第二野战军当面之敌刘汝明所辖3个军，纷纷从殷家汇、东流和彭泽向浮梁、祁门、石埭溃逃。安庆守敌第一七四师弃城渡江南逃，随即被追歼于吴田铺地区。第二野战军部队乘胜进占青阳、高垣、至德一线和马垱要塞，迅速肃清了据守江沿的残敌。与此同时，第三野战军连克江阴、无锡、常州、芜湖等城镇，23日，解放了国民党盘踞了22年之久的南京。至此，国民党军苦心经营3个半月的长江防线完全崩溃。第二、三野战军百万大军顺利地完成了渡江战役第一阶段的任务。
第二节千里追击
一连串的捷报传到第二野战军恫城指挥部，刘伯承望着作战地图上不断向南延伸的红色筋头和小红旗，不禁露出会心的微笑。国民党军长江防线一触即溃，这完全在他的意料之中。但溃逃如此之快，似乎超出了预想。他判断：战局虽已急转直下，但敌人仍有继续组织顽抗的可能。国民党军成建制地向南狂奔，看来是想利用钱塘江、沪杭路和浙赣路，以皖浙边山区作为依托，构成新的防线。目前京沪铁路、京杭公路已被第三野战军切断，浙赣铁路和徽杭公路就成了敌人退却的唯一通道。想到这里，刘伯承的目光移开地图，回身叫作战参谋起草给总前委的电报。他边沉思边说：“根据敌人在江防被突破演变为溃乱的趋势，黄山、鄱阳间的交通、粮食状况和我军渡江后的态势，可决定不以主力与第三野战军成交叉运动去南京地区，而以全力直出贵溪、上饶、徽州以指向浙赣路进贤至义乌之线，这样，既可以割断蒋桂两敌之联系，放松桂敌而以全力迂回蒋敌之侧背。”在总前委主持工作的陈毅、邓小平，立即复电同意他的意见。于是，取消第四兵团接管南京的任务，改沿第五兵团右侧出上饶东西地区，协同第三、五兵团歼灭浙赣线上的敌人，并视情况向东发展，扩大预定的京沪杭战役的范围。第三、五兵团仍向原定目标徽州、衢州追击，协同第三野战军钳击京沪杭地区之敌。他一再督促各兵团“排除困难，不怕疲劳，兼程前进，勿使敌逃脱”。
渡江战役的顺利发展和江南国民党军的狼狈逃窜，使指战员们十分鼓舞，但也影响到战术思想的正确运用。刘伯承在部署渡江作战的准备工作时，就预见到后一阶段的大纵深追击战是一个新课题，曾明确规定部队在过江后的作战指导上，“主力应放胆向指定地点透入挺进，贯穿敌人纵深，截敌退路�