149座堆石混凝土壩共減少二氧化碳排放超170萬(wàn)噸

從傳說(shuō)中的大禹治水開(kāi)始，治水害、興水利，歷來(lái)是興國(guó)安邦的大事。十年來(lái)，全國(guó)完成水利建設(shè)投資達(dá)到6.66萬(wàn)億元。截至2022年9月，全國(guó)重點(diǎn)推進(jìn)前期工作的55項(xiàng)重大水利工程已開(kāi)工30項(xiàng)，全國(guó)完成水利建設(shè)投資8236億元、同比增長(zhǎng)64.1%。幾十年氣壯山河的水利建設(shè)，初步形成了世界上規(guī)模最宏大的水利基礎(chǔ)設(shè)施體系，為經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、人民安居樂(lè)業(yè)提供了重要保障。

2022年10月，位于青海省海東市民和縣滿坪水庫(kù)完工。金峰團(tuán)隊(duì)把團(tuán)隊(duì)研發(fā)的科技成果“堆石混凝土壩”應(yīng)用在水庫(kù)建設(shè)中。大壩采用堆石混凝土筑壩，設(shè)計(jì)上取消溫控、減少分縫，施工過(guò)程中一體化澆筑節(jié)約工期，相較于常態(tài)混凝土壩，堆石混凝土壩減少單位二氧化碳排放三分之二甚至更低，減少單位能耗55%。

滿坪水庫(kù)的建成不僅有利維護(hù)民族團(tuán)結(jié)，解決了滿坪鎮(zhèn)、前河鄉(xiāng)及甘溝鄉(xiāng)李家村等28個(gè)村3.5萬(wàn)人口和4.77萬(wàn)頭（只）牲畜的飲水問(wèn)題，還解決了滿坪鎮(zhèn)和前河鄉(xiāng)257.47公頃水澆地灌溉缺水問(wèn)題。除此之外，它還打通了村莊與外界的聯(lián)系，不僅帶領(lǐng)當(dāng)?shù)匕傩彰撠氈赂唬€方便孩子們走出大山，擁抱更好的未來(lái)。

清華大學(xué)于上世紀(jì)九十年代開(kāi)始研究高自密實(shí)混凝土技術(shù)，為高自密實(shí)混凝土此后在建設(shè)工程中的大量應(yīng)用提供了技術(shù)支撐。滿坪水庫(kù)是青海省第一次在水庫(kù)高壩上運(yùn)用堆石混凝土，為更好保證工程質(zhì)量，施工方特委托清華大學(xué)水工實(shí)驗(yàn)室對(duì)滿坪水庫(kù)高自密實(shí)混凝土配合比進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)各項(xiàng)性能進(jìn)行試驗(yàn)。圍繞高自密實(shí)混凝土技術(shù)及其應(yīng)用，本報(bào)采訪了清華大學(xué)土木水利學(xué)院博士生導(dǎo)師金峰。

問(wèn)：您是如何想到將大塊堆石和高自密實(shí)混凝土合而為一研發(fā)成堆石混凝土，并應(yīng)用在大壩工程？

金峰：世紀(jì)之交的時(shí)候，清華大學(xué)水工學(xué)科就如何建設(shè)世界一流水工學(xué)科進(jìn)行了很多的研討。當(dāng)時(shí)，我們認(rèn)識(shí)到，只有開(kāi)展原創(chuàng)性研究才能引領(lǐng)學(xué)科發(fā)展，成為頂級(jí)學(xué)科。在混凝土壩建造領(lǐng)域，美國(guó)等西方國(guó)家發(fā)明的常態(tài)混凝土壩和碾壓混凝土壩是主流壩型，但是，水泥水化熱引起的溫度應(yīng)力超過(guò)混凝土抗裂能力，必須采用工藝復(fù)雜、造價(jià)高的溫控措施，這也是造成混凝土壩“無(wú)壩不裂”的主要原因。

清華大學(xué)教授安雪暉從日本回國(guó)任教以后，我們一起推動(dòng)了高自密實(shí)混凝土研究，特別是適合于水工大體積結(jié)構(gòu)的低成本自密實(shí)混凝土研究，但是成本仍然較高。在這個(gè)研究過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)，可以參考砌石壩，將大塊石與自密實(shí)混凝土結(jié)合起來(lái)，不僅可以大幅降低成本，而且有望取消溫控。為此，我們還專(zhuān)門(mén)向自密實(shí)混凝土的發(fā)明人、日本東京大學(xué)的Okamura教授請(qǐng)教，這個(gè)技術(shù)路線是否可行。在Okamura和中國(guó)科學(xué)院院士張楚漢的鼓勵(lì)與支持下，我們?cè)谀先A大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展了探索性試驗(yàn)研究，并最終應(yīng)用到工程中。堆石混凝土這種新型筑壩技術(shù)，可以大幅降低水泥用量，減少水化溫升，提高混凝土抗壓強(qiáng)度與抗裂能力，從根本上解決了混凝土壩 “無(wú)壩不裂”難題。特別是在石料豐富的山區(qū)壩址，采用堆石混凝土技術(shù)具有節(jié)省建筑材料，減少料場(chǎng)開(kāi)挖，降低建設(shè)成本，質(zhì)量?jī)?yōu)良，環(huán)境友好等諸多優(yōu)勢(shì)。堆石混凝土發(fā)明的過(guò)程是團(tuán)隊(duì)合作的結(jié)果。

問(wèn)：在堆石混凝土筑壩技術(shù)研究過(guò)程中，遇到和攻克了哪些難題？

金峰：堆石混凝土創(chuàng)新“堆石入倉(cāng)+自密實(shí)混凝土澆筑”筑壩技術(shù)路線，要解決的理論難題主要有兩點(diǎn)：自密實(shí)混凝土在堆石體中澆筑的密實(shí)性和堆石混凝土復(fù)合材料的力學(xué)性能。通過(guò)物理試驗(yàn)與數(shù)值模擬，我們揭示了高自密實(shí)混凝土在堆石體空隙中的流動(dòng)規(guī)律與填充阻塞機(jī)理，提出了實(shí)用的澆筑密實(shí)性評(píng)價(jià)模型，奠定了堆石混凝土施工工藝與質(zhì)量控制的基礎(chǔ)；我們還結(jié)合實(shí)際工程，系統(tǒng)測(cè)試了堆石混凝土密實(shí)度、強(qiáng)度、變形、耐久性、熱物理及動(dòng)力特性等綜合性能，建立了綜合性能指標(biāo)體系，為堆石混凝土壩設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

過(guò)去20年，我們結(jié)合實(shí)際工程，相繼發(fā)明了一體澆筑防滲層、廊道與橫縫新結(jié)構(gòu)和新構(gòu)造，與設(shè)計(jì)院合作發(fā)展了堆石混凝土拱壩不分縫整體澆筑技術(shù)。研發(fā)堆石混凝土施工信息管理系統(tǒng)，全面提升了堆石混凝土壩施工技術(shù)水平。

我們不斷擴(kuò)展堆石混凝土的應(yīng)用范圍，研發(fā)了超高強(qiáng)和高耐久性堆石混凝土，建設(shè)曲卜藏（壩頂高程3957米）等高海拔高寒地區(qū)的堆石混凝土壩；開(kāi)展小粒徑堆石混凝土研究，為堆石混凝土在抽水蓄能電站中廣泛應(yīng)用提供技術(shù)支持；利用紅層砂巖建設(shè)堆石混凝土壩，充分利用當(dāng)?shù)夭牧希M(jìn)一步降低建設(shè)成本。值得一提的是，堆石混凝土技術(shù)成功應(yīng)用在北京冬奧會(huì)塘壩工程，僅用140天完成了58米高堆石混凝土壩澆筑，保障了冬奧會(huì)人工造雪任務(wù)。

問(wèn)：堆石混凝土對(duì)環(huán)境非常友好，所用的堆石可以利用周邊的石料，實(shí)現(xiàn)了固體廢棄物的再利用，請(qǐng)問(wèn)在碳減排效益方面，堆石混凝土筑壩技術(shù)與傳統(tǒng)的筑壩技術(shù)相比，它的優(yōu)越性體現(xiàn)在哪里？

金峰：堆石混凝土筑壩技術(shù)充分利用當(dāng)?shù)厥?、?jié)約水泥、避免溫控耗能，是節(jié)能減排、環(huán)境友好的新壩型。清華大學(xué)和美國(guó)密歇根大學(xué)研究人員發(fā)展的大壩全生命周期環(huán)境影響的評(píng)價(jià)模型，通過(guò)計(jì)算原材料生產(chǎn)與運(yùn)輸、大壩建造、長(zhǎng)期運(yùn)行的全過(guò)程能耗與二氧化碳排放，對(duì)比分析各種混凝土壩型對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響。根據(jù)這種方法測(cè)算，采用堆石混凝土筑壩，設(shè)計(jì)上取消溫控、減少分縫，施工過(guò)程中一體化澆筑節(jié)約工期，相較于常態(tài)混凝土壩，堆石混凝土壩減少單位二氧化碳排放三分之二甚至更低，減少單位能耗55%，非常節(jié)能環(huán)保。根據(jù)已建成和在建149座堆石混凝土壩測(cè)算，共減少了二氧化碳排放超過(guò)170萬(wàn)噸，具有顯著的生態(tài)環(huán)境效益。

問(wèn)：堆石混凝土筑壩技術(shù)從一個(gè)設(shè)想到第一塊澆筑試樣，再到國(guó)內(nèi)超過(guò)140多座大壩相繼竣工，節(jié)約資源、改善環(huán)境、造福民生，并在2017年獲國(guó)家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。請(qǐng)問(wèn)是什么信念支撐您和團(tuán)隊(duì)二十年如一日，始終堅(jiān)守在技術(shù)創(chuàng)新一線，真正做到把技術(shù)寫(xiě)在祖國(guó)遼闊的大地上？

金峰：回顧20年發(fā)展歷程，堆石混凝土壩作為一種新壩型，從無(wú)到有，從低壩到高壩，從國(guó)內(nèi)到國(guó)外，逐步推廣應(yīng)用到我國(guó)20多個(gè)省份149座大壩，深層次原因還得歸結(jié)于我和我的團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期以來(lái)在清華精神熏陶下的原始創(chuàng)新信念。2005年，從我主持設(shè)計(jì)了第一座堆石混凝土壩——北京軍區(qū)蓄水池壩，澆筑了第一批堆石混凝土試件開(kāi)展試驗(yàn)，到如今已建成了溪源（壩高77米）、松林（壩高90米）等堆石混凝土高壩，坪坑、滿坪等10余座堆石混凝土高壩正在建設(shè)或即將開(kāi)工，我和我的團(tuán)隊(duì)一直堅(jiān)持緊密結(jié)合工程需求，致力于解決新壩型建設(shè)中的一系列關(guān)鍵難題，實(shí)現(xiàn)了基礎(chǔ)理論、設(shè)計(jì)分析和施工技術(shù)多方面的系統(tǒng)性創(chuàng)新，堆石混凝土技術(shù)也迎來(lái)了嶄新的高壩發(fā)展時(shí)期。

我們建成了覆蓋“行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、地方標(biāo)準(zhǔn)、團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)”的堆石混凝土筑壩技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，成立了中國(guó)水力發(fā)電學(xué)會(huì)堆石混凝土壩專(zhuān)業(yè)委員會(huì)，極大促進(jìn)了堆石混凝土筑壩技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化和實(shí)用化進(jìn)程；解決了很多偏遠(yuǎn)山區(qū)飲用水和灌溉用水問(wèn)題，促進(jìn)了社會(huì)進(jìn)步和水利行業(yè)發(fā)展。

經(jīng)過(guò)20年堅(jiān)持不懈地努力，堆石混凝土壩作為中國(guó)原創(chuàng)筑壩技術(shù)受到國(guó)際壩工界的全面認(rèn)可，真正從中國(guó)走向了世界水利水電建設(shè)領(lǐng)域：在非洲布隆迪Ruzibazi水電站大壩成功應(yīng)用，安哥拉Nibonga堆石混凝土壩即將開(kāi)始大壩澆筑。2021年11月，國(guó)際大壩委員會(huì)正式頒布190號(hào)技術(shù)公報(bào)《堆石混凝土壩設(shè)計(jì)與實(shí)踐》，這也是國(guó)際大壩委員會(huì)成立近百年來(lái)，第一部以中國(guó)原創(chuàng)筑壩技術(shù)為主要內(nèi)容的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)際大壩委員會(huì)主席Michael F. Rogers對(duì)堆石混凝土技術(shù)予以高度評(píng)價(jià)：“堆石混凝土壩是近20年來(lái)，中國(guó)及全世界發(fā)展最迅猛的大壩設(shè)計(jì)與施工技術(shù)之一，這項(xiàng)技術(shù)充分利用原材料，環(huán)境友好，促進(jìn)社會(huì)發(fā)展，建造安全、可靠的大壩?！?/p>

推動(dòng)中國(guó)原創(chuàng)技術(shù)“走出去”、成為世界主流筑壩技術(shù)，擴(kuò)大我國(guó)在世界水利水電建設(shè)領(lǐng)域的影響力，是我們這一代水利科技工作者的責(zé)任，也是使命。