據(jù)中國砂石協(xié)會獲悉，堆石混凝土是由大塊堆石和高自密實性能混凝土組成的非均質(zhì)材料，其中堆石一般要求粒徑在300ｍｍ 以上，堆石體一般占總體積的55％，混凝土的粗細(xì)骨料約27％。堆石混凝土中砂石料總占比約為82%。

 

 

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

 

　　問：您是如何想到將大塊堆石和高自密實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)科進行了很多的研討。當(dāng)時，我們認(rèn)識到，只有開展原創(chuàng)性研究才能引領(lǐng)學(xué)科發(fā)展，成為頂級學(xué)科。在混凝土壩建造領(lǐng)域，美國等西方國家發(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)力超過混凝土抗裂能力，必須采用工藝復(fù)雜、造價高的溫控措施，這也是造成混凝土壩“無壩不裂”的主要原因。

 

　　清華大學(xué)教授安雪暉從日本回國任教以后，我們一起推動了高自密實混凝土研究，特別是適合于水工大體積結(jié)構(gòu)的低成本自密實混凝土研究，但是成本仍然較高。在這個研究過程中，我們發(fā)現(xiàn)，可以參考砌石壩，將大塊石與自密實混凝土結(jié)合起來，不僅可以大幅降低成本，而且有望取消溫控。為此，我們還專門向自密實混凝土的發(fā)明人、日本東京大學(xué)的Okamura教授請教，這個技術(shù)路線是否可行。在Okamura和中國科學(xué)院院士張楚漢的鼓勵與支持下，我們在南華大學(xué)的實驗室開展了探索性試驗研究，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，提高混凝土抗壓強度與抗裂能力，從根本上解決了混凝土壩 “無壩不裂”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，減少料場開挖，降低建設(shè)成本，質(zhì)量優(yōu)良，環(huán)境友好等諸多優(yōu)勢。堆石混凝土發(fā)明的過程是團隊合作的結(jié)果。

 

　　問：在堆石混凝土筑壩技術(shù)研究過程中，遇到和攻克了哪些難題？

 

　　金峰：堆石混凝土創(chuàng)新“堆石入倉+自密實混凝土澆筑”筑壩技術(shù)路線，要解決的理論難題主要有兩點：自密實混凝土在堆石體中澆筑的密實性和堆石混凝土復(fù)合材料的力學(xué)性能。通過物理試驗與數(shù)值模擬，我們揭示了高自密實混凝土在堆石體空隙中的流動規(guī)律與填充阻塞機理，提出了實用的澆筑密實性評價模型，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)合實際工程，系統(tǒng)測試了堆石混凝土密實度、強度、變形、耐久性、熱物理及動力特性等綜合性能，建立了綜合性能指標(biāo)體系，為堆石混凝土壩設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。

 

　　過去20年，我們結(jié)合實際工程，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。

 

　　我們不斷擴展堆石混凝土的應(yīng)用范圍，研發(fā)了超高強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，保障了冬奧會人工造雪任務(wù)。

 

 

1050m塘壩

 

　　問：堆石混凝土對環(huán)境非常友好，所用的堆石可以利用周邊的石料，實現(xiàn)了固體廢棄物的再利用，請問在碳減排效益方面，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稀⒐?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)境影響的評價模型，通過計算原材料生產(chǎn)與運輸、大壩建造、長期運行的全過程能耗與二氧化碳排放，對比分析各種混凝土壩型對生態(tài)環(huán)境的影響。根據(jù)這種方法測算，采用堆石混凝土筑壩，設(shè)計上取消溫控、減少分縫，施工過程中一體化澆筑節(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座堆石混凝土壩測算，共減少了二氧化碳排放超過170萬噸，具有顯著的生態(tài)環(huán)境效益。

 

　　問：堆石混凝土筑壩技術(shù)從一個設(shè)想到第一塊澆筑試樣，再到國內(nèi)超過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年獲國家技術(shù)發(fā)明獎二等獎。請問是什么信念支撐您和團隊二十年如一日，始終堅守在技術(shù)創(chuàng)新一線，真正做到把技術(shù)寫在祖國遼闊的大地上？

 

　　金峰：回顧20年發(fā)展歷程，堆石混凝土壩作為一種新壩型，從無到有，從低壩到高壩，從國內(nèi)到國外，逐步推廣應(yīng)用到我國20多個省份149座大壩，深層次原因還得歸結(jié)于我和我的團隊長期以來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展試驗，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)或即將開工，我和我的團隊一直堅持緊密結(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，實現(xiàn)了基礎(chǔ)理論、設(shè)計分析和施工技術(shù)多方面的系統(tǒng)性創(chuàng)新，堆石混凝土技術(shù)也迎來了嶄新的高壩發(fā)展時期。

 

 

　　我們建成了覆蓋“行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、地方標(biāo)準(zhǔn)、團體標(biāo)準(zhǔn)、國際標(biāo)準(zhǔn)”的堆石混凝土筑壩技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，成立了中國水力發(fā)電學(xué)會堆石混凝土壩專業(yè)委員會，極大促進了堆石混凝土筑壩技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化和實用化進程；解決了很多偏遠(yuǎn)山區(qū)飲用水和灌溉用水問題，促進了社會進步和水利行業(yè)發(fā)展。經(jīng)過20年堅持不懈地努力，堆石混凝土壩作為中國原創(chuàng)筑壩技術(shù)受到國際壩工界的全面認(rèn)可，真正從中國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始大壩澆筑。2021年11月，國際大壩委員會正式頒布190號技術(shù)公報《堆石混凝土壩設(shè)計與實踐》，這也是國際大壩委員會成立近百年來，第一部以中國原創(chuàng)筑壩技術(shù)為主要內(nèi)容的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。國際大壩委員會主席Michael F. Rogers對堆石混凝土技術(shù)予以高度評價：“堆石混凝土壩是近20年來，中國及全世界發(fā)展最迅猛的大壩設(shè)計與施工技術(shù)之一，這項技術(shù)充分利用原材料，環(huán)境友好，促進社會發(fā)展，建造安全、可靠的大壩。”推動中國原創(chuàng)技術(shù)“走出去”、成為世界主流筑壩技術(shù)，擴大我國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。