據中國砂石協會獲悉，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％，混凝土的粗細骨料約27％。堆石混凝土中砂石料總占比約為82%。

 

 

　　清華大學于上世紀九十年代開始研究高自密實混凝土技術，為高自密實混凝土此后在建設工程中的大量應用提供了技術支撐。滿坪水庫是青海省第一次在水庫高壩上運用堆石混凝土，為更好保證工程質量，施工方特委托清華大學水工實驗室對滿坪水庫高自密實混凝土配合比進行設計，對各項性能進行試驗。圍繞高自密實混凝土技術及其應用，本報采訪了清華大學土木水利學院博士生導師金峰。

 

　　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成堆石混凝土，并應用在大壩工程？

 

　　金峰：世紀之交的時候，清華大學水工學科就如何建設世界一流水工學科進行了很多的研討。當時，我們認識到，只有開展原創性研究才能引領學科發展，成為頂級學科。在混凝土壩建造領域，美國等西方國家發明的常態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力超過混凝土抗裂能力，必須采用工藝復雜、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構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，我們發現，可以參考砌石壩，將大塊石與自密實混凝土結合起來，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明人、日本東京大學的Okamura教授請教，這個技術路線是否可行。在Okamura和中國科學院院士張楚漢的鼓勵與支持下，我們在南華大學的實驗室開展了探索性試驗研究，并最終應用到工程中。堆石混凝土這種新型筑壩技術，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壩址，采用堆石混凝土技術具有節省建筑材料，減少料場開挖，降低建設成本，質量優良，環境友好等諸多優勢。堆石混凝土發明的過程是團隊合作的結果。

 

　　問：在堆石混凝土筑壩技術研究過程中，遇到和攻克了哪些難題？

 

　　金峰：堆石混凝土創新“堆石入倉+自密實混凝土澆筑”筑壩技術路線，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合材料的力學性能。通過物理試驗與數值模擬，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量控制的基礎；我們還結合實際工程，系統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體系，為堆石混凝土壩設計奠定了基礎。

 

　　過去20年，我們結合實際工程，相繼發明了一體澆筑防滲層、廊道與橫縫新結構和新構造，與設計院合作發展了堆石混凝土拱壩不分縫整體澆筑技術。研發堆石混凝土施工信息管理系統，全面提升了堆石混凝土壩施工技術水平。

 

　　我們不斷擴展堆石混凝土的應用范圍，研發了超高強和高耐久性堆石混凝土，建設曲卜藏（壩頂高程3957米）等高海拔高寒地區的堆石混凝土壩；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用提供技術支持；利用紅層砂巖建設堆石混凝土壩，充分利用當地材料，進一步降低建設成本。值得一提的是，堆石混凝土技術成功應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。

 

 

1050m塘壩

 

　　問：堆石混凝土對環境非常友好，所用的堆石可以利用周邊的石料，實現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與傳統的筑壩技術相比，它的優越性體現在哪里？

 

　　金峰：堆石混凝土筑壩技術充分利用當地石料、節約水泥、避免溫控耗能，是節能減排、環境友好的新壩型。清華大學和美國密歇根大學研究人員發展的大壩全生命周期環境影響的評價模型，通過計算原材料生產與運輸、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環境的影響。根據這種方法測算，采用堆石混凝土筑壩，設計上取消溫控、減少分縫，施工過程中一體化澆筑節約工期，相較于常態混凝土壩，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%，非常節能環保。根據已建成和在建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，具有顯著的生態環境效益。

 

　　問：堆石混凝土筑壩技術從一個設想到第一塊澆筑試樣，再到國內超過140多座大壩相繼竣工，節約資源、改善環境、造福民生，并在2017年獲國家技術發明獎二等獎。請問是什么信念支撐您和團隊二十年如一日，始終堅守在技術創新一線，真正做到把技術寫在祖國遼闊的大地上？

 

　　金峰：回顧20年發展歷程，堆石混凝土壩作為一種新壩型，從無到有，從低壩到高壩，從國內到國外，逐步推廣應用到我國20多個省份149座大壩，深層次原因還得歸結于我和我的團隊長期以來在清華精神熏陶下的原始創新信念。2005年，從我主持設計了第一座堆石混凝土壩——北京軍區蓄水池壩，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或即將開工，我和我的團隊一直堅持緊密結合工程需求，致力于解決新壩型建設中的一系列關鍵難題，實現了基礎理論、設計分析和施工技術多方面的系統性創新，堆石混凝土技術也迎來了嶄新的高壩發展時期。

 

 

　　我們建成了覆蓋“行業標準、地方標準、團體標準、國際標準”的堆石混凝土筑壩技術標準體系，成立了中國水力發電學會堆石混凝土壩專業委員會，極大促進了堆石混凝土筑壩技術的標準化和實用化進程；解決了很多偏遠山區飲用水和灌溉用水問題，促進了社會進步和水利行業發展。經過20年堅持不懈地努力，堆石混凝土壩作為中國原創筑壩技術受到國際壩工界的全面認可，真正從中國走向了世界水利水電建設領域：在非洲布隆迪Ruzibazi水電站大壩成功應用，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號技術公報《堆石混凝土壩設計與實踐》，這也是國際大壩委員會成立近百年來，第一部以中國原創筑壩技術為主要內容的技術標準。國際大壩委員會主席Michael F. Rogers對堆石混凝土技術予以高度評價：“堆石混凝土壩是近20年來，中國及全世界發展最迅猛的大壩設計與施工技術之一，這項技術充分利用原材料，環境友好，促進社會發展，建造安全、可靠的大壩。”推動中國原創技術“走出去”、成為世界主流筑壩技術，擴大我國在世界水利水電建設領域的影響力，是我們這一代水利科技工作者的責任，也是使命。