堆石混凝土坝综述与下一代混凝土筑坝技术前瞻

金峰 ,  黄杜若 ,  Michel Lino ,  周虎

工程（英文） ›› 2024, Vol. 32 ›› Issue (1) : 99 -105.

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工程（英文） ›› 2024, Vol. 32 ›› Issue (1) : 99 -105. DOI: 10.1016/j.eng.2023.09.020
研究论文

堆石混凝土坝综述与下一代混凝土筑坝技术前瞻

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A Brief Review of Rock-Filled Concrete Dams and Prospects for Next-Generation Concrete Dam Construction Technology

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摘要

堆石混凝土坝是近几十年来坝工界最重要的前沿进展之一。该技术采用高自密实性能混凝土填充自然堆放大块石的空隙，形成密实的大体积混凝土，修建大坝。堆石混凝土坝创造性地使用大量块石，从而减少水泥用量、降低水化热，显著提升工效，是环境友好的新型筑坝技术。堆石混凝土筑坝需要解决浇筑密实性与大尺寸复合材料物理力学性能两个基础科学问题。本文围绕堆石混凝土坝相关基础研究以及在设计理论、建造工艺、质量控制方面取得的最新进展进行了系统性回顾，并从环境友好、本质安全、节约人工多个视角对下一代混凝土筑坝技术进行了前瞻性展望。

Abstract

Over the past few decades, one of the most significant advances in dam construction has been the invention of the rock-filled concrete (RFC) dam, which is constructed by pouring high-performance self-compacting concrete (HSCC) to fill the voids in preplaced large rocks. The innovative use of large rocks in dam construction provides engineers with a material that requires less cement consumption and hydration heat while enhancing construction efficiency and environmental friendliness. However, two fundamental scientific issues related to RFC need to be addressed: namely, the pouring compactness and the effect of large rocks on the mechanical and physical properties of RFC. This article provides a timely review of fundamental research and innovations in the design, construction, and quality control of RFC dams. Prospects for next-generation concrete dams are discussed from the perspectives of environmental friendliness, intrinsic safety, and labor savings.

关键词

堆石混凝土坝 / 浇筑密实性 / 块石作用 / 智能质量控制 / 大坝建造无人化

Key words

Rock-filled concrete dam / Pouring compactness / Effect of large rocks / Intelligent quality control / Unmanned dam construction

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金峰,黄杜若,Michel Lino,周虎. 堆石混凝土坝综述与下一代混凝土筑坝技术前瞻[J]. 工程（英文）, 2024, 32(1): 99-105 DOI:10.1016/j.eng.2023.09.020

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1 引言

大坝建设已有数千年历史，世界各国的大坝工程师仍在持续创新，不断提高大坝建设的安全性和经济性。近几十年来，我国筑坝理论和技术水平取得了长足发展和进步，对于大坝性能与工作原理的认识在不断深化，高坝建设蓬勃发展，安全水平得到不断提升[1‒2]。混凝土坝安全性高，碾压混凝土和常态混凝土筑坝技术快速发展，建造了很多重力坝和拱坝[3‒5]。但是，大体积混凝土开裂问题一直是混凝土筑坝技术面临的核心挑战。为了攻克混凝土坝“无坝不裂”百年难题，清华大学金峰教授和安雪晖教授创新筑坝技术路线，采用高自密实性能混凝土胶结自然堆放的大块石，形成密实混凝土，发明了堆石混凝土坝[6]。这种新型筑坝技术大量使用块石，可以大幅减少水泥用量，降低混凝土水化热和体积收缩，取消冷却水管等温控措施，解决了混凝土坝温度开裂难题。此外，采用自密实混凝土胶结块石，取消了振捣和碾压，简化了施工工艺。因此，堆石混凝土坝具有显著经济优势[7]。堆石混凝土坝适合于任何可以建造常态混凝土坝的地基条件。根据实际工程成本测算，在同等条件下，堆石混凝土坝综合单价较常态混凝土坝和碾压混凝土坝降低10%~30% [8]。Liu等[9]针对堆石混凝土与常态混凝土坝在全生命周期内的环境影响进行了系统研究，堆石混凝土在材料生产环节、运输环节、施工环节和运行维护阶段分别减少二氧化碳排放约72%、25%、51%和15.6%。

截至目前，我国已建成了超过130座堆石混凝土坝，还有30多座堆石混凝土坝正在建设中。其中，佰佳堆石混凝土双曲拱坝（坝高69 m）于2015年9月开始蓄水，至今已安全运行超过7年，坝顶和坝底最大位移仅分别为8.4 mm和1.5 mm，监测数据表明佰佳双曲拱坝蓄水后运行正常。2017年9月28日，大坝通过坝顶溢洪道泄洪，洪峰流量达到1600 m3‧s-1。

随着堆石混凝土筑坝技术不断发展和完善，一批堆石混凝土高坝相继建成，包括以溪源（坝高77 m）、坪坑（坝高79.7 m）、满坪（坝高77 m）、麻柳湾（坝高75 m）和松林（坝高90 m）为代表的堆石混凝土重力坝以及以佰佳（坝高69 m）、沙千（坝高66 m）和牛洞口（坝高64 m）为代表的堆石混凝土拱坝；坝高83 m的永丰堆石混凝土拱坝等高坝工程正在建设。值得一提的是，青海晓龙沟堆石混凝土坝（坝顶高程3957 m）于2023年5月完工，是目前建成的海拔最高的堆石混凝土坝。满坪重力坝、晓龙沟重力坝等青藏高原高寒、高海拔地区的建设实践表明，堆石混凝土在复杂、恶劣的建造条件下具有优越的耐久性能。2022年，堆石混凝土技术在北京冬奥会塘坝工程成功应用，保障赛场人工造雪用水、实现储水和水资源循环再利用。该工程仅用140天就完成了58 m高堆石混凝土坝所有混凝土浇筑，创造了堆石混凝土坝最快施工纪录。基于堆石混凝土坝基础研究成果、设计理论创新和百余座工程筑坝实践，建立了完整的堆石混凝土筑坝技术标准体系，国家能源局行业标准《堆石混凝土筑坝技术导则》（NB/T 10077—2018）[10]、《水电水利工程堆石混凝土施工技术规范》（DL/T 5806—2020）[11]和《堆石混凝土拱坝技术规范》（DB52/T 1545—2020）[12]等地方、团体系列堆石混凝土标准相继颁布，实现了堆石混凝土坝设计与施工工艺标准化。当前，堆石混凝土坝已进入“一带一路”国家水利水电建设领域，非洲布隆迪、安哥拉等国的堆石混凝土坝正在建设中。

国际大坝委员会现任主席Michel Lino先生作为本文作者之一，为国际大坝委员会颁布190号技术公报《堆石混凝土坝设计与实践》[13]（后文简称公报）提供了重要审查意见。国际大坝委员会高度肯定了堆石混凝土技术创新和筑坝实践，在公报中形成了总体指导意见：堆石混凝土坝是中国人原创的混凝土新坝型，采用该技术能够大幅降低能耗与水泥用量，减少工期，节省成本；百余座大坝建设实践表明堆石混凝土技术具有优越的经济、社会和环境效益。国际大坝委员会将积极推动堆石混凝土理论研究与实践经验在世界范围的广泛传播，全力支持堆石混凝土坝在世界各国推广应用，努力促进这一颠覆性筑坝技术的不断创新发展。

本文包含五个部分。其中，第一部分介绍了堆石混凝土基本概念、发展历程和当前技术水平；第二部分阐述了堆石混凝土研究最为重要的两个基础科学问题，即浇筑密实性和大尺寸复合材料的物理力学特性；第三部分阐明了堆石混凝土坝设计与建造的创新方法和实践经验；第四部分对下一代混凝土筑坝技术进行了前瞻性展望。最后，全面总结了筑坝实践的有益经验，为堆石混凝土技术的不断创新发展指明了方向。

2 堆石混凝土基础科学问题：浇筑密实性与块石作用

堆石混凝土研究必须解决两个基础科学问题：高自密实性能混凝土能否充填自然堆放块石的空隙，即浇筑密实性；块石如何影响堆石混凝土大尺寸复合材料物理力学特性，即块石作用[8]。解决上述两个问题的研究思路如图1所示。

2.1 堆石混凝土浇筑密实性

近20年来，围绕堆石混凝土施工期浇筑密实性，清华大学与美国西北大学等合作，深入研究高自密实性能混凝土在块石堆积形成的堆石体空隙中的流动规律与堵塞机理，确定了骨料粒径和自密实混凝土屈服应力对浇筑密实性的影响规律[14]，建立了堆石-高自密实性能混凝土界面模型，采用扫描电子显微镜、纳米压痕等方法系统测试了堆石-混凝土界面过渡区的孔隙率，揭示了堆石混凝土浇筑密实度对界面过渡区孔隙率具有重要影响：浇筑密实性越好，堆石-混凝土界面过渡区的孔隙率越低、宽度越窄、微观结构越致密[15‒18]。

浇筑密实性研究奠定了堆石混凝土质量控制的理论基础。通过堆石体自密实浇筑箱等基础试验，揭示了自密实混凝土充填狭窄堆石空隙时，粗骨料可能堵塞流动通道，从而降低浇筑密实度，发现了避免堵塞的块石/高自密实性能混凝土骨料粒径比，创建了以高自密实性能混凝土临界剪切应力、堆石率、块体形状系数及堆放特征系数为关键指标的浇注密实性评价模型[8]：

I A = M K ( 1 - φ ) s ‧ τ 0 ρ g

式中， I A是流动梯度，表征高自密实性能混凝土充填堆石体空隙的能力； φ表示堆石率； τ 0表示高自密实性能混凝土初始屈服应力； s表征块石特征长度（如平均粒径）； M和K分别为块石形状系数和堆放特征系数；g是重力加速度； ρ为高自密实性能混凝土密度。根据上式，堆石混凝土浇筑密实性可从两个方面进行评价： M K ( 1 - φ ) s 表征堆石体对高自密实性能混凝土充填的阻力， τ 0 ρ g表征高自密实性能混凝土固有流动特性。式（1）给出的浇注密实性评价模型建立了块石粒径、高自密实性能混凝土工作性能等控制性指标体系，为堆石混凝土坝的质量控制奠定了理论基础。

2.2 堆石混凝土块石作用原理

块石粒径较大，为保证试验结果稳定，堆石混凝土试件尺寸应至少是块石粒径（300 mm）的三倍，常规混凝土标准测试方法不能适用于堆石混凝土，这是堆石混凝土性能研究在测试能力和成本方面面临的挑战。通过20余年持续研究，已建立了制备堆石混凝土300 mm、600 mm或900 mm超大试件的标准体系，开展了相应的静、动抗压强度，抗拉、抗剪强度，断裂能，密度，绝热温升，热膨胀系数，蠕变，收缩，抗渗、抗冻性能和界面性能等诸多性能测试[15‒16,19‒25]。堆石混凝土作为一种大坝建筑材料，不仅需要在室内试验中测量抗渗性能，更需要在实际坝体中进行压水试验。实际堆石混凝土坝的现场压水试验结果大多小于1 Lu （1 Lu表示试验段压力为1 MPa时，试验段每米的流量为1 L‧min-1）。坝高大于60 m的沙千拱坝和牛洞口拱坝的底部廊道实际总渗流量分别仅为0.325 L‧s-1和0.26 L‧s-1。

在贵州绿塘拱坝工程现场，首次开展了原位全尺寸堆石混凝土2.2 m超大试验块性能试验，获得了全尺寸试件堆石混凝土真实综合性能，为堆石混凝土坝设计方法创新与合理参数取值奠定了基础[26]。大量室内试验和现场试验表明，堆石混凝土试件抗压强度高于高自密实性能混凝土试件，为采用高自密实性能混凝土试件强度代表堆石混凝土设计强度提供了理论依据。此外，系统开展了堆石混凝土单轴抗拉强度、劈裂抗拉强度试验，验证了堆石混凝土与常态混凝土具有一致的拉压强度关系。基于上述试验成果，可采用0.9倍高自密实性能混凝土抗拉强度代表堆石混凝土抗拉强度[10‒11]。在施工过程中，确保层面块石出露，块石之间的互锁效应可显著提高浇筑层面的抗剪强度，为堆石混凝土层面质量控制标准提供了技术支撑[25]。为开展堆石混凝土坝抗震设计，进行了一系列堆石混凝土动力性能试验，试验结果揭示了由于堆石骨架的延性，大尺寸堆石混凝土试件试验曲线呈现多峰现象。

在数值仿真研究方面，建立了模拟块石、高自密实性能混凝土及其界面的堆石混凝土三相有限元模型[27]，能够较好地描述堆石混凝土试件在不同龄期的力学行为，模拟结果与试验成果吻合良好。基于Eshelby张量夹杂理论，研究了块石骨架结构作用，从而确定了其不同龄期的等价弹性模量。首次发现堆石混凝土浇筑初期具有初始模量，并确定其初值约为5 GPa，建立了能够基于块石和高自密实性能混凝土弹性参数与堆石率计算堆石混凝土弹性模量的公式[27]。

堆石混凝土动力特性至关重要。采用大型动三轴试验机开展系列试验，研究堆石混凝土动力破坏及加载速率对强度和变形的影响规律。根据规范[28]要求，采用边长分别为100 mm、150 mm和300 mm的立方体试件以及100 mm × 100 mm × 200 mm、150mm × 150 mm × 300 mm的棱柱体试件，考虑10-5 s-1、10-4 s-1和10-3 s-1三种应变速率，开展系列试验，深入研究其破坏模式，发现由于堆石体骨架作用，堆石混凝土试件应力-应变曲线呈现多峰现象，动荷载作用下堆石混凝土具有更好的延性。

3 堆石混凝土坝技术创新

堆石混凝土坝在结构分析、泄洪消能、地基处理等方面与常态混凝土坝的设计准则基本一致。然而，堆石混凝土坝大量采用块石，减少水泥用量、降低水化热温升、取消冷却水管，在大体积混凝土温控和抗裂机理等方面与常态混凝土呈现出明显差异。在堆石混凝土工程现场开展持续监测，通过实际监测资料分析对堆石混凝土材料性能、高自密实性能混凝土入仓温度和充填流动过程进行研究，采用三维有限元同步模拟堆石混凝土坝温度场与温度应力分布，揭示了堆石混凝土坝真实工作性态及其主要影响因素[29]。堆石混凝土坝的设计与建造技术创新如图2所示。

3.1 堆石混凝土重力坝新结构

基于堆石混凝土坝真实工作性态研究，改进大坝设计分析方法，减少大坝横缝，简化了堆石混凝土筑坝技术。以贵州省遵义市水利水电勘测设计研究院有限责任公司设计的打鼓台重力坝（坝高41 m）为例，最长坝段超过130 m，突破了常态混凝土重力坝20 m分缝的限制。万家沟重力坝则完全取消横缝和上游防渗层，依靠堆石混凝土坝体自身防渗，自2018年4月蓄水以来，运行正常，监测数据和现场检查均未见开裂或泄漏。实践表明，堆石混凝土中、小坝可采用整体浇筑，取消横缝、纵缝和上游防渗层，优化筑坝技术，减少建造成本。

3.2 堆石混凝土拱坝

拱坝具有坝体体积小、抗震超载能力强等诸多优势，发展堆石混凝土拱坝具有重要的工程价值。拱坝是超静定结构，受力复杂，对材料要求高。最早的堆石混凝土拱坝是山东蒙山单曲拱坝（坝高24.5 m，2010年建成）。随后，陕西安康水利水电勘测设计研究院设计了佰佳堆石混凝土双曲拱坝（坝高69 m，2016年建成）。该工程是当时最高的堆石混凝土拱坝，采用C9020混凝土，上游面布置一体化浇筑自密实混凝土防渗区，坝体设置6条横缝。截至目前，已建、在建堆石混凝土拱坝超过14座。

准确确定拱坝温度荷载是设计分析、体型优化、确保本质安全的基础。为了充分发挥堆石混凝土优势，完全取消横缝和封拱灌浆，实现整体浇筑，快速施工[30]，需要发展合理的温度荷载计算方法与配套的允许应力标准。研究人员通过综合分析堆石混凝土试验数据和若干工程施工期坝体及环境温度、坝体变形等监测数据，提出了根据拱圈堆石混凝土入仓温度和水化热温升计算拱圈封拱温度的计算公式[31]；改进了拱梁分载法温度荷载计算方法以合理反映整体浇筑拱坝成拱机理；根据新的设计计算方法，进行了多工程的计算对比分析，特别是进行了从施工期到运行期的全过程温度-应力仿真分析；建立了堆石混凝土整体浇筑拱坝设计复核允许应力标准（1.5~2.0 MPa），构建了堆石混凝土拱坝设计方法体系，编制了贵州省地方标准《堆石混凝土拱坝技术规范》。

3.3 一体化浇筑防渗区

堆石混凝土坝基于偏保守的设计，通常会在上游侧设置防渗区。在堆石混凝土坝发展早期，防渗区一般采用在堆石混凝土施工之前或之后施工的常态混凝土防渗体。为简化施工、保证质量，发展了与堆石混凝土坝体一体化浇筑的自密实混凝土上游防渗区，与堆石混凝土坝体的区别仅为自密实混凝土防渗区不铺放块石。实际施工与运行结果表明，采用一体化浇筑防渗区，不仅显著提高施工效率，而且提高了大坝坝体整体性。目前一体化浇筑防渗区已广泛应用于工程实践。其他坝体构造（如横缝止水和廊道等）也可采用一体化浇筑，即在构造周围不铺放块石，与堆石混凝土坝体同时浇筑高自密实性能混凝土。一体化浇筑极大方便了堆石混凝土坝施工。

3.4 配合比优化设计

粉煤灰作为一种重要掺合料，能够降低水化热，提升高自密实性能混凝土综合性能。云南松林水库（坝高90 m）是目前建成的最高的堆石混凝土重力坝。由于坝址附近缺少粉煤灰，利用石灰石粉替代粉煤灰，进行了配合比优化。工程实践证明，石灰石粉替代粉煤灰的高自密实性能混凝土能够完全满足设计要求，而且降低了施工泵压，表现出较好的抗离析性。在石灰石料充足地区，采用石灰石粉替代粉煤灰为堆石混凝土坝提供了先进、经济且环保的解决方案。

清华大学研究团队系统分析了88座堆石混凝土坝工程114组高自密实性能混凝土配合比资料，研发了自密实混凝土工程配合比数据库与智能设计系统。还扩展了堆石岩性与粒径应用范围，以150 mm粒径块石代替300 mm块石，开展了小粒径堆石现场试验，验证了小粒径堆石混凝土可行性。在我国西南地区，开展了红层砂岩利用研究（红层砂岩的抗压强度可能低于30 MPa），在配合比、施工工艺、质量控制等方面提出了相应技术标准；利用红层砂岩料建成了四川七一水库堆石混凝土坝，充分利用当地材料，降低建设成本。

3.5 工程监测与施工质量智能控制

准确监测坝体扬压力、渗流等重要指标，对于确保堆石混凝土坝在施工、蓄水和运行期的工作性态至关重要。以佰佳堆石混凝土双曲拱坝为例，在坝基布置了渗压计以监测渗压和扬压力，在典型坝段布置了73支温度计进行温度监测，在坝体安装了27组应变计以监测大坝变形。清华大学研究团队开发了首个堆石混凝土坝施工信息智能化管理系统CIM4R，提升了堆石混凝土坝施工质量控制水平；研发了密实性感应监测系列设备和基于深度学习网络的堆石体图像识别技术，实现了堆石混凝土坝现场密实性智能化监测；将原材料、机械、人员管理、施工管理、监测等多源、多层次信息高效集成到施工信息智能化管理系统平台[32‒33]。以上技术应用于广山、杨公岩、沙千等堆石混凝土坝工程，实现了精准质量控制，推动堆石混凝土坝建设进入智能化施工管理新阶段。

4 下一代混凝土筑坝技术前瞻

下一代混凝土筑坝技术应具有环境友好、本质安全、节约人工等优势，如图3所示。清华大学研究团队发明的堆石混凝土坝是混凝土筑坝方法的重大创新，充分利用当地材料，大幅降低水化温升，取消振捣和碾压，实现了节能减排、环境友好的目标。为满足堆石混凝土坝技术的持续优化与智能化需求，科研人员和工程师通过学科交叉，研发堆石混凝土坝智能化感应监测系列装备，如无线密实检测仪和自密实混凝土工作性能全量检测设备。现场智能质量控制技术装备和施工信息管理系统为全面评估施工质量提供有力技术支撑，实现了堆石混凝土坝高效、优质施工。

为了适应未来劳动力市场，大坝工程建设将进入智能化、少（无）人化时代。下一代堆石混凝土坝建设技术将着力于研发基于人工智能的成套施工装备，如无人驾驶自卸车等块石运输、入仓的智能化装备以及高自密实性能混凝土智能拌合与浇筑设备。实现大坝建设的环境友好、智能建造是下一代混凝土筑坝技术的必然选择，这一理念也将在未来堆石混凝土筑坝实践中得到广泛应用。

5 结论

清华大学研究团队发明的堆石混凝土坝是近20年来，中国及全世界发展最迅猛的大坝设计与施工技术之一。创新“堆石入仓+自密实浇筑胶结”筑坝技术路线，大幅降低水化温升，简化施工工艺。截至目前，已建成了超过130座堆石混凝土坝，另有30余座堆石混凝土坝正在建设中。根据实际工程成本测算，在同等条件下，堆石混凝土坝的综合单价较常态混凝土坝和碾压混凝土坝降低10%~30%；堆石混凝土在材料生产环节、运输环节、施工环节和运行维护阶段分别减少了72%、25%、51%和15.6%的二氧化碳排放。

本文围绕堆石混凝土坝在基础研究及设计理论、建造工艺、质量控制方面取得的前沿进展进行了系统性阐述。基于结构分析、室内与现场试验最新成果，不断优化大坝设计，建立了覆盖原材料、设计、施工和质量控制的堆石混凝土筑坝技术标准体系。其中，国际大坝委员会190号技术公报于2022年正式颁布，这是国际大坝委员会成立近百年来颁布的第一部以中国原创技术为核心的技术公报。未来，堆石混凝土坝技术将不断创新，促进我国和世界筑坝技术安全耐久、环境友好和可持续发展。

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