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自密实堆石混凝土坝建设生命周期环境效益分析

2024-11-10 80 上传者：管理员

摘要：为研究自密实堆石混凝土坝(SRC)全生命周期内的环境效益，文章采用混合生命周期评价模型，以传统混凝土坝(CC)为对照，系统评估了大坝建设在材料生产、材料运输、施工、运维阶段的环境负荷。结果表明，SRC在全生命周期内展现出显著的环境效益提升。与CC相比，采用SRC可减少大坝全生命周期内65%的温室气体排放和55%的能源消耗。研究结果可为大坝建设提供参考。

关键词：
传统混凝土坝
全生命周期
温室气体
环境影响
自密实堆石混凝土坝
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温室气体的排放导致全球气候变化是全世界关注的重大问题。为了在不产生过多二氧化碳排放的情况下保持经济的快速发展，国内积极寻求清洁能源技术的推广路径。其中水力发电因其清洁、可再生且不依赖化石燃料的特性，被视作关键的替代能源选项[1]。为提高可再生能源的占比，水电开发需要大规模的水坝建设。然而，大量水坝的建设需要消耗大量混凝土。根据中国大坝工程学会的统计数据，预计未来10年的水坝建设将消耗4亿m3混凝土[2]。

混凝土生产过程本身会释放大量二氧化碳，主要源于原材料和能源消耗[3]。因此，尽管水电作为清洁能源有助于减少运营阶段的碳排放，其建设阶段的高混凝土用量可能会带来显著的碳足迹，构成“前置碳排放”。

如何在开发混凝土大坝项目时减少潜在的排放是人们普遍关注的问题。研究发现，与传统混凝土坝(CC)相比，使用自密实混凝土填充堆积岩石建造的自密实堆石混凝土坝(SRC)可以明显减少混凝土的消耗，有望在降低排放的同时削减成本[4]。已有研究表明，SRC通过优化施工流程和减少人力需求，成功降低了项目的总体成本，并缩短了施工周期[5]。尽管SRC在施工阶段表现出了明显的经济效益，但其在整个生命周期内对环境的具体影响尚未得到充分探究。随着对可持续发展要求的不断提高，社会各界日益呼吁对大坝生命周期的环境影响进行全面评估，明确SRC技术的环境负荷，为决策者在选择大坝建设项目时提供更为环保的建设策略依据。

本研究的目的是评估大坝生命周期的环境负荷，以使用传统混凝土的碾压混凝土坝作为对照，通过代表性案例量化SRC建设对环境的影响。

1、自密实堆石混凝土坝(SRC)

SRC是一种结合了自密实混凝土特性和堆石混凝土坝结构优点的新型坝型。在SRC中，由于自密实混凝土具有优异的流动性和自行密实能力，能够在无外部振捣的情况下依靠重力均匀充满模板空间，达到规定的密实度，无需预混即可获得较高的填充率。对于CC,在施工现场，由于配合比和振动技术的限制，在CC单位体积内实现高岩石碎块比例是不可能的。因此，与传统混凝土相比，自密实混凝土中水泥的比例较高，但在SRC单位体积中水泥的总比例显著降低，满足了大坝施工中低水化的要求，从而减少裂缝出现风险。根据统计数据，采用SRC建造的现有大坝坝体中未发现裂缝。

与CC相比，SRC生命周期中原材料、设备的数量和能源需求发生了变化。为了量化环境负荷，有必要采用对比性的生命周期评价方法来评估不同坝体构造的环境影响。

2、研究内容和方法

2.1 研究案例

本研究以某水库工程为例进行了实例研究。该水库建设的坝体体积为51262m3,大坝内岩块充填率可达66.7%。按照SL 282—2018《混凝土拱坝设计规范》的要求对CC和SRC的强度和耐久性进行设计。为了对比两种大坝的水化程度与成本结果，分别单独设计了CC方案与SRC方案。对于大坝整个生命周期内的环境影响，目前尚不明确。然而，可以从中国水利水电科学研究院设计的规范中获取可靠且详尽的数据。因此，本案例用来比较在大坝全生命周期内两种施工方法对环境的影响。

2.2 研究方法

日常施工管理中，施工质量、施工进度和施工成本是重要的考量标准。在施工日志中可以得到关于这3个指标的具体数据，但施工对环境产生的影响数据通常不会记录。为了充分利用日常施工管理中的数据，本研究选择了增强过程法分析大坝建设项目环境影响的混合生命周期评价(LCA)模型。混凝土中使用的材料(如水泥、砂、骨料)在规范中有详细清单，而施工过程中应用的设备(如起重机、卡车、挖掘机)则可从调查中获得。这些现成数据与材料生产、材料运输和施工阶段的过程LCA方法相兼容。

在设计阶段，由于存在大量的复杂变量，不可能对整个供应链生命周期设定一个清晰的系统边界。此外，通过收集以往项目长达50年的详细历史数据来预测设计方案的环境影响，既耗时又成本高昂。因此，过程LCA方法不适合运维阶段的分析。通过利用业主追踪记录的年度货币成本，投入产出生命周期评价(EIO-LCA)方法是解决这一局限性的重要方法。EIO-LCA方法可以根据成本值将成本与环境价值关联起来。因此，本研究采用了EIO-LCA方法来评估运行维护阶段的环境影响。

2.3 系统边界

本研究旨在比较SRC和CC在大坝全生命周期中的环境影响。为实现这一目标，本生命周期评价研究的边界设定涵盖了从原材料生产、运输、施工到大坝建设中的运行维护各个阶段。本研究中评估的材料包括所有混凝土组分及化石燃料。材料生产过程涉及原材料的获取与制造。在运输阶段，考虑了将原材料从产地运至施工现场所涉及的所有过程。施工阶段包含了在施工现场使用设备、消耗燃料和电力的所有工序(如搅拌、搬运、挖掘、浇筑和养护)。使用阶段包括运行维护活动，仅关注大坝结构本身。随着水库的建成，由于水库洪水线以下的所有植被在蓄水前必须清除，甲烷排放的风险会降低。因此，这些排放不在本研究中讨论。此外，提高区域湿度水平有利于陆地生态系统的发育，且能吸收大量二氧化碳排放。然而，由于被吸收的排放量与大坝结构或施工方法关系不密切，此处不会量化封存的碳排放量。关于生命周期终点的拆除与回收阶段，迄今为止仅有少数大型水坝被拆除。大多数水坝仍保留在原地，以维持已适应其存在的生态系统和环境。因此，生命周期终点阶段未被考虑。

本研究中，SRC和CC的两种施工方法是通过每单位浇筑混凝土进行比较，考虑生命周期清单，包括能源消耗和空气污染水平(二氧化碳)。大坝建设项目的使用寿命假定为50年。

3、结果与分析

3.1 材料生产

在制备大坝混凝土的过程中，无论是传统混凝土还是自密实堆石混凝土，其材料主要组分均为水泥、沙子、碎石等基本原料。对于SRC,其原材料还包含了粉煤灰、岩块和外加剂。此外，施工过程中涉及的化石燃料类型包括柴油和汽油。本研究所依据的详细材料清单已载于相关设计规范中。水泥的排放系数依照国际气候变化专门委员会制定的国家温室气体清单指南进行计算的，其他非水泥类材料的排放系数来自中国参考生命周期数据库。采用两种不同施工工艺制备混凝土原材料和对应的碳排放见表1。每立方米混凝土的生产对应的原材料使用量用单位数量来表示。

根据表1的数据，两种大坝的原材料碳排放如图1所示。可以看出，材料的生产过程中，主要的碳排放来源于水泥的生产，其他使用量较大的材料(如砂、碎石、岩块和粉煤灰)产生的碳排放量均远小于水泥产生的碳排放。由于SRC建设过程中使用了大量的岩块，导致其水泥使用量小于CC。因此，与CC相比，SRC原材料生产所产生的碳排放量减少了72%。

表1大坝混凝土的原材料和对应碳排放

图1两种大坝的原材料碳排放

3.2 材料运输

材料运输的碳排放来源于运输车辆的燃料消耗。在设计规范中，原材料的运输长度见表2。在本次事件中，运输物资的货车容量为10t,车速约为30km/h,每辆货车的燃油消耗约为15kg/h,根据材料总量和货车的容量，计算货车的总行驶时长和总燃油量。材料运输过程中的碳排放总量如图2所示。可以看出，与CC相比，SRC材料运输过程的粉煤灰和岩块的碳排放量较大，但其水泥、砂和碎石的碳排放量明显减小，最终的碳排放量减少了23%。

表2不同材料的运输长度

图2两种大坝的材料运输碳排放

3.3 施工过程

在施工过程中，施工设备的使用会消耗大量的能源，从而产生碳排放。施工所使用的设备有混凝土泵(30m3/h)、搅拌站(2×1.5m3)、振动给料机(GZG70-110)、带式传送机(650mm×100mm和2×650mm×75mm)、空气压缩机(20m3/min)、螺旋运输机(250mm×30mm)、斗式升降机(250mm×30mm)、桨式给料机(Φ400mm×400mm)、自卸卡车(5t)、缆索起重机(10t)、振动器(1.5kw)、挖掘机(1m3)、混凝土搅拌机(6m3)。根据设备的型号和各自的运行时间计算两种大坝施工过程的碳排放量，其结果如图3—4所示。可以看出，与CC相比，SRC施工过程的碳排放量减少了51%。

图3 CC施工过程的碳排放

图4 SRC施工过程的碳排放

3.4 运行与维护

在运维阶段，由于模型中无维护和维修部门的分类数据，因此在投入产出生命周期评价(EIO-LCA)模型中，选择主要行业为公用事业和建筑业，子行业为建筑业进行碳排放评估。CC和SRC的总预测投资分别在设计规范中收集，在年度运维成本方面进行分开调查。利用EIO-LCA模型进行计算。得到两个大坝的最终投资计算结果，如图5所示。在EIO-LCA模型中，经济投资与运维阶段的碳排放之间存在线性关系。因此，在大坝建设中采用SRC,运维阶段产生的排放量比采用CC减少约16%。

图5两种大坝的最终投资金额

4、结果分析

将材料生产、材料运输、施工过程和运维阶段的能耗和排放进行累加计算，得到两种大坝整个生命周期的总环境影响，其结果如图6—7所示。可以看出，与其他阶段相比，材料生产是温室气体排放和能源消耗的主要来源[6]。这表明水泥的制造是大坝整个生命周期中对环境影响的主要因素。采用CC时，温室气体排放为20635tCO2当量，能耗为96078GJ。采用SRC时，温室气体排放为7209tCO2当量，能耗为43276GJ。与CC相比，采用SRC可减少65%的温室气体排放和55%的能源消耗。

图6两种大坝的总能耗

图7两种大坝的总碳排放

5、结论

本研究运用混合生命周期评价(LCA)模型，针对水坝建设项目，系统地评估其全生命周期内(包括材料生产、材料运输、施工过程、运营维护)的环境负荷，得到以下结论。

(1)大坝全生命周期内，材料生产阶段是温室气体排放和能源消耗的主要来源，尤其是水泥制造过程，对整体环境影响起到决定性作用。

(2)与CC相比，采用SRC可以减少大坝全生命周期各个阶段的碳排放，材料生产阶段减少72%,材料运输阶段减少23%,施工阶段减少51%,运维阶段减少16%。整个生命周期减少65%的温室气体排放和55%的能源消耗。SRC全生命周期内展现出更高的环保性能。

(3)由于统计数据受限，研究结果可能与实际存在偏差，因此，结论应用时应多次精确模拟计算，使研究结果更复合实际。

参考文献:

[1]王思佳,吴夙莹.新能源发电调控及结构优化策略[J].光源与照明,2022(3):186- 188.

[2]闫妮,戎虎仁,王思敏,等.电力能源结构及水力发电建设趋势综述[J].电力学报,2022(4):295- 301.

[3]刘宇,任品桥,郑焱,等.水力发电生命周期评价及碳足迹区域化分析[J].北京工业大学学报,2024(3):282- 289.

[4]朱海涛,苏城峰.自密实混凝土在堆石混凝土坝中的应用[J].广东水利水电,2022(9):30- 33.