2.1　生命周期评价的研究边界

2.1.1　确定生命周期评价的阶段

根据国际标准化组织2006年发布的生命周期评价方法学，生命周期评价的框架分为4个部分，包括确定目标和范围定义、清单分析、影响评价、结果解释[23]。

本章研究的目标是评价各类混凝土筑坝技术的碳排放量，为低碳技术的选择提供决策支持。混凝土大坝生命周期的范围见图2.1。

研究边界包括从筑坝原材料生产、原材料运输、建设过程、运行维护和拆除5个阶段。然而在实际的情况中，当一座大坝运行了几十年后，当地的生态环境已经通过自身改变适应了大坝的存在；如果将大坝突然拆除，会很大程度地改变周围的环境。为了保护当地的生态系统，大多数大坝都会留在原处，作为旅游景观或者历史遗迹保存，在生命周期评价中可以不考虑大坝拆除这个阶段[99]。在大坝运行和维护阶段，只考虑大坝建筑物本身建设和维护阶段的排放量。至于水库的温室气体排放，已有研究指出这部分的甲烷碳排放量由于受到当地地理环境、植被和淹没土壤类型等多种因素的影响，缺少在不同区域和时空的温室气体排放速率的数据库[117]，如何去客观定量评价这部分的排放量一直在争议中。现阶段已经有学者专门针对水库建坝前河流温室气体的排放方面开展研究，尝试建立公认的评价方法[96]，但还需要开展更深入的研究[95]。而在研究案例中，在水库蓄水之前，都会在清库的工作中清理将被淹没的植被，以降低未来的甲烷排放量[118]，所以这部分的温室气体排放不在研究评价的范围中。已有研究表明兴建水库会提高当地的气候湿润度，改善当地的气候，有利于陆地生态系统的发展，从而提高碳吸收量[119]。也有研究指出可以通过将二氧化碳压入水库底部储存实现碳捕捉，但这仅仅是技术上可行，在这个过程中会消耗大量的能源，产生进一步的污染[120]，而且这些碳排放变化量不会受筑坝技术的选择或者筑坝结构而影响，所以本研究也不考虑这部分的变化量。因此根据上述的分析，本书的研究范围见图2.2。

根据图2.2可以看出，研究范围主要包括材料生产、材料运输、建设过程和运行过程4个阶段。其中，在原材料生产阶段，主要考虑各种原材料生产过程的碳排放量，包括水泥、骨料、粉煤灰、块石、减水剂等的生产和制造过程；在材料运输阶段，主要是机械设备运输消耗柴油、汽油等的碳排放量；在建设过程阶段，主要是现场施工设备在混凝土搅拌、运输、浇筑、养护以及采取温控措施中的耗油耗电量；在运行维护阶段，同样要消耗原材料和使用机械设备，涉及能耗带来的碳排放量。

2.1.2　生命周期评价的功能单位

ISO中关于生命周期评价功能单位的定义为：“功能单位是对评价的系统输出功能的量度，界定功能单位的基本作用为评价输入输出提供参照的基准，从而保证生命周期评价结果的可比性[23]”。所以在评价混凝土大坝生命周期的碳排放量时，需要首先明确大坝实际的功能，防洪、发电、灌溉、供水等。进而根据研究目标，对比不同的混凝土筑坝技术的碳排放量，在大坝体积相同时，混凝土消耗量相同，可选择大坝体积作为功能单位。例如水力发电千瓦数或实现调水的立方数等，而且根据研究目标，对比不同的混凝土筑坝技术的碳排放量，在大坝体积相同时，混凝土消耗量相同，所以以大坝体积作为功能单位。

根据确定的功能单位，采用迪氏对数指标分解法（LMDI）的方法进行混凝土大坝生命周期碳排放分析，确定各类混凝土筑坝技术的对比指标，分解的方法为：

式中：C为各类混凝土筑坝技术的二氧化碳排放总量；Ci为i类混凝土筑坝技术的二氧化碳排放总量；Qi为第i类混凝土筑坝技术的混凝土浇筑方量；EFi为i类混凝土筑坝技术单方混凝土的碳排放量。

可以看出，混凝土大坝生命周期总碳排放量被分解成每类混凝土筑坝技术的单方碳排放量乘以相应的筑坝混凝土方量的总和。在混凝土大坝浇筑方量一定情况下，提高单方碳排放量低的筑坝技术比例，可以有效地降低大坝生命周期的总排放量。其中的关键问题就是需要确定混凝土大坝单方碳排放量，所以以此指标评价各类筑坝技术的碳排放情况。

2.1.3　各类混凝土筑坝技术

在混凝土筑坝技术中，主要是以常规混凝土（conventional concrete，Conv.C）和碾压混凝土技术（roller compacted concrete，RCC）为主。相对于常规混凝土施工技术，在原材料配合比上，碾压混凝土技术具有胶凝材料用量低，大量使用掺合料的特点。在施工工艺上两种筑坝技术也有明显的不同。常规混凝土技术在混凝土入仓之后，依靠重型机械设备或者人工振捣使得混凝土密实，见图2.3（a）；碾压混凝土技术则是依靠振动碾设备压实超干硬性混凝土的筑坝技术，见图2.3（b）。

堆石混凝土（rock filled concrete，RFC）筑坝技术是在2003年由清华大学的金峰教授和安雪晖教授共同发明的一种工艺简单、造价低廉、环境友好的新型筑坝技术[121]，基本机理见图2.4。首先将满足一定粒径要求的大体积块石或卵石堆积入仓，形成具有一定空隙的堆石体，然后在堆石表面浇筑满足一定工作性能要求的自密实混凝土（self-compacting concrete，SCC），依靠自密实混凝土的自重，流动并填充满堆石体的空隙，形成完整、密实、水化热低，并满足强度要求的混凝土[122，123]。堆石混凝土依靠自密实混凝土的高流动性，大幅提高了大体积骨料的填充体积，在原材料配合比上，与常规混凝土和碾压混凝土具有明显的不同。

从图2.4中可以看出，堆石混凝土由自密实混凝土和大量块石组成，自密实混凝土具有良好的流动性和密实性，在世界上很多的基础设施建设中已被广泛应用[124，125]，但由于自密实混凝土中含有大量的水泥，水化热较高[126]，一直没有在混凝土大坝中直接使用[127]。而堆石混凝土减少了每立方米水泥用量，水化温升较低，温控相对容易，降低了裂缝的可能性[128]。近些年，为了研究堆石混凝土的性能，探索工程应用的情况，开展了一系列的物理性能和耐久性能试验，验证了自密实混凝土具有良好的充填性能[123]，块石和自密实混凝土间的黏结强度足够，堆石混凝土的平均抗压强度要高于或者至少等于其中填充的自密实混凝土强度[129，130]。在近几年40多个工程应用中可以看出，堆石混凝土技术建造的大坝可以发挥与常规、碾压混凝土大坝相同的功能，所以可对比评价这3种技术的碳排放表现。

堆石混凝土施工工艺主要包含堆石入仓和浇筑自密实混凝土两部分工序组成。在施工过程中，首先利用挖掘机、起重机和自卸汽车等机械设备，必要时辅助以人工，将满足粒径30cm以上要求的大体积块石或卵石堆放入仓；然后将在拌和楼生产好的自密实混凝土运至现场，采用挖掘机、起重机或吊罐等设备直接在堆石体表面倒入自密实混凝土，或者利用泵车、地泵等泵送方式浇筑，利用自密实混凝土良好的流动性能，自动填充到堆石体间的空隙中，从而形成良好致密的堆石混凝土[123]。具体的施工过程见图2.5。

在图2.5中可以看出，该工程中自卸汽车经过运输道路，将堆石运至仓面，通过挖掘机和人工摆放平整。然后将搅拌站生产好的自密实混凝土通过起重机吊罐运送到仓面浇筑，自密实混凝土自动流到块石的缝隙中，人工只需要在吊罐旁监控整个浇筑过程即可。整个过程简单有序，减少了混凝土的振捣和碾压环节，有利于施工质量管理。

通过上述的堆石混凝土机理和施工工艺，在图2.6中举例说明3种混凝土筑坝技术的原材料组成及施工工艺的区别[131]。

可以看出堆石混凝土筑坝技术在施工工艺和原材料组成上具有明显的不同，堆石混凝土在原材料构成中采用大粒径块石，大幅减少了自密实混凝土的使用量，从而减少了原材料的生产和运输量，在施工过程中减少了重型机械设备的使用。