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水 利 学 报

２０２４年 ４月 ＳＨＵＩＬＩ ＸＵＥＢＡＯ 第 ５５卷 第 ４期

文章编号：０５５９ － ９３５０（２０２４）０４ － ０４３７ － １２

考虑多种作用效应的表面防渗聚脲涂层非线性分析及设计

李炳奇，张继磊，刘小楠，孟天一
（中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 １０００３８）

摘要：聚脲与聚氨酯相比，具有绿色环保、耐久性好、力学性能优异、施工面适应性强等优势，聚脲基防渗层被
广泛应用于水工结构中。鉴于防渗聚脲尚无成型的结构设计计算理论，惯常采用的经验性设计可能会导致不安
全、不合理、不经济的设计结果，本研究通过探讨聚脲基表面防渗涂层非线性分析的关键理论，基于有限单元法
建立了非线性数值模型。在涂层基面开裂、水压荷载作用、伸缩缝变形等不同受力工况下，通过对材料的受力变
形行为、剥离行为、破坏模式等分析，总结了涂层受力变形规律，并基于分析结果，提出表面防渗聚脲设计流程。
研究表明：对于水压作用下的涂层基面开裂工况，涂层最大应力随水压荷载、粘结强度增大而增大，随开裂宽度变
化不显著，涂层剥离长度随粘结强度增大而减小，随开裂宽度增大而增大；对于伸缩缝变形工况，涂层剥离长度均
随涂层厚度增大而增大，涂层剥离长度随伸缩缝变形量增大而增大，随粘结强度增大而减小，剥离长度随水压荷载
变化趋势不显著；涂层最大应力随涂层厚度增大而减小，随粘结强度增大而增大，随水压荷载增大而逐渐增大。最
终基于数值分析结果提出了考虑伸缩缝变形工况下的聚脲涂层结构设计方法，形成设计流程并计算机软件化。
关键词：聚脲涂层；基面开裂；伸缩缝变形；数值分析；涂层结构设计
中图分类号：ＴＶ４４１
文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．１３２４３?ｊ．ｃｎｋｉ．ｓｌｘｂ．２０２３０７７１

１ 研究背景

柔性防渗体系是水坝工程中的重要组成部分，合理的防渗体系选择、设计和施工，对于坝体防渗
性能、安全性和可靠性有举足轻重的影响。综合分析国内外各类坝体工程的防渗体系经验，ＰＶＣ柔性
防渗卷材和聚脲基喷涂材料是应用广泛且较为可靠的柔性防渗材料 ［１］ 。其中，喷涂聚脲基防渗层技术
是一种新兴的无污染、无溶剂的绿色施工技术，该种材料具有湿度敏感性弱、１００％固体含量、固化速
度快、施工面适应性强等特点 ［２］ ，且聚脲基材料耐腐蚀性强，力学性能优异，更为广泛地被应用于各
类水利工程、高铁桥梁混凝土桥面工程、屋顶防渗工程以及管道防护工程中 ［３ － ４］ 。
自 １９９０年代引进以后，国内学者针对聚脲基材料开展了相关研究，由于不同配比的材料物理性
能差异性较大，因此大多数研究属于材料试验研究 ［５ － ８］ ，考察材料的抗拉强度、撕裂强度、粘结性能、
伸长率等物理性能指标。杨洁 ［９］ 基于材料试验结果拟合 Ｏｇｄｅｎ超弹性模型，并基于 ＡＮＳＹＳ软件建立
数值模型考察了聚脲材料在水压作用下的受力变形行为，但是其模型并未能考虑聚脲材料同结构基面
之间的粘结；张宇弛等 ［１０ － １１］ 提出通过 ＡＢＡＱＵＳ的内聚力单元模拟聚脲材料同基面之间的粘结效应，
其可以更好地模拟聚脲防渗层在各种实际应用工况中的变形行为，但该模型采用线弹性本构模型模拟
聚脲材料，并未考虑材料非线性，因此当应变增大时，其计算结果准确性成疑。事实上，在过去十几
年里，众多学者基于聚脲材料的拉伸、压缩试验数据，总结了各种不同形式的非线性材料本构模型，
包括拉伸状态下的超弹性－ 黏弹性本构模型 ［１２ － １４］ ，压缩状态下的超弹性 － 黏弹性本构模型 ［１５］ ，以及适

收稿日期：２０２３ － １２ － １１；网络首发日期：２０２４ － ０４ － ２２
网络首发地址：ｈｔｔｐｓ：??ｋｎｓ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ?ｋｃｍｓ?ｄｅｔａｉｌ?１１．１８８２．ＴＶ．２０２４０４１９．０８３４．００１．ｈｔｍｌ
基金项目：中国水科院基本科研业务费专项（ＳＳ１１０１４５Ｂ００２２０２１）
作者简介：李炳奇（ １９６６ － ），正高级工程师，博士生导师，主要从事结构诊断与加固研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｌｉｂｑ＠ｉｗｈｒ．ｃｏｍ
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