CN116573830A - 生态疏浚底泥温压耦合热相变式脱水干化系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种生态疏浚底泥温压耦合热相变式脱水干化系统及方法，属于生态疏浚底泥脱水干化技术领域，包括：获取目标底泥的指导参数：首先从目标底泥中提取样本底泥，在样本底泥中布设数据采集模块和脱水干化部件，然后对样本底泥进行温压耦合热相变式脱水干化实验，最后通过对实验数据的分析，选择符合目标要求的实验数据作为指导参数；在目标底泥中布设数据采集模块和脱水干化部件；利用脱水干化部件对目标底泥进行温压耦合热相变式脱水干化处理，在处理的过程中，实时或者定时采集目标底泥的状态参数；将状态参数与指导参数进行比对，从指导参数中选择差异性最小的指导参数，利用该指导参数对脱水干化部件的工况参数进行调整。

Description

生态疏浚底泥温压耦合热相变式脱水干化系统及方法

技术领域

本发明属于生态疏浚底泥脱水干化技术领域，具体涉及一种生态疏浚底泥温压耦合热相变式脱水干化系统及方法。

背景技术

众所周知，生态疏浚底泥的主要成分包括细小的粘性颗粒、粉质颗粒、有机质、大量的水和气体，其具有含水量高、孔隙比大、渗透性差、压缩性强等特点。近年来，国家大力开展河湖水库生态治理工程，产生了大量的疏浚底泥，底泥的消纳和处置是疏浚清淤治理工程中的一大难题，其中，底泥中的高含水量成为制约其资源化利用的关键性因素。

目前，传统的排水固结技术主要包括真空预压、电渗真空预压、堆载联合真空预压和机械式压滤，上述技术均在不改变底泥中水的状态下施加外力或电化学作用进行排水固结，但是随着排水固结的进行，孔隙比不断减小、渗透性变差，排水固结效率降低，致使排水固结周期较长、效果较差。因此，可采用热相变技术改变底泥中水的相态，提高水在底泥中的渗透性，诸多学者在相关论文中研究增温加热技术对底泥脱水固结的影响，如文献(加热对软土底泥真空预压排水固结的影响研究，水文地质工程地质，2020，47(1)，62-68；文献基于增温加热技术的淤泥真空预压现场试验研究，水文地质工程地质，2022，49(4)，125-134)中均研究了增温加热对淤泥的排水固结影响，均认为温度越高，底泥脱水干化效果越好。

但是，在实际操作过程中发现：过高的温度将会导致底泥快速脱水板结硬化，进而形成一层粘土隔热隔水层，阻断了温度的传导，降低了水的渗流途径，导致大范围的脱水干化效果不佳，同时，过高的温度，能耗大，成本高，稳定性和安全性较差。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题，提供一种生态疏浚底泥温压耦合热相变式脱水干化系统及方法，通过对样本底泥的温压耦合热相变式脱水干化实验分析，获取能够高效地实现温压耦合热相变式脱水干化工艺的指导参数。

本发明的第一目的是提供一种生态疏浚底泥温压耦合热相变式脱水干化系统，包括：

第一获取部：获取目标底泥；

第二获取部：获取目标底泥的指导参数：首先从目标底泥中提取样本底泥，在样本底泥中布设数据采集模块和脱水干化部件，然后对样本底泥进行温压耦合热相变式脱水干化实验，在实验的过程中通过数据采集模块采集实验数据，所述实验数据包括样本底泥的温度、渗透系数、固结度、出水速率、沉降速率和孔隙水压力变化速率，最后通过对实验数据的分析，选择符合目标要求的实验数据作为指导参数；所述脱水干化部件包括加热元件、排水组件和抽真空设备；其中：

实验数据的分析包括：

分析一、通过对出水速率、沉降速率、孔隙水压力变化速率和样本底泥的温度的分析，获得不同真空度条件下，样本底泥中水的相变点温度；针对每个真空度条件下的具体分析过程为：

在真空度确定时，对样本底泥逐步增温，获取增温过程中的温度、出水速率、沉降速率、孔隙水压力变化速率，最后摘出出水速率突变点时的温度T_w、沉降速率突变点时的温度T_s、孔隙水压力变化速率突变点的温度T_v，选择T_v；T_w，T_s中的最大值为相变点温度T；

分析二、获得不同真空度条件下，样本底泥在不同固结度时对应的最适排水温度Tz以及在最适排水温度Tz下的渗透系数k_max；

布设部：在目标底泥中布设数据采集模块和脱水干化部件；

信息采集部：利用脱水干化部件对目标底泥进行温压耦合热相变式脱水干化处理，在处理的过程中，实时或者定时采集目标底泥的状态参数；

控制部：将状态参数与指导参数进行比对，从指导参数中选择差异性最小的指导参数，利用该指导参数对脱水干化部件的工况参数进行调整；所述指导参数包括目标底泥的加热温度和真空度；所述加热温度不大于T+△T，△T的范围是0～5。

优选地，第一获取部的获取过程为：

S101、确定生态疏浚底泥的目标区域；

S102、在目标区域内的目标底泥四周建立隔离带，或者将目标区域内的目标底泥转移至隔离区；

S103、在目标区域上设置覆盖密封膜。

优选地，第二获取部的获取过程为：

S201、从目标底泥的同一位置或者不同位置提取单份或者是M份样本底泥，M为大于1的自然数，在每份样本底泥中布设数据采集模块和脱水干化部件；

S202、对每份样本底泥进行温压耦合热相变式脱水干化实验，在实验的过程中实时或者定时采集实验数据；

S203、对每份实验数据进行分析，选择符合目标要求的实验数据作为该份实验数据对应采样点区域中目标底泥的指导参数。

优选地，相变点温度T的获取方法为：

步骤一：将样本底泥放入密闭容器中，并进行抽真空；

步骤二：当连续4h～6h内平均出水速率小于10g/h时，对样本底泥进行逐步升温，每次升温5-10℃；在升温过程中：

测量样本底泥出水速率，当样本底泥出水速率瞬间增大10倍以上时，记录此时温度为T_w；

测量样本底泥沉降速率，当样本底泥沉降速率瞬间增大10倍以上时，记录此时温度为T_s；

测量孔隙水压力变化速率，当孔隙水压力变化速率瞬间增大10倍以上时，记录此时温度为T_v；

步骤三：选择T_w，T_s以及T_v的最大值作为相变点温度T。

优选地，负压条件为80KPA时，固结度的实验包括：

S2-1，测试样本底泥在负压条件下，温度区间内的渗透系数k_i；所述温度区间为T_i(20，60)；

S2-2，对样本底泥温度t_i及渗透系数k_i进行四次多项式拟合；

四次多项式拟合后曲线的表达式为：

k_i＝a₀+a₁t_i+a₂t_i ²+a₃t_i ³+a₄t_i ⁴；

式中：a₀、a₁、a₂、a₃、a₄均为拟合系数；

S2-3，通过曲线，获取最适排水温度T_z以及在最适排水温度Tz下的最优渗透系数k_max；

对曲线求二阶导函数：

k”＝2a₂+6a₃t_i+12a₄t_i ²；

其中：t_i为样本底泥温度；

令k”＝0；则最适排水温度T_z为：

最适排水温度对应的最优渗透系数k_max为：

k_max＝a₀+a₁T_z+a₂T_z ²+a₃T_z ³+a₃T_z ⁴；

S2-4，在稳定压力条件下，测定样本底泥不同固结状态下的渗透系数；

使用非线性拟合的方式建立固结度U_t在提升过程中，最优渗透系数k_max的最适排水温度T_z变化特性曲线；

在不同固结度U_t条件下，重复子S2-1～S2-3，求取样本底泥在不同固结状态下，具有最优渗透系数k_max的最适排水温度T_z；

S2-5，在固结度U_t增长过程中，建立固结度U_t与最适排水温度T_z的对应关系。

优选地，所述四次多项式拟合的具体步骤为：利用损失函数Loss最小化获取四次多项式最优解，或者是基于梯度下降法迭代逼近最优解。

优选地，利用该指导参数对脱水干化部件的工况参数进行调整的过程为：

S501，求取目标底泥固结度；

依据孔隙水压力求取目标底泥中孔隙水压力消散值Δus_i，令目标底泥固结度U_s等于样本底泥固结度U_t；

式中：P为脱水干化预压荷载；u_s0为目标底泥脱水干化前的超静孔隙水压力；

S502，依据目标底泥固结度U_s，匹配四次多项式拟合的拟合数据；

判定目标底泥的土体状态，将当前时间节点的目标底泥固结度与样本底泥的固结度相关联，获取试验中，具有该固结度样本底泥的最适排水温度Tz以及对应的最优渗透系数k_max；

S503，设定最适温度区间；

将最优渗透系数k_max对应的最适排水温度T_z，设定为中心值，向上温度浮动为△T1，向下温度浮动为△T2，即最适温度区间(T_{z min}，T_{z max})为(T_z-△T2，T_z+△T1)；

S504，通过控制增温设备，使目标底泥的温度维持在最适温度区间(T_{z min}，T_{z max})内；具体为：

当目标底泥的温度高于温度控制区间时，关闭加热元件，停止加热；

当目标底泥的温度低于温度控制区间时，开启加热元件，开始加热。

优选地，所述数据采集模块包括用于采集膜下真空度的气压传感器、用于采集土体温度的温度传感器、用于采集孔隙水压力的压力传感器、用于监测电力能耗的物联网电表。

优选地，在每个加热元件的四周布设有近端温度传感器，所述近端温度传感器与该加热元件位于同一深度；在相邻两个加热元件之间布设有远端温度传感器，所述远端温度传感器与两个加热元件之间的距离相等。

优选地，在每个加热元件四周布设有一个近端温度传感器，在相邻两个加热元件之间布设有L个远端温度传感器，当L等于1时，该远端温度传感器与两个加热元件位于同一深度；当L大于1时，L个远端温度传感器位于不同的深度。

优选地，加热元件的布设方法为：

对加热元件进行埋设：将加热元件以垂直于施工作业面的形式放置于排水板底部或中部；

所述加热元件包括中空柱状结构的加热体，所述加热体的夹层内设置有加热器，所述加热器通过导线与外部电源连接，使得加热体的内腔形成加热腔，所述加热体的上下两端分别设置有用于将加热腔与外界相连通的透水透气石材，所述加热体的内腔设置有支撑杆，所述支撑杆的上下两端分别延伸至透水透气石材内，所述支撑杆的下端部贯穿透水透气石材设置有压入部；

释放加热体并连接线路；

在温压耦合作用下降低疏浚底泥的含水量：当常规真空预压排水固结进行到后期时，加热体通电对疏浚底泥进行加热，同时继续抽真空排水，通过控制加热体的温度和疏浚底泥的真空负压，使疏浚底泥中的水分子由液态快速转变为气态，并通过排水板排出，降低疏浚底泥的含水量；

S4、对加热体恒温控制。

优选地，所述排水组件包括排水板、连接排水管的真空负压设备。

优选地，所述排水板至少设有P级相互独立的排水系统，其中P为大于1的自然数。

优选地，每级排水系统包括数个沿目标底泥横向和纵向方向布设有的排水板单体，且同一级排水板单体的深度相同；

在上级排水系统的排水板单体之间铺设下级排水系统，且下一级排水系统的排水板单体的上端与上一级排水系统的排水板单体的下端重叠一段距离；

在位于目标底泥浅层的为一级排水系统，一级排水系统的每个排水板单体的上端部通过接头和一级排水支管连接一级水汽分离瓶；

所述一级水汽分离瓶的抽气口通过一级抽气主管连接一级真空负压设备，一级水汽分离瓶的排水口通过排水管连接排水总管或者排水沟；

除上述一级排水系统的排水板单体的上端部通过接头和一级排水支管连接一级水汽分离瓶外，其余级排水系统的排水单体的下端部通过接头和相互独立的对应级排水支管连接对应级的水汽分离瓶；每级的水汽分离瓶的抽气口通过对应级的抽气主管连接独立控制的对应级的真空负压设备，每级水汽分离瓶的排水口通过连接排水管连接排水总管或者排水沟。

本发明的第二目的是提供一种生态疏浚底泥温压耦合热相变式脱水干化方法，包括：

S1、获取目标底泥；

S2、获取目标底泥的指导参数：首先从目标底泥中提取样本底泥，在样本底泥中布设数据采集模块和脱水干化部件，然后对样本底泥进行温压耦合热相变式脱水干化实验，在实验的过程中通过数据采集模块采集实验数据，所述实验数据包括样本底泥的温度、渗透系数、固结度、出水速率、沉降速率和孔隙水压力变化速率，最后通过对实验数据的分析，选择符合目标要求的实验数据作为指导参数；所述脱水干化部件包括加热元件、排水组件和抽真空设备；其中：

实验数据的分析包括：

分析一、通过对出水速率、沉降速率、孔隙水压力变化速率和样本底泥的温度的分析，获得不同真空度条件下，样本底泥中水的相变点温度；针对每个真空度条件下的具体分析过程为：

在真空度确定时，对样本底泥逐步增温，获取增温过程中的温度、出水速率、沉降速率、孔隙水压力变化速率，最后摘出出水速率突变点时的温度T_w、沉降速率突变点时的温度T_s、孔隙水压力变化速率突变点的温度T_v，选择T_v；T_w，T_s中的最大值为相变点温度T；

分析二、获得不同真空度条件下，样本底泥在不同固结度时对应的最适排水温度Tz以及在最适排水温度Tz下的渗透系数k_max；

S3、在目标底泥中布设数据采集模块和脱水干化部件；

S4、利用脱水干化部件对目标底泥进行温压耦合热相变式脱水干化处理，在处理的过程中，实时或者定时采集目标底泥的状态参数；

S5、将状态参数与指导参数进行比对，从指导参数中选择差异性最小的指导参数，利用该指导参数对脱水干化部件的工况参数进行调整；所述指导参数包括目标底泥的加热温度和真空度；所述加热温度不大于T+△T，△T的范围是0～5。

优选地，S1具体为：

S101、确定生态疏浚底泥的目标区域；

S102、在目标区域内的目标底泥四周建立隔离带，或者将目标区域内的目标底泥转移至隔离区；

S103、在目标区域上设置覆盖密封膜。

优选地，S2具体为：

S201、从目标底泥的同一位置或者不同位置提取单份或者是M份样本底泥，M为大于1的自然数，在每份样本底泥中布设数据采集模块和脱水干化部件；

S202、对每份样本底泥进行温压耦合热相变式脱水干化实验，在实验的过程中实时或者定时采集实验数据；

S203、对每份实验数据进行分析，选择符合目标要求的实验数据作为该份实验数据对应采样点区域中目标底泥的指导参数。

优选地，相变点温度T的获取方法为：

步骤一：将样本底泥放入密闭容器中，并进行抽真空；

步骤二：当连续4h～6h内平均出水速率小于10g/h时，对样本底泥进行逐步升温，每次升温5-10℃；在升温过程中：

测量样本底泥出水速率，当样本底泥出水速率瞬间增大10倍以上时，记录此时温度为T_w；

测量样本底泥沉降速率，当样本底泥沉降速率瞬间增大10倍以上时，记录此时温度为T_s；

测量孔隙水压力变化速率，当孔隙水压力变化速率瞬间增大10倍以上时，记录此时温度为T_v；

步骤三：选择T_w，T_s以及T_v的最大值作为相变点温度T。

优选地，负压条件为80KPA时，固结度的实验包括：

S2-1，测试样本底泥在负压条件下，温度区间内的渗透系数k_i；所述温度区间为T_i(20，60)；所述负压条件为80KPA；

S2-2，对样本底泥温度t_i及渗透系数k_i进行四次多项式拟合；

四次多项式拟合后曲线的表达式为：

k_i＝a₀+a₁t_i+a₂t_i ²+a₃t_i ³+a₄t_i ⁴；

式中：a₀、a₁、a₂、a₃、a₄均为拟合系数；

S2-3，通过曲线，获取最适排水温度T_z以及在最适排水温度Tz下的最优渗透系数k_max；

对曲线求二阶导函数：

k”＝2a₂+6a₃t_i+12a₄t_i ²；

其中：t_i为样本底泥温度；

令k”＝0；则最适排水温度T_z为：

最适排水温度对应的最优渗透系数k_max为：

k_max＝a₀+a₁T_z+a₂T_z ²+a₃T_z ³+a₃T_z ⁴；

S2-4，在稳定压力条件下，测定样本底泥不同固结状态下的渗透系数；

使用非线性拟合的方式建立固结度U_t在提升过程中，最优渗透系数k_max的最适排水温度T_z变化特性曲线；

在不同固结度U_t条件下，重复子S2-1～S2-3，求取样本底泥在不同固结状态下，具有最优渗透系数k_max的最适排水温度T_z；

S2-5，在固结度U_t增长过程中，建立固结度U_t与最适排水温度T_z的对应关系。

优选地，所述四次多项式拟合的具体步骤为：利用损失函数Loss最小化获取四次多项式最优解，或者是基于梯度下降法迭代逼近最优解。

优选地，利用该指导参数对脱水干化部件的工况参数进行调整的过程为：

S501，求取目标底泥固结度；

依据孔隙水压力求取目标底泥中孔隙水压力消散值Δus_i，令目标底泥固结度U_s等于样本底泥固结度U_t；

式中：P为脱水干化预压荷载；u_s0为目标底泥脱水干化前的超静孔隙水压力；

S502，依据目标底泥固结度U_s，匹配四次多项式拟合的拟合数据；

判定目标底泥的土体状态，将当前时间节点的目标底泥固结度与样本底泥的固结度相关联，获取试验中，具有该固结度样本底泥的最适排水温度Tz以及对应的最优渗透系数k_max；

S503，设定最适温度区间；

将最优渗透系数k_max对应的最适排水温度T_z，设定为中心值，向上温度浮动为△T1，向下温度浮动为△T2，即最适温度区间(T_{z min}，T_{z max})为(T_z-△T2，T_z+△T1)；

S504，通过控制增温设备，使目标底泥的温度维持在最适温度区间(T_{z min}，T_{z max})内；具体为：

当目标底泥的温度高于温度控制区间时，关闭加热元件，停止加热；

当目标底泥的温度低于温度控制区间时，开启加热元件，开始加热。

优选地，加热元件的布设方法为：

对加热元件进行埋设：将加热元件以垂直于施工作业面的形式放置于排水板底部或中部；

所述加热元件包括中空柱状结构的加热体，所述加热体的夹层内设置有加热器，所述加热器通过导线与外部电源连接，使得加热体的内腔形成加热腔，所述加热体的上下两端分别设置有用于将加热腔与外界相连通的透水透气石材，所述加热体的内腔设置有支撑杆，所述支撑杆的上下两端分别延伸至透水透气石材内，所述支撑杆的下端部贯穿透水透气石材设置有压入部；

释放加热体并连接线路；

在温压耦合作用下降低疏浚底泥的含水量：当常规真空预压排水固结进行到后期时，加热体通电对疏浚底泥进行加热，同时继续抽真空排水，通过控制加热体的温度和疏浚底泥的真空负压，使疏浚底泥中的水分子由液态快速转变为气态，并通过排水板排出，降低疏浚底泥的含水量；

S4、对加热体恒温控制。

优选地，所述排水组件包括排水板、真空负压设备连接的排水管；所述排水板至少设有P级相互独立的排水系统，其中P为大于1的自然数。

优选地，P等于3，三级相互独立的排水系统的布置方法为：

1)、根据目标底泥的深度确定每一级排水板系统打设的深度和每一级排水系统中排水板单体的长度；

2)、首先打设深度最深的三级排水系统的排水板单体，再依次打设二级排水系统,最后打设一级排水系统；

在打设三级排水系统时，将事先准备好的三级排水系统的排水单体的下端通过密封夹密封连接三级排水支管，带有三级排水支管的一端朝下；按照横向和纵向设定的间距和排水板单体布设图逐一打设三级排水系统的排水板单体；

在打设二级排水系统时，将事先准备好的二级排水系统的排水单体的下端通过密封夹密封连接二级排水支管，带有二级排水支管的一端朝下，二级排水系统的排水板单体位于P级排水系统的排水板单体之间；打设时，按照横向和纵向设定的间距和排水板单体布设图逐一打设二级排水系统的排水板单体；二级排水系统的排水板单体的打设深度与三级排水系统的排水板单体的上端重叠一段距离；

在打设一级排水系统时，将事先准备好的一级排水系统的排水单体的上端密封连接一级排水支管，带有一级排水支管的一端朝上，一级排水系统的排水板单体位于二级排水系统的排水板单体之间；打设时，按照横向和纵向设定的间距和排水板单体布设图逐一打设一级排水系统的排水板单体；一级排水系统的排水板单体的打设深度与二级排水系统的排水板单体的上端重叠一段距离；

3)、将每级排水系统的排水支管与对应的水汽分离瓶连接，每级的水汽分离瓶通过排水主管连接对应级的真空负压设备或者真空负压站，同时将每级的水汽分离瓶的排水口通过排水管与排水总管或者排水沟连接；

4)、布置数据采集系统，所述数据采集系统包括用于采集真空压力的压力采集装置、用于采集水位的水位采集装置、用于表层沉降的表层沉降采集和用于采集目标底泥孔隙水压力的目标底泥孔隙水压力；

5)、在工作垫层上依次铺设编织布、土工布和密封膜，所述密封膜的四周延伸至密封沟，在密封沟内回填密封土；

6)、将每一级排水系统的排水主管分别连接对应的真空负压设备或者真空负压站，开启真空负压设备，并调试真空负压设备，检测是否存在漏气，如果漏气进行密封修补处理。

本发明具有的优点和积极效果是：

本发明首先从目标底泥中进行采样，获取样本底泥，由于样本底泥与目标底泥的性质基本一致，因此，通过对样本底泥的温压耦合热相变式脱水干化实验分析，即可获取最佳的温压耦合热相变式脱水干化相关数据(比如相变点温度、孔隙水压力数据、不同温度和压力下排水效率、耗电量等)，然后将最佳的温压耦合热相变式脱水干化相关数据作为指导参数，最后利用指导参数对目标底泥高效地实现温压耦合热相变式脱水干化工艺。

附图说明

图1为本发明优选实施例的流程图；

图2为本发明优选实施例中获取目标底泥的流程图；

图3为本发明优选实施例中指导参数获取的流程图；

图4为本发明优选实施例中固结度实验的流程图；

图5为本发明优选实施例中利用该指导参数对脱水干化部件的工况参数进行调整的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的上述目的、设计的控制系及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1至图5所示，本发明的技术方案为：

一种生态疏浚底泥温压耦合热相变式脱水干化系统，包括：

第一获取部：获取目标底泥；本申请中的目标底泥以江河湖库疏浚底泥为例，在脱水干化之前，需要将目标底泥从周围环境中独立出来，否则在脱水干化过程中，周围环境中的水会不间断地渗入脱水干化区域；第一获取部的获取过程为：S101、确定生态疏浚底泥的目标区域；主要包括需要进行脱水干化区域的地理位置坐标区域；S102、将目标底泥从周围环境中独立出来：即在目标区域内的目标底泥四周建立隔离带，进而得到原位目标底泥，或者将目标区域内的目标底泥转移至隔离区；比如，将目标区域内的目标底泥转移至清淤河道中，然后在清淤河道中设置两条隔堤；S103、对目标底泥进行预处理，预处理包括：清除杂物，在目标区域上设置覆盖密封膜。为例实现更好的负压效果，可以先在目标区域上设置工作垫层，然后在工作垫层上依次铺设编织布、土工布和密封膜；

第二获取部：获取目标底泥的指导参数：首先从目标底泥中提取样本底泥，样本底泥与目标底泥的性质基本一致，比如两者的温压耦合热相变式脱水干化最佳参数一致，在样本底泥中布设数据采集模块和脱水干化部件，然后对样本底泥进行温压耦合热相变式脱水干化实验，在实验的过程中，通过数据采集模块采集实验数据，所述实验数据包括样本底泥的温度、真空度、渗透系数、固结度、出水速率、沉降速率和孔隙水压力变化速率，最后通过对实验数据的分析，选择符合目标要求的实验数据作为指导参数；在本实施例中：所述数据采集模块包括用于采集膜下真空度的气压传感器、用于采集土体温度的温度传感器、用于采集孔隙水压力的压力传感器、用于监测电力能耗的物联网电表；其中：

实验数据的分析包括：

分析一、通过对出水速率、沉降速率、孔隙水压力变化速率和样本底泥的温度的分析，获得不同真空度条件下，样本底泥中水的相变点温度；针对每个真空度条件下的具体分析过程为：

在真空度确定时，对样本底泥逐步增温，获取增温过程中的温度、出水速率、沉降速率、孔隙水压力变化速率，最后摘出出水速率突变点时的温度T_w、沉降速率突变点时的温度T_s、孔隙水压力变化速率突变点的温度T_v，选择T_v；T_w，T_s中的最大值为相变点温度T；例如，相变点温度T的获取方法为：

步骤一：将样本底泥放入密闭容器中，并进行抽真空；

步骤二：当连续4h～6h内平均出水速率小于10g/h时，对样本底泥进行逐步升温，每次升温5-10℃；在升温过程中：

测量样本底泥出水速率，当样本底泥出水速率瞬间增大10倍以上时，记录此时温度为T_w；

测量样本底泥沉降速率，当样本底泥沉降速率瞬间增大10倍以上时，记录此时温度为T_s；

测量孔隙水压力变化速率，当孔隙水压力变化速率瞬间增大10倍以上时，记录此时温度为T_v；

步骤三：选择T_w，T_s以及T_v的最大值作为相变点温度T。

通过上述分析一，可测定不同真空负压下，样本底泥中水的相变点温度，在施工过程中，可根据现场真空度的大小，设定加热温度，加热温度设定在相变点温度T到T+5℃范围内，根据模型试验，所取限制5℃，是保证土中水充分相变，同时对底泥的性质影响最小，不至于土体结构发生板结硬化，形成“隔热隔水屏障”，一般常规真空预压施工中表面都在80到85kpa之间，但是不同深度下真空度不同，真空度随深度递减，不同真空压力下，气化点不一样，埋设不同深度，需要的相变点温度也不一样。

所述指导参数包括目标底泥的加热温度；所述加热温度不大于T+△T，△T的范围是0～5；当加热温度过高时，会导致底泥快速脱水板结硬化，进而形成一层粘土隔热隔水层，阻断了温度的传导，降低了水的渗流途径，导致大范围的脱水干化效果不佳，同时，过高的温度，能耗大，成本高，稳定性和安全性较差；因此，加热温度的选择不但影响脱水干化的效率，同时影响能耗的利用率；

分析二、获得不同真空度条件下，样本底泥在不同固结度时对应的最适排水温度Tz以及在最适排水温度Tz下的渗透系数k_max；

固结度也是影响脱水干化效率的一个重要影响因素，因此在本优选实施例中，第二获取部的获取过程还包括通过固结度实验获取指导参数，所述指导参数包括固结度Ut在不同状态下，样本底泥具有最优排水特性的最适排水温度Tz以及在最适排水温度Tz下的渗透系数k_max；固结度实验包括：

S2-1，测试样本底泥在负压条件下，温度区间内的渗透系数k_i；所述温度区间为T_i(20，60)；假设负压条件为80KPA；

S2-2，对样本底泥温度t_i及渗透系数k_i进行四次多项式拟合；

四次多项式拟合后曲线的表达式为：

k_i＝a₀+a₁t_i+a₂t_i ²+a₃t_i ³+a₄t_i ⁴；

式中：a₀、a₁、a₂、a₃、a₄均为拟合系数；

本步骤中，可以通过两种算法进行曲线拟合，分别为：

(1)基于损失函数Loss最小化即取得多项式最优解；

/>

令：简化偏导＝0的5个等式：

转为矩阵相乘形式：

/>

两矩阵相乘：

XA＝Y；

其中：A为多项式的系数矩阵；

使用高斯消元法，对线性方程组的增广矩阵进行初等行变换，求解各项系数，得到拟合曲线，其中，k_i为t_i时刻对应的渗透系数：

k_i＝a₀+a₁t_i+a₂t_i ²+a₃t_i ³+a₃t_i ⁴

(2)基于梯度下降法迭代逼近最优解；

计算每个系数对应的梯度值Gradient_a_k：

更新对应系数a_k:

a_k＝a_k+learn_rate×gradient_a_k；

得到拟合曲线：

k＝a₀+a₁t₀+a₂t₀ ²+a₃t₀ ³+a₃t₀ ⁴；

S2-3，通过曲线，获取最适排水温度T_z以及在最适排水温度Tz下的最优渗透系数k_max；

对曲线求二阶导函数：

k”＝2a₂+6a₃t_i+12a₄t_i ²；

其中：t_i为土体样品温度；

令k”＝0；如图3所示：已知曲线整体形态为开口向下，因此a₄＜0，故其二阶导函数k”为开口向下的抛物线，存在两个零点，已知条件20～60℃区间内k随t单调递增，因此，其左侧零点为导函数k’的极小值点，并且极小值为零，右侧零点为其导函数k’一个极大值点，该点即为所求点。

则最适排水温度T_z为：

最适排水温度对应的最优渗透系数k_max为：

k_max＝a₀+a₁T_z+a₂T_z ²+a₃T_z ³+a₃T_z ⁴；

S2-4，在稳定压力条件下，测定样本底泥不同固结状态下的渗透系数；

使用非线性拟合的方式建立固结度U_t在提升过程中，最优渗透系数k_max的最适排水温度T_z变化特性曲线；

在不同固结度U_t条件下，重复子S2-1～S2-3，求取样本底泥在不同固结状态下，具有最优渗透系数k_max的最适排水温度T_z；

S2-5，在固结度U_t增长过程中，建立固结度U_t与最适排水温度T_z的对应关系。

所述四次多项式拟合的具体步骤为：利用损失函数Loss最小化获取四次多项式最优解，或者是基于梯度下降法迭代逼近最优解。

利用该指导参数对脱水干化部件的工况参数进行调整的过程为：

S501，求取目标底泥固结度；

依据孔隙水压力求取目标底泥中孔隙水压力消散值Δus_i，令目标底泥固结度U_s等于样本底泥固结度U_t；

式中：P为脱水干化预压荷载；u_s0为目标底泥脱水干化前的超静孔隙水压力；

S502，依据目标底泥固结度U_s，匹配四次多项式拟合的拟合数据；

判定目标底泥的土体状态，将当前时间节点的目标底泥固结度与样本底泥的固结度相关联，获取试验中，具有该固结度样本底泥的最适排水温度Tz以及对应的最优渗透系数k_max；

S503，设定最适温度区间；

将最优渗透系数k_max对应的最适排水温度T_z，设定为中心值，向上温度浮动为△T1，向下温度浮动为△T2，即最适温度区间(T_{z min}，T_{z max})为(T_z-△T2，T_z+△T1)；在本优选实施例中，△T1＝△T2＝5；

S504，通过控制增温设备，使目标底泥的温度维持在最适温度区间(T_{z min}，T_{z max})内；具体为：

当目标底泥的温度高于温度控制区间时，关闭加热元件，停止加热；

当目标底泥的温度低于温度控制区间时，开启加热元件，开始加热。

布设部：在目标底泥中布设数据采集模块和脱水干化部件；所述脱水干化部件包括加热元件、排水组件和抽真空设备；

信息采集部：利用脱水干化部件对目标底泥进行温压耦合热相变式脱水干化处理，在处理的过程中，实时或者定时采集目标底泥的状态参数；信息采集部的主要目的是检测处理底泥不同位置的真空压力、孔隙水压力、加热能耗、底泥的温度及处理区的地下水位变化；其中：底泥的温度利用温度传感器实现，温度传感器围绕加温元件布设，在孔隙水压力和水位监测设备5的布置：孔隙水压力和水位监测设备(水位传感器)围绕排水板布置，布置在相邻排水板的中间位置；在本优选实施例中：水位监测设备选择的是JM-90型钢尺水位计。

监测方法：温度和孔隙水压力采用定时监测，每小时自动读数并记录，真空压力、加温能耗、地下水位可实时监测。

温度及压力异常的预警与处置：不同压力下水的沸点变化，不同孔隙水压力下水的沸点不同，通过温度、压力、地下水位孔隙水压力的监测，通过通电时长及通电间隔时间的变化，保证靠近加热元件的温度不超过水的沸点，同时加热元件远端的温度有适当的提升。工程师通过监测结果进而对加热元件的工作参数进行调整。

控制部：将状态参数与指导参数进行比对，从指导参数中选择差异性最小的指导参数，利用该指导参数对脱水干化部件的工况参数进行调整；所述指导参数包括目标底泥的加热温度和真空度；所述加热温度不大于T+△T，△T的范围是0～5。

在上述优选实施例中，当目标底泥的范围比较大时，不同位置的底泥性质差异可能比较打，故需要进行多点采样，所以第二获取部的获取过程为：

S201、从目标底泥的同一位置或者不同位置提取单份或者是M份样本底泥，M为大于1的自然数，在每份样本底泥中布设数据采集模块和脱水干化部件；

S202、对每份样本底泥进行温压耦合热相变式脱水干化实验，在实验的过程中实时或者定时采集实验数据；

S203、对每份实验数据进行分析，选择符合目标要求的实验数据作为该份实验数据对应采样点区域中目标底泥的指导参数。

在每个加热元件的四周布设有近端温度传感器，所述近端温度传感器与该加热元件位于同一深度；在相邻两个加热元件之间布设有远端温度传感器，所述远端温度传感器与两个加热元件之间的距离相等，及多个远端温度传感器位于两个加热元件的中轴线上。

在每个加热元件四周布设有一个近端温度传感器。在相邻两个加热元件之间布设有L个远端温度传感器，当L等于1时，该远端温度传感器与两个加热元件位于同一深度；当L大于1时，L个远端温度传感器位于不同的深度。

本实施例中：近端温度传感器布置在加温元件0.5m位置，远端温度传感器布置在两个加温元件中间位置，两个加温元件的间距大于1m，近端温度传感器仅在与加温元件相同深度布置1个温度传感器，远端温度传感器在垂直方向分层分布，分布方式按处理深度与加温元件水平间距不同而异，当处理深度小于加温元件间距时，布置一个温度传感器，处理深度大于加温元件间距时，远端布置两个温度传感器。

所述脱水干化部件包括加热元件和排水组件。

加热元件的布设方法为：

对加热元件进行埋设：将加热元件以垂直于施工作业面的形式放置于排水板底部或中部；

所述加热元件包括中空柱状结构的加热体，所述加热体的夹层内设置有加热器，所述加热器通过导线与外部电源连接，使得加热体的内腔形成加热腔，所述加热体的上下两端分别设置有用于将加热腔与外界相连通的透水透气石材，所述加热体的内腔设置有支撑杆，所述支撑杆的上下两端分别延伸至透水透气石材内，所述支撑杆的下端部贯穿透水透气石材设置有压入部；

释放加热体并连接线路；

在温压耦合作用下降低疏浚底泥的含水量：当常规真空预压排水固结进行到后期时，加热体通电对疏浚底泥进行加热，同时继续抽真空排水，通过控制加热体的温度和疏浚底泥的真空负压，使疏浚底泥中的水分子由液态快速转变为气态，并通过排水板排出，降低疏浚底泥的含水量；

对加热体恒温控制。

排水组件主要包括排水板、真空负压设备连接的排水管。

排水板至少设有P级相互独立的排水系统，其中P为大于1的自然数。在本实施例中，P选择的是3；

每级排水系统包括数个沿目标底泥横向和纵向方向布设有的排水板单体，且同一级排水板单体的深度相同；

在上级排水系统的排水板单体之间铺设下级排水系统，且下一级排水系统的排水板单体的上端与上一级排水系统的排水板单体的下端重叠一段距离；

在位于目标底泥浅层的为一级排水系统，一级排水系统的每个排水板单体的上端部通过接头和一级排水支管连接一级水汽分离瓶；

所述一级水汽分离瓶的抽气口通过一级抽气主管连接一级真空负压设备，一级水汽分离瓶的排水口通过排水管连接排水总管或者排水沟；

除上述一级排水系统的排水板单体的上端部通过接头和一级排水支管连接一级水汽分离瓶外，其余级排水系统的排水单体的下端部通过接头和相互独立的对应级排水支管连接对应级的水汽分离瓶；每级的水汽分离瓶的抽气口通过对应级的抽气主管连接独立控制的对应级的真空负压设备，每级水汽分离瓶的排水口通过连接排水管连接排水总管或者排水沟。

一种生态疏浚底泥温压耦合热相变式脱水干化方法，包括：

S1、获取目标底泥；本申请中的目标底泥以江河湖库疏浚底泥为例，在脱水干化之前，需要将目标底泥从周围环境中独立出来，否则在脱水干化过程中，周围环境中的水会不间断地渗入脱水干化区域；第一获取部的获取过程为：S101、确定生态疏浚底泥的目标区域；主要包括需要进行脱水干化区域的地理位置坐标区域；S102、将目标底泥从周围环境中独立出来：即在目标区域内的目标底泥四周建立隔离带，进而得到原位目标底泥，或者将目标区域内的目标底泥转移至隔离区；比如，将目标区域内的目标底泥转移至清淤河道中，然后在清淤河道中设置两条隔堤；S103、对目标底泥进行预处理，预处理包括：清除杂物，在目标区域上设置覆盖密封膜。为例实现更好的负压效果，可以先在目标区域上设置工作垫层，然后在工作垫层上依次铺设编织布、土工布和密封膜；

S2、获取目标底泥的指导参数：首先从目标底泥中提取样本底泥，样本底泥与目标底泥的性质基本一致，比如两者的温压耦合热相变式脱水干化最佳参数一致，在样本底泥中布设数据采集模块和脱水干化部件，然后对样本底泥进行温压耦合热相变式脱水干化实验，在实验的过程中，通过数据采集模块采集实验数据，所述实验数据包括样本底泥的温度、真空度、渗透系数、固结度、出水速率、沉降速率和孔隙水压力变化速率，最后通过对实验数据的分析，选择符合目标要求的实验数据作为指导参数；在本实施例中：所述数据采集模块包括用于采集膜下真空度的气压传感器、用于采集土体温度的温度传感器、用于采集孔隙水压力的压力传感器、用于监测电力能耗的物联网电表；其中：

实验数据的分析包括：

分析一、通过对出水速率、沉降速率、孔隙水压力变化速率和样本底泥的温度的分析，获得不同真空度条件下，样本底泥中水的相变点温度；针对每个真空度条件下的具体分析过程为：

在真空度确定时，对样本底泥逐步增温，获取增温过程中的温度、出水速率、沉降速率、孔隙水压力变化速率，最后摘出出水速率突变点时的温度T_w、沉降速率突变点时的温度T_s、孔隙水压力变化速率突变点的温度T_v，选择T_v；T_w，T_s中的最大值为相变点温度T；例如，相变点温度T的获取方法为：

步骤一：将样本底泥放入密闭容器中，并进行抽真空；

步骤二：当连续4h～6h内平均出水速率小于10g/h时，对样本底泥进行逐步升温，每次升温5-10℃；在升温过程中：

测量样本底泥出水速率，当样本底泥出水速率瞬间增大10倍以上时，记录此时温度为T_w；

测量样本底泥沉降速率，当样本底泥沉降速率瞬间增大10倍以上时，记录此时温度为T_s；

测量孔隙水压力变化速率，当孔隙水压力变化速率瞬间增大10倍以上时，记录此时温度为T_v；

步骤三：选择T_w，T_s以及T_v的最大值作为相变点温度T。

通过上述分析一，可测定不同真空负压下，样本底泥中水的相变点温度，在施工过程中，可根据现场真空度的大小，设定加热温度，加热温度设定在相变点温度T到T+5℃范围内，根据模型试验，所取限制5℃，是保证土中水充分相变，同时对底泥的性质影响最小，不至于土体结构发生板结硬化，形成“隔热隔水屏障”，一般常规真空预压施工中表面都在80到85kpa之间，但是不同深度下真空度不同，真空度随深度递减，不同真空压力下，气化点不一样，埋设不同深度，需要的相变点温度也不一样。

所述指导参数包括目标底泥的加热温度；所述加热温度不大于T+△T，△T的范围是0～5；当加热温度过高时，会导致底泥快速脱水板结硬化，进而形成一层粘土隔热隔水层，阻断了温度的传导，降低了水的渗流途径，导致大范围的脱水干化效果不佳，同时，过高的温度，能耗大，成本高，稳定性和安全性较差；因此，加热温度的选择不但影响脱水干化的效率，同时影响能耗的利用率；

分析二、获得不同真空度条件下，样本底泥在不同固结度时对应的最适排水温度Tz以及在最适排水温度Tz下的渗透系数k_max；

固结度也是影响脱水干化效率的一个重要影响因素，因此在本优选实施例中，第二获取部的获取过程还包括通过固结度实验获取指导参数，所述指导参数包括固结度Ut在不同状态下，样本底泥具有最优排水特性的最适排水温度Tz以及在最适排水温度Tz下的渗透系数k_max；固结度实验包括：

S2-1，测试样本底泥在负压条件下，温度区间内的渗透系数k_i；所述温度区间为T_i(20，60)；所述负压条件一般设置为80KPA；

S2-2，对样本底泥温度t_i及渗透系数k_i进行四次多项式拟合；本步骤中，可以通过两种算法进行曲线拟合，分别为：(3)基于损失函数Loss最小化即取得多项式最优解；

令：简化偏导＝0的5个等式：

转为矩阵相乘形式：

两矩阵相乘：

XA＝Y；

其中：A为多项式的系数矩阵；

使用高斯消元法，对线性方程组的增广矩阵进行初等行变换，求解各项系数，得到拟合曲线，其中，k_i为t_i时刻对应的渗透系数：

k_i＝a₀+a₁t_i+a₂t_i ²+a₃t_i ³+a₃t_i ⁴

(4)基于梯度下降法迭代逼近最优解；

计算每个系数对应的梯度值Gradient_a_k：

更新对应系数a_k:

a_k＝a_k+learn_rate×gradient_a_k；

得到拟合曲线：

k＝a₀+a₁t₀+a₂t₀ ²+a₃t₀ ³+a₃t₀ ⁴；

S2-3，通过曲线，获取最适排水温度T_z以及在最适排水温度Tz下的最优渗透系数k_max；

对曲线求二阶导函数：

k”＝2a₂+6a₃t_i+12a₄t_i ²；

其中：t_i为土体样品温度；

令k”＝0；如图3所示：已知曲线整体形态为开口向下，因此a₄＜0，故其二阶导函数k”为开口向下的抛物线，存在两个零点，已知条件20～60℃区间内k随t单调递增，因此，其左侧零点为导函数k’的极小值点，并且极小值为零，右侧零点为其导函数k’一个极大值点，该点即为所求点。

则最适排水温度T_z为：

最适排水温度对应的最优渗透系数k_max为：

k_max＝a₀+a₁T_z+a₂T_z ²+a₃T_z ³+a₃T_z ⁴；

S2-4，在稳定压力条件下，测定样本底泥不同固结状态下的渗透系数；

使用非线性拟合的方式建立固结度U_t在提升过程中，最优渗透系数k_max的最适排水温度T_z变化特性曲线；

在不同固结度U_t条件下，重复子S2-1～S2-3，求取样本底泥在不同固结状态下，具有最优渗透系数k_max的最适排水温度T_z；

S2-5，在固结度U_t增长过程中，建立固结度U_t与最适排水温度T_z的对应关系。

所述四次多项式拟合的具体步骤为：利用损失函数Loss最小化获取四次多项式最优解，或者是基于梯度下降法迭代逼近最优解。

利用该指导参数对脱水干化部件的工况参数进行调整的过程为：

S501，求取目标底泥固结度；

依据孔隙水压力求取目标底泥中孔隙水压力消散值Δus_i，令目标底泥固结度U_s等于样本底泥固结度U_t；

式中：P为脱水干化预压荷载；u_s0为目标底泥脱水干化前的超静孔隙水压力；

S502，依据目标底泥固结度U_s，匹配四次多项式拟合的拟合数据；

判定目标底泥的土体状态，将当前时间节点的目标底泥固结度与样本底泥的固结度相关联，获取试验中，具有该固结度样本底泥的最适排水温度Tz以及对应的最优渗透系数k_max；

S503，设定最适温度区间；

将最优渗透系数k_max对应的最适排水温度T_z，设定为中心值，向上温度浮动为△T1，向下温度浮动为△T2，即最适温度区间(T_{z min}，T_{z max})为(T_z-△T2，T_z+△T1)；在本优选实施例中，△T1＝△T2＝5；

S504，通过控制增温设备，使目标底泥的温度维持在最适温度区间(T_{z min}，T_{z max})内；具体为：

当目标底泥的温度高于温度控制区间时，关闭加热元件，停止加热；

当目标底泥的温度低于温度控制区间时，开启加热元件，开始加热。

S3、在目标底泥中布设数据采集模块和脱水干化部件；

S4、利用脱水干化部件对目标底泥进行温压耦合热相变式脱水干化处理，在处理的过程中，实时或者定时采集目标底泥的状态参数；

S5、将状态参数与指导参数进行比对，从指导参数中选择差异性最小的指导参数，利用该指导参数对脱水干化部件的工况参数进行调整；所述指导参数包括目标底泥的加热温度和真空度；所述加热温度不大于T+△T，△T的范围是0～5。

S2具体为：

S201、从目标底泥的同一位置或者不同位置提取单份或者是M份样本底泥，M为大于1的自然数，在每份样本底泥中布设数据采集模块和脱水干化部件；

S202、对每份样本底泥进行温压耦合热相变式脱水干化实验，在实验的过程中实时或者定时采集实验数据；

S203、对每份实验数据进行分析，选择符合目标要求的实验数据作为该份实验数据对应采样点区域中目标底泥的指导参数。

所述指导参数包括目标底泥的加热温度；所述加热温度不大于T+△T，△T的范围是0～5；当加热温度过高时，会导致底泥快速脱水板结硬化，进而形成一层粘土隔热隔水层，阻断了温度的传导，降低了水的渗流途径，导致大范围的脱水干化效果不佳，同时，过高的温度，能耗大，成本高，稳定性和安全性较差；依次，加热温度的选择不但影响脱水干化的效率，同时影响能耗的利用率；

所述脱水干化部件包括加热元件和排水组件。

加热元件的布设方法为：

对加热元件进行埋设：将加热元件以垂直于施工作业面的形式放置于排水板底部或中部；

所述加热元件包括中空柱状结构的加热体，所述加热体的夹层内设置有加热器，所述加热器通过导线与外部电源连接，使得加热体的内腔形成加热腔，所述加热体的上下两端分别设置有用于将加热腔与外界相连通的透水透气石材，所述加热体的内腔设置有支撑杆，所述支撑杆的上下两端分别延伸至透水透气石材内，所述支撑杆的下端部贯穿透水透气石材设置有压入部；

释放加热体并连接线路；

在温压耦合作用下降低疏浚底泥的含水量：当常规真空预压排水固结进行到后期时，加热体通电对疏浚底泥进行加热，同时继续抽真空排水，通过控制加热体的温度和疏浚底泥的真空负压，使疏浚底泥中的水分子由液态快速转变为气态，并通过排水板排出，降低疏浚底泥的含水量；

对加热体恒温控制。

所述排水组件包括排水板、真空负压设备连接的排水管；所述排水板至少设有P级相互独立的排水系统，其中P为大于1的自然数。

P等于3，三级相互独立的排水系统的布置方法为：

1)、根据目标底泥的深度确定每一级排水板系统打设的深度和每一级排水系统中排水板单体的长度；

2)、首先打设深度最深的三级排水系统的排水板单体，再依次打设二级排水系统,最后打设一级排水系统；

在打设三级排水系统时，将事先准备好的三级排水系统的排水单体的下端通过密封夹密封连接三级排水支管，带有三级排水支管的一端朝下；按照横向和纵向设定的间距和排水板单体布设图逐一打设三级排水系统的排水板单体；

在打设二级排水系统时，将事先准备好的二级排水系统的排水单体的下端通过密封夹密封连接二级排水支管，带有二级排水支管的一端朝下，二级排水系统的排水板单体位于P级排水系统的排水板单体之间；打设时，按照横向和纵向设定的间距和排水板单体布设图逐一打设二级排水系统的排水板单体；二级排水系统的排水板单体的打设深度与三级排水系统的排水板单体的上端重叠一段距离；

在打设一级排水系统时，将事先准备好的一级排水系统的排水单体的上端密封连接一级排水支管，带有一级排水支管的一端朝上，一级排水系统的排水板单体位于二级排水系统的排水板单体之间；打设时，按照横向和纵向设定的间距和排水板单体布设图逐一打设一级排水系统的排水板单体；一级排水系统的排水板单体的打设深度与二级排水系统的排水板单体的上端重叠一段距离；

3)、将每级排水系统的排水支管与对应的水汽分离瓶连接，每级的水汽分离瓶通过排水主管连接对应级的真空负压设备或者真空负压站，同时将每级的水汽分离瓶的排水口通过排水管与排水总管或者排水沟连接；

4)、布置数据采集系统，所述数据采集系统包括用于采集真空压力的压力采集装置、用于采集水位的水位采集装置、用于表层沉降的表层沉降采集和用于采集目标底泥孔隙水压力的目标底泥孔隙水压力；

5)、在工作垫层上依次铺设编织布、土工布和密封膜，所述密封膜的四周延伸至密封沟，在密封沟内回填密封土；

6)、将每一级排水系统的排水主管分别连接对应的真空负压设备或者真空负压站，开启真空负压设备，并调试真空负压设备，检测是否存在漏气，如果漏气进行密封修补处理。

以上所述仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (24)

1.一种生态疏浚底泥温压耦合热相变式脱水干化系统，其特征在于，包括：

第一获取部：获取目标底泥；

第二获取部：获取目标底泥的指导参数：首先从目标底泥中提取样本底泥，在样本底泥中布设数据采集模块和脱水干化部件，然后对样本底泥进行温压耦合热相变式脱水干化实验，在实验的过程中通过数据采集模块采集实验数据，所述实验数据包括样本底泥的温度、渗透系数、固结度、出水速率、沉降速率和孔隙水压力变化速率，最后通过对实验数据的分析，选择符合目标要求的实验数据作为指导参数；所述脱水干化部件包括加热元件、排水组件和抽真空设备；其中：

实验数据的分析包括：

分析一、通过对出水速率、沉降速率、孔隙水压力变化速率和样本底泥的温度的分析，获得不同真空度条件下，样本底泥中水的相变点温度；针对每个真空度条件下的具体分析过程为：

在真空度确定时，对样本底泥逐步增温，获取增温过程中的温度、出水速率、沉降速率、孔隙水压力变化速率，最后摘出出水速率突变点时的温度T_w、沉降速率突变点时的温度T_s、孔隙水压力变化速率突变点的温度T_v，选择T_v；T_w，T_s中的最大值为相变点温度T；

分析二、获得不同真空度条件下，样本底泥在不同固结度时对应的最适排水温度Tz以及在最适排水温度Tz下的渗透系数k_max；

布设部：在目标底泥中布设数据采集模块和脱水干化部件；

信息采集部：利用脱水干化部件对目标底泥进行温压耦合热相变式脱水干化处理，在处理的过程中，实时或者定时采集目标底泥的状态参数；

控制部：将状态参数与指导参数进行比对，从指导参数中选择差异性最小的指导参数，利用该指导参数对脱水干化部件的工况参数进行调整；所述指导参数包括目标底泥的加热温度和真空度；所述加热温度不大于T+△T，△T的范围是0～5。

2.根据权利要求1所述的生态疏浚底泥温压耦合热相变式脱水干化系统，其特征在于，第一获取部的获取过程为：

S101、确定生态疏浚底泥的目标区域；

S102、在目标区域内的目标底泥四周建立隔离带，或者将目标区域内的目标底泥转移至隔离区；

S103、在目标区域上设置覆盖密封膜。

3.根据权利要求1所述的生态疏浚底泥温压耦合热相变式脱水干化系统，其特征在于，第二获取部的获取过程为：

S201、从目标底泥的同一位置或者不同位置提取单份或者是M份样本底泥，M为大于1的自然数，在每份样本底泥中布设数据采集模块和脱水干化部件；

S202、对每份样本底泥进行温压耦合热相变式脱水干化实验，在实验的过程中实时或者定时采集实验数据；

S203、对每份实验数据进行分析，选择符合目标要求的实验数据作为该份实验数据对应采样点区域中目标底泥的指导参数。

4.根据权利要求1所述的生态疏浚底泥温压耦合热相变式脱水干化系统，其特征在于，相变点温度T的获取方法为：

步骤一：将样本底泥放入密闭容器中，并进行抽真空；

步骤二：当连续4h～6h内平均出水速率小于10g/h时，对样本底泥进行逐步升温，每次升温5-10℃；在升温过程中：

测量样本底泥出水速率，当样本底泥出水速率瞬间增大10倍以上时，记录此时温度为T_w；

测量样本底泥沉降速率，当样本底泥沉降速率瞬间增大10倍以上时，记录此时温度为T_s；

测量孔隙水压力变化速率，当孔隙水压力变化速率瞬间增大10倍以上时，记录此时温度为T_v；

步骤三：选择T_w，T_s以及T_v的最大值作为相变点温度T。

5.根据权利要求1所述的生态疏浚底泥温压耦合热相变式脱水干化系统，其特征在于，负压条件为80KPA时，固结度的实验包括：

S2-1，测试样本底泥在负压条件下，温度区间内的渗透系数k_i；所述温度区间为T_i(20，60)；

S2-2，对样本底泥温度t_i及渗透系数k_i进行四次多项式拟合；

四次多项式拟合后曲线的表达式为：

k_i＝a₀+a₁t_i+a₂t_i ²+a₃t_i ³+a₄t_i ⁴；

式中：a₀、a₁、a₂、a₃、a₄均为拟合系数；

S2-3，通过曲线，获取最适排水温度T_z以及在最适排水温度Tz下的最优渗透系数k_max；

对曲线求二阶导函数：

k"＝2_a2+6_a3t_i+12_a4t_i ²；

其中：t_i为样本底泥温度；

令k”＝0；则最适排水温度T_z为：

最适排水温度对应的最优渗透系数k_max为：

k_max＝a_o+a_iT_z+a₂T_z ²+a₃T_z ³+a₃T_z ⁴

S2-4，在稳定压力条件下，测定样本底泥不同固结状态下的渗透系数；

使用非线性拟合的方式建立固结度U_t在提升过程中，最优渗透系数k_max的最适排水温度T_z变化特性曲线；

在不同固结度U_t条件下，重复子S2-1～S2-3，求取样本底泥在不同固结状态下，具有最优渗透系数k_max的最适排水温度T_z；

S2-5，在固结度U_t增长过程中，建立固结度U_t与最适排水温度T_z的对应关系。

6.根据权利要求5所述的生态疏浚底泥温压耦合热相变式脱水干化系统，其特征在于，所述四次多项式拟合的具体步骤为：利用损失函数Loss最小化获取四次多项式最优解，或者是基于梯度下降法迭代逼近最优解。

7.根据权利要求6所述的生态疏浚底泥温压耦合热相变式脱水干化系统，其特征在于，利用该指导参数对脱水干化部件的工况参数进行调整的过程为：

S501，求取目标底泥固结度；

依据孔隙水压力求取目标底泥中孔隙水压力消散值Δus_i，令目标底泥固结度U_s等于样本底泥固结度U_t；

式中：P为脱水干化预压荷载；u_s0为目标底泥脱水干化前的超静孔隙水压力；

S502，依据目标底泥固结度U_s，匹配四次多项式拟合的拟合数据；

判定目标底泥的土体状态，将当前时间节点的目标底泥固结度与样本底泥的固结度相关联，获取试验中，具有该固结度样本底泥的最适排水温度Tz以及对应的最优渗透系数k_max；

S503，设定最适温度区间；

将最优渗透系数k_max对应的最适排水温度T_z，设定为中心值，向上温度浮动为△T1，向下温度浮动为△T2，即最适温度区间(T_zmin，T_zmax)为(T_z-△T2，T_z+△T1)；

S504，通过控制增温设备，使目标底泥的温度维持在最适温度区间(T_zmin，T_zmax)内；具体为：

当目标底泥的温度高于温度控制区间时，关闭加热元件，停止加热；

当目标底泥的温度低于温度控制区间时，开启加热元件，开始加热。

8.根据权利要求1所述的生态疏浚底泥温压耦合热相变式脱水干化系统，其特征在于，所述数据采集模块包括用于采集膜下真空度的气压传感器、用于采集土体温度的温度传感器、用于采集孔隙水压力的压力传感器、用于监测电力能耗的物联网电表。

9.根据权利要求8所述的生态疏浚底泥温压耦合热相变式脱水干化系统，其特征在于，在每个加热元件的四周布设有近端温度传感器，所述近端温度传感器与该加热元件位于同一深度；在相邻两个加热元件之间布设有远端温度传感器，所述远端温度传感器与两个加热元件之间的距离相等。

10.根据权利要求8所述的生态疏浚底泥温压耦合热相变式脱水干化系统，其特征在于，在每个加热元件四周布设有一个近端温度传感器，在相邻两个加热元件之间布设有L个远端温度传感器，当L等于1时，该远端温度传感器与两个加热元件位于同一深度；当L大于1时，L个远端温度传感器位于不同的深度。

11.根据权利要求1所述的生态疏浚底泥温压耦合热相变式脱水干化系统，其特征在于，加热元件的布设方法为：

对加热元件进行埋设：将加热元件以垂直于施工作业面的形式放置于排水板底部或中部；

所述加热元件包括中空柱状结构的加热体，所述加热体的夹层内设置有加热器，所述加热器通过导线与外部电源连接，使得加热体的内腔形成加热腔，所述加热体的上下两端分别设置有用于将加热腔与外界相连通的透水透气石材，所述加热体的内腔设置有支撑杆，所述支撑杆的上下两端分别延伸至透水透气石材内，所述支撑杆的下端部贯穿透水透气石材设置有压入部；

释放加热体并连接线路；

在温压耦合作用下降低疏浚底泥的含水量：当常规真空预压排水固结进行到后期时，加热体通电对疏浚底泥进行加热，同时继续抽真空排水，通过控制加热体的温度和疏浚底泥的真空负压，使疏浚底泥中的水分子由液态快速转变为气态，并通过排水板排出，降低疏浚底泥的含水量；

对加热体恒温控制。

12.根据权利要求1所述的生态疏浚底泥温压耦合热相变式脱水干化系统，其特征在于，所述排水组件包括排水板、连接排水管的真空负压设备。

13.根据权利要求12所述的生态疏浚底泥温压耦合热相变式脱水干化系统，其特征在于，所述排水板至少设有P级相互独立的排水系统，其中P为大于1的自然数。

14.根据权利要求13所述的生态疏浚底泥温压耦合热相变式脱水干化系统，其特征在于，每级排水系统包括数个沿目标底泥横向和纵向方向布设有的排水板单体，且同一级排水板单体的深度相同；

在上级排水系统的排水板单体之间铺设下级排水系统，且下一级排水系统的排水板单体的上端与上一级排水系统的排水板单体的下端重叠一段距离；

在位于目标底泥浅层的为一级排水系统，一级排水系统的每个排水板单体的上端部通过接头和一级排水支管连接一级水汽分离瓶；

所述一级水汽分离瓶的抽气口通过一级抽气主管连接一级真空负压设备，一级水汽分离瓶的排水口通过排水管连接排水总管或者排水沟；

除上述一级排水系统的排水板单体的上端部通过接头和一级排水支管连接一级水汽分离瓶外，其余级排水系统的排水单体的下端部通过接头和相互独立的对应级排水支管连接对应级的水汽分离瓶；每级的水汽分离瓶的抽气口通过对应级的抽气主管连接独立控制的对应级的真空负压设备，每级水汽分离瓶的排水口通过连接排水管连接排水总管或者排水沟。

15.一种生态疏浚底泥温压耦合热相变式脱水干化方法，其特征在于，包括：

S1、获取目标底泥；

S2、获取目标底泥的指导参数：首先从目标底泥中提取样本底泥，在样本底泥中布设数据采集模块和脱水干化部件，然后对样本底泥进行温压耦合热相变式脱水干化实验，在实验的过程中通过数据采集模块采集实验数据，所述实验数据包括样本底泥的温度、渗透系数、固结度、出水速率、沉降速率和孔隙水压力变化速率，最后通过对实验数据的分析，选择符合目标要求的实验数据作为指导参数；所述脱水干化部件包括加热元件、排水组件和抽真空设备；其中：

实验数据的分析包括：

分析一、通过对出水速率、沉降速率、孔隙水压力变化速率和样本底泥的温度的分析，获得不同真空度条件下，样本底泥中水的相变点温度；针对每个真空度条件下的具体分析过程为：

在真空度确定时，对样本底泥逐步增温，获取增温过程中的温度、出水速率、沉降速率、孔隙水压力变化速率，最后摘出出水速率突变点时的温度T_w、沉降速率突变点时的温度T_s、孔隙水压力变化速率突变点的温度T_v，选择T_v；T_w，T_s中的最大值为相变点温度T；

分析二、获得不同真空度条件下，样本底泥在不同固结度时对应的最适排水温度Tz以及在最适排水温度Tz下的渗透系数k_max；

S3、在目标底泥中布设数据采集模块和脱水干化部件；

S4、利用脱水干化部件对目标底泥进行温压耦合热相变式脱水干化处理，在处理的过程中，实时或者定时采集目标底泥的状态参数；

S5、将状态参数与指导参数进行比对，从指导参数中选择差异性最小的指导参数，利用该指导参数对脱水干化部件的工况参数进行调整；所述指导参数包括目标底泥的加热温度和真空度；所述加热温度不大于T+△T，△T的范围是0～5。

16.根据权利要求15所述的生态疏浚底泥温压耦合热相变式脱水干化方法，其特征在于，S1具体为：

S101、确定生态疏浚底泥的目标区域；

S102、在目标区域内的目标底泥四周建立隔离带，或者将目标区域内的目标底泥转移至隔离区；

S103、在目标区域上设置覆盖密封膜。

17.根据权利要求15所述的生态疏浚底泥温压耦合热相变式脱水干化方法，其特征在于，S2具体为：

S201、从目标底泥的同一位置或者不同位置提取单份或者是M份样本底泥，M为大于1的自然数，在每份样本底泥中布设数据采集模块和脱水干化部件；

S202、对每份样本底泥进行温压耦合热相变式脱水干化实验，在实验的过程中实时或者定时采集实验数据；

S203、对每份实验数据进行分析，选择符合目标要求的实验数据作为该份实验数据对应采样点区域中目标底泥的指导参数。

18.根据权利要求15所述的生态疏浚底泥温压耦合热相变式脱水干化方法，其特征在于，相变点温度T的获取方法为：

步骤一：将样本底泥放入密闭容器中，并进行抽真空；

步骤二：当连续4h～6h内平均出水速率小于10g/h时，对样本底泥进行逐步升温，每次升温5-10℃；在升温过程中：

测量样本底泥出水速率，当样本底泥出水速率瞬间增大10倍以上时，记录此时温度为T_w；

测量样本底泥沉降速率，当样本底泥沉降速率瞬间增大10倍以上时，记录此时温度为T_s；

测量孔隙水压力变化速率，当孔隙水压力变化速率瞬间增大10倍以上时，记录此时温度为T_v；

步骤三：选择T_w，T_s以及T_v的最大值作为相变点温度T。

19.根据权利要求15所述的生态疏浚底泥温压耦合热相变式脱水干化方法，其特征在于，负压条件为80KPA时，固结度的实验包括：

S2-1，测试样本底泥在负压条件下，温度区间内的渗透系数k_i；所述温度区间为T_i(20，60)；所述负压条件为80KPA；

S2-2，对样本底泥温度t_i及渗透系数k_i进行四次多项式拟合；

四次多项式拟合后曲线的表达式为：

k_i＝a₀+a₁t_i+a₂t_i ²+a₃t_i ³+a₄t_i ⁴；

式中：a₀、a₁、a₂、a₃、a₄均为拟合系数；

S2-3，通过曲线，获取最适排水温度T_z以及在最适排水温度Tz下的最优渗透系数k_max；

对曲线求二阶导函数：

k"＝2a₂+6a₃t_i+12a₄t_i ²；

其中：t_i为样本底泥温度；

令k”＝0；则最适排水温度T_z为：

最适排水温度对应的最优渗透系数k_max为：

k_max＝a_o+a_iT_z+a₂T_z ²+a₃T_z ³+a₃T_z ⁴

S2-4，在稳定压力条件下，测定样本底泥不同固结状态下的渗透系数；

使用非线性拟合的方式建立固结度U_t在提升过程中，最优渗透系数k_max的最适排水温度T_z变化特性曲线；

在不同固结度U_t条件下，重复子S2-1～S2-3，求取样本底泥在不同固结状态下，具有最优渗透系数k_max的最适排水温度T_z；

S2-5，在固结度U_t增长过程中，建立固结度U_t与最适排水温度T_z的对应关系。

20.根据权利要求19所述的生态疏浚底泥温压耦合热相变式脱水干化方法，其特征在于，所述四次多项式拟合的具体步骤为：利用损失函数Loss最小化获取四次多项式最优解，或者是基于梯度下降法迭代逼近最优解。

21.根据权利要求20所述的生态疏浚底泥温压耦合热相变式脱水干化方法，其特征在于，利用该指导参数对脱水干化部件的工况参数进行调整的过程为：

S501，求取目标底泥固结度；

依据孔隙水压力求取目标底泥中孔隙水压力消散值Δus_i，令目标底泥固结度U_s等于样本底泥固结度U_t；

式中：P为脱水干化预压荷载；u_s0为目标底泥脱水干化前的超静孔隙水压力；

S502，依据目标底泥固结度U_s，匹配四次多项式拟合的拟合数据；

判定目标底泥的土体状态，将当前时间节点的目标底泥固结度与样本底泥的固结度相关联，获取试验中，具有该固结度样本底泥的最适排水温度Tz以及对应的最优渗透系数k_max；

S503，设定最适温度区间；

将最优渗透系数k_max对应的最适排水温度T_z，设定为中心值，向上温度浮动为△T1，向下温度浮动为△T2，即最适温度区间(T_{z min}，T_{z max})为(T_z-△T2，T_z+△T1)；

S504，通过控制增温设备，使目标底泥的温度维持在最适温度区间(T_zmin，T_zmax)内；具体为：

当目标底泥的温度高于温度控制区间时，关闭加热元件，停止加热；

当目标底泥的温度低于温度控制区间时，开启加热元件，开始加热。

22.根据权利要求15所述的生态疏浚底泥温压耦合热相变式脱水干化方法，其特征在于，加热元件的布设方法为：

对加热元件进行埋设：将加热元件以垂直于施工作业面的形式放置于排水板底部或中部；

所述加热元件包括中空柱状结构的加热体，所述加热体的夹层内设置有加热器，所述加热器通过导线与外部电源连接，使得加热体的内腔形成加热腔，所述加热体的上下两端分别设置有用于将加热腔与外界相连通的透水透气石材，所述加热体的内腔设置有支撑杆，所述支撑杆的上下两端分别延伸至透水透气石材内，所述支撑杆的下端部贯穿透水透气石材设置有压入部；

释放加热体并连接线路；

在温压耦合作用下降低疏浚底泥的含水量：当常规真空预压排水固结进行到后期时，加热体通电对疏浚底泥进行加热，同时继续抽真空排水，通过控制加热体的温度和疏浚底泥的真空负压，使疏浚底泥中的水分子由液态快速转变为气态，并通过排水板排出，降低疏浚底泥的含水量；

S4、对加热体恒温控制。

23.根据权利要求15所述的生态疏浚底泥温压耦合热相变式脱水干化方法，其特征在于，所述排水组件包括排水板、真空负压设备连接的排水管；所述排水板至少设有P级相互独立的排水系统，其中P为大于1的自然数。

24.根据权利要求23所述的生态疏浚底泥温压耦合热相变式脱水干化方法，其特征在于，P等于3，三级相互独立的排水系统的布置方法为：

1)、根据目标底泥的深度确定每一级排水板系统打设的深度和每一级排水系统中排水板单体的长度；

2)、首先打设深度最深的三级排水系统的排水板单体，再依次打设二级排水系统,最后打设一级排水系统；

在打设三级排水系统时，将事先准备好的三级排水系统的排水单体的下端通过密封夹密封连接三级排水支管，带有三级排水支管的一端朝下；按照横向和纵向设定的间距和排水板单体布设图逐一打设三级排水系统的排水板单体；

在打设二级排水系统时，将事先准备好的二级排水系统的排水单体的下端通过密封夹密封连接二级排水支管，带有二级排水支管的一端朝下，二级排水系统的排水板单体位于P级排水系统的排水板单体之间；打设时，按照横向和纵向设定的间距和排水板单体布设图逐一打设二级排水系统的排水板单体；二级排水系统的排水板单体的打设深度与三级排水系统的排水板单体的上端重叠一段距离；

在打设一级排水系统时，将事先准备好的一级排水系统的排水单体的上端密封连接一级排水支管，带有一级排水支管的一端朝上，一级排水系统的排水板单体位于二级排水系统的排水板单体之间；打设时，按照横向和纵向设定的间距和排水板单体布设图逐一打设一级排水系统的排水板单体；一级排水系统的排水板单体的打设深度与二级排水系统的排水板单体的上端重叠一段距离；

3)、将每级排水系统的排水支管与对应的水汽分离瓶连接，每级的水汽分离瓶通过排水主管连接对应级的真空负压设备或者真空负压站，同时将每级的水汽分离瓶的排水口通过排水管与排水总管或者排水沟连接；

4)、布置数据采集系统，所述数据采集系统包括用于采集真空压力的压力采集装置、用于采集水位的水位采集装置、用于表层沉降的表层沉降采集和用于采集目标底泥孔隙水压力的目标底泥孔隙水压力；

5)、在工作垫层上依次铺设编织布、土工布和密封膜，所述密封膜的四周延伸至密封沟，在密封沟内回填密封土；

6)、将每一级排水系统的排水主管分别连接对应的真空负压设备或者真空负压站，开启真空负压设备，并调试真空负压设备，检测是否存在漏气，如果漏气进行密封修补处理。