黄河下游弯曲型河道挖河减淤机理的试验研究(吉祖稳, 胡春宏, 田庆奇, 柳海…

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黄河下游弯曲型河道挖河减淤机理的试验研究水利论文;N&s@wjR\

吉祖稳1胡春宏1,2田庆奇1柳海1
(m} uEX9Q0(1.中国水利水电科学研究院泥沙所;2.水沙科学教育部重点实验室)

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摘要:本文在概化模型试验的基础上,对不同挖槽尺寸及水沙条件下黄河下游弯曲河段的疏浚挖槽特性进行了研究。在一般情况下,挖槽尺度越大,挖槽上游流速增幅、挖槽段流速减幅、溯源冲刷量、挖槽回淤量越大,但挖槽回淤率及挖槽效率却不是随着挖槽尺度的增加而单调增加的,对于本次试验条件而言,当挖槽河相关系处于5~8之间时,挖槽效率相对较高。在挖槽尺寸一定的情况下,流量的增加或含沙量的减蝎导致挖槽上游段溯源冲刷量的增加和挖槽回淤量的减小,而泥沙粒径的减小有利于促进溯源冲刷的产生,并抑制回淤量的增加。水利论文4N@,\R2p$Q

关键词:黄河;流速;泥沙;疏浚挖槽;冲淤量

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作者简介:吉祖稳(1967-),男,中国水科院高工。

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1 试验的基本情况水利论文j"jb6uec2ZN!h R

本次疏浚挖槽机理的研究,主要以黄河下游弯曲型河道作为研究对象。经分析比较,最后确定王家庄至鱼洼断面长约30km的河段作为水槽模拟试验的概化河段,在该河段内,共有王家庄、东张、章丘屋子、前左、朱家屋子及鱼洼等六个实测大断面。在适当概化断面形态的基础上,严格按照水平比尺1200、垂直比尺50进行模型制作。由于本次概化模型的变率较大,必然要造成相当的相似性损失,为了确保模型试验结果与天然河道具有一定的可比性,概化模型试验仍按照模型相似律理论进行初步设计,并通过水位及冲淤量等模型率定试验进行有关比尺的调整,确保一些主要物理量的相似,使试验结果满足研究内容的要求。此外,模型进口水沙采用各自独立的循环系统,以便提高模型试验水沙施放的精度,如图1所示。水利论文8{txW*W9Q o&V4A

本次疏浚机理的研究主要以恒定水沙过程为主,适当考虑非恒定水沙过程,其中恒定流量共分为大、中、小三级过程,大水采用该河段的平滩流量,大小约为3000m3/s,中水流量约为1500m3/s,小水流量约为500m3/s,各级流量级下的含沙量变化幅度为35~200kg/m3;水沙量的大小主要以典型洪水过程为依据,大水主要采用1993年7~8月的洪水过程,相应的水量为40.13亿m3,输沙量约为1.94亿t,小水采用1993年9~10月的水沙过程,其水沙量分别为10.73亿m3、0.13亿t;下游控制水位主要以渔洼断面为准,大、中、小三级流量下的平均水位分别为10.39m、9.09m及8.07m。悬沙及床沙级配根据该河段多年平均值确定,其中床沙的中值粒径约为0.066mm,悬移质的中值粒约为0.016mm。水利论文^B"zcdC(n

1 黄河下游疏浚挖槽概化试验布置图水利论文\$bsi;xbAG+Z|
Fig.1 Sketch of the generalized dredging model in the Lower Yellow River

2 疏浚挖槽对水流挟沙能力的影响

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2.1 水流流速的变化及其特点

1s Nbp|(Q8J G6r(T3}0

2.1.1 挖槽尺度的影响水利论文Q\/C'])V9L-O9zy%B

(1) 断面平均流速的变化特点

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从表1中可以看出,在河道中进行疏浚挖槽之后,不论挖槽尺寸的大小,挖槽河段的断面平均流速均减小,挖槽上游河段的断面平均流速均有所增加,但不同尺度的影响程度却有较大的差别,在一般情况下,如果挖槽断面尺寸较大,则断面平均流速的变化幅度相对较大,对于挖槽深度为2m的情况,当开挖宽度从100m增加到300m时,挖槽上游的章丘屋子断面的流速增加幅度分别达到25%~54%,挖槽段内前左断面的流速减小幅度约为11%~27%。此外,当挖槽深度较小或较大时,挖槽宽度变化引起的挖槽上游河段内的流速变化幅度较小,而当挖槽深度介于两者之间时,上游流速变化幅度将有所增加。因此,在现有水沙条件下,当挖槽深度介于2~3m之间时,挖槽上游河段的流速变化较为明显。挖槽长度不同引起的流速变化特点与挖槽断面尺寸相似,但影响的河段部位及长度却有所不同,当挖槽长度较短时,挖槽上游河段的影响距离相对较近;当挖槽长度较长时,影响距离相对较远,但当挖槽长度增加到一定长度时,影响距离的递增速率明显减缓,从本次试验结果来看,其拐点位置的挖槽长度约为10km。

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1 不同挖槽尺度下的断面平均流速(m/s)水利论文gP@ Hg8oN)\d5~ Gn

Table 1 Average velocity at cross sections for different dredging dimensions

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挖槽尺寸(m)挖槽上段挖槽段挖槽尺寸(m)挖槽上段挖槽段
深度宽度章丘屋子一号坝前左朱家屋子深度宽度章丘屋子一号坝前左朱家屋子

未挖槽1.712.411.971.51

1002.132.111.761.471002.721.681.431.42
22002.411.851.631.3242002.971.351.151.13
3002.631.801.441.163002.941.221.090.96

(2) 垂均流速横向分布特点

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在一般情况下,垂线平均流速的横向分布特点与断面形态有关,宽浅式河道流速横向分布较为均匀,窄深式河道分布较为集中。在河道中进行疏浚挖槽之后,由于边界条件的改变,流速横向分布也将产生相应的变化。在本文中,引入流速分布系数的概念,定义为垂线平均流速的最大值与断面平均流速的比值,用以反映垂线平均流速沿横向分布的均匀程度,流速分布系数较大,则流速横向分布较不均匀。

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从本次试验结果可以看出,当挖槽深度较大或较小时,挖槽宽度改变对挖槽段的流速分布影响相对较为明显,对挖槽上游河段的流速分布影响相对较小,但是,当挖槽深度处于2~3m之间时,上游流速分布对挖槽宽度的变化较为敏感,以2m挖深为例,当挖槽宽度从100m增加到300m时,处于挖槽段前左断面的流速分布系数从1.42减小至1.32,处于挖槽上游河段章丘屋子断面的流速分布系数从1.45增加至1.66。水利论文y,Dc|R \yi

2.1.2 流量变化的影响

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(1) 断面平均流速水利论文}d:u!I"}n(^5w

从整个河段来看,随着来流量的减小,断面平均流速变化值沿程分布有逐渐均匀化的趋势,而且这种趋势在挖槽宽度较小时,表现得较为充分,产生这种现象的原因,可能是流量减小与水流集中二者综合作用的结果,一方面,随着来流量的减小,水流自身所具有的动量变小,所引起的溯源冲刷能力减弱,体现在流速变化上,就是挖槽上游河段流速变化值较小,另一方面,在深度不变的情况下,挖槽宽度的减小,对于小流量而言,水流归集程度将有所增加,从而引起水流流速的增加,体现在流速变化上,就是挖槽段流速变化值减小,在这两个方面的共同作用下,流速变化值的沿程分布就显得较为均匀。水利论文4T9p(hq;U(d"MJ)\p

(2)垂均流速的横向分布水利论文6qv"?k-X_h j

在挖槽宽度较大时,大流量的流速分布较小流量不均匀,水流集中程度相对较高;在挖槽宽度较小时,小流量的流速分布较大流量不均匀,水流集中程度相对较高。垂线平均流速的这种分布特点,主要是由挖槽尺寸所决定的,在挖槽深度相同的情况下,挖槽宽度越大,意味着挖槽尺度越大,相应地,挖槽的过流能力也就越强,水流集中所需的流量也就越大,因此,在挖槽宽度较大时,大流量的垂线平均流速分布就不均匀一些。反之,挖槽宽度越小,挖槽断面尺寸也就越小,挖槽所具有的过流能力也越弱,水流集中所需的流量自然就较小,表现在流速横向分布上,就是小流量不均匀一些。

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2.1.3 挖槽断面形态与流速分布的关系

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2 挖槽断面形态与流速分布的关系水利论文.oG2W WG
Fig.2 Relations between the shape of cross-section and the distribution of velocity

流速分布系数是反映断面水流集中程度的指标,流速分布越集中,则主流带的挟沙能力就越大,其所占断面整体挟沙能力的百分数就越大。因此,通过不同挖槽尺寸对流速分布系数影响的研究,找出使流速分布最为集中的挖槽尺寸,该挖槽应该具有溯源冲刷能力强、挖槽回淤率低的特点,因而也是较为合理的挖槽断面。在表示断面形态特征上,此次仍采用目前较为广泛应用的河相关系,大小采用B/H进行计算,其中B为河宽,H为水深。从图2中可以看出,在河道中进行挖槽之后,流速分布存在相对集中的现象,流速分布系数随着河相关系的增加而呈现出先增加后减小的分布特征,当挖槽宽深比为6~8之间时,挖槽河段及挖槽上游河段的流速分布系数达到最大,此时,水流集中程度较高,可以达到少淤积多冲刷的目的,也就可以取得好的挖槽疏浚效果。水利论文C#lFs9LpEB/]

2.2 含沙量的变化及其特点水利论文 S(je2H r9F7d%n Z|

2.2.1 挖槽尺度的影响

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对于疏浚挖槽初期而言,不论挖槽深度和宽度的大小,挖槽河段内的断面初始含沙量均较未挖槽时有所降低,挖槽上游河段的断面初始含沙量都比未挖槽时有所增加,如表2所示。在一般情况下,挖槽断面尺寸较大,则断面初始含沙量的变化幅度相对较大,其中,挖槽上游段章丘屋子断面初始含沙量的增幅约为 1%~16%,挖槽段前左断面初始含沙量的减小幅度约为6%~28%,挖槽段含沙量的减小幅度大于挖槽上游段的增加幅度。对于挖槽初末期而言,挖槽上游段的末期含沙量与初始含沙量相比,以减小为主,减小幅度基本在8%左右,与此对应,挖槽段的末期含沙量以增加为主,增加幅度基本在6%左右,这表明,在经过一个水沙过程之后,河流在不断自我调整,使得挖槽段与非挖槽段断面平均含沙量的差值减小,趋于均匀化。水利论文/G _$_l#e$u o

2 不同挖槽尺度下的断面平均含沙量

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Table 2 Average sediment concentration at cross sections for水利论文y@!Q.N H.{J
the different dredging dimensions
水利论文5i]Z`$[n9x9O.x


挖槽尺寸(m)含沙量(kg/m3)相对差(kg/m3)挖槽尺寸(m)含沙量(kg/m3)相对差(kg/m3)
断面
断面
深度宽度初期末期初末差初期末期深度宽度初期末期初末差初期末期

10069.9872.182.200.381.7710069.8079.609.80-4.8010.30
220073.2072.75-0.453.602.35220064.9872.607.63-9.633.30
30070.9861.30-9.681.38-9.1030056.5559.853.30-18.05-9.45


10072.9866.58-6.403.38-3.8310069.5855.18-14.40-5.02-14.13
420080.7579.05-1.7011.158.65420065.2077.0011.80-9.407.70
30082.4059.68-22.7312.8010.7330053.8566.2012.35-20.75-3.10

  从断面平均含沙量沿程分布来看,不同挖槽尺寸下的沿程分布与挖槽前相似,其基本特征是沿程逐渐减小。但是,挖槽之后的含沙量沿程减小趋势较未挖槽时不均匀,在进入挖槽段之后,断面平均含沙量有一个明显的陡降,然后再逐渐下降。此外,与挖槽前的含沙量相比,挖槽河段的沿程含沙量分布一般低于挖槽前含沙量,非挖槽河段的沿程含沙量分布一般高于挖槽前的含沙量。对全河段而言,挖槽后的含沙量一般低于挖槽前的含沙量,即挖槽后全河段的总淤积量要高于挖槽前的淤积量。水利论文C9o&zq:^:Oy]7uY%_

2.2.2 水沙条件的影响

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对于流量变化而言,当挖槽尺寸和含沙量基本相同时,无论是挖槽段还是挖槽上游段,断面平均含沙量均都是随着流量减小而逐渐减小的。当流量从3000m3/s降至1500m3/s时,挖槽上游段章丘屋子断面的平均含沙量从69.33kg/m3降至55.77 kg/m3,挖槽段前左断面的平均含沙量从61.48kg/m3降为54.11kg/m3;对于含沙量变化而言,随着含沙量的增加,在挖槽上游河段断面平均含沙量逐渐由沿程增加转变为沿程减小,当含沙量较小时,断面平均含沙量是逐渐增加的,当含沙量较大时,断面平均含沙量是逐渐减小的;而在挖槽河段,断面平均含沙量都是沿程逐渐减小的,但是,随着进口含沙量的增加,断面平均含沙量沿程递减幅度增加较快。对于泥沙粒径的变化而言,断面平均含沙量沿程分布随泥沙粒径的变化十分显著,当床沙粒径由0.065mm减小至0.042mm时,试验河段各断面的时均含沙量均大于进口含沙量,其中挖槽上游河段章丘屋子断面的平均含沙量的增幅达到了进口含沙量的15%;而当悬沙粒径由0.016mm增加到0.025mm时,含沙量沿程分布的变化趋势差别不大,但含沙量的数值有所减小,减幅基本在11~20%。

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2.2.3 含沙量与挖槽尺度的关系水利论文$[,})]t+?`)g nx qa

  在水沙条件和洪水历时一定的情况下,可以由出口断面的总平均含沙量大致推测一下该河段内的淤积情况,当出口平均含沙量较高时,说明研究河段的泥沙淤积较少,当出口平均含沙量较低时,表明研究河段的泥沙淤积较多。因此可以用出口平均含沙量来初步评估疏浚挖槽断面尺寸的合理性,图3就是挖槽断面河相关系与朱家屋子断面平均含沙量的相互关系,从图中可以看出,当河相关系大小约为6~9之间时,出口平均含沙量相对较大,相应地,疏浚挖槽效果较好。水利论文sJY-G*^-BR~

3 疏浚挖槽对河道冲淤量的影响水利论文:MC O w\ ~ d5G x

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3 挖槽断面河相关系与出口断面含沙量的关系
)f,?{'ZB0Fig.3 Relation between the shape of cross-section and the averaged sediment concentration

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  在河道中进行疏浚挖槽之后,由于边界条件的急剧变化,河道将通过自身的冲淤来调整适应这种变化,调整幅度及适应能力的大小,取决于疏浚挖槽的尺度和规模,为了正确衡量疏浚挖槽对河道冲淤的影响,本节引进了相对冲淤量的概念,定义为:疏浚挖槽之后的河道冲淤量减去同水沙作用下未挖槽时的河道冲淤量,因此,相对冲淤量的概念剔除了非挖槽的影响因素,反映了疏浚挖槽所引起的床面冲淤的净量。

_Sk_ R A`03.1 上下游河段的变化水利论文S-~6X;O J.M5Z*zE

4 河段冲淤量与挖槽断面的关系
&Z.h&[ruM8kq#d0Fig.4 Relations between the dredging dimension and the scouring and depositing volumes

在河道中进行疏浚挖槽之后,挖槽上游河段以冲刷为主,挖槽下游河段有冲有淤,但总体变幅不大,如图4所示。从图中可以看出,在水沙条件相同的情况下,随着挖槽断面尺寸的增大,上游河段的冲刷量逐渐增加,而且变化幅度较大,下游河段则从微淤转化为微冲。挖槽长度对上下游河段冲淤的影响与挖槽尺度相似,随着挖槽长度的增大,挖槽上游冲刷量呈逐渐增加的趋势,但这种变化趋势在挖槽长度增加的初期较为强劲,在挖槽长度增加的后期,相对较弱,对于宽度为200m、深度为2m的挖槽而言,挖槽长度从5km增加到10km,挖槽上游冲刷量的增加幅度约占挖方增量的53%,而挖槽长度从10km增加到15km,挖槽上游冲刷量的增加幅度仅占挖方量增量的7.9%。

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在含沙量保持不变的情况下,随着来流量的减小,挖槽上游河道的溯源冲刷量逐渐减小,挖槽下游淤积量逐渐增大,当含沙量均为75kg/m3时,流量从3000m3/s减小至1500m3/s,挖槽上游冲刷量的减小幅度约占挖方量的28%;挖槽下游淤积量的增幅约占挖方量的2%;在流量保持不变的情况下,随着含沙量的增加,挖槽上游溯源冲刷量逐渐减小,而且递减速率很快,对于流量为3000m3/s的情况,当含沙量从38kg/m3增加到200kg/m3时,挖槽上游相对冲淤量分别为-248.89万m3增加到163.44万m3,变化幅度达到123%;挖槽下游河段的变化趋势与上游相同,只是变化幅度明显小于挖槽上游河段,约占挖方量的14%。在悬沙粒径保持不变的情况下,床沙粒径变细将导致挖槽上游溯源冲刷强度的增加和下游冲淤量的减小,当床沙粒径从0.065mm减小至0.042mm时,挖槽上游冲刷量从165.17万m3增加到227.35万m3,约占挖方量的19%,挖槽下游的减小幅度约占挖方量的10%;在床沙粒径保持不变的情况下,悬沙粒径加粗将引起挖槽上游溯源冲刷量的减小,当悬沙粒径从0.016mm增加到0.025mm时,挖槽上游冲刷量从165.17万m3减小至93.21万m3,约占挖方量的21%,下游河段仅占挖方量的1%。水利论文nD_?Rg VLy6kN,x~

3.2 挖槽段的变化水利论文v+Y\Sw7f!nG5l

从图4中可以看出,挖槽回淤量也是随着挖槽尺寸的增大而增加的,而且增加速率加快。当挖槽深度为2m时,100m、200m及300m挖槽的回淤量分别为137.30万m3、170.53万m3和203.23万m3;当挖槽深度为4m时,100m、200m及300m挖槽的回淤量分别为226.87万m3、420.51万m3和490.61万m3。挖槽长度的变化规律与断面尺寸一样,挖槽回淤量随着挖槽长度的增大而增加。

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当含沙量保持不变时,挖槽回淤量随着流量的减小而增大,对于挖槽宽200m、深2m、含沙量75kg/m3的情况,当流量从3000m3/s减小到1500m3/s时,挖槽回淤量增加幅度约占挖方量的5%。当流量保持不变时,随着含沙量的增加,挖槽回淤量迅速增加,对于流量3000m3/s的情况,含沙量从38kg/m3增加到200kg/m3,挖槽回淤量从112.31万m3急剧增加到487.83万m3,增加幅度约占挖方量的112%。在床沙粒径保持不变的情况下,悬沙粒径变粗将引起挖槽回淤量的增加,当床沙粒径为0.065mm时,悬沙粒径从0.016mm增加到0.025mm,挖槽回淤量的增加幅度约占挖方量的33%。在悬沙粒径保持不变的情况下,床沙粒径变细将导致挖槽回淤量减小,当悬沙粒径为0.016mm时,床沙粒径从0.065mm减小到0.042mm,挖槽回淤量的减小幅度约占挖方量的5%。水利论文 r_y9o;_4cU!aH

从试验结果可以看出,疏浚挖槽对上游河段的影响要比下游河段大得多,上游河段的冲淤变化直接影响着挖槽的效果,溯源冲刷强度越大,则挖槽效果明显,反之,如果溯源冲刷较弱或不能产生,则挖槽效果很低。挖槽尺寸的增加虽然可以提高溯源冲刷量,但挖方量和挖槽回淤量的增加将导致挖槽效果的降低;对于挖槽尺寸和水沙条件而言,水沙条件对挖槽效果影响较为明显,但采用合理的挖槽尺寸可以提高挖槽效果;从悬沙及床沙的变化情况来看,床沙变化对挖槽上下游相对冲淤量的影响均较大,但对挖槽回淤量的影响较小;悬沙变化对挖槽上游冲淤量和挖槽回淤量影响较大,但对下游河段的冲淤量影响较小。在挖槽宽度为200m、深度为2m的情况下,对于试验水沙条件而言,挖槽段及挖槽上游段的挖槽减淤比基本在0.3~1.3之间,当含沙量较低或泥沙粒径较小时,挖槽减淤比可以取得较大值,当含沙量较高或泥沙粒径较粗时,挖槽减淤比认小值;在流量为3000m3/s、含沙量为75kg/m3的情况下,挖槽减淤比约为0.95。

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4 结论水利论文0OC7Wc9d4~7{

(1)在河道中进行挖槽之后,在挖槽河段内,水流流速减小,挟沙能力降低,河段以淤积为主;在挖槽上游影响段内,水流流速增大,挟沙能力提高,河段以冲刷为主;在挖槽上游非影响段及下游段,河道有冲有淤,但以淤积为主。此外,流量的增加或含沙量的减蝎导致挖槽上游段溯源冲刷量的增加和挖槽回淤量的减小,而泥沙粒径的减小有利于促进溯源冲刷的产生,并抑制回淤量的增加。

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(2)从挖槽尺寸引起的流速变化幅度来看,当挖槽尺寸较大或较小时,挖槽引起的上游流速及挟沙能力的变化幅度相对较小,当挖槽尺寸介于二者之间时,挖槽引起的流速及挟沙能力的变化幅度相对较大,此时,单位挖方量所引起的上游溯源冲刷也较大。从本次试验结果来看,当挖槽断面的河相关系B/H处于5~8之间时,挖槽效果相对较好,挖槽减淤比约为0.95。

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参 考 文 献水利论文2O!K?)Y5mgX*IH

[1] 胡春宏, 吉祖稳。我国江河湖库清淤疏浚实践与分析。泥沙研究,1998, (4).水利论文t L0k g%T D8j|1z1bX

[2] 陈东等。河床枯萎疏浚浅论。泥沙研究,2000, (1).水利论文zn3}8YD)\+l

[3] 胡春宏, 王延贵等,官厅妫水河口清淤疏浚措施及其效果的试验研究。泥沙研究,1999, (4).水利论文!oG)D.C+\;V!t/tI;G

[4] 姚文艺等。黄河下游萎缩性河道挖河减淤的临界比降研究。水利学报,2001, (4).

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[5] 钱宁,万兆惠著。泥沙运动力学。北京:科学出版社,1986.水利论文7x9wh&g_ B3`$Q

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