附加質(zhì)量法檢測堆石體密度技術(shù)及應(yīng)用評價(jià)

張建清，周正全，蔡加興，馬圣敏，馬 其

(1.長江工程地球物理勘測武漢有限公司，武漢 430010;2.華能瀾滄江水電有限公司，昆明 650214)

1 研究背景

近年來，我國的水利水電工程和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)發(fā)展迅猛，堆石壩﹑堆石路基﹑堆石圍堤等各類堆石體建筑工程大量涌現(xiàn)。堆石體密度是否符合設(shè)計(jì)要求，直接影響到壩體或路基的質(zhì)量，質(zhì)量問題嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成壩體、路基的沉降或破壞。工程中測定堆石體密度的方法，主要有直接法和間接法2類［1－3］。其中，直接法主要為坑測法;間接法有壓實(shí)沉降觀測法、振動(dòng)碾裝加速度計(jì)法、控制碾壓參數(shù)法、靜彈模法、動(dòng)彈模法、面波法、核子密度法及附加質(zhì)量法等［4－5］?？訙y法，即挖坑、稱重、量體積，是原始而常用的方法，測定結(jié)果相對準(zhǔn)確可靠，但該方法檢測效率低、費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、耗資大且具有破壞性，由于這些局限性限制了坑測法在大壩填筑質(zhì)檢中大量使用。而間接法中的前5種均不能定量，只能定性地評價(jià)堆石體的壓實(shí)程度;面波法由于密度的變化對頻散曲線影響較小，且該方法對1.0 m以內(nèi)的表層檢測誤差大，因此目前面波法難以解決堆石體密度測定問題;核子密度法由于具有放射性，現(xiàn)場要求具有嚴(yán)格的防護(hù)措施，且其檢測要求最大粒徑不超過40 mm，有效深度不超過200 mm的小粒徑介質(zhì)，實(shí)際應(yīng)用具有很大局限性［6－7］。

針對這一工程技術(shù)難題，各界技術(shù)人員開展了大量的科學(xué)研究和試驗(yàn)工作，并發(fā)展了一些檢測堆石體密度的方法。附加質(zhì)量法是近年來新興的一種堆石體密度原位測定方法［8－9］。該方法不僅具有快速、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)等特點(diǎn)，而且適用于不同粒徑組成的堆石體，因此，附加質(zhì)量法測試堆石體密度，給大壩施工提供了一種十分重要的檢測手段。本文針對堆石壩填筑施工中實(shí)時(shí)檢測堆石體密度的作用和重要性，介紹了附加質(zhì)量法測試大壩堆石體密度的基本原理以及現(xiàn)場測試方法，重點(diǎn)敘述了對該方法關(guān)鍵技術(shù)的研究，并簡述了該方法在糯扎渡水電站碾壓試驗(yàn)階段和大壩填筑階段的應(yīng)用效果。

2 附加質(zhì)量法檢測技術(shù)簡介

理想的質(zhì)彈模型振動(dòng)體系如圖1所示，其振動(dòng)方程和剛度有如下表達(dá)式:

式中:x為振動(dòng)位移函數(shù);ω為體系振動(dòng)圓頻率，k為體系動(dòng)剛度，m為振子質(zhì)量。

在自然界中，任何理想的模型都不會(huì)真實(shí)存在，通常的解決辦法是構(gòu)造一個(gè)比較接近理想模型的抽象數(shù)學(xué)模型，然后增加接近實(shí)際的邊界條件，再進(jìn)行求解。

圖1 理論模型Fig.1 Theoretical model

依據(jù)理想質(zhì)彈模型，將附加質(zhì)量、壓板等效為一根彈簧(見圖2)，實(shí)際構(gòu)造的數(shù)學(xué)模型與理想模型的差別在于彈簧體上，彈性堆石體是具有質(zhì)量和體積的，而理想質(zhì)彈模型彈簧體是沒有質(zhì)量和體積的，為了解決這個(gè)因素，將振動(dòng)單子改成一個(gè)可隨時(shí)改變的等差質(zhì)量Δm體——附加質(zhì)量，測出各級(jí)質(zhì)量下所對應(yīng)體系的垂向自振頻率f，根據(jù)f與Δm的關(guān)系，即可求得壓板下的參振質(zhì)量m0;然后，令m0的振動(dòng)動(dòng)能等于壓板下介質(zhì)(堆石體)振動(dòng)動(dòng)能的積分，即可建立壓板下堆石體密度解析式為

圖2 構(gòu)造數(shù)學(xué)模型Fig.2 Mathematical model

式中:ρ為測點(diǎn)密度;m0為參振質(zhì)量;h0為等效深度;A為壓板面積。

采用附加質(zhì)量法測定m0，h0的求解是通過設(shè)定壓板以下介質(zhì)m0的動(dòng)能T0等于其薄片動(dòng)能dT'0的一個(gè)無窮深度Z的積分而求得的，即，最后得到結(jié)果為

式中:N為率定系數(shù);VP為介質(zhì)縱波速度;f0為附加質(zhì)量為零時(shí)介質(zhì)的有效頻率。

對于質(zhì)彈阻模型

經(jīng)推導(dǎo)得到密度公式為

式中:G為基底介質(zhì)的剪切模量;μ為泊松比;r為基底(底板)半徑;c為阻尼系數(shù)。

現(xiàn)場測試過程為:①在所選的測點(diǎn)上平整場地;②鋪上2 cm左右的細(xì)砂以作藕和用，并將質(zhì)量塊平放在鋪平砂土的測點(diǎn)上;③將拾振器粘合在質(zhì)量塊中央;④將拾振器和電源與儀器正確連接，設(shè)置好采集參數(shù)進(jìn)行信號(hào)采集;⑤提起重錘自由下落于壓板旁堆石體上，工程智能密度儀能自動(dòng)記錄測試信號(hào)，并進(jìn)行FFT變換，得到頻譜曲線。重復(fù)上述步驟，直到測試4至5級(jí)附加質(zhì)量相應(yīng)的振動(dòng)信號(hào)即完成了一個(gè)測點(diǎn)的現(xiàn)場測試工作，完成一個(gè)測點(diǎn)的測試工作大約需要20 min。

3 關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 相關(guān)法求取密度

討論質(zhì)彈阻模型，在受迫振動(dòng)的情況下，假設(shè)外力為 F0cosωt，則振動(dòng)方程為

方程的位移解為

于是得到速度和加速度解分別為:

由此可得系統(tǒng)的位移主頻為

系統(tǒng)速度主頻為

系統(tǒng)的加速度主頻為

系統(tǒng)固有頻率為

當(dāng)阻尼系數(shù)c=0時(shí)，速度主頻、加速度主頻、位移主頻均和系統(tǒng)固有頻率ω0相同;但當(dāng)阻尼系數(shù)c≠0時(shí)，加速度主頻和位移主頻與系統(tǒng)固有頻率ω0是不同的，速度主頻與系統(tǒng)固有頻率ω0相同。這就是質(zhì)彈阻模型和質(zhì)彈模型的區(qū)別所在。因此，質(zhì)彈阻模型更符合堆石體的實(shí)際情況。

質(zhì)彈模型求取堆石體密度的方法是率定系數(shù)法，該方法需要在試驗(yàn)階段通過大量的測點(diǎn)對附加質(zhì)量法和坑測法進(jìn)行率定，建立各種壩料的不同料物特性和施工參數(shù)的率定系數(shù)矩陣。在填筑階段，則通過建立的率定系數(shù)矩陣結(jié)合附加質(zhì)量法測試參數(shù)代入密度計(jì)算公式中反算求取測點(diǎn)的密度值。該方法需要大量的坑測對比點(diǎn)，由于壩料的復(fù)雜性和施工參數(shù)的多樣性，這種率定的方法往往會(huì)導(dǎo)致率定系數(shù)之間產(chǎn)生沖突，并且反算求取附加質(zhì)量法測試的密度值只能通過點(diǎn)對點(diǎn)的對應(yīng)關(guān)系。

質(zhì)彈阻模型可采用相關(guān)法求取堆石體密度，并可以建立附加質(zhì)量法動(dòng)參數(shù)相關(guān)等值線圖。該方法依據(jù)參振質(zhì)量m0與密度ρ是正相關(guān)的，而大量實(shí)測資料證明ρ與動(dòng)剛度k確實(shí)有較好的線性關(guān)系。因此，通過回歸分析可以建立參振質(zhì)量m0與參振體積V0之間的相關(guān)方程，再通過建立的相關(guān)方程求取測點(diǎn)的密度值。該方法依據(jù)一定的試坑法與附加質(zhì)量法的同點(diǎn)對比試驗(yàn)，針對料物特性不同的堆石料建立的相關(guān)性，逐步擴(kuò)展的數(shù)字模型，使附加質(zhì)量法測試參數(shù)都處于該料所建立的物理模型中，實(shí)現(xiàn)了面對面的對應(yīng)關(guān)系。

3.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

針對原有采集儀器存在的問題開發(fā)了全新的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該采集系統(tǒng)主要由信號(hào)采集、頻譜分析、計(jì)算結(jié)果3部分模塊組成，它們均通過數(shù)據(jù)管理模塊進(jìn)行管理，并且數(shù)據(jù)管理模塊與3個(gè)模塊相互之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。3個(gè)模塊均分成數(shù)據(jù)處理部分與窗口圖形繪制部分，如信號(hào)采集分為信號(hào)采集與繪制、信號(hào)窗口繪制，信號(hào)采集與繪制主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理，而信號(hào)窗口繪制則負(fù)責(zé)采集信號(hào)的繪制。此外，不同的窗口對應(yīng)的數(shù)據(jù)不同，因此，需要坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模塊針對不同的數(shù)據(jù)調(diào)整窗口繪圖區(qū)域，采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of sampling system

實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)有:虛儀器技術(shù)，聲卡編程技術(shù)，負(fù)延遲技術(shù)，緩沖區(qū)與信號(hào)拼接技術(shù)，削波處理技術(shù)。實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能自動(dòng)識(shí)別2次采集信號(hào)的主頻是否一致，消除因不同的操作員的主觀性導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果偏差的影響;能自動(dòng)填表，便于野外快速操作;采用通用的SEG2格式，利用多數(shù)的物探處理軟件均可打開文件進(jìn)行處理;改進(jìn)采集系統(tǒng)信號(hào)增益大，容易產(chǎn)生削波的問題，避免采集信號(hào)的頻率成分丟失;擴(kuò)展了分析功能模塊，在附加質(zhì)量法采集過程中實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的分析功能模塊。

3.3 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

開發(fā)全新的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。首先，對信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)頻譜分析或數(shù)字帶通濾波處理，采用信號(hào)頻譜細(xì)化技術(shù)提高信號(hào)頻率精度;其次，改進(jìn)前期手工繪制動(dòng)參數(shù)等值線圖時(shí)存在數(shù)據(jù)可擴(kuò)展性不強(qiáng)、誤差大的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化動(dòng)參數(shù)相關(guān)等值線圖。實(shí)現(xiàn)了附加質(zhì)量法的密度相關(guān)計(jì)算模型的動(dòng)態(tài)化及數(shù)據(jù)可擴(kuò)展;通過擴(kuò)充數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)大量的數(shù)據(jù)復(fù)核，達(dá)到對檢測成果的適當(dāng)修正;從而提高附加質(zhì)量法檢測的準(zhǔn)確性，減小測試數(shù)據(jù)的離散性，更能滿足精度要求;通過測試的m0與k值，實(shí)時(shí)求取密度值并確定對應(yīng)的數(shù)據(jù)點(diǎn)在圖中的位置關(guān)系。

實(shí)現(xiàn)數(shù)字化動(dòng)參數(shù)相關(guān)等值線圖的通用性，建立的附加質(zhì)量法測試參數(shù)與壩料特性相關(guān)關(guān)系和分布特征，通過料源之間的線性或者非線性關(guān)系，可以將某一個(gè)水電站的成果應(yīng)用到其他工區(qū)，避免了重復(fù)試驗(yàn)，可以推廣到其他工程中應(yīng)用。建立的附加質(zhì)量法動(dòng)參數(shù)的相關(guān)性模型如圖4，利用等值線圖內(nèi)插得出體積參數(shù)和含水率參數(shù)，從而可直接計(jì)算出堆石體的干密度。

圖4 附加質(zhì)量法動(dòng)參數(shù)相關(guān)等值線Fig.4 Contour map of the correlation of dynamic parameters of additional mass method

3.4 質(zhì)量控制評價(jià)系統(tǒng)

創(chuàng)造性地實(shí)現(xiàn)了質(zhì)量控制評價(jià)系統(tǒng)。針對現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制，必定需要實(shí)時(shí)地傳輸數(shù)據(jù)，如果在完成后傳輸，就起不到控制的作用了。質(zhì)量評價(jià)系統(tǒng)是對附加質(zhì)量法采集數(shù)據(jù)質(zhì)量的評價(jià)和對大壩填筑質(zhì)量的評價(jià)，并提供分析功能對數(shù)據(jù)進(jìn)行評定和反饋。系統(tǒng)對時(shí)效的要求很高，同時(shí)要不影響采集系統(tǒng)的正常采集工作。系統(tǒng)功能模塊見圖5，控制系統(tǒng)登錄界面見圖6。

圖5 質(zhì)量控制評價(jià)系統(tǒng)功能模塊Fig.5 Functional moduli of quality control and assessment system

質(zhì)量控制評價(jià)系統(tǒng)建立了一套完整、規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化的質(zhì)量控制信息管理系統(tǒng)，形成了附加質(zhì)量法測試堆石體密度的關(guān)鍵技術(shù)要求與實(shí)現(xiàn)的控制要素，以及填筑施工質(zhì)量的評價(jià)指標(biāo)體系與評價(jià)方法。實(shí)現(xiàn)附加質(zhì)量法測試技術(shù)的信息化管理，利用GPRS(通用分組無線服務(wù)技術(shù))進(jìn)行數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的鏈接，實(shí)現(xiàn)對操作現(xiàn)場的遠(yuǎn)程了解和控制，控制大壩填筑質(zhì)量，監(jiān)控附加質(zhì)量法的采集過程，保證采集質(zhì)量。

圖6 控制系統(tǒng)登錄界面Fig.6 Log-in interface of the controlling system

3.5 三維可視化研究

3.5.1 建立三維數(shù)據(jù)模型

附加質(zhì)量法檢測點(diǎn)均勻分布在每層堆石體上，每層堆石體的高度一致，但檢測點(diǎn)在上層堆石體與下層堆石體垂直層面上不對應(yīng)，因此，利用附加質(zhì)量法檢測點(diǎn)的原始信息不能簡單的三維可視化。通過分析后，采取三維均勻網(wǎng)格方式來建立附加質(zhì)量法檢測點(diǎn)的空間信息以及檢測干密度值的三維數(shù)據(jù)模型。

由于原始檢測數(shù)據(jù)存在的三維空間不均勻性，因此，需要采取插值方式，實(shí)現(xiàn)三維網(wǎng)格均勻化，同時(shí)，根據(jù)圖形分辨率的要求，調(diào)整在x，y，z方向上的網(wǎng)格數(shù)量。

3.5.2 三維可視化

利用附加質(zhì)量法檢測堆石體密度數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了三維成圖、切片、旋轉(zhuǎn)等功能，可進(jìn)行堆石體密度的分層瀏覽，縱向?yàn)g覽，從不同角度了解大壩堆石體的密度情況——是否均勻，密度是否符合大壩填筑質(zhì)量要求，從而從整體上對大壩質(zhì)量做出評估。

圖7 大壩堆石體密度的三維圖Fig.7 Three-dimensional diagram of the rockfill density of the dam

4 應(yīng)用效果與評價(jià)

4.1 工程簡介

糯扎渡水電站位于云南省普洱市思茅區(qū)和瀾滄拉祜族自治縣境內(nèi)，是瀾滄江中下游河段規(guī)劃開發(fā)的第5個(gè)梯級(jí)電站，電站裝機(jī)容量5 850 MW。屬大(1)型一等工程，心墻堆石壩最大壩高261.5 m，國內(nèi)第一、世界第三。壩體填筑達(dá)3 432萬m3，心墻填筑達(dá)464萬m3，填筑量大是本工程的關(guān)鍵。工期約65個(gè)月，壩體填筑施工連續(xù)高峰強(qiáng)度達(dá)100萬m3/月，持續(xù)時(shí)間長是本工程的特點(diǎn)。堆石壩填筑壩料種類多、料源分布廣、料物特性復(fù)雜。針對這個(gè)工程特點(diǎn)，采用附加質(zhì)量法工作時(shí)，先進(jìn)行試驗(yàn)研究，然后在大壩填筑階段，在施工過程中進(jìn)行全面檢測，現(xiàn)場實(shí)時(shí)跟蹤檢測施工質(zhì)量，及時(shí)反饋檢測信息，對不合格部位要求及時(shí)補(bǔ)碾，達(dá)到控制施工填筑質(zhì)量的目的［10］。

4.2 碾壓試驗(yàn)階段成果

4.2.1 附加質(zhì)量法測試參數(shù)與壩料特性關(guān)系

不同壩料的附加質(zhì)量法測試參數(shù)有一定規(guī)律性。由于不同壩料具有物理力學(xué)性質(zhì)的差異，因而附加質(zhì)量法測試參數(shù)分布區(qū)間不同，各壩料測試參數(shù)統(tǒng)計(jì)表見表1。

表1 各壩料附加質(zhì)量法測試參數(shù)統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of parameters of dam materials

4.2.2 附加質(zhì)量法測試參數(shù)與壩料顆粒級(jí)配的關(guān)系

同一壩料顆粒級(jí)配不同，其物理力學(xué)性質(zhì)也有差異性，附加質(zhì)量法測試參數(shù)與壩料顆粒級(jí)配也有一定的對應(yīng)關(guān)系。壩料的顆粒級(jí)配均勻，附加質(zhì)量法測試參數(shù)的波動(dòng)性小、一致性也好;壩料的顆粒級(jí)配不均勻，附加質(zhì)量法測試參數(shù)的波動(dòng)性較大、一致性也差些。

風(fēng)化花崗巖壩Ⅱ料碾壓后挖坑實(shí)測的27組顆分曲線中，有12組基本在設(shè)計(jì)包絡(luò)線內(nèi)，另有15組部分顆粒含量超出設(shè)計(jì)上包線，說明部分壩料偏細(xì)。曲率系數(shù)大多數(shù)在1～3，不均勻系數(shù)多在25以上，但級(jí)配基本滿足設(shè)計(jì)要求，顆粒級(jí)配曲線見圖8，風(fēng)化花崗巖壩Ⅱ料附加質(zhì)量法測試參數(shù)與壩料顆粒級(jí)配關(guān)系數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析見表2。

圖8 壩Ⅱ料(風(fēng)化花崗巖料)碾壓試驗(yàn)后顆粒級(jí)配圖Fig.8 Grain gradation of dam materialⅡ(weathering granites)after rolling compaction test

表2 壩Ⅱ料測試參數(shù)與級(jí)配數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析Table 2 Statistics of the test parameters and grain gradation of dam materialⅡ

4.2.3 測試的密度值和坑測值對比分析

在驗(yàn)證階段，附加質(zhì)量法測試的成果都是在坑測結(jié)果沒有出來前就已提交的，坑測法和附加質(zhì)量法成果對比統(tǒng)計(jì)表見表3。從后期得到的坑測結(jié)果對比來看，附加質(zhì)量法測試成果與實(shí)際的坑測成果相符，從而客觀地反映了試驗(yàn)成果的可靠性和真實(shí)性。

4.3 大壩填筑階段質(zhì)量控制

在大壩施工填筑階段為全面檢測階段，該階段對填筑驗(yàn)收單元跟蹤檢測，檢測時(shí)逐層分單元進(jìn)行。附加質(zhì)量法測試部位由現(xiàn)場監(jiān)理工程師指定或由檢測人員隨機(jī)選取，檢測數(shù)量采取按單元面積進(jìn)行測點(diǎn)數(shù)控制的方法，粗堆石料按單元面積2 000 m2一個(gè)測點(diǎn)進(jìn)行測點(diǎn)數(shù)控制，細(xì)堆石料按單元面積500 m2一個(gè)測點(diǎn)進(jìn)行測點(diǎn)數(shù)控制，但至少保證每個(gè)單元布置2個(gè)測點(diǎn)。在施工填筑過程中，當(dāng)一個(gè)單元驗(yàn)倉完畢就進(jìn)行現(xiàn)場檢測，現(xiàn)場提交成果單及時(shí)反饋檢測信息，對檢測不合格的部位要求及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)碾，補(bǔ)碾后用坑測法或附加質(zhì)量法進(jìn)行復(fù)測，復(fù)測合格后才允許上一層填筑。

檢測時(shí)對填筑驗(yàn)收單元跟蹤檢測，具體檢測部位由監(jiān)理通知檢測單位，現(xiàn)場檢測人員嚴(yán)格按規(guī)程及合同要求進(jìn)行檢測，確保原始資料質(zhì)量，并及時(shí)填寫完整的報(bào)告。

2009年4月29日至2012年12月20日對心墻堆石壩工程的壩體I區(qū)粗堆石料、壩體Ⅱ區(qū)粗堆石料、細(xì)堆石料3個(gè)分部工程堆石體密度進(jìn)行了附加質(zhì)量法檢測，檢測成果統(tǒng)計(jì)分析見表4。

本階段共進(jìn)行了249個(gè)測點(diǎn)的坑測法和附加質(zhì)量法檢測成果比對分析，附加質(zhì)量法測試結(jié)果與坑測值相比的吻合率為93.5%，二者測試合格的有91.1%，對比統(tǒng)計(jì)見表5。

表3 驗(yàn)證階段坑測法與附加質(zhì)量法成果對比統(tǒng)計(jì)Table 3 Comparison of the results from additional mass method and pit checking method in verification stage

表4 檢測成果統(tǒng)計(jì)分析Table 4 Results of the dry density measurement

表5 附加質(zhì)量法與坑測法對比統(tǒng)計(jì)Table 5 Comparison between the results of additional mass method and pit checking method

5 結(jié)語

附加質(zhì)量法是近年來新興的一種堆石體密度原位測試方法，該技術(shù)具有快速、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)和無破壞性等特點(diǎn)，也為大壩填筑施工提供了一種便捷實(shí)用的重要檢測手段。該技術(shù)通過實(shí)時(shí)測試堆石體密度，以便隨施工碾壓進(jìn)度及時(shí)發(fā)現(xiàn)和揭露堆石體內(nèi)部缺陷，達(dá)到控制大壩填筑碾壓施工質(zhì)量的目的。檢測工作中獲取了大量關(guān)于堆石體內(nèi)部質(zhì)量的有關(guān)信息，檢測成果不僅較全面地控制了場地施工碾壓質(zhì)量，而且可為施工提供很多合理化的建議并及時(shí)指導(dǎo)施工工藝的改進(jìn)。該技術(shù)在糯扎渡心墻堆石壩這個(gè)大型工程的成功應(yīng)用，標(biāo)志著附加質(zhì)量法從方法原理研究及零星試驗(yàn)性應(yīng)用階段，進(jìn)入了大型工程系統(tǒng)應(yīng)用的新階段。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和更新，該技術(shù)必將成為大壩填筑質(zhì)量控制的主要手段，可以及時(shí)和全方位地揭示工程存在的質(zhì)量缺陷。

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