齊文彪，劉 陽

(吉林省水利水電勘測設計研究院，長春 130021)

1 工程概況

吉林省中部供水工程位于吉林省的中部，從第二松花江上豐滿水庫引水至中部地區(qū)，向長春市、四平市、遼源市及所屬的九臺市、德惠市、農安縣、公主嶺市、梨樹市、伊通縣、東遼縣、長春雙陽區(qū)等11個市、縣、區(qū)的城區(qū)，以及供水線路附近可直接供水的26個鎮(zhèn)供水，同時退還和增加農業(yè)用水及河道生態(tài)用水，改善生態(tài)環(huán)境。工程年最大引水量10.29億m3，設計引水流量為38.0 m3/s。

工程從豐滿水庫取水口開始，向下游分別由1條輸水總干線、3條輸水干線、10座調節(jié)水庫和12條輸水支線組成。

輸水干線包括總干線、長春干線、四平干線和遼源干線。輸水干線線路全長263.45 km，其中隧洞長133.98 km，管 線 PCCP(鋼 管、現(xiàn) 澆 涵)長129.47 km。共設2座提水泵站(四平、遼源合建)，凈揚程四平為32.0 m/10.0 m(高揚程泵/低揚程泵)，遼源為104.0 m。

工程規(guī)模巨大，供水結構類型繁多，其中超長有壓隧洞穿越地質條件復雜和灰?guī)r溶洞地區(qū)，涉及到的隧洞施工開挖爆破、襯砌、滲流、地應力及軟巖大變形等巖石力學問題需要進行專門的研究。

2 分水樞紐

工程總體布局中，地理位置處于中部區(qū)域的分水樞紐位置一旦確定，總干線、長春干線、四平干線、遼源干線和相應的支線也就隨之確定下來，不同的分水樞紐產生不同的樹枝狀輸水系統(tǒng)。從類型上分有2種:一是以水庫為分水樞紐;二是以調壓井為分水樞紐。泉眼分水樞紐，位于新立城水庫大壩上游2.5 km處的伊通河左岸;馮家?guī)X分水樞紐，位于新立城水庫庫尾上游14.1 km的低山。

工程線路附近主要調節(jié)水庫的水位情況包括:豐滿水庫，死水位242.00 m，正常蓄水位263.50 m;星星哨水庫，死水位236.00 m，正常蓄水位245.50 m;石頭口門水庫，死水位182.5 m，正常蓄水位189.00 m;雙陽水庫，正常蓄水位218.86 m;新立城水庫，死水位210.80 m，正常蓄水位219.63 m;二龍山水庫;正常蓄水位222.50 m;下三臺水庫，正常蓄水位213.60 m;金滿水庫，正常蓄水位308.75 m。位置見圖1。

圖1 工程總體布置圖Fig.1 Map of the project layout

總干線豐滿水庫取水口設計水位242.00 m，設計引水流量為38.0 m3/s，馮家?guī)X分水樞紐調壓井設計水位224.74 m。當豐滿水庫在高于死水位242.00 m運行時，或者總干線引水流量小于設計引水流量時，馮家?guī)X調壓井水位相應升高。

泉眼分水樞紐，由新立城水庫利用豐滿水庫的水頭優(yōu)勢，向四平干線、遼源干線搬移水量，完全依靠從新立城水庫提水來完成，從1庫導入另外2庫。

馮家?guī)X分水樞紐，通過低山處的調壓井來利用豐滿水庫的水頭優(yōu)勢，減少向四平干線、遼源干線提水的費用，能同時給新立城水庫、金滿水庫和下三臺水庫提供更多的水量。從遠期來看，馮家?guī)X分水樞紐與二龍山水庫產生聯(lián)系的條件更好一些，聯(lián)合起來調水能力較大。

2種分水樞紐差別是水頭優(yōu)勢，在近期和遠期是否要統(tǒng)籌考慮?豐滿水庫正常蓄水位和死水位之間，有21.5 m水頭，在豐滿水庫天然水頭的壓力下，是壓入到3個地區(qū)的3個水庫，還是1個地區(qū)的1個水庫?這21.5 m水頭由3庫來利用還是由1庫來利用?分析論證的結論是，壓入到3個地區(qū)的3個水庫技術經濟指標更好。

至于2種分水樞紐在運行安全性上的差別，因馮家?guī)X調壓井連接的干線工程與下游各受水城市之間，都有調節(jié)水庫，分水樞紐調壓井和干線工程與受水城市屬于“軟連接”，當分水樞紐和干線工程遇到事故檢修工況時，調節(jié)水庫能滿足各受水城市的用水要求，故這2種分水樞紐運行安全性差別很小。

總干線是超長有壓隧洞，調水能力潛力較大?？紤]遠期可利用這個有利特點，研究從第二松花江相鄰的流域調水入白山水庫，或者調水入豐滿水庫，向西到吉林西部干旱地區(qū)甚至到西部的省份調水，通過總干線超長有壓隧洞，充分利用這一天然水頭，調取更多的水量。經過技術經濟綜合分析，調壓井型的馮家?guī)X分水樞紐優(yōu)勢很明顯，故采用之［1］。

調壓井型分水樞紐與水庫型分水樞紐比較，前者工程技術難度較大，運行調度相對復雜，但是經濟指標優(yōu)越，而且整個系統(tǒng)后期調水能力潛力大，對我國大型調水工程，有較高的借鑒價值。

3 超長有壓隧洞

總干線從豐滿水庫取水口向西南穿過溫德河、岔路河，從星星哨水庫上游通過，至飲馬河處分水入飲馬河，自流入石頭口門水庫;線路經過雙陽河分水入雙陽河，自流入雙陽水庫;線路至總干線末端馮家?guī)X分水樞紐調壓井，該調壓井同時為四平干線和遼源干線進水調壓井，長春干線也是從此調壓井分水至伊通河，自流入新立城水庫。

總干線全長109.7 km，其中隧洞長97.62 km，PCCP和鋼管長9.82 km，現(xiàn)澆預應力涵長2.26 km，全程采用自流壓力輸水形式。通過:①水力過渡過程數(shù)值計算研究;②充水過程、放空過程分析研究;③飲馬河調壓井—馮家?guī)X分水樞紐調壓井—長春干線的水工水力學模型試驗。得出的結論:總干線隧洞內水壓力可控制在55.0 m水頭以下。隧洞洞徑5.1～6.8 m、調壓井直徑18～20 m。

總干線超長有壓隧洞，隨著豐滿水庫水位的變化，有較大的調水量裕度，是一條“黃金水道”。雖然有壓輸水方案比無壓輸水方案投資略高，但是，采用自流有壓輸水方案仍然被認為是合理的。而且豐滿水庫取水口—飲馬河段隧洞盡可能采用大洞徑的方案，遠期可以將第二松花江的水量搬移到調節(jié)能力較大的石頭口門水庫。

超長有壓隧洞的調水能力:總干線設計流量38.0 m3/s，年最大引水量為10.29億 m3。由于總干線采用自流有壓輸水，在調水能力上，具有較大潛力;在豐滿水庫水位變化時，超供能力較大，可與豐滿水庫運行調度結合起來，盡可能減少對豐滿水庫調峰電量的影響，減少運行費用。采用1984—2008年豐滿水庫實測水位進行可調水量分析，總干線豐滿水庫取水口—飲馬河段隧洞長71.85 km，多年平均可調水量為15.77億m3;在90%保證率下可調水流量為47.97 m3/s，年可調水量為13.03億 m3。

考慮中部供水工程的調蓄水庫的調節(jié)能力，按90%保證率可調水量做為城鎮(zhèn)可供水量，總干線超長有壓隧洞可增加供水量約2.76億m3。但是，如果考慮:①中部地區(qū)和西部干旱地區(qū)遠期需水量增加情況，②遠期從第二松花江的相鄰流域調水，③增加二龍山水庫做為工程的調節(jié)水庫，那么，總干線超長有壓隧洞調水量還可以增大［1－2］。

4 TBM選擇

總干線豐滿水庫取水口—飲馬河段，為自然段長71.85 km的隧洞，洞徑為6.8 m，開挖洞徑7.97 m。線路位于中低山區(qū)，施工支洞及交通道路布置困難。但是，線路途經溫德河、岔路河、飲馬河，在地形地貌上，這3條大河的河谷，天然地將71.85 km的線路，分割成近乎相等的3段山脈，在3條河的河谷地帶，隧洞埋深較淺，容易布置施工支洞。這樣，3段山脈采用3臺TBM施工，河谷段采用鉆爆法施工，每臺TBM掘進距離均為20 km左右。

隧洞圍巖類別和抗壓強度:豐滿水庫取水口—飲馬河段，Ⅱ，Ⅲ類圍巖占79.8%。Ⅱ類圍巖的長石砂巖、花崗巖、安山巖、閃長巖單軸飽和抗壓強度Rb為80～130 MPa，凝灰?guī)r、砂巖、砂礫巖及灰?guī)r單軸飽和抗壓強度Rb為60～80 MPa;Ⅲ類圍巖的花崗巖、凝灰?guī)r、閃長巖及灰?guī)r單軸飽和抗壓強度Rb為60～80 MPa，砂巖、砂礫巖單軸飽和抗壓強度Rb為40 ～60 MPa。

石英含量:從巖性上看，花崗巖石英含量為25% ～37%，砂巖石英含量在38%左右，凝灰?guī)r石英含量為10%～20%。雖然砂巖的石英含量相對較高，但彈性抗力系數(shù)低，對刀盤的損耗較小，適宜開敞式TBM掘進機掘進。

地應力:2個勘探試驗平硐和鉆孔地應力測試結果表明，地應力以水平應力為主，最大水平應力為8.8 MPa。

隧洞圍巖沒有軟巖大變形問題，飲馬河右岸的TBM3段，經過埋深較淺的小河沿溝和堿草甸子溝，都用鉆爆法通過。從以上條件看，隧洞適合開敞式TBM。

TBM選型:硬巖TBM主要分為開敞式、雙護盾、單護盾3種。雙護盾TBM護盾長度一般超過10 m，是開敞式TBM的3倍，巖石坍塌，壓力和摩擦力更大，難以脫困;刀盤被卡住時，前方出現(xiàn)失穩(wěn)坍塌巖體，要破碎管片，挖開較長距離才能到達刀盤前處理;遇到不穩(wěn)定巖體，不能像開敞式TBM那樣及時處理，新奧法難以實施;只有在破碎、軟弱、具有不塌條件下，才能快速施工，這種條件是本工程不具備的;雙護盾TBM必須采用管片襯砌，不能滿足百年壽命;雙護盾TBM長徑比大于1，靈敏性較差。開敞式TBM由于護盾短于3 m，可以按新奧法施工，快速支撐圍巖，減少坍塌，直觀根據(jù)巖體變化采用相應措施，方便加固撐靴處圍巖，機器脫困時相對容易;開敞式TBM長徑比小于1，易于調整掘進機姿態(tài)。

遼寧大伙房水庫輸水工程，位于長白山脈的南延部分，采用3臺開敞式TBM，開挖直徑為8.0 m，其位置與本工程同處于長白山脈，地質條件相近。經過對我國西南、西北地區(qū)一些已建和在建的水工長大隧洞、鐵路長大隧洞考察調研，尤其是TBM施工的隧洞情況，總體上看，本工程和遼寧大伙房工程的地質條件接近，要好于西南、西北地區(qū)那些長大隧洞工程。

根據(jù)以上分析，本工程采用開敞式TBM。

5 總干線隧洞選線

豐滿水庫取水口—飲馬河段，自然洞長71.85 km，為連續(xù)有壓隧洞(簡稱1#隧洞)，石門子河—飲馬河段線路，位于總干線的中段，在飲馬河右岸穿越7 162 m的灰?guī)r地層。

由于線路經過灰?guī)r地區(qū)，布置了直線穿灰?guī)r和繞灰?guī)r2條線路進行比選。在平面上看，2個線路大致成三角形布置，穿灰?guī)r線路為三角形的一邊，繞灰?guī)r線路由另2邊組成。

5.1 穿灰?guī)r線路地質條件

線路穿越的地層巖性主要為古生代石炭系與泥盆系灰?guī)r、石炭系凝灰?guī)r、三疊系凝灰?guī)r、侏羅系凝灰?guī)r等。飲馬河左岸為2#隧洞，主要以白堊系泥巖、砂巖為主，其次是流紋質凝灰?guī)r、安山質凝灰?guī)r和安山巖等。

本區(qū)巖溶不發(fā)育，與南方地區(qū)相比，甚至和吉林省南部渾江小區(qū)一帶相比，相對微弱。從鉆探資料分析，地下巖溶主要是近淺表的溶溝溶槽、溶蝕裂隙，充填有紫紅色殘積土及塊石，發(fā)育的深度30～50 m，30 m以上到基巖面之間相對較發(fā)育，發(fā)育的部位，主要位于較大的溝谷及附近，分水嶺地段發(fā)育相對較弱?；鶐r面到30 m深度內類似地下石林，溝槽相間，30 m以下巖溶溝槽密度和規(guī)模減小。石炭系地層溶蝕洞穴分布高程在225～267 m，泥盆系地層在197～248 m。垂直分帶性不明顯。石炭系灰?guī)r垂直分帶不少于2級。巖溶水排泄基準面為飲馬河。

溶巖水文地質條件，穿灰?guī)r區(qū)洞線主要沿山脊或分水嶺走，在灰?guī)r邊部的高位置穿過，條件相對較好，屬于補給區(qū)，徑流排泄條件較好，降雨徑流經溝谷很快排泄到飲馬河，多年平均入滲深度78.8 mm，地下水量有限。

線路的主要工程地質問題是涌水、涌泥和可能遇到空洞。從上述巖溶及巖溶水條件分析，發(fā)生類似南方大規(guī)模涌水突泥的概率不大，但在小河沿溝、堿草甸子溝發(fā)生中小規(guī)模的涌水涌泥現(xiàn)象不能排除。在堿草甸子溝、小河沿溝采用鉆爆法通過，穿灰?guī)r線路是可以成立的，水文地質風險是可控的。另外，隧洞出口排水條件好，如發(fā)生較大涌水，可直接自流排泄到飲馬河，對施工安全有利［3］。

5.2 繞灰?guī)r線路地質條件

線路穿越的地層巖性主要為古生代侵入巖閃長巖、石炭系灰?guī)r、中生代三疊系小蜂蜜頂子組凝灰?guī)r、侏羅系侵入巖花崗巖和新生代第四系全新統(tǒng)堆積物。飲馬河左岸的2#隧洞，主要為白堊系泥巖、砂巖和砂礫巖。

線路為了躲避灰?guī)r區(qū)，增加了線路Ⅳ－Ⅴ類圍巖的長度。在飲馬河兩岸有近7 km的淺埋洞段，為Ⅳ－Ⅴ類圍巖，其中有5 493 m的淺埋隧洞位于全風化、強風化的Ⅴ類圍巖中，圍巖埋深淺，最小埋深7.6 m，穩(wěn)定性差，不能滿足有壓隧洞最小覆蓋厚度和水力劈裂要求，需要采用預應力砼襯砌，施工難度大。

綜上所述，穿灰?guī)r線路工程布置合理，技術可行，水文地質風險可控，線路長度比繞灰?guī)r方案短1 165 m，工程投資節(jié)省約2.47億元。因此，采用直線穿灰?guī)r線路。

在我國東北地區(qū)，還沒有長大隧洞穿越灰?guī)r地區(qū)的工程實例。本工程選線設計，歷時長達7年，最終才下決心決策。我們的體會是:在灰?guī)r地區(qū)選線，不能一遇到灰?guī)r，就談虎色變，動輒拿南方巖溶發(fā)育地區(qū)的危險情況來說事，用不可知論來研究工作，不做深入細致的工作，隨意否定穿灰?guī)r線路。本工程的做法是，加大勘察、試驗和科學研究的工作量和工作深度，做專題研究，客觀認識巖溶發(fā)育規(guī)律，認識水文地質條件，認識溶洞大小和涌水量大小的量級，評價水文地質風險及其可控制情況，為選線工作提供有力的技術支撐［4－5］。

6 巖塞爆破

豐滿水庫取水口施工方案，因深水圍堰投資太高，而豐滿大壩重建工程還未完全確定，能否利用大壩重建的水庫低水位時期進行取水口施工，不確定因素較多。所以，設計采用水下巖塞爆破技術進行取水口施工。

樁號0－297.38處為巖塞爆破口，巖體為砂礫巖，在洞口預留巖塞，待下游建筑物完成之后，采用水下爆破的方法施工?？紤]巖塞體上面的水壓力、碎塊石含黏性土壓力和自重等荷載的作用，結合下游輸水隧洞過流斷面以及地質條件，確定巖塞直徑內徑7.0 m，外徑24.7 m，巖塞厚度15.8 m，厚高比1∶1.6，巖塞中心線仰角 79°，對進口巖塞段及上部圍巖進行固結灌漿。

樁號0－279.41至0－233.41為集渣坑段，集渣坑底高程為201.05 m，采用以聚渣為主的開門爆破，布置靴型集渣坑，用來收集爆破巖塞時產生的石渣。考慮巖塞體積為2 420 m3(自然方)，巖渣松散系數(shù)取1.7，渣坑的有效利用系數(shù)采用0.75，集渣體積1 814 m3，集渣坑總容積為2 375 m3，據(jù)此確定集渣坑斷面形式。由巖塞部位開始自圓形漸變至城門洞型，城門洞型寬7 m，高8.5 m，長46.0 m。

通過“豐滿水庫取水口水下巖塞爆破集渣坑體型模型試驗”，發(fā)現(xiàn):①集渣坑中有積水，對急速進入的巖渣頂托和反向沖擊，影響集渣效果，應將積水排除;②集渣坑中會產生氣囊，影響積渣量，應設排氣孔將氣囊排走。

7 預應力襯砌結構

總干線隧洞，在溫德河和小河沿溝3段，在飲馬河－石溪河的波狀臺地和丘陵線路上有12段，上覆巖體厚度較薄，有的段落上部有村屯或公路。經過對這15段隧洞的地形、地貌和地質條件分析，對隧洞內外水壓力分析，對圍巖承擔內水壓力能力分析(采用挪威準則，有的洞段參考水力劈裂準則和初始應力場最小主應力準則)，結合防滲要求，結論是:這15段襯砌應按抗裂設計考慮，采用預應力襯砌，襯砌段總長14.756 km。

目前，國內外水工隧洞預應力襯砌，有機械式和灌漿式2類:①機械式預應力襯砌，應用不受圍巖條件限制，在圍巖不具備承擔內水壓力能力或局部不滿足覆蓋厚度要求的洞段都可應用，在襯砌施工前圍巖屬于暫時穩(wěn)定能滿足機械式預應力管片安裝時間要求的都可以實施。工程造價高，施工技術復雜，需要精細施工，由有工程實踐經驗的專業(yè)隊伍實施。②灌漿式預應力襯砌，由于預應力的產生和保持都要通過圍巖作用來實現(xiàn)，因此對圍巖有較高的要求，即圍巖能夠承受灌漿壓力或圍巖經工程處理后能承受灌漿壓力的隧洞才能應用。

本工程涉及預應力襯砌有15段，地質條件各異。灌漿式預應力實現(xiàn)的效果如何，和地質條件有很大關系。本工程隧洞內水壓力并不高，灌漿式預應力與機械式預應力相比，工程造價相對較低。由于灌漿式預應力其可灌性如何，是否會產生水力劈裂，開灌前襯砌和圍巖是否開環(huán)等問題，要做現(xiàn)場灌漿試驗才確定，目前還沒有進行。經綜合分析比較，采用機械式后張法預應力襯砌。

機械式后張法預應力分為有粘結、無粘結和緩粘結3種。遼寧大伙房水庫輸水(二期)工程，隧洞直徑6.0 m，最大內水壓力0.6 MPa;小浪底工程，排沙洞直徑6.5 m，最大內水壓力1.2 MPa;二者都采用無粘結形式。南水北調中線穿黃工程，隧洞直徑7.0 m，最大內水壓力0.51 MPa，采用有粘結形式。經分析，本工程采用無粘結預應力襯砌形式。

預應力鋼筋采用高強度無粘結低松弛1 860級8 × ?j15.2鋼絞線，公稱截面面積 Ap=8 ×140 mm2。預應力筋束沿管道軸向的中心間距為400 mm，采用雙層雙圈無粘結預應力鋼絞線環(huán)形游動錨支撐變角張拉技術，環(huán)錨錨板錨固端和張拉端各設8個錨孔，內層4根鋼絞線從錨固端起始沿內層圓周環(huán)繞2圈后進入內層張拉端，外層4根鋼絞線從錨固端起始沿外層圓周環(huán)繞2圈后進入外層張拉端，鋼絞線錨固端與張拉端包角為2×360°。兩側錨具槽位置圓心夾角90°，預留內槽口長度為1.2 m，中心深度為0.2 m，寬度為0.20 m。

8 預應力圓涵

總干線在飲馬河—石溪河段(樁號73+411至99+703 m)，隧洞直徑5.1 m，地貌為波狀臺地和丘陵，地勢高低起伏，峰谷垂直于線路交替分布，在2處河谷和2處溝谷的地方，埋深較淺，為7～18 m，成洞條件極差，這就不可避免要采用洞、管(涵)交替布置。為了避免雙管和單洞交替出現(xiàn)的情況，需選用內徑5.1 m的管道，并且這4段管的內水壓力為0.5～0.55 MPa。南水北調京石段 PCCP管直徑為4.0 m，是目前國內最大的。直徑5.1 m的PCCP管，我國還沒有工程實例，運輸這么大直徑管的大型設備，依賴于進口，整套技術不確定因素太多。所以，只有現(xiàn)澆預應力圓涵具備條件。

東深供水改造工程，采用了2根現(xiàn)澆無粘結預應力圓涵，單根直徑4.8 m，最大內水壓力0.3 MPa，覆土深度6.6 m。

現(xiàn)澆預應力圓涵的難度系數(shù)為管徑×工作壓力，本工程難度系數(shù)最大值為280.5，最大覆土深度18 m?？偢删€預應力圓涵總長度為2 265 m，內徑5.1 m，外部采用圓拱直墻型式。頂部和側壁厚度0.45 m，底部厚度0.8 m。預應力鋼筋采用高強度無粘結低松弛1 860級6×?j15.2鋼絞線，公稱截面面積Ap=6×140 mm2，預應力筋束沿管道軸向的中心間距為300 mm。

9 結語

分水樞紐類型的選擇，在工程總體布局的選線技術中，是統(tǒng)領全局的、高層次的、核心的技術。調壓井類型的分水樞紐，能充分利用豐滿水庫的水頭優(yōu)勢，又因有總干線和3條干線與受水城市之間都有調節(jié)水庫連接，干線工程與受水城市屬于“軟連接”這個好的自然條件，致使調壓井型在馮家?guī)X分水樞紐中，在技術、經濟和運行安全方面優(yōu)勢明顯。

總干線采用超長有壓隧洞，看重的是遠期調水能力的潛力，技術手段的關鍵是隧洞內水壓力能控制到較低的數(shù)值。對大型跨流域調水工程，應該有政治家的思想和戰(zhàn)略眼光，不是一種單打一的技術觀點，而是一種綜合的水利規(guī)劃概念。

位于東北長白山脈的遼寧大伙房水庫輸水工程和中部供水工程，地質條件比我國西南、西北地區(qū)的一些長大隧洞要好，本工程采用開敞式TBM是適宜的。

總干線超長有壓隧洞穿越灰?guī)r地區(qū)，這在東北地區(qū)尚無先例，其勘察、試驗、科學研究和專題研究的深入開展，是選線決策的重要技術支撐。

由于工程規(guī)模巨大，供水結構類型繁多，穿越線路長，涉及地質條件復雜，后續(xù)工作還有許多，如擬開展的特殊科研試驗有:①豐滿水庫取水口水下巖塞爆破工程水工水力學模型試驗及爆破試驗;②淺埋隧洞預應力襯砌段圍巖灌漿加固現(xiàn)場試驗研究;③隧洞后張法無粘結機械預應力現(xiàn)場試驗研究;④直徑5.1 m現(xiàn)澆無粘結預應力涵試驗段研究;⑤長距離有壓輸水工程水工水力學整體模型試驗;⑥超長有壓隧洞TBM施工關鍵技術問題研究;⑦隧洞穿灰?guī)r段科學試驗研究;⑧長春干線伊丹河河道冰期輸水研究;⑨隧洞三維滲流場分析、涌水預測及地表環(huán)境監(jiān)測研究;⑩長距離有壓輸水系統(tǒng)運行調度管理研究等。

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［2］談英武.中國南水北調西線工程［M］.鄭州:黃河水利出版社，2004.(TAN Ying-wu.The Western Route of South-to-North Water Transfer Project in China［M］.Zhengzhou:Yellow River Water Conservancy Press，2004.(in Chinese))

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