姜 楚，趙建鈞，辜晉德

(1. 南京水利科學(xué)研究院，江蘇南京 210029； 2. 河海大學(xué)，江蘇南京 210098)

通航河流上修建水利樞紐后，船閘上下游引航道與河流連接的口門(mén)區(qū)及連接段成為過(guò)閘船舶(隊(duì))進(jìn)出引航道的咽喉。船閘口門(mén)區(qū)及連接段水流條件的好壞，直接關(guān)系到船舶(隊(duì))能否順利過(guò)壩和安全航行，因此是樞紐布置的關(guān)鍵問(wèn)題之一[1-2]。引航道口門(mén)區(qū)及連接段位于動(dòng)靜水交界區(qū)，水流條件復(fù)雜，水流一般由斜向水流和回流組成，并常伴隨產(chǎn)生其他復(fù)雜流態(tài)[3]。該區(qū)域水流縱、橫向流速及回流強(qiáng)度不應(yīng)過(guò)大，不應(yīng)有復(fù)雜流態(tài)，如泡漩、大強(qiáng)度渦流等，不應(yīng)有較高的波浪，否則船舶(隊(duì))不能順利進(jìn)出船閘、且威脅其安全[4]。目前，在通航水流條件改善措施方面已有較多研究成果，但不同工程實(shí)情千差萬(wàn)別，所面臨的水流問(wèn)題不盡相同，故設(shè)計(jì)通航樞紐時(shí)，對(duì)布置方案進(jìn)行模擬試驗(yàn)、預(yù)測(cè)并研究口門(mén)區(qū)水流條件及形成機(jī)理仍然必要。根據(jù)青田水利樞紐整體模型試驗(yàn)，對(duì)樞紐上下游引航道口門(mén)區(qū)及連接段通航水流條件、改善措施及其他影響因素進(jìn)行了分析研究。

1 樞紐概況與模型設(shè)計(jì)

甌江是浙江省第二大河，浙南最重要水道。青田水利樞紐位于甌江干流中下游青田城區(qū)段，壩址位于甌江、四都港匯合口下游約185 m處，是甌江干流梯級(jí)開(kāi)發(fā)規(guī)劃的最末一級(jí)電站。樞紐主要建筑物從左至右依次為：左岸混凝土重力壩、單線單級(jí)船閘、25孔泄洪閘(左13孔、右12孔)、河床發(fā)電廠房、及右岸連接建筑物(圖1)。樞紐壩址以上集水面積13 810 km2，占甌江流域面積的76.3%。多年平均年流量453 m3/s，多年平均入庫(kù)徑流量143億m3。電站裝機(jī)容量42 MW(3臺(tái)×14 MW)，單機(jī)額定流量306.14 m3/s，為日調(diào)節(jié)電站。該樞紐工程的主要任務(wù)以穩(wěn)定甌江青田城區(qū)段江道、改善甌江青田城區(qū)水環(huán)境和城市景觀、提高干流通航能力為主，并結(jié)合發(fā)電等綜合利用[5]。

甌江大致由西向東流經(jīng)壩址，經(jīng)溫州后歸水溫州灣。從整體上來(lái)看，壩址處于順直微彎河段，壩址區(qū)河谷開(kāi)闊，深(主)槽靠左岸，河谷寬約680 m。壩址上游185 m處右岸有支流四都港入?yún)R，下游約1.5 km處束窄段有溫溪大橋，自溫溪大橋以下為感潮河段，水面相對(duì)開(kāi)闊，河寬逐漸放大，水位受徑、潮流共同影響，下游水位日變幅大。上游壩址附近支流入?yún)R、下游河段受潮汐影響，這正是本樞紐所處河段的特點(diǎn)，也是需研究的潛在難點(diǎn)。

圖1 青田水利樞紐整體布置Fig.1 General arrangement of the Qingtian hydroproject

工程位于甌江中上游航道麗水—溫溪段，規(guī)劃為Ⅳ級(jí)航道，配套船閘工程通航能力為500 t級(jí)。該河段為山區(qū)性河道，洪水來(lái)勢(shì)兇猛、暴漲暴落，洪水期間不考慮通航。泄洪時(shí)船閘不通航，也不參與泄洪。青田樞紐為低水頭閘壩型結(jié)構(gòu)，其洪水具有峰高、量大的特點(diǎn)，泄水閘泄流存在大泄量、高淹沒(méi)度、低弗勞德數(shù)下消能效率較低的問(wèn)題，樞紐泄洪對(duì)船閘上下游引航道及口門(mén)區(qū)通航水流條件可能影響較大。受天然條件及下游溫溪大橋限制，青田樞紐引航道口門(mén)區(qū)與連接段航道中心線與水流交角較大，樞紐泄洪時(shí)，上下游通航水流條件較為復(fù)雜，需進(jìn)一步論證和優(yōu)化通航水流條件并提出改進(jìn)措施。

根據(jù)本項(xiàng)研究的具體目的與內(nèi)容，模型應(yīng)在幾何相似的條件下，滿足水流運(yùn)動(dòng)相似和動(dòng)力相似，采用Fr相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)模型[6]；根據(jù)青田樞紐河段河勢(shì)特點(diǎn)，考慮到模型上下游邊界對(duì)通航試驗(yàn)水流條件的影響，模型模擬樞紐上下游各2.5 km河段。在最低通航水位下(上游6.75 m，下游-1 m)，原型河道水深約3 m，斷面平均流速約0.60 m/s，考慮模型Re要求，模型幾何比尺不宜小于1:100[7]。綜合考慮模型設(shè)計(jì)幾何比尺λL=λh=80的正態(tài)模型，流速比尺λv=λt=8.94，糙率比尺λn=2.08，流量比尺λQ=57 243。

針對(duì)引航道口門(mén)區(qū)及連接段水流流速測(cè)量，采用ADV三維流速測(cè)速系統(tǒng)，量程0.1～400 cm/s；流量采用標(biāo)準(zhǔn)量水堰測(cè)控；模型水位采用可調(diào)差動(dòng)式尾門(mén)進(jìn)行控制。模型上航線寬62.5 cm，航跡線方向每50 cm布置航道測(cè)速斷面，垂直航跡線方向即每測(cè)速斷面間隔10 cm，共布置7個(gè)測(cè)點(diǎn)。

口門(mén)區(qū)水流條件控制指標(biāo)[8]：Ⅳ級(jí)航道，縱向流速Vy≤2.0 m/s，橫向流速Vx≤0.30 m/s，回流流速V回≤0.4 m/s；連接段通航水流條件指標(biāo)的控制，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)的經(jīng)驗(yàn)與建議[9]設(shè)定，一般認(rèn)為連接段通航水流條件標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)介于口門(mén)區(qū)與內(nèi)河航道之間，本文連接段延用口門(mén)區(qū)水流的控制指標(biāo)進(jìn)行評(píng)判，同時(shí)以“縱向Vy≤2.5 m/s，橫向流速Vx≤0.45 m/s”的標(biāo)準(zhǔn)作為校核。

2 初步試驗(yàn)結(jié)果與分析

模型試驗(yàn)表明，樞紐建成后，各級(jí)流量下樞紐上下游水流較為平順，上游來(lái)流受樞紐上游右岸丁壩影響，主流偏向左岸，在近壩段向右岸偏轉(zhuǎn)。來(lái)流流向與壩軸線基本呈70°交角。試驗(yàn)測(cè)得洪水流量Q=11 252 m3/s下(3年一遇洪水)上游最大表面流速為2.4 m/s，下游最大表面流速出現(xiàn)在溫溪大橋附近束窄河段，最大流速2.6 m/s[5]。

初步試驗(yàn)不考慮支流四都港來(lái)流及下游潮汐影響，考慮到上游引航道為開(kāi)敞式布置，開(kāi)左側(cè)泄水閘易致引航道斜流及回流，故盡量避免開(kāi)啟左側(cè)閘。初步試驗(yàn)擬開(kāi)啟右側(cè)閘孔，支流來(lái)流量均為0，電站運(yùn)行方式均為三機(jī)滿發(fā)，上游水位為7.0 m，其余各工況詳情如下表1。

表1 初步試驗(yàn)工況Tab.1 Tentative test conditions

注： 閘門(mén)開(kāi)啟方式相同，但不同流量開(kāi)啟度不同； 918.4 m3/s流量下，下游水位設(shè)置了高、低兩種水位。

2.1 上游引航道通航水流條件試驗(yàn)結(jié)果及分析

以上各工況下，上游引航道口門(mén)區(qū)及連接段流速分布測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表2。在電站滿發(fā)(Q=918.4 m3/s)工況下，由于樞紐泄量較小，樞紐上游來(lái)流流速較小，上引航道口門(mén)區(qū)最大流速0.24 m/s，縱、橫向流速均可滿足要求。

表2 上游引航道口門(mén)及連接段流速測(cè)量結(jié)果Tab.2 Test results of upper approach

從上引航道口門(mén)區(qū)及連接段流速分布來(lái)看，流量超過(guò)4 000 m3/s后，口門(mén)區(qū)和連接段橫向流速均超過(guò)了0.3 m/s，難以滿足船舶安全進(jìn)出閘要求；在Q=3 500 和3 000 m3/s工況下，引航道口門(mén)區(qū)內(nèi)流速可以滿足要求，但口門(mén)區(qū)上游連接段橫向流速較大，主要原因是其靠近河道主流，且樞紐運(yùn)行方式為開(kāi)啟與船閘異岸右側(cè)閘孔，使主流偏向右側(cè)導(dǎo)致與航道中心線交角過(guò)大。

2.2 下游引航道通航水流條件試驗(yàn)結(jié)果及分析

在電站滿發(fā)工況下，由于樞紐泄量較小，電站下游低水位(0.25 m)時(shí)，下引航道口門(mén)區(qū)除個(gè)別測(cè)點(diǎn)橫向流速略大(0.32 m/s)外，縱橫向流速基本滿足要求；在電站下游高水位(2.85 m)時(shí)，下引航道縱、橫向流速均可滿足要求。其他各工況試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 下游引航道口門(mén)及連接段流速測(cè)量結(jié)果Tab.3 Test results of lower approach

從表3可見(jiàn)，各級(jí)流量下下游引航道縱向及回流流速均滿足規(guī)范要求。而在樞紐下泄流量大于4 000 m3/s時(shí)，斜流問(wèn)題突出，下引航道口門(mén)區(qū)及連接段大范圍內(nèi)水流橫向流速超過(guò)限值0.3 m/s；下泄流量3 500 m3/s及3 000 m3/s時(shí)，下游口門(mén)區(qū)流速基本滿足要求，但連接段局部范圍內(nèi)水流條件不理想。這主要是由于下游口門(mén)以下河段河道漸收窄，電站尾水下泄后受同岸外凸岸線挑流后偏往左岸；同時(shí)航線出引航道后逐漸由靠岸轉(zhuǎn)向近主流區(qū)，偏右側(cè)下泄的主流與航道中心線交角偏大。

3 上、下游引航道優(yōu)化布置

3.1 上、下游引航道通航水流條件優(yōu)化措施與探討

根據(jù)初步試驗(yàn)結(jié)果及分析可知，上、下游引航道口門(mén)及連接段水流存在的問(wèn)題均是橫向流速偏大：一方面由于上下游航線在靠近主流區(qū)的航線段與主流向交角偏大；另一方面，各工況水流僅經(jīng)右側(cè)泄孔泄流，恰好在上、下游均形成一定的斜沖。基于此，初步采取以下措施改善上、下游引航道水流條件。

調(diào)整上游引航道，主要考慮以下幾個(gè)方面：(1)調(diào)整引航道連接段，在口門(mén)上游320 m(壩上0+720 m)處以轉(zhuǎn)彎半徑450 m、轉(zhuǎn)角22°轉(zhuǎn)向主航道，以減小航線與河道主流的交角；(2)結(jié)合下游水流條件調(diào)整樞紐運(yùn)行方式，適當(dāng)開(kāi)啟左側(cè)閘孔，將主流適當(dāng)引向左岸，減小上游主流與航線交角；(3)試驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)，由于上游引航道為開(kāi)敞式布置，開(kāi)啟左側(cè)閘孔，在水流剪切作用下，容易導(dǎo)致引航道調(diào)順段形成較強(qiáng)的斜流及回流，需調(diào)整上游引航道隔流堤長(zhǎng)度，因此分析比較了120，180和300 m幾種隔流堤長(zhǎng)度布置方案。

圖2 上游引航道優(yōu)化(方案Ⅰ)(單位：m)Fig.2 Layout optimization of upper approach (schemeⅠ) (unit： m)

隔流堤長(zhǎng)度較長(zhǎng)(300 m)時(shí)，可以較好地改善待閘船舶靠船段停泊條件及進(jìn)閘調(diào)順段水流條件，但隔流堤長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)又導(dǎo)致引航道外側(cè)導(dǎo)墻與內(nèi)側(cè)隔流堤間連線與航道交角過(guò)大，在口門(mén)附近形成較大的斜向封門(mén)水流；隔流堤長(zhǎng)度不足120 m時(shí)，在泄水閘一側(cè)水流的帶動(dòng)下，會(huì)在引航道內(nèi)形成回流。試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，隔流堤長(zhǎng)度在180 m左右可以起到較好的效果。調(diào)整后的上游航道布置見(jiàn)圖2，流速測(cè)量試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

對(duì)于下游引航道，口門(mén)區(qū)及連接段處于下游河道束窄段，在口門(mén)區(qū)采用太復(fù)雜工程措施必然會(huì)影響到河道行洪，因此改善水流條件，只能從樞紐運(yùn)行調(diào)度及航線調(diào)整方面進(jìn)行考慮。考慮到受右岸下泄水流斜沖，擬先調(diào)整運(yùn)行調(diào)度方式(個(gè)別開(kāi)啟左側(cè)閘孔)，調(diào)整后流速試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 方案Ⅰ上、下游引航道口門(mén)及連接段流速測(cè)量結(jié)果Tab.4 Test results of upper and lower approachs of schemeⅠ

從以上結(jié)果可知，上游航線調(diào)整后，相應(yīng)工況下的口門(mén)區(qū)及連接段水流條件有明顯改善，基本可滿足安全通航要求；通過(guò)適當(dāng)減少開(kāi)啟右側(cè)泄孔、增開(kāi)左側(cè)泄孔，下游連接段流速超限強(qiáng)度及范圍均有所減小。從初步試驗(yàn)可得出如下結(jié)論：

(1)流量在4 000 m3/s以上時(shí)，樞紐上下游引航道口門(mén)區(qū)及連接段，均有大范圍的超標(biāo)橫向流速，基本可認(rèn)為干流通航流量不宜超過(guò)此值。

(2)通過(guò)采取多種改善措施，Q=3 500和3 000 m3/s情況下，水流條件改善效果明顯：上游口門(mén)區(qū)水流條件基本能夠滿足要求，連接段流速小范圍偏大；下游口門(mén)區(qū)縱、橫向水流條件能夠滿足要求，在口門(mén)下游400 m以下連接段，航道中心線右側(cè)局部范圍橫向流速大于0.30 m/s，但小于0.45 m/s；考慮下游進(jìn)出閘船舶的操控條件及其安全性，也基本可以接受。同時(shí)可見(jiàn)，樞紐運(yùn)行方式對(duì)上下游水流條件均有一定影響，只開(kāi)右岸泄水閘時(shí)，上下游均易產(chǎn)生不利流態(tài)，而適當(dāng)開(kāi)啟左岸泄水閘，則能使之均有一定改善。

(3)對(duì)于上游，庫(kù)內(nèi)水深大，河面開(kāi)闊、流速相對(duì)較小，通航水流條件優(yōu)化余地較大。而下游則相對(duì)復(fù)雜，一方面受泄流斜沖影響，連接段尤其是河心側(cè)受影響明顯；另一方面下游河道收窄，通航水流條件的優(yōu)化不宜考慮過(guò)大的工程措施，只能進(jìn)一步調(diào)整航線。

3.2 上、下游引航道通航水流條件的進(jìn)一步優(yōu)化

根據(jù)前述試驗(yàn)結(jié)果，擬對(duì)上下游航道布置作進(jìn)一步優(yōu)化。結(jié)合調(diào)整樞紐運(yùn)行調(diào)度方式，對(duì)上游航線向左岸偏移，以減小上游引航道連接段轉(zhuǎn)彎區(qū)處河道主流區(qū)轉(zhuǎn)彎段斜向流速較大的影響，進(jìn)一步改善上游水流條件；下游引航道口門(mén)區(qū)航線與河道主流流向夾角偏大(達(dá)25°)，樞紐下泄水流在航道上形成較強(qiáng)的斜向水流。據(jù)此，進(jìn)一步優(yōu)化了航道布置，形成修改方案Ⅱ，具體修改如下：轉(zhuǎn)彎段下移，上引航道在壩上0+600 m處開(kāi)始轉(zhuǎn)彎，轉(zhuǎn)彎半徑500 m、圓心角24°，如圖3(a)； 溫溪大橋通航孔左移一孔，以減小航線與主流的夾角。調(diào)整后口門(mén)區(qū)航線與船閘軸線夾角由原來(lái)的15°減小為8°，如圖3(b)。

(a) 上游航線 (b) 下游航線圖3 上、下游航線布置優(yōu)化(方案Ⅱ)Fig.3 Layout optimization of upper and lower approachs (scheme Ⅱ)

修改后，分別進(jìn)行了Q=3 500 m3/s、全開(kāi)1#～25#閘孔和Q=2 000 m3/s、單開(kāi)左側(cè)閘孔兩組工況試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。另外，還進(jìn)行了Q=4 000 m3/s、全開(kāi)所有閘孔工況的試驗(yàn)。該工況下下游引航道口門(mén)區(qū)最大橫向流速0.26 m/s，最大縱向流速約1.2 m/s；連接段最大縱向流速1.40 m/s，局部范圍橫向流速超限值，最大橫向流速0.38 m/s，但小于0.45 m/s。說(shuō)明樞紐下泄流量4 000 m3/s已接近下游引航道安全行船的最大允許流量。

從以上試驗(yàn)結(jié)果可知，同工況下修改方案Ⅱ，樞紐上、下游引航道口門(mén)區(qū)及連接段通航水流條件得到了明顯改善，可以保證在Q=3 500 m3/s流量范圍內(nèi)，基本滿足相關(guān)規(guī)范的安全通航要求。綜合考慮以上試驗(yàn)結(jié)果，認(rèn)為樞紐干流(不考慮四都港)來(lái)流最大通航流量不超過(guò)3 500 m3/s為宜。

表5 方案Ⅱ上、下游引航道口門(mén)及連接段流速測(cè)量結(jié)果Tab.5 Test results of upper and lower approachs of scheme Ⅱ

4 支流(四都港)來(lái)流影響

四都港匯流口位于電站一側(cè)，根據(jù)分區(qū)設(shè)計(jì)洪水結(jié)果，壩址洪水主要以甌江干流為主，四都港來(lái)流所占比例較小，P=20%洪峰流量為1 950 m3/s。模型試驗(yàn)進(jìn)行了上游(干流)來(lái)流3 500 m3/s，四都港(支流)來(lái)流1 000 和500 m3/s兩組試驗(yàn)。結(jié)果表明，四都港來(lái)流主要通過(guò)樞紐右側(cè)泄水閘下泄，對(duì)上游引航道口門(mén)區(qū)及連接段水流條件無(wú)明顯不利影響。

但是，結(jié)合以上試驗(yàn)研究，當(dāng)流量Q=4 500 m3/s時(shí)，下游引航道口門(mén)區(qū)及連接段水流條件難以滿足行船安全流速限值要求；修改方案后Q=4 000 m3/s、全開(kāi)所有閘孔工況下，下游引航道口門(mén)及連接段水流條件基本滿足要求。因此，上游支流對(duì)下游通航水流條件影響明顯，需要重視。建議下游安全通航流量(樞紐安全通航最大下泄流量)不要大于4 000 m3/s。

5 下游水位變幅影響

由于壩址位于感潮河段，考慮到同流量下下游水位降低對(duì)通航不利，應(yīng)關(guān)注潮位下降對(duì)通航水流條件的影響。根據(jù)規(guī)范[10]要求，潮汐影響應(yīng)根據(jù)潮位頻率資料進(jìn)行分析研究，但樞紐河段潮汐影響段潮位資料暫缺，只有短期設(shè)置的臨時(shí)水文站觀測(cè)資料，限于此，試驗(yàn)僅主要針對(duì)下游對(duì)退潮(水位下降)的敏感性進(jìn)行簡(jiǎn)化研究。

根據(jù)青田縣水文站2009-01-01在壩址臨時(shí)水文站的觀測(cè)結(jié)果可得，無(wú)明顯洪水過(guò)境情況下，壩址處水位呈現(xiàn)明顯的“一日兩高兩低”規(guī)則潮型，日最大變幅達(dá)2.5～3.0 m；根據(jù)壩址水位流量綜合平均線計(jì)算，Q=3 500 m3/s時(shí)，壩址綜合平均水位為4.51 m。Q=3 500 m3/s，1～25#孔全開(kāi)，下游水位降低1.0 m時(shí)，Vxmax=0.40 m/s，下行航線(外側(cè))連接段少數(shù)點(diǎn)超限；1#～25#孔全開(kāi)，下游水位降低2.0 m時(shí)，Vxmax=0.43 m/s，下行航線(外側(cè))連接段局部區(qū)域超限；電站滿發(fā)流量下(918.4 m3/s)，1#～25#孔全關(guān)，下游水位按最低通航水位-1.96 m考慮，Vxmax=0.33 m/s；下行航線(外側(cè))連接段個(gè)別點(diǎn)超限。試驗(yàn)結(jié)果表明，相同工況下，下游水位降低，口門(mén)區(qū)及連接段通航水流條件惡化；水位降低幅度愈大，惡化范圍和程度愈大。由此可見(jiàn)，潮汐對(duì)下游河道通航水流條件影響明顯，表現(xiàn)在低潮位下通航水流條件變差。根據(jù)原設(shè)計(jì)，最低通航水位為-1.96 m基本滿足安全通航的通航水流條件流速要求。

6 結(jié) 語(yǔ)

青田水利樞紐，受多種因素制約，船閘引航道水流條件較復(fù)雜。通過(guò)1:80樞紐水工整體物理模型試驗(yàn)對(duì)樞紐通航水力學(xué)問(wèn)題進(jìn)行了研究。綜合分析試驗(yàn)成果，可得出如下結(jié)論：

(1)樞紐及主要通航建筑物布置基本合理，上引航道采用敞開(kāi)式布置時(shí)，口門(mén)區(qū)及引航道內(nèi)流態(tài)對(duì)泄水閘運(yùn)行方式敏感；下游口門(mén)區(qū)及連接段對(duì)泄水閘及電站運(yùn)行較敏感，船閘異岸側(cè)的電站及泄水閘運(yùn)行時(shí)，下泄水流易對(duì)沖下游口門(mén)導(dǎo)致超標(biāo)斜流產(chǎn)生，宜適當(dāng)兩岸對(duì)稱開(kāi)啟泄水孔。

(2)口門(mén)區(qū)及連接段的布置主要考慮避開(kāi)主流或減小航線與主流交角。上引航道位于庫(kù)區(qū)內(nèi)，水深大且變化較小，航道布置較易，支流入?yún)R對(duì)上游影響??；下引航道位于河道束窄段，調(diào)整航道布置要考慮對(duì)行洪的影響；本工程中，上游支流的影響主要表現(xiàn)在與干流流量疊加后樞紐下泄量增加對(duì)下游的影響。下游通航水流條件對(duì)潮位變化較敏感，低潮位下通航水流條件變差，故對(duì)此需進(jìn)一步分析研究。

(3)采取調(diào)整引航道導(dǎo)墻及進(jìn)出閘航線布置等措施對(duì)改善上下游引航道口門(mén)及連接段通航水流條件效果明顯，推薦采用修改方案Ⅱ。上游干流最大通航流量為3 500 m3/s，支流四都港入?yún)R1 000 m3/s的流量時(shí)，對(duì)上游通航無(wú)明顯不利影響；下游最大通航流量不宜超過(guò)4 000 m3/s，由于各級(jí)流量下連接段靠近主流側(cè)局部范圍水流條件稍差，建議上行進(jìn)閘船舶靠岸側(cè)行駛，下行出閘船舶靠河心一側(cè)行駛。

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