梁學(xué)戰(zhàn)，趙先濤，向 杰，陳 鑫，唐紅梅

（1.湖北文理學(xué)院 建筑工程學(xué)院，湖北 襄陽(yáng) 441053；2.重慶交通大學(xué) 巖土工程研究所，重慶 400074）

三峽水庫(kù)蓄水以來(lái)，庫(kù)區(qū)失穩(wěn)岸坡在數(shù)量和方量都有增多的趨勢(shì)，如不能對(duì)岸坡的變形做出準(zhǔn)確的判斷并采取相應(yīng)的防治措施，將會(huì)造不可估量的損失。庫(kù)區(qū)岸坡在庫(kù)水位周期性升降作用下，要經(jīng)歷一個(gè)較長(zhǎng)的變形發(fā)展演化過(guò)程，且變形在時(shí)間和空間變化有一定的規(guī)律［1］。目前，對(duì)邊坡變形的研究，很多學(xué)者在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析和模型試驗(yàn)方面做了大量的工作［2－17］，胡顯明等［3］通過(guò)三峽庫(kù)區(qū)一復(fù)活型庫(kù)岸邊坡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的理論分析，表明其運(yùn)動(dòng)軌跡具有分形特征；Greif等［5］把ERS和ENVISAT傳感器獲取的合成雷達(dá)數(shù)據(jù)用于斯洛伐克中部山體滑坡變形的量測(cè)，此過(guò)程精確識(shí)別滑坡滑動(dòng)后坡體位移量和邊界。陳洪凱等［12］以重慶庫(kù)區(qū)江津艾坪山滑坡為原型，采取幾何相似、物理近似相似的半定量試驗(yàn)?zāi)Ｐ停治隽怂缮⑼馏w滑坡吸水、蠕變過(guò)程、強(qiáng)度衰減及滑移啟動(dòng)的宏觀趨勢(shì)。羅先啟等［16］針對(duì)自動(dòng)網(wǎng)格法用于大型滑坡模型試驗(yàn)位移測(cè)量時(shí)所存在的問(wèn)題提出了解決措施，并以三峽庫(kù)區(qū)石榴樹(shù)包滑坡模型試驗(yàn)為例，分析了庫(kù)岸邊坡在不同水位運(yùn)行工況下的位移規(guī)律。李邵軍等［18］通過(guò)離心模型試驗(yàn)，模擬了庫(kù)岸邊坡在水位升降作用下的失穩(wěn)過(guò)程，得到了庫(kù)岸邊坡的破壞模式和裂縫的變形演化過(guò)程?，F(xiàn)有對(duì)岸坡變形的研究大多是對(duì)觀測(cè)點(diǎn)位移量變化的理論和試驗(yàn)分析，但在坡體不同部位，不同變形階段會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力、壓應(yīng)力、剪應(yīng)力等局部應(yīng)力集中，并在相應(yīng)部位產(chǎn)生與其力學(xué)性質(zhì)對(duì)應(yīng)的裂縫。同時(shí)，這些裂縫還會(huì)在時(shí)間和空間上表現(xiàn)出不同的分布變形特性，而岸坡變形中坡面裂縫隨時(shí)間和空間的變化無(wú)法精確量測(cè)，研究較少。

本文通過(guò)模型試驗(yàn)的方法，對(duì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ推旅嫘律芽p進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)，分析庫(kù)區(qū)土質(zhì)岸坡在庫(kù)水位周期性升降作用下坡體裂縫的時(shí)間、空間演化分期配套規(guī)律，為三峽庫(kù)區(qū)土質(zhì)岸坡的分期分區(qū)治理提供依據(jù)。

1 模型試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

建立三維地質(zhì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，通過(guò)觀測(cè)土質(zhì)岸坡在水位升降過(guò)程中新生拉張裂縫隨時(shí)間變化出現(xiàn)的頻率與規(guī)模大小，以及在庫(kù)水位升降作用下坡面新生裂縫縱向和橫向的空間發(fā)展過(guò)程，揭示土質(zhì)岸坡在庫(kù)水位周期性升降作用下表面拉張裂縫的時(shí)間、空間演化分期配套規(guī)律。

1.2 模型相似比

試驗(yàn)?zāi)Ｐ透鶕?jù)相似原理，結(jié)合土質(zhì)岸坡的工程地質(zhì)條件和地質(zhì)作用因素，模型采用的主要參數(shù)相似條件有模型幾何尺寸相似、物理力學(xué)性質(zhì)相似、滲透性相似以及蓄水時(shí)間相似。

1）根據(jù)岸坡原型尺寸和實(shí)驗(yàn)條件取幾何相似系數(shù)λl＝25。

2）物理力學(xué)性質(zhì)相似系數(shù)：為得到與岸坡原型較一致的結(jié)果，在進(jìn)行2次小型模型試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，坡體容重相似系數(shù)、坡體內(nèi)摩擦角和粘聚力相似系數(shù)分別為λγ＝1、λφ＝1和λc＝1；為縮短試驗(yàn)時(shí)間，滲透系數(shù)相似系數(shù)λk＝0.1。

3）蓄水時(shí)間相似，根據(jù)幾何相似和滲透系數(shù)相似：

式中，λvs為滲透流速相似系數(shù)；λg為水力梯度相似系數(shù)；λh為水頭相似系數(shù)；λt為時(shí)間相似系數(shù)。

1.3 模型設(shè)計(jì)

以庫(kù)區(qū)某土質(zhì)岸坡為原型，根據(jù)其原始尺寸，模型槽尺寸確定為4.39m（長(zhǎng)）×2.86m（寬）×2.22m（高）。設(shè)計(jì)模型幾何相似比為λl＝1：25，則模型尺寸為3.03m（長(zhǎng)）×2.86m（寬）×2.22m（后緣高）?；鶐r平均坡角為31°，為增大土與基巖間的摩擦作用，采用塊石堆砌，粗骨料砂漿抹面，防滲漏水。模型坡體鋪筑土層平均厚41cm，其中坡體前緣厚度45cm，后緣厚度20cm，坡體平均坡角為49°，（見(jiàn)圖1）。在土層鋪筑過(guò)程中，分層壓密，在不同壓力下經(jīng)過(guò)反復(fù)配比重塑，在滿足容重、滲透系數(shù)、抗剪強(qiáng)度等主要參數(shù)相似要求情況下，現(xiàn)場(chǎng)取土進(jìn)行土工實(shí)驗(yàn)，得到物理力學(xué)參數(shù)（表1）。

表1 坡體材料物理力學(xué)參數(shù)

試驗(yàn)以三峽水庫(kù)實(shí)際蓄水狀況，水位從145m蓄水至175m，按模型的幾何相似比以及坡體材料的物理力學(xué)參數(shù)，模型正常水位變幅為30／λl＝30／25＝1.2m＝120cm，基本對(duì)應(yīng)實(shí)際145～175m庫(kù)水位變化（圖1）。在模型槽前部左右兩側(cè)對(duì)應(yīng)位置用彩色繪圖筆標(biāo)注試驗(yàn)水位及相應(yīng)的水庫(kù)實(shí)際水位。

圖1 土質(zhì)岸坡實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停▓D中幾何尺寸單位：cm）

1.4 觀測(cè)方法

為探討三峽水庫(kù)正常水位變幅前蓄水對(duì)岸坡變形的影響，實(shí)驗(yàn)從岸坡坡腳實(shí)驗(yàn)水位0開(kāi)始蓄水。

蓄水前，在模型上部順岸坡縱向搭設(shè)水平扶梯，用一卷尺與扶梯處于同一水平位置，在卷尺上每隔5cm用鉛垂量測(cè)岸坡縱向中部縱斷面坡面點(diǎn)的垂直高度，用于繪制蓄水前岸坡中部的縱剖面圖。

試驗(yàn)中，用卷尺、直尺和鉛錘現(xiàn)場(chǎng)組合量測(cè)水位升降過(guò)程中不同階段新生裂縫的寬度、長(zhǎng)度、深度以及裂縫出現(xiàn)的位置，用秒表記錄新生裂縫出現(xiàn)的時(shí)間，并對(duì)新生裂縫出現(xiàn)時(shí)模型槽前部標(biāo)注的試驗(yàn)水位和實(shí)際水位進(jìn)行讀數(shù)。同時(shí)，在新生裂縫產(chǎn)生及坡體局部坍塌時(shí)用數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)拍照，并用數(shù)碼攝像機(jī)進(jìn)行全程拍攝，以供在室內(nèi)分析時(shí)校核現(xiàn)場(chǎng)的量測(cè)結(jié)果。

降水到試驗(yàn)水位50cm時(shí)，再量測(cè)岸坡縱向中部縱斷面坡面點(diǎn)的垂直高度，用于繪制一個(gè)水位變幅后岸坡的縱剖面圖。

1.5 觀測(cè)時(shí)間

根據(jù)三峽水庫(kù)的蓄水降水周期為1a和時(shí)間相似系數(shù)λt＝250，本模型的一個(gè)蓄水、降水變化周期確定為29.5h，從2012年7月30日早上6：30至2012年7月31日中午12：00。試驗(yàn)過(guò)程劃分為0～50cm 前期蓄水、50～120cm 正常蓄水、120～170cm正常蓄水和175～50cm降水4個(gè)階段。

為反映三峽水庫(kù)的實(shí)際蓄水、降水過(guò)程中岸坡變形特征以及在蓄水、降水過(guò)程中不同時(shí)長(zhǎng)的暫停蓄水和放水對(duì)裂縫產(chǎn)生、擴(kuò)展變化產(chǎn)生的影響，在試驗(yàn)蓄水、降水過(guò)程中，多次暫停蓄水和暫停降水；其中，蓄水過(guò)程中，在試驗(yàn)水位50、120、148、170cm 分別暫停蓄水，暫停時(shí)長(zhǎng)分別為2.5、1.5、2、8.5h；降水過(guò)程中，因變形以整體蠕滑為主，在試驗(yàn)水位120cm暫停放水，暫停時(shí)長(zhǎng)為1h。模型試驗(yàn)時(shí)間過(guò)程如表2。

表2 模型試驗(yàn)時(shí)間過(guò)程

2 模型岸坡表面拉張裂縫的時(shí)空變化特性

2.1 水位升降作用下模型岸坡表面新生裂縫時(shí)空分布

為分析岸坡表面新生拉張裂縫的時(shí)空變化特性，把水位升降過(guò)程中不同時(shí)間點(diǎn)出現(xiàn)的新生裂縫在實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ推矫鎴D中進(jìn)行標(biāo)注，主要標(biāo)注水位上升過(guò)程中新生裂縫出現(xiàn)的時(shí)間順序和裂縫長(zhǎng)度，如圖2所示。

圖2 水位上升過(guò)程中新生裂縫平面簡(jiǎn)圖

2.2 岸坡表面拉張裂縫時(shí)間分布特征

以時(shí)間為橫坐標(biāo)，蓄水、降水過(guò)程中坡體新生裂縫長(zhǎng)度與水位變化為縱坐標(biāo)，根據(jù)不同時(shí)間的水位變化與裂縫規(guī)模（裂縫長(zhǎng)度、寬度、深度）的關(guān)系（表3～6，圖2～6），分析水位升降過(guò)程中不同階段新生裂縫隨時(shí)間出現(xiàn)的頻率與規(guī)模大小的變化規(guī)律。

1）前期蓄水（0～50cm）坡面裂縫隨蓄水時(shí)間變化特征

為說(shuō)明岸坡低水位時(shí)受蓄水浸泡影響的程度，實(shí)驗(yàn)從實(shí)驗(yàn)水位0cm起開(kāi)始蓄水。從圖3及表3看出，7月30日6：00－10：30在0～50cm的蓄水階段及50cm暫停蓄水階段均有裂縫產(chǎn)生，且裂縫的時(shí)間分配在兩個(gè)階段都比較均勻，裂縫的規(guī)模（長(zhǎng)度、寬度及深度）隨庫(kù)水位升高逐漸變大，暫停蓄水后規(guī)模逐漸減小。

圖3 7月30日0～50cm水位上升階段裂縫變化規(guī)律

圖4 7月30日50～120cm水位上升階段裂縫變化規(guī)律

表3 模型實(shí)驗(yàn)7月30日0～50cm蓄水階段坡面裂縫發(fā)展演化記錄

2）50～120cm正常蓄水坡面裂縫隨蓄水時(shí)間變化特征

7月30日10：30從實(shí)驗(yàn)水位50cm再次蓄水，開(kāi)始模擬三峽水庫(kù)實(shí)際庫(kù)水位145～175m正常運(yùn)營(yíng)時(shí)對(duì)岸坡的影響。由圖4和表4看出，實(shí)驗(yàn)水位50cm再次蓄水后，隨著水位升高，岸坡新生裂縫出現(xiàn)的頻率變快，裂縫規(guī)模（長(zhǎng)度、深度、寬度）較前期蓄水變大，擴(kuò)展變形及裂縫前緣坍塌速度加快。蓄水至120cm暫停蓄水后，岸坡無(wú)新裂縫產(chǎn)生，只是蓄水階段產(chǎn)生的新裂縫貫通，且貫通裂縫無(wú)明顯位移。

表4 模型試驗(yàn)7月30日50～120cm蓄水階段坡面裂縫發(fā)展演化記錄

續(xù)表4

3）120～170cm正常蓄水坡面裂縫隨蓄水時(shí)間變化特征

7月30日16：30從試驗(yàn)水位120cm再次蓄水后，由圖5和表5看出，岸坡新生裂縫出現(xiàn)頻率開(kāi)始降低，裂縫規(guī)模逐漸減小，裂縫的擴(kuò)展變形速率變慢，7月30日16：30－20：40在148cm暫停蓄水、7月30日23：00－7月31日7：30在170cm水位到達(dá)最高水位停止蓄水時(shí)，基本無(wú)新裂縫出現(xiàn)。說(shuō)明在水位上升到試驗(yàn)水位120cm以后，坡體的變形逐漸減小，暫停蓄水后，變形基本消失。

表5 模型試驗(yàn)7月30－31日120～170cm蓄水階段坡面裂縫發(fā)展演化記錄

圖5 7月30－31日120～170cm水位上升階段裂縫變化規(guī)律

圖6 7月31日170～50cm水位下降階段裂縫變化規(guī)律

續(xù)表 5

4）170～50cm降水階段坡面裂縫隨蓄水時(shí)間變化特征

7月31日7：30開(kāi)始降水，在試驗(yàn)水位170～50cm下降階段，由圖6和表6，岸坡新生裂縫以后緣裂縫為主，初期降水（170～120cm）土質(zhì)岸坡裂縫的出現(xiàn)頻率較低，后期降水（120～50cm）裂縫出現(xiàn)頻率增大。降水過(guò)程中模型兩側(cè)坡體與墻面有明顯整體摩擦痕跡（圖7），說(shuō)明土質(zhì)岸坡在庫(kù)水位下降過(guò)程中，坡體沿著滑面以整體蠕滑為主，且初期降水蠕滑速度較慢，后期降水整體蠕滑速度較快。

表6 模型試驗(yàn)7月31日170～50cm降水階段坡面裂縫發(fā)展演化記錄

圖7 試驗(yàn)水位下降至50cm岸坡模型

2.3 岸坡坡體表面裂縫的空間分布特征

1）裂縫橫向分布變化特征

圖8 局部橫向裂縫

試驗(yàn)中，隨著水位從土質(zhì)岸坡坡腳開(kāi)始蓄水上升，岸坡土體受到庫(kù)水浸泡，部分水體入滲到坡體內(nèi)，遇水坡體軟化，造成土質(zhì)岸坡坡腳處局部應(yīng)力集中，局部應(yīng)力集中區(qū)首先發(fā)生局部變形，局部新生橫向裂縫孕育產(chǎn)生（圖8），在水位不斷升高過(guò)程中，位于同一水平帶局部新生橫向裂縫繼續(xù)產(chǎn)生。隨著局部橫向裂縫的擴(kuò)展變化，形成與局部橫向裂縫同一水平帶內(nèi)的較長(zhǎng)的新生弧形裂縫（圖9）。隨著水位繼續(xù)升高，在靠近水位線附近，以先形成局部橫向裂縫、后形成同一水平帶內(nèi)的弧形裂縫的變形方式重復(fù)出現(xiàn)（弧形裂縫或者是先形成的局部橫向裂縫擴(kuò)展貫通形成，或者是同一水平帶內(nèi)局部橫向裂縫錯(cuò)落形成）。

圖9 弧形裂縫

2）裂縫縱向分布變化特征

蓄水階段，模型設(shè)計(jì)時(shí)，坡體前緣設(shè)計(jì)坡度較陡，臨空面條件較好。水位從坡腳試驗(yàn)水位0cm附近開(kāi)始蓄水上升，在坡體前緣水位線附近坡體浸水軟化，拉應(yīng)力集中，并產(chǎn)生向臨空方向的拉裂錯(cuò)落變形，出現(xiàn)橫向拉張裂縫（圖8）。隨著水位不斷升高，前緣橫向裂縫變長(zhǎng)、加寬、加深，逐漸形成控制性弧形拉張裂縫，水位繼續(xù)升高，控制性弧形裂縫前緣局部發(fā)生坍塌（圖10），坍塌部分向水下滑移，其后緣土體形成新的臨空條件，形成第二次土體變形→橫向裂縫→控制性弧形裂縫→坍塌變形過(guò)程，此后隨著水位的上升，在岸坡水位線附近坡體變形發(fā)展依此過(guò)程繼續(xù)進(jìn)行。但從水位上升到試驗(yàn)水位接近120cm開(kāi)始，在坡體后緣出現(xiàn)拉張裂縫（圖11），此時(shí)，坡體前緣水位線附近產(chǎn)生變形、坍塌運(yùn)動(dòng)形式減弱。在水位到達(dá)148cm以后，水位線附近坡前裂縫基本停止發(fā)育，后緣裂縫張開(kāi)位移加大，同一水平帶的后緣橫向裂縫逐漸貫通（圖12），此時(shí)岸坡以整體向下蠕滑為主。

圖10 弧形裂縫前緣土體坍塌

圖11 后緣裂縫

圖12 試驗(yàn)水位上升至170cm岸坡模型

放水階段，后緣裂縫繼續(xù)發(fā)展。隨著水位的逐漸下降，坡體后緣裂縫擴(kuò)展，產(chǎn)生分支裂縫，坡體邊緣形成羽狀裂縫，并有新裂縫產(chǎn)生，但裂縫發(fā)展緩慢。在后緣拉張變形發(fā)展的同時(shí)，下座變形也同步進(jìn)行，當(dāng)變形達(dá)到一定程度后，在水位下降到96cm時(shí)在滑坡體后緣形成弧形拉張裂縫和20cm寬的下錯(cuò)臺(tái)坎。在水位下降過(guò)程中，岸坡兩側(cè)與試驗(yàn)邊槽墻體出現(xiàn)明顯的滑動(dòng)擦痕，在水位降到50cm時(shí)，從岸坡坡面可以看到岸坡形成的多級(jí)下錯(cuò)臺(tái)階（圖1、圖7）。

3 庫(kù)水位升降作用下坡面裂縫時(shí)空演化分期配套規(guī)律

3.1 庫(kù)水位上升階段坡面裂縫的時(shí)空分期配套規(guī)律

蓄水過(guò)程中，試驗(yàn)水位上升到120cm以前，空間分布岸坡前緣水位線附近控制性弧形裂縫出現(xiàn)，時(shí)間分布產(chǎn)生較大頻率的橫向裂縫及弧形裂縫，往往預(yù)示著岸坡水位線附近局部變形速率較快，控制性弧形裂縫前緣土體滑動(dòng)坍塌頻率較大。在水位120～148cm時(shí)，空間分布表現(xiàn)出岸坡前后緣均有裂縫出現(xiàn)，時(shí)間分布前緣新生裂縫出現(xiàn)的頻率逐漸減小，水位線附近發(fā)生變形坍塌的時(shí)間間隔變長(zhǎng)，后緣裂縫出現(xiàn)的頻率逐漸增大。水位148～170cm時(shí)，空間分布岸坡前緣水位線附近新生裂縫發(fā)育基本消失，后緣裂縫繼續(xù)發(fā)育擴(kuò)展；時(shí)間分布后緣裂縫貫通規(guī)模擴(kuò)大且有新裂縫產(chǎn)生，此時(shí)岸坡變形以沿滑動(dòng)面整體緩慢蠕滑為主。在整個(gè)水位上升階段暫停蓄水時(shí)岸坡裂縫的時(shí)空變形均較小，不易發(fā)生局部坍塌。

3.2 庫(kù)水位下降階段坡面裂縫的時(shí)空分期配套規(guī)律

試驗(yàn)水位170～50cm下降過(guò)程中，初期降水，空間分布新生拉張裂縫主要出現(xiàn)在岸坡坡體后緣，時(shí)間分布后緣拉張裂縫出現(xiàn)頻率較低，發(fā)展緩慢；后期降水，空間分布拉張裂縫貫通規(guī)模擴(kuò)大，產(chǎn)生下座變形，中后部出現(xiàn)下錯(cuò)臺(tái)坎，時(shí)間分布后緣新生裂縫出現(xiàn)頻率增大；暫停降水時(shí)后緣新生裂縫產(chǎn)生頻率較低，裂縫擴(kuò)展變形量較小。水位下降階段岸坡沿滑動(dòng)面發(fā)生整體緩慢蠕滑。

4 結(jié)論

1）在水位上升過(guò)程中，土質(zhì)岸坡新生裂縫橫向分布變化以先形成局部橫向裂縫、后形成同一水平帶內(nèi)的控制性弧形裂縫的變形方式在水位線附近重復(fù)出現(xiàn)，新生裂縫縱向分布變化以土體變形→橫向裂縫→控制性弧形裂縫→坍塌的變形過(guò)程隨著水位上升在水位線附近重復(fù)出現(xiàn)。水位下降階段，岸坡的空間變形表現(xiàn)為后緣出現(xiàn)拉張裂縫以及沿滑動(dòng)面發(fā)生整體緩慢蠕滑。

2）在前期蓄水（0～50cm）及正常蓄水階段的蓄水初期（50～120cm），裂縫主要出現(xiàn)在岸坡前緣水位線附近，且出現(xiàn)頻率、規(guī)模逐漸增大，岸坡以前部坍塌為主；正常蓄水階段的蓄水中期（120～148cm）岸坡前后緣均有裂縫出現(xiàn)，但前緣裂縫頻率、規(guī)模逐漸減小，后緣裂縫頻率規(guī)模逐漸增大；正常蓄水階段的蓄水后期（148～170cm）前緣裂縫發(fā)育基本消失，后緣裂縫繼續(xù)發(fā)育，岸坡變形以沿滑動(dòng)面整體蠕滑為主；水位上升過(guò)程中暫停蓄水時(shí)裂縫發(fā)展緩慢。降水階段拉張裂縫主要出現(xiàn)在岸坡坡體后緣，初期降水（170～120cm）裂縫出現(xiàn)頻率較低，發(fā)展緩慢；后期降水（120～50cm）裂縫出現(xiàn)頻率規(guī)模變大，產(chǎn)生下座變形及下錯(cuò)臺(tái)坎；水位下降階段岸坡沿滑動(dòng)面發(fā)生整體緩慢蠕滑。

3）在庫(kù)水位升降過(guò)程中，岸坡不同時(shí)段和不同空間部位的新生裂縫體系不同，判別岸坡局部失穩(wěn)或整體滑動(dòng)，應(yīng)根據(jù)新生裂縫的空間和時(shí)間變化特性，以及庫(kù)水位周期性變化階段綜合分析確定，并以此采取相應(yīng)的岸坡分期分區(qū)治理措施。

4）進(jìn)一步的研究將以試驗(yàn)成果為基礎(chǔ)，對(duì)坡體的變形進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)值分析和驗(yàn)證；一次性的模型試驗(yàn)結(jié)果與試驗(yàn)?zāi)M的岸坡原型變形特征基本一致，也可以為其他工程岸坡提供借鑒，要將模型試驗(yàn)的結(jié)果推廣應(yīng)用到其他工程岸坡，應(yīng)進(jìn)行多組不同參數(shù)不同相似系數(shù)岸坡變形的模型試驗(yàn)，找出其對(duì)應(yīng)規(guī)律。

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