函江水利枢纽工程泄水闸设计毕业设计说明书(已处理)

函江水利枢纽工程泄水闸设计毕业设计说明书

函江水利枢纽工程泄水闸设计

目录

1 综合说明 3

1.1 工程概况 3

1.2 设计依据 3

1.3 毕业设计成果(泄水闸) 4

2 水文8

2.1 流域概况8

2.2 气象8

2.3 洪水8

3 工程地形、地质 9

3.1 闸址地形9

3.2 闸址地质9

3.3 当地建筑材料 9

3.4 地震烈度9

4 工程布置及建筑物10

4.1 设计依据10

4.1.1 工程等级及建筑物级别10

4.1.2 设计基本资料10

4.2 工程总体布置 11

4.2.1 船闸的布置 12

4.2.2 水电站的布置12

4.2.3 泄水闸的布置12

4.3 主要建筑物(泄水闸) 13

4.3.1闸孔设计13

4.3.2 消能防冲设计15

4.3.3 防渗排水设计19

4.3.4 闸室的布置 22

4.3.5 闸室稳定计算25

4.3.6 闸室底板结构计算28

4.3.7 两岸连接建筑物设计32

附图:

图01 枢纽平面布置图

图02 水闸平面图及剖面图

图03 水闸上游立视图

图04 水闸底板配筋图

图05 上下游翼墙剖面图

1 综合说明

1.1 工程概况

函江位于我国华东地区。流向自东向西北,全长375km,流域面积176 万

km2,是鄱阳湖水系的重要支流,也是长江水系水路运输网的组成部分。

该流域气候温和,水量充沛,水面平缓,含砂量小,对充分开发这一地区的航运具有天然的优越条件。流域内有耕地700多万亩,矿藏资源十分丰富,工矿企业较发达,有国家最大的有色金属冶炼工程铜基地及腹地内的建材轻工。原材料及销售地大部分在长江流域各省、市地区,利用水运的条件十分优越。

流域梯级开发后,将建成一条长340km通航千吨级驳船的航道和另一条长50km通航300吨级驳船的航道,并与长江、淮河水系相互贯通形成一个江河直达的上游水路运输网。同时也为沿江各县市扩大直流灌溉创造有利条件。对促进沿河地区的工农业发展具有重要的作用,社会和经济效益十分显著。

本工程以航运为主体,兼任泄洪、发电、灌溉、供水和适应战备需要的综合开发工程。

本次毕业设计主要对枢纽总体布置方案进行定性的论证和对枢纽中的泄水闸进行全面的结构选型设计。

1.2 设计依据

1、函江枢纽毕业设计任务书;

2、《水闸设计规范》SL265—2001;

3、《水力计算手册》(武汉水利电力学院水力学教研室编)

4、《水工设计手册》第6册过坝与泄水建筑物;

5、《水工钢筋混凝土设计手册》1999年;

6、《水利水电钢闸门设计规范》DL/T 5039-95;

7、《水利水电工程初步设计报告编制规程》(DL5021-93)

1.3 毕业设计成果(泄水闸)

1.3.1枢纽总体布置

根据《水闸设计规范》SL265-2001第4.1.6条规定:水闸枢纽中的船闸、泵站或水电站宜靠岸布置,但船闸不宜与泵站或水电站布置在同一岸侧,船闸、泵站或水电站与水闸的相对位置,应能保证满足水闸通畅泄水及各建筑物安全运行的要求。因此,本设计在枢纽布置时,将泄水闸布置在河床中间,船闸布置在左岸,水电站布置在右岸。其中:

泄水闸每孔净宽10m,共35孔,高12m,直升式平板钢闸门控制,闭闸时拦截江流,稳定上游水位,开闸时泄水,排沙防淤。设计流量9540m3/s,校核流量12350m3/s。

船闸1座,闸室有效长度为135m,净宽12m,槛上水深2.5m,闸室顶高程24.0m,底高程10.5m。闸上公路桥设在上闸首的上游端。

水电站厂房宽15m顺流向,长36.2m。厂房地面高程24.5m,水轮机安装高程10.5m。水电站设计水头3.5m,最高水头7.0m,最大引用流量225m3/s,总装机3×2200KW。站上公路桥设在厂房的上游端。

具体布置见附图一:总平面布置图。

1.3.2 水闸设计

1、水闸水力设计

1、堰型、堰顶高程

闸孔采用结构简单、施工方便的无坎平底宽顶堰(平底水闸属无坎宽顶堰)。

拟定闸底板顶高程为13.0m。

2、水闸总宽度

闸室总宽度:10×35+36×1.6407.6m。

2、水闸消能防冲设计

1、消力池

消力池采用钢筋砼结构,深1.45m,消力池长L20.8m,厚度0.8m。

2、海漫海漫长度L40m,海漫水平段长15m,采用60cm厚钢筋混凝土浇筑,斜坡段长25m,1:10放坡,采用60cm厚浆砌块石砌筑。

3、防冲槽防冲槽采用梯形断面,槽深2.5m,槽底宽10m,上游设C20钢筋砼齿槽,厚50cm,下游坡比为1:2.0,单宽体积为37.5m2,冲刷坑采用抛石合金钢网石兜抛石处理。

3、闸室布置

1、闸室结构

闸室采用开敞式布置,钢筋砼U型结构,闸门选择直升式平板钢闸门,液压启闭,闸上布置净7m交通桥,两侧人行道2×1.0m,总宽9.0m、宽4m工作桥和启闭房,启闭房宽11.0m,底板长度取20m。

底板采用整体式,二孔一分缝,最中间一孔,底板长度为20m,顶高程为13.0m,闸底板厚1.5m 。

闸墩长度采用与底板同长20m,。检修门槽深25cm,宽30m;工作门槽深40cm,宽60cm。闸墩上下游端部均采用半圆形墩头。闸墩顶高程为25.0m。闸墩厚度受控于闸门槽处最小厚度为50cm,中墩厚度取1.6m,缝墩厚度为2×0.8m,边墩厚度为1.6m。

公路桥布置在闸门上游侧,公路桥载重按汽-20设计,挂100校核,双车道桥面净宽7.0m,两侧人行道1×1.0m,总宽9.0m。公路桥采用T型结构,梁底高程

为25.0m,梁高1.0m,梁腹宽 0.2m,梁翼宽1.6m,用5根组梁组成,两侧人行道为悬壁式。

2、上下游翼墙

上游连接采用扶壁式翼墙,圆弧连接,半径为20m,下游翼墙采用扶壁式八字型翼墙加圆弧型翼墙连接,扩散角为8°,圆弧半径为20m。上游翼墙顶标高为25.0m,下游翼墙顶标高为25.0m。

4、闸基防渗排水设计

由于本工程闸址地基主要由砂砾卵石层组成,为强透水土质,故在采用水平防渗措施的同时还必须采取垂直防渗措施。

铺盖采用C25钢筋砼结构,长20m。铺盖与闸底板之间设水平止水。

在消力池水平段前端与闸底板连接处设置水平止水;消力池末端依次铺设碎石垫层和无纺土工布反滤,排水孔孔径15cm,间距1.5m,呈梅花形布置,顺水流方向长度为7.5m。

5、闸门及启闭机设计

1、闸门

根据门顶高程及闸底标高,确定平面钢闸门高为7m,闸门净宽10m,毛宽10.6m。

2、启闭机

启闭机型号:QPQ2×300

6、闸室稳定计算

1、闸室整体稳定

水闸整体稳定分别对完建期、正常运用期及非常运用期三种工况进行闸

室的偏心距、基底应力、基底应力的不均匀系数及沿闸室底面的抗滑稳定系数计算,均满足规范要求。

2、闸室沉降计算

经分析,本次不必计算闸室的沉降量。

7、闸底板配筋

经计算,面、底层钢筋均按Φ25@200配置。

8、两岸连接建筑物设计

采用扶壁式挡土墙,上游翼墙顶高程25.00m,底高程12.00m。下游翼墙顶高程25.00m,底高程10.55~12.00m。上游挡墙高13.0m,挡墙壁厚1.0m,墙身垂直,墙身高12m,墙底板厚 1.0m。下游挡墙高13~14.45m,挡墙壁厚 1.0m,墙身高度12~13.45m,底板厚度1.0 m。翼墙两侧设置1.0×1.0m腋角,两侧悬挑4m,底板总宽11m。上游翼墙长30m,下游翼墙长36.8m。翼墙采用C25钢筋砼浇筑。

上游护坡,顶高程为25.0m,底高程13.0m,采用坡比为1:3,40cm厚浆砌块石护坡。

下游护坡,顶高程为25.0m,底高程13.0m,采用坡比为1:3,40cm厚浆砌块石护坡。

9、水闸特性表

综上所述,水闸特性表如下:

水闸特性表

基

础

资

料设计依据工程级别Ⅲ等工程建筑物级别主要建筑物3级

次要建筑物4级

临时建筑物5级

设计洪水P2%

校核洪水P0.33%

水文条件正常水位19.00

灌溉水位19.50

设计流量9540m3/s

设计洪水位23.40m

校核流量12350m3/s

校核水位23.80m

主

要

建

筑

物水闸闸室净宽10×35m

总宽407.6m

闸底板长20m,厚1.5m

闸室底高程13.0

闸室顶高程25.0

闸墩中墩厚1.6m

缝墩厚2×0.8m

边墩厚1.6m

顶高程为25.0

工作桥4.5m

交通桥7m+1×2m

闸门板钢,净宽10m,高7m

上下游

连接段上游护底厚60cm,L10m

铺盖厚60cm,L20m

消力池d1.45m,L15m

海漫厚60cm,L40m

防冲槽深2.5m,底宽10m

上游翼墙圆弧连接,顶高25.0m

下游翼墙八字型,顶高25.0m

上游护坡底高13.0m,顶高25.0m

下游护坡底高13.0m,顶高25.0m

2 水文

2.1 流域概况

函江位于我国华东地区。流向自东向西北,全长375km,流域面积176 万km2,是鄱阳湖水系的重要支流,也是长江水系水路运输网的组成部分。该流域气候温和,水量充沛,水面平缓,含砂量小。

2.2 气象

本流域属亚热带季风气候区,温暖湿润,四季分明,雨水充沛。洪水期多年平均最大风速为20.7m/s。

2.3 洪水

经计算,各设计频率洪水流量及相应坝下水位见表2-1。

洪峰流量及相应坝下水位表

表2-1设计频率(%) 0.33 2 20

洪峰流量Q(m3/s) 12350 9540 5730

坝下水位H下(m) 23.80 23.40 22.25

水位流量关系曲线见表2-2。

水位~流量关系

表2-2

水位(m) 流量(m3/s) 水位(m) 流量(m3/s)

14 50 20 3200

15 300 21 4140

16 650 22 5340

17 1200 23 7700

18 1800 24 13800

19 2480

3 工程地形、地质

3.1 闸址地形

闸址左岸与一座山头相接,山体顺水流方向长700米,垂直水流方向长2000米,山顶主峰标高110米,靠岸边山顶标高65米;山体周围是河漫滩冲击平原,滩面标高18.5~20.0米;沿河两岸筑有防洪大堤,堤顶宽4米,堤顶标高24.5米;闸址处河宽700米,主河槽宽500米,深泓区偏右,河床底标高13.0~13.0米,右岸滩地标高18.5米。

3.2 闸址地质

闸址河床土质,主要由砂砾卵石层组成,表层为中细砂层,层厚2~5米,左厚右薄并逐渐消失;河床中层主要是砂砾卵石层,卵石含量30%~50%,粒径2~13厘米,层厚10~20米,属于强透水层,渗透系数K1.84×10-1~5×10-2(cm/s),允许坡降J0.15~0.25;河床底层为基岩,埋深标高从左标高10米向右标高15米以下,其岩性为上古生界二迭长兴阶灰岩及硅质岩。

河床土质资料如下:

中砂:Dr=0.6,E0310kg/cm2,N63.520;

砂砾石:Dr=0.66,E0360kg/cm2;

3.3 当地建筑材料

块石料:在闸址左岸的山头上有符合质量要求的块石料场,其储量50万立方米,平均运距1.0公里。

砂砾料:闸址上、下游均有宽阔的冲积台地,有大量的砂、砾料,可满足混凝土的粗、细骨料之用,运距3~5公里,且水运极为便利。

土料:闸址上游约2公里有刘家、八圩土料场,储量丰富,符合均质土坝质量要求,还有可作为土坝防渗体的粘性土,其质地良好。

3.4 地震烈度

根据中国地震烈度区划图,本地区地震基本烈度为Ⅵ度,不考虑地震设防。

4 工程布置及建筑物

4.1 设计依据

4.1.1 工程等级及建筑物级别

函江枢纽的主要建筑物有船闸、泄水闸和水电站三部分组成。船闸的通航能力,按照五级航道标准进行设计。水电站总装机为6600Kw,设计水头为3.5m,水闸的泄洪能力为13000m3/s。

根据《毕业设计任务书》,本工程为三等工程,主要建筑物按3级建筑物设计,次要建筑物按4级建筑物设计。

根据《毕业设计任务书》,泄水闸的设计洪水标准为50年一遇,校核洪水标准为300年一遇,最大通航洪水标准为5年一遇。

4.1.2 设计基本资料

一、水位

正常蓄水位:19.0m

灌溉水位:19.5m

设计洪水Q2%9540m3/s,相应闸下水位H下23.4m

校核洪水Q0.33%9540m3/s,相应闸下水位H下23.8m

二、计算水位组合

1、闸孔净宽计算水位

设计洪水Q2%9540m3/s,相应闸下水位H下23.4m;

设计水位差△H=0.25m(H上=23.65m);

校核洪水Q0.33%9540m3/s,相应闸下水位H下23.8m;

计算闸上雍高水位H上(供墩顶高程用);

2、消能计算水位

闸上水位H上=19.5m;

闸下水位H下=14.5m;

下泄流量:以闸门开启度e=0.5m、e=1.0m以及全开时的泄量。

3、闸室稳定计算水位(关门)

闸上设计水位H上=19.5m,H下=14.5m;

闸上校核水位H上=20.0m,H下=14.5m;

三、地震设防烈度

本地区地震基本烈度为Ⅵ度,不考虑地震设防。

四、安全系数

1、安全超高

水闸为3级混凝土建筑物,根据《水闸设计规范》(SL 265—2001)安全超高下限值:

泄洪时 0.7m设计洪水位,0.5m校核洪水位;

关门时 0.4m设计洪水位,0.3m校核洪水位。

2、抗滑稳定安全系数

土基上的3级混凝土建筑物,基本组合(设计)为1.25;特殊组合(核校)为1.1。

五、其它资料

1、单孔净宽:8~12m;

2、门型结构:平面钢闸门;

3、闸门类型:直升门;

4、底板与中砂的摩擦系数f=0.4;

5、闸孔的允许单宽流量q=30m3/s/m;

六、公路桥

公路桥载重按汽-20设计,挂-100校核,双车道桥面净宽7.0m,两侧人行道2×1.0m,总宽9.0m,采用T型结构。梁高1.0m,梁腹宽0.2m,梁翼宽1.60m,用5根组梁组成,两侧人行道为悬臂式,每米延长重量按8T/m计。

4.2 工程总体布置

函江枢纽的主要建筑物有船闸、泄水闸和水电站三部分组成。船闸的通航能力,按照五级航道标准进行设计。水电站总装机为6600Kw,设计水头为3.5m,水闸的泄洪能力为13000m3/s。根据设计任务书提供的地形地质资料,以及功能要求,枢纽总体布置如下:

4.2.1 船闸的布置

船闸的通航能力,按照五级航道标准进行设计。

船闸布置在函江的左岸,船闸本身由三部分组成:上游引航道、闸室和下游引航道。

上游引航道:长度不小于5倍设计船队的长度,根据经验五级航道标准的设计船队的长度为91m,故上游引航道的长度为455m,设计时取为500m;上游引航道的底宽度为35m,两岸采用浆砌石护坡,边坡采用1:2.5;上游引航道的底高程为15.0m。

下游引航道:长度不小于5倍设计船队的长度,根据经验五级航道标准的设计船队的长度为91m,故下游引航道的长度为455m,设计时取为600m;下游引航道的底宽度为35m,两岸采用浆砌石护坡,边坡采用1:2.5;下游引航道的底高程为11.0m。

闸室:闸室的长度为135m,宽度为12.0m;闸室的顶高程为24.0m,底高程为10.50m。上下闸首控制船只的进出。

4.2.2 水电站的布置

考虑河床的主槽比较靠近右岸,上下游不容易发生淤积,为最大的可能提高水电站的出力,发挥水电站的效益,将水电站布置在函江的右岸。

水电站的厂房的平面尺寸:主厂房的长度为48.0米,上下游方向的宽度为36.20米,主厂房总高度为32.0米。

水轮机的型号为:GEF02-WP-380

发电机的型号为:SFG200-70/3960

总装机:3×2200KW

设计水头:3.5m

最高水头:7.0m

最小水头:2.0m

最大引用流量225m3/s。

4.2.3 泄水闸的布置

泄水闸布置在水电站和船闸之间。

泄水闸主要有三部分组成:上游连接段、闸室段和下游连接段。

4.3 主要建筑物(泄水闸)

4.3.1闸孔设计

水闸闸孔设计主要是确定闸孔型式、尺寸河设置高程,以保证水闸在设计水位组合情况下有足够的过流能力。

一、堰型和堰顶高程确定

根据设计任务书提供的资料显示,函江流域水面平缓,含砂量少,本水闸的主要功能为挡水灌溉和泄水,故本次设计采用堰流式闸室,堰型采用无槛宽顶堰。这种型式闸室对于泄洪较为有利,它能使闸前漂浮物随着水流下泄,而不会阻塞闸孔而影响泄洪。

根据资料提供的地形图,考虑水闸的运行、河道冲刷淤积以及闸孔允许单宽流量和工程造价等因素,本次设计取堰顶高程与河床底高程齐平为13.0m。

二、闸孔净宽计算、泄流能力校核

1、水位

Q2%=9540m3/s,H上=23.65m,H下=23.40m;

Q0.33%=12350m3/s,H上=待算,H下=23.80m;

2、闸孔净宽计算

闸孔总净宽的确定,主要涉及两个问题:一个是过闸单宽流量的大小;另一个是闸室总宽度与河道总宽度的关系。如果采用的闸孔总净宽过小,使过闸单宽流量过大,将增加闸下游消能布置的困难,甚至影响水闸工程的安全;反之,如果采用的闸孔总净宽过大,使过闸单宽流量过小,工程量加大,造成浪费。

根据设计任务要求,闸孔允许单宽流量不大于30m3/s,初步拟定闸孔总净宽为0.7倍主河槽宽为350m,闸孔分成35孔,每孔宽10m,中墩厚1.6m,缝墩厚0.8m。

水闸底板为无槛宽顶堰,闸孔泄流能力计算公式如下:

《水闸设计规范》以下简称《规范》附A)

式中:

Q??过闸流量(m3/s);

σ??淹没系数,根据上下游的堰上水深查得;

ε??侧收缩系数;

m??流量系数;

B0??闸孔总净宽(m); H0??堰顶以上上游总水头(m)。

①堰上总水头H0

H1(上游水头)23.65-13.0010.65m

Hs(下游水头)23.40-13.0010.40m

行近流速V0Q/A9540/[700×23.65-13.00]=1.28m/s

H0H1+V2/2g10.65+1.282/2×9.8110.73m

②淹没系数σ

hs/H010.4/10.730.969

查《规范》附表A.0.1-2,

得σ=0.556;

③流量系数m

按P/H00查表得m=0.385;

④侧收缩系数ε

水闸中墩厚度取为1.6m,缝墩取0.8m,根据《规范》附录A.0.1-3公式计算得ε0.860

根据以上公式可以试算出闸孔总净宽

9540/0.556×0.860×0.385×4.429×10.733/2333m

一般来说,采用的闸孔总净宽要略大于计算值,本次设计闸孔总净宽取350m,相应单宽流量为27.26m3/s/m,小于闸孔允许单宽流量30 m3/s/m,满足要求。

但校核工况下,水闸单宽流量为35.28m3/s/m,大于闸孔允许单宽流量[q]30m3/s/m,若本次设计水闸总净宽以校核工况下通过闸室的单宽流量为控制,水闸规模将偏大,工程量加大,与消能工造价比较而言,会造成浪费。校核工况稍大于允许单宽流量,可能会出现局部破坏,但只要工程消能防冲设施得当,个人认为是能满足工程安全运行要求。

因此,经综合考虑本次设计水闸总净宽取350m,闸孔总数为35孔,单孔净宽为10m。根据规范的要求,中墩厚取 1.6m,缝墩厚取0.8m。因此水闸总宽度为:B350+36×1.6407.6m

3、校核工况上游水位

根据水闸泄流能力计算公式,可以试算出校核情况下的上游水位。

设△H=0.3m,则H上=23.80+0.3=24.1m;

hs23.80-13.0010.80m;

行近流速V0Q/A12350/[700×24.10-13.00]=1.59m/s;

H0H+V2/2g24.1-13.0+1.592/2×9.8111.23m;

hs/H010.80/11.230.9617,查《规范》附表A.0.1-2得σ=0.600;

按P/H00查表2.1得m=0.385;

ε=0.860;

Q试=Bσεm2g0.5?H3/2

350×0.600×0.860×0.385×2×9.810.5×11.233/2

11589m3/s Q0.33%=12350m3/s; 假设不符,重新假设试算。

经试算,当△H=0.40m时,Q试≈Q0.33%=12350m3/s。

相应上游洪水位H上24.20m。

4.3.2 消能防冲设计

消能防冲设计主要包括消能防冲设备形式的选择、以及各种消能设施尺寸设计和上下游两岸护坡的设计。本工程消能形式采用消力池消能,消力池后布置一定长度的海漫,海漫末端设置柔性防冲槽。

一、消力池尺寸拟定

1、消能水力计算

消能计算水位:H上=19.5m,H下=14.5m;

1)单宽流量计算

a.e0.5m

e/H0.5/6.50.0770.65,为孔口出流。

根据上、下游水位可假定为自由出流。

根据孔流公式:qμ0e2gH01/2

其中μ=0.60-0.176e/H (《水计算手册》3-3-6水利出版社) =0.60-0.176×0.5/6.50.586;

因孔流状态e很小,行近流速V0较小,在计算时可不计入,即H0≈H,因此,qμ0e2gH1/2=0.586×0.5×2×9.81×6.51/2

=3.31m3/s/m;

b.e=1.0m

e/H1.0/6.50.1540.65,为孔口出流。

根据上、下游水位可假定为自由出流。

μ0=0.60-0.176e/H =0.60-0.176×1.0/6.50.573;

qμ0e2gH1/2

=0.573×1.0×2×9.81×6.51/2

=6.47m3/s/m;

c.闸门全开

出流情况属堰流。

q=σ?ε?m?2g0.5?H3/2

=1.0×0.86×0.385×2×9.811/2×6.53/2

=24.30m3/s/m;

2)判别下游水流衔接形式

经计算当水闸闸孔全开时,闸后将发生淹没式水跃,无需建消力池;从运行角度来讲,泄水时只开启1孔闸门也是不符实际的。经分析比较,结合水闸运行特点,本次设计考虑水闸1/7闸孔开启作为本次设计工况。

由上述计算结果,判别水闸开启1/7闸孔(开5扇闸门)时下游水流衔接形式。

当e0.5m时

3.312/9.811/31.04m

用试算法计算收缩水深hc,试算公式如下:

6.5 《水力学教材》11-3 经试算hc0.30m 将该值代入水跃方程

可得

2.58m

查H下~Q曲线,H下=16.9m,ht3.9m;

同理,可算出当q6.47、24.30m3/s/m时,相应的hc”、hk,计算结果列入

下表: 从表中可以看出,当上游水位为19.50m、水闸开启1/7孔时,闸门开度

e0.5m、1.0m以及全开时,hc”ht,说明都发生远离式水跃衔接,故需修建消力池。

当q6.47m3/s/m时,h”-ht值最大。因此,应按该流量设计消力池。

2、消力池深度计算

e=1.0m,q=6.47m3/s/m,hc0.60m,hc”3.48m,ht2.07m;

按近似公式估算池深d,即

dσhc”-ht1.05×3.48-2.071.58m

设d=1.58m,则上游总水头为

T0‘6.5+1.588.08m;

由公式8.08试算

求得hc0.53m;

hc”1+8αq2/qhC31/2-1 hC/2 水跃方程 1+8×6.472/9.81×

0.5331/2-1×1.62/2

3.75m; 消力池的流速系数ψ’0.95,则池中水流得水面降落ΔZ为

ΔZq2[1/ψ’ht2?1/σht”2]/2g 《水力学教材》11-11 6.472/[1/0.95×2.072?1/1.05×3.482]/2/9.81 0.414m 将该值代入公式

dσhc”-(ht+ΔZ) 《水力学教材》11-9

1.05×3.69-

2.07+0.4141.455m

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