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坝坡稳定性研究初探

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张老师 发表于 2019-6-18 18:15:26 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
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张老师
2019-6-18 18:15:26 185 0 看楼主
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题    目:    坝坡稳定性研究初探   
* r7 Q- B* }5 O6 j内容摘要* @7 m0 v& o* ?6 j  I. L
坝坡稳定是水利工程中很受关注问题,坝坡失稳造成的滑坡运动不仅引起局部环境破坏,还危害和威胁人民生命财产的安全及经济建设的发展。本文论文主要对坝坡稳定的破坏原因、形式及防治的措施进行研究。首先针对坝坡稳定破坏进行调查,简单介绍滑坡危害,对坝坡稳定研究进行概述,分析坝坡失稳的原因并提出相应的防治措施。结合云阳寨坝滑坡实例,进行具体的原因分析,并针对存在问题提出相关的改进建议和防治措施。- W6 ~, {+ c& t8 _
关键词:坝坡;稳定;破坏原因;防治措施. r% z& m3 Q; N% a6 ~6 G& P6 R
目     录9 l0 N7 x8 E6 n1 a/ a8 M
内容摘要        I5 `' k) W; _) H/ h
引    言        1% p* Q9 r( L; @4 [
1  坝坡稳定性概述        1
* E, X  Z/ o8 W0 _1.1  坝坡失稳的调查        1
( L  n1 N8 ?8 [6 `1.2  滑坡的危害        1
0 ]/ D5 H: L6 E) p+ t2 S+ X, }! h4 c1.3  研究课题的提出        1* D/ g1 J: @! X& Z  W, i
2  滑坡的原因分析        3% Z0 x+ i7 b4 |# l  G
2.1  滑坡的分类        3
$ [; F' l, l) x8 V2 V8 P2.2  地质原因引起滑坡        3" G$ A3 d, B* T/ q% I/ i; L" D
2.3  降雨引起滑坡        4
7 R/ O: O& F0 m# A2.4  地震诱发滑坡        4
. {$ f6 V- [  y2.5  运行管理方面的原因        5! r/ e2 y5 T5 T" [5 n7 I7 p( k0 i
3 坝体滑坡的监测与分析判断        6$ c0 Y# b1 z, ^6 x
3.1  滑坡的监测        68 x8 [1 i9 @+ @1 s$ O3 M
3.2  滑坡的分析与判断        6
# M* {' Q. f8 H  t8 c/ Q4  坝坡失稳的防治        7
" `3 ~" E0 S5 }( k0 H4.1  消除和减轻水的灾害        78 d; A3 h; D# y4 U
4.2  改变滑坡体的外形        7/ ]8 f6 I) x5 A; v5 b, E# ~# i& N
4.3  改善滑动带的土石性质        7* X% n& x2 f- F/ t
4.4  其他措施        7
" F4 I7 {/ v# Y, D( C0 l# t% z  h  I4.5  边坡稳定性分析        8# g' r, r! K* o7 K' A' w* P
4.5.1  确定性分析方法        83 n. J, `' Y3 d( [  }
4.5.2  不确定性分析方法        9+ e$ @# G' \  Z, E' O1 H- S0 P+ @; L
4.6  边坡加固技术分析        10% e' a* Y9 [0 }5 H3 o# h; s& {% t
4.6.1  边坡种草防护        119 f, [! z0 ?4 l' ^( Q1 _3 _5 S' w
4.6.2  混凝土抗滑桩        11
+ z) F# {6 o6 E+ G9 Z4.6.3  混凝土挡墙        11
, h, a6 `) m# I5 f5 F& a4.6.4  喷浆或喷锚        11# S& r+ m/ e" s" h# ]- O
4.6.5  浆砌片石护墙        120 r1 v! b. }; ~# O3 X2 ^
5  寨坝滑坡坝坡稳定案例分析        13# j7 k/ S0 ~* s8 X( |) p$ e4 y( U
5.1  云阳寨坝滑坡稳定性分析        13
6 _: I  E, L* h5.2  滑坡的成因及形成机制分析        133 i# X) m. t8 A1 X5 W1 Z
5.3  稳定性验算及评价        145 c" y* @3 T" I
5.3.1  稳定计算方法及原理        14
2 H+ _1 F6 G" r+ L) i# a5.3.2  稳定计算工况        15
3 d# l8 L" _6 p  @! ?5.3.3  研究结果        156 x! U9 s2 W! ?2 ?4 T) i1 Q6 G( Y( u8 P
5.3.4  大坝上游坡坡脚挡墙稳定计算        15: m& z: T" v( `& }; J! ^
5.4  建议处理措施        162 R, D1 G0 @4 s  D# z$ l( A
结    论        18
8 q% f* I: _" q/ r& U9 r$ I4 d8 c参考文献        19
) B  T9 D/ ~, A4 p  }; n8 N. T' A引    言
# R, {' _3 B( t* j+ b作为坝坡失稳的重要原因,滑坡是否产生则取决于抗滑力与下滑力的大小关系。对于弧面滑面,1915年瑞典人Petterson曾用阻抗潜滑体绕滑弧圆心旋滑的力矩与滑体重量驱动旋滑的力矩之比来描述所论潜滑体的安全系数。1963年瑞典人Fellenius首次提出用条分法来考虑滑面上的应力分布的问题,随后,又有了简化Bishop法、Jaubu法和Sarma法,即使用诺谟图确定临界滑面。国内长沙矿冶研究院熊传治推导了Mohr—Coulomb破坏准则的安全系数普通表达式,并用优化方法解决了平面或圆弧滑面的确定方法;陈祖煜、邵长华基于改进摩根顿一普赖斯方法采用单纯形法、负梯度法和DPF法来确定滑面最优形状。$ @% q# M+ G: J
本文通过对坝坡稳定性的概述,归纳总结了滑坡的原因,同时通过对大坝坝坡稳定监测和滑坡防治的分析研究,最后结合具体案例找出了应对一般坝坡失稳的基本解决思路。9 C( x- u& I& Z5 G
对坝进行稳定分析,通过计算分析求得稳定安全系数,对大坝进行安全评价,从而提出合理的防险加固措施,使大坝更好地运行,发挥其经济效益和社会效益。坝坡的稳定分析不仅可为工程施工提供科学的理论依据,而且对坝坡加固和滑坡的预测预报也具有重要的指导作用。/ D9 i8 `  d) Z7 q! z
1  坝坡稳定性概述
- K/ A. X1 q' h# s  T  P6 e1.1  坝坡失稳的调查5 R- L% }4 w" F; O8 n7 j. N
坝坡失稳是指一定体积的边坡地质体,在荷载作用下失稳,沿着坡体内部一个或多个软弱面带发生的具有一定规模的顺坡下滑现象,多发生在山区、河流沿岸、暴雨区、蓄水区等。水利水电工程边坡、水库岸坡、河道岸坡、道路边坡等每年都会发生一些滑坡事故,甚至造成重大灾难。滑坡运动不仅造成局部环境破坏,而且还危害与威胁人民生命财产的安全及经济建设的发展。5 w# w: D! g3 w, ^0 A
统计资料显示,全球的滑坡灾害与人类活动密切相关,并且呈数量越来越多、规模越来越大、影响越来越广、经济损失越来越严重的趋势。近20年来,仅意大利、日本、美国、俄罗斯、印度、中国、捷克、奥地利、瑞士等国,各国每年因滑坡灾害所造成的经济损失,平均达15亿—20亿美元,总和平均每年达120亿—160亿美元。人类在利用自然和改造自然的过程中,遇到的滑坡问题越来越多,滑坡灾害的影响范围和程度日趋增大,滑坡灾害及其防治工程的分析研究也日益引起普遍关注。
( Y1 c9 G& ~2 e1.2  滑坡的危害# }( R  ?  }* Y3 V
坝坡的失稳将会产生滑坡,滑坡这类地质灾害的发生将给人民生命财产、工程设施、对地质、环境等方面都产生较大的危害。  R* \6 {+ e# Q. K* |, U
(1)对人民生命财产的危害:规模较大的滑坡可摧毁城镇,砸毁建筑物,造成人畜伤亡。
2 T6 T* L4 s, c(2)公共设施:滑坡可毁坏大坝、水电站、厂房,冲毁渠道和溢流设施等;滑坡是导致溃坝的主要原因,使大坝存在溃坝危险,对下游农田等造成毁坏;对道路交通产生较多不利影响;由于特殊的地形地貌,河流沿岸特别是峡谷地段多为滑坡灾害易发生段,滑坡发生后易阻塞河道,在较大程度地阻碍了航运的开展,甚至形成天然水库,形成洪水灾害。5 K% Q. `& ^& Z+ g
(3)人民生活:滑坡的产生导致下游生活区供水供电受到影响,交通的破坏也影了救援的开展和物资的输入,严重影响了人民生活的正常开展。
( }' ^, I8 t0 G/ ]9 \(4)对环境的危害:滑坡使植被遭到破坏,地表涵养水分能力减弱,水土流失增强,导致当地地质环境、生态环境进一步恶化,更加速了滑坡地质灾害的形成与发展。
* ^! a( I# [, G* G. z1.3  研究课题的提出
1 W7 r: t0 u7 x& h& _; v& X' f, v随着国民经济的不断发展,水利工程建设项目逐渐增多,但大坝建设质量参差不齐,设计施工标准不一。坝坡由于各内在与外在因素常发生跨塌的事故,造成经济损失和人员伤亡。坝坡稳定问题由于其作用因素及运动机理的多变性和复杂性,预测比较困难,一直是世界各国研究的重要地质和工程问题之一。
- L8 v+ U8 C# H. P- R" v5 ]- G2  滑坡的原因分析  l5 e* R  J1 @; H" V: i& N
2.1  滑坡的分类: D- G; F+ L) \; @
坝坡失稳造成滑坡,由于滑坡的危害较大,为深入分析滑坡的原因,主要从坝坡失稳的形式来分类。/ x% p; _! t# ?; \0 q
(1)剪切破坏导致的滑坡
0 v/ r, ^6 ~% h* F% Y- v当坝体与坝基土层是高塑性以外的粘性土,或粉砂以外的非粘性土时,土坝滑坡多属剪切破坏。破坏的原因是由于滑动体的滑动力超过了滑动面上的抗滑力所致,滑坡体移动的距离可有数米到数十米不等,直到滑动力和抗滑力经过调整达到新的平衡以后,滑动才停止。9 z: ^) J2 l, Y
(2)塑性破坏导致的滑坡( l6 {$ G' Q0 q' W; K5 z  `
坝坡产生显着塑性流动现象时,称为塑性破坏型滑坡。滑坡土体的蠕动一般进行十分缓慢,发展过程较长,较易觉察。但是当高塑性土的含水量高于塑限而接近流限时,或土体几乎达到饱和状态又不能很快排水固结时,塑性流动便会出现较快的速度,危害性较大。水中填土坝在施工期由于水不能很快排泄,坝坡也会出现连续的位移和变形,以致发展成滑坡。
( N+ |6 t' C6 @7 x9 u0 v. |" ]# y(3)液化破坏导致的滑坡- w1 d  {$ r" e
当坝体或坝基土层是均匀中细砂或粉砂,水库蓄水之后,坝体在饱和状态下突然经受强烈的震动时,砂的体积有急剧收缩的趋势,坝体中的水分无法析出,使砂粒处于悬浮状态,从而向坝趾方向急速流泻,产生滑坡。
. ^( \& |( R9 [$ R$ m) N2.2  地质原因引起滑坡
9 }8 x$ |- T6 V  z# A: f# y岩土体是产生滑坡的物质基础。一般说,各类岩、土都有可能构成滑坡体,其中结构松散,抗剪强度和抗风化能力较低,在水的作用下其性质能发生变化的岩、土,如松散覆盖层、黄土、红粘土、页岩、泥岩、煤系地层、凝灰岩、片岩、板岩、千枚岩等及软硬相间的岩层所构成的斜坡易发生滑坡。
4 w8 w$ `5 F- E8 L组成斜坡的岩、土体只有被各种构造面切割分离成不连续状态时,才有可能向下滑动的条件。同时、构造面又为降雨等水流进入斜坡提供了通道。故各种节理、裂隙、层面、断层发育的斜坡、特别是当平行和垂直斜坡的陡倾角构造面及顺坡缓倾的构造面发育时,最易发生滑坡。大断层带附近修建土石坝则极有可能发生滑坡体,大断层带附近岩层往往破碎,有利于地下水的浮动和滑坡产生。断层交错部位,则常有大型滑坡或滑坡群分布,断层上部,滑坡产生的几率更大。在倒转褶皱的轴部,由于岩层十分破碎,破碎岩石与堆积土集中分布,也易产生滑坡。
0 Q5 `3 p9 ~; a* y% Y* F3 w各种软弱结构面上陡下缓的组合是产生滑坡的重要条件 ,各种不同成因的结构面,包括不同风化程度的岩体接触面,在其因各种原因被切割,而暴露了该软弱面时,就极容易产生滑坡。
6 m% A6 Z/ L; o! y地下水活动在滑坡形成中起着主要作用。它的作用主要表现在:软化岩、土,降低岩、土体的强度,产生动水压力和孔隙水压力,潜蚀岩、土,增大岩、土容重,对透水岩层产生浮托力等。尤其是对滑面的软化作用和降低强度的作用最突出。
- l; \7 G' f1 V2.3  降雨引起滑坡
7 n! a: s: f  o: g6 y" }大量的雨水使土颗粒表面的水膜加厚,土颗粒之间的距离被拉远。边坡失稳与土的抗剪强度有关。边坡土受到剪应力作用后易发生剪切变形,随着剪切变形的不断发展,剪应力大于边坡土的抗剪强度,致使土体的塑性变形区扩展成一个连续的滑动面,土体之间产生连续滑动,使得土体发生剪切破坏,也就是边坡失稳。降雨入渗引起非饱和土的基质吸力减小,土颗粒间胶结软化,吸附凝聚力减小。同时,降雨强度愈均匀,持续时间愈长,边坡稳定性安全系数愈低。
. @5 v6 z2 q- ?. v首先,降雨入渗对非饱和膨胀土边坡的直接影响使得边坡土体中(特别是浅层土)基质吸力降低从而导致土体抗剪强度降低。基质吸力的降低将使得原来非饱和土层在竖向发生膨胀,如果土体随膨胀而发生软化,会导致土体抗剪强度降低。其次,在侧向力约束条件下,非饱和膨胀土吸水(或基质吸力降低)后的膨胀趋势就以膨胀力的形式表现出来,膨胀力的形成将导致边坡土体中水平应力增加。降雨入渗后,局部土体有可能产生破裂面,并可能最后发展成为膨胀土中常见的渐进式滑坡。由此可见,降雨入渗引起的膨胀土体基质吸力降低和内应力比的增加是降雨触发边坡失稳的重要原因。/ F' X$ ]. F7 D  F& q
降雨时如大坝排水系统未设置获知遇到大暴雨,强度大,时间长,排水不及时的情况,会使土石坝坡土含水量达到饱和,增加坝体的土体重量,形成反向渗透压力,降低抗滑力,加大土体滑动力,也将会形成滑坡。
+ N* c) V# p% s9 L$ }/ ?2.4  地震诱发滑坡
' i0 _& A5 O/ }2 N+ C, x强地震作用下的边坡稳定性是一直国内外工程界和学术界共同关注的重大课题。地震诱发的滑坡和坍塌往往分布广、数量多、危害大,国内外曾发生大量因地震造成的边坡失稳事例,2008 年的“5.12”汶川特大地震,触发不同规模的滑坡数万起,具有危害的6000 余起,形成近百个堰塞湖,导致大量人员伤亡和财产损失。
& @0 M/ t" X% @# V- [  ]1 g( m地震是一种强烈的底层活动,大地震动的地震最直观和普遍的现象。水坝发生地震时,由于地震惯性力突然增加,水库大坝在坝体结构本身和库水的动水压力的作用下,大坝坝体将会发生变形,并可能造成坝体的错动和滑动,产生滑坡破坏。我国土石坝因地震滑坡的,据初步统计共有10座,多发生在上游坝坡,但未引起垮坝失事。经分析这些土石坝滑坡,多数是坝体无粘性土受地震振动力产生液化而引起的。8 u6 J6 {6 Z' r+ e; X
2.5  运行管理方面的原因
; p( E  ]' H, q  [1 b/ Z7 Z7 \) q  q, f大坝运行过程中,由于蓄水、库水位变化、排水等电站运行调度时都可能引起滑坡。
2 Y3 Y2 a/ v. j( L1 g+ V  |) e(1)库水位骤降造成滑坡。在水库放水时,库水位下降过快,容易造成滑坡。
. p# Q6 d2 _/ i/ [" W(2)蓄水后,随着水位的升高,坝体内浸润线回更高,水库的水位剧降或者连续降雨的雨水侵入坝体,但是坝体的排水能力较差,土体的孔隙水压力增大造成阻滑力减小从而形成滑坡。
2 S; h" l  o1 n) Z( W8 u9 F4 O& }  e: C(3)未进行及时的监测和分析,对于可能或即将放生的滑坡现象未能进行精确地量测分析,错过最好的除险加固时机,最终导致滑坡。
7 r4 F  |4 p* J  q0 a(4)大坝不合理的附加工程。
7 n2 a4 r/ P% I  d3 p在下游坝脚附近挖坑塘养鱼:势必降低坝坡稳定,应加以禁止;
* z+ {6 Q) X2 G3 x# ?在坝顶或背水坝坡建造引水渠道:有些中、小型水库,为了引水灌溉农田,减少过河建筑物,利用土石坝坝顶或下游坝坡开挖渠道,一旦衬砌破损,大量的水渗入坝体,将会引起滑坡。2 c; c" s; B& U8 y# ~! H. j$ Z
形成滑坡的原因较多,除上述已分析的原因外,还包括地下水状态、岩土体性状、地质构造、岩体结构等内在因素,以及施工开挖或回填引起的荷载和应力调整、施工爆破引起的岩体损伤和动力荷载、河流侵蚀等引起的地下水位变化等外在因素可能成为导致坝坡失稳的重要原因。
( K3 M1 B- s8 `4 K3 t- y3 坝体滑坡的监测与分析判断# }- o) j( V! C" f; i$ ?
3.1  滑坡的监测
0 i+ w' ^9 ^$ }4 ^, Q3 j( E5 m" n2 w* ]滑坡对坝的安全至关重要,加强监测力度是有效地防治坝体失稳的重要途径。大坝运行期间,除经常进行检查外,当处在以下情况时,更应严加监视:水库初次蓄水时期、高水位时期、水位骤降时期、持续特大暴雨时、春季解冻时期、发生强裂地震后。
: h/ W7 `1 t$ D- J滑坡监测技术方法通常有地面宏观形迹的简易观测、地面仪器监测、空间遥测和遥感监测、综合的实时监测预报系统等。监测指标包括地质宏观形迹监测、地面位移监测、深部位移监测、诱发因素监测、水压力监测和滑坡地球物理、地球化学场监测等。现今,边坡监测技术方法已发展到较高水平,光纤传感器、孔隙压力仪、GPS和GPRS无线传输技术的应用,使监测的精确程度得到了较大的提高。0 P' G' X( H, K& y# s! d
3.2  滑坡的分析与判断
6 _! p4 e5 V* }, T! {. t2 ?6 s" c3 v# I2 @(1) 通过裂缝进行判断
5 M( ~/ _" }6 o0 A" A! k裂缝的形状:动裂缝主要特征,主裂缝两端有向边坡下部逐渐弯曲的趋势,两侧分布有众多的平行小缝,主缝上下侧有错动。1 O/ V8 y7 ~1 ^$ i" f8 k
裂缝的发展规律:滑动性裂缝初期发展缓慢,后期逐渐加快,而非滑动性裂缝则随时间延长而逐渐减慢。$ R' v; }# C- B7 ^
(2) 从坝顶位移观测的规律判断
0 W) a' |. C% P& H8 z当坝身在短时间出现持续而显着的位移时,特别是伴随着裂缝出现连续性的位移,而位移量又逐渐加大,边坡下部的水平位移量大于边坡上部的水平位移量,边坡上部垂直位移向下,边坡下部垂直位移向上。
2 E9 _  h9 E6 S! Y% X: Z4 U(3) 从浸润线观测资料分析判断:当库水位相近而测压管水位逐渐上升。
4 Y- i* C+ T. _. G7 b(4) 根据孔隙水压力观测成果判断:有孔隙水压力观测资料的土坝,当实测孔隙压力系数高于设计值时。
( F3 j4 A4 W, V. u以上这些都可能是滑坡的前兆,应及时进行坝坡稳定校核。根据核算结果,判断是否可能滑坡。# U4 U$ s0 R9 r2 a: b6 j
4  坝坡失稳的防治7 Z: J8 R9 _) Y' _  s/ R- U
4.1  消除和减轻水的灾害
& |% `' h+ l# d' d! j% J* ]排除地表水:排除地表水是整治滑坡不可缺少的辅助措施,而且应是首先采取并长期运用的措施。其目的在于拦截、旁引滑坡区外的地表水,避免地表水流入滑坡区内。主要工程措施有:设置滑坡体外截水沟;滑坡体上地表水排水沟;引泉工程;做好滑坡区的绿化工作等。 1 l/ z: }7 f$ s$ \# z# w
排除地下水:对于地下水,可疏而不可堵。其主要工程措施有:
* {/ w6 ~( O0 q$ V0 Y! w( O截水盲沟:用于拦截和旁引滑坡区外围的地下水; , t& V+ W0 ~" y" L  S0 e2 T
支撑盲沟:兼具排水和支撑作用;
7 P$ _+ a- h# B8 p' T' |. B2 U仰斜孔群:用近于水平的钻孔把地下水引出。 5 U- x% \! q  A* b6 Y* Q' p6 ?
此外、还有盲洞、渗管、垂直钻孔等排除滑坡体内地下水的工程措施。 8 H: P9 R& Z4 J1 M
防止河水、库水对滑坡体坡脚的冲刷,主要工程措施有:在滑坡体上游严重冲刷地段修筑促使主流偏向对岸的“丁坝”;在滑坡体前缘抛石、铺设石笼、修筑钢筋混凝土块排管,以使坡脚的土体免受河水冲刷。
7 I1 P+ o5 {* {2 W% Q4.2  改变滑坡体的外形
4 I# [. y# e2 G3 X1 G! R6 c削坡减重:常用于治理处于“头重脚轻”状态而在前方又没有可靠的抗滑地段的滑体,使滑体外形改善、重心降低,从而提高滑体稳定性。 7 w, v9 s/ i; E9 x. e5 H9 G' b
修筑支挡工程:因失去支撑而滑动的滑坡或滑坡床陡,滑动可能较快的滑坡,采用修筑支挡工程的办法,可增加滑坡的重力平衡条件,使滑体迅速恢复稳定。支挡建筑物种类有:抗滑片石垛、抗滑桩、抗滑挡墙等。
% ]4 c3 c' ]1 l- `9 T# s( ]4.3  改善滑动带的土石性质
" H  l6 V# z+ M" @改善滑动带的土石性质,一般采用焙烧法、爆破灌浆法等物理化学方法对滑坡进行整治。由于滑坡成因复杂,影响因素多,因此需要上述几种方法同时使用综合治理,方能达到目的。
  i( X. Z. o4 Q: A4.4  其他措施
: o5 z  x) }& W) A加大对于存在滑坡等山地灾害的地区的资金投入,加强对于这些地区的排查和监测。历史的经验告诉我们,在自然灾害目前,人的主观能动里极为有限,这时候我们需要“预防为主、防治结合、综合治理”的防治措施,面对我们无法控制和改变的自然灾害,我们唯有“避之以减灾”。! f! M4 @9 b7 a/ }1 P8 k$ ^$ T
民众。加强民众对于灾害认识的力度。加强民众对于灾害本身的认识做出正确判断。当灾害发生时,民众应学习必要的救治措施,共同努力把灾害降低到最少。: S# Y8 o6 o2 h/ ^8 m8 h$ {  c+ N
4.5  边坡稳定性分析
- `4 o. z- f- J+ [9 c+ C3 w4.5.1  确定性分析方法; L3 `7 N  Z& }2 V" a9 O" q
1、极限平衡理论
; U# X6 w; v9 v极限平衡理论的主要思想是将滑动土体进行条分,根据极限状态下土条受力和力矩的平衡来分析边坡的稳定性。根据对平衡方程组增设的边界条件不同,又分为如下几种方法。
5 {6 ]8 I/ e) r7 @瑞典条分法:该法假定滑裂面为圆弧面,不考虑条间力,其安全系数为滑裂面上的抗滑力矩与滑裂面以上土体的滑动力矩之比,用总应力法求得给定滑裂面的安全系数,再经反复试算比较确定出边坡的最小安全系数。4 c( y/ W* T0 `$ Z- y
简化毕肖普(Bishop)法:该方法假定条间力水平,即只考虑水平推力而不考虑竖向剪力,故安全系数为整个滑裂面的抗剪强度与实际剪应力之比,然后用试算-迭代法求得边坡的最小安全系数。
; }: {8 |4 I" ^: w: `3 {简布普遍条分法:简布法假定滑体中推力线已知,利用力矩平衡条件把条间竖向剪力表示成水平推力的函数,适用于最一般的情况。利用该法不仅可求出滑裂面平均安全系数及应力分布,还可求出各分界面上的抗剪安全系数作为校核。4 v1 U; n, Q, C4 N, a( J& i
其它极限平衡计算方法:斯宾塞法(Spen2cer)、摩根斯坦(Morgenstern))普赖斯(Price)法、沙尔玛法(Sarma)以及不平衡推力传递法都属于极限平衡计算法。这些方法以极限平衡理论为基础,通过力的平衡条件来分析边坡稳定性,没有考虑材料应力,应变关系,所得安全系数只是假定滑裂面上的平均安全度,求出的条间力和滑条底部反力也不是产生滑动变形时真实存在的力,故均有待改进。6 a3 O, {# n5 V. Y1 F
2、塑性极限分析和模糊极值理论9 C5 e; a' h( G1 ]# d
1952年,杜拉克(Drucker)和普拉格(Prager)提出塑性极限分析法[2],其最大优点是考虑了材料应力)应变关系,并利用极限状态时自重和外荷载所做的功等于滑裂面上阻力所消耗的功为条件,结合塑性极限分析的上、下限定理求得边坡极限荷载与安全系数。由于塑性极限分析所得的解为浮动于某一范围的模糊极值解,所以孙君实提出了滑动机构的概念,并证明了给定滑动机构的耗散功能定理,即滑坡极限分析的极大值定理。将该定理/模糊化0得到给定滑裂面安全系数的模糊极大值定理,再把极大的概念模糊化为滑体内力状态的模糊状态条件,并构造模糊函数和模糊约束条件,提出安全系数的模糊解集和最小模糊解集的概念,从而建立土坡稳定分析/极大中极小0问题的模糊极值理论。这一理论使长期以来条分法研究在假定多余未知函数方面存在的随意性问题得到了较好的解决。' r$ @9 \+ i, K$ p  q: a
3、有限单元法) k9 o, k; H9 P$ `, l5 Q! X+ n" f
塑性极限分析法和模糊极值理论考虑的是土体完全塑性时的应力)应变关系,故无法考虑土体的实际非线性应力)应变关系,更无法分析稳定性随变形而发展的实际情况。D.V.格里菲恩等人对有限元法和极限平衡法在二维条件下计算获得的边坡安全系数作了各种数值比较,并得出结论:在估算边坡安全系数方面,采用弹塑本构模型的有限元法是一种值得信赖的方法。用该方法可对二维或三维范围内的边坡安全系数进行预测,即利用有限单元法,考虑土的非线性本构关系,求出各单元的应力及变形后,便可以根据不同强度指标确定破坏区的位置及破坏范围的扩展情况,并设法将局部破坏与整体破坏联系起来,求得合适的临界滑面位置,再根据力的平衡关系推得整体稳定的安全系数。
( e2 Q! [1 `  ^4.5.2  不确定性分析方法$ `2 w# C0 P1 t* I
边坡稳定性工程地质评价是一项复杂的综合评价过程,其复杂性主要表现在:系统规模较大;评价指标的类型以及度量标准不同;指标的描述方式不同(有定性、半定量、定量多种形式);评价信息往往不完整。由于边坡本身物质组成的复杂性、多样性以及众多的影响因素,人们难以用确定性分析方法对它进行精确的描述,因而其研究方法从确定性分析方法发展到不确定性分析方法,并且为了克服边坡稳定性工程地质评价的随意性和不确定性,人们尝试应用数学方法对整个评价过程进行定量或半定量描述,并获得了较大进展,如:模糊综合评价、灰色分析理论、信息量模型法、数量化理论方法以及定量表格法等等。
; k- K( R- ^6 r1 J1、模糊综合评判方法
" a! V7 V; r7 c1 \& F+ F0 Z, B不同的边坡有不同的内部构造和不同的地质作用,处于不同的应力、变形状态;同时不同类型的边坡其稳定性影响因素也各不相同,如土质边坡,其稳定性主要取决于土体性质与地下水活动情况。这些不同的影响因素对边坡稳定性的影响程度是不同的,分属不同的层次和类别。为了便于区分各因素在总的评判中的地位和作用,对每一个因素赋予不同的权值。为了更全面地考虑所有因素的影响,可以采用二级综合评判模型。模糊综合评判的主要思路是,首先建立评判因素集,如对土质边坡可建立评判集为:(土的粘聚力,土的天然容重,地下水影响系统,坡高,总坡度和内摩擦角);建立权重值,根据评判因素的重要程度,赋予每类因素以相应的权值;
7 h' q5 d( z7 Y  n/ ~# W2、灰色分析理论: H# o: Y+ \  Y% t. L; Q* X! X
灰色系统理论提出了一种新的系统分析方法。该方法可在不完全的信息中,对所要分析研究的各因素,通过一定的数据处理,在随机的因素序列间,找出它们的关联性,发现主要矛盾,找到主要特性和主要影响因素。用于边坡稳定性评价的参数,其实测值或者统计值均存在着主观和客观的不确定性,各指标值所反映的岩土性质,只有部分是清楚的,而另一部分是非确知的,都是一些灰数。9 S0 w& ?  K5 p3 ~. l# |
3、其它不确定性分析方法3 W2 Y% E% |; z# Y' }
数量化理论是集定性与定量变量于一体的多变量分析方法,是把没有用数值表示出来的,经人们判断和评价的数据资料,从量上探索和处理的手段的总称,由日本的林知己夫教授于1950年提出。数量化理论方法,在解决含有定性与定量变量系统时,有一定的优越性,也将其引入了边坡稳定性的分析研究。定量表格法是将定性评价转变为定量评价的有效方法。其主要思路是:设法选择好一种量化方法,合理地处理边坡稳定性的定性因素,并将量化评价边坡工程进行稳定性评价时,只需对照表格逐项评分,然后进行简单的加减运算即可做出定量的评价。这一方法具有较强的实用性,使评价方法从定性走向定量起了较大的推动作用。
6 j$ q, R% b3 }2 Y4.6  边坡加固技术分析, c' k3 S  u; g5 u9 `! \
边坡加固有坡面防护和支挡结构防护两类。坡面防护常用的措施有灰浆或三合土等抹面、喷浆、喷混凝土、浆砌片石护墙、锚喷护坡、锚喷网护坡等。此类措施主要用以防护开挖边坡坡面的岩石风化剥落、碎落以及少量落石掉块等现象。所防护的边坡,应有足够的稳定性,对于不稳定的边坡则先支挡再防护。支挡结构的类型较多,如挡土墙、锚杆挡墙、抗滑桩等。这些支挡结构既有防护作用,又有加固坡体的作用。采用工程措施护坡,往往过分追求强度功效,破坏了生态自然,景观效果差,而且随着时间的推移,混凝土面、浆砌片石面会风化、老化,甚至造成破坏,后期整治费用高。边坡的稳定性,直接决定着工程修建的可行性,影响着工程的建设投资和安全运行;甚至是不少高边坡工程成为制约工程进度和成败的关键 ,因此对于边坡的加固技术分析本文将从以下五个方面进行分析:
! S8 W  f* y7 ~/ p' m7 z& X4.6.1  边坡种草防护
* d, ~/ O2 A7 [1 V! z4 b) v种草防护适用于边坡稳定,坡面冲刷轻微,且宜于草类生长的土质路提与路堑边坡,用以防止表面水土流失,固结表土,增强路基的稳定性。经常浸水或长期浸水的路堤边坡,种草不宜生长,不宜采用种防护。边坡上己扎根的种草防护,可容许缓流水短时冲刷。选用草籽应注意当地的土壤和气候条件,通常应以容易生长、根部发达、叶茎低矮、枝叶茂密或有匍匐茎的多年生草种为宜。常用的月白茅草、毛鸭嘴、鱼肩草、果圆、雀稗、鼠尾草和小冠。最好采用几种草籽混合播种,使之生成一个良好的覆盖层。种植时草籽宜掺砂或与土粒拌和,使之播种均匀,播种时间以气候温暖、温度较大的季节为宜。
/ y/ w: {- e) }4.6.2  混凝土抗滑桩
) _+ [0 ]/ {6 [( |   抗滑桩是穿过滑坡体深入稳定土层或岩层的柱形构件,用以支挡滑体的滑动力,一般设置于滑坡的前缘附近,起稳定边坡的作用,用于正在活动的浅层和中层滑坡效果较好。为了能使抗滑桩更有效的防止滑坡,在设置时应将桩身全长的1/3~1/4埋置于滑坡面以下的完整基岩或稳定土层中,并灌浆使桩和周围岩土体构成整体,并设置于滑体前缘部分.使其能承受相当大的压力。
6 u$ i4 L& N) k4.6.3  混凝土挡墙
: j0 }3 R) x; Z& w/ i: G; t混凝土挡墙是借助自身的重量以支挡滑体的下滑力的一种有效防止滑坡的常用方法,并可与排水等措施联合使用。它能有效地从局部改变滑坡体的受力平衡,阻止滑坡体变形的延展,具有结构简单,能快速起到稳定滑坡作用等优点。在设计混凝土挡墙时。应根据最低滑动面的形状和位置来设计挡墙基础的砌置深度,并在墙后设置泄水孔,使其不仅能削弱作用于挡墙上的静水压力,还能防止墙后积水浸泡基础而造成的挡墙滑移。! _) j4 d3 U# E+ U  B/ _: G, x
4.6.4  喷浆或喷锚
& w% h! Z# K6 `0 V: M2 E. ^% X喷浆适用于易风化尚未严重风化的岩石边坡,施工简便,是防止坡面风化的有效措施。喷浆分重力式人工喷浆和机械喷浆。重力式喷浆是把浆桶置于坡顶,桶底接胶皮管,借助重力把浆均匀喷至坡面。机械喷浆是用喷浆机,通过喷嘴把浆喷至坡面,由于它有一定压力,浆与坡面黏着较好,质量明显优于重力式喷浆。喷浆前坡面应清理干净,喷浆厚度1~2cm。常用浆料为水泥砂浆、水泥石灰砂浆。若坡面岩石节理发育,风化严重时,宜采用锚杆钢丝网喷浆,或喷射钢纤维混凝土。/ Z* s1 [8 x- ^
4.6.5  浆砌片石护墙
9 T8 V  _7 E& F% `, y: e0 F适用于较陡〔(1:0.3)~(1:1)〕的土质边坡及易风化剥落或节理发育较破碎的岩石边坡。护墙不承受土压力,所防护边坡应为稳定边坡。护墙的厚度由自身的稳定性及基底承载力确定。护墙型式多种,视边坡具体情况,合理选用。边坡为土质或破碎岩,采用实体护墙;边坡不陡于1:0.75时,为节约圬工,可采用孔窗护墙;比较完整的较陡边坡,可采用肋式护墙;仅需防护边披上部,可采用拱式护墙; C* l8 J7 B& M/ z
总之,采用以上加固方法给各有各的优缺点,采取工程加固措施,对减轻坡面修建初期的不稳定性和侵蚀效果较好,作用显着,然而,随着时间的推移、岩石的风化、混凝土的老化、钢筋的腐蚀,强度降低,效果也越来越差。而采用植被护坡则恰恰相反,开始时的作用弱,但随着植物的生长、繁殖,强度增加,对减轻坡面不稳定性和侵蚀的作用会越来越大。除此之外,植被护坡还有一个显着的优点,它能够恢复因工程建设所破坏的生态环境。9 v" y  I6 {& _0 ~# j  _
5  寨坝滑坡坝坡稳定案例分析( F6 J  c/ k( [3 ^3 n; O' V
5.1  云阳寨坝滑坡稳定性分析0 v  K  a7 |9 R5 Z
云阳寨坝滑坡区位于重庆市云阳新县城主城区望江大道与磨盘寨之间,分布高程275~490m,面积0.65km2,总体积1210×104m3,由若干危岩、滑坡组成,是因近期区内道路开挖诱发地面变形破坏而暂时搁置开发的一块相对平坦的“平台式”斜坡。其平台上覆主体组成物质为山前坡积物、崩积物以及滑坡堆积物等混杂体,北部后侧山体和下伏基岩为上沙溪庙组水平层状砂泥岩。5 Q1 s8 z2 e" i$ c  s
已有研究确定该区为滑坡区,且属于有条件利用建筑场地,滑坡区上覆松散堆积物整体处于稳定状态。因滑坡区地处云阳新城址区中心地带,近期城市建设要求利用这段土地。在1998年及其随后的开发利用期间,道路开挖导致多处松散堆积物的变形,其中,民德小学及其东侧近区的地面变形发展之快,范围之广,曾引起当地居民极度的恐慌。
1 c* _& I, y) }; q图3-1  寨坝滑坡区' K1 Q( g# [6 d! |4 d' k/ D
5.2  滑坡的成因及形成机制分析% u* D9 S; H5 k* L
本区长江高级(Ⅲ级)阶地高程为175~195m,最低级夷平面分布高程为650~750m,寨坝滑坡分布高程275~490m正好处于上述两者之间,这表明长江进入峡谷期后,该区早已是坡岸地形。再从现今地貌看,寨坝滑坡区前沿270m高程处距Ⅲ级阶地最近处也有1km之远,说明后期长江岸坡的改造对滑坡区的影响不大。分析认为,在现崩滑堆积区的前缘早期就存在一风化剥蚀台面,其高程与现今基岩面大致相当。由于后缘山高坡陡,且具上硬下软不利岩体结构,在外营力的作用下,下部软岩不断风化剥蚀脱落,造成上部硬岩坡体前沿悬空,由于下部风化软岩强度较低,自然使其受到一个前倾力偶的作用,进而在其上部不断产生拉裂变形;第二,当这种变形增大一定量时,前缘部分岩体将会产生倾倒式崩塌破坏,造成整个变形体的重心向后偏移,迫使后缘部分岩体返回原位沿裂面产生座滑变形,与此同时,软岩斜在上覆岩体的作用下产生潜在剪切滑面;第三,这种潜在滑面在上覆岩体的作用下逐渐变形贯通,这时就会产生大规模滑坡;尔后该边将会有一个相对稳定的停顿时间,这段时间整个边坡的变形又将重演前一次的变形过程,最终产生类似于前一次的破坏变形,如此往复多次,才形成了现今的崩滑堆积平台。由于软岩坡脚为高应力集中区,加之这些区域岩性软弱,因此,后缘边坡的每次破坏都易在软岩坡脚产生弧形剪切破坏,即前缘微反翘,这就是后缘滑床为何微微反倾的道理,关于这一点,后缘发育的D1滑坡体和近期发生的几个变形体的破坏就是明证。也正是因为后缘滑坡体的逐级破坏,推动了前缘物质的位移,才是崩滑堆积体的底部能够见到诸多滑面的真正原因。另外,滑面主要集中在崩滑堆积区的中西区显然与后缘的山高坡陡有关;而基岩面的非平整性则又说明后缘平台的形成是由边坡多次局部的塌滑造成的。
& k# [7 p0 T! X1 x/ n0 J5.3  稳定性验算及评价# x( `/ J& {6 M5 W
5.3.1  稳定计算方法及原理+ v1 o) m  Z& _/ }- N
采用北京理正稳定分析软件5.6PB1版,该程序可用于各种防渗排水措施土石坝、边坡的稳定计算,可直接读入同样是该软件计算的渗流计算结果。该程序使用了对不同土层交界面编号和控制圆弧数目的有效方法,在大范围内对多种土质组成的任何边坡形状进行搜索,计算确定堤坝边坡及其它土坡圆柱形破坏面的稳定安全系数。瑞典圆弧法确定安全系数的计算公式为:
. C* k# u& K7 ~# r6 g式中:θi——i号土条底部中点切线的倾角5 N; G% ^; l9 L+ e& q
      wi——i号土条重量,wi=vhibi8 x+ b' P) k0 i5 {7 O" m6 O: d: J5 @
      cs——地震系数4 H% I' v- k, `2 g3 a! O
αi——i号土条的力臂
+ P2 x, g. R) u$ l/ O* U      R——圆弧半径1 I( M$ {. Q& H( t) V
5.3.2  稳定计算工况
0 Z3 \' j. v4 v$ r( v% g3 k根据《水库大坝安全评价导则》第5.2.2.1条之规定,大坝稳定计算工况应为水库运用期可能遇到的工作条件,即:水库水位为正常水位958.00m的下游坝坡稳定——正常工况;水库水位为设计洪水位959.365m的下游坝坡稳定——正常工况;水库水位为校核洪水位959.817m的下游坝坡稳定——非常工况;水库水位为正常水位958.00m的上游坝坡稳定——正常工况;水库水位为设计洪水位959.365m的上游坝坡稳定——正常工况;水库水位为校核洪水位959.817m时的上游坝坡稳定——非常工况;水库水位为死水位943.00m时的上游坝坡稳定——正常工况;水库水位从校核洪水位958.817m降至死水位943.00m的上游坝坡稳定——非常工况。
! T  b2 y: I0 F9 \" y4 D5.3.3  研究结果  c2 o8 j  P& H! L% r" V
研究结果和计算分析成果表明,寨坝滑坡体稳定性具如下特性: ; O5 w8 @( j. C: P* B- A
  1、滑坡体现阶段整体处于稳定态,其各类工况下稳定系数均大于1.0,滑坡稳定性主要受地形地貌、岩性、地下水迳流条件和岩体的完整程度所控制,滑坡不会产生整体大规模的深层滑移破坏。
; D+ I' V) f/ P5 T  2、望江大道上侧崩滑堆积体(分东、中、西区)在天然状态下均处于稳定态,其稳定系数为1.0~2.5278,但在天然加荷载并偶合地震和暴雨作用下,滑体大部分处于不稳定态,其稳定性系数一般为0.9753~1.0。
7 q+ l9 |4 w. ]( d" X  3、对于处于滑坡前缘的四个次级边坡体,计算表明:天然状态下,所有次级滑坡均处于稳定态,但在天然加荷载并偶合地震和暴雨作用下,一般处于不稳定状态(除教堂次级滑坡在暴雨及荷载作用下处于稳定态)。崩坡积滑坡D1现阶段是稳定的,D2及D3在天然状态处于基本稳定状态,暴雨时明显不稳。
* g) C) M# L0 c: P' _  4、滑坡在未来存在条件下,若工程区连降暴雨或在移民工程建设中人类不当活动干扰继续进行,使其前缘形成临空面或增大下滑区下滑力,则可能诱发滑坡体的失稳。
5 x. J$ B; b2 V+ x8 B3 f) e5.3.4  大坝上游坡坡脚挡墙稳定计算
6 @0 @. z5 I9 a# r' m0 H" q# s计算公式: " o! R3 C: g0 e5 s% ?$ I8 W( Y
KC——按抗剪强度计算的抗滑稳定安全系数;+ G- Q$ O! v3 i( T4 w3 ~9 N
f ——边墙与接触面的抗剪摩擦系数;9 k. i2 c" b  ~' S
∑W——作用于边墙上的全部荷载对计算滑动面的法向分量;
( X+ A& O4 u0 O; o7 r$ S8 e2 R∑P ——作用于边墙上的全部荷载对计算滑动面的切向分量。' D; C2 H, n: _) \; @, }$ ~
采用理正挡墙计算程序,计算最不利断面处边墙抗滑稳定安全系数KC大于1.15(正常运用情况)和1.05(非正常运用情况),满足规范要求。具体计算结果见表3-1所示
! b  Y, s7 a7 ]. P6 C表3-1  寨坝滑坡区稳定性验算成果表
* Z& P0 K0 X6 `. Z7 `基本因素组合情况        稳定系数(K)+ [! P2 @5 a1 m
蓄水前天然状态下不考虑地震        1.55' x9 Q8 J; r5 o  M
蓄水前天然状态下考虑Ⅶ度地震        1.36
' T8 |0 r7 A( v5 O蓄水位909.5m时不考虑地震        1.30
5 E" m% b" b3 C  `蓄水位909.5m时考虑Ⅶ度地震        1.23/ u% K" x* Q; ?! V. h3 M/ r
蓄水后并快速放水至死水位887m不考虑地震        1.14
1 ]" n8 x( z) @. p3 [4 X蓄水后并快速放水至死水位887m考虑Ⅶ度地震        1.02
( k: b1 b, h' _) g& o5.4  建议处理措施
0 Q7 {' t7 |  x1 ^$ k, H; t( n" G根据防治工程设计原则,考虑场区将来城镇建设的要求,同时,考虑到云阳库岸整治的综合规划要求,为提高边坡体稳定性,拟对崩滑堆积区望江大道内侧几个变形体进行清除处理;对东区局部不稳地段,如2-2’剖面和a-a’剖面等处的前缘部分不稳土进行清挖处理。减载时应充分考虑自然地形地质条件,模拟自然坡面形态,开挖坡角应小于20度。前缘次级滑体,除陈家院子边坡因后期变形已做处理之外,其余三个次级边坡暴雨+自重+荷载等工况下稳定性较差,尤其柏杨湾次级边坡在暴雨+自重+荷载工况下稳定系数小于1.0,为此,建议在不影响望江大道稳定的前提下进行适当减载处理。5 E% N. B8 X: L0 t" Z0 t# E6 Y
  稳定性计算果表明,地下水位的埋深对边坡体稳定性影响十分敏感,因此,非结构性治理措施地表排水的设置是相当有必要,其不仅可以减缓土体中的水头和渗透压力,提高边坡稳定性;同时,在边坡拟设排水区还可以通过排水固结变形土体,以减少因滑体渗透变形而因引起的地面不均匀沉陷至地表建筑物等的变形破化。为此,崩滑堆积区应结合城市地下管网工程设置排水盲洞,以利全面的疏干排水。. l* j; N  o$ Y0 W/ M' V
  椐地质论述,滑坡表层主要为粉质粘土夹碎块石,其渗透性较差,从而导至滑坡介质高地下水位的不利现实。有鉴于此,拟对滑坡区后缘普遍存在的粉质粘土夹碎块石层予以全部清除,以减少滑坡下滑区下滑力,从而提高本滑坡在未来存在条件下的稳定性;同时因大方量清方,覆盖层厚度大为降低,为以后移民工程建设减少相当投资,而其产生的大量弃土方也能为将来的库岸防护所用。
  o. m7 s% t& F7 Z9 s清方工程起点一般控制在望江大道上侧,清方开挖深度以不超过粉质粘土夹碎块石层厚度,清方坡比以在设计工况条件下,不产生滑坡及滑体表层埸塌,一般控制在1:1.5~1:3.0。对块石层出露段,以后应结合城市规划建设,采用草皮与浆砌块石护坡,减少地表水入渗滑和防止滑坡体表层埸塌。+ u8 K4 {# r: n
结    论* |& R6 o  w0 e* v3 A
我们应当认识到人类对地质体的认识还很肤浅,要达到用精确的数学模型来模拟边坡稳定性问题,其路还很长。在目前的研究阶段,解决实际问题在很大程度上是靠各种经验或与事实的类比。因此,我们认为在此需要特别一提的是对长期以来边坡研究积累的大量现场实录资料(成功或失败的)和实践经验进行系统研究,建立基于“满意解”的有效专家系统将是一项非常有理论价值与实际意义的研究工作,它应是边坡稳定性研究的一个不容忽视的重要发展方向。近年神经网络(ANN)的研究发展,又为此项研究奠定了可靠的理论基础,因为它突破了AI知识获取的“瓶颈”问题,具自学习能力,并在数据含有噪音、缺项或缺乏认知时能获得令人满意的结论。特别是它可以从积累的工程实例中学习知识,尽可能多的把各种定性、定量的影响因素作为变量加入输入,建立各影响因素与结论之间的高度非线性映射,采用自适应的模式识别方法完成预测工作。因此,我们相信,随着此项研究的逐步深入开展,边坡稳定性研究必将产生一个新的飞跃。同时,我们也相信,不久将来,边坡稳定性研究成果必将为工程做出更大贡献。
5 v$ I/ Q$ T. K, K, k% [参考文献4 k) l# F- R! X: j" _
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1 j+ X1 q$ [  T) L$ S7 ]
# F) U8 s( ?0 f* a) y+ z9 P) R6 M& z. k# @& u8 b

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