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索风营水电站工程建设主要科技创新回顾

2023-03-26 来源:好走旅游网
第25卷第5期 GUIZH0U WA 贵州水力发电 IER POWER 2011年10月 ・水工建筑物设计与施工・ 索风营水电站工程建设主要科技创新回顾 唐英 (贵州乌江水电开发有限责任公司索风营发电厂,贵州修文550215) 摘要:介绍了索风营水电站在工程建设过程中已成功应用的主要科学研究和科技攻关项目成果,采用了大量的 新技术、新材料、新工艺和新设备,提高了工程建设水平和工程质量。 关键词:水利水电工程施工;碾压混凝土重力坝;工程建设;科技创新;索风营水电站 中图分类号:TV741;TU712 文献标志码:B 文章编号:1007—0133(2011)05-0029—05 1 工程概述 的具体情况,设计采用碾压混凝土重力坝上设5孔 单孔宽度为13 m的开敞式表孔泄洪,堰面采用 索风营水电站位于贵州省黔西县、修文县交界 WES曲线;消能采用“x”形宽尾墩+台阶坝面 的乌江中游六广河段上,距上游东风水电站35.5 +消力池综合消能方式,泄洪水流在通过“x”形 km,距贵阳市直线距离54 km,位于贵州省电力负 宽尾墩时分为上下2层,下层水流无收缩沿台阶坝 荷中心。电站为Ⅱ等大(2)型工程,大坝及泄洪系 面下泄,而上层水流经宽尾墩收缩交汇后掠过台阶 统、引水发电系统等为2级建筑物,按100年一遇 坝面进入消力池。 洪水设计,大坝及泄洪系统按1 000年一遇洪水校 “x”形宽尾墩具有以下优点: 核,引水发电系统按500年一遇洪水校核。水库正 (1)小流量过流时,台阶坝面大面积过流,可 常蓄水位837 m,相应库容1.686亿m ,为日调节 充分发挥台阶坝面的消能作用,能适应常遇洪水的 水库。电站总装机容量600 MW(3 x200 MW),保证 泄洪消能;大流量过流时,下部水流对上部水流有 出力166.9 MW,多年平均发电量20.11亿kW・h。 一向上的空托作用,既减小宽尾墩过流时台阶坝面 枢纽由碾压混凝土重力坝、坝身泄洪表孔、右 可能出现的负压,又可避免上部水流对台阶坝面的 岸引水发电系统及地下厂房等组成。大坝由河床溢 集中冲刷。 流坝段和两岸挡水坝段组成,坝体采用二级配碾压 (2)减小宽尾墩纵向拉开水舌下落时对反弧段 混凝土,坝顶长164.58 m,其中溢流坝段长82 m, 和消力池底板的冲击压力。 最大坝高115.95 m;溢洪坝段共布置5个表孑L,设 (3)上部水舌流量减小,水流雾化现象减轻。 有13 m×19 m弧形工作闸门和平板检修闸门,采 (4)提高综合消能率。 用“x”形宽尾墩与台阶溢流坝面及消力池联合消 采用“X”形宽尾墩+台阶坝面+消力池综合 能方式;引水系统采用单元引水方式,尾水系统采 消能方式,水流消能比较充分,消力池和池后水流 用单元出水方式;地下厂房位于坝轴线右岸下游约 流态平稳,池内冲击压力不大,有利于消力池底板 50 m的山体内。 的抗抬稳定,出池水流流速小于6 m/s,河床基本 2主要科技创新成果 无冲淤现象。经减压模型试验表明,“x”形宽尾 墩压力分布规律性好,掺气充分,底空腔在台阶头 为建造一个优质、经济、环保的一流电站,建 部比较稳定,台阶沿程无空化现象。 设者们在工程建设中充分发挥自己的聪明才智,将 采用综合消能方式使消力池长度缩短1/3左 科学研究和科技攻关贯穿于工程建设全过程,工程 右,泄洪消能率达90%以上,掺气率大于4%,闸 开展了大量的科学研究和科技攻关,采用了大量的 墩和台阶坝面水流不发生空化,消力池和下游流态 新技术、新材料、新工艺和新设备,提高了工程建 稳定,雾化程度轻微,有效地解决了大流量洪水对 设水平和工程质量,取得了巨大的综合效益。 2.1 “X”形宽尾墩泄洪消能新技术的研究和应 用 收稿日期:2011--07—27 根据索风营水电站坝址河床狭窄、洪峰流量大 作者简介:唐英(1973--),女,贵州省修文县人,工程师,从事 水电厂水工建筑物维护及管理工作。 ・29・ 第25卷第5期 贵州水力发电 2011年10月 下游的冲刷问题,将我国泄洪消能技术水平提升到 个新的高度。 一续给料。以连续搅拌机为核心,充分发挥混凝土防 分离的特点,成功实现了垂直落差近100 m的混凝 土拌和并防止了骨料分离,混凝土直接到达仓面, 该泄洪消能技术获2007年陕西省科技进步一 等奖。 2.2大型绿色环保人工砂石系统“半干式”制砂 工艺技术研究与应用 实现了混凝土进料、拌和、运输连续一体化的新型 连续混凝土施工系统。该系统无需动力,能以200 m3/h的速度连续生产混凝土,具有节能、高效、 环保、价低等优点,为浇筑大体积混凝土提供多快 好省的解决方案。 “半干式”人工制砂工艺改变了传统的棒磨 机制砂法,采用“先湿后干、干湿相结合”、“以 破代磨”技术。在对成品砂石骨料分级的同时, 用高压水冲洗各种级配的骨料,除去骨料表面所裹 2005年5月,在索风营大坝左岸非溢流坝段 839.5~842.8 m高程浇筑了3.3 m厚的该系统拌制 的泥粉,骨料分级、脱水后,选择合适粒径的骨料 作为制砂料源,对废水、粉砂回收利用,严格控制 制砂工艺各个环节中骨料的含水率,完成“半干 式”制砂。“半干式”制砂工艺技术研究成果首先 运用于索风营水电站。 “半干式”人工制砂工艺主要特点如下:以破 代磨、多破少磨,前湿后干、于湿混合,智能节 能、绿色环保。采用“半干式”制砂工艺避免了 传统的干法、湿法制砂工艺存在的“能耗高、污 染重、投人大、占地宽、建设周期长”等缺陷, 具有投资省、投入低、产出高以及节能降耗和环保 等优点。砂的石粉含量、细度模数、含水率等指标 均控制在规范要求的最优范围内,并提高砂的产 量,减少粉尘对大气污染,实现了节能降耗,绿色 环保目标。 2005年,《大型环保人工砂石系统半干式制砂 工艺技术与研究》科技成果通过省级鉴定,评定结 果为“达到国内领先水平”,同年获贵州省科学技 术进步奖;2006年,该科技成果获贵州省总工会 “职工技术创新成果奖”;2006年,《绿色环保砂石 品牌的管理与运用》分别获中国建筑业协会、贵州 省和全国电力企业管理现代化创新成果奖;2005 年、2006年、2008年,《大型环保人工砂石系统半 干式制砂工艺施工工法》分别被贵州省、中国水电 建设集团和国家建设部评定为省级、国家级施工工 法;2008年4月,《大型环保人工砂石系统半干式 制砂工艺及推广应用》获中华全国总工会“全国职 工节能减排优秀合理化建议”奖;2009年9月, “半干式人工砂生产工艺智能化控制系统”荣获国 家发明专利(专利号:zL200710077974x)。 2.3一种全连续混凝土生产方法及系统研究与应 用 一种全连续混凝土生产方式及系统包括混凝土 连续给料、连续拌和与运输。以混凝土的连续拌和 系统为主要试验对象,利用现有的称量、微机控制 送料系统,增加一个新型砂浆连续搅拌机,进行连 ・30・ 的混凝土(c帅15碾压混凝土),施工方法按常规碾 压混凝土施工方法施工。通过对已取得的芯样进行 了劈拉、抗压等物理力学指标实验,各项物理力学 指标均优于设计值,与常规拌和楼拌制的混凝土相 比只是在各级法向应力下的剪应力及抗拉变形值2 个指标上略低外,其他各项指标均相差无几。 该项技术于2008年9月10日获中华人民共和 国国家知识产权局颁发的专利证书。 2.4氧化镁微膨胀剂在索风营水电站大坝碾压混 凝土施工中的应用 MgO筑坝技术的研究和应用是利用MgO的延 时膨胀以补偿混凝土降温收缩,以简化温控措施, 突破暑期高温季节混凝土不能大规模施工这一 “禁区”,把MgO筑坝技术又向前推进了一步,大 大加快了施工进度。 索风营水电站大坝碾压混凝土在基础约束区 730—755 In高程全断面外掺Mg0为3%,在应力 过渡区755—760 m高程外掺MgO为2%。检测成 果表明,外掺MgO的施工拌和是均匀的,其波动 离差( 小于0.04)控制水平已达到优良水平。同 时通过原型观测数据及分析可知,在全断面外掺 MgO区,后期 昆凝土处于温降时也会由于MgO的 延时膨胀性能对混凝土产生约0.21~0.47 MPa的 预压应力,补偿因温降致混凝土体积收缩而产生的 部分拉应力,使其应力分布更趋合理。 索风营水电站首次在大坝强约束区掺MgO进 行全断面碾压混凝土施工,辅以预埋冷却水管,实 现了暑期高温季节混凝土连续施工,并创下了在主 体大坝中连续上升31 m的纪录,现场碾压混凝土 28 d的自身体积变形达到了23.06微应变,提高了 碾压混凝土的抗裂性能,解决了大坝强约束区常见 的混凝土贯穿性裂缝问题。大坝至今运行良好,未 发现因温度原因产生的危害性裂缝。 2.5大坝碾压混凝土温度控制施工技术研究与应 用 该技术提出了以相对温度作为混凝土温度控制 唐英:索风营水电站工程建设主要科技创新回顾 2011年第5期 的重要技术措施,采取多种常规的温控方法实现混 凝土浇筑前的温度过程控制;采用全断面预埋冷却 水管对混凝土浇筑后的温升进行有效削峰,很好地 控制了混凝土的内外温差与最高温度,满足了大坝 混凝土施工的要求,突破了大坝在高温季节不能大 规模连续浇筑混凝土的“禁忌”,实现了大坝碾压 混凝土连续上升31.4 m的纪录,其温控理念与措 施的技术要点如下: 掺量的50%后,混凝土和易性变差,骨料有分离 现象,混凝土不易振捣密实。 (2)当采用粉煤灰和磷矿渣粉按各占50%进 行混掺时,碾压和常态混凝土不同龄期的混凝土强 度、变形、耐久性能都比单掺粉煤灰时有些提高, 但弹性模量较单掺粉煤灰稍大。利用这一特性,在 进行配合比设计时可以降低水泥的用量。试验提供 了索风营水电站大坝工程磷矿渣粉和粉煤灰混掺的 (1)提出相对温度的概念,将混凝土浇筑后的 内外相对温差和混凝土最高温度作为最终控制目 标,混凝土出机温度和浇筑温度只作为过程控制, 混凝土施工配合比,供施工使用。 (3)粉煤灰和磷矿渣粉进行混掺后,混凝土 的泌水性和干缩性要比单掺粉煤灰时小,解决了 采取有效措施削减混凝土内部温度峰值,大大突破 了现行规范。 (2)混凝土的导热系数低(一般为8.37~ 12.56 kJ/h・oC・m),坝体中心部位的混凝土几乎呈 绝热状态,初期随混凝土水化热量加剧,积聚于坝 内,很难白行消散,长期保持高温,将形成较大的 内外温差;通过在坝体内全断面预埋PVC冷却水 管进行通水冷却,带走大坝内部 昆凝土的热量,使 坝体混凝土温度均衡,有效削减混凝土内部初期水 化热峰值,降低混凝土内外温差。 该项目2006年分别获贵州省科学技术进步三 单掺粉煤灰时混凝土的泌水率大、干缩大这一难 题。 贵州省存储有大量的磷矿渣资源,可作为混凝 土掺和料合理地开发利用,将其变废为宝,这不仅 对环保工程能作出一定贡献,而且会给工程带来显 著的经济效益,并解决粉煤灰紧缺的问题。 2.7大跨度双车道倒张拱钢索桥桥梁结构的研究 及应用 索风营水电站施工区内的倒张拱钢索桥是施工 区左右岸的重要施工通道。本项目研究与运用的钢 等奖、中国水利水电建设集团公司科学技术进步 奖。 2.6磷矿渣在大坝混凝土工程中的应用 磷矿渣是一种工业废料,其堆放占地,所含的 有害化学成分污染污染。如果将磷矿渣用于工程, 索桥是利用专利技术CN2077877U将专利成果中原 单车道技术扩展到双向双车道,并成功地将钢索桥 承载力扩展到62 t级。该桥净跨155 ITI,桥面宽12 m,建成时为当时世界上跨度最大的双车道、大吨 位倒张拱索桥。 在桥梁建造史上,钢索桥是一种重要的桥型, 它具有架设跨度大、施工时间短、建造成本低且便 于跨越深涧峡谷等突出优点;但老式钢索桥的最大 就能变废为宝,并有节能、环保、节省工程投资等 优点。索风营水电站工程大坝部分混凝土中采用掺 加不同比例的磷矿渣进行混凝土力学、变形、耐久 性能、热学性能对比试验,确定混凝土中磷矿渣的 弱点是侧向稳定性差,当汽车在桥上通行时若稍许 偏离桥的中轴线便会引起桥面的左右倾斜,使汽车 及在桥面上行走的人均会剧烈晃动。索风营水电站 合适掺量和施工技术。该项研究对《水工混凝土掺 用磷渣粉技术规范》(DL/538777—2007)提供了一 定的实践参考依据,对推动混凝土材料的进步具有 重要意义。 的倒张拱钢索桥在不增加或少量增加钢索用量的条 件下运用荷载替换方法解决了传统钢索桥稳定性 差、刚度小的弊端,且具有桥身轻、桥面稳定性好 及锚固系统可靠等优点。该桥于2001年8月开工, 索风营水电站工程采用粉煤灰和磷矿渣粉混掺 的方式对混凝土的性能进行研究,在国内尚属首 次,优点如下: 2002年6月建成,投资1 200万元,为同规模钢筋 混凝土桥造价的1/2~1/3。根据中国科学技术信 息研究所出具的《科技查新报告》,该项目研究与 运用的双层式倒张拱钢索桥既不同于古代悬索桥, 也不同于由主塔、主缆、吊索(杆)、加劲梁和锚 (1)在碾压混凝土中,当磷矿渣粉比例为总掺 和料量的0—50%范围时,碾压混凝土的工作性 好,包裹充分,振捣时泛浆快,振捣后混凝土塑弹 性好;当比例超过总掺量的50%后,碾压混凝土 工作性变差,骨料有分离现象,振捣时泛浆慢,且 混凝土不易振捣密实。在常态混凝土中,当磷矿渣 粉比例为总掺量的0~50%时,混凝土的和易性 好,浆体含量丰富,振捣时泛浆快;当比例超过总 碇构成的现代悬索桥,独具创新。 该项目于2005年度荣获中国电机工程学会、 中国电力科学技术奖励办公室颁发的中国电力科学 技术奖三等奖,2005年获中国水利水电建设集团 公司颁发的科学技术进步奖二等奖。 ・31・ 第25卷第5期 贵州水力发电 2011年10月 2.8聚丙烯纤维喷射混凝土在大跨度地下洞室永 久支护的应用 奖。 2.10岩锚梁镜面混凝土的研究和应用 索风营水电站引水发电系统布置在大坝下游右 岸山体内,是由厂房、主变洞、母线洞、窑洞式出 线平台和引水、尾水隧洞等洞(井)组成的大型地 下洞室群。地下厂房开挖尺寸为135.5 m×24 m× 58.305 m(长×宽X高),拱顶开挖高程为787.215 镜面混凝土与常态混凝土相比具有工艺简单、 操作方便、表面光滑平整及模板周转率高等优点。 索风营水电站岩锚梁镜面混凝土通过对原材料、施 工机械设备、工序、混凝土温度进行质量控制,使 岩锚吊车梁镜面混凝土施工取得了很好的效果: (1)混凝土的坍落度越小则混凝土中气泡就越 少,其表面效果就越好,采用泵送入仓方式时其坍 落度控制在12 cm左右(二级配)。 m,最低开挖高程为726.91 m。受地下水位较高、 地质构造和喀斯特渗漏的影响,大洞室顶拱及侧墙 渗水点较多,湿润面大,约占喷混凝土面积的2/ 5。若采用传统的钢纤维喷混凝土作为大洞室顶拱 永久支护,有锈蚀速度快、耐久性差的突出问题。 使用聚丙烯纤维喷混凝土具有以下优点: (1)大幅降低了混凝土回弹,降低成本; (2)有效地阻止了喷射混凝土的收缩龟裂; (3)喷射混凝土泵送容易,不会损伤机械设 备,减少对已喷射混凝土的冲击,利于提高混凝土 强度; (4)抗酸碱腐蚀性好,没有锈蚀问题,易于储 存、运输和使用。 贵州省科学技术情报研究所查新结果证明,聚 丙烯纤维虽在国内水电界有所应用,但在如此大的 地下洞室的永久支护上使用尚属首次。 2.9大型地下洞室群“立体多层次、平面多工 序”施工方法和施工程序的应用 索风营水电站地下厂房洞室达3O多个,且洞 室跨度大,围岩类别低(Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类),因此, 围岩稳定问题突出。结合工程地下厂房喀斯特地质 复杂、厂房跨度大且洞室多的特点,经优化布置、 优化结构和施工程序,采用“立体多层次、平面 多工序”快速施工新技术,洞室开挖后围岩稳定。 地下厂房在第Ⅲ层施工第Ⅱ层的岩锚梁时(岩 锚梁施工历时较长),隔离中间第Ⅳ层,沿压力钢 管方向对地下厂房第V层布置成“∞”形洞室进 行岩体开挖和锚喷支护,缩短了建设工期。同时对 地下厂房尾水管第Ⅶ层一并同时进行开挖和锚喷支 护,形成地下洞室群Ⅱ层、Ⅲ层、V层、Ⅵ,层、 Ⅶ层及底部排水廊道开挖互不干扰的“立体多层 次、平面多工序”新型的施工方法及程序,成功 地解决了控制大型地下厂房施工进度的关键环节, 开挖后残孔率达97%,仅用14个月就完成了大型 地下洞室群的开挖和支护,工期提前了8个月,创 造了国内同规模地下厂房开挖及支护工期最快的施 工纪录,综合技术水平居国内前列。为该电站首台 机组提前4.5个月发电打下了坚实的基础。 该技术2009年获贵州省科学技术进步奖三等 ・32・ (2)由于镜面混凝土采用光洁度、密实性较好 的模板,其透水性、透气性差,混凝土中的气泡不 易排出,故对镜面混凝土的振捣时间应比常态混凝 土的要稍长些。 (3)岩锚吊车梁混凝土属于小体积混凝土,周 边约束条件复杂,需要控制混凝土入仓温度。若人 仓温度超过允许温度值时容易产生温度裂缝,影响 岩锚吊车梁质量。 (4)模板的刚度、强度及表面光洁度等应满足 设计要求,模板拼缝、结构折点、断面变化处应做 到接缝严密、过渡平滑;要防止漏浆、模板位移变 形等情况出现,以免影响镜面混凝土外观质量。 (5)岩锚吊车梁混凝土为高强度混凝土结构, 体积小且配筋率高,周边约束条件复杂,所以在混 凝土封仓后必须按要求及时洒水养护,以保持湿润 状态,否则极易产生表面裂缝。 索风营水电站地下厂房岩锚吊车梁采用的镜面 混凝土施工技术是首次在国内水电地下厂房中的应 用,该技术2008年获国家级工法。 2.1l 大型洞室加固处理技术应用 索风营水电站地下洞室群规模大,喀斯特发 育,多个洞室处于复杂的薄层、极薄层软弱岩层 中,如尾水隧洞所处岩层绝大部分为Ⅳ类围岩,稳 定性较差;主厂房洞室所处岩层大部分为Ⅲ类围 岩,洞轴线与岩层走向交角小于30。等等。以上均 已突破《水工隧洞设计规范》的要求,以及对围岩 稳定和衬砌结构的认识与工程实践尚有较大差距, 特别是对于软弱岩层中大跨度、高边墙结构的设计 理论研究不够、经验不足,如不进行深入研究,可 能导致不少洞室支护不当,围岩失稳。 为优化洞室群布置,确定合理的开挖方式和支 护处理措施,保证工程进度、质量和安全,缩短施 工工期,降低工程造价,开展了地下厂房大型洞室 群结构新技术和快速施工技术的研究。包括地下厂 房洞室群布置研究;大型洞室群围岩稳定正、反分 析研究;地下厂房新结构研究;地下厂房新材料研 唐英:索风营水电站工程建设主要科技创新回顾 2011年第5期 究;大型洞室群“立体多层次,平面多工序”施工 新技术的研究。 通过上述研究,地下厂房洞室群布置和梁、板 结构设计先进,发电机层楼板采用岩锚梁板结构, 混凝土新技术应用项目运行良好。多项科研成果和 新技术在其他同类工程中(如思林、光照、沙沱 等)得到借鉴和应用,技术经济效益十分显著。 索风营水电站工程曾先后荣获“省部级科技 进步奖”11项、国家专利2项、国家级工法3项、 国家级合理化建议1项。荣获土木工程学会颁发的 “第十届中国土木工程詹天佑奖”,荣获水利部颁 发的“201 1年全国生产建设项目水土保持示范工 程”荣誉称号,荣获2009年中国电力建设企业协 突破了传统的板、梁、柱结构形式,减少了洞室开 挖跨度,节省了岩石开挖和混凝土梁、柱工程量, 解决了土建与机电安装的交叉干扰问题,在国内外 大型地下厂房结构设计中属首次成功应用。 尾水洞开挖断面为11 m×17 m,间壁岩体厚 度仅为高度的0.77倍(规范规定:一般为2倍,特 殊情况下经论证不小于1倍),大大突破了水工隧 洞设计规范限值,为喀斯特地区厂房施工的经典, 被我国《地下厂房设计规范》列入样板工程。经过6 年运行,工程安全可靠。 索风营水电站地下厂房结构新技术研究及应用 于2009年获贵州省科学技术进步三等奖。 2.12鱼类增殖放流站鱼类循环水养殖系统新技术 研究与应用 由于大坝阻隔和水库调蓄导致鱼类生存环境改 变。河流连续性受阻,水文过程变化促使河道物理 特性、水体理化性质发生变化,导致鱼类食物链网 结构发生变化。为了改善和弥补由于筑坝使洄游性 鱼类无法完成生活史,以及库水的淹没使鱼类产卵 场遭到破坏,影响鱼类的繁殖,按照国家环境保护 部的要求,修建索风营鱼类人工增殖放流站,以保 护鱼类生存状况的持续性。 鱼类增殖放流站鱼类循环水养殖系统新技术研 究与应用项目是针对我国长江上游中华倒刺钯等4 种珍稀鱼类在循环水养殖系统中的野生亲鱼驯化、 人工繁殖和苗种培育,首次应用在对水环境和水质 有较高要求的鱼类增殖站,有效地解决了水电工程 鱼类增殖放流站面临的水土资源有限、所在区域对 水环境要求严格等诸多问题。2010年4月,贵州 省水力发电工程学会组织专家对《乌江索风营鱼类 增殖放流站鱼类循环水养殖系统研究及应用》成果 进行鉴定,鉴定专家组认为:项目填补了我国珍稀 鱼类在循环水养殖系统中养殖技术的空白,该项目 经运行应用效果十分显著,对类似鱼类增殖放流站 具有示范和推广作用,项目总体水平达到国内先进 水平。该项目已在思林等电站推广应用。 3 小结 索风营水电站工程已经过了6年运行的实践检 验,没有出现任何质量问题。大坝已经住受蓄水发 电、多年正常蓄水位运行和泄洪等考验,大坝碾压 会颁发的“中国电力优质工程奖”,荣获2009年 中国投资协会颁发的“优质投资建设项目奖”,荣 获2008年度贵州省“黄果树杯”优质施工工程 奖,荣获2008年度贵州省优秀工程勘察一等奖、 设计一等奖,荣获2007年度中国水利水电建设集 团公司“优质工程奖”。 索风营水电站工程于2002年7月26日正式开 工,同年12月18日工程截流,实现了“当年开 工,当年截流”的目标;2006年6月3台机组全 部投入运行。截止2011年4月30日,已连续实现 安全生产2082 d,累计发电量94亿kW・h,创造 经济效益约20亿元。 参考文献: [1]王宝仲.索风营水电站岩锚梁混凝土温度裂缝与控制 [J].贵州水力发电,2006,(04). 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