CN110413019B - 衬砌混凝土内部温度控制通水冷却自动化方法以及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种衬砌混凝土内部温度控制通水冷却自动化方法以及系统,科学实现衬砌混凝土内部温度控制通水冷却自动化控制。本方法的特征在于包括:步骤1.按照预设方案对混凝土进行通水冷却,记录通水时间,并且通过埋设在混凝土内部的温度传感器实时采集混凝土内部温度,将第i次采集混凝土内部温度记为Ti,相应的通水时间记为ti,开始通水冷却时间t0=0;步骤2.基于采集到的混凝土内部温度Ti和相应的通水时间记为ti,确定通水冷却措施;步骤3.若连续N次,都处于Ti‑1-Ti≥0.0052℃的情况,或者满足条件ti>24×dj+26,表明该衬砌结构的通水冷却过程已完成,可关闭通水冷却自动化系统。
Description
技术领域
本发明属于衬砌混凝土温控防裂技术领域,具体涉及一种衬砌混凝土内部温度控制通水冷却自动化方法以及系统。
背景技术
衬砌是土木工程广泛采用的一种结构。衬砌混凝土由于水泥等胶凝材料的水化热作用会升温而产生很高的内部温度,如三峡水利枢纽永久船闸中输水洞衬砌混凝土内部最高温度达到近60℃,小浪底水电站输水洞衬砌混凝土内部最高温度达到70℃余。衬砌结构的厚度小,大多强度高(如大型水电站泄洪洞强度达到C50、C60),内部温度高,温降幅度大,温升温降速度快,受到围岩和支护结构等极强约束的薄壁衬砌,在施工期容易发生温度裂缝, 而且大多是贯穿性危害裂缝。如图1所示,裂缝的处理严重影响工程的进度工期和造价,未能修复完善的贯穿性裂缝(一般都难以达到原混凝土结构性能)严重影响衬砌结构的耐久性和寿命,甚至导致渗漏和威胁工程安全。喷射状态的漏水(东深供水雁田隧洞)还直接危害人的健康与舒适度。
在混凝土内埋设冷却水管通水冷却,可以有效降低结构混凝土内部最高温度和内外温差,是一种极为有效的温控防裂施工措施,在各类土木建筑大体积混凝土工程建设中广泛采用。在地下水工衬砌混凝土温控防裂中采取通水冷却措施,最早于1999年在研究三峡永久船闸地下输水洞衬砌混凝土温控防裂中提出,在中隔墩输水洞衬砌混凝土温控施工中采用,取得一定效果。后来,在三峡右岸地下电站发电洞有压段衬砌混凝土温控防裂施工中全面采用。特别是,在溪洛渡、白鹤滩、乌东德等水电站地下工程混凝土温控防裂施工中全面采用。如图2是白鹤滩水电站泄洪洞衬砌混凝土采用埋设水管通水冷却情况。
现行有关设计规范对于地下洞室工程衬砌混凝土温度控制与通水冷却一般都缺乏明确与具体的规定。如《水工隧洞设计规范》(DL/T5195-2004)仅在11.2.6条要求“温度变化、混凝土干缩和膨胀所产生的应力及灌浆压力对衬砌的影响,宜通过施工措施及构造措施解决。对于高温地区产生的温度应力,应进行专门的研究”。因此水利水电枢纽工程中地下洞室衬砌混凝土的通水冷却都是参考大坝大体积混凝土通水冷却的方法。
通水冷却在坝工混凝土温控中一般分3期采用:初期,目的是控制最高温度,尽可能降低最高温度,也就尽可能采用低温水和大流量;中期,目的是控制内外温差,水温宜适当;后期,目的是控制接缝灌浆后坝体降至稳定温度的温降幅度。但无论是哪一期,都需要控制坝体混凝土与冷却水之间的温差和温降速度,以及各期通水时间。坝体混凝土与冷却水之间的温差,各规范控制值基本一致,为20℃~25℃。温降速度,各规范控制值有较大差别,坝工规范为1.0℃/日;水工混凝土施工规范规定初期为1.0℃/日,中期为0.5℃/日。通水时间,坝工规范中没有详细规定;水工混凝土施工规范规定,初期冷却可取10~20d,中期通水冷却宜为1~2个月左右。另外,水工混凝土施工规范还规定初期通水管中水的流速宜为 0.6~0.7m/s,水流方向应每24h调换1次。而衬砌混凝土的厚度小,温降快,施工期只有一次温升温降过程,显然这些控制指标不适用。而且,在通水冷却的过程中,过去都是采用人工控制,温度控制效果与人的责任心、天气等环境影响都有关系。
综合以上情况说明,目前采用的衬砌结构混凝土内部温度控制通水冷却方法,科学性差、技术落后、理论方法支撑不足、混凝土温度控制保障差、不经济,不能有效实现衬砌混凝土温控防裂目标。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的,目的在于提供一种衬砌混凝土内部温度控制通水冷却自动化方法以及系统,科学实现衬砌混凝土内部温度控制通水冷却自动化控制。
本发明为了实现上述目的,采用了以下方案:
<方法>
本发明提供一种衬砌混凝土内部温度控制通水冷却自动化方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1.按照预设方案对混凝土进行通水冷却,记录通水时间,并且通过埋设在混凝土内部的温度传感器实时采集混凝土内部温度,将第i次采集混凝土内部温度记为Ti,相应的通水时间记为ti,开始通水冷却时间t0=0;
步骤2.基于采集到的混凝土内部温度Ti和相应的通水时间ti,确定通水冷却措施,包括:
步骤2-1.若Ti≥Ti-1,属于温升阶段,继续通水,并记录相应的通水时间ti,ti=ti-1+1/12h;
步骤2-2.若Ti<Ti-1,属于温降阶段,采取间歇性通水控制温降速率,具体包括以下两个阶段:
步骤2-2-1.在ti≤24×dj的情况下,处于温降第1阶段(最大内表温差发生之前):
在本第1阶段中,若Ti-1-Ti<0.01042℃,则继续通水;若Ti-1-Ti≥0.01042℃则关闭电磁阀暂时停止通水冷却,并记录相应的通水时间ti,ti=ti-1+1/12h;
其中,dj=2.2×H+0.004×C-0.02×(T0+Tg)+2,单位为:天(d),
式中:dj为衬砌混凝土最大内表温差发生龄期(d);H为衬砌混凝土结构厚度(m);C为衬砌混凝土强度等级(MPa);T0为衬砌混凝土浇筑温度(℃);Tg为通水冷却等效水温值(℃),Tg=35-Tw,Tw为通水冷却水温(℃);
步骤2-2-2.在ti>24×dj的情况下,处于第2阶段(最大内表温差发生之后):
在本第2阶段中若Ti-1-Ti<0.0052℃,则继续通水,令ni=0,并记录相应的通水时间 ti;若Ti-1-Ti≥0.0052℃,则暂时停止通水冷却,并记录暂时停止通水冷却的次数ni=ni-1+1 和相应的时间ti,ti=ti-1+1/12h;
步骤3.若连续N次都处于Ti-1-Ti≥0.0052℃的情况,或者满足条件ti>24×dj+26,表明该衬砌结构的通水冷却过程已完成,衬砌混凝土内部最高温度不会再回升,可关闭通水冷却自动化系统。
优选地,本发明提供的衬砌混凝土内部温度控制通水冷却自动化方法,还可以具有以下特征:通水时间记录间隔为4~8分钟,混凝土内部温度采集间隔与通水时间记录间隔相同 (同步进行)。
优选地,本发明提供的衬砌混凝土内部温度控制通水冷却自动化方法,还可以具有以下特征:在步骤2中,当未进行通水冷却时,Tw=35℃。
优选地,本发明提供的衬砌混凝土内部温度控制通水冷却自动化方法,还可以具有以下特征:在步骤3中,N=200~300次。
优选地,本发明提供的衬砌混凝土内部温度控制通水冷却自动化方法,还可以具有以下特征:混凝土内部温度采集间隔与通水时间记录间隔均为5分钟,ti=ti-1+1/12h,在步骤3中, N=288次。
<系统>
本发明还提供一种衬砌混凝土内部温度控制通水冷却自动化系统,包括:水冷部,用于对混凝土进行通水冷却,包括:布设在衬砌混凝土各个区域上的通水管道,和安装在管道进水口出的开关机构;测温部,包括至少一个埋设在混凝土内部的温度传感器;记时部,记录水冷部的通水冷却时间;控制部,与水冷部、测温部、记时部相通信连接,获取水冷部、测温部、和记时部的数据,并根据权利要求1至5中任意一项的衬砌混凝土内部温度控制通水冷却自动化方法控制水冷部、测温部和记时部运行。
发明的作用与效果
(1)本发明可以适用于任何衬砌结构(包括不同土木工程类型、不同结构形式、不同厚度、不同强度等)进行衬砌混凝土通水冷却自动化和温度控制。如果需要,也可以调整混凝土允许温降速率适用于不同工程混凝土内部温度温降控制情况。
(2)本发明科学实现混凝土内部温度控制通水冷却自动化。通过实时采集混凝土内部温度,在温升阶段全时通水尽可能降低内部最高温度;在温降阶段间歇性通水控制内部温度降低速度。混凝土内部温度控制过程,无需人工控制,自动化实现,降低了劳动强度,避免了人为误差,保证了通水冷却质量。
(3)本发明科学性强,分阶段控制通水冷却,在温升阶段全时通水尽可能降低内部最高温度,减小了冬季温降差,减小了冬季温降拉应力(也是减小了最大拉应力),减小了产生温度裂缝风险;在温降阶段间歇性通水控制内部温度降低速度,避免了早期温降快,避免过早产生较大拉应力,防止早期温降裂缝。
(4)本发明设备制造简单而且价格低廉,自动化通水冷却系统布置、安装和操作简单实用,实时自动化控制混凝土内部温度,没有人为影响,降低劳动强度和节约人工费,混凝土温控防裂质量高。
附图说明
图1为背景技术中涉及的三板溪水电站泄洪洞裂缝情况图,其中(a)为整体图,(b)为局部放大图;
图2为本发明实施例中涉及的白鹤滩水电站2#泄洪洞139单元衬砌断面的结构示意图;
图3为本发明实施例中涉及的通水冷却自动化系统的部分结构示意图;
图4为本发明实施例中铺设的衬砌混凝土通水冷却水管的结构示意图;
图5为本发明实施例中涉及的白鹤滩水电站2#泄洪洞边墙衬砌混凝土中铺设的通水冷却水管现场图;
图6为本发明实施例中涉及的白鹤滩水电站2#泄洪洞139单元衬砌混凝土通水冷却水管与供水主管相连接的现场图;
图7为本发明实施例中涉及的白鹤滩水电站2#泄洪洞139单元衬砌混凝土温度传感器的安装情况的现场图;
图8为本发明实施例中涉及的控制部的现场图;
图9为本发明实施例中涉及的混凝土内部温度控制通水冷却自动化方法的流程图;
图10为本发明实施例中涉及的白鹤滩水电站2#泄洪洞边墙衬砌第139单元通水冷却智能控制与衬砌混凝土温度历时曲线图。
具体实施方式
以下结合附图,以如图2所示的白鹤滩水电站2#泄洪洞139单元衬砌混凝土为例,对本发明涉及的衬砌混凝土内部温度控制通水冷却自动化方法以及系统的具体实施方案进行详细地说明。
<实施例>
一、白鹤滩水电站基本资料
白鹤滩水电站位于金沙江下游四川省宁南县和云南省巧家县境内,是长江开发治理的控制性工程。电站装机容量14004MW,多年平均发电量602.41亿kW·h,是全世界第2大水电站(仅次于三峡)。枢纽工程由拦河坝、泄洪消能建筑物和引水发电系统等主要建筑物组成。拦河坝为混凝土双曲拱坝,最大坝高289.0m。泄洪设施包括大坝的6个表孔、7个深孔和左岸的3条泄洪隧洞。地下厂房系统采用首部开发方案,分别对称布置在左、右两岸,厂房内各安装8台水轮发电机组。
2#泄洪洞洞身第139单元,城门洞形衬砌,边墙衬砌厚度1.5m,沿泄洪洞轴线方向每隔 12m设置环向施工分缝,IV类围岩,衬砌结构的底板和边墙为C9040低热水泥混凝土,顶拱为 C9030低热水泥混凝土,如图2所示。设计混凝土浇筑温度18℃,边墙衬砌混凝土内部设计允许最高温度为41℃。采用常温自来水保湿养护90d,通水冷却控制混凝土内部温度。衬砌混凝土分3期浇筑,先浇边墙(12m+2.5m),30天后浇顶拱,然后浇筑底板(15m)。
二、通水冷却自动化系统构建
2#泄平洞洞身边墙衬砌第139单元混凝土浇筑时段:2018.11.9(07:50)-2018.11.10 (14:20)。如图3~8所示,构建通水冷却自动化系统:
1)布置安装通水冷却水管(通水管道)
如图3~5所示,在泄洪洞2#结构段边墙衬砌第139单元混凝土内布置通水冷却水管。通水冷却水管,包括衬砌混凝土内部通水冷却水管和供水水管两部分。衬砌混凝土内部通水冷却水管的布置,由于衬砌结构的厚度较小,沿衬砌边墙高度方向平面只布置一层水管,间距 1.0~1.5m,本实施例中为1.5m。如图4所示,通水冷却的进出水管,集中在同一侧。供水水管,由施工供水主管ф50mm引出外径ф30mm的分支与通水冷却进水管连接。如图3所示,在分支水管进入仓面通水冷却之前,先连接电磁阀,具体情况见图6白鹤滩泄洪洞衬砌混凝土通水冷却电磁阀连接和与施工供水主管连接照片。
2)安装电磁阀(开关机构)
如图3所示,在分支水管进入仓面通水冷却之前,先连接电磁阀,电磁阀的电缆与通水冷却自动化控制器(控制部)连接,具体情况见图8白鹤滩泄洪洞衬砌混凝土通水冷却电磁阀连接和与施工供水主管连接照片。电磁阀型式选择,需要与通水冷却自动化控制器配套,水管外径ф30mm与通水冷却水管一致。
3)安装混凝土内部温度采集的温度传感器(测温部)
将温度传感器安装衬砌混凝土内部,温度传感器电缆与通水冷却自动化控制器连接,如图6所示。具体情况见图8白鹤滩泄洪洞衬砌混凝土通水冷却温度传感器埋设安装和电缆线引出照片。
4)安装控制部
如图3和8所示,控制部包括控制柜、自动化控制器、安全控制开关、连接电缆等。控制柜是内部安装通水冷却自动化控制器、安全控制开关的集成。控制柜必须防潮、防水,并有足够的防碰撞能力,满足有关规范要求。为适应复杂工程环境的多个混凝土养护面的需求,控制柜内部可以采取安装单个、两个、甚至多个通水冷却自动化控制器的方式。各个通水冷却自动化控制器承担一个浇筑仓衬砌混凝土的通水冷却控制。控制柜及其通水冷却自动化控制器的电缆由施工电缆供电,必须按照电路安全要求布置与连接。控制柜必须固定安装在安全、不受到施工、喷水等影响的位置。电力电缆由施工供电引入,在控制柜中先连接安全控制开关(包括保险装置),再引入通水冷却自动化控制器。通水冷却自动化控制器,混凝土温度采集接口与温度计电缆连接,控制接口与电磁阀电缆连接。通水冷却自动化控制器通过采集混凝土内部温度,控制电磁阀的开、关控制通水冷却。
本实施例中,由于设备耗电量小,由供电电缆引线至插座,通过插座自动化控制器连接,安全可靠。自动化控制器、插座、连接电缆等集中安装在控制柜。控制柜固定安装在绗车轨道(已经浇筑完成混凝土的一侧)上,安全、不受到施工、喷水等影响的位置。电力电缆由施工供电引入,在控制柜中先连接安全控制开关(包括保险装置),再引入通水冷却自动化控制器。通水冷却自动化控制器,混凝土温度采集接口与温度计电缆连接,控制接口与电磁阀电缆连接。
5)安装温度传感器(测温部)
温度传感器于2018年11月8日上午安装就位,为核对通水冷却智能控制及其温度控制效果,在边墙衬砌混凝土中心位置相隔大约20cm埋设两个温度传感器,一个温度传感器连接于自动化控制器(微型计算机),另一个温度传感器采用二次仪表人工测量混凝土内部温度。
全部通水冷却自动化系统于2018年11月8日上午安装就位,并进行通水冷却、温度监测、智能控制等调试。
三、衬砌结构混凝土内部温度通水冷却自动化控制与效果
在混凝土浇筑过程,2018年11月9日9:00混凝土覆盖将近二分之一边墙高度范围的冷却水管,合上控制柜内部安全控制开关,启动通水冷却自动化控制器,按照上文发明内容所描述的方案开始进行自动化通水冷却控制,并且采集和记录间隔均为5分钟。
通水冷却自动化控制系统于2018年11月9日9:00开始打开,此时浇筑混凝土恰好淹没温度计,自动化控制器开始实时测量混凝土温度数据,并开始控制电磁阀通水冷却。通水冷自动化控制结束于2018年11月15日3:55,历时140.917h(5天18小时55分钟)。
具体成果整理分析如下:
施工单位全过程对混凝土浇筑时的环境温度、混凝土入仓温度和浇筑温度进行了监测,结果列于下表1。环境气温平均值为15.9℃,混凝土入仓温度平均值为12.8℃,混凝土浇筑温度平均值为14.6℃。通水冷却采用常温水。
表1白鹤滩水电站2#泄洪洞洞身边墙衬砌第139单元温度统计表
2018年11月9日9:00时浇筑混凝土开始淹没温度计,此时智能控制器开始实时测量混凝土温度数据,并开始智能控制电磁阀进行通水冷却。通水冷自动化控制结束于2018年11月15日3:55,历时140.917h。实际测量和控制混凝土内部温度历时曲线如图10中实线,人工测量混凝土内部温度历时曲线如图10中虚线,自动化控制器通过电磁阀控制通水冷却过程如图10中的点划线。2#泄平洞洞身边墙衬砌第139单元混凝土覆盖时温度:左边墙为15.0℃,历时41小时达最高温度29.8℃,最大温升14.8℃。
通过对2#泄洪洞边墙衬砌第139单元混凝土采用通水冷却自动化控制,混凝土内部最高温度和温降速度等都得到有效控制。具体表现在:
(1)实测混凝土内部最高温度29.8℃,远小于允许设计最高温度41℃,混凝土内部最高温度得到有效控制。
(2)从41h开始温降,至205h,历时8.5d,总温降11.5℃,实测温降过程的温降速度1.35℃/d,平均温降速度得到有效控制。
(3)自动化控制器控制终止通水冷却的时间(亦即龄期)140.917h(5天20小时55分钟)。
按照本发明方法,在ti>24×dj的第2阶段,若连续N=288次都处于Ti-1-Ti≥0.0052℃的情况,或者ti>24×dj+26小时,则自动终止通水冷却。
dj为衬砌混凝土最大内表温差发生龄期(d),dj=2.2×H+0.004×C-0.02×(T0+Tg)+2,将H=1.5m,C=40MPa,T0=14.6℃,Tg=35-16=19℃,代入计算得dj=4.778d,即114.912小时。则24×dj+26=140.912小时。自动化控制时,按照每隔5分钟时间进行数据采集与控制,所以计算最终停止通水冷却时间应该是140.917小时,即5天20小时55分钟。
(4)为了进一步核实2#泄洪洞边墙衬砌第139单元混凝土内部温度智能控制的效果、原理的正确性,在内部温度下降、终止通水冷却后仍然进行温度监测(人工监测、智能监测),直至2018年11月18日8:00,衬砌第139单元混凝土的内部温度,没有再发生升温,一直保持小于1.0℃/d下降,最终进入随着洞内气温周期循环。
(5)白鹤滩水电站2#泄平洞洞身边墙衬砌第139单元混凝土,从2018年11月至2019年6月已经历冬季(冬季洞内温度最低期,温降幅度最大,最容易产生温度裂缝)“可能产生温度裂缝期”,没有发生任何裂缝,取得温控防裂显著效果。
以上实施例结果表明,本发明通过实时采集混凝土内部温度,科学实现混凝土内部温度控制通水冷却自动化。混凝土内部温度控制过程,无需人工控制,自动化实现,降低了劳动强度,避免了人为误差,保证了通水冷却质量。本发明方法科学科学性强。分阶段控制通水冷却,在温升阶段全时通水尽可能降低内部最高温度,减小了冬季温降差,减小了冬季温降拉应力(也是减小了最大拉应力),减小了产生温度裂缝风险;在温降阶段间歇性通水控制内部温度降低速度,避免了早期温降快,避免过早产生较大拉应力,防止早期温降裂缝。
本发明方法科学,设备制造简单而且价格低廉,自动化通水冷却系统布置、安装和操作简单实用,实时自动化控制混凝土内部温度,没有人为影响,降低劳动强度和节约人工费,混凝土温控防裂质量高。
上述实施例仅仅是对本发明技术方案所做的举例说明。本发明所涉及的衬砌混凝土内部温度控制通水冷却自动化方法以及系统并不仅仅限定于在以上实施例中所描述的内容,而是以权利要求所限定的范围为准。本发明所属领域技术人员在该实施例的基础上所做的任何修改或补充或等效替换,都在本发明的权利要求所要求保护的范围内。
Claims (6)
1.一种衬砌混凝土内部温度控制通水冷却自动化方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1.按照预设方案对混凝土进行通水冷却,记录通水时间,并且通过埋设在混凝土内部的温度传感器实时采集混凝土内部温度,将第i次采集混凝土内部温度记为Ti,相应的通水时间记为ti,开始通水冷却时间t0=0;
步骤2.基于采集到的混凝土内部温度Ti和相应的通水时间ti,确定通水冷却措施,包括:
步骤2-1.若Ti≥Ti-1,属于温升阶段,继续通水,并记录相应的通水时间ti;
步骤2-2.若Ti<Ti-1,属于温降阶段,采取间歇性通水控制温降速率,具体包括以下两个阶段:
步骤2-2-1.在ti≤24×dj的情况下,处于最大内表温差发生之前的温降第1阶段:
在本第1阶段中,若Ti-1-Ti<0.01042℃,则继续通水;若Ti-1-Ti≥0.01042℃则关闭电磁阀暂时停止通水冷却,并记录相应的通水时间ti;
其中,dj=2.2×H+0.004×C-0.02×(T0+Tg)+2,
式中:dj为衬砌混凝土最大内表温差发生龄期;H为衬砌混凝土结构厚度;C为衬砌混凝土强度等级;T0为衬砌混凝土浇筑温度;Tg为通水冷却等效水温值,Tg=35-Tw,Tw为通水冷却水温;
步骤2-2-2.在ti>24×dj的情况下,处于最大内表温差发生之后的第2阶段:
在本第2阶段中若Ti-1-Ti<0.0052℃,则继续通水,令ni=0,并记录相应的通水时间ti;若Ti-1-Ti≥0.0052℃,则暂时停止通水冷却,并记录暂时停止通水冷却的次数ni=ni-1+1和相应的通水时间ti;
步骤3.若连续N次都处于Ti-1-Ti≥0.0052℃的情况,或者满足条件ti>24×dj+26,表明该衬砌结构的通水冷却过程已完成,可关闭通水冷却自动化系统。
2.根据权利要求1所述的衬砌混凝土内部温度控制通水冷却自动化方法,其特征在于:
其中,通水时间记录间隔为4~8分钟,混凝土内部温度采集间隔与通水时间记录间隔相同。
3.根据权利要求1所述的衬砌混凝土内部温度控制通水冷却自动化方法,其特征在于:
其中,在步骤2中,当未进行通水冷却时,Tw=35℃。
4.根据权利要求1所述的衬砌混凝土内部温度控制通水冷却自动化方法,其特征在于:
其中,在步骤3中,N=200~300次。
5.根据权利要求2所述的衬砌混凝土内部温度控制通水冷却自动化方法,其特征在于:
其中,混凝土内部温度采集间隔为5分钟,在步骤3中,N=288次。
6.一种衬砌混凝土内部温度控制通水冷却自动化系统,其特征在于,包括:
水冷部,用于对混凝土进行通水冷却,包括:布设在衬砌混凝土各个区域上的通水管道,和安装在管道进水口出的开关机构;
测温部,包括至少一个埋设在混凝土内部的温度传感器;
记时部,记录所述水冷部的通水冷却时间;
控制部,与所述水冷部、所述测温部、所述记时部相通信连接,获取所述水冷部、所述测温部、和所述记时部的数据,并根据权利要求1至5中任意一项所述的衬砌混凝土内部温度控制通水冷却自动化方法控制所述水冷部、所述测温部和所述记时部运行。
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