CN110714444B - 水动力联动冲淤排沙设施 - Google Patents

Abstract

一种水动力联动冲淤排沙设施，所属领域为水利工程技术，适用于水利工程沉沙池的技术改造中，在沉沙池中，利用半U形侧壁的水槽（1）及其孔口（2）所形成的集束射流推冲沉沙池侧边底部的淤泥沉沙、利用全U形槽和钢筋砼盖板构建的排沙管道顶部盖板孔口（3）所形成的旋涡水流拉动沉沙池中间的淤泥沉沙混合水体，利用设于沉沙池中部的全U形排沙管道（4）所形成的旋切水流输送淤沉沙混合水体、将全U形排沙管道与原排沙管（5）封闭连接后，通过闸阀（6）控制的新设置的排沙管（7）所形成的虹吸水流的作用，将沉沙池内的淤泥沉沙混合水体排走；即利用水的推冲、涡拉、旋送、虹吸一系列水动力的联动作用，清除沉沙池内的淤泥沉沙；水动力联动冲淤排沙设施还能应用于其他需要排沙冲淤的水利工程沉沙池中。

Description

水动力联动冲淤排沙设施

所属技术领域

一种水动力联动冲淤排沙设施，所属领域为水利工程技术，适用于水利工程沉沙池的技术改造中，在沉沙池中，利用半U形侧壁的水槽及其孔口所形成的集束射流推冲沉沙池侧边底部的淤泥沉沙、利用全U形槽和钢筋砼盖板构建的排沙管道顶部盖板孔口所形成的旋涡水流拉动沉沙池中间的淤泥沉沙混合水体，利用设于沉沙池中部的全U形排沙管道所形成的旋切水流输送淤沉沙混合水体、将全U形排沙管道与原排沙管⑤封闭连接后，通过闸阀控制的新设置的排沙管所形成的虹吸水流的作用，将沉沙池内的淤泥沉沙混合水体排走；即利用水的推冲、涡拉、旋送、虹吸一系列水动力的联动作用，清除沉沙池内的淤泥沉沙；水动力联动冲淤排沙设施还能应用于其他需要排沙冲淤的水利工程沉沙池中。

背景技术

目前，水利工程在取用水之前大都建有沉沙池，在沉沙池下部均设有排沙管道和闸阀，但由于沉沙池的面积较大，而相对应的排沙管道断面面积过小，过流能力受到限制，沉沙池底部很难形成能冲淤的水流条件，使得沉沙池的淤泥沉沙不能顺利地排除，就是利用洪水期间水多之时打开闸阀冲淤也不能有理想的效果，只能排除位于排沙管进口附近一定范围内的淤泥沉沙，因而池内的淤泥沉沙越积越多，特别是沉沙池两边的侧壁和底部相交处的直角，更易沉积泥沙，因而沉沙池内的淤泥沉沙，最后只能通过停水用人力清淤，不仅造成人力物力资源的浪费，也影响工程的正常运转。水动力联动冲淤排沙设施能在原有的沉沙池基础上，通过技术改造措施，形成能利用水的冲推、涡拉、旋送、虹吸一系列水动力的联动作用达到清除沉沙池内的淤泥沉沙的目的。

发明内容

为了改变沉沙池底部很难形成冲淤排沙的水流条件、改善沉沙池侧壁和底部相交的直角处的淤泥沉沙易沉积的问题，水动力联动冲淤排沙设施在沉沙池上，通过工程技术改造措施，形成能利用半U形侧壁的水槽及其底部孔口所形成的集束射流推冲沉沙池侧边底部的淤泥沉沙至沉沙池中部、利用全U形槽排沙管道顶部盖板孔口所形成的旋涡水流拉动沉沙池中部的沉沙，利用设于沉沙池中部的全U形排沙管道所形成的旋切水流输送淤泥沉沙和水的混合体、最后通过排沙管的虹吸水流的作用，将沉沙池内的淤泥沉沙排走。即利用水的推冲、涡拉、旋送、虹吸一系列水动力的联动作用，清除沉沙池内的淤泥沉沙。

附图说明

附图说明

下面结合附图和实例对本实用新型技术作进一步说明。

本实用新型技术的工作原理：沉沙池侧边利用半U形构件建立水槽，水槽底部每隔500毫米设一内大外小的孔口，产生集束水流扰动冲推沉沙池侧边的淤泥沉沙至沉沙池中部，沉沙池中部每隔500毫米布设的孔口旋涡水流涡拉底部沉沙至排沙管道，排沙管道产生的旋切水流输送淤泥沉沙水的混合体至虹吸排沙管，虹吸排沙管的虹吸作用加大冲淤排沙能力，将沉沙池内淤泥沉沙排除。

图1是本实用新型技术水动力联动冲淤排沙设施的标准横剖面图。

图1中：1、半U形的侧边水槽；2、水槽下部的集束水流孔口；3、全U 形排沙管道；4、排沙管道顶板出水孔；5、原有排沙管进口管；6、原有控制闸阀；7、排沙管接至出口消力池。

图2是水动力联动冲淤排沙设施在渠道沉沙池应用中的A--A剖面图。

图3是水动力联动冲淤排沙设施在渠道沉沙池应用中的平面布置图。

图4是水动力联动冲淤排沙设施在渠道沉沙池应用中的纵剖面图。

图5是水动力联动冲淤排沙设施在河床沉沙池应用中的A--A剖面图。

图6是水动力联动冲淤排沙设施在河床沉沙池应用中的平面布置图。

图7是水动力联动冲淤排沙设施在河床沉沙池应用中的纵剖面图。

图8是水动力联动冲淤排沙设施在压力前池沉沙池应用中的A--A剖面图。

图9是水动力联动冲淤排沙设施在压力前池沉沙池应用中的平面布置图。

图10是水动力联动冲淤排沙设施在压力前池沉沙池应用中的纵剖面图。

实施方式

在沉沙池侧边利用半U形构件构建底部为弧状的水槽，使侧壁底部的淤泥沉沙不易沉积；水槽底部每隔500毫米设一内大外小的孔口，产生集束水流冲推沉沙池侧边的沉沙至沉沙池中部，沉沙池中部每隔500毫米布设的孔口旋涡水流涡拉底部沉沙至全U形排沙管道，全U形排沙管道产生的旋切水流输送沉沙至虹吸排沙管，虹吸排沙管的虹吸作用加大排沙能力，将沉沙池内的淤泥沉沙排除。

水动力联动冲淤排沙设施所采用的技术方案是：在水利工程的沉沙池顺水流方向利用半U型构件构建侧边的弧状水槽，在弧状水槽底部每隔500毫米留一个内大外小的孔口，孔直径外口为120毫米，内口为180毫米，使其能产生集束射流来冲推沉沙池弧状侧壁边和底部的沉沙，在沉沙池弧状边壁的竖向水流和底部锥形孔口的集束水流的冲推作用下，将沉沙池侧边的淤泥沉沙冲推至池中部。在池中部视原排沙管道和闸阀的排水能力和沉沙的用水取水口的深度情况，用现浇C20砼建造合适的全U型输沙管道，在U形排沙管道顶部加盖一边有上大下小的锥形孔口的顶板，孔距500毫米，孔直径下口为100毫米，上口为140毫米，能使其孔口形成旋涡水流，将沉沙池中部的淤泥沉沙涡拉入全U 形排沙管道，由于其顶部盖板只有一边有孔口，能使全U形排沙管道内形成旋切水流输送淤泥沉沙的混合水体，输送至排沙管道后，排沙管道在虹吸的作用下能快速地将淤泥沉沙排除。新建的U形排沙管道与原排沙管道连接后，原有的排沙闸阀后面须新接驳一条至少与沉沙池水面高差达到3米以上的与原排沙管一样大小的管道，管道出口处建一消力水池，在消力水池内的水深应能淹没排沙管高度300毫米以上，以使排沙管与池内的U形排沙管道之间能形成虹吸流，加大吸、排泥沙混合水体的效果。水动力联动冲淤排沙设施通过一系列的工程措施后，形成能利用侧壁的水槽及其底孔所形成的集束水流冲推沉沙池侧壁和底部的淤泥沉沙、利用全U形排沙管道顶部盖板孔口所形成的旋涡水流涡拉沉沙池中间底部的淤泥沉沙，利用全U形管道所形成的水沙旋切流输送泥沙混合水体、最后通过排沙管的虹吸作用，将淤泥沉沙混合水体吸排走。即利用水的冲推、涡拉、旋送、虹吸一系列水动力联动作用，清除沉沙池内的淤泥沉沙。

当采用现浇法施工工艺建造时，在沉沙池左右的内侧壁弧状与斜直线相交以上浇筑厚度为120毫米的砼，底部外侧为弧形槽壁，内侧壁斜直线延至池底，顶端与池壁相交，在池两边构筑成一个底部能形成集束水流的水槽，水槽底部空间宽度大于500毫米，侧槽每距离500毫米设一横向隔墙，用M10水泥沙浆砌1/2砖，隔墙内布设二排孔口，上部的三角形孔口高度在一个平面上，下部的孔口高度不在一个高程平面，错开布设，其目的是使槽内水流能上下窜动；水槽底部每隔500毫米设一外直径为120毫米，内直径为180毫米的孔口，以使水槽底部的孔口产生的集束水流冲向水槽外侧底部，而水槽外壁也是一个底部弧状的侧壁，在集束水流的横向水力冲击和侧壁竖向水流的冲推作用下，其沉沙易于流向沉沙池的中部而不淤积在侧壁附近。在沉沙池的中部布设合适的全U 形的排沙管道，其顶部用厚60毫米的C20砼板封盖，盖板在一边每隔500毫米布设一个锥孔，锥孔上口直径140毫米，下口直径100毫米，以使其形成一边带砼锥孔盖板封闭的能涡拉水沙混合体的管道。盖板的顶部所开锥形口而形成一个产生旋涡水流的孔口出流冲入全U形排沙管道，孔口中心正对全U构件的弧形与直段交汇处，使冲入管道的水沙能沿着U形槽管的内壁方向运动而产生旋切水流，利用旋切的水流输送水沙混合体而不致淤泥沉沙淤积；U形排沙管道接至原排沙管进口，与其封闭连接，形成一个能排水沙混合体的封闭通道，产生一定的真空吸力，在下游的虹吸管的虹吸作用下加快排沙管道内的水流，更能加剧管道内水流的紊动。为了使管道内的水流能产生挟沙的紊流，虹吸管的进出口的高差一定要保证使管道内的水流速度能达到紊动水沙流的临界流速 2.5米/秒以上，因此其出口管应尽可能的长，以使其高差更大。虹吸管的出口处的水深一定要使虹吸管能产生真空而能发生虹吸作用。原有的排沙闸阀后面新接驳一条与沉沙池水面至少高差达到3米以上的与原排沙管一样大小的管道，管道出口处建一消力水池，水池内的水深应能淹没排沙管高度300毫米以上，以使排沙管与池内的U形排沙廊道之间能形成虹吸流，加大吸、排水沙混合体的效果。

为了使水动力联动冲淤排沙设施能发挥更好的作用，U形构件需要采用内壁有一段斜坡为14度的直线与U形中部的圆弧相切，以便用半U形构件建造的侧壁的水槽外侧能形成一个弧状表面，易于泥沙的清除；用全U形构件建造的输沙管道有一定的高度，更有利于顶部盖板的锥孔涡冲而形成旋切水流输送水沙混合体。

水动力联动冲淤排沙设施的侧面集水槽的半U形边外壁和中部的全U形输沙管道的建造，不仅仅限于采用现浇工艺来实现，也可使用预制构件拼装的方法来实现，使用预制构件拼装的方法能加快建造的速度，而现浇施工工艺则建造的时间较长。

采用预制构件拼装工艺是：在原有的沉沙池左右侧壁用半U形构件构筑成一个底部能形成集束水流的水槽，其顶部用M10水泥沙浆砌筑1/2砖加高至与沉沙池墙一样高，而且水槽的进出口保持同样的宽度与沉沙池进出口池壁相接，以使池内底孔能形成有一定水量和高度的压力水流，水槽底部每隔500毫米设一宽度40毫米，内侧高180毫米，外侧高120毫米的内大外小的锥形孔口，水槽底部的孔口产生的集束水流冲向水槽外侧底部，而水槽外壁是一个底部弧状的侧壁，在集束水流的横向水力冲击和侧壁竖向水流的冲推作用下，其沉沙易于流向沉沙池的中部而不淤积在侧壁附近；在沉沙池的中部布设全U形的构件，构件砌筑后用C20砼、厚60毫米的钢筋砼板封盖U形构件顶，盖板在一边每隔 500毫米布设一个上大下小的锥状孔，锥孔上口直径140毫米，下口直径100毫米，以使其形成一边带砼锥孔盖板封闭的排水沙的管道。盖板的顶部所开锥形口而形成一个产生旋涡水流的孔口出流冲入全U形排沙管道，孔口中心正对全 U构件的弧形与直段交汇处，使冲入管道的水沙混合体能沿着U形槽的内壁方向运动而产生旋切水流，利用旋切的水流输送水沙混合体而不致泥沙的淤积；U 形排沙管道接至原排沙管进口，与其封闭连接，形成一个排水沙的封闭通道，产生一定的真空吸力，在下游的虹吸管的虹吸作用下加快排沙管道内的水沙混合水体的流动，更能加剧排沙管道内水流的紊动。

水动力联动冲淤排沙设施用于新建沉沙池项目时，能优化工程的设计，隔墙用预制钢筋混凝土带孔板，板厚120毫米，高1000毫米，上宽250毫米，下宽500毫米，沉沙池外池壁钢筋混凝土厚度可减至200毫米，通过隔墙预制钢筋混凝土带孔板与内壁相连接而形成一个有中肋的板式结构，加强了结构的刚度和稳定性。

水动力联动冲淤排沙设施设计说明：

1、本图尺寸单位为毫米，高程为米，比例见图示。

2、水动力冲沙设施的原理：利用水的推冲力、涡拉力、旋切力和虹吸力的联合作用来排除沉沙池内的淤泥沉沙，其关键技术措施是在沉沙池内两侧设置底部有锥孔的侧边弧状水槽；在沉沙池中部则设置U型排沙管道，管道面板的一边设置锥孔，新设置的排沙管道和原有的排沙管封建制度闭连接后形成具有虹吸作用的排沙管道及其启闭设施。即在沉沙池上，利用侧边蓄水槽及其底部孔口所形成的集束射流推冲沉沙池侧边底部的淤泥沉沙至沉沙池中部、利用全U 形槽排沙管道顶部盖板孔口所形成的旋涡水流涡拉沉沙池中部的淤泥沉沙；而排沙管道内的淤泥沉沙和水形成的泥沙混合水体因为其上部只由一边的锥孔流入，其水沙泥混合体直接冲在U形槽壁上且沿着槽壁作弧切运动而形成旋切水流，有利于泥沙混合体的输送；最后通过排沙管的虹吸水流的作用，将沉沙池内的淤泥沉沙排走。沉沙池的平面尺寸根据水工建筑物的需要设置，但不宜小于宽度4米，长度6米，高度2.5米。

3、侧边蓄水槽的设置原则：以往的沉沙池由于其侧壁都是直立的，两侧壁附近的淤泥沉沙一般很难排除。为利于沉沙池沉沙的排除，将侧壁改造为底部弧形、侧壁有一定坡度的结构形式，这个侧壁是在一般的沉沙池内增设的，侧壁与沉沙池外墙之间应有一蓄水空间，因此其顶端最小间隙应不小于250毫米、底部最小间隙应不小于500毫米。用型号为D120的半U形槽板可形成这个侧边水槽。这个半U形槽板的底部为半径600毫米的弧形，上部直线段为4∶1的斜坡，高度为980毫米。本实例利用这个U形槽板将上部斜坡段延至2000毫米的高度，其侧壁砼浇铸厚度150毫米，侧壁顶部与沉沙池侧墙内侧相距250毫米；所设置的侧壁内面为坡度4∶1的斜坡，从壁顶一直延至壁底，其底部空隙达到750毫米；在侧壁底部设置直径由大变小的孔口，即直径由180毫米变至 120毫米的锥孔，孔距500毫米；为便于侧壁板的安放，每隔500毫米布设一条厚约120毫米的带孔口的砖砌体，以使侧槽能互相连通；这样两边侧槽所形成的侧边蓄水槽通过底孔的集束水流的推冲力，推冲沉沙池底部的淤泥沉沙，能将略有板结的淤泥沉沙冲动变松散，使之能易于被排沙管道的锥形孔口所形成的涡流涡拉入排沙管道内；侧槽底部与原沉沙池墙底部用半径300的园弧相切，形成底部为弧状的边墙，能使停滞于侧蓄水池内的淤泥沉沙更易排除。

4、底部有锥孔的U形排水沙管道的设置原则，分为在原有沉沙池内设置和在新建沉沙池内设置两种情况。

(1)、在原有沉沙池内设置：其排沙管道的U形槽板可直接置于原沉沙池底板上，但为了便于U形槽板的安装和稳固，应在沉沙池底板上浇筑厚60毫米的砼垫层，安放U形槽板于垫层上，同时将U形槽板两侧边用厚约60毫米的砼浇铸至槽板顶部，在顶部置放在一边设置有锥孔的60毫米厚的预制钢筋混凝土板，锥孔从大到小，直径从140至100毫米，孔距500毫米，孔中心至排沙管道内边距离120毫米；为减少投资，在排沙管道外边至原沉沙池墙之间的空隙，则用沙土充填至一定高度，在其上部浇灌厚约200毫米的砼作为沉沙池底，两边侧壁则安置于其上；为使侧壁内流出的淤泥淤沙排的更快更干净利落，在侧边壁底至中部的排沙管道顶部之间用一定的坡度陡于1∶100与之相接。

(2)、在新建沉沙池内设置：为了U形槽板的安装和稳固，在开挖好的地基上浇筑厚60毫米的砼垫层，安放U形槽板于垫层上，同时将U形槽板两侧边用厚约60毫米的砼浇铸至槽板顶部，在顶部置放一边带锥孔的60毫米厚的预制钢筋混凝土板，锥孔从大到小，直径从140至100毫米，孔距500毫米，孔中心至槽内边距离120毫米；在排沙管道顶部以下浇铸厚度200毫米的沉沙池底板，两边侧壁则安置于底板上；为使侧壁内流出的淤泥沉沙排的更快更干净利落，在侧边壁底至中部的排沙管道顶部之间用陡于1∶100的坡度与之相接。

5、排沙管道的设置原则：排沙管的大小原则上应根据沉沙池的大小即排水排沙的多少来决定，以使其管内流速大于不淤流速，但一般大于直径300毫米，为使管内水流形成一定的真空，能使管内水流形成虹吸流，其启闭须用闸阀控制；闸阀出口的管道应有一定的长度，有一定的水头高差，且其管口应浸没在消力池积水内，以使管道形成虹吸水流，发挥其排水排沙的能力。

有益效果

水动力联动冲淤排沙设施，利用水的推冲、涡拉、旋送、虹吸一系列水动力的联动作用，清除沉沙池内的淤泥沉沙。适用于水利工程沉沙池的技术改造中广泛推广应用。

大多数的水利工程在取用水之前都建有沉沙池，在沉沙池底部均设有排沙闸阀，但由于沉沙池的面积较大，而相对应的排沙闸阀的管道断面面积过小，过流能力受到限制，沉沙池底部很难形成能冲淤的水流条件，使得沉沙池的沉沙淤泥不能顺利地排除，就是利用洪水期间水多之时打开闸阀冲淤也不能有理想的效果，只能排除位于排沙管附近一定范围内的淤泥沉沙，因而池内的沉沙越积越多，最后只能通过停水用人力清淤，不仅造成人力物力资源的浪费，也影响工程的正常运转。本设施能在原有的沉沙池基础上，通过一些技术改造措施，利用水的冲推、涡拉、旋送、虹吸一系列水动力的联动作用，清除沉沙池内的淤泥沉沙。水动力联动冲淤排沙设施建造所需费用较省，建成后的使用效果却很显著，能利用水动力的联动作用清除沉沙池内的淤泥沉沙，不用停水停工清除沉沙池内的淤泥沉沙，能达到费省效宏的目标。

Claims (2)

1.一种水动力联动冲淤排沙设施，适用于水利工程沉沙池的技术改造中，其特征是：

在水利工程的沉沙池上，利用半U形侧壁的水槽及其孔口所形成的集束射流推冲沉沙池侧边底部的淤泥沉沙；利用全U形排沙管道顶部盖板孔口所形成的旋涡水流拉动沉沙池中间底部的淤泥沉沙；利用设于沉沙池中部的全U形排沙管道所形成的旋切水流输送淤泥沉沙的混合水体；最后通过闸阀控制的排沙管的虹吸水流的作用，将沉沙池内的淤泥沉沙排走，即利用水的推冲、涡拉、旋送、虹吸一系列水动力的联动作用，清除沉沙池内的淤泥沉沙；

当采取用现浇法施工工艺时，在沉沙池左右的内侧壁弧状与斜直线相交以上浇筑厚度为120毫米的砼，底部外侧为弧形槽壁，内侧壁斜直线延至池底，顶端与池壁相交，在池两边构筑成一个底部能形成集束水流的水槽，水槽底部空间宽度大于500毫米，侧水槽每距离500毫米设一横向隔墙，用M10水泥沙浆砌1/2砖，隔墙内布设二排孔口，上部的三角形孔口高度在一个平面上，下部的孔口高度不在一个高程平面，错开布设，其目的是使槽内水流上下窜动；水槽底部每隔500毫米设一外直径为120毫米，内直径为180毫米的孔口，以使水槽底部的孔口产生的集束水流冲向水槽外侧底部，而水槽外壁也是一个底部弧状的侧壁，在集束水流的横向水力冲击和侧壁竖向水流的冲推作用下，其淤泥沉沙易于流向沉沙池的中部而不淤积在侧壁附近；

在沉沙池的中部布设合适的全U形的排沙管道，其顶部用厚60毫米的C20钢筋砼板封盖，盖板在一边每隔500毫米布设一个锥孔，锥孔上口直径120毫米，下口直径100毫米，以使其形成一边带锥孔盖板封闭的排水沙的管道， 盖板的顶部所开锥形口而形成一个产生旋涡水流的孔口出流冲入全U形的冲淤排沙管道，孔口中心正对全U构件的弧形与直段交汇处，使冲入管道的水沙能沿着U形槽的内壁方向运动而产生旋切水流，利用旋动的水流输送淤泥沉沙的混合体而不致使淤泥沉沙淤积；

U形排沙管道接至原排沙管进口，与其封闭连接，形成一个能排水沙的封闭通道，在水流的作用下产生一定的真空吸力，在下游的虹吸管的虹吸作用下加快排沙管道内的水流，更能加剧道内水流的紊动， 为了使管道内的水流能产生挟沙的紊流，虹吸管的进出口的高差一定要保证使廊道内的水流速度能达到紊动水沙流的临界流速2.5米/秒以上，因此其出口管应尽可能的长，以使其高差更大， 虹吸管的出口处的水深一定要使虹吸管能产生真空而能发生虹吸作用；

水动力联动冲淤排沙设施中的侧面集水槽的半U形边外壁和中部的全U形输沙管道的建造，不仅仅限于采用现浇砼工艺来实现，也可使用砼预制构件拼装的方法来实现，使用预制构件拼装法能加快建造的速度，而现浇施工工艺法则建造的时间较长；

水动力联动冲淤排沙设施能用于新建沉沙池项目，当用于新建工程时优化工程的设计，隔墙用预制钢筋混凝土带孔板，板厚120毫米，高1000毫米，上宽250毫米，下宽500毫米，沉沙池外池壁钢筋混凝土厚度减至200毫米，通过隔墙预制钢筋混凝土带孔板与内壁相连接而形成一个有中肋的板式结构，加强了结构的刚度和稳定性。

2.根据权利要求 1 所述的 一种水动力联动冲淤排沙设施，其特征在于， 为了使水动力联动冲淤排沙设施能发挥更好的作用，U形构件需要采用内壁有一段斜坡为14度的直线与U形构件中部的圆弧相切，以便用半U形构件建造的侧壁的水槽外侧能形成一个弧状表面，易于泥沙的清除；用全U形构件建造的输沙廊道有一定的高度，更有利于顶部盖板的锥孔涡冲而形成旋切水流输送泥沙混合水体；

原有的排沙闸阀后面新接驳的管道与沉沙池水面的高差应达到3米以上，管道直径与原排沙管一样大小，管道出口处建一消力水池，水池内的水深应能淹没排沙管高度30厘米以上，以使排沙管与池内的U形排沙廊道之间能形成虹吸流，加大吸、排泥沙混合水体的效果；

在沉沙池进口须增设一个拦污栅，以拦截流入沉沙池内的污杂飘浮物品，拦污栅的栅栏纵横间距小于60毫米，目的是为了拦截大于60毫米的污杂飘浮物品，防止污杂飘浮物品堵塞排沙孔口。

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