CN112681406A - 一种炭质岩边坡稳定性监测设备及监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种炭质岩边坡稳定性监测设备及监测方法，包括从上至下依次同轴连接的边坡变形测试器、含水率测试器和热导率测试器；边坡变形测试器包括铝管和若干个呈阵列式布设的应变片；应变片用于监测铝管在不同高度和不同周向角度上的变形；含水率测试器包括环氧树脂柱和若干根不锈钢棒；若干根不锈钢棒沿周向均匀嵌套在环氧树脂柱的外圆周面上，每根不锈钢棒均具有裸露外壁面；热导率测试器用于测试炭质岩边坡中的热导率；每个应变片和热导率测试器，均与数据采集器相连接；数据采集器中内置有电磁波发生器和电磁波接收器。本发明能够解决炭质岩边坡施工安全隐患预报的问题，节约了社会资源，具有良好的经济效益和工程应用前景。

Description

一种炭质岩边坡稳定性监测设备及监测方法

技术领域

本发明涉及岩土工程边坡监测领域，特别是一种炭质岩边坡稳定性监测设备及监测方法。

背景技术

边坡失稳是建筑施工中经常发生的事故，即使是很小的塌方也会对工人造成严重伤害。因此，应采取若干安全措施防止边坡破坏，在炭质岩边坡开挖工地，通常有临时挡土墙来支撑斜坡。此外，当斜坡发生破坏变形时，单靠人眼观测很难预测边坡的破坏。需要使用监测传感器来识别斜坡中的微小移动，这些微小的位移可以表明边坡破坏的威胁是否增加。这些传感器提供早期警报，使施工人员能够提前逃离受灾区域。考虑到使用环境，监测传感器必须安装迅速，操作方便。

目前边坡变形监测主要使用测斜仪，测斜仪需要人工每天测量，而且测试精度不是高。另外，传统边坡变形监测无法实时反映炭质岩体自身物理性质(含水率、热导率)的变化，而这些物理性质的变化，对于边坡变形、破坏的预警是非常重要的。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种炭质岩边坡稳定性监测设备及监测方法，该炭质岩边坡稳定性监测设备及监测方法能够解决炭质岩边坡施工安全隐患预报的问题，节约了社会资源，具有良好的经济效益和工程应用前景。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种炭质岩边坡稳定性监测设备，包括数据采集器、以及从上至下依次同轴连接的边坡变形测试器、含水率测试器和热导率测试器。

边坡变形测试器包括铝管和若干个应变片。若干个应变片呈阵列式布设在铝管的内壁面，用于监测铝管在不同高度和不同周向角度上的变形。

含水率测试器包括环氧树脂柱和若干根不锈钢棒。若干根不锈钢棒沿周向均匀嵌套在环氧树脂柱的外圆周面上，每根不锈钢棒均具有裸露外壁面。

热导率测试器用于测试炭质岩边坡中的热导率。

每个应变片和热导率测试器，均与数据采集器相连接。数据采集器中内置有电磁波发生器和电磁波接收器。其中，电磁波发生器用于向不锈钢棒发射电磁信号。电磁波接收器用于接收不锈钢棒返回的电磁信号。

热导率测试器包括从上至下依次同轴连接的环氧树脂衬垫和陶瓷尖端。在陶瓷尖端的中心设置有沿轴向的热传感器探头。

热传感器探头中内置有加热元件和康铜线。

铝管、环氧树脂柱和热导率测试器的外径均相等。

铝管厚度为2mm，沿周向，相邻两个应变片的夹角为90°。

不锈钢棒的数量为三根，相邻两根不锈钢棒之间的夹角为120°。

一种炭质岩边坡稳定性监测方法，包括如下步骤。

步骤1、选择监测点：在炭质岩边坡上选择需要稳定性监测的监测点。

步骤2、钻孔：在每个监测点均竖直钻孔。

步骤3、放置监测设备：在每个监测点的钻孔内，各放置一个炭质岩边坡稳定性监测设备。并将每个炭质岩边坡稳定性监测设备中的应变片和热导率测试器，均与数据采集器相连接。

步骤4、数据采集：数据采集器按照设定时间间隔，对每个应变片、含水率测试器和热导率测试器的数据进行采集，分别得到应变片应变数据、不锈钢棒电磁回波数据和热导率数据。

步骤5、计算炭质岩边坡位移：数据采集器将步骤4采集的数据传输给计算机，计算机根据得到的每个应变片的应变数据，分析得出铝管的变形部位和变形量，由于铝管随炭质岩边坡变形，进而得出炭质岩边坡的变形部位和位移量。

步骤6、计算炭质岩边坡吸水率累积增量，计算方法包括如下步骤：

步骤61、记录炭质岩边坡初始含水率W0：将炭质岩边坡稳定性监测设备插设在对应监测点钻孔的初始时刻，含水率测试器测量得到的含水率，记为初始含水率W0。其中，含水率的计算方法为：根据不锈钢棒电磁回波数据，利用TDR测试方法测量得到炭质岩边坡的含水率。

步骤62、记录炭质岩边坡实时含水率W1：按照对应间隔时间，含水率测试器测量得到的含水率，记为实时含水率W1。

步骤63、计算炭质岩边坡吸水率累积增量ΔW：炭质岩边坡吸水率累积增量ΔW的计算公式为：

ΔW＝(W1-W0)/W0*100％

步骤7、计算炭质岩边坡热导率累积增量ΔT，计算方法包括如下步骤：

步骤71、记录炭质岩边坡初始热导率T0：将炭质岩边坡稳定性监测设备插设在对应监测点钻孔的初始时刻，热导率测试器测量得到的热导率，记为初始热导率T0。

步骤72、记录炭质岩边坡实时热导率T1：按照对应间隔时间，热导率测试器测量得到的热导率，记为实时热导率T1。

步骤73、计算炭质岩边坡热导率累积增量ΔT：炭质岩边坡热导率累积增量ΔT的计算公式为：

ΔT＝(T1-T0)/T0*100％

步骤8、炭质岩边坡稳定性预测：炭质岩边坡稳定性的评估条件为：

(2)炭质岩边坡的变形部位和位移量小于设定阈值。

(2)炭质岩边坡的吸水率累积增量应小于0.6％。

(3)炭质岩边坡的热导率累积增量应小于0.5W/K·w。

当上述评估条件(1)～(3)，任一项不满足时，则认为炭质岩边坡失稳，并进行预警。

步骤5中，假设边坡变形测试器中的应变片呈n行m列的阵列分布，n行应变片沿轴向从下至上的编号分别为1、2、3、……、i-1、i、……、n。相邻两行应变片在未插入钻孔前的垂直间距为△L。则第i行应变片所对应的炭质岩边坡位移X_i的计算方法，包括如下步骤：

步骤51、计算拉伸面与压缩面的长度差值，具体计算公式如下：

D_2i-D_1i＝2ε_iL₀ (1)

D_2(i-1)-D_1(i-1)＝2ε_i-1L₀ (2)

其中：

D_2i是第i行拉伸面的长度。D_2(i-1)是第i-1行拉伸面的长度。

D_1i是第i行压缩面的长度。D_1(i-1)是第i-1行压缩面的长度。

L₀是单个应变片沿轴向的初始长度，ε_i表示第i行铝管的轴向应变，通过第i行的m个应变片测量获得。ε_i-1表示第i-1行铝管的轴向应变，通过第i-1行的m个应变片测量获得。

步骤52、计算铝管相对于垂直方向的变形角度φ_i和φ_i-1，具体计算公式如下：

其中：

φ_i是第i行对应铝管相对于垂直方向的变形角度。

φ_i-1是第i-1行对应铝管相对于垂直方向的变形角度。

R1是压缩面的曲率半径。R2是拉伸面的曲率半径。

步骤53，计算第i行应变片所对应的炭质岩边坡位移X_i，具体计算公式如下：

其中，X_i-1为第i-1行应变片所对应的炭质岩边坡位移，△L是相邻两行应变片在未插入钻孔前的垂直间距；其中，令X₁＝0，φ₁＝0。

本发明具有如下有益效果：

1、根据炭质岩特性进行监测，该测试设备具有安装操作简单、测试结果精确度高、节约监测成本显著等优点，具有良好的社会经济效益和工程应用前景。

2、本发明中炭质岩的含水率与其电化学性质相关，测出炭质岩的介电常数就可以计算出炭质岩的含水率，电磁波通过不锈钢棒在炭质岩之间进行传播，可以计算出炭质岩的介电常数，从而得到炭质岩的含水率。

3、铝管随炭质岩边坡变形，根据应变片测的弯曲应变来计算出铝管的变形，从而得出炭质岩边坡的变形。

4、本发明在对炭质岩边坡施工中存在的安全隐患进行监测的同时，还能进行预测。

5、监测的仪器成本低，具有良好的社会效益和经济效益。测试设备对环境无任何危害、安装操作简单、可大范围布置、长期监测、测试结果精确度高、节约监测成本、符合可持续发展的理念，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1显示了本发明一种炭质岩边坡稳定性监测设备的结构示意图。

图2显示了本发明一种炭质岩边坡稳定性监测设备的变形示意图。

图3显示了铝管的横截面示意图。

图4显示了含水率测试器的横截面示意图。

图5显示了热导率测试器的纵截面示意图。

其中有：

1、炭质岩边坡；2.1、采集器端连接线；2.2、铝管端连接线；3、应变片连接线；

4、铝管；5、应变片；6、含水率测试器；7、不锈钢棒；8、环氧树脂柱；9、热导率测试器；10、数据线接头；11、数据采集器；12.热传感器探头；13.陶瓷尖端；14.环氧树脂衬垫14。

具体实施方式

下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。

如图1所示，一种炭质岩边坡稳定性监测设备，包括数据采集器11、以及从上至下依次同轴连接的边坡变形测试器、含水率测试器6和热导率测试器9。

边坡变形测试器包括铝管4和若干个应变片5。

铝管的厚度(壁厚)优选为2mm，外径优选为40mm，内径优选为38mm，高度优选为1m。铝管的壁厚和外径是根据边坡监测的特性进行选择，铝管不能太厚，太厚会影响测试精度，这些参数跟变形计算公式对应，不能随便跟改。

铝管的中心沿轴向设置有铝管端连接线2.2，铝管端连接线的顶端通过可拆卸的数据线接头10与数据采集器11的采集器端连接线2.1相连接。

若干个应变片呈阵列(n行m列)式布设在铝管的内壁面，用于监测铝管在不同高度和不同周向角度上的变形。

每个应变片均优选通过一根应变片连接线3与铝管端连接线相连接。

n行应变片用于监测铝管在不同高度上的变形，n行应变片沿轴向从上至下的编号分别为1、2、3、……、i-1、i、……、n，相邻两行应变片的垂直间距相等，且均为△L；本实施例中，优选△L＝50mm。

每行中的m个应变片沿周向均匀布设在铝管的内壁面，用于不同周向角度上的变形。本实施例中，优选m＝4，如图3所示，每行中相邻两个应变片之间的夹角为90°。

含水率测试器包括环氧树脂柱8和若干根不锈钢棒7。

环氧树脂柱呈圆柱形，直径优选40mm，高优选为200mm，与铝管可以胶粘或螺杆固定。

若干根不锈钢棒沿周向均匀嵌套在环氧树脂柱的外圆周面上，每根不锈钢棒均具有裸露外壁面。

不锈钢棒采用不锈钢制成，不锈钢棒的直径优选3mm，长度优选为180mm，如图4所示，不锈钢棒之间的夹角为120°，不锈钢棒的裸露外壁面能与炭质岩边坡相接触。

热导率测试器用于测试炭质岩边坡中的热导率，热导率测试器9优选为圆柱形，直径优选40mm，高优选50mm。

如图5所示，热导率测试器包括从上至下依次同轴连接的环氧树脂衬垫14和陶瓷尖端13，陶瓷尖端是包裹热传感探头的陶瓷材料，用于保护热传感器探头，同时也是热量传递的均匀介质，能使热传感器探头测量更加精确。热传感器探头，在一定功率和时间的情况下，测量温度的变化，就可以得出炭质岩的导热系数。

在陶瓷尖端的中心设置有沿轴向的热传感器探头12。

热传感器探头中内置有加热元件和康铜线，热传感器探头的测量精度优选为0.2℃，热传感器探头中的康铜线从顶部的环氧树脂衬垫伸出，并与铝管端连接线相连接。

数据采集器中内置有电磁波发生器和电磁波接收器。其中，电磁波发生器用于向不锈钢棒发射电磁信号。电磁波接收器用于接收不锈钢棒返回的电磁信号。

一种炭质岩边坡稳定性监测方法，包括如下步骤。

步骤1、选择监测点：在炭质岩边坡上选择需要稳定性监测的监测点，如坡顶、坡脚、出现直观裂缝、差异沉降的位置等。

步骤2、钻孔：在每个监测点均竖直钻孔，钻孔深度优选为1.25m，孔径优选为42mm。

步骤3、放置监测设备：在每个监测点的钻孔内，各放置一个炭质岩边坡稳定性监测设备。并将每个炭质岩边坡稳定性监测设备中的应变片和热导率测试器，均与数据采集器相连接。

监测设备的放置方法优选为：将监测设备运送到现场，运送过程中保护好监测设备，避免碰撞，确保监测设备的安全，然后将监测设备放入钻孔内，有数据线接头10的朝上，放入过程缓慢稳定，避免监测设备和钻孔的孔壁碰撞，将数据采集器11的数据线接头接上监测设备，检查监测设备各部件是否正常工作。

步骤4、数据采集：数据采集器按照设定时间间隔(优选为每天采集一次)，对每个应变片、含水率测试器和热导率测试器的数据进行采集，分别得到应变片应变数据、不锈钢棒电磁回波数据和热导率数据。

本实施例中，数据采集器11优选按20Hz的频率采集应变片5和热导率测试器9数据。

步骤5、计算炭质岩边坡位移：数据采集器将步骤4采集的数据传输给计算机，计算机根据得到的每个应变片的应变数据，分析得出铝管的变形部位和变形量，由于铝管随炭质岩边坡变形，进而得出炭质岩边坡的变形部位和位移量。

假设边坡变形测试器中的应变片呈n行m列的阵列分布，n行应变片沿轴向从下至上的编号分别为1、2、3、……、i-1、i、……、n。相邻两行应变片在未插入钻孔前的垂直间距为△L。则第i行应变片所对应的炭质岩边坡位移X_i的计算方法，包括如下步骤：

步骤51、计算拉伸面与压缩面的长度差值，具体计算公式如下：

D_2i-D_1i＝2ε_iL₀ (1)

D_2(i-1)-D_1(i-1)＝2ε_i-1L₀ (2)

其中：

D_2i是第i行拉伸面的长度。D_2(i-1)是第i-1行拉伸面的长度。

D_1i是第i行压缩面的长度。D_1(i-1)是第i-1行压缩面的长度。

L₀是单个应变片沿轴向的初始长度，ε_i表示第i行铝管的轴向应变，通过第i行的m个应变片测量获得。ε_i-1表示第i-1行铝管的轴向应变，通过第i-1行的m个应变片测量获得。

步骤52、计算铝管相对于垂直方向的变形角度φ_i和φ_i-1，具体计算公式如下：

其中：

φ_i是第i行对应铝管相对于垂直方向的变形角度。

φ_i-1是第i-1行对应铝管相对于垂直方向的变形角度。

R1是压缩面的曲率半径。R2是拉伸面的曲率半径。

步骤53，计算第i行应变片所对应的炭质岩边坡位移X_i，具体计算公式如下：

其中，X_i-1为第i-1行应变片所对应的炭质岩边坡位移，△L是相邻两行应变片在未插入钻孔前的垂直间距；其中，令X₁＝0，φ₁＝0。

步骤6、计算炭质岩边坡吸水率累积增量，计算方法包括如下步骤：

步骤61、记录炭质岩边坡初始含水率W0：将炭质岩边坡稳定性监测设备插设在对应监测点钻孔的初始时刻，含水率测试器测量得到的含水率，记为初始含水率W0。其中，含水率的计算方法为：根据不锈钢棒电磁回波数据，利用TDR测试方法测量得到炭质岩边坡的含水率。

步骤62、记录炭质岩边坡实时含水率W1：按照对应间隔时间，含水率测试器测量得到的含水率，记为实时含水率W1。

步骤63、计算炭质岩边坡吸水率累积增量ΔW：炭质岩边坡吸水率累积增量ΔW的计算公式为：

ΔW＝(W1-W0)/W0*100％

炭质岩具有受热失水崩解、开裂的特性，进而影响炭质岩边坡的整体稳定性，故而热导率和含水率将作为评价/监测炭质岩边坡稳定的一个重要指标。

步骤7、计算炭质岩边坡热导率累积增量ΔT，计算方法包括如下步骤：

步骤71、记录炭质岩边坡初始热导率T0：将炭质岩边坡稳定性监测设备插设在对应监测点钻孔的初始时刻，热导率测试器测量得到的热导率，记为初始热导率T0。

步骤72、记录炭质岩边坡实时热导率T1：按照对应间隔时间，热导率测试器测量得到的热导率，记为实时热导率T1。

步骤73、计算炭质岩边坡热导率累积增量ΔT：炭质岩边坡热导率累积增量ΔT的计算公式为：

ΔT＝(T1-T0)/T0*100％

步骤8、炭质岩边坡稳定性预测：炭质岩边坡稳定性的评估条件为：

(1)炭质岩边坡的变形部位和位移量小于设定阈值。

(2)炭质岩边坡的吸水率累积增量应小于0.6％。

(3)炭质岩边坡的热导率累积增量应小于0.5W/K·w。

当上述评估条件(1)～(3)，任一项不满足时，则认为炭质岩边坡失稳，并进行预警。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种炭质岩边坡稳定性监测设备，其特征在于：包括数据采集器、以及从上至下依次同轴连接的边坡变形测试器、含水率测试器和热导率测试器；

边坡变形测试器包括铝管和若干个应变片；若干个应变片呈阵列式布设在铝管的内壁面，用于监测铝管在不同高度和不同周向角度上的变形；

含水率测试器包括环氧树脂柱和若干根不锈钢棒；若干根不锈钢棒沿周向均匀嵌套在环氧树脂柱的外圆周面上，每根不锈钢棒均具有裸露外壁面；

热导率测试器用于测试炭质岩边坡中的热导率；

每个应变片和热导率测试器，均与数据采集器相连接；数据采集器中内置有电磁波发生器和电磁波接收器；其中，电磁波发生器用于向不锈钢棒发射电磁信号；电磁波接收器用于接收不锈钢棒返回的电磁信号。

2.根据权利要求1所述的炭质岩边坡稳定性监测设备，其特征在于：热导率测试器包括从上至下依次同轴连接的环氧树脂衬垫和陶瓷尖端；在陶瓷尖端的中心设置有沿轴向的热传感器探头。

3.根据权利要求2所述的炭质岩边坡稳定性监测设备，其特征在于：热传感器探头中内置有加热元件和康铜线。

4.根据权利要求1所述的炭质岩边坡稳定性监测设备，其特征在于：铝管、环氧树脂柱和热导率测试器的外径均相等。

5.根据权利要求1所述的炭质岩边坡稳定性监测设备，其特征在于：铝管厚度为2mm，沿周向，相邻两个应变片的夹角为90°。

6.根据权利要求1所述的炭质岩边坡稳定性监测设备，其特征在于：不锈钢棒的数量为三根，相邻两根不锈钢棒之间的夹角为120°。

7.一种炭质岩边坡稳定性监测方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1、选择监测点：在炭质岩边坡上选择需要稳定性监测的监测点；

步骤2、钻孔：在每个监测点均竖直钻孔；

步骤3、放置监测设备：在每个监测点的钻孔内，各放置一个炭质岩边坡稳定性监测设备；并将每个炭质岩边坡稳定性监测设备中的应变片和热导率测试器，均与数据采集器相连接；

步骤4、数据采集：数据采集器按照设定时间间隔，对每个应变片、含水率测试器和热导率测试器的数据进行采集，分别得到应变片应变数据、不锈钢棒电磁回波数据和热导率数据；

步骤5、计算炭质岩边坡位移：数据采集器将步骤4采集的数据传输给计算机，计算机根据得到的每个应变片的应变数据，分析得出铝管的变形部位和变形量，由于铝管随炭质岩边坡变形，进而得出炭质岩边坡的变形部位和位移量；

步骤6、计算炭质岩边坡吸水率累积增量，计算方法包括如下步骤：

步骤61、记录炭质岩边坡初始含水率W0：将炭质岩边坡稳定性监测设备插设在对应监测点钻孔的初始时刻，含水率测试器测量得到的含水率，记为初始含水率W0；其中，含水率的计算方法为：根据不锈钢棒电磁回波数据，利用TDR测试方法测量得到炭质岩边坡的含水率；

步骤62、记录炭质岩边坡实时含水率W1：按照对应间隔时间，含水率测试器测量得到的含水率，记为实时含水率W1；

步骤63、计算炭质岩边坡吸水率累积增量ΔW：炭质岩边坡吸水率累积增量ΔW的计算公式为：

ΔW＝(W1-W0)/W0*100％

步骤7、计算炭质岩边坡热导率累积增量ΔT，计算方法包括如下步骤：

步骤71、记录炭质岩边坡初始热导率T0：将炭质岩边坡稳定性监测设备插设在对应监测点钻孔的初始时刻，热导率测试器测量得到的热导率，记为初始热导率T0；

步骤72、记录炭质岩边坡实时热导率T1：按照对应间隔时间，热导率测试器测量得到的热导率，记为实时热导率T1；

步骤73、计算炭质岩边坡热导率累积增量ΔT：炭质岩边坡热导率累积增量ΔT的计算公式为：

ΔT＝(T1-T0)/T0*100％

步骤8、炭质岩边坡稳定性预测：炭质岩边坡稳定性的评估条件为：

(1)炭质岩边坡的变形部位和位移量小于设定阈值；

(2)炭质岩边坡的吸水率累积增量应小于0.6％；

(3)炭质岩边坡的热导率累积增量应小于0.5W/K·w；

当上述评估条件(1)～(3)，任一项不满足时，则认为炭质岩边坡失稳，并进行预警。

8.根据权利要求7所述的炭质岩边坡稳定性监测方法，其特征在于：步骤5中，假设边坡变形测试器中的应变片呈n行m列的阵列分布，n行应变片沿轴向从下至上的编号分别为1、2、3、……、i-1、i、……、n；相邻两行应变片在未插入钻孔前的垂直间距为△L；则第i行应变片所对应的炭质岩边坡位移X_i的计算方法，包括如下步骤：

步骤51、计算拉伸面与压缩面的长度差值，具体计算公式如下：

D_2i-D_1i＝2ε_iL₀ (1)

D_2(i-1)-D_1(i-1)＝2ε_i-1L₀ (2)

其中：

D_2i是第i行拉伸面的长度；D_2(i-1)是第i-1行拉伸面的长度；

D_1i是第i行压缩面的长度；D_1(i-1)是第i-1行压缩面的长度；

L₀是单个应变片沿轴向的初始长度，ε_i表示第i行铝管的轴向应变，通过第i行的m个应变片测量获得；ε_i-1表示第i-1行铝管的轴向应变，通过第i-1行的m个应变片测量获得；

步骤52、计算铝管相对于垂直方向的变形角度φ_i和φ_i-1，具体计算公式如下：

其中：

φ_i是第i行对应铝管相对于垂直方向的变形角度；

φ_i-1是第i-1行对应铝管相对于垂直方向的变形角度；

R1是压缩面的曲率半径；R2是拉伸面的曲率半径；

步骤53，计算第i行应变片所对应的炭质岩边坡位移X_i，具体计算公式如下：

其中，X_i-1为第i-1行应变片所对应的炭质岩边坡位移，△L是相邻两行应变片在未插入钻孔前的垂直间距；其中，令X₁＝0，φ₁＝0。

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