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文檔簡介

1、重重慶慶交通大交通大學學河海河海學學院院第二章第二章 水工建筑物水工建筑物設(shè)計綜設(shè)計綜述述水水 工工 建建 筑筑 物物2.12.1 水利工程水利工程設(shè)計設(shè)計的任的任務(wù)務(wù)和特點和特點一、水利工程一、水利工程v 定義定義v 特點特點二、水利技術(shù)工作二、水利技術(shù)工作v 勘測:水文、氣象、地質(zhì)、地理、經(jīng)濟及社會信息??睖y:水文、氣象、地質(zhì)、地理、經(jīng)濟及社會信息。v 規(guī)劃:統(tǒng)一部署,主要依據(jù)社會現(xiàn)實、自然環(huán)境。規(guī)劃:統(tǒng)一部署,主要依據(jù)社會現(xiàn)實、自然環(huán)境。v 工程設(shè)計:運用科學技術(shù)、設(shè)計理論、設(shè)計原理工程設(shè)計:運用科學技術(shù)、設(shè)計理論、設(shè)計原理。v 工程施工:組織人力、物力高質(zhì)量完成任務(wù)。工程施工:組織人力

2、、物力高質(zhì)量完成任務(wù)。v 工程管理:已建成工程的調(diào)度、運行、維修、監(jiān)測、經(jīng)營工程管理:已建成工程的調(diào)度、運行、維修、監(jiān)測、經(jīng)營v 科技開發(fā):研究新理論、新材料、新工藝、新結(jié)構(gòu)等,以科技開發(fā):研究新理論、新材料、新工藝、新結(jié)構(gòu)等,以提高科技水平。提高科技水平。2.12.1 水利工程水利工程設(shè)計設(shè)計的任的任務(wù)務(wù)和特點和特點三、水利工程設(shè)計三、水利工程設(shè)計v設(shè)計一般步驟設(shè)計一般步驟技術(shù)預測技術(shù)預測信息分析信息分析科學類比科學類比系統(tǒng)分析系統(tǒng)分析方案設(shè)計方案設(shè)計功能分析功能分析安全分析安全分析施工方案施工方案經(jīng)濟分析經(jīng)濟分析綜合評價綜合評價各學科研制了對應(yīng)的軟件,便于工程師設(shè)計各學科研制了對應(yīng)的軟件,

3、便于工程師設(shè)計v水利工程的自身特點水利工程的自身特點n個性突出:幾乎每個工程均有其獨特的水文、地質(zhì)、個性突出:幾乎每個工程均有其獨特的水文、地質(zhì)、自然條件自然條件n規(guī)模大、風險大:需謹慎、嚴格,必要時需規(guī)模大、風險大:需謹慎、嚴格,必要時需試驗研究試驗研究n規(guī)程規(guī)范指導性強:總結(jié)歷史,參考經(jīng)驗,形成規(guī)程規(guī)程規(guī)范指導性強:總結(jié)歷史,參考經(jīng)驗,形成規(guī)程規(guī)范,少走彎路。規(guī)范,少走彎路。n施工外界干擾大施工外界干擾大2.12.1 水利工程水利工程設(shè)計設(shè)計的任的任務(wù)務(wù)和特點和特點2.12.1 水利工程水利工程設(shè)計設(shè)計的任的任務(wù)務(wù)和特點和特點四、設(shè)計工作水平四、設(shè)計工作水平 根據(jù)有無參考樣本和工程經(jīng)驗,可

4、分為以下幾種:根據(jù)有無參考樣本和工程經(jīng)驗,可分為以下幾種:v 開發(fā)型設(shè)計開發(fā)型設(shè)計:提出創(chuàng)造性的新型方案,但難度大、風險大、:提出創(chuàng)造性的新型方案,但難度大、風險大、投資高。投資高。v 更新型設(shè)計更新型設(shè)計:在常規(guī)型式、設(shè)計原理的基礎(chǔ)上改進局部建:在常規(guī)型式、設(shè)計原理的基礎(chǔ)上改進局部建筑物設(shè)計原理,如碾壓混凝土壩、面板堆石壩。筑物設(shè)計原理,如碾壓混凝土壩、面板堆石壩。v 適配型設(shè)計適配型設(shè)計:常規(guī)型式上選擇適當?shù)某叽纭⒉牧虾筒贾眯停撼R?guī)型式上選擇適當?shù)某叽?、材料和布置型式。式。v 工程設(shè)計優(yōu)劣的評價工程設(shè)計優(yōu)劣的評價n適用性、安全性、經(jīng)濟合理性適用性、安全性、經(jīng)濟合理性2.22.2 設(shè)計設(shè)計的

5、工作步的工作步驟驟一、水工建筑物設(shè)計一、水工建筑物設(shè)計v 水利工程建設(shè)的全過程是一個系統(tǒng)工程。水利工程建設(shè)的全過程是一個系統(tǒng)工程。關(guān)鍵環(huán)節(jié)設(shè)計工作者需站在全局的高度解決問題。功能需求、資金、人力投入,投資風險分析物力資源、結(jié)構(gòu)型式、工作特點,施工導流方案,環(huán)境影響等2.22.2 設(shè)計設(shè)計的工作步的工作步驟驟二、設(shè)計階段的工作步驟二、設(shè)計階段的工作步驟v 收集資料及信息收集資料及信息v 明確總體規(guī)劃及功能明確總體規(guī)劃及功能v 提出方案提出方案v 方案比選方案比選v 推薦方案推薦方案v 優(yōu)化設(shè)計和細部構(gòu)造優(yōu)化設(shè)計和細部構(gòu)造v 初定施工方案初定施工方案v 方案評價及驗證方案評價及驗證2.22.2 設(shè)

6、計設(shè)計的工作步的工作步驟驟三、分等和分級三、分等和分級1 1 水利工程水利工程( (水利樞紐水利樞紐) )的分等的分等工程失常影響效益,工程失事造成災難工程失常影響效益,工程失事造成災難 工程規(guī)模有大小,安全程度有高低工程規(guī)模有大小,安全程度有高低水利工程分等水利工程分等v級別:級別:五等五等v分等依據(jù):工程規(guī)模、效益、重要性分等依據(jù):工程規(guī)模、效益、重要性2.22.2 設(shè)計設(shè)計的工作步的工作步驟驟2 2 水工建筑物的分級水工建筑物的分級v級別:級別:五級五級永久性主要建筑物:大壩、廠房、泄洪閘永久性主要建筑物:大壩、廠房、泄洪閘永久性次要建筑物:擋墻、導墻、護岸永久性次要建筑物:擋墻、導墻、

7、護岸臨時建筑物:施工圍堰、導流建筑物臨時建筑物:施工圍堰、導流建筑物v分級依據(jù):工程等別、作用、重要性分級依據(jù):工程等別、作用、重要性水工建筑物水工建筑物3 3 不同級別水工建筑物有以下不同要求:不同級別水工建筑物有以下不同要求:v級別不同,設(shè)計基準期也不相同級別不同,設(shè)計基準期也不相同n是研究工程對策的參照年限,是為確定可變作用及與時間有關(guān)的材料是研究工程對策的參照年限,是為確定可變作用及與時間有關(guān)的材料性能取值而選用的時間參數(shù),它不等同于設(shè)計使用年限。性能取值而選用的時間參數(shù),它不等同于設(shè)計使用年限。n設(shè)計基準期是一個基準參數(shù),它的確定不僅涉及可變作用(荷載),設(shè)計基準期是一個基準參數(shù),它

8、的確定不僅涉及可變作用(荷載),還涉及材料性能,是在對大量實測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計的基礎(chǔ)上提出來的,還涉及材料性能,是在對大量實測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計的基礎(chǔ)上提出來的,一般情況下不能隨意更改。例如我國規(guī)范所采用的設(shè)計地震動參數(shù)一般情況下不能隨意更改。例如我國規(guī)范所采用的設(shè)計地震動參數(shù)(包括反映譜和地震最大加速度)的基準期為(包括反映譜和地震最大加速度)的基準期為50年,如果要求采用年,如果要求采用基準期為基準期為100年的設(shè)計地震動參數(shù),則不但要對地震動的概率分布年的設(shè)計地震動參數(shù),則不但要對地震動的概率分布進行專門研究,還要對建筑材料乃至設(shè)備的性能參數(shù)進行專門的統(tǒng)計進行專門研究,還要對建筑材料乃至設(shè)備的性能

9、參數(shù)進行專門的統(tǒng)計研究。研究。n水工建筑物在設(shè)計基準期內(nèi)的要求水工建筑物在設(shè)計基準期內(nèi)的要求n1 1級擋水建筑物為級擋水建筑物為100100年,其它永久建筑物為年,其它永久建筑物為5050年年2.2 設(shè)計的工作步驟設(shè)計的工作步驟2.2 設(shè)計的工作步驟設(shè)計的工作步驟v 級別不同,抗御災害能力也不同:防洪標準、抗震標準、級別不同,抗御災害能力也不同:防洪標準、抗震標準、壩頂超高壩頂超高v 級別不同,安全性不同級別不同,安全性不同n包括強度、穩(wěn)定、變形三方面包括強度、穩(wěn)定、變形三方面n水工建筑物的結(jié)構(gòu)安全級別水工建筑物的結(jié)構(gòu)安全級別v 級別不同,運行可靠性不同級別不同,運行可靠性不同v 級別不同,建

10、筑材料不同:品種、質(zhì)量、耐久性級別不同,建筑材料不同:品種、質(zhì)量、耐久性2.3 2.3 水工建筑物的安全性水工建筑物的安全性 一、水工建筑物失事統(tǒng)計一、水工建筑物失事統(tǒng)計統(tǒng)計歷史統(tǒng)計歷史1400014000座高于座高于15m15m的壩:的壩:1%1%統(tǒng)計近代的壩:統(tǒng)計近代的壩:0.20.2v大壩破壞率大壩破壞率v大壩失事原因統(tǒng)計大壩失事原因統(tǒng)計失事原因失事原因所占比例所占比例失事原因失事原因所占比例所占比例地基及周邊滲漏地基及周邊滲漏1616溫度裂縫溫度裂縫6 6地基失穩(wěn)地基失穩(wěn)1515蓄放水控制不當蓄放水控制不當5 5洪水漫頂洪水漫頂1212冰融作用冰融作用4 4壩體集中滲流壩體集中滲流11

11、11運用不當運用不當4 4浸蝕水、穴居動物浸蝕水、穴居動物9 9波浪作用波浪作用2 2地震地震6 6原因不明原因不明10102.3 2.3 水工建筑物的安全性水工建筑物的安全性v大壩失事時間大壩失事時間:一半以上失事集中在施工期(一半以上失事集中在施工期(16.7%)和使)和使用初期(用初期(26.8%)。)。事故或事故或失事失事壩型壩型事故或失事發(fā)生時間事故或失事發(fā)生時間施工中施工中第一次第一次蓄水蓄水建成建成5 5年內(nèi)年內(nèi)建成建成5 5年后年后不清楚不清楚事故事故(2013(2013件件) )混凝土及混凝土及砌石壩砌石壩2.62.64.64.64.24.211.711.710.810.8土

12、石壩土石壩6.96.910.510.511.911.920.020.016.816.8失事失事(108(108座座) )混凝土及混凝土及砌石壩砌石壩2.82.811.111.13.73.73.73.70.90.9土石壩土石壩13.913.915.715.713.013.030.530.54.74.7表表2-5 2-5 壩在壩在不同時刻不同時刻發(fā)生事故或失事所占百分比發(fā)生事故或失事所占百分比2.3 2.3 水工建筑物的安全性水工建筑物的安全性二、安全儲備二、安全儲備v設(shè)計標準明確規(guī)定設(shè)計標準明確規(guī)定:建筑物設(shè)計必需具有一定的安全儲備建筑物設(shè)計必需具有一定的安全儲備v安全儲備的表示方法安全儲備的表

13、示方法1.1. 單一安全系數(shù)法單一安全系數(shù)法2.2. 分項系數(shù)極限狀態(tài)設(shè)計法分項系數(shù)極限狀態(tài)設(shè)計法三、極限狀態(tài)三、極限狀態(tài)v極限狀態(tài)的定義極限狀態(tài)的定義當整個結(jié)構(gòu)(包括地基)或結(jié)構(gòu)的一部分超過某一特定狀當整個結(jié)構(gòu)(包括地基)或結(jié)構(gòu)的一部分超過某一特定狀態(tài),結(jié)構(gòu)就不能滿足設(shè)計規(guī)定的某種功能要求,這一特定態(tài),結(jié)構(gòu)就不能滿足設(shè)計規(guī)定的某種功能要求,這一特定狀態(tài)就叫該功能的極限狀態(tài)。狀態(tài)就叫該功能的極限狀態(tài)。2.3 2.3 水工建筑物的安全性水工建筑物的安全性v極限狀態(tài)設(shè)計分類極限狀態(tài)設(shè)計分類(1 1)承載能力極限狀態(tài))承載能力極限狀態(tài) 當出現(xiàn)下列狀態(tài)當出現(xiàn)下列狀態(tài)之一之一時,即認為超過了承載能力極限

14、狀態(tài):時,即認為超過了承載能力極限狀態(tài): 剛體失去平衡(如傾覆等剛體失去平衡(如傾覆等) ); 材料強度不足而破壞;材料強度不足而破壞; 結(jié)構(gòu)失穩(wěn)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)( (如壓屈等如壓屈等) ) ; 結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C動體系;結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C動體系; 結(jié)構(gòu)體產(chǎn)生滲透失穩(wěn)等現(xiàn)象;結(jié)構(gòu)體產(chǎn)生滲透失穩(wěn)等現(xiàn)象;(2 2)正常使用極限狀態(tài))正常使用極限狀態(tài)定義:當結(jié)構(gòu)或構(gòu)件影響正常使用或達到耐久性的極定義:當結(jié)構(gòu)或構(gòu)件影響正常使用或達到耐久性的極限值時,認為達到了正常使用極限狀態(tài)。限值時,認為達到了正常使用極限狀態(tài)。 影響結(jié)構(gòu)正常使用或外觀變形影響結(jié)構(gòu)正常使用或外觀變形 對運行人員、設(shè)備、儀表等有不良影響的振動對運行人員、設(shè)

15、備、儀表等有不良影響的振動 對結(jié)構(gòu)外形、耐久性以及防滲結(jié)構(gòu)抗?jié)B能力有不良影對結(jié)構(gòu)外形、耐久性以及防滲結(jié)構(gòu)抗?jié)B能力有不良影響的局部損壞(包括裂縫)等響的局部損壞(包括裂縫)等2.3 水工建筑物的安全性水工建筑物的安全性通俗的說:通俗的說:承載能力極限狀態(tài)是已經(jīng)破壞不能使用的狀態(tài)。承載能力極限狀態(tài)是已經(jīng)破壞不能使用的狀態(tài)。正常使用極限狀態(tài)是還可以勉強使用。正常使用極限狀態(tài)是還可以勉強使用。2.3 2.3 水工建筑物的安全性水工建筑物的安全性v 結(jié)構(gòu)功能函數(shù)結(jié)構(gòu)功能函數(shù)SRZ功能函數(shù)功能函數(shù)結(jié)構(gòu)抗力結(jié)構(gòu)抗力作用效應(yīng)作用效應(yīng)v 極限狀態(tài)方程極限狀態(tài)方程0SRZ12,nZg XXXc基本變量基本變量功能

16、限值功能限值12,0nZg XXXc2.3 2.3 水工建筑物的安全性水工建筑物的安全性四、設(shè)計準則四、設(shè)計準則v水工建筑物事故或失事的主要因素水工建筑物事故或失事的主要因素作用的不利性變異:實際值作用的不利性變異:實際值 設(shè)計值設(shè)計值抗力的不良性變異:實際值抗力的不良性變異:實際值 設(shè)計值設(shè)計值狀態(tài)方程表達不正確:抗力或作用效應(yīng)的表達、計算錯誤狀態(tài)方程表達不正確:抗力或作用效應(yīng)的表達、計算錯誤0ZRS1 1 單一安全系數(shù)法(水工規(guī)范)單一安全系數(shù)法(水工規(guī)范)表達式:表達式:安全系數(shù)安全系數(shù)K K考慮的因素考慮的因素 結(jié)構(gòu)的安全結(jié)構(gòu)的安全等級等級; 工作狀況和作用效應(yīng)工作狀況和作用效應(yīng)組合組

17、合; 結(jié)構(gòu)和地基的受力特點和計算方法結(jié)構(gòu)和地基的受力特點和計算方法: :模擬準確度模擬準確度 材料抗力、作用的實驗、勘測方法和取值規(guī)則。材料抗力、作用的實驗、勘測方法和取值規(guī)則。不足之處不足之處 是定性的標準,沒有定量的意義;是定性的標準,沒有定量的意義; 不同建筑物不可比較;不同建筑物不可比較; 同一結(jié)構(gòu)的不同破壞狀況之間不可比較。同一結(jié)構(gòu)的不同破壞狀況之間不可比較。2.3 2.3 水工建筑物的安全性水工建筑物的安全性 RRSKKS或2.3 2.3 水工建筑物的安全性水工建筑物的安全性2 2 分項系數(shù)極限狀態(tài)設(shè)計法分項系數(shù)極限狀態(tài)設(shè)計法理論理論基礎(chǔ):基于概率原理的基礎(chǔ):基于概率原理的結(jié)構(gòu)可靠

18、度分析理論結(jié)構(gòu)可靠度分析理論失效概率:不能完成預定功能的概率,失效概率:不能完成預定功能的概率,pf =Pg(.)100m,100m,庫容庫容55億億mm3 3(大(大2 2型)時需考慮型)時需考慮誘發(fā)地震。誘發(fā)地震。v地震測量:地震測量:地面加速度、峰值加速度,如地面加速度、峰值加速度,如6 6級地震的級地震的a a0.050.05g g。v水工建筑物的地震作用效應(yīng)水工建筑物的地震作用效應(yīng)斷層錯動斷層錯動砂土地層液化砂土地層液化庫水產(chǎn)生動水壓力庫水產(chǎn)生動水壓力建筑物振動開裂、傾倒建筑物振動開裂、傾倒填土產(chǎn)生動土壓力填土產(chǎn)生動土壓力水庫庫岸崩塌水庫庫岸崩塌土石壩壩坡滑動土石壩壩坡滑動地基沉降效

19、應(yīng)地基沉降效應(yīng)2.4 水工建筑物的抗震分析水工建筑物的抗震分析2.4 2.4 水工建筑物的抗震分析水工建筑物的抗震分析二、抗震設(shè)計二、抗震設(shè)計v設(shè)計烈度:一般將基本烈度作為設(shè)計烈度。設(shè)計烈度:一般將基本烈度作為設(shè)計烈度。v抗震設(shè)防等級:規(guī)定建筑物需要設(shè)防的最小地震烈度??拐鹪O(shè)防等級:規(guī)定建筑物需要設(shè)防的最小地震烈度。表示場地地震表示場地地震大于等于大于等于6 6級時級時才需設(shè)防,否才需設(shè)防,否則可不設(shè)防則可不設(shè)防工程抗震設(shè)防等級工程抗震設(shè)防等級建筑物級別建筑物級別場地基本烈度場地基本烈度甲甲1 1(雍水)(雍水)6 6乙乙1 1(非雍水)(非雍水)7 7丙丙2 2、3 3丁丁4 4、5 5表表

20、2 27 7 工程抗震設(shè)防等級工程抗震設(shè)防等級v抗震設(shè)計內(nèi)容抗震設(shè)計內(nèi)容n抗震計算抗震計算n工程抗震措施工程抗震措施v設(shè)計烈度為設(shè)計烈度為6 6度時,可不進行抗震計算,只考慮抗度時,可不進行抗震計算,只考慮抗震措施。震措施。v設(shè)計烈度高于設(shè)計烈度高于9 9度時,或度時,或9 9度的高于度的高于250m250m的壅水的壅水建筑物,應(yīng)進行專門的抗震研究。建筑物,應(yīng)進行專門的抗震研究。v抗震設(shè)計的基本要求:能抵御設(shè)計烈度地震,如抗震設(shè)計的基本要求:能抵御設(shè)計烈度地震,如有損壞,處理后仍可使用。有損壞,處理后仍可使用。2.4 水工建筑物的抗震分析水工建筑物的抗震分析2.4 2.4 水工建筑物的抗震分析

21、水工建筑物的抗震分析v地震系數(shù):地震系數(shù):設(shè)計用地面運動峰值加速度與重力加設(shè)計用地面運動峰值加速度與重力加速度的比值。速度的比值。v豎向地震加速度代表值取水平向的豎向地震加速度代表值取水平向的2/3地震烈度地震烈度7 78 89 9 h h0.1g0.1g0.2g0.2g0.4g0.4g表表2-8 2-8 水平向設(shè)計地震加速度代表值水平向設(shè)計地震加速度代表值2.4 2.4 水工建筑物的抗震分析水工建筑物的抗震分析三、三、 地震作用效應(yīng)地震作用效應(yīng)v作用的分類作用的分類n靜態(tài)作用(靜荷載):自重、溫度作用靜態(tài)作用(靜荷載):自重、溫度作用n動態(tài)作用(動荷載):地震作用、風作用、波浪作用動態(tài)作用(

22、動荷載):地震作用、風作用、波浪作用v運動方程運動方程質(zhì)量質(zhì)量矩陣矩陣加速度加速度列陣列陣阻尼阻尼矩陣矩陣速度速度列陣列陣剛度剛度矩陣矩陣位移位移矩陣矩陣地面運動加地面運動加速度列陣速度列陣 0MxCxKxMx 2.4 2.4 水工建筑物的抗震分析水工建筑物的抗震分析v抗震分析方法抗震分析方法1 1、2 2級水工建筑物:實驗驗證級水工建筑物:實驗驗證抗震設(shè)防等級為甲類的水工建筑物:動力法抗震設(shè)防等級為甲類的水工建筑物:動力法乙、丙類水工建筑物:動力法或擬靜力法乙、丙類水工建筑物:動力法或擬靜力法丁類水工建筑物:擬靜力法或采取抗震措施丁類水工建筑物:擬靜力法或采取抗震措施v動力法的數(shù)值解法動力法

23、的數(shù)值解法直接積分法直接積分法 將地震地面運動記錄直接輸入結(jié)構(gòu)體系來求解的結(jié)將地震地面運動記錄直接輸入結(jié)構(gòu)體系來求解的結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。構(gòu)的地震反應(yīng)。振型分解法振型分解法2.4 2.4 水工建筑物的抗震分析水工建筑物的抗震分析四、水工建筑物抗震分析的主要問題四、水工建筑物抗震分析的主要問題v 地震作用的不確定性及設(shè)計地震參數(shù)和波型的選擇地震作用的不確定性及設(shè)計地震參數(shù)和波型的選擇v 地震動輸入機制地震動輸入機制v 結(jié)構(gòu)庫水地基間的動力相互作用結(jié)構(gòu)庫水地基間的動力相互作用v 壩體和地基的非線性影響壩體和地基的非線性影響v 地震反應(yīng)的動態(tài)設(shè)計方法地震反應(yīng)的動態(tài)設(shè)計方法2.5 2.5 水工建筑物設(shè)計的

24、規(guī)范體系水工建筑物設(shè)計的規(guī)范體系一、標準的基本概念一、標準的基本概念v 標準的定義標準的定義v 標準的特性標準的特性v ISOISO:國際標準化組織:國際標準化組織二、國際標準二、國際標準v ISO2394ISO2394結(jié)構(gòu)可靠性總原則結(jié)構(gòu)可靠性總原則(19981998)三、中國標準三、中國標準v 我國標準分類:我國標準分類:國家標準、行業(yè)標準、地方標準、企業(yè)標準國家標準、行業(yè)標準、地方標準、企業(yè)標準v 水利技術(shù)標準體系表水利技術(shù)標準體系表(20012001)v 電力標準體系表電力標準體系表(19951995)v 建設(shè)工程質(zhì)量管理條例建設(shè)工程質(zhì)量管理條例(20002000)2.6 2.6 水工建筑物施工過程的狀況分析水工建筑物施工過程的狀況分析v施工導流的措施施工導流的措施n未建成的建筑物上臨時泄流:壩體泄流未建成的建筑物上臨時泄流:壩體泄流n將永久性建筑物結(jié)合導流建筑物布置:泄洪洞與導流將永久性建筑物結(jié)合導流建筑物布置:泄洪洞與導流洞結(jié)合,泄水、排沙孔與導流孔結(jié)合洞結(jié)合,泄水、排沙孔與導流孔結(jié)合n利用臨時剖面施

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