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1、橋涵水文 Hydrology of Bridge and Culvert 第四章設(shè)計(jì)洪水與設(shè)計(jì)水位推算,第一節(jié) 有觀測(cè)資料的設(shè)計(jì)洪水流量推算方法 第二節(jié) 根據(jù)洪水調(diào)查資料推算(略) 第三節(jié) 根據(jù)暴雨資料推算(略) 第四節(jié) 小流域設(shè)計(jì)洪水 第五節(jié) 設(shè)計(jì)洪水位的推求,對(duì)公路橋梁工程來說,在發(fā)生洪水時(shí),必須保證橋梁能安全宣泄洪水,公路能暢通。因此,在規(guī)劃設(shè)計(jì)公路橋梁時(shí),橋涵的孔徑、橋梁的高度、墩臺(tái)基礎(chǔ)的埋置深度、調(diào)治構(gòu)造物的尺寸等,都應(yīng)根據(jù)洪水的大小來設(shè)計(jì)。 本章主要任務(wù)在于確定橋梁基本尺寸(橋孔長(zhǎng)度、橋面標(biāo)高、墩臺(tái)埋深)所依據(jù)的橋位河段的水文要素,即在橋渡設(shè)計(jì)使用期內(nèi)可能出現(xiàn)的控制洪峰流量(設(shè)計(jì)流
2、量)及其相應(yīng)的水位(設(shè)計(jì)水位)。,設(shè)計(jì)洪水:在道路橋涵規(guī)劃、設(shè)計(jì)中所指定的各種設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的洪水。 設(shè)計(jì)水位:在規(guī)定的橋涵設(shè)計(jì)洪水頻率標(biāo)準(zhǔn)下的水位加上根據(jù)河流具體情況,即考慮壅水高度、浪高、水拱、河灣超高、凹岸超高、局部股流涌高和橋墩沖高等影響的高度后的水位。,橋涵工程依據(jù): 交通部頒布的 公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(JTJ B01-2003) 公路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范(JTG C30-2002) 首先根據(jù)公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)確定公路的等級(jí)和橋梁的大小,然后按照公路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范,確定設(shè)計(jì)洪水頻率(或重現(xiàn)期),最后推求相應(yīng)于該頻率的設(shè)計(jì)流量,以及相應(yīng)的設(shè)計(jì)水位、設(shè)計(jì)流速和過水?dāng)嗝婷娣e。,橋梁涵洞分類,公路
3、橋涵設(shè)計(jì)洪水頻率,注:二級(jí)公路的特大橋及三、四級(jí)公路的大橋,在水勢(shì)猛急、河床易于沖刷的情況下,可提高一級(jí)洪水頻率驗(yàn)算基礎(chǔ)沖刷深度。,鐵路橋涵設(shè)計(jì)洪水頻率,設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)越高(頻率越?。?,設(shè)計(jì)洪水越大,設(shè)計(jì)的工程越安全,被洪水破壞的風(fēng)險(xiǎn)就越小,但工程的造價(jià)越高;反之,標(biāo)準(zhǔn)越低(頻率越大),工程耗資較少,但安全程度也相應(yīng)降低,被破壞的風(fēng)險(xiǎn)就較大。,設(shè)計(jì)洪水的計(jì)算途徑 1、由實(shí)測(cè)流量資料推求; 2、由洪水調(diào)查資料推求; 3、由暴雨資料推求。 實(shí)際工作中,對(duì)重要的工程,為保證計(jì)算成果的可靠性,應(yīng)根據(jù)水文資料的情況,采用多種途徑計(jì)算,相互比較,充分論證,合理采用。,第一節(jié) 有觀測(cè)資料的設(shè)計(jì)洪水流量推算方法,一
4、、資料的選樣與審查 水文資料:橋位斷面實(shí)測(cè)年最大洪峰流量系列及若干次歷史調(diào)查洪水資料;實(shí)測(cè)水位-流量關(guān)系、水位-流速關(guān)系、水位-過水?dāng)嗝骊P(guān)系等。 1、選樣 年最大值法:組成容量為n的年最大洪峰流量系列,以及若干次歷史調(diào)查洪水資料。 年超大值法:觀測(cè)年數(shù)較少時(shí)采用。,第一節(jié) 有觀測(cè)資料的設(shè)計(jì)洪水流量推算方法,一、資料的選樣與審查 2、審查 資料可靠性:資料的正確與否 資料一致性:是指組成該系列的流量資料,都是在同樣的氣候條件、同樣的下墊面條件和同一測(cè)流斷面條件下獲得的 資料代表性:是指該洪水樣本的頻率分布與其總體概率分布的接近程度 資料獨(dú)立性:水文資料彼此無關(guān),第一節(jié) 有觀測(cè)資料的設(shè)計(jì)洪水流量推
5、算方法,一、資料的選樣與審查 3、資料的插補(bǔ)與延長(zhǎng) (1)尋找參證站:采用水文統(tǒng)計(jì)方法推算設(shè)計(jì)流量時(shí),如橋位附近水文站流量觀測(cè)資料的觀測(cè)年限較短或有缺失年份,則應(yīng)盡量利用參證站(上、下游或鄰近流域內(nèi)的水文站)的觀測(cè)資料,進(jìn)行插補(bǔ)和延長(zhǎng),來提高可靠性。 (2)用暴雨資料插補(bǔ)洪峰資料 插補(bǔ)和延長(zhǎng)年數(shù)不宜超過實(shí)測(cè)洪水流量的年數(shù),并應(yīng)結(jié)合氣象和地理?xiàng)l件作合理性分析。,第一節(jié) 有觀測(cè)資料的設(shè)計(jì)洪水流量推算方法,二、設(shè)計(jì)洪峰流量的推求,連序系列:即從大到小排位,序號(hào)是順位連續(xù)排列的系列。如:實(shí)測(cè)系列 不連序系列:特大洪水加入系列后稱為不連序系列,即從大到小排位,序號(hào)不連續(xù),其中一部分屬于漏項(xiàng)、缺項(xiàng)位,其經(jīng)
6、驗(yàn)頻率和統(tǒng)計(jì)參數(shù)計(jì)算與連序系列不同。,第一節(jié) 有觀測(cè)資料的設(shè)計(jì)洪水流量推算方法,二、設(shè)計(jì)洪峰流量的推求,(1)連序系列,選取樣本,一般采用“年最大值法”選取樣本; 繪制經(jīng)驗(yàn)頻率曲線; 用適線法繪制理論頻率曲線,并選定三個(gè)統(tǒng)計(jì)參數(shù); 用選定的三個(gè)統(tǒng)計(jì)參數(shù)計(jì)算設(shè)計(jì)洪水頻率相應(yīng)的設(shè)計(jì)流量; 審查計(jì)算結(jié)果。參照統(tǒng)計(jì)參數(shù)的地區(qū)經(jīng)驗(yàn)值,審查所選定參數(shù)值,并用其他方法推算設(shè)計(jì)流量,進(jìn)行對(duì)比。,第一節(jié) 有觀測(cè)資料的設(shè)計(jì)洪水流量推算方法,(2)不連序系列,在水文站觀測(cè)年份內(nèi),如果河流發(fā)生特大洪水,相應(yīng)地就會(huì)出現(xiàn)特大值。通過洪水調(diào)查和文獻(xiàn)考證,往往也會(huì)獲得特大值。這些特大值與其它數(shù)值之間有顯著的脫節(jié)現(xiàn)象,是不連續(xù)
7、的。在統(tǒng)計(jì)計(jì)算中,不能把這些特大值與其它數(shù)值等同看待,需要進(jìn)行適當(dāng)處理,即所謂特大值的處理。,第一節(jié) 有觀測(cè)資料的設(shè)計(jì)洪水流量推算方法,什么是特大洪水? 至今人們對(duì)特大洪水還沒有一個(gè)明確的量的定義。在概率格紙上,它的頻率點(diǎn)與一般洪水的頻率點(diǎn)有明顯的脫節(jié)、不連續(xù)現(xiàn)象。在歷史洪水中、在實(shí)測(cè)洪水中都有可能出現(xiàn)特大洪水,需提出作單獨(dú)處理。,第一節(jié) 有觀測(cè)資料的設(shè)計(jì)洪水流量推算方法,(2)不連序系列,(2)不連序系列,為什么要進(jìn)行特大值的處理? 通過特大值處理,可以延長(zhǎng)系列資料,增強(qiáng)系列的代表性,減少各參數(shù)值的抽樣誤差,從而提高計(jì)算成果的穩(wěn)定性和可靠性。 一般同時(shí)采用三種來源的資料:水文站觀測(cè)資料、參證
8、站插補(bǔ)和延長(zhǎng)資料、調(diào)查洪水和文獻(xiàn)考證資料。,第一節(jié) 有觀測(cè)資料的設(shè)計(jì)洪水流量推算方法,獨(dú)立樣本法此法是把包括歷史洪水的長(zhǎng)系列(N年)和實(shí)測(cè)的短系列(n年)看作是從總體中隨機(jī)抽取的兩個(gè)獨(dú)立樣本,各項(xiàng)洪峰值可在各自所在系列中排位。因?yàn)閮蓚€(gè)樣本來自同一總體,符合同一概率分布,故適線時(shí)仍可把經(jīng)驗(yàn)點(diǎn)據(jù)繪在一起,共同適線。,第一節(jié) 有觀測(cè)資料的設(shè)計(jì)洪水流量推算方法,不連續(xù)系列的經(jīng)驗(yàn)頻率計(jì)算,x,P(%),100,第一節(jié) 有觀測(cè)資料的設(shè)計(jì)洪水流量推算方法,【例】某站自1930年至1978年有49個(gè)年頭的連續(xù)實(shí)測(cè)資料,另外還調(diào)查到1903年和1921年兩個(gè)歷史洪水資料,另知三個(gè)歷史洪水流量的排序,第一節(jié) 有觀
9、測(cè)資料的設(shè)計(jì)洪水流量推算方法,解:(1)取1903年到1978年N=76年作為一個(gè)系列。 根據(jù)調(diào)查考證,認(rèn)為在此期間不會(huì)遺漏大于等于1903年的洪水流量。那么在76年為首的三項(xiàng)的頻率為: (2)另取1930年-1978年n=49年作為一個(gè)系列,按大小排隊(duì),各項(xiàng)頻率為: 對(duì)于兩個(gè)系列中都有的1949年流量,一般來說選取時(shí)期較長(zhǎng)的系列所推算的經(jīng)驗(yàn)頻率。,第一節(jié) 有觀測(cè)資料的設(shè)計(jì)洪水流量推算方法,2)統(tǒng)一樣本法:將實(shí)測(cè)系列和特大洪水系列共同組成一個(gè)不連續(xù)系列,在考證期(或調(diào)查期)內(nèi)統(tǒng)一進(jìn)行排隊(duì)。,(1)若在實(shí)測(cè)系列n年之內(nèi),有 個(gè)特大洪水,而在系列之外又調(diào)查到在N年中有 個(gè)歷史洪水,則在N年中為首的
10、a個(gè)特大洪水可以按大小順序排, 然后按維泊爾公式求頻率。 (2)實(shí)測(cè)系列中所余下的項(xiàng)只有 個(gè),它們作為總體中抽出來的樣本,是有條件的,屬于條件抽樣,其頻率為:,第一節(jié) 有觀測(cè)資料的設(shè)計(jì)洪水流量推算方法,一般洪水的經(jīng)驗(yàn)頻率為:,x,P(%),100,PMa,最后一項(xiàng)的經(jīng)驗(yàn)頻率:,剩下Na 項(xiàng)的頻率范圍為:1- PMa , 而實(shí)際只知n-a2 項(xiàng)。先將 n-a2項(xiàng)在 0-1 內(nèi)計(jì)算經(jīng)驗(yàn)頻率:,第一節(jié) 有觀測(cè)資料的設(shè)計(jì)洪水流量推算方法,x,P(%),100,PMa,然后按( 1- PMa )為比例縮小,并接到 PMa 之后,最后得:,第一節(jié) 有觀測(cè)資料的設(shè)計(jì)洪水流量推算方法,解:(1) 在實(shí)測(cè)系列n
11、=49中有1個(gè)特大洪水 在實(shí)測(cè)期以外,又調(diào)查得到兩個(gè)歷史洪水 所以: 在N=76年中的序位是M=1,2,3 有: (2)而在實(shí)測(cè)資料的49年中,因抽出1949年的流量后,尚余48項(xiàng),各項(xiàng)的經(jīng)驗(yàn)頻率為:,第一節(jié) 有觀測(cè)資料的設(shè)計(jì)洪水流量推算方法,兩種方法的比較: 第一種顯得方便,但沒有堅(jiān)強(qiáng)的理論基礎(chǔ),有時(shí)會(huì)出現(xiàn)經(jīng)驗(yàn)頻率分布重疊的不合理現(xiàn)象。 第二種方法理論基礎(chǔ)強(qiáng),但所要求調(diào)查的特大洪水個(gè)數(shù)要準(zhǔn)確可靠,而這一點(diǎn)在有些情況下是不易做到的。當(dāng)有特大洪水遺漏時(shí),將導(dǎo)致錯(cuò)誤的計(jì)算結(jié)果。 以上兩種估算頻率的方法已為水利電力工程設(shè)計(jì)洪水計(jì)算規(guī)范SD 122-79所采用。,第一節(jié) 有觀測(cè)資料的設(shè)計(jì)洪水流量推算方
12、法,不連續(xù)系列的統(tǒng)計(jì)參數(shù)計(jì)算,假定:缺測(cè)年份中的各最大值的平均數(shù)與連續(xù)n年內(nèi)除特大值之外的其它最大值的平均數(shù)及均方差均相等。,第一節(jié) 有觀測(cè)資料的設(shè)計(jì)洪水流量推算方法,N年系列的均值為:,第一節(jié) 有觀測(cè)資料的設(shè)計(jì)洪水流量推算方法,N年系列的CV值為:,由:,由此可證明:,即:,第一節(jié) 有觀測(cè)資料的設(shè)計(jì)洪水流量推算方法,第一節(jié) 有觀測(cè)資料的設(shè)計(jì)洪水流量推算方法,三、成果合理性檢查及安全保證值 對(duì)水文計(jì)算的結(jié)果,可按下述的途徑進(jìn)行合理性檢查: 1.從洪峰及其參數(shù)隨時(shí)間變化關(guān)系上分析 2.從洪峰及其參數(shù)的地區(qū)分布規(guī)律分析 3、設(shè)計(jì)洪峰流量與國(guó)內(nèi)外或地區(qū)最大洪水記錄對(duì)比 4、與暴雨計(jì)算成果比較,第一節(jié)
13、 有觀測(cè)資料的設(shè)計(jì)洪水流量推算方法,【例3-16】 某河水文站實(shí)測(cè)年最大洪峰流量資料30 年,歷史特大洪水2年,調(diào)查考證期N = 102 年。試求200年一遇的設(shè)計(jì)洪峰流量。,1、計(jì)算經(jīng)驗(yàn)頻率,點(diǎn)繪經(jīng)驗(yàn)點(diǎn)據(jù) 獨(dú)立樣本法 特大洪水:a1 = 2,N = 102 一般洪水:n =30, a2 = 0 統(tǒng)一樣本法 計(jì)算結(jié)果見下表 。,第一節(jié) 有觀測(cè)資料的設(shè)計(jì)洪水流量推算方法,某河洪峰流量經(jīng)驗(yàn)頻率計(jì)算(a = 2),2、參數(shù)估計(jì) 矩法,調(diào)整參數(shù),最后采用:, 適線法 初試?。?第一節(jié) 有觀測(cè)資料的設(shè)計(jì)洪水流量推算方法,3、求設(shè)計(jì)值 T = 200年,P = 0.5% ,CV =0.80,CS =3.5
14、CV =2.8 查表,得 橋位斷面設(shè)計(jì)流量:,第一節(jié) 有觀測(cè)資料的設(shè)計(jì)洪水流量推算方法,第二節(jié) 根據(jù)洪水調(diào)查資料推算,洪 水 調(diào) 查 表,洪水編號(hào):洪1,調(diào)查時(shí)間:99.6.5,第三節(jié) 根據(jù)暴雨資料推算,第四節(jié) 小流域設(shè)計(jì)洪水(無觀測(cè)、無考證、無調(diào)查),1)1958年水利科學(xué)研究院水文研究所推理公式,1.推理公式,注意:暴雨推理公式中的參數(shù)和指數(shù)采用各地區(qū)編制的暴雨徑流圖表值。,2)、徑流簡(jiǎn)化公式,式中, :地貌系數(shù);與流域面積、地形、主河道比降有關(guān); h :設(shè)計(jì)徑流深,mm; Z :植物截流和填洼損失量,mm; :洪峰傳播中變形對(duì)洪峰流量影響的折減系數(shù); :流域降雨不均勻影響洪峰流量的折減系
15、數(shù); :湖泊、塘堰、小水庫調(diào)節(jié)作用影響洪峰流量的折減系數(shù)。,2、地區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式,式中,QP:設(shè)計(jì)頻率為P的設(shè)計(jì)洪峰流量,m3/s; F :集水面積,km2; n,C:經(jīng)驗(yàn)指數(shù)和經(jīng)驗(yàn)系數(shù),隨地區(qū)和頻率而變,可查各省的水文手冊(cè)或設(shè)計(jì)手冊(cè)。,地區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式 1979年,交通部公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院組織全國(guó)各省市交通廳局利用1785個(gè)水文站點(diǎn)資料匯總分析,制定了我國(guó)公路大中橋流量經(jīng)驗(yàn)公式匯總報(bào)告。報(bào)告中把全國(guó)分為111個(gè)分區(qū),制定了 (1)全國(guó)水文分區(qū)流量計(jì)算參數(shù)表 (2)全國(guó)水文分區(qū)Cv值表 (3)全國(guó)水文分區(qū)Cs/Cv經(jīng)驗(yàn)關(guān)系表。,1、全國(guó)水文分區(qū)流量計(jì)算參數(shù)表 在此表中,給出了111個(gè)分區(qū)的三項(xiàng)資料: i)
16、平均流量(年最大流量系列的均值) ii)頻率P=2%的流量 iii)Q1%/Q2%,根據(jù)此值,可由Q2%算出Q1% 2、全國(guó)水文分區(qū)Cv值表 表中給出111個(gè)分區(qū)流域面積從100平方公里到5萬平方公里范圍內(nèi)的Cv值,或者建議采用Cv等值線取值,其等值線可從相關(guān)水文手冊(cè)獲得。 從表中Cv值可以看出,流域面積越大,Cv值越小。 3、全國(guó)水文分區(qū)Cs/Cv經(jīng)驗(yàn)關(guān)系表,全國(guó)水文分區(qū)流量計(jì)算參數(shù)表,計(jì)算方法: 由全國(guó)水文分區(qū)流量計(jì)算參數(shù)表: 計(jì)算 查表 (表3-2-2) 查表 (表3-2-3),使用范圍:一般用于流域面積小于50 000k的中等流域的 橋位。 使用方法:首先在地圖上勾繪出橋位以上的流域面
17、積F,視 流域大部分在哪一個(gè)分區(qū)中,就可采用該分區(qū) 公式。,第五節(jié) 設(shè)計(jì)洪水位的推求,設(shè)計(jì)流量往往是根據(jù)水文站觀測(cè)資料或洪水調(diào)查資料推算,其流量是根據(jù)水文站的測(cè)流斷面或橋位附近的形態(tài)斷面計(jì)算而得,與橋位斷面通常是不重合的,因而需要換算到橋位斷面的流量或水位。,水文測(cè)站,形態(tài)斷面距橋位斷面很近,流域面積相差5%時(shí),可以直接采用測(cè)站或形態(tài)斷面處的設(shè)計(jì)流量,不用換算。 水文站或形態(tài)斷面與橋位斷面的流量相差小于10%時(shí),可直接采用測(cè)站或形態(tài)斷面處的設(shè)計(jì)流量,不必作換算。 當(dāng)流域面積相差不超過20%,可按下式換算:,當(dāng)流域面積相差超過20%,按上式計(jì)算的結(jié)果誤差較大,應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況,從多方面比較后確定。
18、,復(fù)習(xí),第一章 概述(了解) 水文學(xué)? 橋涵水文學(xué)? 橋與水的關(guān)系? 橋涵水文學(xué)的研究?jī)?nèi)容及意義 第二章 河川徑流(理解) 河川水文現(xiàn)象的特點(diǎn)與橋涵水文的研究方法 河流形態(tài)與河流水情 河流的泥沙運(yùn)動(dòng)與河床演變,復(fù)習(xí),第三章 水文統(tǒng)計(jì)基本原理和方法(熟練掌握) 水文經(jīng)驗(yàn)頻率曲線 水文理論頻率曲線 水文頻率計(jì)算適線法,復(fù)習(xí),第四章 設(shè)計(jì)洪水與設(shè)計(jì)水位推算(熟練掌握) 有觀測(cè)資料的設(shè)計(jì)洪水流量推算方法 小流域設(shè)計(jì)洪水(缺少或無觀測(cè)資料),例 : 某橋位附近有水文站,能搜集到20年連續(xù)的流量觀測(cè)資料,通過洪水文獻(xiàn)考證知,從1784年至1982年期間,曾有8年發(fā)生過較大洪水。其中:1880年、1948年
19、和1955年能調(diào)查到歷史洪水位,可推算得洪水流量;1975年在實(shí)測(cè)期內(nèi),有實(shí)測(cè)資料;其余4年未能獲得流量資料,只知1784年洪水大于1880年,另3年洪水均小于1948年,試求洪水流量Q1%。 關(guān)鍵詞:考證期、調(diào)查期、實(shí)測(cè)期、經(jīng)驗(yàn)頻率、經(jīng)驗(yàn)頻率曲線、理論頻率曲線 重點(diǎn)參數(shù)和公式:Q、CV、CS、 P 曲線和公式 QP% = Q(1+ PCV) 解: 1,經(jīng)驗(yàn)頻率分析方法: (1)獨(dú)立樣本法:可分為3個(gè)獨(dú)立系列: 1) 考證期(1784年1982年)N2為199年,1784年洪水頻率為: P1/(N+1)= 1/200 = 0.5%; 2)調(diào)查期(1880年1982年)N1為103年,包括188
20、0年、1948年、 1955年和1975年(在實(shí)測(cè)期內(nèi))4個(gè)特大值。頻率分別為: P=M/(103+1),M取1、2、3、4。 3)實(shí)測(cè)期(1963年1982年)n為20年,頻率為: P=m/(n+1),m取1、2、3、20,其中1975年為特大洪水,則a2=1。,(2)統(tǒng)一樣本法:在考證期內(nèi)199年中各流量統(tǒng)一排位: 考證期:N199年,,M=1,1784年的流量, 調(diào)查期: n =103年,a14,包括1880年、1948年、1955年和1975年 的特大洪水。a21,即1975年洪水。 實(shí)測(cè)期:n=20年,包括特大值1975年流量,應(yīng)在調(diào)查期內(nèi)按特大值排位。水文 站觀測(cè)資料只有20年,年
21、限較短,代表性不強(qiáng), 采用第二種方法的計(jì)算結(jié)果。,1955,1975,1948,1880,1784,1963,實(shí)測(cè)期n = 20,調(diào)查期N1=103,考證期N2=199,經(jīng) 驗(yàn) 頻 率 計(jì) 算 表,2, 點(diǎn)繪經(jīng)驗(yàn)頻率曲線: 將經(jīng)驗(yàn)頻率點(diǎn)群點(diǎn)繪于海森幾率格紙上,目估通過點(diǎn)群分布中心, 并兼顧到特大值作曲線,得到經(jīng)驗(yàn)頻率曲線。 3,適線中重點(diǎn)參數(shù)的求算: (1),應(yīng)用3點(diǎn)適線法確定統(tǒng)計(jì)參數(shù) Q、 CV和 CS。 在經(jīng)驗(yàn)頻率曲線上讀 P5%, P50%, P95%所對(duì)應(yīng)的流量得 Q5%=3210 m/s(Q1)、 Q50%=1750 m/s(Q2)、Q95%=970 m/s(Q3) 公式:S(Q1+Q3-2Q2)/(Q1-Q3) S(312097021750)/(3120970)0.274 查表得:CS0.99 ,并知,當(dāng)CS0.99時(shí),P15%,1=1.88 P2=50%, 2=-0.16, P3=95%,
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