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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:詹偉倫
研究生(外文):Wei-Lun Jan
論文名稱:互層未飽和土壤邊坡降雨入滲之數值分析
論文名稱(外文):Numerical analysis of rainfall infiltration in unsaturated soil slopes with interlayered structures
指導教授:馮道偉馮道偉引用關係
指導教授(外文):T. W. Feng
學位類別:碩士
校院名稱:中原大學
系所名稱:土木工程研究所
學門:工程學門
學類:土木工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2006
畢業學年度:94
語文別:中文
論文頁數:99
中文關鍵詞:未飽和土壤降雨入滲Seep/w
外文關鍵詞:Seep/wrainfall infiltrationunsaturated soil
相關次數:
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台灣由於平原區域之開發幾乎已達飽和狀態,因此對於擁有許多高山及丘陵地之台灣島而言,坡地的開發更顯重要。由於台灣之海島型氣候,豐水期期間之集中降雨易使地下水位急劇上升造成坡地破壞。
本研究以數值模擬方式,使用七個降雨紀錄進行砂質壤土、粉土質粘土及龍潭紅土三種均質土壤材料,加上砂質壤土和粉土質粘土、龍潭紅土和粉土質粘土、砂質壤土和龍潭紅土及龍潭紅土和砂質壤土互層材料,總共七種模型未飽和土壤邊坡,進行降雨入滲模擬分析,且亦針對邊坡舖設不透水覆蓋物與排水管進行降雨入滲分析,以了解不透水覆蓋物與排水管對於降雨期間減少地下水位上升之功效。
分析結果得到以下結論:(1)鋪設不透水覆蓋物或是鋪設排水管,在降雨結束時,坡頂與坡面交界處下方之地下水位高程比天然邊坡之地下水位高程低舖設不透水覆蓋物會使邊坡基質吸力與體積含水量不受降雨入滲的影響;鋪設排水管時,降雨入滲仍然會影響邊坡基質吸力與體積含水量;(2)排水管持續排水的效果,會使原本集中在坡趾處的水流後退至排水管前端,對於邊坡坡趾安全有幫助;(3)26.5°邊坡鋪設不透水覆蓋物時,坡頂覆蓋0.8倍坡高與坡面覆蓋1.5倍坡高為佳;45°邊坡鋪設不透水覆蓋物時,坡頂覆蓋1.25倍坡高與坡面覆蓋0.94倍坡高為佳;63.4°邊坡鋪設不透水覆蓋物時,坡頂覆蓋1.25倍坡高與坡面覆蓋0.75倍坡高為佳;(4)短期且高降雨強度所造成的影響比長期且低降雨強度所造成的影響大;(5)互層土壤中降雨入滲所造成的影響主要取決於上層土層,如果上層土壤滲透係數大,雨水易於滲入邊坡內,造成地下水位上升、邊坡基質吸力下降與體積含水量升高;(6)邊坡高度固定時,針對在坡頂與坡面交界處下方之地下水位高程,26.5°邊坡較45°邊坡高;而45°與63.4°差異不大。
In Taiwan, most of the slope failure occurred during highly concentrated rainfall season.
This study uses seven rainfall records and seven types of strata in numerical analysis. Seven records include Nari-typhoon, Xangsane- typhoon, Bilis-typhoon, Herb-typhoon, Zeb-typhoon, Winnie-typhoon and Aere-typhoon; seven types of strata include sandy loam, silty caly Lungtan red soil, sandy loam/silty caly, sandy loam/Lungtan red soil, Lungtan red soil/sandy loam, and Lungtan red soil/silty clay.
This study also considers Geomembrane and drain pipe in numerical analysis. The results of this study indicate that: 1) the elevation of groundwater table will have low value when the slope uses geomembrane or build drain pipe. When use geomembrane, matric suction or volume water content of slope didn't effected by infiltration. When drain pipe is used, matric suction or volume water content of the slope will have a little effect. 2) drain pipe will make water flow into the head of drain pipe. 3) At an inclined slope angle of 26.5°, the geomembrane of length of 0.8 slope height at slope top and 1.5 slope height at slope surface is a better choice. At an inclined slope angle of 45°, the geomerbrme of length of 1.25 of slope height at slope top and 0.94 slope height at slope surface is a better choice. At an inclined slope angle of 63.4°, the geomerbrme of length of 1.25 slope height at slope top and 0.75 slope height at slope surface is a better choice . 4) Intensed rainfall is more effective than long-term low intensity rainfall in infiltration. 5) If upper layer of multiple layer has high permeability, rainfall is easy to infiltrate into the slope. At a result, groundwater table, slope matric suction, and volume water content of slope change. 6)At the same height of slope, groundwater is higher in 26.5°slope than that in 45°slope,whereas it is about the same for 45°slope and 63.4°slope.
目 錄
摘 要.....................................................................................................I
ABSTRACT..............................................................................................III
誌 謝....................................................................................................V
目 錄..................................................................................................VI
表 目 錄....................................................................................................X
圖 目 錄..................................................................................................XI
第一章 緒論...............................................................................................1
1.1前言................................................................................................1
1.2 研究動機與目的...........................................................................1
1.3研究計畫........................................................................................2
1.4論文架構........................................................................................2
第二章 文獻回顧......................................................................................4
2.1未飽和土壤及其滲流理論...........................................................4
2.1.1 何謂未飽和土壤.................................................................4
2.1.2 基本理論.............................................................................5
2.1.3連續方程式..........................................................................5
2.2前人對於降雨入滲分析相關研究...............................................7
2.2.1 降雨入滲特性.....................................................................7 VI
2.2.2 降雨雨型分布.....................................................................8
2.2.3 基質吸力與浸潤帶.............................................................8
2.2.4 排水管...............................................................................10
第三章 數值分析軟體SEEP/W..............................................................14
3.1有限元素程式SEEP/W...............................................................14
3.2分析模式......................................................................................14
3.2.1穩態分析............................................................................14
3.2.2暫態分析............................................................................15
3.3 SEEP/W 操作設定.....................................................................15
3.3.1基本設定............................................................................15
3.3.2函數設定............................................................................16
3.3.2.1水力傳導係數之設定..............................................16
3.3.2.2 水力傳導係數.........................................................16
3.3.2.3 體積含水量函數的設定.........................................17
3.3.2.4體積含水量..............................................................17
3.3.2.5粒徑函數之設定......................................................18
3.3.2.6與時間因素有關的設定..........................................18
3.3.3材料設定............................................................................18
3.3.4網格設定............................................................................18 VII
3.3.5邊界條件以及流通斷面之設定........................................19
3.3.6計算及結果之圖示............................................................19
第四章 降雨入滲數值分析....................................................................23
4.1土壤材料......................................................................................23
4.2邊坡條件......................................................................................23
4.3降雨資料......................................................................................24
4.4降雨邊界條件..............................................................................24
4.5土壤邊坡覆蓋方式設定.............................................................25
4.6排水管邊界條件..........................................................................25
4.7 邊坡穩定性分析.........................................................................25
第五章 數值模擬分析結果....................................................................42
5.1 模擬個案分析結果.....................................................................42
5.1.1 龍潭紅土...........................................................................42
5.1.2龍潭紅土與砂質壤土互層................................................44
5.1.3龍潭紅土與粉土質粘土互層............................................46
5.2天然邊坡之降雨入滲分析結果.................................................47
5.2.1均質天然邊坡之降雨入滲分析結果...............................48
5.2.2互層天然邊坡之降雨入滲分析結果...............................49
5.2.2.1砂質壤土和粉土質粘土互層..................................49 VIII
5.2.2.2砂土層壤土和龍潭紅土互層..................................50
5.2.2.3龍潭紅土和砂土層壤土互層..................................51
5.2.2.3龍潭紅土和粉土質粘土互層..................................51
5.3舖設不透水覆蓋物之降雨入滲分析結果.................................52
5.3.1舖設不透水覆蓋物之均質邊坡降雨入滲分析結果.......53
5.3.2 舖設不透水覆蓋物之互層邊坡降雨入滲分析結果......54
5.4舖設排水管邊坡之降雨入滲分析結果.....................................55
5.4.1舖設排水管之均質邊坡降雨入滲分析結果...................55
5.4.2舖設排水管之互層邊坡降雨入滲分析結果...................56
5.5土壤滲透係數與地下水位.........................................................57
第六章 結論與建議................................................................................95
6.1 結論.............................................................................................95
6.2建議..............................................................................................96
參考文獻...................................................................................................97
表 目 錄
表4.1 颱風降雨量強度表......................................................................26
表4.2 颱風降雨量強度單位轉換表......................................................27
表4.3 45°邊坡穩定分析參數...............................................................28
表4.4 63.4°邊坡穩定分析參數...........................................................29
表5.1 龍潭紅土降雨入滲分析之結果..................................................59
表5.2 龍潭紅土與砂質壤土互層降雨入滲分析之結果......................59
表5.3 龍潭紅土與粉土質粘土互層降雨入滲分析之結果..................60
X
圖 目 錄
圖1.1研究流程圖.....................................................................................3
圖2.1土壤四相圖 (林宏達,2001).......................................................11
圖2.2入滲率與時間關係圖(Mein和Larson,1973)........................11
圖2.3 Cumulative infiltration versus time (Rahardjo et al.2001)............12
圖2.4 Matric suction versus time (Rahardjo et al.2001)..........................12
圖2.5排水間距1.025m的排水管示意圖 (Mulqueen et al. 1999).......13
圖2.6數值模擬與現地量測的地下水位比較圖(Mulqueen et al. 1999).......................................................................................................13
圖3.1預測壩洩降所花的時間分析圖(SEEP/W 5 User’s Guide, 2002).............................................................................................20
圖3.2水力傳導係數與孔隙水壓之關係圖(SEEP/W 5 User’s Guide,2002).............................................................................................20
圖3.3空氣填滿水流動路徑的圖(SEEP/W 5 User’s Guide,2004).....21
圖3.4體積含水量與孔隙水壓的關係圖(SEEP/W 5 User’s Guide, 2002).............................................................................................21
圖3.5細砂,粉土質砂和海積土的體積含水量函數(SEEP/W 5 User’s Guide,2004)....................................................................22
圖4.1 SEEP/W分析邊坡降雨入滲流程.................................................30
圖4.2砂質壤土之水力傳導函數圖(SEEP/W 5 User’s Guide).............31
圖4.3粉土質粘土之水力傳導函數圖(SEEP/W 5 User’s Guide).........31 XI
圖4.4龍潭紅土之水力傳導函數圖(呂明杰,2004).............................32
圖4.5砂質壤土之體積含水量函數圖(SEEP/W 5 User’s Guide).........32
圖4.6粉土質粘土之體積含水量函數圖(SEEP/W 5 User’s Guide).....33
圖4.7龍潭紅土之體積含水量函數圖(呂明杰,2004)........................33
圖4.8砂質壤土之粒徑分佈曲線圖(SEEP/W 5 User’s Guide).............34
圖4.9粉土質粘土之粒徑分佈曲線圖(SEEP/W 5 User’s Guide).........34
圖4.10龍潭紅土之粒徑分佈曲線圖(呂明杰,2004)..........................35
圖4.11坡度26.5°之模型邊坡示意圖...................................................35
圖4.12坡度45°之模型邊坡示意圖......................................................36
圖4.13坡度63.4°之模型邊坡示意圖...................................................36
圖4.14賀伯颱風降雨歷線圖.................................................................37
圖4.15溫妮颱風降雨歷線圖.................................................................37
圖4.16瑞伯颱風降雨歷線圖.................................................................37
圖4.17碧利絲颱風降雨歷線圖.............................................................37
圖4.18象神颱風降雨歷線圖.................................................................38
圖4.19納莉颱風降雨歷線圖.................................................................38
圖4.20艾利颱風降雨歷線圖.................................................................38
圖4.21坡度45°之模型邊坡裝設排水管示意圖..................................39
圖4.22坡度63.4°之模型邊坡裝設排水管示意圖...............................39 XII
圖4.23 坡度45°之砂質壤土邊坡安全係數圖.....................................40
圖4.24坡度45°之龍潭紅土邊坡安全係數圖......................................40
圖4.25坡度63.4°之砂質壤土邊坡安全係數圖...................................41
圖4.26坡度63.4°之龍潭紅土邊坡安全係數圖...................................41
圖5.1龍潭紅土降雨入滲之總水頭分佈圖(初始).................................61
圖5.2龍潭紅土降雨入滲之孔隙水壓分佈圖(初始).............................61
圖5.3龍潭紅土降雨入滲之體積含水量分佈圖(初始)........................61
圖5.4龍潭紅土降雨入滲之總水頭分佈圖...........................................62
圖5.5龍潭紅土降雨入滲之孔隙水壓分佈圖.......................................62
圖5.6龍潭紅土降雨入滲之體積含水量分佈圖...................................62
圖5.7舖設不透水覆蓋物龍潭紅土降雨入滲之總水頭分佈圖...........63
圖5.8舖設不透水覆蓋物龍潭紅土降雨入滲之孔隙水壓分佈圖.......63
圖5.9舖設不透水覆蓋物龍潭紅土降雨入滲之體積含水量分佈圖...63
圖5.10舖設排水管龍潭紅土降雨入滲之總水頭分佈圖.....................64
圖5.11舖設排水管龍潭紅土降雨入滲之孔隙水壓分佈圖.................64
圖5.12舖設排水管龍潭紅土降雨入滲之體積含水量分佈圖.............64
圖5.13龍潭紅土與砂質壤土互層降雨入滲之總水頭分佈圖(初始)..65
圖5.14龍潭紅土與砂質壤土互層降雨入滲之孔隙水壓分佈圖(初始).......................................................................................................65
圖5.15龍潭紅土與砂質壤土互層降雨入滲之體積含水量分佈圖 XIII
(初始)............................................................................................65
圖5.16龍潭紅土與砂質壤土互層降雨入滲之總水頭分佈圖.............66
圖5.17龍潭紅土與砂質壤土互層降雨入滲之孔隙水壓分佈圖.........66
圖5.18龍潭紅土與砂質壤土互層降雨入滲之體積含水量分佈圖.....66
圖5.19舖設不透水覆蓋物龍潭紅土與砂質壤土互層降雨入滲之總 水頭分佈圖..................................................................................67
圖5.20舖設不透水覆蓋物龍潭紅土與砂質壤土互層降雨入滲之孔 隙水壓分佈圖..............................................................................67
圖5.21舖設不透水覆蓋物龍潭紅土與砂質壤土互層降雨入滲之體 積含水量分佈圖..........................................................................67
圖5.22舖設排水管龍潭紅土與砂質壤土互層降雨入滲之總水頭分 佈圖...............................................................................................68
圖5.23舖設排水管龍潭紅土與砂質壤土互層降雨入滲之孔隙水壓 分佈圖...........................................................................................68
圖5.24舖設排水管龍潭紅土與砂質壤土互層降雨入滲之體積含水 量分佈圖......................................................................................68
圖5.25龍潭紅土與粉土質粘土互層降雨入滲之總水頭分佈圖(初始).......................................................................................................69
圖5.26龍潭紅土與粉土質粘土互層降雨入滲之孔隙水壓分佈圖 (初始)............................................................................................69 XIV
圖5.27龍潭紅土與粉土質粘土互層降雨入滲之體積含水量分佈圖 (初始)............................................................................................69
圖5.28龍潭紅土與粉土質粘土互層降雨入滲之總水頭分佈圖.........70
圖5.29龍潭紅土與粉土質粘土互層降雨入滲之孔隙水壓分佈圖.....70
圖5.30龍潭紅土與粉土質粘土互層降雨入滲之體積含水量分佈圖.70
圖5.31舖設不透水覆蓋物龍潭紅土與粉土質粘土互層降雨入滲之 總水頭分佈圖..............................................................................71
圖5.32舖設不透水覆蓋物龍潭紅土與粉土質粘土互層降雨入滲之 孔隙水壓分佈圖..........................................................................71
圖5.33舖設不透水覆蓋物龍潭紅土與粉土質粘土互層降雨入滲之 體積含水量分佈圖......................................................................71
圖5.34舖設排水管龍潭紅土與粉土質粘土互層降雨入滲之總水頭 佈圖...............................................................................................72
圖5.35舖設排水管龍潭紅土與粉土質粘土互層降雨入滲之孔隙水 壓分佈圖......................................................................................72
圖5.36舖設排水管龍潭紅土與粉土質粘土互層降雨入滲之體積含 水量分佈圖..................................................................................72
圖5.37砂質壤土-天然邊坡與不透水覆蓋物邊坡之地下水位關係圖(坡頂與坡面交界處下方之地下水位高程)................................73 XV
圖5.38砂質壤土-天然邊坡與不透水覆蓋物邊坡之地下水位關係圖(坡頂與坡面交界處下方之地下水位高程)................................73
圖5.39砂質壤土-天然邊坡與不透水覆蓋物邊坡之地下水位關係圖(坡頂與坡面交界處下方之地下水位高程)................................74
圖5.40粉土質粘土-天然邊坡與不透水覆蓋物邊坡之地下水位關係圖(坡頂與坡面交界處下方之地下水位高程)................................74
圖5.41粉土質粘土-天然邊坡與不透水覆蓋物邊坡之地下水位關係圖(坡頂與坡面交界處下方之地下水位高程)................................75
圖5.42粉土質粘土-天然邊坡與不透水覆蓋物邊坡之地下水位關係圖(坡頂與坡面交界處下方之地下水位高程)................................75
圖5.43龍潭紅土-天然邊坡與不透水覆蓋物邊坡之地下水位關係圖(坡頂與坡面交界處下方之地下水位高程)................................76
圖5.44龍潭紅土-天然邊坡與不透水覆蓋物邊坡之地下水位關係圖(坡頂與坡面交界處下方之地下水位高程)................................76
圖5.45龍潭紅-天然邊坡與不透水覆蓋物邊坡之地下水位關係圖 (坡頂與坡面交界處下方之地下水位高程)................................77
圖5.46均質土層之實際降雨強度形式與平均降雨強度形式之地下 水位關係圖(坡頂與坡面交界處下方之地下水位高程)...........77
圖5.47砂質壤土與粉土質粘土互層-天然邊坡與不透水覆蓋物邊坡 XVI
之地下水位關係圖(坡頂與坡面交界處下方之地下水位高程).......................................................................................................78
圖5.48砂質壤土與粉土質粘土互層-天然邊坡與不透水覆蓋物邊坡 之地下水位關係圖(坡頂與坡面交界處下方之地下水位高程).......................................................................................................78
圖5.49砂質壤土與粉土質粘土互層-天然邊坡與不透水覆蓋物邊坡 之地下水位關係圖(坡頂與坡面交界處下方之地下水位高程).......................................................................................................79
圖5.50砂質壤土與龍潭紅土互層-天然邊坡與不透水覆蓋物邊坡之 地下水位關係圖(坡頂與坡面交界處下方之地下水位高程)...79
圖5.51砂質壤土與龍潭紅土互層-天然邊坡與不透水覆蓋物邊坡之 地下水位關係圖(坡頂與坡面交界處下方之地下水位高程)...80
圖5.52砂質壤土與龍潭紅土互層-天然邊坡與不透水覆蓋物邊坡之 地下水位關係圖(坡頂與坡面交界處下方之地下水位高程)...80
圖5.53龍潭紅土與砂質壤土互層-天然邊坡與不透水覆蓋物邊坡之 地下水位關係圖(坡頂與坡面交界處下方之地下水位高程)...81
圖5.54龍潭紅土與砂質壤土互層-天然邊坡與不透水覆蓋物邊坡之 地下水位關係圖(坡頂與坡面交界處下方之地下水位高程)...81
圖5.55龍潭紅土與砂質壤土互層-天然邊坡與不透水覆蓋物邊坡之 地下水位關係圖(坡頂與坡面交界處下方之地下水位高程)...82
圖5.56龍潭紅土與粉土質粘土互層-天然邊坡與不透水覆蓋物邊坡 XVII
之地下水位關係圖(坡頂與坡面交界處下方之地下水位高程).......................................................................................................82
圖5.57龍潭紅土與粉土質粘土互層-天然邊坡與不透水覆蓋物邊坡 之地下水位關係圖(坡頂與坡面交界處下方之地下水位高程).......................................................................................................83
圖5.58龍潭紅土與粉土質粘土互層-天然邊坡與不透水覆蓋物邊坡 之地下水位關係圖(坡頂與坡面交界處下方之地下水位高程).......................................................................................................83
圖5.59土壤邊坡覆蓋範圍與地下水位關係圖(坡頂與坡面交界處下 方之地下水位高程).....................................................................84
圖5.60土壤邊坡覆蓋範圍與地下水位關係圖(坡頂與坡面交界處下 方之地下水位高程).....................................................................84
圖5.61土壤邊坡覆蓋範圍與地下水位關係圖(坡頂與坡面交界處下 方之地下水位高程).....................................................................85
圖5.62砂質壤土-天然邊坡與邊坡內舖設排水管之地下水位關係圖(坡頂與坡面交界處下方之地下水位高程)................................85
圖5.63 砂質壤土-天然邊坡與邊坡內舖設排水管之地下水位關係圖(坡頂與坡面交界處下方之地下水位高程)................................86
圖5.64粉土質粘土-天然邊坡與邊坡內舖設排水管之地下水位關係 圖(坡頂與坡面交界處下方之地下水位高程)............................86
圖5.65粉土質粘土-天然邊坡與邊坡內舖設排水管之地下水位關係 XVIII
圖(坡頂與坡面交界處下方之地下水位高程)............................87
圖5.66龍潭紅土-天然邊坡與邊坡內舖設排水管之地下水位關係圖 (坡頂與坡面交界處下方之地下水位高程)................................87
圖5.67龍潭紅土-天然邊坡與邊坡內舖設排水管之地下水位關係圖(坡頂與坡面交界處下方之地下水位高程)................................88
圖5.68砂質壤土與粉土質粘土-天然邊坡與邊坡內舖設排水管之地 下水位關係圖(坡頂與坡面交界處下方之地下水位高程).......88
圖5.69砂質壤土與粉土質粘土-天然邊坡與邊坡內舖設排水管之地 下水位關係圖(坡頂與坡面交界處下方之地下水位高程).......89
圖5.70砂質壤土與龍潭紅土-天然邊坡與邊坡內舖設排水管之地下 水位關係圖(坡頂與坡面交界處下方之地下水位高程)...........89
圖5.71砂質壤土與龍潭紅土-天然邊坡與邊坡內舖設排水管之地下 水位關係圖(坡頂與坡面交界處下方之地下水位高程)...........90
圖5.72龍潭紅土與砂質壤土-天然邊坡與邊坡內舖設排水管之地下 水位關係圖(坡頂與坡面交界處下方之地下水位高程)...........90
圖5.73龍潭紅土與砂質壤土-天然邊坡與邊坡內舖設排水管之地下 水位關係圖(頂與坡面交界處下方之地下水位高程)...............91
圖5.74龍潭紅土與粉土質粘土-天然邊坡與邊坡內舖設排水管之地 下水位關係圖(坡頂與坡面交界處下方之地下水位高程).......91 XIX
圖5.75龍潭紅土與粉土質粘土-天然邊坡與邊坡內舖設排水管之地 下水位關係圖(坡頂與坡面交界處下方之地下水位高程).......92
圖5.76均質土壤滲透係數與地下水位關係圖(坡頂與坡面交界處下 方之地下水位高程).....................................................................92
圖5.77互層土壤滲透係數與地下水位關係圖(坡頂與坡面交界處下 方之地下水位高程).....................................................................93
圖5.78互層土壤滲透係數與地下水位關係圖(坡頂與坡面交界處下 方之地下水位高程).....................................................................93
圖5.79互層土壤滲透係數與地下水位關係圖(坡頂與坡面交界處下 方之地下水位高程).....................................................................94
圖5.80互層土壤滲透係數與地下水位關係圖(坡頂與坡面交界處下 方之地下水位高程).....................................................................94
1.王瀚衛 (2004),"降雨及入滲對邊坡穩定之效應",國立中興大學水土保持學研究所碩士論文。
2.呂明杰 (2004),"土壤邊坡降雨入滲行為之探討",私立中原大學土木工程研究所碩士論文。
3.林宏達、拱祥生 (2001),「不飽和土壤力學性質試驗及其在邊坡工程之應用」,地工技術雜誌,第83期,第39~52頁。
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5.陳本康、吳仁明 (1992),「地下水文及降雨與邊坡穩定的關係」,第六屆水利工程研討會論文集,第517~524 頁。
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