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第 4 5卷 第 2 2期 2 0 1 4年 1 1月 人 民 长 江 Ya n g t z e Ri ve r V0 1 4 5 No 2 2 No v ,201 4 文章编 号: 1 0 0 1 4 1 7 9 ( 2 0 1 4 ) 2 2 0 0 6 2 0 3 大岗山混凝土双曲拱坝体形设计 张 燕 , 唐 宗 敏 , 邹 敬 东 ( 中国电建集 团成都勘测设计研 究院有 限公 司, 四川 成都 6 1 0 0 7 2 ) 摘要 : 大 岗山拱坝抗震设防等级较 高, 给大坝体 形设计增加 了难度。拱坝体 形设计遵循 “ 按静 力设计 , 留有余 地 , 同 时 兼 顾 动 力 ”的设 计 思 想 。介 绍 了拱 坝建 基 面 和 体 形 断 面 的 确 定 和 选 取 过 程 。 采 用 拱 粱 分 载 法 , 对 坝 体位 移、 应力进行 了静力分析 。计算表明 , 几种组合工况下 , 坝体应 力、 位移分布较为对称 , 拱 坝坝基 面基 本处 于受压状 态, 只在拱座局部产 生拉应 力, 应力状 态良好。 关 键 词 : 拱 坝 ;体 形设 计 ;抗 震 ;大 岗山 水 电站 中 图 法 分 类 号 :T V 6 4 2 4 文 献 标 志 码 :A 1 工程概况 大 岗山水 电站 位 于 四川 省 雅 安 市石 棉 县 境 内 , 为 大渡 河干 流规 划 的 2 2个 梯 级 中 的第 1 4个 梯级 电站 。 坝址处于“ n” 形嵌入河曲峡谷 中, 两岸山体雄厚 , 谷坡 陡 峻 , 河 谷呈 “ V ” 形 。坝 址位 于黄 草 山断块 西 缘 , 西距 大渡河断裂 4 k m、 磨西断裂 4 5 k m, 东距金坪断裂 2 1 k m。坝 区地 质 构 造较 为简 单 , 无 区 域 断 裂 切 割 , 构 造 型式 以沿脉 岩发育 的挤 压 破碎 带 、 断层 和节 理 裂 隙 为 特 征 。大坝抗 震设 防类 别 为 甲类 , 抗 震 设 计 烈 度 为 度 。拱 坝设 计 地 震 采 用 1 0 0 a基 准 期 超 越 概 率 2 , 相 应 基 岩 地 震 动 水 平 峰 值 加 速 度 为 5 5 7 5 c m s ; 拱 坝校核 地震 采用 1 0 0 a超越 概率 1 , 相 应 基 岩地震 动水 平峰 值加 速度 为 6 6 2 2 c m s 。 2 体 形设计 2 1设 计 思 想 坝址 区地震 烈 度高 , 抗 震 设 计 是 体 形设 计 的关 键 技术 问题 之一 。大 岗 山拱 坝体 形 设 计 遵循 “ 按静 力 设 计 , 并 留有余地, 同时兼顾 动力 ” 的设计思 想, 以提高 拱坝抗震能力为 目标 , 使拱坝体形既满足静力要求, 又 动应力较小 , 以改善动力工况时的坝体工作条件。 2 2拱坝建基面 在坝址 、 坝线已定的前提下 , 拱坝体形设计首先需 要确定拱坝建基面。建基面的选取应综合考虑拱端嵌 深 、 拱 坝体 形 、 拱 坝应 力 及 稳 定 状 态 、 拱 坝 抗震 动 力 分 析 、 工 程地 质条 件 、 基 础 处 理 措 施 、 工 程 量 和施 工 条 件 等方 面 的因素 。 根据 目前 高拱 坝设 计 经 验 , 拱 坝 中高 高程 的建 基 面可置于弱风化下段岩体 , 高高程 的建基面可置 于弱 风化 上段 岩体 。考 虑 到 大 岗 山拱 坝 的 动 力要 求 , 拱 坝 建 基面 对弱风 化上 段 岩体 的利 用 较 为 慎 重 , 因 为 如 果 过份 追求 建基 面位 于 微新 和 弱风 化 下 段 岩体 上 , 将 导 致拱端嵌深增大 , 坝体弧长增加 , 从而导致作用于坝体 上 的水 压力增 加 对坝体 应力 不利 。 经 过多方 案 比选 后 , 确 定 的 大 岗 山拱 坝 建 基 面选 取 原则 为 : 两岸 1 0 4 0 m 高程 以上 拱 坝 建 基 岩 体 以 微 新 一 弱 风化 下段 I I I 1类岩 体为 主 , 其 中 1 0 8 0 m 高 程 以上 可局 部利 用 2类岩 体 ; 两 岸 9 4 01 0 4 0 m 高 程建基岩体以微新 类为主, 局部利用弱风化下段 I l l 1 岩体 ; 河床 9 2 5 9 4 0 m高 程坝段 建 基岩体 应 为微新 类 。最 终 开 挖揭 示 的建 基 面 主 要 以 、 1 1 1 1类 岩 体 为 主 , 占建基 岩体 总面 积约 8 8 。仅 在建 基 面 的裂 隙密 集带及辉绿岩脉等局部位置分布有 2类岩体。 2 3拱坝体形断面 大 岗 山拱 坝采 用抛 物线 双 曲拱 体 形 。从 有利 抗震 出发 , 坝 体厚度 不 应太 薄 , 力 求坝体 具 有较 大 的整 体 刚 收稿 日期 : 2 0 1 4 0 92 0 作者简 介 : 张 燕, 女 , 高级工程师 , 主要从 事水工结构设计3 - 作。Ema i l : w a n z i _ 6 8 2 2 q q c o m 第2 2期 张燕, 等: 大岗山混凝土双曲拱坝体形设计 6 3 度 。另外 , 考虑到结构受地震作用时损伤开裂区不贯 通 的要求 , 坝体厚度也宜稍大 , 以保证在动力作用时能 提供 有效 断 面保 证 结 构 安 全 。拱 坝 厚 高 比(B H ) 是 拱 坝 厚薄 的一 个重 要 度 量参 数 , 它 在 一 定 程 度 上 可 以 反 映 大坝 结构 的 刚度 。为设 计 出满 足 静力 要 求 , 同 时动应力又较小的拱坝体形 , 大岗山拱坝体形断面设 计 过 程 中研究 了不 同坝 体厚 度体 形对 高地震 烈度 的适 应性 。 针对 不 同厚 高 比体 形 , 按 拱 梁法静 力 、 动力对 坝体 应力进行 了计算 , 结果表明: 当拱坝为薄拱坝或中厚拱 坝时, 随坝体厚高 比的增 大, 大坝上 、 下游坝面静动综 合最 大 主压应 力 和最 大 主 拉应 力 均 呈 减 小 趋 势 , 坝 体 的径 向位 移 和切 向位 移 也 随 厚 高 比 的增 大 而减 小 ; 大 坝 的 自振 频率 随厚 高 比增 大而增 大 。随着 坝体 厚度 进 一 步增加 , 坝体由中厚拱坝转变为重力拱坝。计算表 明 , 受地 震作 用 时 , 重力 拱 坝应力 调整 能力 弱 于薄拱 坝 和 中厚 拱坝 。加 之坝体 质 量增加 也使 得重 力拱 坝结 构 抗震 性 能较 薄拱 坝和 中厚 拱坝差 。经优化 比选 确定 的 大 岗 山双 曲拱 坝 体形 厚高 比为 0 2 4 8 。 拱 坝厚 高 比主要 反 映 的是 拱 冠悬 臂 梁 的刚 度 , 而 坝 体混 凝土 方量 与坝 高 三次 方 的 比值 ( V H )可 以综 合 反 映拱冠 梁 和拱 圈的厚 度 。将 大 岗 山拱 坝体 形参 数 与 国内外坝 高 大于 1 8 0 m 的部 分 拱 坝进 行 统 计 类 比 , 绘 制 拱坝体 形 的 L H V H 和 日 B H散点关 系 图 ( 见 图 1 、 2 ) , 为 拱 坝 体 形设 计 的合 理 性 评价 提 供 参 考 图 1 L H V H 散点关系 图 2 L H B H散 点 关 系 由图可知 , 大岗山拱坝体形与二滩 、 小湾拱坝体形 在 H V H 和 日 B H散 点关 系 图上 的分 布规 律较 为接 近 , 可 以定 性 地 认 为 , 拱 坝 坝 体 刚度 适 中 , 大 坝设计厚度是合适的。 为设 计 出对高 烈 度 地震 具 有 良好 适应 性 的拱 坝 , 除 了 在拱 坝厚 度方 面 进行 深 入 的研 究 外 , 体 形设 计 还 从 以下几 方 面进行 了综 合考 虑 : 使拱 坝体 形 尽 量对 称 , 在满 足坝体 强度 要 求 的前 提 下 , 力 求 坝体 应 力 、 位 移 、 稳定条件 良好 ; 在不降低坝顶 刚度的同时 , 使坝 体的上部质量最小化 ; 在满足坝肩抗滑稳定 的情况 下 , 适 当加 大 中心 角 , 增 加拱 的作 用 以承担 大部分 地震 力 ; ( 控制上游倒悬 , 改善施工期应力条件 , 尽量使体 形简单 、 方便施工、 利于抗震。采用 3次多项式沿高程 描述 拱坝 拱冠 梁上 游 面 曲线 、 拱 冠 厚度 、 拱 端 厚 度 、 拱 冠处 曲率 半径 等参 数 。综 合考 虑 上 述 多 方 面 的 因素 , 大 岗 山抛 物 线 双 曲拱 坝技 施 设 计 体 形 参 数 特 征 值 如 下 。 最大坝高 2 1 0 O 0 m 最 大 中心角 9 3 5 4 0 。 ( 1 0 9 0 0 0 0 m高 程 ) 拱 冠顶 厚 1 0 0 m 厚 高 比0 2 4 8 拱 冠底 厚 5 2 0 m 弧 高 比 3 0 2 6 拱 端最 大厚 度 5 5 6 0 m( 9 5 0 r n高程 ) 柔 度 系数 1 1 7 0 0 顶 拱 中心角 9 2 4 。 坝 体方 量 2 9 7 7 4 4万 m 顶 拱 中心线 弧长 6 3 5 4 6 7 r n 上 游倒 悬度0 1 2 3 坝体应 力分析 3 1 静力分析 采 用规 范 的 拱 梁分 载法 ( 成 勘 院程 序 ) 对 大 岗 山 拱 坝 坝体位 移 、 应力 进行 静力 分析 。计算 表 明 , 几 种基 本 组合 工况 作用 下 , 坝 体 应 力 、 位 移 分 布较 对 称 , 整 个 拱 坝 坝面基 本 上处 于 受压 状 态 , 只在 拱 座 部位 局 部 产 生拉应力 , 应力状态 良好。 荷载基 本 组合 1 ( 正常 蓄水位 +温降 ) 和荷 载基 本 组 合 3 ( 正常 蓄水 位 +温升 ) 是抛 物线 双 曲拱 坝 体形 设 计 静 力位移 和应力 的控 制工况 。坝体上 游最 大主 压应 力 为 5 7 5 MP a , 出现在 荷 载 基 本组 合 1 。坝体 上游 最 大 主拉应 力为 0 4 8 MP a , 出现 在荷 载 基 本 组 合 3 。坝 体下 游最 大 主压应 力 为 6 0 4 M P a , 出现在 荷 载基 本组 合 3 , 坝 体下游 最 大主拉 应力 为 0 2 4 MP a , 出现在 荷载 基本 组合 3 。特殊 组 合 ( 设 计 洪 水 +温 升 ) 作 用 下 , 上 游坝 面最 大 主压应 力 为 5 2 0 M P a , 下 游坝 面最 大 主压 应力 为 6 2 3 MP a ; 上 游 坝 面 最 大 主 拉 应 力 为 0 5 2 MP a , 下 游游 坝 面最 大主 拉 应 力 为 0 1 0 MP a 。 与其 它 6 4 人 民 长 江 2 0 1 4生 2 0 0 m级拱坝相比, 大岗山拱坝坝体静拉、 压应力水平 较 低 , 拱坝 体形不 受静 力控 制 , 这 反 映了拱 坝体 形设 计 遵循“ 按静力设计 , 并 留有余地 , 同时兼顾动力” 的设 计 思 想是正 确 的。有 限元 线 弹性 计 算 的坝体 应力 、 变 形规律与拱梁分载法计算结果一致 , 均反映 出大坝具 有较 好对 称性 的特点 , 应力 分布 状况 良好 。 3 2 动力分析 按照现行抗震规范的要求 , 针对大岗山拱坝, 进行 了动力拱梁 分 载法 ( 试 载 法 ) 和 线 弹性 有 限 元 法 动 力 分 析 。两种 方 法计算 得 出的大 坝在正 常 蓄水位 和死 水 位作 用下 的 自震频率 接 近 , 动 力 拱 梁 分 载法 计 算 的正 常蓄水位时大坝基频 1 6 3 H z , 基本 自振周期约 0 6 1 s ; 有限元法计算得正常蓄水位时大坝基频 1 6 5 Hz , 基 本 自振周期约 0 6 1 s 。死水位作用时, 由于水位降低 导 致上游 坝 面水体 附 加质 量 的减 小 , 大 坝 的 自振 频 率 比正常蓄水位的 自振频率略有提高 。大坝各阶模态分 布 密集 , 基本 振型 为反对 称振 型 。 为对比分析大岗山拱坝动力反应水平 , 表 1列 出 了 国内部分 已建 拱 坝 采 用 动 力 拱 梁 分 载 法 S D T L M8 8 程 序 , 按 照规 范标 准反 应谱计 算 的各拱 坝技施 体 形上 、 下游面静动综合主应力成果。表 2列出了利用线弹性 有限元法计算 出的大岗山与经受 “ 5 1 2 ” 地震考验 的 沙牌拱坝的地震静动综合反应成果。 表 1 各 拱 坝 上 、 下 游 面 静 动 综 合 主 应 力 反 应 表 2 线 弹性 有限元法正常蓄水位大坝静 动综合应 力极值 比较 M Pa 大岗山 8 5 6 1 7 2 0 6 9 2 1 3 4 5 8 I 8 1 3 2 8 6 9 3 2 1 0 9 沙牌( 0 2 g )4 0 8 6 0 3 3 6 3 7 2 3 5 3 6 0 4 1 6 6 5 9 1 沙牌( 0 4 g ) 9 4 1 1 0 6 8 6 2 1 6 0 1 7 7 0 8 9 6 3 3 7 7 5 0 注: 表 中 号说 明此应力极值点位于应力集中区。 沙牌 的线弹性 有限元计算采用规 范谱人 工波地 震波 , 0 4 g为根据 “ 5 1 2 ” 汶 川地 震推算 出的地震时作用沙牌基 岩水平峰值加速度。 对 比分析上述计算成果可知 , 设计地震作用下动 力拱梁分载法计算的大岗山静动综合最大主拉应力值 为 一8 4 9 MP a , 高 于溪 洛 渡 、 锦 屏 一 级 、 沙 牌 、 小 湾 和 白鹤滩 , 略大 于上 虎跳峡 。线 弹性 有 限元 法 结果显 示 , 大岗山拱坝 的静动综合拱、 梁 向应力大于沙牌 0 2 g 地震 动 参 数 作 用 时 的 坝 体 应力 , 但 是 与 沙 牌 在 0 4 g 地震 动参 数作 用 时的坝体 拉应 力水 平基 本相 当。大 岗 山拱坝非线性有限元分析的静动综合坝体拉应力也与 沙牌拱坝在 0 4 g实测地震作用时的坝体拉应力水平 基 本相 当 。 综 合规 范方法 、 线 弹 性 有 限元 和非 线 性 有 限元 计 算 分析 结果 , 大 岗山拱 坝 坝 体 应力 和位 移 的量值 仍 在 目前 国内工程 设计 水 平 可 以接 受 和 控 制 的 范 围 以 内。 经 过一 系列抗 震设 计 和抗 震 措 施 设计 后 , 无 论横 缝 开 度 、 拱坝应力 、 坝体损伤均与已建小湾拱坝和沙牌拱坝 相 当 , 且 超载 计算 和模 型 试 验 也 反 映 出大 岗 山拱 坝具 有 较强 的地震 超 载能 力 , 设 计 地震 时大 坝 完 好 的 概率 达到 9 7 5 , 大坝产生严重破坏概率很小 , 大岗山拱 坝抗震安全性是有保证的 , 体形设计合理。 4 结 语 本 文 主要从 抗震 角度 出发 总结 了大 岗山拱 坝体 形 设 计思 想 。 以设 计 出 坝体 刚度 适 中 的 拱 坝 体 形 为 目 的, 重点论述 了体形设计 中拱 坝厚度 的选取。计算分 析和工程类 比都表明, 优化设计 的大岗山混凝土双 曲 拱坝体 形静 应力 状态 良好 , 动力 安全 性有保 证 , 体形设 计合 理 。 参 考文献 : 1 计 家荣 , 丁予通 二滩拱 坝设计 与优化 J 水力发电 , 1 9 9 8 , ( 7 ) 2 中国水 电顾问集团成都勘 测设计研 究院 四川省大渡河 大岗山水 电站可行性研究报 告及 附件 R 成都 : 中 国水 电顾 问集 团成 都 勘 测 设 计 研 究 院 2 0 0 6 3 段斌 。 陈刚 , 严锦江 , 等 大 岗山水电站前期 勘测设 计中的 大坝 抗 震研 究 J 水利水电技 术, 2 0 1 2, ( 1 ) 4 中国水 电顾 i,- 1 集 团成都勘测设 计研 究院 四川省 大渡 河大岗山水 电站混凝土拱坝抗震设计 专题报告 R 成都 : 中国水 电顾 问集 团成都勘测设计研究院 2 0 1 1 ( 编 辑 : 李 慧 ) ( 下转 第 6 8页 ) 6 8 人 民 长 江 2 01 4年 3 结 语 本文在利用子模型精细模拟大岗山水电站拱坝体 型 、 坝 身孔 口和进 出 口闸墩 、 闸墩 环 形 主 锚 索 、 次锚 索 等 结构 特征 的基础 上 , 重点研 究 了孔 口、 闸墩 的应 力状 态 , 进 而开展 了配 筋分 析 。主要可 得 出 以下 结论 。 ( 1 )大岗山拱坝整体模型和子模型有限元变形规 律基本一致 , 坝身开孔对其附近的影 响范 围有限, 对 1 倍 洞径 范 围 的影 响较 大 , 23倍 洞 径 范 围 有 轻 微 影 响 , 3倍洞 径 以外几 乎无 影响 。 ( 2 )与 其他 已建 拱 坝 工程 配 筋 进 行 对 比表 明 , 本 文计 算 的配筋是 合 理 的。 ( 3 )对本 文介 绍 的配 筋计 算方 法还 可 以进行更 加 深入的研究 , 使其在受力复杂的大体积混凝土结构设 计方 面有 更广 泛 的用 途 。 参考 文献 : 1 康亚 明, 杨明成 基于子模 型的孔边应 力集 中的有 限元分析 J 湖 南工程学院学报 , 2 0 0 5, 1 5 ( 4 ) 2 王 勖成 , 邵敏 有限元法基本原理 和数值方 法 M 北京 : 清华 大 学出版社 , 1 9 9 8 3 D L T 5 0 5 72 0 0 9水工混凝 土结构设计规范 S ( 编辑 : 常汉生) Re s e a r c h o n r e i n f o r c e me n t de s i g n o f d e e p o ut l e t o f Da g a n g s ha n a r c h d a m pAN Ya n f a n gL I Ma n l i n ( C h e n g d u En g i n e e r i n g C o r p o r a t i o n L i mi t e d,P o we r C h i n a ,C h e n g d u 6 1 0 0 7 2,C h i n a) Ab s t r ac t :Th e b e a r i n g l o a d o f a r c h d a m d e e p o u t l e t i s l a r g e a nd t h e i n flue nc i ng f a c t o r s t o t he s t r u c t ur a l s t r e s s a r e mu l t i p l e wi t h c o mp l e x r e l a t i o n,S O r e i n f o r c e me n t me a s ur e s s h o ul d be a d o pt e d t o i mp r o v e t h e s t r e s s s t a t e o f o ut l e t s t r uc t ur e f o r e n s u r i ng da m s a f e t y i n t h e c o n s t r u c t i o n a nd o pe r a t i o n p e r i o d s Ta k i n g Da g a n g s ha n Hy dr o p o we r S t a t i o n a s a c a s e,a 3 D l i n e a r e l a s t i c FEM f o r s t r e s s a n a l y s i s i s e s t a bl i s h e d On t h e ba s i s o f f i n i t e e l e me nt a n a l ys i s o n t he o u t l e t s t r e s s,fin e s i mul a t i o n a n d c a l c ul a t i o n f o r de e p o u t l e t r e i n f o r c e me n t a r e c o n d u c t e d b y s u bmo d e 1 C o mp a r e d a n d a n a l y z e d wi t h o t h e r s i mi l a r p r e c t s ,i t i s s h o w n t h a t t h e a d o p t e d c a l c u l a t i o n me t h o d i S r e a s o n a b l e Ke y wo r ds: s ubmo d e l me t h o d;de e p o u t l e t ;r e i n f o r c e me n t ;a r c h da m ;Da g a n g s ha n Hy d r o p o we r S t a t i o n ( 上接第 6 4页 ) De s i g n o f c O nng u r a t i O n o f Da g a n g s h a n c o n c r e t e do u bl e c u r v a t ur e a r c h d a m ZHANG Ya n,TANG Z o n g mi n,S HAO J i n g d o n g ( C h e n g d u E n g i n e e r i n g C o r p o r a t i o n L i mi t e d,Po w e r C h i n a,C h e n g d u 6 1 0 0 7 2,C h i n a ) Abs t r a c t :Th e a s e i s mi c g r a d e o f Da g a n g s h a n a r c h d a m i s hi g h。wh i c h i nc r e a s e s t he c o n f i g u r a t i o n de s i g n d i ffic ul t yTh e d e s i g n i ng e n g i ne e r s f o l l o we d t h e pr i nc i p l e o f s t a t i c f o r c e de s i g n wi t h r e d un d a nc y a n d g i vi n g c o ns i d e r a t i o n t o d y na mi c c o n d i t i o n Th e s e l e c t i o n a n d de t e r mi na t i o n pr o ce s s o f f o un d a t i o n pl a n e a n d c r o s s s e c t i o n a r e i n t r o d u c e d Th e d i s p l a c e me n t a nd s t r e s s o f d a m b o d y a r e a na l y z e d b y u s i n g a r c h c a nt i l e v e r l o a d d i v i s i o n me t ho dThe r e s u l t s s h o w t h a t t h e d i s t r i b ut i o n o f d i s p l a c e me n t a nd s t r e s s i s s y mme t r i c a l u nd e r t h e c a s e s c o mbi n a t i o n;t h e mo s t o f d a m f o u nd a t i o n p l a ne i s i n c o mpr e s s i o n e x c e pt for t he t e n s i l e s t r e s s i n s o me p a r t s o f t he a r c h a b ut m e nt Ke y wo r ds : a r c h d a m ;c o n fig u r a t i o n de s i g n;s e i s mi c r e s i s t a nc e;Da g a n g s ha n Hy d r o po we r S t a i o n 简 讯 , 】 太 湖 流 域 管 理 局 完 成 福 建 省 及 厦 门 市2 01 4 年 中 小 河 流 治 理 第 二 次 督 导 检 查 2 0 1 4年 1 1月 81 2日, 太 湖流 域管理局先 后赴福建 省 、 厦 门市开展 了2 0 1 4年 中小河流治理第二次督导检查。 检查组通过查看现 场、 查 阅资料 和座 谈 交流等 方 式, 检 查 了福建省和厦 门市 中小 河流 治理 责任 制 落实 、 工作 机制 、 前期 工作、 投 资计 划下达 与配套 资金 落实 、 建设 管理 、 监 督检查 与整 改情况 , 以及 2 0 1 3 2 0 1 5年 中小河流 治理项 目等, 并重点抽 查 了连成县 旧县河新泉镇河道治理 工程 等 5个项 目, 复查 了 1个 整 改项 目。检查组肯 定 了福建省 及厦 门市在 全 面推进 中小河 流治理工作过程 中所采取的措施 以及 取得 的进 展和成 效, 指 出 了检查 中发现 的突 出问题 , 提 出了整 改完善 的意 见建议 , 要求 省市水行政主管部 门和项 目参建单位 进一 步完善工作 机制 , 加 大工作力度 , 规范项 目资金和 财务 管理 , 提 升项 目建 设管 理 能 力 , 提高工程质量, 强化主管部 门的监督检 查和指 导, 采取 有力 措施全面推进 中小河流治理等 民生水利和 薄弱环节建设 工作 。 ( 长 江 )
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