周健，陳成，杜強，張姣

(1.同濟大學 地下建筑與工程系，上海 200092；2.同濟大學 巖土及地下工程教育部重點實驗室，上海 200092； 3.內蒙古大學 交通學院，內蒙古呼和浩特 010070；4.上海城市管理職業(yè)技術學院 土木工程與交通學院，上海 200432)

細粒含量對泥石流啟動影響的離心機模型試驗*

周健1，2，陳成1?，杜強1，3，張姣4

(1.同濟大學 地下建筑與工程系，上海 200092；2.同濟大學 巖土及地下工程教育部重點實驗室，上海 200092； 3.內蒙古大學 交通學院，內蒙古呼和浩特 010070；4.上海城市管理職業(yè)技術學院 土木工程與交通學院，上海 200432)

采用自主研發(fā)的離心機可視化試驗裝置，在坡度和降雨強度不變的條件下，配置6組不同細粒含量的坡體，進行降雨誘發(fā)泥石流離心機模型試驗.通過分析坡體破壞形態(tài)、孔隙水壓力變化、雨水遷移規(guī)律等，研究細粒含量對泥石流啟動過程的影響.研究結果表明：泥石流啟動存在臨界細粒含量(約為15%)，在臨界細粒含量范圍內，坡體表現為分層滑動破壞，10%細粒含量的泥石流啟動時間最短；泥石流啟動過程中坡內孔壓逐漸上升至峰值后波浪狀下降，隨著細粒含量的增加，孔壓曲線趨于平緩；細粒含量影響雨水的滲透速度和路徑，這是影響坡體破壞形態(tài)和決定泥石流能否啟動的直接原因.

細粒含量；泥石流；離心機模型試驗

Abstract：Using the self-developed visualization test apparatus with constant slope and rainfall intensity and making six sets of slopes with different fine contents，centrifuge model tests on rainfall-induced debris flow were carried out.Through the analysis of slope failure patterns，the development of pore water pressure，moisture migration，and the influence of fine contents on the debris flow initiation process were studied.The test results indicate that there is a critical fine content(about15%)with the initiation of debris flow，the failure pattern of slopes is retrograded sliding when fine contents are blow the critical value，and the start time of debris flow with 10% fine content is the shortest.During the initiation of debris flow，the pore pressure increases to the peak before it declines like a wave and the curve of pore pressure tends to be gentle with the increase of fine contents.Fine contents influence the infiltration rate and the path of water，which affects slope failure patterns and determines whether the debris flow can start.

Keywords：fine content; debris flow; centrifugal model test

泥石流爆發(fā)突然、破壞性強，起動過程受眾多因素影響，包括坡度、降雨特征、地震、人類活動等外部因素以及泥石流巖土體自身礦物成分、顆粒級配、化學成分、土體分散性和地下水環(huán)境等內部因素[1].

國內外學者考慮了內外部因素，對泥石流啟動過程做了研究，取得了一些研究成果[2-10].在研究降雨因素方面，李馳等[11]通過室內人工降雨試驗，發(fā)現了降雨入滲誘發(fā)泥石流的啟動最先出現在坡腳附近，隨著降雨強度增大、土體飽和度增大，坡體穩(wěn)定性降低促進泥石流的啟動；林鴻州等[12]通過降雨誘發(fā)邊坡失穩(wěn)的模型試驗，探討了降雨特性對邊坡失穩(wěn)的影響.在研究坡度因素方面，陳中學等[13]通過在特定降雨強度下進行的室內模型試驗，發(fā)現坡度越大，泥石流易發(fā)性越好，特別是當坡度大于45°時，泥石流啟動所需時間大大縮短.在研究顆粒級配方面，周健等[14-15]通過室內模型試驗以及離心機模型試驗，研究了不同級配的砂土顆粒組分對泥石流啟動形態(tài)的影響；Wang等[16]對不同粒徑的兩種硅砂進行降雨誘發(fā)泥石流試驗，分析了滑動距離與土內孔壓之間的關系；陳曉清等[17]通過蔣家溝現場試驗，初步探索了黏土顆粒含量對泥石流啟動的影響.

以上研究大多是采用室內模型試驗手段對泥石流啟動過程進行的研究，其缺點是試驗坡體深度、寬度均比實際坡體小，與實際應力差距大.離心機模型試驗在高應力場條件下模擬接近實際土體的應力狀態(tài)，比室內模型試驗更接近泥石流現場條件.

本文通過離心機模型試驗，在坡度和降雨強度不變的條件下，利用高清數碼相機記錄坡體破壞過程；利用孔隙水壓力計記錄坡內孔隙水壓力變化；通過分析不同細粒含量坡體的破壞過程、破壞特征時刻、累計滑動量、雨水遷移規(guī)律、孔壓變化規(guī)律等研究細粒含量對泥石流啟動過程的影響.

1 離心機模型試驗設計

1.1 試驗土樣

考慮到離心機的放大效應，本文采用石英砂(0.005～0.100 mm)摻入不同比例的細粒(0.005～0.075 mm)作為試驗土樣.石英砂的相關參數為d50=0.056 mm，Gs=2.75 g/cm3，φ=27°，其滲透系數經離心機重力場(20g)放大后與粗砂滲透系數接近，其模擬的粗砂粒徑分布如表1所示.細粒塑性指數為19，屬于黏土范疇，由于本身粒徑極小，難以用其他材料替代，并且其含量相對較少，所以可以近似認為：在離心機的放大效應作用下，試驗土坡整體的滲透系數與實際土坡滲透系數一致.雖然野外泥石流的粒徑組分復雜，包含黏粒、粉粒、砂土、礫石土等多種組分，呈寬級配混合土體，但本文旨在單獨考慮細粒含量對泥石流起動過程的影響，因此試驗土樣與泥石流原狀土樣存在一定差異.前人研究表明坡面型泥石流以平移式滑動破壞為主，通常發(fā)生在殘積土層厚度小于2 m的坡地[18].受限于本次試驗所用的模型槽尺寸較小，將坡體厚度定為10 cm，經過20g重力場放大基本滿足研究坡面型泥石流啟動機理的要求.

表1 模擬粗砂粒徑分布

不同區(qū)域的泥石流在形成時，堆積土體的密實度是不同的.通過研究發(fā)現密實度處于0.33～0.47的砂土邊坡，土體顆粒容易發(fā)生平動或轉動，顆粒間孔隙較大，具有較高的滲透性，更易形成泥石流，因此本文試驗中控制坡體密實度Dr=0.45.在較小的初始含水率下，坡體容易自立，并可以保證松散程度，防止土體結塊，便于均勻裝樣，因此，控制土樣初始含水率為5%.試驗制備6組不同細粒含量的土樣研究細粒對泥石流起動的影響，土樣編號及滲透系數如表2所示，土樣顆粒級配曲線如圖1所示.

表2 離心機模型試驗土樣編號及滲透系數

1.2 試驗裝置

本文的降雨誘發(fā)泥石流離心機模型試驗裝置采用邊坡降雨及動態(tài)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)是在同濟大學現有土工離心機的基礎上自主設計完成的，包括離心機內部遠程可調控人工降雨系統(tǒng)(圖2)、遠程數據采集系統(tǒng)和泥石流發(fā)生槽(圖3).離心機的主要參數：最大荷載能力為150 g·t；最大離心加速度為200g；有效轉臂半徑為3.0 m.經試驗驗證，該套邊坡降雨及動態(tài)測量系統(tǒng)可以實現離心機內部霧化均勻、強度可控的人工降雨，遠程控制動態(tài)測量系統(tǒng)可以通過高清數碼相機、攝像頭、孔壓計完整地記錄泥石流形成全過程力學參數變化規(guī)律.邊坡降雨及動態(tài)測量系統(tǒng)具體描述見文獻[19].

1.3 試驗坡體及降雨強度

試驗坡體如圖4所示，一級坡體15°，二級坡體35°，坡體厚度為10.0 cm，寬度為25.0 cm，上表面為80.0 cm.結合參考文獻[20]中中國山區(qū)災害暴雨泥石流發(fā)生臨界雨量閾值(表3)，發(fā)現泥石流通常在降雨強度40 mm/h以上發(fā)生，所以離心機模型試驗中控制降雨強度為 50 mm/h.

圖2 遠程可調控人工降雨系統(tǒng)

圖3 泥石流模型槽

表3 中國山區(qū)災害暴雨泥石流發(fā)生臨界雨量閾值

圖4 試驗坡體

2 離心機試驗結果與分析

本文采用6種不同細粒含量的土樣制作試驗坡體進行降雨誘發(fā)泥石流試驗，試驗編號沿用土樣編號S1，S2，S3，S4，S5和S6，對應細粒的質量分數為0%，5%，10%，15%，20%和25%.

2.1 坡體破壞形態(tài)分析

離心機模型試驗中，在降雨強度50 mm/h下，細粒質量分數0%～10%的坡體破壞形態(tài)為分層滑動型，形成泥石流；細粒質量分數15%的坡體破壞形態(tài)為分層滑動向坡面沖刷的過渡型，形成泥石流；細粒質量分數為20%～25%的坡體破壞形態(tài)為沖刷型，沒有形成泥石流.選取細粒質量分數為5%，15%，25%的坡體破壞過程進行分析.

細粒質量分數為5%的坡體破壞形態(tài)為分層滑動型，其過程如圖5所示.

圖5 5%細粒質量分數的坡體破壞過程

降雨至85 s時，坡面沉降明顯，未滲入坡體的雨水形成徑流(圖5(b))；降雨至125 s時，坡腳在坡面徑流以及坡內滲流共同作用下開始破壞，靠近坡腳位置出現較大裂縫(圖5(d))；降雨至187 s時，坡腳附近土體裂縫貫通，坡體發(fā)生初始滑動(圖5(c))；隨后坡面裂縫擴展，雨水加速入滲，滑動范圍向坡體上部發(fā)展，相繼發(fā)生多次滑動(圖5(e)).

細粒質量分數15%的坡體破壞形態(tài)為分層滑動向坡面沖刷的過渡型，其過程如圖6所示.

降雨至32 s時，由于該坡體的滲透系數相比細粒質量分數5%的坡體更小，所以徑流較早出現，并在坡面沖刷出溝壑(圖6(b))；降雨至64 s時，坡腳被坡面徑流逐漸侵蝕，開始破壞(圖6(d))；降雨至218 s時，坡體失去坡腳支撐發(fā)生初始滑動(圖6(c))，相比細粒質量分數5%的坡體，其滑動深度較淺，坡體上部的滑動范圍也較小(圖6(e)).

細粒質量分數25%的坡體破壞形態(tài)為沖刷型破壞，其過程如圖7所示.降雨至11 s時，大量未滲入坡體的雨水在坡面形成徑流(圖7(b))；降雨至22 s時，坡面沖刷破壞明顯，溝壑逐漸加深，坡腳被侵蝕(圖7(d))；降雨至100 s時，坡體在徑流沖刷下嚴重流失(圖7(c)，7(e)).

圖6 15%細粒質量分數的坡體破壞過程

圖7 25%細粒質量分數坡體破壞過程

2.2 坡體破壞特征時刻分析

不同細粒含量坡體破壞類型和特征時刻如表4所示，坡體破壞特征時刻擬合曲線如圖8所示.

表4 不同細粒含量坡體破壞形態(tài)和特征時刻

圖8 不同細粒含量坡體破壞特征時刻擬合曲線

圖8的擬合曲線可知：隨著細粒含量的增加，由于坡體滲透系數減小，坡面出現徑流以及坡腳開始破壞的時刻均提前，兩條曲線的時間間隔逐漸縮短，說明隨著細粒含量的增加，坡腳破壞由坡面徑流與坡內滲流共同作用轉變?yōu)橛善旅鎻搅鳛橹鲗В云麦w破壞形態(tài)由分層滑動型向坡面沖刷型過渡.

通過分析上述不同細粒含量坡體的破壞形態(tài)及泥石流啟動過程，并考慮到試驗坡體的細粒含量分組較為粗糙，初步認為：泥石流啟動存在某個臨界細粒質量分數(約為15%).在該值范圍內(約為0%～15%)，隨著細粒含量的增加，泥石流啟動時間先減小后增大，細粒質量分數約為10%坡體的泥石流啟動時間最短.

2.3 累計滑動量分析

本文采用立體觀測估算法(即通過在坡體側面以及頂部設置數碼觀測相機，拍攝側面及頂部數碼相機的圖片，確定坡體的滑動深度及形狀輪廓、坡體表層的滑動輪廓及尺寸(圖9))來估測坡體累次滑動形成的松散土體土方量并研究細粒含量對泥石流起動過程中累計滑動量的影響.

圖9 滑動量計算示意圖

細粒質量分數0%～15%的坡體在降雨作用下發(fā)生分層滑動，形成泥石流，其累計滑動量如圖10所示.由圖10可以發(fā)現：在臨界細粒含量范圍內，隨著細粒含量的增加，坡體初始滑動量從5 564 cm3(細粒質量分數0%)減少至1 712 cm3(細粒質量分數15%)，表明泥石流起動規(guī)模逐漸縮小；坡體后繼滑動次數增加，曲線趨于平緩，表明泥石流形成的突發(fā)性下降；泥石流的土方總量從9 309 cm3(細粒質量分數0%)減少至1 712 cm3(細粒質量分數15%)，表明坡體破壞形式從分層滑動型向沖刷型破壞過渡.

圖10 累計滑動量折線圖

2.4 孔隙水壓力分析

在模型槽一級坡底部布置3個孔隙水壓力計3#，2#和1#(圖11)，分別距坡底0 mm，100 mm和200 mm，記錄試驗過程中坡內孔隙水壓力.選取細粒質量分數5%，10%，15%和20%坡體的孔隙水壓力變化曲線(圖12～15)研究細粒含量對泥石流起動過程中孔隙水壓力的影響.

圖11 孔隙水壓力計布置圖

圖12 細粒質量分數5%坡體的孔隙水壓力變化曲線

圖13 細粒質量分數10%坡體的孔隙水壓力變化曲線

圖14 細粒含量15%坡體的孔隙水壓力變化曲線

結合不同細粒含量坡體的孔隙水壓力圖以及宏觀試驗現象，可以將泥石流啟動過程分為3個階段：入滲軟化階段、坡腳破壞階段、分層滑動階段.

圖15 細粒含量20%坡體的孔隙水壓力變化曲線

以細粒質量分數5%坡體的孔隙水壓力變化圖(圖12)為例，在入滲軟化階段(0～85 s)，坡內孔隙水壓力保持不變，雨水逐漸從坡面滲透至坡底孔壓計位置.在坡腳破壞階段(85～187 s)，坡內滲流及坡面徑流逐漸使坡腳破壞，坡體出現多條裂縫，坡內孔隙水壓力迅速上升，說明雨水到達坡底，沿基巖面從坡腳滲出的速度遠遠小于雨水在孔隙內積聚的速度；3#，2#和1#孔壓計到坡腳距離逐漸增加，對應位置孔壓依次增長.在分層滑動階段(187～350 s)，由于初始滑動范圍較大，在185 s，3處孔壓基本同時從峰值(分別為13.6 kPa，11.8 kPa 和5.9 kPa)下降，孔壓下降過程受裂縫擴展的影響呈現波浪狀，最后1#孔壓趨于0.2 kPa，2#孔壓趨于0.25 kPa，3#孔壓趨于-1.8 kPa.

細粒質量分數20%的坡體在試驗降雨條件下沖刷破壞，不形成泥石流，結合其孔隙水壓力圖(圖15)以及宏觀試驗現象可知：由于細粒含量較大，坡體滲透系數極小，雨水入滲速度慢，徑流沖刷侵蝕坡體；當沖刷至接近坡底孔壓計位置，孔隙水壓力曲線出現波動，隨后基本保持不變.

將細粒質量分數10%，15%的坡體與細粒質量分數5%，15%的坡體的孔隙水壓力變化圖進行對比，可以發(fā)現：隨著細粒含量的增加，在坡腳破壞階段，由于坡體滲透系數變小，孔壓上升速度減慢，靠近坡腳的3#孔壓先達到峰值，2#，1#孔壓隨后依次接近峰值，3處孔壓峰值均逐漸減小(細粒質量分數10%的為5.7 kPa，7.4 kPa和3.7 kPa，細粒質量分數5%的為2.1 kPa，3.9 kPa和3.3 kPa)；在分層滑動階段，孔壓下降仍受裂縫擴展的影響，表現為波浪狀，但下降速度減慢；當細粒質量分數接近臨界值(15%)，孔隙水壓力曲線整體趨勢與坡體沖刷型破壞的孔隙水壓力曲線較為相似.

綜合上述分析可知：泥石流啟動過程可分為3個階段，在入滲軟化階段，孔隙水壓力基本保持不變；在坡腳破壞階段，孔隙水壓力迅速增大接近峰值；在分層滑動階段，坡腳附近率先發(fā)生初始滑動，孔隙水壓力釋放并且受到坡體裂縫擴展的影響，表現為波浪狀下降.隨著細粒含量的增加，坡內孔隙水壓力峰值逐漸降低，孔隙水壓力曲線整體趨于平緩.

2.5 雨水遷移規(guī)律分析

細粒質量分數0%，5%，10%和15%的坡體在降雨作用下分層滑動，形成泥石流，泥石流啟動過程中坡體浸潤面變化如圖16～19所示.圖中實線表示浸潤面位置，圖(a)均為坡面出現徑流時刻；圖(b)均為坡腳開始破壞時刻；圖(c)均為坡體初始滑動時刻；圖中虛線表示坡體初始滑動的側面輪廓.利用等比例放大的原理測量浸潤面和初始滑動面相對于原始坡面的深度.

(a)62 s (b)131 s (c)235 s 圖16 細粒質量分數0%的坡體浸潤面變化圖

(a)46 s (b)107 s (c)176 s 圖17 細粒質量分數5%的坡體浸潤面變化圖

(a)35 s (b)80 s (c)128 s 圖18 細粒質量分數10%坡體浸潤面變化圖

(a)32 s (b)64 s (c)155 s 圖19 15%細粒含量坡體浸潤面變化圖

觀察上述4種細粒含量坡體的浸潤面變化圖可以發(fā)現：當坡體細粒含量在泥石流啟動臨界細粒含量范圍內(質量分數約為0%～15%)，降雨作用下，坡體浸潤面變化過程相似，但是細粒含量對浸潤面深度有顯著影響.雨水降落在坡面后受重力場影響，豎直向下入滲，隨著細粒含量的增加，坡面徑流形成時的浸潤面深度由4.6 cm(細粒質量分數0%)減小至1.2 cm(細粒質量分數15%)(圖16(a)，17(a)，18(a)，19(a)).徑流沿沖刷面(基本在坡面附近)向二級坡匯聚，使二級坡有壓入滲水頭增大，局部浸潤線變化幅度大于一級坡.坡腳開始破壞時細粒質量分數0%～10%的坡體浸潤面已經到達二級坡底，細粒質量分數15%的坡體浸潤面還處于二級坡體中部(圖16(b)，17(b)，18(b)，19(b))，說明隨著細粒含量的增加，坡腳破壞由坡內滲流主導轉變?yōu)閺搅鳑_刷主導.坡腳破壞后，坡體在浸潤面附近發(fā)生初始滑動，隨著細粒含量的增加，坡體破壞時的滑動量減小，滑動深度從9.4 cm(細粒質量分數0%)減小至5.3 cm(細粒質量分數15%)(圖16(c)，17(c)，18(c)，19(c)).

細粒質量分數20%，25%的坡體在降雨作用下沖刷破壞，沒有發(fā)生泥石流.坡體破壞過程中浸潤面和沖刷面變化如圖20，圖21所示.圖中實線為浸潤面位置，虛線為沖刷面位置，圖(a)均為坡面出現徑流時刻；圖(b)均為坡腳開始破壞時刻；圖(c)均為二級坡完全破壞時刻；利用等比例放大的原理測量浸潤面和沖刷面相對于原始坡面的深度.

(a)23 s (b)34 s (c)158 s 圖20 細粒質量分數20%的坡體浸潤面及 沖刷面變化圖

(a)11 s (b)20 s (c)162 s 圖21 25%細粒含量坡體浸潤面及沖刷面變化圖

對比上述兩種細粒含量坡體的浸潤面及沖刷面變化圖可以發(fā)現：當坡體細粒含量超過泥石流起動臨界細粒含量(質量分數約15%)，降雨作用下，坡面徑流形成時，細粒質量分數20%的坡體浸潤面深度為0.9 cm，細粒質量分數25%的坡體浸潤面深度為0.6 cm(圖20(a)，圖21(a)).隨著降雨的進行，沖刷面與浸潤面基本重合，逐漸向下遷移(圖20(b)，圖21(b)).由于徑流沿沖刷面向二級坡匯聚，所以二級坡體先于一級坡體完全破壞(圖20(c)，圖21(c)).

對比兩種坡體典型破壞形態(tài)(即分層滑動型破壞和沖刷型破壞)的浸潤面、沖刷面變化過程可知：雨水滲透速度和路徑是影響不同細粒含量坡體破壞形態(tài)和決定泥石流能否啟動的直接原因.

3 離心機模型試驗與現場試驗對比

本次離心機模型試驗的所用土樣經過重力加速度放大后的等效粒徑范圍0.25～5 mm，與蔣家溝的寬級配礫石土粒徑范圍0.002～100.00 mm有較大區(qū)別.但是由于蔣家溝的寬級配礫石土也含有10.7%的黏粒組分，且兩種的平均粒徑d50分別為3.3 mm和3.0 mm，所以兩種土樣的細粒性質較為相似，因此將本次離心機試驗結果與蔣家溝流域左支溝-多照溝上游彎房子的泥石流現場試驗結果進行對比是合理的.圖22為現場試驗孔隙水壓力變化曲線，通過對比分析離心機試驗與蔣家溝現場試驗的宏觀試驗現象以及坡內孔隙水壓力變化，可以發(fā)現兩次試驗的泥石流啟動過程較為接近，均可分為3個階段：在降雨入滲軟化階段，坡內孔隙水壓力基本保持不變，坡面逐漸出現徑流；在坡腳破壞階段，坡內孔隙水壓力迅速增大至峰值，坡內滲流與坡面徑流共同使坡腳破壞；在分層滑動階段，坡體從坡腳附近開始倒退、分層滑動破壞，形成泥石流，孔隙水壓力從峰值開始波浪狀下降.由此說明離心機模型試驗在模擬泥石流啟動上具有一定可靠度，可以在本文試驗基礎上開展進一步研究，探索其他因素對泥石流啟動的影響.

圖22 現場試驗孔隙水壓力變化曲線

4 結 論

本文通過降雨誘發(fā)泥石流離心機模型試驗，在降雨和坡度不變的條件下，研究細粒含量對泥石流啟動過程的影響，得到以下結論：

1)泥石流啟動存在臨界細粒含量(質量分數約為15%)，當細粒含量在該臨界值內，坡體發(fā)生分層滑動，形成泥石流；當細粒含量超過該臨界值時，坡體發(fā)生沖刷型破壞.

2)在臨界細粒含量范圍內，泥石流啟動時間先減小后增大，細粒質量分數10%左右的泥石流啟動時間最短；泥石流啟動規(guī)模隨細粒含量增加而逐漸縮小.

3)泥石流啟動過程可分為3個階段：在入滲軟化階段，坡內孔隙水壓力基本保持不變；在坡腳破壞階段，坡內孔隙水壓力逐漸上升；在分層滑動階段，坡內孔隙水壓力釋放，呈波浪狀下降；隨著細粒含量的增加，孔隙水壓力峰值減小，孔隙水壓力曲線整體趨勢更加平緩.

4)細粒的含量影響雨水在坡內的滲透速度和路徑，這是決定坡體破壞形態(tài)和泥石流能否啟動的直接原因.

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Centrifugal Model Tests on the Influence of Fine Contents on the Debris Flow Initiation Process

ZHOU Jian1，2，CHEN Cheng1?，DU Qiang3， ZHANG Jiao4

(1.Department of Geotechnical Engineering，Tongji University，Shanghai 200092，China；2.Key Laboratory of Geotechnical and Underground Engineering of Ministry of Education，Tongji University，Shanghai 200092，China； 3.Transportation Institute of Inner Mongalia University，Hohhot，010070，China;4.School of Civil Engineering and Transportation，Shanghai Technical College of Urban Management，Shanghai 200432，China)

1674-2974(2017)09-0165-09

10.16339/j.cnki.hdxbzkb.2017.09.021

2016-07-04

國家自然科學基金資助項目(41272296，51479138)，National Natural Science Foundation of China(41272296，51479138)

周健(1957—)，男，浙江臨海人，同濟大學教授，博士生導師

?通訊聯(lián)系人，E-mail：18117214658@163.com

P642.23

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