羅路廣，裴向軍，裴　鉆，陽　博，荊　翔

(成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059)

隨著西部大開發(fā)的實(shí)施及“一帶一路”戰(zhàn)略的提出，越來越多的大型工程如鐵路、隧道、公路于高寒、高海拔、高烈度的“三高”地區(qū)建設(shè)實(shí)施，然而在我國中西部高寒山區(qū)，如藏東南、甘肅、新疆等地，廣泛分布大量溜砂坡。溜砂坡(又稱散粒體斜坡)是指高陡的巖質(zhì)斜坡，遭受強(qiáng)烈的物理風(fēng)化作用而形成大量砂粒和巖屑，在重力作用下發(fā)生多種方式的運(yùn)動(dòng)并在坡腳堆積成錐狀斜坡的自然演變過程[1]。因其具有結(jié)構(gòu)松散、透水性強(qiáng)、無粘聚力等特征，極易失穩(wěn)對基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)及安全運(yùn)營造成威脅，針對溜砂坡的分布特征及易發(fā)性評價(jià)研究對科學(xué)選址具有重要的指導(dǎo)意義。

國內(nèi)外對溜砂坡的研究尚處于探索性階段，且主要側(cè)重于溜砂坡的形成條件、失穩(wěn)機(jī)制、演化規(guī)律、破壞模式等方面[2-6]，而沒有針對其分布特征及規(guī)律進(jìn)行研究。汶川地震引發(fā)了大量的地質(zhì)災(zāi)害，許多學(xué)者運(yùn)用遙感、GIS等技術(shù)進(jìn)行相關(guān)統(tǒng)計(jì)以探索發(fā)育分布特征，如黃潤秋[7]利用GIS技術(shù)對地震地質(zhì)災(zāi)害的分布與距發(fā)震斷裂距離、坡度、高程、巖性等因素的關(guān)系進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析；鐘秀梅等人[8]通過現(xiàn)場調(diào)查和遙感解譯993處地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)得出其發(fā)育規(guī)律及分布特征。由于溜砂坡產(chǎn)生條件及特征與崩滑流等地質(zhì)災(zāi)害有明顯的不同，因此，有必要對其空間發(fā)育特征及影響因素進(jìn)行研究。此外，針對地質(zhì)及自然災(zāi)害的易發(fā)性、危險(xiǎn)性、敏感性評價(jià)的研究已比較成熟。如劉洋洋等[9]基于AHP-模糊綜合評價(jià)法實(shí)現(xiàn)公路災(zāi)害易損性的定量和定性綜合評估；余豐華等[10]通過對崩塌、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的主要影響因素的敏感性計(jì)算，采用主成分分析法計(jì)算得到區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度分區(qū)；姚玉增等[11]采用層次分析法、統(tǒng)計(jì)量法確定了遼寧凌源地區(qū)山地災(zāi)害危險(xiǎn)性評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，利用因子疊置法對危險(xiǎn)性進(jìn)行綜合評價(jià)。結(jié)果表明采用上述評價(jià)方法建立的評價(jià)模型準(zhǔn)確度較高。

基于此，本文對天山北麓溜砂坡分布特征及易發(fā)性進(jìn)行研究，對其與海拔、地層巖性、坡體結(jié)構(gòu)、坡向、植被特征等因素的關(guān)系進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，在此基礎(chǔ)上，采用AHP-模糊綜合評價(jià)法建立易發(fā)性評價(jià)模型，并通過實(shí)例進(jìn)行驗(yàn)證，評價(jià)模型對類似山區(qū)具有一定的適用性及參考價(jià)值。

1　研究區(qū)概況

作為溜砂坡發(fā)育典型代表地區(qū)的天山，屬于典型的高寒內(nèi)陸山區(qū)，其主要?dú)夂蛱攸c(diǎn)為紫外線輻射強(qiáng)烈，季節(jié)和晝夜溫差懸殊，寒凍風(fēng)化作用強(qiáng)烈，降水多集中于春夏季，具有典型內(nèi)陸大溫差氣候特點(diǎn)。天山公路沿線地形陡峻，斷裂、褶皺十分發(fā)育，巖體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，基巖裸露且?guī)r性復(fù)雜多變，在強(qiáng)烈寒凍風(fēng)化作用下疏松破碎，途經(jīng)奎屯河、庫車河等較大河流，復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境條件使得世界上公路所能遇到的病害在這幾乎都能遇到，如崩塌、滑坡、泥石流、雪崩、凍土、水毀得世界上公路所能遇到的病害在這里面幾乎都能遇到，如崩塌、滑坡、泥石流、雪崩、凍土、水毀、溜砂坡等，被稱為“世界地質(zhì)災(zāi)害博物館”(圖1)。

天山北麓主要是指哈希勒根達(dá)坂以北地區(qū)，該地區(qū)以高山峽谷地形為主，主要出露地形為板巖、玄武巖、閃長巖和花崗巖等，巖石在內(nèi)外動(dòng)力作用下極易崩解，滾落堆積于坡腳，形成溜砂坡。據(jù)沿線調(diào)查統(tǒng)計(jì)，具有危害性的溜砂坡有73處，分布于天山北麓(k610～k655段)，分布線密度1.62個(gè)/km，影響線路長約4.28 km。

2　溜砂坡分布特征

溜砂坡的發(fā)育特征受多種因素控制，如海拔、地層巖性、坡體結(jié)構(gòu)、坡向及植被特征等，其形成是多因素疊加的結(jié)果。

2.1　與海拔的統(tǒng)計(jì)關(guān)系

溜砂坡災(zāi)害點(diǎn)分布數(shù)量與海拔之間的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖2所示。研究區(qū)溜砂坡主要分布海拔為1 600～2 500 m，該范圍的溜砂坡數(shù)量占總數(shù)的74%左右，說明該高程更易產(chǎn)生溜砂坡災(zāi)害。其中海拔1 600～1 900 m范圍內(nèi)發(fā)育21個(gè)溜砂坡，占總數(shù)28.8%，海拔1 900～2 200 m范圍內(nèi)發(fā)育17個(gè)溜砂坡，占總數(shù)23.3%。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，天山雪線海拔為2 700 m左右，1 600～2 500 m范圍為冰緣斜坡環(huán)境，即凍融風(fēng)化強(qiáng)烈區(qū)更易產(chǎn)生溜砂坡，而海拔2 700 m以上為常年積雪區(qū)，溫度變化相對較小，溜砂坡災(zāi)害相對較少。

圖1　天山公路地質(zhì)災(zāi)害

圖2　溜砂坡數(shù)量與海拔的統(tǒng)計(jì)關(guān)系

圖3　溜砂坡數(shù)量與地層巖性的統(tǒng)計(jì)關(guān)系

圖4　溜砂坡數(shù)量與坡體結(jié)構(gòu)的統(tǒng)計(jì)關(guān)系

2.2　與地層巖性的統(tǒng)計(jì)關(guān)系

研究區(qū)巖性主要有千枚巖、花崗巖、板巖、玄武巖、凝灰?guī)r五大類。地層巖性是影響溜砂坡發(fā)育分布的基本條件，將溜砂坡災(zāi)害與巖性進(jìn)行空間統(tǒng)計(jì)分析，圖3為溜砂坡數(shù)量隨地層巖性的變化。從圖中可以看出，研究區(qū)溜砂坡主要發(fā)育于玄武巖及砂板巖等硬巖中，占總量的85%，凝灰?guī)r、花崗巖、千枚巖發(fā)育數(shù)量依次減小。

2.3　與坡體結(jié)構(gòu)的統(tǒng)計(jì)關(guān)系

邊坡的坡體結(jié)構(gòu)是指以結(jié)構(gòu)控制論為基礎(chǔ)，以坡體內(nèi)部潛在優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面為主要研究對象，并考慮其與不同的結(jié)構(gòu)要素之間的相互組合關(guān)系，它對坡體的淺表生改造及坡體穩(wěn)定性有著重要影響[12]。圖4為溜砂坡數(shù)量隨坡體結(jié)構(gòu)的變化，從圖中可以看出，它主要分布于碎塊、次塊狀結(jié)構(gòu)中，依次占總量46.6%和42.5%；在塊體狀結(jié)構(gòu)和塊狀結(jié)構(gòu)中少量發(fā)育，依次占總量4.1%和6.8%。

2.4　與坡向的統(tǒng)計(jì)關(guān)系

坡向定義為坡面法線在水平面上的投影的方向。坡向?qū)α锷捌碌姆植家灿杏绊?表1)，將0～360°平均分為8個(gè)方向，從表中可以看出，正北坡向(67.5～112.5°)的溜砂坡發(fā)育有20個(gè)，占總數(shù)的27%；其次是西北、正西、東北坡向，東北坡向的溜砂坡數(shù)量最少，占總數(shù)的3%。經(jīng)調(diào)查太陽輻射射入北坡最少，其次為東北坡和西北坡，因此，陰坡寒凍風(fēng)化作用更為強(qiáng)烈，與其他坡向的斜坡相比，陰坡、半陰坡更容易產(chǎn)生溜砂坡災(zāi)害。

表1　溜砂坡分布與坡向的關(guān)系

2.5　植被特征

除上述因素外，坡表植被也對溜砂坡的發(fā)育分布產(chǎn)生影響。天山北麓自然條件惡劣，生態(tài)環(huán)境脆弱，當(dāng)其他條件基本相同時(shí)，植被覆蓋率越低，溜砂坡越容易發(fā)生，反之亦然。

3　溜砂坡易發(fā)性評價(jià)模型的建立

3.1　評價(jià)方法

地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評估常用的方法(模型)有指數(shù)法、層次分析法、概率分析法、聚類分析法、模糊評判法、信息量法等。在統(tǒng)計(jì)分析溜砂坡分布與影響因素關(guān)系的基礎(chǔ)上，采用AHP-模糊綜合評價(jià)法建立其易發(fā)性評價(jià)模型。AHP-模糊綜合評價(jià)法即基于層次分析(AHP)的模糊綜合評價(jià)法，將AHP法和模糊評價(jià)法有機(jī)結(jié)合[13]，具體實(shí)現(xiàn)流程見圖5。

圖5　AHP-模糊綜合評價(jià)法

3.2　評價(jià)指標(biāo)體系建立

評價(jià)模型中指標(biāo)的選取是否合理，將會對評價(jià)結(jié)果 的準(zhǔn)確性產(chǎn)生直接影響。由于溜砂坡易發(fā)性評價(jià)涉及的影響因子錯(cuò)綜復(fù)雜，且各因素的影響程度也不盡相同，因此將所有影響因子都進(jìn)行指標(biāo)化是不切實(shí)際的，在詳細(xì)分析天山北麓環(huán)境地質(zhì)條件和溜砂坡分布特征后，本文總結(jié)分析了3類12項(xiàng)溜砂坡易發(fā)性評價(jià)的主要影響因素，并將其作為進(jìn)行AHP-模糊綜合評價(jià)的評價(jià)指標(biāo)。

(1)地質(zhì)環(huán)境條件因素集(X1)

地質(zhì)環(huán)境條件主要包括海拔(Y1)、坡高(Y2)、坡向(Y3)、地層巖性(Y4)、坡體結(jié)構(gòu)(Y5)、植被特征(Y6)。除坡高因子外，其它5個(gè)因子在章節(jié)2已詳細(xì)分析，在此不再贅述。邊坡越高，頂部的拉應(yīng)力區(qū)也越大，砂源區(qū)面積越大，越易產(chǎn)生溜砂坡。值得注意的是，研究區(qū)邊坡坡度多為70°～90°，與溜砂坡的發(fā)育數(shù)量不存在顯著對應(yīng)關(guān)系，因此，本文不予考慮。

(2)內(nèi)外營力作用因素集(X2)

①凍融風(fēng)化作用(Y7)

凍融風(fēng)化作用是天山北麓等寒凍山區(qū)冰緣環(huán)境斜坡變形破壞的重要外營力之一，改變巖石原有結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能的過程，引起巖體質(zhì)量劣化，為溜砂坡提供物源。凍融作用越強(qiáng)烈，巖體崩解損傷越強(qiáng)烈，越容易產(chǎn)生巖屑，溜砂坡就易產(chǎn)生。

②地震作用(Y8)

地震是誘發(fā)溜砂坡產(chǎn)生的直接因素之一。地震烈度越高，巖體越松動(dòng)，溜砂坡產(chǎn)生的概率就越大。

③降雨融雪作用(Y9)

降雨、融雪作用是對邊坡表生改造的重要影響因素之一。雨水下滲浸泡、軟化巖體并產(chǎn)生潤滑作用，加速溜砂坡的產(chǎn)生過程。

④風(fēng)載作用(Y10)

風(fēng)載作用對研究區(qū)溜砂坡易發(fā)性評價(jià)有重要的影響。在不同的風(fēng)速、風(fēng)向組合效應(yīng)下，巖體失穩(wěn)產(chǎn)生溜砂坡的概率有較大差異。

(3)人類工程活動(dòng)作用因素集(X3)

①人工開挖坡腳(Y11)

人工開挖坡腳使得邊坡應(yīng)力重分布，易產(chǎn)生失穩(wěn)、垮塌，不利于邊坡的穩(wěn)定，人工開挖坡腳作用越強(qiáng)，溜砂坡越易產(chǎn)生；反之，溜砂坡越不易產(chǎn)生。

②荷載振動(dòng)作用(Y12)

車輛、施工等產(chǎn)生的荷載振動(dòng)作用不可忽視，振動(dòng)作用越強(qiáng)，溜砂坡越易產(chǎn)生。

以溜砂坡易發(fā)性評價(jià)為目標(biāo)層，地質(zhì)環(huán)境條件因素、內(nèi)外營力作用因素、人類工程活動(dòng)因素為準(zhǔn)則層，12個(gè)參評指標(biāo)為方案層，溜砂坡易發(fā)性評價(jià)層次結(jié)構(gòu)模型如圖6所示。對溜砂坡易發(fā)性評價(jià)模型中各個(gè)評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行量化，根據(jù)專家分析判斷及前人研究結(jié)果，參評指標(biāo)值越小，溜砂坡易發(fā)性越低，將定性指標(biāo)的分級標(biāo)準(zhǔn)量化賦值為0.1、0.3、0.6、0.9，見表2。

4　AHP-模糊綜合評價(jià)法定量評價(jià)

4.1　模糊集合的建立

在通過AHP-模糊綜合評價(jià)法進(jìn)行溜砂坡易發(fā)性評價(jià)前，應(yīng)首先建立評價(jià)指標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)的模糊集合，具體步驟及內(nèi)容如下所示。

(1)一級指標(biāo)集U

U={X1，X2，X3}。

(1)

(2)二級指標(biāo)集Y

Y(X1)={Y1，Y2，Y3，Y4，Y5，Y6}；

(2)

Y(X2)={Y7，Y8，Y9，Y10}；

(3)

Y(X3)={Y11，Y12}。

(4)

(3)模糊綜合評判集M

M={M1，M2，M3，M4}={Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ}。

(5)

式中：M1表示易發(fā)性低；M2表示易發(fā)性中等；M3表示易發(fā)性較高；M4表示易發(fā)性極高。

4.2　參評指標(biāo)權(quán)重的確定

權(quán)重是權(quán)衡各因子相對重要性的指標(biāo)，它主要用來反映不同指標(biāo)間重要性程度的大小。本文采用AHP法來確定易發(fā)性評價(jià)層次結(jié)構(gòu)模型中各指標(biāo)的權(quán)重。

(1)構(gòu)造判斷矩陣

本文選用1～9標(biāo)度法(表3)對溜砂坡易發(fā)性評價(jià)的各項(xiàng)參評指標(biāo)的相對重要性進(jìn)行定量判斷，賦予U～X、Y1～Y12相應(yīng)的標(biāo)度值，并構(gòu)造4個(gè)判斷矩陣，依次為：U～X(表4)、X1～Y(X1)(表5)、X2～Y(X2)(表6)、X3～Y(X3)(表7)。

(2)層次單排序及一致性檢驗(yàn)

層次單排序是針對上層次中的某個(gè)元素，確定本層次與之有聯(lián)系的各個(gè)元素相對重要性排序的權(quán)重值，其目的是計(jì)算判斷矩陣的特征根和特征向量。針對判斷矩陣W，計(jì)算滿足要求的特征根和特征向量：

圖6　溜砂坡易發(fā)性評價(jià)層次結(jié)構(gòu)模型

參評指標(biāo)一級指標(biāo)二級指標(biāo)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)低中等較高極高地質(zhì)環(huán)境條件海拔/m<800800～16001600～2700>2700坡高/m<5050～100100～150>150坡向/(°)135～225°45～135°225～315°315～45°地層巖性碎石土(01)軟巖(03)中硬巖(06)堅(jiān)硬巖(09)坡體結(jié)構(gòu)塊體狀(01)塊狀(03)次塊狀(06)碎塊狀(09)植被特征好(01)一般(03)較差(06)極差(09)內(nèi)外營力作用凍融風(fēng)化作用輕微(01)一般(03)嚴(yán)重(06)極嚴(yán)重(09)地震烈度<ⅤⅤ～ⅥⅥ～Ⅷ>Ⅷ降雨融雪少(01)一般(03)較多(06)極多(09)風(fēng)載作用小(01)一般(03)較大(06)極大(09)人類工程活動(dòng)開挖坡腳輕微(01)一般(03)嚴(yán)重(06)極嚴(yán)重(09)荷載振動(dòng)弱(01)一般(03)較強(qiáng)(06)極強(qiáng)(09)注：表中括號內(nèi)的數(shù)值為無量綱值，視最大值為1。

MW=λmaxWi。

(6)

式中：λmax為M的最大特征值，W為對應(yīng)于λmax的特征向量；Wi為對應(yīng)于W的分量，即參評指標(biāo)層次單排序的權(quán)重值。本文采用方根法對其進(jìn)行求解。計(jì)算出各指標(biāo)層次單排序權(quán)重后，還需對結(jié)果進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，以驗(yàn)證矩陣是否滿足一致性。隨機(jī)一致性參數(shù)見表8。

(7)

(8)

表3　1～9標(biāo)度法及其含義

表4　U～X判斷矩陣

λmax=3.0037，CR=0.0036<0.1，滿足一致性要求。

表5　X1～Y(X1)判斷矩陣

λmax=6.2549，CR=0.0405<0.1，滿足一致性要求。

表6　X2～Y(X2)判斷矩陣

λmax=4.0310，CR=0.0116<0.1，滿足一致性要求。

表7　X3～Y(X3)判斷矩陣

λmax，CR=0<0.1滿足一致性要求。

表8　隨機(jī)一致性指標(biāo)值RI

(3)層次總排序及一致性檢驗(yàn)

計(jì)算出U～X等4個(gè)判斷矩陣的層次單排序權(quán)重值后，依次求出溜砂坡易發(fā)性評價(jià)12個(gè)參評指標(biāo)的層次總排序權(quán)重值(表9)。

表9　參評因子層次總排序權(quán)重值

CR=0.0368<0.1，說明其具有滿意的一致性。

從表9可以看出，海拔和凍融風(fēng)化作用是影響溜砂坡易發(fā)性的最主要的兩個(gè)因素，其次是地層巖性。這一評價(jià)結(jié)果與野外調(diào)查結(jié)果相吻合。

4.3　隸屬函數(shù)的確定

將每個(gè)因子對應(yīng)的不同溜砂坡易發(fā)性等級定義為一個(gè)隸屬函數(shù)，隸屬函數(shù)一般包括梯形分布、半梯形分布、矩形分布、拋物線分布等[14]。結(jié)合溜砂坡實(shí)際情況，本文最終定義隸屬函數(shù)為降半梯分布函數(shù)：

(9)

(10)

表10　評價(jià)指標(biāo)實(shí)測值

(11)

(12)

式中：xm表示第m個(gè)參評指標(biāo)的實(shí)測值；bn(xm)表示第m個(gè)參評指標(biāo)對第n級易發(fā)性評價(jià)級別的隸屬度；a1，a2，a3，a4分別表示第m個(gè)指標(biāo)(指標(biāo)越小越不易發(fā))對應(yīng)B1到B4級別溜砂坡易發(fā)性評價(jià)等級的分界值。

4.4　實(shí)例應(yīng)用分析

天山公路k639邊坡為原生型溜砂坡，坡腳海拔為2 343 m，降雨主要集中在5-9月，年降水量400～600 mm，補(bǔ)給區(qū)巖性為砂板巖，次塊狀結(jié)構(gòu)，基巖破碎裸露，中風(fēng)化。坡高約230 m，寬約340 m，斜坡坡度約38°，坡向250°。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該邊坡常在春季融雪季節(jié)發(fā)生大規(guī)模破壞，致使坡腳堆積大量塊碎石，擠壓擋墻內(nèi)側(cè)，塊石滾至公路路面堆積厚度可達(dá)5 cm厚。根據(jù)野外調(diào)查結(jié)果及表2對評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行賦值(表10)。

將表10中各評價(jià)指標(biāo)實(shí)測值帶入公式(9)～(12)，每個(gè)指標(biāo)可得到4個(gè)隸屬函數(shù)方程，可得到溜砂坡易發(fā)性評估參評指標(biāo)的模糊關(guān)系總矩陣為：

(13)

在上述步驟的基礎(chǔ)上，將參評因子權(quán)向量U和其模糊關(guān)系總矩陣R進(jìn)行結(jié)合，就可得出最終的溜砂坡易發(fā)性模糊綜合評判結(jié)果B，則有：

(14)

根據(jù)最大隸屬度原則，k639溜砂坡易發(fā)性等級為極高，與現(xiàn)場調(diào)查定性分析法取得的評價(jià)結(jié)果大體吻合，說明該方法對高寒山區(qū)溜砂坡易發(fā)性評價(jià)是可行的，基于此方法建立的評價(jià)模型是合理的。在降雨融雪或地震等條件下，易失穩(wěn)產(chǎn)生危害，對天山公路造成威脅，應(yīng)注意對其監(jiān)測。

5　結(jié)論

本文通過對天山北麓冰緣環(huán)境下溜砂坡分布規(guī)律與影響因素的關(guān)系進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用AHP-模糊綜合評價(jià)法對指標(biāo)權(quán)重定量并建立了溜砂坡易發(fā)性評價(jià)模型，主要得到以下結(jié)論：

(1)溜砂坡主要分布在高寒山區(qū)凍融風(fēng)化作用強(qiáng)烈的冰緣環(huán)境，天山北麓(k610～k655段)發(fā)育有73個(gè)溜砂坡，分布線密度為1.62個(gè)/km，影響線路長約4.28 km。

(2)天山北麓溜砂坡空間上主要分布高程為1 600 m～2 500 m的冰緣環(huán)境；大多數(shù)的溜砂坡主要發(fā)育于玄武巖及砂板巖等硬巖中，占總量的85%；與塊體狀結(jié)構(gòu)和塊狀結(jié)構(gòu)斜坡結(jié)構(gòu)相比，更易發(fā)育于碎塊、次塊狀結(jié)構(gòu)中；陰坡寒凍風(fēng)化作用更為強(qiáng)烈，溜砂坡更易發(fā)育于陰坡、半陰坡環(huán)境中。

(3)將溜砂坡易發(fā)性影響因素分析總結(jié)為3類，即地質(zhì)環(huán)境條件、內(nèi)外營力作用、人類工程活動(dòng)作用共12個(gè)二級影響因子，海拔和凍融風(fēng)化作用是影響溜砂坡易發(fā)性的最主要的兩個(gè)因素，其次是地層巖性。

(4)基于AHP-模糊綜合評價(jià)法建立的溜砂坡易發(fā)性評價(jià)模型具有較好的合理性和適用性，評價(jià)結(jié)果較為準(zhǔn)確。

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