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对无压引水式水电站,引用流量的大小也可由进口闸门控制。

(5)满足对水工建筑物的一般要求。

进水口结构要有足够的强度、刚度和稳定性,并且结构简单,施工方便,造型美观,便于运行、检修和维护等.

1.2.水电站进水口的分类:

1.2.1.按工程布置划分为整体布置和独立布置两种:

1)整体布置是与枢纽挡水建筑物组成整体结构的进水口,包括坝式进水口、河床式水电站进水口;

2)独立布置是独立布置于枢纽挡水建筑物之外的进水口,包括岸式进水口、塔式水电站进水口。

1.2.2.按水流条件分为三种:

有压式进水口,开敞式进水口,抽水蓄能式进水口。

1.3.几种典型的进水口:

1)闸门竖井式进水口

布置点:

从山体中开凿而成,隧洞进口加以扩大,开挖成喇叭形,以便入水平顺。

特点:

与岸塔式进水口相比,结构简单,与岸塔式进水口相比,结构简单,工程量较小,且不受风浪,冰冻的影响,同时由于整个闸门井结构被浇筑在开挖的竖井内,结构的整体刚度大,受地震影响小,但对地质条件要求较高。

竖井式进水口(shaftintake)将闸门室布置在岸边岩体竖井中的水电站进水口。

根据对引水系统的安全保护要求,在竖井闸门室内布设有事故用门、检修闷门。

拦污珊常被布置在喇叭口的上游端,竖井与喇叭口之间以一段隧洞相连接,若连接段较长,也可检修闸门布里在喇叭口的上游侧,若连接段不长,则要在闸门井内紧靠事故闸门上游侧布置检修闸门,闸门平台位于最高库水位以上,启门机工作平台可位于竖井平台上。

适用条件:

进水口适用于隧洞进口的地质条件较好,便于对外交通,地形坡度适中的情况。

塔式进水口

他的进口段和闸门段组成一个塔形结构立于水库边,通过工作桥或水上交通与岸边相连。

岸坡附件的地质条件较差或地形平缓从而不宜采用闸门竖井式进水口的情况。

岸坡式进水口

其结构连同闸门槽、拦污栅槽贴靠倾斜的岸坡布置以减小或免除山岩压力,同时使水压力部分或全部全给山岩承受.

坝式进水口

进水口依附在坝体的上游面上,并与坝内压力管道连接。

进口段和闸门段常合二为一,布置紧凑。

适用于混凝土重力坝的坝后式厂房、坝内式厂房和河床式厂房。

分层取水式进水口

进水口设置在较低位置,应尽量是入流平顺,对称,不发生回流,不出现淤积,不聚积污物,泄洪时仍能正常进水。

适用条件:

适用于大中型水电站。

1.4.有压进水口的位置,高程及轮廓尺寸

1.4.1.有压进水口的位置

原则:

水流平顺、对称,不发生回流和旋涡,不出现淤积,不聚集污物,泄洪时仍能正常进水。

进水口后接压力隧洞,应与洞线布置协调一致,选择地形、地质及水流条件均较好的位置。

1.4.2.有压进水口高程

原则:

进水口顶部高程应低于最低死水位,并有一定的埋深;

底部高程应高于淤沙高程。

1).顶部高程:

以不出现吸气漩涡为原则(带入空气、吸入漂浮物影响正常发电)

式中H——闸门孔口净高(m);

V——闸门断面水流速度(m/s);

c——经验系数,c=0.55~0.73,对称进水时取小值,侧向进水时取大值;

S——闸门顶低于最低水位的临界淹没深度(m)。

2).底部高程:

进水口的底部高程通常在水库设计淤沙高程以上0.5~1.0m,当设有冲沙设备时,应根据排沙情况而定。

1.4.3.有压进水口的轮廓尺寸

进水口一般由进口段、闸门段和渐变段组成。

进水口的轮廓应使流平顺,流速变化均匀,水流与四周侧壁之间无负压及涡流。

进口流速不宜太大,一般控制在1.5m/s左右。

1)进口段。

作用是连接拦污栅与闸门段。

隧洞进口段为平底,两侧收缩曲线为四分之圆弧或双曲线,上唇收缩曲线一般为四分之一椭圆。

进口段的长度没有一定标准,在满足工程结构布置与水流顺畅的条件下,尽可能紧凑。

2)闸门段。

闸门段是进口段和渐变段的连接段,闸门及启闭设备在此段布置。

闸门段一般为矩形,事故闸门净过水面积为(1.1~1.25)洞面积,检修闸门孔口与此相等或稍大。

门宽B等于洞径D,门高略大于洞径D。

3)渐变段。

渐变段是矩形闸门段到圆形隧洞的过渡段。

通常采用圆角过渡,圆角半径r可按直线规律变为隧洞半径R;

渐变段的长度一般为隧洞直径的1.5~2.0倍;

侧面收缩角为6˚~8°

为宜,一般不超过10°

1.5、有压进水口的主要设备

有压进水口主要设置拦污设备、闸门及其启闭设备、通气孔及充水阀等。

1-5-1.拦污设备(trashrack或trashscreen)

1).作用:

防止有害污物进入进水口,防止漂浮物进入进水口,影响过水能力。

2).布置:

(1)平面倾斜:

倾角一般为60~700。

过水断面大,易于清污,适用于洞式、岸墙式。

(2)平面直立:

适用塔式、坝式

(3)多边形:

增大过水面积,结构复杂,适用坝式水口。

3).结构:

(2).栅片结构:

由若干栅片组成,栅片放在支承结构的栅槽中。

经常提放(修理、清污);

尺寸为4.5×

2.5m(高×

宽)。

(4).清污及防冻:

定期清污(人工、机械)。

5).设计

(1)过栅流速:

v≯1m/s

(2)栅条间距b:

b大,拦污效果差,水头损失小,相反b小,拦污效果好,水头损失大,根据水轮机的型式确定。

HL:

b=D1/30ZL:

b=d1/20CJ:

b=d/5

(3)拦污栅与进水口之间的距离不小于D(洞径或管道直径)

(4)设计荷载:

按4~5m水头的水压力设计。

超过4~5m时,自动停机。

1-5-2.闸门及启闭设备

为了控制水流,进水口必须设置闸门。

闸门可分为事故闸门和检修闸门。

1).工作闸门(事故闸门)(emergencygate)

作用:

紧急情况下切断水流,以防事故扩大。

运用要求:

动水中快速(1~2min)关闭,静水中开启。

布置方式:

一般为平板门。

一口、一门、一机(固定式卷扬起闭机),以便随时操作。

闸门操作应尽可能自动化,并能吊出检修,可远程操作。

2).检修闸门(bulkheadgate):

设在工作闸门上游侧,检修事故闸门和及其门槽时用以堵水。

静水中启闭。

平板闸门,几个进水口共用一套检修闸门,启闭可用移动式或临时启闭设备,平时检修闸门存放在储门室内。

1-5-3.通气孔及充水阀

1).通气孔(airhole)

位置:

有压进水口的事故闸门之后。

是当引水道充水时用以排气,当事故闸门紧急关闭放空引水道时,用以补气以防出现有害真空。

2).充水阀(fillingvalve)

开启闸门前向引水道充水,平衡闸门前后水压,以便在静水中开启闸门,从而减小闸门起门力。

尺寸:

根据充水容积、下游漏水量及要求的充水时间来确定。

1)设置在坝内廊道。

坝式进口设旁通管,管的上游通至上

坝面,下游至事故闸门之后,旁通管穿过坝体廊道,并在廊道

设充水阀

2)设置在平板门上。

利用闸门拉杆启闭。

闸门关闭时,在拉杆及充水阀重量的共同作用下,充水阀关闭;

开启闸门前,先将拉杆吊起20cm左右,这时充水阀开启(闸门门体未提起),开始向引水道充水,充水完毕,再提起闸门。

1.6.无压进水口及沉沙池

1.6.1.无压进水口

(1)特征:

无压进水口内水流为明流,以引表层水为主。

进水口后一般接无压引水道。

(2)适用:

无压进水口适用于无压引水式电站。

(3)作用:

控制水量与水质,并保证使发电所需水量以尽可能小的水头损失进入渠道。

1.6.2.进水口位置

进水口应布置在河流弯曲段凹岸,无压进水口上游无大水库,河中流速较大(尤其是洪水期),泥沙、污物等可顺流而下直抵进水口前。

平面上的回流作用常使漂浮物堆积于凸岸,剖面上的环流作用则将底层泥沙带向凸岸,而使上层清水流向凹岸。

因此,进水口应布置在河流弯曲段凹岸,以避免漂浮物、防止泥沙淤积以便于引进上层清水。

1.6.3.拦污设施

进水口一般均设拦污栅或浮排以拦截漂浮物。

当树枝、草根等污物较多时,常设粗、细两道拦污栅,当河中漂木较多时,可设胸墙拦阻漂木。

1.6.4.拦沙、沉沙、冲沙设施

进水口应能防止有害泥沙进人引水道,以免淤积引水道,降低过流能力,以及磨损水轮机转轮和过流部件。

进水口前常设拦沙坎,截住沿河底滚动的推移质泥沙,并通过冲沙底孔或廊道排至下游。

1.6.5.沉沙池(Sandbasin)

对于多泥沙河流,为避免大颗粒泥沙进入水轮机,通常在无压进水口后修建沉沙池。

(1).位置:

无压进水口之后,引水道之前。

(2).工作原理:

加大过水断面,减小水流的流速及其挟沙能力,使其有害泥沙沉淀在沉沙池内,将清水引入引水道。

(3).设计要点:

1)面积:

取决于池中水流平均流速(0.25~0.7m/s),视沙粒径而定。

2)长度:

考虑沉沙效果及工程造价。

进口采取分流墙、格栅等措施,使池中水流流速分布均匀,否则池中将在局部地区沉淀泥沙,而大量有害泥沙将在高速区通过沉沙池。

(4).排沙方法:

水流冲沙、机械排沙。

1)连续冲沙:

由底部冲沙廊道进行。

2)定期冲沙:

关闭池后闸门,降低池中水位,向原河道冲沙。

2.水电站进水口常会出现的几类问题及研究分析

从已建水电站进水口的运行情况来看,大多数进水口都能满足设计要求,保证水电站的正常运行。

但也有一部分电站由于对其自然条件认识不足或受社会因素影响,设计尚欠完善,在运行后暴露出了一些问题。

这些问题归纳如下:

2.1.污物问题

污物(impurity,trash)带来的问题主要是堵塞拦污栅,这是我国水电站进水口运行中最为普遍的问题。

约有半数以上的进水口曾发生不程度的堵塞拦污栅堵塞。

轻者,堵塞会加大拦污栅的水头损失,减少进水口的引进流量,严重者会造成栅条变形或被压断,拦污栅最大压差高达11~12m。

盐锅峡水电站:

汛期有大量杂物被带到坝前,年总量在3000m3以上。

进水口迎水流布置,无任何额外防护设施。

1964年汛期,洪峰大、污物多,停机清污十分频繁,3~5天就要清污一次。

8约12日,污物来势凶猛,来不及清理,先是堵塞拦污栅,接着泥沙受阻淤积,致使栅体压差达到近7米,最终将拦污栅压垮,被迫停机600多小时,折合损失240万元。

1966年~1967年两年内因停机清污所造成的损失达到1569万元。

黄坛口水电站由于地形条件不好,在进水口前行程大面积回流区,并出现漏斗漩涡。

洪水季节有大量污物堆积,厚度近1m,漂浮物一旦被吸入漩涡,就会被附着在拦污栅上。

1961年由于拦污栅堵塞使电站出力降低4000kW,拦污栅压差达到5.4m,最终导致拦污栅压坏脱落,被迫停机。

电站进水口堵塞和拦污栅被压垮的原因,归纳起来有以下几个方面:

(1)进水口为止选择不当,有的顶冲主流,有的位于聚集污物的回流区,同时缺乏拦导污物的设施。

(2)对河流漂浮物的漂移规律、种类、及其数量等特征调查研究不够,防污设计一般化,缺乏专门的防污设施。

(3)缺乏与污物种类和来量相适应的清污设备。

(4)多数拦污栅没有装置监测压差的设施,没有建立正常的清污制度,贻误了时机。

(5)早期设计的拦污栅,对污物堵塞情况认识不足,压差荷载假定偏小,栅条强度不够。

2.2、泥沙问题

从已建水电站的运行情况来看,不论是低坝还是高坝的进水口,凡是没有防沙设施或防沙措施不力的,都不同程度地存在着泥沙(sediment,silt)问题,如进水口淤积、过水部件磨损、厂房管路堵塞等。

即使是深孔式进水口,如果不采取有力的防沙措施,致使淤积高程高于进水孔底板高程的情况也很常见。

随着淤积的发展,进入水轮机的泥沙逐渐增多,水轮机的磨损也日益加重。

此外,厂房的管路堵塞还会造成厂房内的水力量测系统失灵,冷却器失效,影响机组的正常运行。

盐锅峡水电站装机8台,为低坝式水电站。

该电站在运行二三年后,淤积累计总量达到1.54亿m3,占总库容的71%,坝前淤积到进水口底板高程。

在其涉及中过高地估计了上游的水土保持效益,对库区的淤积形态估计不足,并寄希望于上游的刘家峡水电站先建并拦截泥沙,因此造成了大量泥沙过机,水轮机严重磨损,使机组效率降低2~5%,同时也降低了机械强度。

因此检修次数增加、检修时间加长,检修费用加大。

以4#机组为例,平均两年大修一次,平均每次大修工期为56d。

刘家峡水电站位于盐锅峡水电站的上游,具有高坝大库,总库容为57亿m3。

由于其上游含沙量很大的支流河的汇入,使泥沙不久即推移到坝前。

设计中虽然吸取了盐锅峡的教训,左右岸均设置了排沙设施,但在实际运行中,排沙设施只能拉走部分进水口前的泥沙,1号和2号进水的泥沙无法解决,因此水轮机磨损严重。

1985年以前,机组大修间隔时间为2.56年,平均大修一次为66d。

1985年以后,机组大修间隔时间为1.96年,平均大修一次所需时间增加到103d。

由于频繁检修,水轮机叶片不能恢复原状,使机组效率下降。

泥沙问题的发生除运行因素外,属于设计方面的可归纳如下:

1)过高估计水土保持效益,以为泥沙将逐渐减少,河水逐渐变清,因而设计中没有采取防沙措施。

对泥沙问题估计不足。

2)在防沙的规划思想上,寄希望于上游高坝大库的建设,希望能拦截部分泥沙。

但实际上即使上游有高坝大库,拦沙总有一定年限,迟早还是要排沙的。

3)河流泥沙帐没有算清。

对泥沙来量和库区淤积形态估计不足,致使防沙设施不完全,或进水口高程欠妥。

4)进水口位置选择不当,容易造成泥沙聚集。

如澄碧河水电站建在山沟出口处,又未采取防沙措施,致使进水口前泥沙淤积3~4m。

2.3、气锤问题

气锤(airdrophammer,jackhammer),又称气浪,是压力水道中剧烈波动的压缩气体由进水口通道冲出而发出的喷水现象,喷出的水柱高达10多米,破坏力极大,影响电站的运行。

在被调查的51座电站中,有21座电站不同程度地发生过气锤喷水,有的接连发生。

狮子滩水电站在低水位运行时,隧洞内一声雷鸣般的巨响,水从进水口的进人孔喷出,水柱高达10m以上,将进水口附近的铁盖板冲走。

盐水沟水电站,运行中闸门提得过快,洞内水流从进水口的通气管喷出,射向闸门室,门窗被冲坏,门槽上钢梁被掀起。

石泉水电站先后三次发生气锤喷水,严重的一次,喷水射到下游110kV开关站,引起双母线接地,造成重大的停电事故。

发生气锤的原因:

压力水道中混入空气。

而空气的混入一是因为进水口低水位运行,淹没深度不够,空气随水流进入管道;

二是因为管道充水过快,管内的空气来不及排出。

由于空气被不稳定的水流囊括,压缩到一定程度,高压气囊便从进水口的各种通道喷射而出。

气锤的防止:

保证足够的淹没深度,进流要具有良好的流态,应提出进水口闸门的运行方式和管道充水要求,供运行单位制定严格的操作程序。

2.4、漩涡问题

漩涡是水电站进水口前最普遍存在的流体运动形式,它呈现了非常复杂的流动形式,包括了极其丰富的物理内容。

立轴漩涡在溢洪道、电站引水管道、大型水泵、导流隧洞等水工建筑物进水口前时有发生.立轴漩涡的存在,给水工建筑和水电设备带来了严重的危害,也造成了巨大的经济损失。

然而迄今为止对立漩涡的理论和数值模拟方面的研究成果较少,主要的研究方法是具体工程的模拟实验.有关立轴漩涡的研究成果规律性不强,实用范围不广泛,因此不能满足工程设计的需要,还有漫长的探索之路要走。

2.4.1漩涡的影响因素

主要有行近水流的速度环量,进水口的湮没水深,进水口的流量和边件。

在实际运动过程中,进水口处的环流一般由有地形或引水渠的几何形状变化起的。

进口结构平面布置和地形不对称,断面上流速分布不均匀,使行近进水水量具有一定的初始环量,从而在不同的流速水头下产生不同强度的漩涡,要或消除水流的环流强度,往往采取改变边界条件的方式来达到这一目的。

湮没深H\d是主要的因素之一,根据试验产生吸气漩涡的H\d范围是:

对于垂直的涡意。

H,d的意义。

Gardo根据29个水电站进水口的原型观测分析结果认为,最小的湮没深的H,与引水道口高度d,以及闸门处的流速v有关,即H=CVd(1\2)式中,C为系数,当进水对称时,用0.55.当来流左右不对称时,更易发生轴旋涡,系数才C增大为0.73.Pennino等总结了13个侧式,井式进水口的模型试验,认为进水口的佛汝德数应小于0.23

式中g—重力加速度;

H进口中心线以上的最小湮没深度。

上述条件,均指行近流速流态较好,即比较均匀对称时,才不出现吸气漩涡。

若设计不当,即使满足上述要求的数值,也会发生吸气漩涡;

相反,如果采取一定的防涡吸气措施,即使湮没深度小于上述计算值时,也还有可能不进气。

此外,如果进水口流道不够平顺或尺寸不足,也容易发生回流,脱流和吸气。

下面主要研究一下立轴漩涡

立轴漩涡的类型

美国麻省Worcester综合研究所Alden实验室较详细地描述了进水口前立轴漩涡的发展过程【1】,并按照其发展过程中不同时期的特征,将自由表面漩涡分为六种类型,如表1—1所示。

表面涡纹和表面漩涡不会引起危害,在工程中是允许存在的。

纯水漩涡和挟物漩涡为弱漩涡,对机组和建筑物的危害不严重,在实际工程中应尽量防止其出现。

间断吸气漩涡会严重危害建筑物安全,影响水电设备的运行,工程中通常是不允许存在的。

表1—1漩涡类型及特征

类型

特征

表面涡纹

表面不下凹,表面以下流体旋转不明显

表面漩涡

表面微凹,表面之下有浅层的缓慢旋转流体,但未见向下延伸。

纯水漩涡

表面下陷,将颜色水注入其中时,可见染色水体形成明显的漏斗状旋转水柱,进入进水口

挟物漩涡

表面下陷明显,漂浮物落入漩涡后,会随漩涡旋转下沉,被吸入进水口内,但没有空气被吸入。

间断吸气漩涡

表面下陷较深,漩涡间断的挟带气泡进入进水口

2.4.2.立轴漩涡的危害:

.电站发电进水口前的漩涡对工程的主要危害表现为:

a.降低泄水能力;

由于气芯的存在,过流断面减小,从而过流能力降低,。

另外由于存在切向运动水流,从而增加了水头损失,共同作用的结果则导致泄流能力减小。

b.加剧机组脉动,引发结构振动;

c.降低机组效率;

d.吸入水面漂浮物。

水面漂浮物均可能被吸入洞口,造成洞口堵塞或损坏拦汚栅等,也可能过流船只及人员造成威胁。

e形成气囊,影响洞内水流稳定。

由于气囊的存在,气囊到洞口去破裂,导致有压流和无压流交替出现,因而洞内水流及出流呈现极不稳定的阵发状态。

f增大洞身脉动压力,有资料显示,相同流量的同一测点,在有漩涡时的脉动压力可增大2倍以上,有漩涡时水流对洞身材料的破坏不易乎视。

2.4.3立轴漩涡的分析方法

1).入可分离变量法的思想,认为立轴旋涡的水力特性既是径向的函数,又是轴向的函数,克服了过去难以反映出轴向上变化的缺陷;

并将方程化为数学上可解的一阶拟线性偏微分方程,特征线法的引入,又转化为常微分方程组联解,推导出了速度的解析解以及水面线方程。

以解析解为基础,采用拉格朗日法计算描述出试验中观测到的立轴旋涡多圈螺旋流。

2)、立轴旋涡属强非线性的水、气两相流问题,数值模拟的难度大,缺乏可供参考的成功算例。

对结合VOF法的RNG和标准k-ε紊流模型进行了比选:

通过流场紊动能、紊动耗散率和紊动粘性系数的模拟,分析了它们对立轴旋涡生成、发展的影响;

结果表明:

要模拟立轴旋涡运动这种高应变率、流线弯曲程度较高的水流现象,RNG较标准k-ε模型更为合适。

3)、对各种复杂条件下形成的立轴旋涡进行了数值模拟研究。

针对旋涡区尺度小,而物理量的梯度大;

流场表现为螺旋形流线等特性,研究了有效的网格划分和数值求解方法,克服了VOF法模拟漏斗形自由水面的困难。

4)、在轴对称条件下,对理论、试验和数模得出的速度分布进行了对比分析,证实了旋涡流场应为径向和轴向的二元函数,三种方法得到的旋涡水面线基本吻合。

5)、数值模拟的结果表明:

底部进水口、非对称来流条件下形成的立轴旋涡的涡轴为曲线,多圈螺旋流也相应表现为在空间中发生扭曲。

侧部出流时立轴旋涡不易稳定;

涡轴以及气蕊在进水口附近发生弯曲,多圈螺旋流不仅扭曲,而且较为散乱;

在离开涡心一定距离后,平面流场不再表现为向心的螺旋线形流动;

数值模拟的难度较底部进水口时困难得多。

6)、以立轴旋涡速度和吸气旋涡高度的理论分析为基础,建立了立轴旋涡的形成和类型,与佛汝德数F、环量数N<

r>

和淹没水深S/D三个参数的关系式。

制作了能改变进水口尺寸、型式、边界条件和水流条件等影响立轴旋涡的试验装置,开展立轴旋涡形成、发展和变化的规律性研究,给出在底部和侧部进水口条件下,临界淹没水深的经验公式。

提出用“多圈螺旋流”这一新术语来描述立轴旋涡的水力特性。

研究成果应用于实际工程,论证了进水口的水流流态。

理论、试验和数值模拟三者相辅相成,研究立轴旋涡的水力特性,可结合更多的实际工程,寻求有适用性的去涡方法和消涡措施,将具有很强的实用价值和广泛的应用前景。

2.4.4防止立轴漩涡的措施

由海姆霍兹定理知,涡管或涡丝既不能在流体中间开始既不能终止,它必须呈闭合环形,或者从流体边界上开始和终止。

可见,消涡和防涡要从破坏漩涡赖以存在的边界条件入手。

根据日本《电力土木》的研究,在进水口上方三十度角的范围内容常有一漩涡的流心,阻止其发展,使漩涡失去存在的边界条件,达到防涡消涡的目的。

防止漩涡的措施可以有下列几种:

1)改善进流情况,在设计进水口时,应使行近水流流态平稳,尽量减小速度环量,多个进水口在平面布置和运行时应符合对称原则,进水口的边墙形式应圆滑,避免水流间断面的形成,从而防止漩涡的产生。

改变进水建筑物的位置、体型,使行近流速均匀对称,可以减轻或消除环流。

进水前能有几十米至几百米的直线引渠,可使来流较为对称。

渠宽比孔口尺寸不宜过大,渠道两侧边坡宜陡些,以减小可能产生环流的空间;

沿来流方向的断面不能扩大,最好稍有收缩而使水流加速。

在井式进水口,也有设置防环流墙的方法。

2)防涡梁法,目的是遮断漩涡的流心,以防止其发展,分散流速分布,降低速度梯度,减小产生漩涡的条件。

3)进口上部倾斜法,就是在漩涡发生区域内作一倒坡斜墙,相当于把可能出现漩涡的水体用建筑物置换或隔离起来。

斜墙使进水口向外延伸,相当于扩大了进水入口,减小了进口单宽流量,亦减小了流速分布的不均匀性及进水口的流速,降低了速度梯度,使满足漩涡发生的条件减小。

4)浮体法,在产生漩涡的水面上,安放漂浮的板,梁,栅格等浮体,防止漩涡的发生。

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