ALMACENAMIENTO Y EMBALSES Ing. Giovene Pérez Campomanes Email:
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2.1 INTRODUCCION La regulación artificial de nuestros ríos es una necesidad, tratando de satisfacer la demanda social, cada día más exigente y cambiante, que pretende introducir una corrección en el ciclo hidrológico, ayudando a minimizar las consecuencias extremas de inundaciones o de grandes sequías .
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2.1 INTRODUCCION La regulación artificial de nuestros ríos es una necesidad, tratando de satisfacer la demanda social, cada día más exigente y cambiante, que pretende introducir una corrección en el ciclo hidrológico, ayudando a minimizar las consecuencias extremas de inundaciones o de grandes sequías .
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El carácter de una obra hidráulica, como puede ser la formación de un embalse, ha venido tradicionalmente justificada por las mejoras para determinados usos produce: en el riego, el abastecimiento, la producción de energía, etc.
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Embalse de la Presa Pillones
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2.2 DEFINICION:
Embalses, almacenamientos, pondajes, azudes o reservorios, son son los los va vaso soss que que se cier cierra ran n media ediant ntee una represa, con el objeto de recoger las aguas de la cuenca, en la época de lluvias para ser soltadas en las épocas de estiaje. Son vo volúmenes de agua retenidos en un vaso topográfico natural o artificial gracias a la realización de obras hidráulicas.
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2.3 Clasificación La clasificación de los embalses se puede hacer según su función y según su tamaño, de la siguiente manera:
a) Según su función a.1 Embalses de acumulación: Retienen excesos de agua en períodos de alto escurrimiento. a.2 Emba roduce cen n grand randes es Embals lse es de distr istrib ibuc uciión: ón: N o produ almacenamientos pero facilitan regularizar el funcionamiento de sistemas de suministro de agua. a.3 Pondajes: Pequ Pequeñ eños os alma almace cena nami mien ento toss para para supl suplir ir consumos locales o demandas pico. 6
b) S eg ún s u t am año :
a.1 Embalses gigantes > 100,000 MMC a.2 Embalses muy grandes 100,000 MMC > A > 10,000 MMC a.3 Embalses grandes gr andes 10,000 10,000 Mm3 > A > 1,000 MMC a.4 Embalses medianos 1,000 Mm3 > A > 1 MMC a.5 Embalses pequeños o pondajes A < 1 MMC A: volumen del embalse
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Represa de Itaipu
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2.4 Ventajas y desventajas de los embalses. a) Ventajas Mejoramiento
en el suministro de agua, en épocas
de sequía. Aumento
de las posibilidades y superficie de riegos.
Desarrollo
de la industria pesquera.
Control
de crecientes de los ríos y daños causados por inundaciones. 9
b) Desventajas:
Pérdidas en la actividad agroindustrial por inundación de zonas con alto índice de desarrollo.
Cambios en la ecología de la zona.
Posible incremento de la actividad sísmica, especialmente durante el llenado de embalses muy grandes.
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Perdidas de hábitats naturales, poblaciones de especies y de degradación de las cuencas arriba.
Desaparición
y desplazamiento por inundación del
embalse.
Emisión de gases por efecto invernadero.
Interferencia en migración reproductiva de los peces.
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Represa las tres gargantas 12
REFLEXIONES Las grandes represas interfieren en las reacciones ecológicas de la cuenca de un Río, aguas abajo y aguas arriba. Esto se debe a que un Río no es un canal de agua si no un ecosistema, con diversos elementos vivos y no vivos, entrelazados en ciclos y ritmos de producción y descomposición. 13
REFLEXIONES Casi todos los impactos ambientales de las represas pueden ser mitigados por medio del diseño y del manejo. Algunos( emisión de CH4, metilación de Hg) se reducen según pasan los años. PERO….
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Los esfuerzos hechos a la fecha para contrarrestar los impactos ecosistémicos de las grandes represas han tenido un éxito limitado debido a la falta de atención en cuanto proveer y evitar los impactos, a la calidad deficiente y a la incertidumbre de las predicciones, a la dificultad de hacer frente a todos los impactos y a la ejecución y éxito solo parciales de medidas de mitigación. 15
Factores clave que influyen sobre las emisiones de GEI por represas Viento
CH4 burbujas
CO2 difusión
Desgasificación Prod. y muerte de plantas acuáticas
Prod. y muerte de plancton
Aportes de C y N de aguas arriba
Descomposición de biomasa y de suelos inundados
Fluctuaciones del caudal
DEFORESTACIÓN DE CABECERAS
2.5 Capacidad de almacenamiento: Es la capacidad necesaria para atender totalmente la demanda del proyecto. Esta capacidad deberá ser incrementada para tener en cuenta la evaporación y otras que pudieran presentarse en el almacenamiento. Se determina la capacidad máxima de un embalse teniendo en cuenta sus condiciones geológicas apropiadas y que los rendimientos hídricos de la cuenca aseguren su funcionamiento. Para conocer la capacidad de almacenamiento es necesario estudiar las diferentes ubicaciones de la boquilla de la presa 18
En cualquier mes o día se cumple la ecuación:
Qd = Q – D De donde : Qd : Gasto por derivar Q : Gasto en el emplazamiento de la represa. D : Demanda del proyecto de riego. 19
R e p R E S A l A S t R E S g a R G a n T A s
Presa “ El Pañe “
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2.6 FINALIDAD: Regular
las masa hídricas.
Para
prevenir daños en las obras hidráulicas y en las poblaciones.
Evitar
la contaminación de los curso de agua en las minas (diseñar presas de relaves).
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2.7 CAPACIDAD FISICA DE UN VASO DE ALMACENAMIENTO La capacidad de almacenamiento y el espejo de un vaso se grafica mediante la curva de áreas y volúmenes ( ver grafico adjunto). Una vez elegida la ubicación de la represa, es posible delinear la traza de aguas máximas del vaso y determinar las áreas del espejo del agua del reservorio y los volúmenes almacenados, para lo cual se procede a arear cada 02 metros las curvas de nivel dentro del almacenamiento. 22
NOTA
SECCION MAXIMA DE PRESA
FUENTE: LEVANTAMIENTO TOPOGRAFICO DE LA ZONA DE EMBALSE REALIZADA POR INRENA JUNIO 2005
SECCION MAXIMA Y CURVA AREA-VOLUMEN
2.7.1 Niveles característicos
Nivel de embalse muerto (NME)
Nivel mínimo de operación del embalse (NMOE):
Nivel normal del agua (NNE):
Nivel forzado de agua (NFE):
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LAGUNA DE ANTACOTO 27
2.8 ESTUDIOS QUE DEBEN REALIZARSE EN LOS ALMACENAMIENTO 2.8.1 Estudio del almacenamiento.
vaso o
cubeta
de
2.8.2. El estudio de la boquilla o lugar de emplazamiento de la represa. 2.8.3. El estudio de ubicación del aliviadero o vertedero de excedencias.
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2.8.1 Estudio del vaso o cubeta de almacenamiento:
La localización de un vaso depende en gran medida del costo de la represa que controla el volumen de almacenamiento y dependerá de las condiciones físicas e hidrológicas de la cuenca por encerrar. El aprovechamiento optimo de un vaso ubicado en la cordillera de los andes, será necesario efectuar una profunda investigación de su seguridad, mediante el estudio de glaciares y lagunas peligrosas que pudieran afectar el vaso con 29 desbordamientos imprevistos
•
•
Los costos de expropiación de terrenos y de reubicación de obras civiles y ruinas arqueológicas que pudieran aumentar su costo excesivamente. La traza máxima de inundación debe efectuarse un estudio minucioso de las condiciones de estabilidad, permeabilidad y fugas de agua a otras cuencas.
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•
•
Se debe ver el vaso como atractivo turístico. Es preferible un vaso profundo a un vaso no profundo.
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El estudio de las filtraciones en el vaso ( Recreta). El estudio de las colmataciones de los almacenamientos: reservorio de Poechos, que tiene problemas de sedimentaciones, y el de reservorio de gallito ciego. Para evitar el desbordamiento se debe efectuar un estudio de las avenidas de diseño, relacionado con la seguridad de la obra.
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2.8.2 El estudio de la Boquilla. Se inicia de las posibles ejes de la presa, considerando en el análisis los aspectos geológicos, topográficos, canteras cercanas y facilidades para la construcción de la presa. Los levantamientos topográficos deben cubrir una cota de 50 m superior al nivel de coronación de la presa y cubrir las posibles áreas de relleno de la presa.
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Los estudios geológicos, deben comprender el área de la presa, el área de las canteras, los estribos y el fondo de la presa, cuando es necesario deberán efectuarse estudios geotécnicos para estudiar la estabilidad de las formaciones rocosas. Fallas geológicas y buzamientos.
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Se deben efectuar estudios sísmicos del área de la presa y del vaso, que permiten la seguridad plena de los diseños. Los estudios hidrológicos permiten determinar la capacidad posible del almacenamiento ( ?) Definir los niveles máximos que pudieran alcanzar las aguas en la presa.
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•
•
•
Efectuar los estudios de permeabilidad de campo en el eje de la boquilla y el vaso. El estudio de la boquilla permite elegir el tipo mas conveniente de presa y analizar diferentes alternativas.
La determinación de la altura de la presa depende de los recursos hídricos de la cuenca y de los posibles usos de agua.
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2.8.3 ESTUDIO DEL ALIVIADERO
Los vertederos o aliviaderos tiene por objeto eliminar en el tiempo mas breve las descargas de avenidas y evitar que la presa se dañe. La cota del aliviadero se fija con el nivel normal de almacenamiento , es decir con el volumen máximo embalsable. 38
Un aliviadero consta de las estructuras siguientes: Una
destinado a desviar los toma o vertedero de caudales que exceden el nivel normal. Una rápida que transporta el agua hasta los niveles inferiores de la presa. Una estructura que devuelve las aguas de su cauce.
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Para el diseño de los aliviaderos se efectúan principalmente: estudios hidrológicos . Son Son necesa necesaria riass los los anál anális isis is es estr truc uctu tura rale less del del vertedor .
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2.8.4 Es Estudio
de evacuación o tomas.
las
obras
de
El volumen almacenados se evacua de la presa mediante los conductos de fondo acondicionados que tiene la mayor parte de las veces una capacidad igual a la máxima demanda del proyecto, así como para eliminar parte de las excedencias. Los caudales máximos de los desagües 10 a 20 veces el prof profu undo ndos suel suele en ser ser 10 caudal medio . 41
2.8.5 Estudios de las canteras de materiales
Para el caso de presas de tierra y de enrocamiento se necesitan las canteras de materiales arcillosos para el núcleo de la presa y materiales permeables ( arenas y gravas) para las escarpas de la represa. Las canteras de materiales deben ubicarse en proximidades de la presa con una distancia máxima de 03 Km. 43
Vaso de la laguna
Presa
para el caso de materiales plásticos pruebas de consolidación y corte triaxial. Así como las pruebas de permeabilidad. Para materiales rocosos se ejecutan pruebas de mecánica de rocas y comprensión, así como exámenes mineralógicos y de dureza de la roca.
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La ecuación de funcionamiento es :
Vf= Vi-Pe-Vs. De donde :
Vf = Volumen final o actual del reservorio en MM3. Vi = Volumen anterior, en MM3. Pe = Perdida por evaporación en MM3. Vs = Volumen soltado( salida) de la represa, en MM3. 46
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Mediante la formula, siguiente se puede calcular por evaporación:
Pc = C *S , en ( MM3). C = coeficiente de evaporación diario o mensual S = Área del espejo de agua en KM2 en el intervalo del tiempo de la observación Al inicio de las soltadas de agua de la represa puede incrementarse las perdida de infiltración en el cauce también las perdidas de evaporación por lo cual analizar sus efectos en el escurrimiento fluvial natural. Para una mejor interpretación de los cálculos se dibujan llamada curva de funcionamiento del reservorio. 48
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DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD DE ALMACENAMIENTO DE UN EMBALSE ECUACIÓN MATEMÁTICA DE ALMACENAMIENTO
Ing. Giovene Pérez Campomanes
[email protected] Docente
2.9 INTRODUCCION El objeto de este capitulo es describir de manera resumida los principales tipos de presas que puedan diseñarse de acuerdo a las características de la cimentación, canteras de materiales; la elección de cada tipo dependerá de un conjunto de factores, además de los aspectos económicos del proyecto. Y las características del proyecto de Inambari. Finalmente evaluaremos los problemas de sedimentación presentados en las principales presa en el Perú. 52
2.10 DEFINICION: Una Presa, es simplemente una pared que se coloca en un sitio determinado del cauce de una corriente natural
con el objeto de almacenar parte del caudal que transporta la corriente. La presa debe contar con obras complementarias que permitan el paso del agua que no se embalsa y con estructuras de toma para captar y entregar el agua embalsada a los usuarios del sistema.
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2.11 Problemas presentados en el diseño de las presas son: La
organización del proyecto ( como?).
La
determinación de la propiedades de los materiales a emplear ( Interpretación).
Los
cálculos de estabilidad y la determinación de los coeficientes de seguridad. 56
Seguridad del cimentación.
conjunto
Adaptación a hidrológicas.
las
Adaptación al medio local y al medio ambiente y al hombre.
Economía.
presa
condiciones
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Contrafuertes aguas arriba y aguas abajo
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2.12 Tipos de Presa La clasificación de los tipos de presa se realizará en función: a)Al uso b)Al diseño hidráulico c) Al tipo de materiales de construcción
a) Clasificación por Uso.- La función principal a que estará dedicada la presa permite realizar la primera clasificación: -Presa de Almacenamiento.- Son construidas para almacenar agua en época de abundancia y entregarla en la de escasez. 59
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Presa
de Derivación.- Son presas que se construyen con el fin de levantar los niveles del reservorio de modo que puedan entrar hacia los sistemas de conducción (canales y diques.
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Presas
de Retención.- Son presas construidas para retardar los flujos que se producen en grandes avenidas y minimizar los efectos de las avenidas súbitas.
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b) Clasificación por Diseño Hidráulico.- La función principal para clasificarla será si el flujo de rebose será encima o no de la presa
Presas con Flujos por Encima.- Son aquellos que se les diseña para que el caudal del río descargue encima de la cresta o a través de los vertederos a lo largo de la presa.
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Presas sin Rebose.- Son aquellas presas que no permiten rebosar el agua por encima de ella, este tipo se refiere para presas d e tierra y en ro cad o .
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Presas Combinadas.- Son las presas que combinan los dos tipos de estructuras anteriores, ejemplo: presa de gravedad de concreto, presas de tierra.
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C) Clasificación por el Tipo de Materiales.- Es el tipo de clasificación más definida y se puede resumir en:
c.1) Presa de Concreto Gravedad.-
Son construidas de concreto y depende de su propio peso para su estabilidad y es usualmente de trazo recto en el plano horizontal, aunque a veces pueden ser de trazos ligeramente curvos.
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De
arco.- Las presas en arco se usan en sitios encajonados o estrechos, donde las paredes laterales sean capaces de soportar los esfuerzos producidos por la forma de arco adoptado.
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De contrafuerte .-Es una presa donde la cortina consiste de una losa construida en forma inclinada y apoyada en intervalos por contrafuertes, los cuales transmiten los esfuerzos al terreno.
De concreto rodillado .-Se tratan de presas construidas con concreto compactado por rodillo, el concreto es una mezcla seca, como resultado de la mezcla del cemento, arena, grava y ceniza del quemado del carbón, la utilización de esta ultima es con el fin de reducir la generación de calor durante el vaciado y de este modo evitar la formación de rajaduras durante el fraguado.
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c.2) Presa de Tierra.- Son presas construidas como
terraplenes, utilizando tierra y roca, teniendo especial cuidado en el control de la percolación a través de la presa, para lo cual se prevé la construcción de un núcleo impermeable o una manta también impermeable en el sector aguas arriba.
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c.3) Presa de Enrocado.-Es una presa entre las de gravedad y la de terraplén, pero en este caso las rocas sirven de mayor elemento estructural
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Fuente : Inade
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Los principales tipos de presas 76
2.13 Procedimiento de diseño: Las principales fuerzas actuantes son :
a) Fuerzas verticales: Peso
propio
Peso del agua en el parámetro inclinado de aguas arriba.
Componente vertical del empuje del lodo
Componente vertical del sismo Sub presión.
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b) Fuerzas Horizontales: Empuje
del agua.
Componente
horizontal del empuje del lodo.
Componente
horizontal del sismo de la presa.
Componente horizontal del sismo del agua.
Empuje
del hielo.
Empuje
del oleaje. 79
PUEDEN SER DE SUELO IMPERMEABLE COMPACTADO, RELLENO FLUIDO (SLURRY) O CONCRETO. 80
Para este tipo de presas sean estables se debe cumplir las condiciones siguientes:
a) La resultante de las fuerzas verticales y horizontales , debe pasar por el tercio central de la base: Análisis de estabilidad al vuelco. b) El análisis de deslizamiento:
c) Carga admisible en los terrenos de cimentación: d) Los esfuerzos internos de compresión y corte: 81
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Será segura al deslizamiento cuando:
H ------------- < f V – Sp De donde: H: Suma de fuerzas horizontales V: Suma de fuerzas verticales
Sp : Sub presión f : Coeficiente de supresión.
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PRESAS DE TERRAPLEN - PARTES
1. Cresta o corona
10.
Talud aguas arriba
11.
Talud aguas abajo
12.
Pantalla de inyecciones
4. Corazón o núcleo impermeable
13.
Galería
5. Trinchera
14.
Drenes
15.
Pozos de alivio
16.
Embalse
17.
Bordo Libre
2. Revestimiento de la corona 3. Filtros
6. Transiciones 7. Enrocamientos 8. Deposito aluvial 9. Roc ba l
FUERZAS ACTUANTES •
SUBPRESIÓN.
•
FUERZAS SÍSMICAS.
•
•
PESO DEL AGUA SOBRE EL PARAMENTO DE AGUAS ARRIBA. CHOQUE DE OLAS.
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Falla
Problemas
20% Asentamiento debido a la compresibilidad del terreno de Hidráulica ( corresponden a presas fundación. altas y 50 % a presas Paso del agua por encima de la cresta debido a asentamientos o bajas). a la poca capacidad del vertedero Acción de las olas sobre el parámetro aguas arriba Fallas del filtro Erosión al pie de la presa si la descarga de agua del vertedero y la salida fondo queda muy próximo a la estructura. Erosión de los taludes debido a la lluvia. 50 % Perdida de agua debido a la erosión, o a terraplenes permeables Filtración ( corresponden a presas desde el principio altas y 30 % a presas Raíces formando parte del terraplén bajas) Filtraciones a lo largo de conducción que cruzan el terraplén Filtraciones a lo largo de conductos que cruzan el terraplén Fallas por expansión y contracciones de suelos plásticos Animales que excavan el terraplén 33% Deslizamiento de la fundación Estructural ( corresponden a presas Alta velocidad de construcción altas y 20% a presas Deslizamiento de los taludes debido a materiales inadecuados de bajas) construcción, desembalses rápidos, cambios en la posición de las líneas de flujo, factores atmosféricos Angulo de fricción interna del suelo menor del esperado Desembalse rápido 92 Taponamiento del filtro
EJEMPLO DE UNA PRESA DE ENROCADO CON REVESTIMIENTO DE CONCRETO EN BRASIL
3.000 MW – 1ª Fase 5.000 MW – Final
TAMBO 60 580 MW
Estudios en Acción
TAMBO 40 1.286 MW
PAQUITZAPANGO 2.200 MW
4 nuevos emprendimientos con cerca de 4.500 MW de potencia
MAINIQUE 1 607 MW
Trabajo en clase Con la información recabada, en la sesión deberán resolver la siguiente cuestionario: Cuales son los cambios climáticos generados por los grandes embalses. Si tuviera la posibilidad de decidir entre construir embalses de 400 MMC o reemplazarlos por 10 embalse pequeños de 40 MMC, cual elegirías, justifique su respuesta. Cual es su opinión del problema presentado en CONGACajamarca, que propuesta podría plantear para? Los embalse ubicados en la zona norte del Perú, sufren del problema de colmatación, reduciendo año a año su volumen disponible, que propuesta presentaría para su 97 mejora? •
•
•
•
•
•
•
Que tipo de presa, escogería usted para la construcción de su embalse, justifique su respuesta? que características mínimas deberá tener el vaso, para la elección de la zona de embalse, justifique su respuesta? Por que cree usted que la gran mayoría de embalse su presa es de tierra, justiqué su respuesta?
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