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• Angielo Ayquipa Robles

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Universidad Nacional de Ingeniería Facultad de Ingeniería Civil

ÍNDICE 1.

OBJETIVOS................................................................................................................................. 2 1.1. OBJETIVOS GENERALES.................................................................................................. 2 1.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS ................................................................................................ 2 2. DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO ............................................................................................. 2 3. MARCO TEÓRICO ..................................................................................................................... 3 3.1. CLASIFICACIÓN DE CANALES: ...................................................................................... 3 3.1.1. Por su capacidad de conducción ........................................................................................ 3 3.1.2. Por material de construcción:............................................................................................. 3 3.2. CRITERIOS PARA EL DISEÑO DE UN CANAL: ............................................................ 4 4. MEMORIA DE CÁLCULO ........................................................................................................ 4 4.1. TRAZO EN PLANTA DEL CANAL ................................................................................... 4 4.2. DISEÑO DE LA SECCIÓN TÍPICA DEL CANAL ............................................................ 5 4.3. PERFIL LONGITUDINAL DEL CANAL ........................................................................... 5 4.4. SECCIONES TRANSVERSALES DEL CANAL................................................................ 5 4.4.1. SECCIONES TRAPEZOIDALES  Tramo con pendiente S=0.3% ............................................................................................ 5  Tramo con pendiente S=0.2% ............................................................................................ 5 4.4.2. SECCIONES RECTANGULARES  Tramo con pendiente S=0.3% ............................................................................................ 6  Tramo con pendiente S=0.2% ............................................................................................ 6 4.5. DISEÑO DE OBRAS HIDRAULICAS: ............................................................................... 6  TRAPEZOIDAL A RECTANGULAR ............................................................................. 6 4.6. DETERMINACIÓN DE VOLÚMENES DE CORTE Y RELLENO .................................. 7 5. CONCLUSIONES ....................................................................................................................... 8 6. RECOMENDACIONES .............................................................................................................. 8 7. BIBLIOGRAFÍA .......................................................................................................................... 8

Mecánica de Fluidos II

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Universidad Nacional de Ingeniería Facultad de Ingeniería Civil

DISEÑO DE UN CANAL DE REGADÍO Facultad de Ingeniería Civil Universidad Nacional de Ingeniería RESUMEN Este trabajo abarca el diseño íntegro de un canal de regadío para el cual se complementarán y aplicarán los conocimientos impartidos en el curso de mecánica de fluidos II (HH-224-I), en el presente trabajo los estudiantes presentarán el diseño de un canal para el cual se proporcionó coordenadas de los puntos de inicio y final. Los estudiantes también tendrán que presentar los planos del diseño de su canal, las secciones correspondientes a las progresivas, la memoria de cálculo con la cual obtuvieron el canal, lo cual deberá contar con sustento en base a sus conocimientos adquiridos en el curso. El diseño de un canal, se basa en la experiencia que puede tener o poseer el diseñador, ya que el criterio es de suma importancia.

ABSTRACT This work covers the complete design of an irrigation channel for which the knowledge taught in the course of fluid mechanics II (HH-224-I) will be complemented and applied, in this work students will present the design of a channel for Which was provided the coordinates of the start and end points. Students also have to present the design plans of their channel, the sections corresponding to the progressives, the calculation memory with which they would obtain the channel, which must have their livelihood on the basis of their knowledge acquired in the course. The design of a channel is based on the experience of the owner, the criterion of utmost importance.

INTRODUCCIÓN Desde tiempos remotos hasta la actualidad el hombre siempre ha buscado la forma acceder al agua para su uso en múltiples actividades cotidianas, sin embargo, dicha fuente de agua no siempre ha estado al alcance de ellos, por tal motivo surge la necesidad de acceder a dicho recurso hídrico a través de obras hidráulicas muy primitivas en sus inicios y muy complejas como las son ahora. En tal caso para actividades de regadío se desea transportar grandes cantidades de agua de un punto a otro. Los canales de riego tienen la función de conducir el agua desde la captación hasta el campo o huerta donde será aplicado a los cultivos. Son obras de ingeniería importantes, que deben ser cuidadosamente pensadas para no provocar daños al ambiente y para que se gaste la menor cantidad de agua posible. Están estrechamente vinculados a las características del terreno, generalmente siguen

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aproximadamente las curvas de nivel de este, descendiendo suavemente hacia cotas más bajas (dándole una pendiente descendente, para que el agua fluya más rápidamente y se gaste menos líquido).

1. OBJETIVOS 1.1. OBJETIVOS GENERALES   

Aplicar los conocimientos y criterios de mecánica de fluidos II para el diseño de los sistemas de flujo de aguas libres en canales. Diseño de un canal para fines de regadío de terrenos agrícolas. Realizar el trazo y diseño hidráulico de un canal aplicando los conocimientos impartidos en clase.

1.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS    

 

Definir y diseñar los tramos rectos y curvos del canal tomando en cuenta el radio mínimo del diseño a considerar en este proyecto. Diseñar la sección típica del canal y sus características hidráulicas y geométricas. Determinar las pendientes y los tirantes en cada tramo tomando en cuenta que el régimen del canal debe ser sub crítico. Graficar el trazo en planta y perfil longitudinal del canal, así como obtener la tabla de elementos de los tramos curvos del trazo en planta y la tabla de elementos del perfil longitudinal. Graficar las secciones transversales del canal cada 20 m. Determinar los volúmenes de corte y relleno que se deberá hacer para el emplazamiento del proyecto.

2. DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO El proyecto consiste en el emplazamiento de un canal con fines de regadío. El lugar de emplazamiento del proyecto es en la cuenca del rio Callazas, Tacna (zona UTM 19S). Para el presente proyecto se pretende captar agua del rio Callazas en el punto de inicio “Bocatoma” que se ubica en el Km 0+000, el agua se va a conducir hacia el punto de “Entrega” en régimen subcrítico. El propósito del canal es regar la mayor cantidad de terreno agrícola en época que no llueve, como no todo el día se riega hay agua sobrante por la noche, tal caudal sobrante tiene que regresar al rio en el punto de entrega. El caudal a transportar es de 0.5m3/s. En el recorrido para salvar los desniveles diseñar todas las estructuras complementarias (obras de arte) que sean necesarias y en lo posible utilizar solamente “caídas verticales”.

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Universidad Nacional de Ingeniería Facultad de Ingeniería Civil del orden 300L/s. El área servida por un lateral de le conoce como “unidad de riego”.

d) Canal de cuarto orden:

Figura N°1 Fuente: Documento de información del trabajo Localización de la bocatoma y entrega del canal. Figura 2. Zona de Trabajo Google Earth – ANEXO A

3. MARCO TEÓRICO 3.1. CLASIFICACIÓN DE CANALES: 3.1.1. Por su capacidad de conducción: a) Canal de primer orden: Llamados también canal MADRE o de DERIVACIÓN, sirven para trasportar el agua desde la Bocatoma hasta la cabecera de los sectores de irrigación. Su colocación se diseña por las partes más altas de la ladera para poder aprovechar al máximo el área de riego. Frecuentemente cada sector de Riego tiene aproximadamente (1000 a 6000 ha). Estos tipos de canales poseen una capacidad de caudal en el orden de (3- 100 m3/s). Ejemplos:  Canal alimentador (Río ChancayProyecto Tinajones)  (Q=10m3/s).  Canal MADRE PAMPA BLANCA (Río Santa-Proyecto Chavimochic) (Q=78m3/s).  Canal de DERIVACION (Río PiuraProyecto Chira Piura)  (Q=70m3/s).  Canal TALAMBO (Río Jequetepeque Proyecto Jequetepeque - Zaña) (Q=1510m3/s).

b) Canal de segundo orden: Llamados también Sub-Canales, toma el agua del canal principal para entregarle después a otros canales de 3er orden (llamados laterales). También, su colocación se diseña por parte alta del área de riego. Estos tipos de canales poseen una capacidad del orden de 2-10m3/s. Ejemplo: Canales Túcume, Heredia (Proyecto Tinajones- Río Chancay).

c)

Canal de tercer orden:

Llamados también Laterales, toman el agua del sub Canal y luego lo va a entregar a otros Sub-canales de 4to orden o Sub- laterales. El área servida por un Lateral varía de 60-350 ha. Estos tipos de canales poseen una capacidad

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Llamados también Sub-Laterales, toma el agua del lateral y la van a entregar luego a las parcelas o lotes de riego. El área servida por un Sub-Lateral varía de 20-60ha. Estos tipos de canales poseen una capacidad del orden de 60-200 L/S. (En la práctica se le da 150 L/s). El área de riego servida se le conoce como “unidad de rotación”.

e) Canal de quinto orden o regaderas: Son canales a nivel de parcela, son generalmente pequeñas acequias de tierra que distribuyen el agua dentro de la parcela hacia los surcos, melgas o pozas.  Parcela de Riego: Según condición Agraria es de 4ha. En el Perú, al lado de canales y drenes siempre debe existir un camino de vigilancia. Representación gráfica de la jerarquía de los canales.

Figura N°3 Fuente: Trazo y diseño de cales.pdf

3.1.2. Por material de construcción: a) Revestidos: Son aquellos canales que en el fondo y en los laterales, poseen una o varias capas de protección con respecto al terreno de fundación. El material puede ser concreto, madera, asfalto, mampostería, fierro, plástico, etc.

b)

No revestidos:

Este tipo de canales no poseen ninguna protección con respecto al terreno de fundación. En este canal el líquido posee contacto directo con el terreno de fundación. Existe una mayor permeabilización del líquido.

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Universidad Nacional de Ingeniería Facultad de Ingeniería Civil 3.2. CRITERIOS PARA EL DISEÑO DE UN CANAL:     



Se mencionará todos los aspectos que deben ser considerados en el diseño de un canal: Velocidad del flujo del líquido; es de suma importancia que dependiendo de este valor se pude determinar los problemas de erosión. Talud del canal; es de importancia para poder saber la forma adecuada que debe poseer el canal para su funcionamiento. Pendiente del fondo del canal. Revestimiento del canal; con este dato podemos saber los coeficientes de rugosidad, permeabilidad y velocidades límites. La contemplación de construcción de curvas horizontales; son las curvas que se deben realizar par que el canal pueda llevar a su fin o adecuarse al terreno. El Borde libre; se diseña como resguardo contra posibles ingresos de agua al canal procedente de lluvias y efectos de oleaje por el viento sobre la superficie de agua que puedan verter sobre los bordes del perfil, especialmente sobre los terraplenes.

3.2.1. Radios mínimos para curvas horizontales: Hay diferentes criterios generales que relacionan el radio de curvatura mínima tanto con el caudal como con el régimen del caudal dado.

Figura N°5 Superficie del terreno Una vez que tenemos geo localizada la zona donde trabajaremos se procede a ubicar los puntos de bocatoma y desembocadura. Se crea la superficie con las curvas de nivel, convenientemente se trabajó con curvas de nivel generadas por la superficie creada, cuyas curvas menores están acotadas cada 1 metro y las curvas madre cada 5 metros. Figura N°6 - Curvas madre y curvas menores del terreno – ANEXO B. Se crea el alineamiento con la herramienta “alignment”. Figura N°7 – Trazo del alineamiento – ANEXO C. Finalmente, para terminar de hacer el trazo en planta se define tramos rectos y tramos curvos, si fuera necesario, para conectar el punto inicial y el punto de entrega tomando en cuenta que la pendiente máxima permitida en este proyecto (-0.85) y el radio de curvatura máximo en los tramos curvos.

Figura N°4 Fuente: E.Blair F. “Manual de Procedimientos de pequeños sistemas de riego”.

4. MEMORIA DE CÁLCULO En el presente proyecto se pretende emplazar un canal entre el punto de inicio “Bocatoma” y el punto de “Entrega” en base a las curvas de nivel obtenidas de una página web (http://escale.minedu.gob.pe/) de la zona en donde se emplazará dicho canal. Para poder hacer el trazo y diseño del canal se hizo uso del programa de computadora llamado Civil 3D, además que facilita los cálculos (ej. volúmenes de corte y relleno), y la obtención de los planos en planta y el plano de perfil longitudinal de manera automática.

4.1. TRAZO EN PLANTA DEL CANAL En primer lugar, se obtuvo las curvas de nivel en el programa Civil 3D.

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Universidad Nacional de Ingeniería Facultad de Ingeniería Civil  Progresiva.  Pendiente.  Cota de terreno.  Cota de subrasante.  Altura de corte.  Altura de relleno. El plano del perfil longitudinal (Anexo) nos permite observar las pendientes de los diferentes tramos (en este caso se usó una sola pendiente a lo largo de la longitud de todo el canal) y las alturas de corte y relleno que son muy importantes para predecir de manera a priori los volúmenes de corte y relleno.

4.4. SECCIONES DEL CANAL

TRANSVERSALES

Creamos los ensamblajes para el perfil de nuestro canal trapezoidal.

4.4.1. SECCIONES TRAPEZOIDALES

Figura N°8 Trazo completo en planta del alineamiento del canal

4.2. DISEÑO DE LA SECCIÓN TÍPICA DEL CANAL La forma geométrica de la sección típica del canal que se consideró en este proyecto es la de un trapecio. Para poder establecer las características hidráulicas y geométricas de la sección del canal se tomó en cuenta la Ecuación de Manning. Ésta ecuación involucra el radio hidráulico, la pendiente de energía y el coeficiente de rugosidad (en este caso el del concreto que revestirá el canal). En el presente proyecto se vio conveniente establecer una sola pendiente a lo largo de toda la longitud del canal sin presentar obras de arte (caídas verticales), es decir, no se diseñó estructuras complementarias ya que se consideró que no eran necesarias. A continuación, se muestra la sección típica del canal, y sus características hidráulicas y geométricas: Figura N°9: Tabla detalle de Curvas – ANEXO D.

4.3. PERFIL CANAL

LONGITUDINAL

DEL

Establecido el alineamiento del canal y la superficie del terreno se puede obtener de manera automática, mediante el Civil 3D, el perfil longitudinal del canal.

 Tramo con pendiente S=0.3%

Propuesto Propuesto Propuesto Propuesto Propuesto Propuesto

Datos a introducir Parámetro Valor Caudal (m^3/s) Talud recomendado (z) Ancho base inferior (b) Coeficiente de manning Pendiete (%) Borde libre (m)

0.5

Datos obtenidos Parámetro Tirante normal (Y/m) 1.5 Tirante + borde libre (m) 0.8 Ancho superficial (T/m) 0.014 0.3 0.5

 Tramo con pendiente S=0.2% Propuesto Propuesto Propuesto Propuesto Propuesto Propuesto

Datos a introducir Parámetro Valor Caudal (m^3/s) Talud recomendado (z) Ancho base inferior (b) Coeficiente de manning Pendiete (%) Borde libre (m)

0.5

Datos obtenidos Parámetro Tirante normal (Y/m) 1.5 Tirante + borde libre (m) 0.8 Ancho superficial (T/m) 0.014 0.2 0.5

Entonces, usaremos una sección típica para mantener la uniformidad en el canal.

Figura N° 10 Perfil longitudinal - ANEXO E. Entre los detalles de este perfil longitudinal se encuentran:

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0.3 0.75 1.88

5

0.35 0.85 2.06

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Figura N°12 Sección rectangular típica Figura N°11 Sección típica para todo el canal

4.5. DISEÑO DE OBRAS HIDRAULICAS: 4.5.1. DISEÑO DE TRANSICIONES  TRAPEZOIDAL A RECTANGULAR 4.4.2. SECCIONES RECTANGULARES  Tramo con pendiente S=0.3%

Propuesto Propuesto Propuesto Propuesto Propuesto

Datos a introducir Parámetro Valor Caudal (m^3/s) Ancho base inferior (b) Coeficiente de manning Pendiete (%) Borde libre (m)

Datos obtenidos 0.5 0.8 Tirante normal (Yn/m) 0.014 Yn+borde libre 0.3 Ancho superficial (m) 0.5 yc

0.5 1 0.8 0.34

Antes de realizar las caídas verticales, debemos transferir la sección de una trapezoidal a una rectangular. En ese sentido, calculamos la longitud de transición mínima. Para ello, haremos uso de la memoria de cálculo en la que se obtienes las dimensiones de las secciones.

 Tramo con pendiente S=0.20%

Propuesto Propuesto Propuesto Propuesto Propuesto

Datos a introducir Parámetro Valor Caudal (m^3/s) Ancho base inferior (b) Coeficiente de manning Pendiete (%) Borde libre (m)

Datos obtenidos 0.5 0.8 Tirante normal (Yn/m) 0.014 Yn+borde libre 0.2 Ancho superficial (m) 0.5 yc

De ambas propuestas, se usará una sección típica rectangular.

0.52 1 0.8 0.34

De la sección típica trapezoidal y rectangular, tenemos. 𝑇1 = 2.06𝑚 𝑇2 = 0.8𝑚 Al remplazar, tenemos. 𝐿 = 2.84𝑚 ≈ 2.90𝑚

4.5.2. CAÍDAS Se consideraron caídas de 1 metro según indicaciones del límite permitido por el docente. Luego de haber creado nuestro ensamblaje, nos apoyamos en la herramienta “corredor” para realizar nuestro corredor. Figura N°13 Usando la herramienta Corredor en Civil 3D. – ANEXO F

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las

Universidad Nacional de Ingeniería Facultad de Ingeniería Civil Luego generando las secciones cada 20 metros se obtienen las secciones transversales en donde se pruede apreciar las áreas (regiones) de corte y relleno en la sección.

Figura N°16 Sección 2+500.00 Verde: Relleno – Rojo: Corte Figura N°14 Sección 0+020.00 Verde: Relleno – Rojo: Corte

Figura N°15 Sección 0+040.00 Verde: Relleno – Rojo: Corte

Figura N°17 Sección 2+520.00 Verde: Relleno – Rojo: Corte

4.6. DETERMINACIÓN DE VOLÚMENES DE CORTE Y RELLENO Finalmente se puede calcular los volúmenes de corte y relleno con ayuda de una de las herramientas del Civil 3D. En la siguiente tabla se puede ver los resultados del cálculo: Figura N° 18 Tabla de corte y relleno. - ANEXO G Del anterior cuadro se puede ver que el volumen de corte es de 12091.14 m3 y el volumen de relleno es de 4061.49 m3.

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Universidad Nacional de Ingeniería Facultad de Ingeniería Civil 5. CONCLUSIONES 







El trazo del eje del canal no debe cruzarse abruptamente entre curvas de nivel puesto que puede generar elevaciones o depresiones considerables al elaborar el perfil longitudinal. Estas serán necesarias salvar con mayor movimiento de tierras, lo que generaría más costo. Para el diseño de secciones trapezoidales de canales con caudales pequeños (0.5m^3/s) no se recomienda el uso de teoría de Máxima eficiencia hidráulica. En nuestro caso, al aplicarlo sobre nuestra sección se obtuvo una base inferior de 30 cm lo cual resulta muy difícil mantener en la etapa de construcción. Por tanto, se usó un ancho mínimo inferior de 80cm recomendado para el diseño de la sección típica. Se consideró que la altura de revestimiento coincida con la altura de banquete por ser común en esta región de América. Por tal razón, el revestimiento final fue de 0,5 m tanto para las secciones trapezoidales como para las rectangulares. Se deben reducir el valor de las pendientes en los tramos de mayor curvatura para evitar el problema de erosión. En nuestro caso, alternamos una pendiente normal en secciones rectas de 0.3% a una de 0.2% en secciones más curvadas que se observan en la vista en planta.

𝑉= 

  





6. RECOMENDACIONES 

𝑛

Para el desarrollo del proyecto se debe tomar en cuenta diversos parámetros y se debe tratar de ajustar estos para conseguir un diseño óptimo en el cual el movimiento de tierras se minimice.

7. BIBLIOGRAFÍA 

Libro Rocha – Hidráulica de tuberías y canales.



http://www.ana.gob.pe/media/389716/man ual-dise%C3%B1os-1.pdf



2 1 𝑅3 𝑆 2

Se agrupo un conjunto de caídas sucesivas para reducir la elaboración de transiciones de entrada y de salida entre sección trapezoidal y rectangular. En cada caso, la longitud de transiciones fueron de 3m. Se propuso caídas verticales máximas de 1m para evitar la socavación del canal. El descanso de las caída fueron horizontales y con una extensión de 5m. No fue necesario elaborar obras de disipación después de las caídas debido a que se transporta un flujo en estado sub crítico. Para canales pequeños se recomienda usar un radio de curvatura mínimo de 20m. Así, usamos

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

radios que inclusive bordea los 100m de manera que se pueda evitar la erosión en las zonas de mayor curvatura. Las secciones obtenidas en la progresiva espaciada cada 20m evidencia volúmenes de tierra manejables tanto en corte y relleno. Sin embargo, en el tramo último evidenciamos demasiado relleno debido a que se tiene una cota demasiado elevada propia de la distorsión que se generó al momento de importar las curvas de nivel al CIVIL 3D. Los volúmenes de corte y relleno finales fueron de 12091.14 𝑚3 y 4061.49 𝑚3 respectivamente. Esta fue la relación óptima que se pudo obtener después de usar taludes de corte y relleno de 0.5 y ampliar la base inferior del canal trapezoidal de 0.3 a 0.8 m.

https://www.monografias.com/trabajos19/c anales/canales.shtml



https://es.slideshare.net/brayanfernandogu zmantomanguillo/diseo-hidraulico-decanales-exponer



http://ri.ues.edu.sv/2761/1/Dise%C3%B1o %20y%20construccion%20de%20un%20c anal%20hidraulico%20de%20pendiente%2 0variable%20para%20uso%20didactico%2 0e%20investigacion.pdf

(tesis

de

universidad de Managua).

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la

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ANEXOS Mecánica de Fluidos II

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Universidad Nacional de Ingeniería Facultad de Ingeniería Civil a)

ANEXO A: Zona de Trabajo Google Earth

Figura N°2 Fuente: Google Earth. b) ANEXO B: Curvas madre y curvas menores del terreno.

Figura N°6

Curvas madre y curvas menores del terreno. Mecánica de Fluidos II

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Universidad Nacional de Ingeniería Facultad de Ingeniería Civil c) ANEXO C: Trazo del alineamiento:

Figura N°7

Trazo del alineamiento d) ANEXO D: Tabla detalle de Curvas.

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Figura N°9 Tabla detalle de Curvas

e)

ANEXO E: Perfil Longitudinal del canal.

Figura N°10 Tabla detalle de Curvas

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f)

ANEXO F: Uso de la herramienta Corredor para trazar el canal.

Figura N°13 Herramienta Corredor

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g) Tabla del cálculo de Volúmenes de Corte y relleno:

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Figura N°18 TABLAS DE CORTE Y RELLENO f)

ANEXO F: PLANOS

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