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滑坡运动过程数值模拟文献研究综述
滑坡动态数值模拟文献综述
引言
由于受河流冲刷、地下水活动、地震及人工切坡等因素影响,斜坡上的土体或岩石在重力作用下会沿着一定的软弱面或者软弱带,整体地或者分散地顺坡向下滑动,造成滑坡事故。
根据一项已经完成的290个县(市)地质灾害调中,滑坡28738处,占这些地区地质灾害总
数的51%⑴,由此可见,滑坡是一项比较频发的自然灾害,这些灾害给人民的财产和生命安
全造成了很大的影响。
特别是对于我国多山的国家,许多高速公路、铁路都绕山而行,还有
一些重要的国家战略设施也都依山而建,若山体发生滑坡,滑坡体势必会对这些重要设施造
成破坏,造成正常的交通和生产秩序的紊乱。
因此,研究山体滑坡,实现对滑坡的预报预警
是亟需解决的一项艰巨任务。
课题背景及研究意义
二十世纪六十年代以后,在世界范围内陆续发生过许多大型高速滑坡,给人类造成很大灾
难。
这类滑坡大多具有极高的滑速和极远的滑程,在平缓的地面上,滑速有的超过10Okm/h,
滑程可达几公里,甚至十几公里,并通过远程和高速及其引起的气浪和碎屑流化将不安全区扩展到滑坡形成区以外极远处,致使造成很大的灾害。
1963年10月9日意大利威尼斯省瓦依昂河下游的托克山斜坡,在瓦依昂特水库开始蓄水
时坡体整体性高速下滑,激起了巨大的涌浪,致使坝内所有设施遭受破坏;对岸朗格尼亚镇、下游皮拉哥城和维拉诺尼镇、上游拉瓦佐镇均遭涌浪袭击而摧毁,死亡2400余人,整个水库完全破坏,造成震惊世界的灾难性事故【1】。
依)滑坡前Loiigaroiie4A-
(a)TheLon^aroncTovvnbeforeLandslide
在我国,特别是在西北和西南地区,这类大型高速滑坡也多次发生,如1983年3月7日发生的甘肃东乡洒勒山大型高速滑坡,在不到一分钟的时间里滑出160Om,摧毁4个村庄伤亡278人,最高滑动速度达30m/s[2].
1985年6月12日凌晨,新滩江家坡至广家岩1300万m3滑坡体高速向下滑动,新滩
镇这个千年古镇顷刻之间被推入长江。
共有1569间房屋、780亩农田、77艘船只被毁,
直接经济损失832万元。
滑坡产生的260万m3土石高速入江,过江首浪高达70m,江
中涌浪达39m,使上、下游各110km的江段内96条船只沉没,损失惨重,长江也因此断航一周,造成经济损失1亿多元。
图1¥北滩滑城
Fig.1-4TheLandslidcsofXintan
E1-5西藏.昂审巨型滑坡囲b6千将坪滑玻
15TheGiaiiiLandslidesofYigoiij:
lilTibetFig1-石TheLandslidesofQiinjiangping
1991年9月23日发生的云南昭通头寨沟大型高速岩质滑坡,总体积大约1800x104m3的滑
体高速下滑,仅在2~3分钟时间内冲入盘河,滑体的最大移动距离达3.65km,这场罕见的巨型
滑坡一碎屑流灾害,造成了极为惨重的人员伤亡和损失,共有216人死亡,202间房屋被摧毁,94
户村民半数以上无家可归,300头牲畜被埋,覆盖农田300亩,经济损失达200余万元[3];
2000年4月9日发生在西藏易贡藏布下游的扎木弄巴特大规模滑坡,波及长度2600m,堵
塞长度1500m,形成高130m的天然坝,堵断易贡错(湖)的出口,使正常流量100m3/s左右的易贡藏布断流,而中、上游的地表径流和冰雪融水又不断地注入,使得库容75.4x108m3的易贡错
水位由海拔2220m,每天以50cm的涨幅上升,直接威胁着湖区周围藏、汉等多民族居民和享誉中外的易贡茶基地⑷。
2008年5月12日,汶川8.0级大地震也触发了大量的高速远程滑坡,造成重大地质灾难
加重了地震灾害的损失,如北川县城城西滑坡直接导致1600人被埋,数百间房屋被毁,北川老县城几乎一半被该滑坡摧毁。
如图1-7所示为位于湔江北川上游约5km处唐家山滑坡所
形成的堰塞湖,对下游数十万人民群众的生命财产造成巨大威胁。
2009年重庆武隆的鸡尾山滑坡运行了1.5km,造成10人死亡,64人失踪。
2010年贵州关岭滑坡体积约174.9万m3滑程约1.5km,使得两个村组被毁,99人遇难。
2013年1月11日上午8时20分,云南省昭通市镇雄县果珠乡高坡村赵家沟村民组发生特大山体滑坡,46人被山
体掩埋,2人受伤。
综上所述,这些滑坡事故所造成的次生灾害均给人类造成了巨大的损失。
水利水电工程建设属百年大计,目前修建于峡谷中的高坝大库愈来愈多,正确地预测库区可能的滑坡涌浪,
是工程可行性论证中的一个重要内容,在保证工程安全的情况下,可以大幅度减少成本,为
国民建设节约资金。
通过滑坡涌浪预测研究,可以及时采取适当的工程防范和治理措施,以
最大限度地减小滑坡涌浪造成的灾害,从而保障人民的生命和财产安全,且可为防灾减灾决
策的制定提供科学依据。
滑坡所引发的另一次生灾害一溃坝的发生和溃坝洪水的形成属于非正常和难于预测的事件,因而溃坝洪水造成的灾害往往是毁灭性的。
但是,如果做好溃坝洪水的分析与研究,进而制定切实可行的防洪预案,就可以在灾害发生时大大减轻下游的损失。
在我国,随着社会
经济的发展,人口和社会财富在沿江和水库下游地区不断集中,因此,对溃坝洪水的分析与
研究更加具有紧迫性和重要性。
这些重大滑坡事故给我们造成了重大损失,急需用一种更有效的手段预防滑坡灾害的发生。
而近些年来随着计算机技术的快速发展,计算机仿真模拟已经成为研究和预防灾害的一
项重要技术,并且在工程的几乎所有领域都获得了较好的应用和效果,应用计算机仿真技术
研究,是研究滑坡灾害机理,找出滑坡运动规律的更有效的手段,通过计算机建模模拟灾害
的动态过程,可以对灾害的致灾范围和破坏强度做出预报预防,结合GIS技术,还可以生动
逼真地再现灾害的发生过程。
滑坡运动过程特征描述
滑坡的主要研究方法
滑坡灾害给人类造成的损失巨大,越来越引起人们的关注。
国内外众多学者对滑坡涌浪的生成和传播规律进行了研究,通过建立模型模拟滑坡引起的涌浪的发生、发展和衰减。
早在十八世纪中期就有关于库岸滑坡撞击水体产生巨大涌浪的现象记载,但人们对涌浪的研究则是从二十世纪初开始。
滑坡涌浪计算研究主要是从1958年阿拉斯加的Lituya湾事件以及1963年意大利Vajont水库失事之后才成为研究热点。
由于影响滑坡涌浪的因素十分复杂且难以清楚地表述,只能对其估计,加之在计算时边界条件和初始条件也难以明确确定,所以,直至目前滑坡涌浪的计算还没有一种通用的方法。
普遍采用的主要有以下三种:
经验公式法、物理模型试验和数值模拟。
经验公式法起始于二十世纪四十年代,是一经典的解析方法。
经验公式法是建立在一定的理论及实际观测数据分析的基础上,通过资料分析建立经验公式来研究滑坡涌浪问题。
此法简便易行,但存在较大局限性,无法提供完整和系统的滑坡涌浪信息。
目前较为广泛使用的经验公式法有:
Noda法、Kanphuis&Bowering公式、潘家铮法、水科院经验公式法、美国土木工程学会法、Slinger-land&Voight公式[9]等。
物理模型试验方法从二十世纪七十年代开始采用,已取得一定经验。
物理模型试验克服了原型观测的一些缺点,因自身原因引起的限制很多,比如模型制作、滑体模型时速控制、场地限制、测量仪器的精度与灵敏度等。
长江科学院[10](1984)应用库首河段的水工模型,选择距离坝址较近且其稳定性差和规模大的新滩滑坡(距坝址26km-27km)和链子崖危岩体(距坝址65km),按不同的破坏条件、规模、不同库水位进行了涌浪试验。
庞昌俊[11](1985)在波浪水槽中进行了斜滑坡的涌浪试验来探索岸坡失稳而产生高速整体滑动所激起的涌浪特征和演变规律。
袁银忠[12](1990)在
模型池中进行了滑坡模拟试验,用以确定数值模型计算结果的可靠性、涌浪经弯道后的变化及涌浪遇壁爬高及反射规律。
王育林等[13](1994)运用河工模型试验模拟了不同方量、不同入江角度的产生的危岩崩滑,进而提出峡谷型河道滑坡最大初始涌浪极其沿程衰减计算公式。
余仁福[14](1995)对龙羊峡水库近坝段进行了滑坡涌浪模型试验,模型比例尺是采用1:
500。
Wiegel、Heinrich、Watts、Fritzetal[15-17]等也都针对不同的滑坡实例进行了涌浪物理试验。
到了二十世纪八十年代,随着计算机及数值理论的迅速发展,开始基于流体力学的基本方程(如N-S方程)建立涌浪数值模型并利用计算机进行二维及三维有限差分或有限元计算。
数值
模拟可以提供完整性和系统性的信息、不受时空的限制、模型可以重复使用、极大地节省时间和人力、物力和财力等。
但其不能独立于物理模型试验或原型观测而存在。
在许多实际问题中,还需要通过原型观测或模型试验提供某些参数并对所建立的数值模型进行验证。
按照
不同的滑坡涌浪控制方程的离散方式,有关滑坡涌浪数值模拟研究主要有以下几种方法,包括有限单元法(FEM)、有限差分法(FDM)、有限体积法(FVM)、边界元法(BEM)和SPH(smoothedparticlehydrodynamics)法等。
基于有限单元法的有:
严骏龙[18](1983),王晓鸿[19](1996),Walters[20](1998)等;基于有限差分法的有周剑华[21](2003)、Lynett和Liu[22](2005)等;基于有限体积法的有Heinrich[23](1992),姜治兵[24](2005),任坤杰[25](2006)等;基于边界元法的有S.T.Grilli[26](1999)刘建秀[27](1994)等;基于SPH法的有杜小弢[28](2006),B.Ataie-Ashtiani[29](2007)等。
关于溃坝问题的研究基本上是从数值模拟和室内试验两方面进行的。
目前数值模拟是溃坝研究的主流,数值模拟一般仍从明渠水流运动方程出发,通过有限差分法(FDM)、有限体积法(FVM)和有限元法(FEM)等对控制方程进行离散[52-58]。
从工程实际应用的角度来看,溃坝的模型试验仍必不可少,特别是大型的工程,模型试验的参数是工程设计和施工的主要依据,同时模型试验的结果能用来验证数值模拟计算方法的可行性
[59-63]。
统计分析
统计分析方法是根据一个地区的历史资料的相关数据,大体得出这个地区的灾害的致灾范围和灾害强度,此方法旨在解决和预测一些影响因素相似的灾害。
在此方法中,灾害的研究在很大程度上依赖于已有的数据库资料,已有数据库资料的准确程度直接影响着预测的正确与否。
理论研究
理论研究是通过对滑坡过程的运动机理和特征的力学分析研究,结合实验模型,对灾害的致灾范围和破坏强度做出预测判断。
数值模拟
随着计算机科学的兴起和发展,人们能更快速地用计算机计算一些大量重复的计算,避免人类大量的重复劳动,正是基于这点,计算机在工程领域获得了快速的应用推广。
而计算机图形学技术可以将模拟计算的结果用图形生动地表示出来,结合GIS地形数据输入,使得模
拟的结果更加逼真,因此,此法方式研究工程问题的潮流。
在1999年,意大利的YoichiOkura【24】应用这一方法研究不同颗粒大小的石块对其在地面上滑行距离的影响。
其在一定的坡度上放置了许多堆积的石块,并通过改变石块大小得出不同的测量数据,从而得出了石块颗粒大小是影响滑块移动距离的因素之一的结论。
离散单元法
离散单元法(DEM)由Cundall[58]于1971年提出,原先主要用来针对材料性质或形体不连续的数值分析,后来被广泛使用在颗粒流体物质。
随着理论的趋于成熟与程序的发
展,Cundalll59.62】分别于丨980与1983提出了以离散单元法为理论基础的二维Universal
DistinctElementCode(简称UDEC与三维ThreeDimensionalDistinctElementCode(简称3DEC分析程序,随后又于1994年与1995年分别发展出PFC(ParticleFlowCode)二维与三维颗粒流程序。
王泳嘉在1986年首次向我国岩石力学界与工程界介绍了离散单元法的基本原理及应用例子。
在DEM中,颗粒之间的作用以及内部力的平衡是一个动态过程。
颗粒簇的接触
力和位移通过追踪单个颗粒的运动来查找。
动态行为通过时步算法来实施,K假定在每一时步
内速度和加速度保持不变即连续分析的显式有限差分方法。
DEM基于足够小的时步内,扰动
.的力是可以确.律。
牛顿第二V:
接触力。
离散(如非连续介质并
不能传播到相邻颗粒更远的颗粒中这一思想,认为在这一时步内作用于颗粒卜
定的。
DEM计算过程选择对颗粒和接触分别应用牛顿第二定律及力和位移定定律用来确定颗粒的运动,而力和位移则用来获得接触处源自于相对运动的单元法弥补了应用连续力学理论分析非连续介质材料时所作出的简化处理不满足连续性条件)而导致的理论与实际发生偏离的缺陷滑坡运动理论的国内外研究现状
正是由于上述这些造成巨大灾害的大型高速滑坡的发生,以及它们最终以流体化的形
式对人们的生命和财产造成的巨大危害,因而,近年来在世界范围内掀起了对大型高速滑坡最
终导致碎屑流(流体化)的研究热潮,并取得了一定的进展。
到目前为止,对该问题的研究已经
由过去的结果分析、理论假设或现象推理等,演变为实验研究和深入的理论研究,但是对于滑
坡流动的过程的数值模拟,研究虽然取得了一定进展,但是还不够系统,需要进一步的深入研究。
(1)国外研究现状
PE.Kent于1966年提出“圈闭空气导致流体化论”,该理论认为,破碎后的滑坡碎屑体在
运动过程中排出的空气快速向上运动,使碎屑体的各块体保持扩张状态,这种扩张状态导致块
,该理论用声波流化
,这些现象中明显
体间的摩擦系数降低,使碎屑体流态化,碎屑因之而能够越过平坦的地面作高速度、远距离的运动。
Melosh分别于1979年和1986年提出“声波场诱导感声流体化论”
机制来解释地震断层、冲击坑塌落和远距离滑坡等地质作用。
该理论认为
存在的低强度归因于瞬时的强大声波场诱导的“感声流体化”状态,并认为,感声流体化碎屑
表现为一种牛顿流体。
这种机制描述高频振动,它有可能在一瞬间解除岩体的压力,使运动卸
荷区得以发生。
Davis等人也提出了“底部高剪切速度导致流体化论”,该理论的本质是基于这种概念:
输入到颗粒状材料物体中的高能引起各颗粒间很高的冲击接触压,冲击压在统计学上是分离
性的,物体发生扩胀,内部的抗剪阻力因此而降低,此时物体在重力作用下便能够发生流动。
该
理论认为,高速的碎屑体底部和静止的下伏物质之间的高相对速度即是能量来源。
Davis还曾
用装入塑料盘内机干砂的单向振动实验和拜格诺德实验成果来论证其设想。
上述这些理论大都建立在滑坡体作高速运动的基础之上的。
对于滑坡产生的高速机理,相应也出现了许多理论。
主要有:
(1)美籍华人许靖华161(K.J.Hsu,1975根据岩崩碎屑流堆积物的几何形态类似于泥石流、
熔岩流和冰川堆积,以及它们可以沿着平坦的路程运动异常远的距离,并借助于其冲力涌向高
处等,从而提出“无粘性颗粒流说”。
实际上将岩崩碎屑流比作大量聚集的无粘性颗粒在流体介质中流动。
许氏认为,速度极高的隙间粉尘即粗石块之间存在的岩粉和细粒在高速滑坡运动过程中充当了隙间流体,起着同液体和气体一样的作用。
他曾进行了大量的实验试图证明这种假说,很遗憾只有一次获得了预期的结果,且实验材料采用的是不同稠度的膨润土悬浮物这种材料能否模拟高速滑坡尚且值得怀疑。
(2)R.L.Shreve(1966、1968)提出[8],当大型滑坡体快速滑出时,若遇到适当的地形,滑坡体
会捕获和压缩原斜坡前方来不及排出的空气而形成气垫层,使滑体能象气垫车一样漂浮。
气
垫层不仅能对滑坡体起一定的支撑作用,而且还会使滑坡体像飞机一样“飞”起来。
他推测,异常小的摩擦系数是捕获空气体积的一种度量,更大的滑坡体可以捕获更多的空气。
P.Habib等人于1975年提出,大规模岩体在滑道上滑动时,重力所做的功消耗在滑道上将产生热量。
如果剪切速度足够大,释放的热量可以将岩石中的水转变为蒸汽,构成一气垫层。
这种气垫层支
撑着滑体,并且起着对运动的润滑作用。
如果滑道很深且为一个平面,则滑体可被视为一个刚
性体,完全由蒸汽压力支撑。
摩擦阻力随法向压力的降低而降低。
如果阻力为零,则滑体可获
得一个很大的速度,这是它可以爬上河谷对岸或者翻过一个山丘的原因。
(3)Mencl等人在研究中强调空隙水压力对滑体的承托作用,认为在滑速很高时,滑面通过
的含水岩层中空隙水压力会急剧增高,使有效正应力大幅度降低,甚至趋于零。
Mulle:
等强调
饱水粘性土的触变作用。
后来MullerIg]又以瓦依昂大型滑坡为例做过水的作用使摩擦力突然丧失的实验。
(4)voight和Faust认为,在流体饱和的滑坡滑带内所发生的摩擦热能够使空隙流体压力增
高。
摩擦系数值大,原始孔隙度高和滑动位移大,以及滑带厚度小和可压缩性低都会促进流体压力升高。
在滑动速度快以及壁部岩石渗透性剪胀作用低的条件下,流体压力的升高能够迅
速降低滑动过程中的摩擦强度,因此适度的滑动在某些条件下可转化成灾难性下滑。
还有人甚至认为摩擦热引起的空隙水的体积变化就足够作为一种减小摩擦的机制。
(5)T.H.Erismann于1978年提出,由于摩擦生热及高压力,岩石自身会熔化而形成润滑剂,岩石分解产生大量二氧化碳气体,可以起到气垫层那样的作用。
⑹Kerne:
等人提出了相对比较简单的岩石自我润滑学说他们认为,速度增大时,摩擦系数
反而减小,是大型滑坡速度异乎寻常的原因。
该理论在我们2000年用玄武岩所作的摩擦实验中己得到一定程度的证实。
以上所有这些理论大都能合理地解释某些特定条件下发生的高速滑坡的高速机理或滑坡远程运动形式,它们在一定程度上对大型高速滑坡的研究起到了里程碑式的推动作用。
但它们都是在不同假设的基础上得出由于摩擦系数的降低而使大型滑坡获得高速,都是将滑坡岩
体作为整体来研究的,而并没有考虑某些大型滑坡在运动过程中与途中山体、或在落地时与
地面因碰撞而解体破碎后的运动,对滑坡体的碰撞解体过程更是没有涉及,因而还没有大型高
速滑坡碎屑流形成过程及运动机理的研究文献出现。
(2)国内研究现状我国由于在建国之后关于滑坡的研究才开始逐渐发展起来,起初对于滑坡的研究缺乏认识,盲目的开挖施工导致了诸多的滑坡事故。
知道上世纪60年代中期,人们才逐渐人们从实践中逐渐认识到,要有效地治理和预防减轻滑坡灾害,必须深入系统地研究各类滑坡的分布产生的条件、类型、作用因素,以及其运动和发生的机理。
历经50多年的发展,现在,我国很多著名的工程地质专家和学者也都对大型高速滑坡进行过十分有价值的研究,并取得了许多不错的有应用价值的成果。
胡广韬教授【10】1988年在其专著《动力滑坡学》一书中,提出并论述了有关“滑坡动力学”的二十余项关键性理论、观点和问题,即滑坡营力因素的历史转化性、滑坡动态阶段的差异
性、滑坡形成位置的选择性、坡基型剧动式滑坡的功能均衡与滑体的超稳功能、坡基型剧动滑坡的超稳性与其“复活”的条件特殊性、大型高速滑坡的多级冲程与多序次、高速滑坡的启程剧动与行程高速的机理、多冲程滑坡功能转化与滑体稳定性向量问题、多冲程滑坡的超前溅泥气浪与边缘旋流、滑坡危岩体弹性应变能的聚集、高速滑坡启程弹冲速度、地质环境中斜坡破坏的变异等。
最主要的研究成果表现在:
①提出并系统地论述了高速滑坡的启程剧动与行程高速的机理,从根本上区分了高速滑坡滑动全过程不同阶段所具有的不同的动力学效应。
②提出启程剧动的“临床弹性冲动加速效应”,并阐述了斜坡岩体锁固段弹性冲动的
力学模型,提出了峰残强降加速效应。
③对于滑坡体行程过程中的持速机理,他对前人的研究
成果进行了总结,指出:
大型高速滑坡在启动后之所以能保持高速运动,甚至“飞行”,不外乎以
下几种效应,即滑坡体势动转化加速效应、滑床气垫擎托持速效应、滑床触变液化持速效应和滑程碎屑流持速效应。
胡广韬(1995)在《滑坡动力学》一书中,补充了90年代他本人及其
研究生关于滑坡动力学的研究成果,在理论上进一步概括地提出、阐述、论证了有关“滑动
力学”的二十余项理论、观点和问题【11】,从而使滑坡动力学进一步发展和完善。
殷跃平于[12]2000年在《西藏波密易贡高速巨型滑坡特征及减灾研究》一文中对2000年
4月9日晚,西藏林芝地区波密县易贡藏布河发生的巨型高速滑坡进行了分析描述,认为该滑
坡经历了高位滑动一碎屑流一土石水气浪一泥石流一次级滑坡等过程,具复合性。
并将该滑
坡的运动全过程分为四个不同的阶段,即:
崩滑阶段、碎屑流阶段、土石水气混合流阶段及抛
撒堆积阶段,具有飞行特征,在碎屑流阶段和土石水气混合流阶段气垫层作用及气浪作用明显[13],因而具有显著的流体化特征。
贺可强、安振远【14】于1996年在《崩滑碎屑流的形成条件及形成类型》一文中认为碎屑
流是一种高速松散固体流,是与崩滑相伴生的一种独立的地质灾害,其形成条件既不同于滑坡
又不同于泥石流,是具有自己形成条件,运移规律及运动特征的散体流。
指出碎屑流的运动形式以流动为主,具有流速快,成灾范围大,遇阻时可改变其流向和多冲程等运动特点。
同时认为,崩滑碎屑流不存在滑移面,且受三个基本条件的控制,即固体物质条件,边界条件及潜在聚能条件。
并描述这种固体流是在滑坡或崩塌等形成过程中,坡体在高速差异滑移速度和相互碰撞作用下形成的平移剪切移动、跳跃或滚动等综合运动形式,这种综合流动形式形成机理主
要受以下几个方面条件的控制,即碎屑流形成的临界坡度条件、碎屑流形成的滑移速度条件、堆积层结构强度、坡体物理力学性质条件、滑面边界限制条件及坡体堆积层的粒度条件等。
并对碎屑流的野外地质特征进行了描述,并根据碎屑流的物质类型、解体形式等对碎屑流进
行了较为详细地分类。
陈自生和张晓刚[⑸于1994年在《1994-04-30四川省武隆山鸡冠岭滑坡宀崩塌宀碎屑流t堵江灾害链》一文中认为该灾害链由滑坡激化崩塌,崩塌体加积于滑坡体之上,两者结合之
后再解体、破碎而成碎屑流,从而对碎屑流的形成条件、形成过程、成灾特点进行了简单描述,并对最终可能造成的灾害作出了预测。
陈自生和杨文[16]于1994年在《1994-03-20四川省高县白崖崩塌性滑坡》一文中对1994年3月20日发生于四川省高县白庙乡芙蓉村的崩塌性滑坡进行了描述,认为“崩塌方量约为
110万m3的崩落岩土”物质沿斜下段陡坡运动,随即解体、破碎,转化为碎屑流,又随石炭湾
沟向西继续流动,约650
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