斜坡水-土力學(xué)作用研究發(fā)展與展望

廖忠湞

（廣東省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，廣州510510）

斜坡水-土力學(xué)作用研究發(fā)展與展望

廖忠湞

（廣東省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，廣州510510）

從飽和滲流力學(xué)作用和非飽和滲流力學(xué)作用兩個(gè)方面闡述了水-土力學(xué)作用及其對(duì)斜坡穩(wěn)定性影響的研究歷史和現(xiàn)狀，加強(qiáng)基質(zhì)吸力影響因子研究和基質(zhì)吸力對(duì)巖土體抗剪強(qiáng)度貢獻(xiàn)的量化研究；考慮到地下水滲流作用與斜坡滑動(dòng)的緊密關(guān)系，深化地下水滲流理論和滲流過程數(shù)值模擬技術(shù)研究。

水-土力學(xué)作用；斜坡穩(wěn)定性；抗剪強(qiáng)度；地下水滲流

滑坡可能由降雨、地震、火山活動(dòng)、工程活動(dòng)或因素的不同組合誘發(fā)，其中降雨是最主要、最常見的誘發(fā)因素。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)90%滑坡是降雨誘發(fā)所致［1］。

自1925年太沙基提出關(guān)于降雨誘發(fā)滑坡的機(jī)制以來，降雨誘發(fā)滑坡機(jī)理的研究一直是地質(zhì)災(zāi)害、巖土工程界關(guān)注的熱點(diǎn)難點(diǎn)之一。而“降雨誘發(fā)滑坡”僅是直觀說法，實(shí)際是降雨入滲轉(zhuǎn)化為地下水及其與斜坡巖土體的復(fù)雜作用誘發(fā)了滑坡。

根據(jù)前人研究，可以將水與巖土體的相互作用概括為物理作用、力學(xué)作用和化學(xué)作用3種?？紤]到水-土力學(xué)作用是致使斜坡體發(fā)生滑動(dòng)的重要因素，本文將對(duì)斜坡水-土力學(xué)作用及其對(duì)斜坡穩(wěn)定性影響的研究現(xiàn)狀、存在問題及其未來的研究重點(diǎn)進(jìn)行分析。

1 國(guó)內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域研究進(jìn)展

斜坡水-土體力學(xué)作用主要研究斜坡土體內(nèi)地下水的滲流過程對(duì)斜坡土體的力學(xué)作用，包括飽和滲流作用和非飽和滲流作用。飽和滲流作用指的是靜水壓力和動(dòng)水壓力對(duì)斜坡土體的力學(xué)作用；非飽和滲流作用指的是地下水滲流過程中孔隙水液面張力引起的土體內(nèi)吸應(yīng)力變化。

1.1 斜坡穩(wěn)定性分析

1.1.1 飽和滲流作用對(duì)斜坡穩(wěn)定性的影響

1.1.1.1 靜水壓力對(duì)斜坡土體破壞影響

基于飽和土力學(xué)和滲流理論，最早研究斜坡巖土體內(nèi)的飽和滲流作用及其對(duì)斜坡穩(wěn)定性影響。20世紀(jì)20年代，太沙基［2］首先提出：靜水壓力的升高是導(dǎo)致斜坡潛在滑動(dòng)面抗剪強(qiáng)度降低和斜坡體滑動(dòng)的主要因素。直接揭露了滲流過程中孔隙靜水壓力升高對(duì)斜坡滑動(dòng)的貢獻(xiàn)。

1981年，張倬元等［3］在研究四川盆地暴雨滑坡中指出：高強(qiáng)度降雨入滲導(dǎo)致地下水在斜坡體內(nèi)產(chǎn)生異常積聚和強(qiáng)烈流動(dòng)，使得斜坡巖土體內(nèi)孔隙靜水壓力升高、潛在滑動(dòng)面上的有效應(yīng)力迅速降低，從而誘發(fā)大型滑坡?？梢娫缙谌藗冚^認(rèn)同孔隙靜水壓力的增大是降雨誘發(fā)滑坡作用機(jī)理的觀點(diǎn)。Y Yoshimi等［4］通過進(jìn)行重復(fù)扭轉(zhuǎn)剪切試驗(yàn)研究了斜坡的穩(wěn)定性，結(jié)果表明接近飽和的土砂層在飽和度升高過程中會(huì)導(dǎo)致砂土液化和抗剪強(qiáng)度降低。Yoichi Okura等［5］通過傾斜水槽壓縮填充砂土，并利用噴灑水模擬降雨，進(jìn)行觀測(cè)滑坡運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)：不排水條件下，突然載荷引起的斜坡滑動(dòng)由降水滲流帶動(dòng)砂土顆粒向下壓實(shí)砂層并產(chǎn)生破壞作用、飽和區(qū)孔隙水壓力大幅度升高、滑體砂土層快速剪切3個(gè)過程。黃潤(rùn)秋等在研究四川省境內(nèi)高強(qiáng)度暴雨作用下大型平緩順層滑坡機(jī)理時(shí)發(fā)現(xiàn)，地下水在滑坡過程中起到了頂托、楔裂、促動(dòng)的作用，滑坡的過程：“地下水匯聚-頂托、擠入-楔裂、潰裂-滑動(dòng)”3個(gè)階段。劉秩等［6］在研究重慶市彭水縣沙子口滑坡時(shí)分析認(rèn)為，高強(qiáng)度降雨入滲引起的滑帶土強(qiáng)度降低和靜水壓力是碳酸鹽巖地區(qū)基巖順層滑坡的關(guān)鍵誘發(fā)因素，當(dāng)斜坡體潛在滑動(dòng)面的下滑力增大到大于抗滑力的總和時(shí)，坡體就沿前緣臨空面產(chǎn)生了突然下滑形成滑坡。張明等［7］采用環(huán)形剪切試驗(yàn)對(duì)四川省青寧鄉(xiāng)滑坡滑帶土受剪過程進(jìn)行了模擬，并在此過程中對(duì)試樣的高度、剪切位移、靜水壓力和剪應(yīng)力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，結(jié)果表明，試樣滑帶土體內(nèi)靜水壓力與剪切位移變化趨勢(shì)趨于一致，剪應(yīng)力隨剪切位移值變大呈先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)剪切位移達(dá)1000mm時(shí)，土樣液化特征明顯。結(jié)合地質(zhì)模型分析認(rèn)為土體內(nèi)靜水壓力的上升是誘發(fā)青寧鄉(xiāng)滑坡的主要因素。

1.1.1.2 動(dòng)水壓力對(duì)斜坡土體破壞影響

動(dòng)水壓力對(duì)斜坡土體的破壞主要有流土和管涌?jī)煞N破壞模式。目前國(guó)內(nèi)外研究主要集中于庫(kù)水位變化引起的動(dòng)水壓力作用對(duì)斜坡穩(wěn)定性的影響，降雨引起的動(dòng)水壓力作用研究較少。這可能是由于水庫(kù)水位變化產(chǎn)生的動(dòng)水壓力作用對(duì)斜坡穩(wěn)定性的影響更為顯著。如胡修文等［8］采用物理模型試驗(yàn)研究的方法模擬了三峽庫(kù)區(qū)趙樹嶺滑坡在不同水位、地震條件下穩(wěn)定性情況，結(jié)果表明庫(kù)水位從175m驟降到145m時(shí)，斜坡穩(wěn)定性最差；水位變化引起的動(dòng)水壓力和地震擾動(dòng)是該滑坡發(fā)生整體滑動(dòng)的最可能因素。但是在滑坡地質(zhì)災(zāi)害防治工作中，降雨引起的動(dòng)水壓力對(duì)斜坡穩(wěn)定性的影響亦不容忽視，因?yàn)楦邚?qiáng)度或長(zhǎng)持時(shí)降雨產(chǎn)生的動(dòng)水壓力易使斜坡土體細(xì)顆粒通過較大顆粒形成的孔隙發(fā)生運(yùn)移，使斜坡土體顆粒粘聚力減小、抗剪強(qiáng)度降低，最終導(dǎo)致斜坡土體發(fā)生滑動(dòng)。矯濱田等［9］在野外觀測(cè)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，降雨過程中細(xì)顆粒逐漸從土體表面和土坡上部向坡角運(yùn)移，堵塞滲流通路，這樣可能使坡體內(nèi)孔壓增加，有效應(yīng)力降低，土坡強(qiáng)度降低，導(dǎo)致滑坡。后又通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，沿土體深度方向細(xì)顆粒表現(xiàn)出下移趨勢(shì)，中部細(xì)顆粒聚集程度最高；沿坡面方向，在離土面相同距離的位置條件下，由前往后細(xì)顆粒呈逐漸增多趨勢(shì)。王志兵等［10］對(duì)蔣家溝流域泥石流源區(qū)兩種不同分散性的風(fēng)化殘積土進(jìn)行了室內(nèi)土柱常水頭滲透試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)土層顆粒的運(yùn)移較為明顯的影響土層的滲透性，靠近滲流入口處土層的滲透性都有增大趨勢(shì)，而靠近滲流出口處土層的滲透性有減少趨勢(shì)；而在降雨引發(fā)的滲流條件下斜坡土體的滲透性、組成結(jié)構(gòu)與斜坡的穩(wěn)定關(guān)系密切，這說明降雨引發(fā)的動(dòng)水壓力在長(zhǎng)期作用下對(duì)斜坡的滑動(dòng)有一定貢獻(xiàn)。杜光波等［11］以寧夏馬家村滑坡為例，研究了殘坡積土斜坡的滑動(dòng)機(jī)理。發(fā)現(xiàn)坡面裂隙是降雨誘發(fā)殘坡積土的重要條件，降雨時(shí)會(huì)在裂隙中產(chǎn)生積水，導(dǎo)致雨水在斜坡中發(fā)生有壓滲透，增加入滲量，使斜坡土體飽和區(qū)不斷擴(kuò)展，飽和區(qū)土體抗剪強(qiáng)度降低。同時(shí)，斜坡土體中的飽和滲流產(chǎn)生動(dòng)水壓力，增加斜坡下滑力。

上述研究成果為研究地下水飽和滲流作用對(duì)斜坡穩(wěn)定性影響方面提供了重要理論、試驗(yàn)依據(jù)。但若將這些成果用于滑坡等地質(zhì)災(zāi)害研究其針對(duì)性、可操作性及普適性還有待于提高。以往主要通過小范圍野外觀測(cè)和理想模型試驗(yàn)方法進(jìn)行研究，其滑坡發(fā)生的環(huán)境條件與天然滑坡發(fā)生過程有很大差距。且各斜坡體各有其水文、工程地質(zhì)特點(diǎn)，單個(gè)斜坡體試樣的研究成果難以有效推廣到其他滑坡災(zāi)害體研究。其次，在研究降雨型滑坡等地質(zhì)災(zāi)害時(shí)，應(yīng)考慮斜坡巖土體在降雨前后期含水量變化情況，事實(shí)上，大多數(shù)斜坡巖土體在降雨前甚至降雨一段時(shí)間之內(nèi)都處于非飽和狀態(tài)下，其物理、化學(xué)和力學(xué)性質(zhì)會(huì)隨著降雨的不斷入滲產(chǎn)生相應(yīng)變化，而這對(duì)斜坡的穩(wěn)定性影響巨大，因此還要充分考慮斜坡土體內(nèi)非飽和滲流力學(xué)作用。

1.1.2 非飽和滲流作用對(duì)斜坡穩(wěn)定性的影響

20世紀(jì)50年代，研究人員通過改進(jìn)原有設(shè)備制造出第1臺(tái)非飽和土三軸試驗(yàn)儀，并進(jìn)行了大量非飽和土力學(xué)試驗(yàn)。1978年，F(xiàn)rdelund等［12］得出適用于非飽和土體的雙變量Morli-Coulomb抗剪強(qiáng)度公式，表明非飽和土的抗剪強(qiáng)度除了與有效內(nèi)摩擦角、及法向應(yīng)力有關(guān)外，還與吸力有關(guān)。1931年Richard建立了非飽和滲流問題研究的基本理論。1981年，F(xiàn)rdeulnd等提出了廣義斜坡穩(wěn)定性分析方法-普遍極限平衡法。

隨著非飽和土力學(xué)和非飽和滲流理論的發(fā)展，人們逐漸認(rèn)識(shí)到水-土力學(xué)作用機(jī)理研究中的重要作用，并開展了大量研究。L Lam等［13］系統(tǒng)論述了前人對(duì)斜坡土體滲流問題的研究，指出降雨入滲斜坡巖土體的滲流過程是飽和滲流和非飽和滲流的連續(xù)體。提出了一種二維有限元模型來模擬復(fù)雜地下水流動(dòng)系統(tǒng)的瞬態(tài)滲流，并對(duì)邊坡穩(wěn)定性參數(shù)進(jìn)行研究。結(jié)果表明，降雨入滲引起的非飽和滲流過程使斜坡土體基質(zhì)吸力下降，安全系數(shù)降低，從而增大滑坡發(fā)生的可能性?？娏植龋?4］在非飽和土三軸試驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出了一種雙曲模型來擬合并預(yù)測(cè)非飽和土的由吸力引起的抗剪強(qiáng)度，簡(jiǎn)稱吸力強(qiáng)度，擬合、預(yù)測(cè)結(jié)果表明：非飽和土的有效凝聚力和有效內(nèi)摩擦角與吸力無關(guān)；吸力內(nèi)摩擦角隨吸力的增加而減小，呈非線性；吸力對(duì)非飽和土的抗剪強(qiáng)度有一定貢獻(xiàn)。T.T Lim等［15］對(duì)新加坡殘破積土斜坡在降雨條件下基質(zhì)吸力分布及變化進(jìn)行了原位監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，試驗(yàn)針對(duì)裸露斜坡、有草地的斜坡和表面蓋有帆布的草地斜坡進(jìn)行了比較分析，發(fā)現(xiàn)在降雨的過程中斜坡基質(zhì)吸力變化隨土層深度快速減小，且基質(zhì)吸力變化在裸露斜坡土層中表現(xiàn)最顯著，而在覆蓋有帆布的草地斜坡上最不明顯，這說明基質(zhì)吸力的變化程度與斜坡土體的滲透率呈正相關(guān)關(guān)系。詹良通等［16］采用人工模擬降雨的方法，對(duì)湖北棗陽非飽和膨脹土挖方邊坡進(jìn)行了原位綜合監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，結(jié)果表明，降雨入滲造成斜坡上部土層中孔隙靜水壓力和含水率大幅增加，使得斜坡土體基質(zhì)吸力的減小及土體吸水膨脹軟化，從而導(dǎo)致斜坡巖土體抗剪強(qiáng)度的降低。黃潤(rùn)秋等［17］為研究降雨對(duì)滑坡基質(zhì)吸力的影響，對(duì)基質(zhì)吸力進(jìn)行了觀測(cè)研究，結(jié)果表明，基質(zhì)吸力不僅與土體含水率的大小有關(guān)，而且還與滑體的結(jié)構(gòu)和細(xì)顆粒土含量、顆粒組成及有機(jī)質(zhì)含量有關(guān)。降雨與基質(zhì)吸力僅在滑坡體上部存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，滑坡體中下部對(duì)應(yīng)關(guān)系不明顯。這也印證了降雨誘發(fā)滑坡多為淺層滑坡這一事實(shí)。戚國(guó)慶等［18］為研究基質(zhì)吸力變化對(duì)斜坡位移的影響，對(duì)降雨條件下斜坡體中基質(zhì)吸力變化產(chǎn)生應(yīng)變進(jìn)行討論，發(fā)現(xiàn)斜坡非飽和土體積應(yīng)變、孔隙比隨基質(zhì)吸力的增大總體呈增大趨勢(shì)，并存在一定指數(shù)函數(shù)關(guān)系。進(jìn)一步研究表明，斜坡的位移一方面是由于基質(zhì)吸力降低引起了斜坡巖土體強(qiáng)度及斜坡穩(wěn)定性下降，另一方面則是因?yàn)榛|(zhì)吸力減小導(dǎo)致了斜坡非飽和巖土體發(fā)生應(yīng)變，從而產(chǎn)生位移。林鴻州等［19］通過壓力板儀和直剪儀組合試驗(yàn)，探討了擊實(shí)土抗剪強(qiáng)度和基質(zhì)吸力的關(guān)系，試驗(yàn)結(jié)果表明：非飽和土凝聚力在飽和度為40%～60%時(shí)最大，而內(nèi)摩擦角則隨飽和度增加而減小，且對(duì)于黏性和非黏性土來說，基質(zhì)吸力的變化對(duì)抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響規(guī)律并不一致。張盧明等［20］通過室內(nèi)模型試驗(yàn)與數(shù)值分析的方法，研究了降雨及地下水位變化時(shí)滑坡體及滑帶土體積含水率與基質(zhì)吸力的變化規(guī)律，結(jié)果表明，隨著降雨入滲及地下水位的升高，滑坡體及滑帶土體積含水率與基質(zhì)吸力的變化趨勢(shì)相反，前者逐漸增大，后者則呈減小趨勢(shì)?；麦w非飽和帶中基質(zhì)吸力沿深度方向上的分布與體積含水率的大小有關(guān)，在滑坡體與滑帶土分界附近，基質(zhì)吸力明顯變小?；|(zhì)吸力對(duì)滑帶土抗剪強(qiáng)度的貢獻(xiàn)受時(shí)間和區(qū)域影響。

綜上所述，水-土力學(xué)作用經(jīng)歷了從單純研究飽和滲流力學(xué)作用到飽和-非飽和滲流力學(xué)作用并重的過程。經(jīng)過近百年發(fā)展，對(duì)斜坡水-土力學(xué)作用的認(rèn)識(shí)不斷深化，通過理論推導(dǎo)、室內(nèi)試驗(yàn)和原位監(jiān)測(cè)等方式逐漸找到了關(guān)于“靜水壓力、動(dòng)水壓力和基質(zhì)吸力”等概念的定性、定量依據(jù)，也更深一步研究了應(yīng)力分布、變化趨勢(shì)及其對(duì)斜坡巖土體抗剪強(qiáng)度的影響，并取得了一些突破性成果。但在實(shí)際工作中，其工程應(yīng)用并不廣泛。除上文提到以往研究的樣本較為單一，且試驗(yàn)及模擬環(huán)境與天然斜坡存在差距外，另外是因?yàn)榛|(zhì)吸力的測(cè)定技術(shù)復(fù)雜，其中極有可能存在一定誤差，因此單一研究成果有其特殊性，很難有效應(yīng)用于工程實(shí)踐中；其次，雖然從這些成果中可以得到有關(guān)基質(zhì)吸力變化的證據(jù)，但Fredlund抗剪強(qiáng)度公式中，與吸力相關(guān)的內(nèi)摩擦角較難獲得，使斜坡抗剪強(qiáng)度定量變化分析不易展開，因此也無法大量推廣到工程應(yīng)用中。

2 進(jìn)一步研究展望

水-土力學(xué)作用是導(dǎo)致斜坡失穩(wěn)的直接因素，絕大多數(shù)滑坡發(fā)生是由于斜坡體某一潛在滑動(dòng)面的向下滑動(dòng)力大于總抗滑力，進(jìn)而導(dǎo)致斜坡體發(fā)生滑動(dòng)。所以有必要加大對(duì)水-土力學(xué)作用及其對(duì)斜坡穩(wěn)定性影響的研究。目前，普遍認(rèn)同靜水壓力和動(dòng)水壓力對(duì)斜坡體穩(wěn)定性的影響機(jī)理，并對(duì)斜坡滑動(dòng)機(jī)制進(jìn)行大量推演，但是對(duì)于非飽和滲流條件下，基質(zhì)吸力作用及其對(duì)斜坡穩(wěn)定性的影響仍然存在很多疑問，需進(jìn)一步分析探討。

2.1 加強(qiáng)基質(zhì)吸力對(duì)巖土體抗剪強(qiáng)度貢獻(xiàn)的量化研究

當(dāng)前，人們普遍認(rèn)為基質(zhì)吸力降低是降雨誘發(fā)斜坡表層位移的直接因素，但對(duì)于基質(zhì)吸力對(duì)非飽和土抗剪強(qiáng)度的貢獻(xiàn)大小尚無定論，其量化研究還處于初始階段?？娏植韧ㄟ^理論推導(dǎo)和試驗(yàn)證明，最終認(rèn)為基質(zhì)吸力對(duì)非飽和土抗剪強(qiáng)度有一定貢獻(xiàn)。而林鴻洲、盧明等學(xué)者則認(rèn)為基質(zhì)吸力對(duì)不同種類、不同區(qū)域的滑帶土抗剪強(qiáng)度貢獻(xiàn)不同，但并未給出具體量化分析方法。考慮到基質(zhì)吸力變化對(duì)斜坡穩(wěn)定性的重要影響，因此有必要加大基質(zhì)吸力對(duì)巖土體抗剪強(qiáng)度貢獻(xiàn)的量化研究力度。

2.2 加強(qiáng)基質(zhì)吸力大小影響因子研究

基質(zhì)吸力大小不僅與土壤體積含水率有關(guān)，還與巖土體結(jié)構(gòu)和細(xì)顆粒土含量等因素有關(guān)。目前，僅傾向于研究土體體積含水率與基質(zhì)吸力的曲線關(guān)系，對(duì)其他可能因素則研究較少，會(huì)影響對(duì)土體內(nèi)應(yīng)力變化機(jī)制的探索。如果能基于非飽和土抗剪強(qiáng)度理論，通過理論推導(dǎo)和試驗(yàn)的方法對(duì)基質(zhì)吸力與體積含水率、土壤性質(zhì)、顆粒結(jié)構(gòu)等參數(shù)關(guān)系進(jìn)行逐一量化驗(yàn)證，即可預(yù)測(cè)斜坡滑動(dòng)的力學(xué)作用機(jī)制，就可為斜坡體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提供一個(gè)新的定量方法，對(duì)地質(zhì)災(zāi)害尤其是滑坡的防治意義重大。

2.3 加強(qiáng)地下水滲流過程研究

無論是降雨誘發(fā)滑坡或水庫(kù)水位變化引起的滑坡，地下水的滲流過程仍然是導(dǎo)致斜坡失穩(wěn)的主要因素。但目前對(duì)于地下水在斜坡體內(nèi)滲流過程還處于并不成熟的數(shù)值模擬階段，無法有效獲得真實(shí)的斜坡體內(nèi)地下水滲流過程。因此在深化滲流理論研究和精確數(shù)值模擬技術(shù)上下功夫。

3 結(jié)語

通過分析飽和滲流力學(xué)作用和非飽和滲流力學(xué)作用，闡述了水-土力學(xué)作用對(duì)斜坡穩(wěn)定性影響的研究，提出了應(yīng)加強(qiáng)基質(zhì)吸力影響因子研究和基質(zhì)吸力對(duì)巖土體抗剪強(qiáng)度貢獻(xiàn)的量化研究，應(yīng)深化地下水滲流理論和滲流過程數(shù)值模擬技術(shù)研究，為滑坡等地質(zhì)災(zāi)害防治工作提供了理論和技術(shù)支持。

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（責(zé)任編輯：王艷肖）

Development and prospect of the water-soil mechanic reactions in slopes

LIAO Zhong-zhen
（Guangdong Province Geological Environment Monitoring Station， Guangzhou 510510，China）

The water-soil mechanic reactions had great influence on the stability of slope.In this paper， the history and the state of water-soil mechanic reactions in slopes and its influence on slope stability are expounded in the two aspects of saturated seepage mechanics and unsaturated seepage mechanics.This paper proposed to strengthen the research of matrix suction influence factors and the quantization research of the contribution of matrix suction to shear strength of rock and soil mass.Considering the close relationship between groundwater seepage and slope sliding，this paper proposed to deepen the groundwater seepage theory and numerical simulation of seepage process.

water-soil mechanic； slope stability； shear strength； groundwater seepage

TV222

B

1672-9900（2017）03-0011-04

2017-03-30

廖忠湞（1989-），男（漢族），江西吉安人，助理工程師，主要從事地質(zhì)災(zāi)害防治工作，（Tel）18565039895。