榆木溝尾礦庫(kù)自流式輻射井排滲系統(tǒng)施工關(guān)鍵技術(shù)

汪拾金

(浙江省巖土基礎(chǔ)公司，浙江 寧波 315040)

榆木溝尾礦庫(kù)自流式輻射井排滲系統(tǒng)施工關(guān)鍵技術(shù)

汪拾金

(浙江省巖土基礎(chǔ)公司，浙江 寧波 315040)

浸潤(rùn)線過高導(dǎo)致的滲流狀況不良已經(jīng)成為許多尾礦庫(kù)的主要安全隱患，是引起尾礦庫(kù)潰壩事故的最直接原因之一。自流式輻射井排滲系統(tǒng)具有自流排水安全可靠、輻射式集滲管水平伸入壩體范圍廣、排水量大、水位下降快、成本低、使用壽命周期長(zhǎng)、后期管理運(yùn)行方便等優(yōu)勢(shì)。在榆木溝尾礦庫(kù)2號(hào)大口輻射井工程中應(yīng)用了自流式輻射井排滲系統(tǒng)，取得了良好的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效果。結(jié)合該工程實(shí)踐，對(duì)自流式輻射井排滲系統(tǒng)在尾礦庫(kù)排滲工程中的施工關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行了研究和探討，為今后類似工程提供了有益的經(jīng)驗(yàn)。

自流式輻射井；集水豎井；水平集滲管；水平排滲管；榆木溝尾礦庫(kù)

0 引言

尾礦庫(kù)是礦山工業(yè)重要的基礎(chǔ)設(shè)施，同時(shí)也是一種具有高勢(shì)能、高危害性的危險(xiǎn)源與環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)源。我國(guó)尾礦庫(kù)具有數(shù)量大、小庫(kù)多、安全基礎(chǔ)薄弱、危、險(xiǎn)、病庫(kù)尚未得到有效治理等特點(diǎn)。據(jù)國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，截至2014年底，全國(guó)共有11359座尾礦庫(kù)，其中危庫(kù)、險(xiǎn)庫(kù)和病庫(kù)為772座。普遍存在浸潤(rùn)線過高、調(diào)洪庫(kù)容不夠、壩體裂縫現(xiàn)象嚴(yán)重、壩體安全觀測(cè)設(shè)施不健全等重大安全與環(huán)保隱患。尾礦及尾礦水中常含有重金屬、化學(xué)藥劑等有毒有害物質(zhì)，一旦發(fā)生事故，會(huì)對(duì)下游村莊、河流、水庫(kù)、農(nóng)田等造成嚴(yán)重環(huán)境污染，對(duì)人民生命健康、財(cái)產(chǎn)安全造成嚴(yán)重危害[1-2]。2006年4月30日，陜西省商洛市鎮(zhèn)安縣黃金有限公司尾礦庫(kù)“4.30”潰壩事故，造成17人遇難。事故主要原因是該尾礦庫(kù)無(wú)正規(guī)擴(kuò)容設(shè)計(jì)，違規(guī)施工，擅自加高壩體，嚴(yán)重超儲(chǔ)。2006年8月15日，山西省太原市婁煩縣馬家莊鄉(xiāng)銀巖選礦廠尾礦庫(kù)發(fā)生垮壩，同時(shí)將相鄰的新陽(yáng)光選礦廠尾礦庫(kù)摧垮，導(dǎo)致蔡家莊村部分村民和房屋受到?jīng)_擊，造成6人死亡，20人受傷。2008年9月8日，由于非法違規(guī)建設(shè)、生產(chǎn)和排放，山西省臨汾市襄汾縣新塔礦業(yè)有限公司發(fā)生尾礦庫(kù)潰壩事故，281人死亡，34人受傷，這也是安監(jiān)總局統(tǒng)計(jì)以來(lái)發(fā)生的死亡人數(shù)最多的特別重大尾礦庫(kù)潰壩事故。

我國(guó)早期95%以上的尾礦庫(kù)是采用上游法堆積尾礦筑壩[3]，多為不透水粘土壩，由于壩體內(nèi)滲流不易控制,且隨著后期壩的加高,造成壩內(nèi)積水，壩體浸潤(rùn)線逐漸抬升,多級(jí)子壩坡面出現(xiàn)沼澤化并伴隨塌陷和流砂等現(xiàn)象，壩體穩(wěn)定性急劇下降[1,4-7]。相關(guān)研究資料表明，尾礦庫(kù)的壩體浸潤(rùn)線的位置相差1.0 m，尾礦壩的穩(wěn)定系數(shù)相差1.2%～2.5%[8]。浸潤(rùn)線過高即滲流狀況不良已經(jīng)成為許多尾礦庫(kù)的主要安全隱患，是引起尾礦庫(kù)潰壩事故的最直接原因之一[9]。近20年的實(shí)踐表明，為降低浸潤(rùn)線采用了各種排滲方法，如排滲盲溝、管井、虹吸井、輕型井點(diǎn)、袋裝砂井等[4]。但這些措施在使用時(shí)大多效果不盡人意，多數(shù)會(huì)失效，使排滲達(dá)不到預(yù)期的目標(biāo)。例如，排滲盲溝對(duì)地形條件要求較高，且只能在尾礦堆積期間由人工鋪設(shè)，難以降低已有壩體的浸潤(rùn)線；虹吸井經(jīng)常發(fā)生斷流，需人工頻繁處理；輕型井點(diǎn)須用水泵間斷強(qiáng)制抽水，浸潤(rùn)線波動(dòng)頻繁,而且設(shè)備維護(hù)管理繁瑣。因此，在尾礦庫(kù)設(shè)計(jì)時(shí)，采取合理的降水排滲技術(shù)，降低尾礦庫(kù)壩體的浸潤(rùn)線，是確保尾礦庫(kù)安全運(yùn)行的關(guān)鍵所在。

自流式輻射井排滲系統(tǒng)具有自流排水安全可靠、輻射式集滲管水平伸入壩體范圍廣、排水量大、水位下降快、投資小、使用壽命周期長(zhǎng)、后期管理運(yùn)行方便等優(yōu)點(diǎn)，所以近些年來(lái)在尾礦庫(kù)排滲工程中得到了廣泛的應(yīng)用，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益[9-10]。本文結(jié)合位于河南省欒川縣榆木溝尾礦庫(kù)的2號(hào)大口輻射井的工程應(yīng)用，總結(jié)歸納出一套適用于自流式輻射井排滲系統(tǒng)施工過程中的關(guān)鍵性技術(shù)及相關(guān)設(shè)備工藝。

1 自流式輻射井排滲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

自流式輻射井是由大口徑集水豎井、若干水平輻射式集滲管和水平排水管3大部分聯(lián)合構(gòu)成的一種排滲系統(tǒng)[11]，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。大口徑集水豎井通過沉井的方式從壩坡地表下沉到設(shè)計(jì)深度，水平集滲管在豎井的下部穿過井壁伸入壩體內(nèi)，呈輻射狀向四周延伸。由于水平集滲管設(shè)置在浸潤(rùn)線的下部，壩體內(nèi)的水在地下水頭的滲透作用下通過集滲管匯集到豎井內(nèi)，再通過水平排水管將井內(nèi)的集水排到壩的下游，達(dá)到降低浸潤(rùn)線提高壩體穩(wěn)定性的目的。

圖1 輻射井排滲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

自流式輻射井排滲系統(tǒng)同時(shí)具有集水和排水的功能，其施工工藝較為復(fù)雜，技術(shù)要求較高，質(zhì)量控制要求嚴(yán)。豎井的沉井施工過程中，隨著井深增大往往會(huì)發(fā)生井位傾斜，井周圍地面塌陷等現(xiàn)象而影響施工安全。沉入浸潤(rùn)線以下后，尾砂、水往往涌入井中，繼續(xù)下沉十分困難。水平集滲孔和排水孔由于在豎井下施工，受空間的限制，人員操作不便，增加了施工的難度。另外水平集滲管的安裝工藝流程也決定了排滲系統(tǒng)的實(shí)際效果。因此針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工程應(yīng)用，選擇合理的施工設(shè)備及技術(shù)工藝至關(guān)重要。

2 榆木溝尾礦庫(kù)2號(hào)輻射井排滲工程設(shè)計(jì)

榆木溝尾礦庫(kù)屬于山谷型尾礦庫(kù)，位于河南省洛陽(yáng)市欒川縣境內(nèi)。初期壩為碾壓堆石壩，后期采用尾砂上游法筑壩，總壩高260 m，總庫(kù)容4272×104m3，處理能力10000 t/d[12]。目前榆木溝尾礦庫(kù)采用了庫(kù)底排滲、灘面水平排滲和輻射井等多種排滲技術(shù)，有效地控制了壩體浸潤(rùn)線的升高。然而，這種典型的尾砂沖積排放的上游式尾礦庫(kù)，由于庫(kù)面面積小，縱深較短的特點(diǎn)，在運(yùn)行過程中壩體高度上升較快。因此，根據(jù)榆木溝尾礦庫(kù)壩體整體浸潤(rùn)線上升的高度、壩內(nèi)積水的具體情況及水在壩內(nèi)滲透性的各項(xiàng)參數(shù)，結(jié)合以往類似工程的成功經(jīng)驗(yàn)，在原有的輻射井上游壩頂標(biāo)高1350 m的位置重新設(shè)計(jì)了2號(hào)大口輻射井，其橫剖面示意圖如圖2所示。

圖2 輻射井橫剖面示意圖

2號(hào)輻射井排滲系統(tǒng)縱剖面結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，主要由集水豎井、混凝土底板、?250 mm庫(kù)底集滲管、?75 mm水平集滲管和?100 mm水平排滲管組成。集水豎井為鋼筋混凝土井壁，外徑3.5 m，內(nèi)徑2.9 m，井深54 m，井頂高出尾砂1.0 m。從標(biāo)高1300 m開始每上升1.0 m，在平行于壩軸線方向布置5排，每排4根的?75 mm水平集滲管與集水豎井相連。根據(jù)原始地形南側(cè)每排的兩根集滲管長(zhǎng)約44 m，北側(cè)每排的2根集滲管長(zhǎng)約68 m，坡度<1.0%。在標(biāo)高1312.0、1315.0 m平行于壩軸線方向共設(shè)置2排、每排4根?75 mm水平集滲管與集水豎井相連，南側(cè)每排的2根集滲管長(zhǎng)約160 m，北側(cè)每排的2根集滲管長(zhǎng)約86 m，坡度<1.0%。為了降低底板水壓力，防止出現(xiàn)涌砂現(xiàn)象，在井底設(shè)置?250 mm集滲管，其中水平向3根，豎直向1根，每根長(zhǎng)750 mm，四通連接，水平向夾角為120°。布置在底板以下400 mm的礫石層中。底板、礫石和尾砂之間均采用400 g/m2的土工布一層隔開。集滲管中的滲水進(jìn)入豎井后通過?100 mm水平排滲管引至壩坡的排水溝，水平排滲管長(zhǎng)200 m，為了防止空氣進(jìn)入對(duì)排滲效果造成不利影響且保證出口為淹沒出流，設(shè)計(jì)要求水平排滲管出口采用彎管連接。

圖3 輻射井縱剖面結(jié)構(gòu)示意圖

3 輻射井排滲系統(tǒng)施工技術(shù)

自流式輻射井排滲系統(tǒng)同時(shí)具有集水和排水的功能，其施工工藝較為復(fù)雜，技術(shù)要求較高。榆木溝尾礦庫(kù)工程勘察報(bào)告顯示，庫(kù)內(nèi)尾砂含水量大，流動(dòng)性強(qiáng)，集水豎井開挖沉井時(shí)防止出現(xiàn)傾斜、偏移、扭轉(zhuǎn)等不均勻下沉現(xiàn)象是本工程的施工難點(diǎn)之一。本次輻射井排滲系統(tǒng)設(shè)計(jì)的單根集滲管最長(zhǎng)160 m，單根排滲管最長(zhǎng)200 m，是目前全國(guó)尾砂壩排滲管施工方面最長(zhǎng)的排滲管和集滲管，如何選取合適的施工設(shè)備，采用合理的施工工藝，滿足設(shè)計(jì)要求，達(dá)到預(yù)期的排滲效果是本工程的另一難點(diǎn)。根據(jù)本工程施工的技術(shù)特點(diǎn)，為了做好總體部署和施工協(xié)調(diào)，確保安全施工，制定項(xiàng)目施工的總流程圖如圖4所示。以下從各主要部分的施工進(jìn)程，闡述其技術(shù)要點(diǎn)。

圖4 項(xiàng)目施工總流程圖

3.1 集水豎井施工

集水豎井是排出水匯集和井底水平孔的施工場(chǎng)所，其完成質(zhì)量的好壞直接決定了后續(xù)工作的進(jìn)行。本工程新建豎井深度為54 m，施工技術(shù)難度較大，而且在下沉?xí)r容易發(fā)生傾斜、緩沉等情況。根據(jù)其他同類工程施工經(jīng)驗(yàn)，本工程的沉井施工采用多節(jié)制作、分節(jié)下沉(制作與下沉交替進(jìn)行)的方法，沉井施工流程如圖5所示。

圖5 沉井施工流程圖

3.1.1 集水豎井混凝土施工

混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C25，在現(xiàn)場(chǎng)用砼攪拌機(jī)拌制。沉井施工按36次澆筑，36次下沉施工，每節(jié)沉井澆混凝土必須連續(xù)進(jìn)行，一次完成。施工縫采用凹槽式接法，結(jié)合面應(yīng)盡量粗糙，施工縫結(jié)合處采用瀝青砂漿處理。沉井井壁模板應(yīng)在混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的25%以上方可進(jìn)行拆除，首節(jié)井壁的強(qiáng)度應(yīng)達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的50%以上。為了防止模板變形或地基不均勻下沉，沉井的混凝土澆筑應(yīng)對(duì)稱、均衡下料。將沉井分成若干段同時(shí)對(duì)稱均勻分層澆筑，砼面應(yīng)保持同步均勻上升，每層厚30 cm，以避免造成地基不均勻下沉或產(chǎn)生傾斜。密切觀察沉降，若發(fā)生不均勻沉降，應(yīng)及時(shí)采取措施，嚴(yán)防井壁產(chǎn)生裂縫。

3.1.2 尾砂開挖施工

依據(jù)尾礦庫(kù)的地層地質(zhì)條件，本工程采用了人工+水力機(jī)械取砂法施工，依靠沉井自重下沉到達(dá)設(shè)計(jì)標(biāo)高。沉井初次開挖深度約2 m，開挖并平整底部后立模。第一節(jié)沉井下沉前，應(yīng)將井內(nèi)的所有雜物清除干凈，先對(duì)稱、同步的敲碎刃腳下的墊木。當(dāng)沉井下沉到地下水位線1 m以深后，改用水力機(jī)械取砂法繼續(xù)抽取尾砂，保持沉井以適宜的速度下沉?，F(xiàn)場(chǎng)的施工圖片如圖6所示。

圖6 尾砂開挖現(xiàn)場(chǎng)施工圖

尾砂開挖應(yīng)注意均勻?qū)ΨQ，由中心向刃腳四周開挖，每層挖砂厚度0.3～0.4 m，在刃角處留0.4～0.5 m的臺(tái)階，然后沿井壁每1～2 m一段，向刃腳方向逐層、全面、對(duì)稱、均勻地開挖尾砂，每次挖0.15～0.2 m，當(dāng)尾砂經(jīng)不住刃腳的擠壓而破裂，沉井便在自重作用下均勻下沉。當(dāng)沉井下沉很慢或不下沉?xí)r，可再?gòu)闹虚g向下挖0.4～0.5 m，并繼續(xù)向四周均勻掏挖，使沉井平穩(wěn)下沉。如上所述，當(dāng)挖至刃腳，沉井仍不下沉或下沉不穩(wěn)定，則須按布置分段的次序，逐段對(duì)稱地將刃腳下掏空，并掏出刃腳外壁約0.1 m。嚴(yán)禁深鍋挖土，防止突沉造成沉井四周地面沉陷和沉井傾斜的危險(xiǎn)。沉井下沉初階段糾偏應(yīng)根據(jù)“多沉則少挖，少沉則多挖”的原則，刃腳下挖土要逐步擴(kuò)大，不能一次過量掏空。當(dāng)沉井下沉至接近設(shè)計(jì)標(biāo)高1 m時(shí)，應(yīng)減速下沉。最后0.2～0.3 m處停止開挖，觀測(cè)沉井在不開挖的情況下的下沉速度，確保沉井下沉標(biāo)高嚴(yán)格控制在范圍內(nèi)。

3.1.3 豎井封底施工

井筒開挖至設(shè)計(jì)深度之后，方進(jìn)行封底工作。封底時(shí)，先回填刃腳部位的尾砂，回填厚度為130 cm。沉井封底時(shí)，為了使降水達(dá)到理想狀態(tài)，避免井底水壓力過大，出現(xiàn)涌砂現(xiàn)象，因此在井底設(shè)置水平豎直集滲管，布置在底板以下400 mm的礫石層中。底板、礫石和尾砂直接均采用400 g/m2的土工布一層隔開。

3.2 集滲管、排滲管施工

集滲管和排滲管均屬于水平孔，本次輻射井排滲系統(tǒng)設(shè)計(jì)的單根集滲管最長(zhǎng)160 m，單根排滲管最長(zhǎng)200 m，是目前全國(guó)尾砂壩排滲管施工方面最長(zhǎng)的排滲管和集滲管。因此，現(xiàn)場(chǎng)采用ZJS-100水平鉆機(jī)施工44、68、86 m的集滲管，160 m的集滲管和200 m的排滲管采用ZJS-300水平鉆機(jī)施工。集滲管均使用U-PVC管材，規(guī)格為?75 mm×4.5 mm，每節(jié)長(zhǎng)度4 m。管周圍開直徑10 mm的孔，每周4個(gè)，間距分別為10和12.5 cm，梅花形布置，外用400 g/m2的土工布包兩層，然后用鐵絲扎緊。排滲管直接采用?100 mm的U-PVC管，接頭采用套管連接。

3.2.1 井下鉆進(jìn)平臺(tái)搭建

本工程施工平臺(tái)的支撐桿件均用?4.8 mm×3.0 mm鋼管，采用落地式鋼管搭設(shè)，單扣件連接。支撐鋼管沿井壁四周均勻布置，避開預(yù)留孔洞，立桿間距均為1000 mm，平臺(tái)上鋪設(shè)50 mm厚木板。

3.2.2 水平集滲管成孔及安裝

集滲管成孔方式主要采用水平鉆機(jī)同步跟管靜壓法，并以鉆孔法作為輔助。靜壓法施工時(shí)首先鋼套管頂進(jìn)，按照各水平孔設(shè)計(jì)的孔口標(biāo)高和方位，以不大于1%的坡度向壩體內(nèi)輔助鉆進(jìn)。待達(dá)到規(guī)定深度后，拔出鉆具，封堵套管端部管口，并沖洗干凈套管內(nèi)的尾砂，然后采用人工小心逐段送入已按設(shè)計(jì)要求鉆孔并包扎土工布的集滲管，下放時(shí)應(yīng)緩慢進(jìn)行，防止鐵絲被磨斷，土工布擦破。接著用頂桿固定集滲管，逐段拔出套管。最后填塞集滲管與豎井井壁之間的環(huán)狀間隙即可完成一根集滲管的敷設(shè)。

3.2.3 水平排滲管成孔及安裝

水平排滲孔采用ZJS-300型水平鉆機(jī)施工，其存在的主要問題是控制鉆孔的偏斜，往上偏斜則由于重力作用不能夠正常排水，往下偏斜則不能到達(dá)預(yù)定設(shè)計(jì)標(biāo)高的壩坡排水溝內(nèi)而造成排水失敗。因此，施工中應(yīng)實(shí)時(shí)觀察監(jiān)測(cè)鉆孔的偏斜程度，及時(shí)使用糾偏鉆頭進(jìn)行糾偏處理。成孔后根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工難易情況，在不影響工程質(zhì)量的情況下。排滲管的安裝可由壩外向井內(nèi)或者由井內(nèi)向壩外進(jìn)行，安裝完畢后拔出套管即可。

所有施工以壩體的穩(wěn)定為前提，施工過程中，每天進(jìn)行一次浸潤(rùn)線監(jiān)測(cè)(遇降水天氣加大監(jiān)測(cè)頻率)，建立相應(yīng)坐標(biāo)，并繪制浸潤(rùn)線曲線，根據(jù)曲線分析排滲情況，實(shí)時(shí)指導(dǎo)施工。

4 沉降監(jiān)測(cè)及降水效果

施工結(jié)束后，布置在壩體南側(cè)和北側(cè)的浸潤(rùn)線觀測(cè)孔的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示。對(duì)比分析排滲系統(tǒng)施工前后的壩體浸潤(rùn)線位置可知，水位值較初始值有大幅度的下降，壩體北側(cè)累計(jì)下降3.87 m，壩體南側(cè)累計(jì)下降4.08 m，輻射排滲系統(tǒng)效果良好，達(dá)到了設(shè)計(jì)目的。

表1 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果

5 結(jié)論

根據(jù)自流式輻射排滲系統(tǒng)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，以榆木溝尾礦庫(kù)降水排滲工程為例，對(duì)自流式輻射井排滲系統(tǒng)的施工關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行了研究和探討，工程實(shí)踐得出以下結(jié)論。

(1)自流式輻射井排滲系統(tǒng)具有自流排水、安全可靠、輻射式集滲管水平伸入壩體范圍廣、排水量大、水位下降快、成本低、使用壽命周期長(zhǎng)、后期管理運(yùn)行方便等優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為尾礦庫(kù)降水排滲工程中的首選技術(shù)。

(2)榆木溝尾礦庫(kù)2號(hào)大口輻射井工程的集水豎井施工采用多節(jié)制作、分節(jié)下沉的沉井方式，在這種尾砂含水量大、流動(dòng)性強(qiáng)的工況下，有效地防控了沉井的偏移、傾斜、扭轉(zhuǎn)等不均勻下沉現(xiàn)象。沉井施工質(zhì)量可靠，深度滿足設(shè)計(jì)要求。

(3)借助ZJS-100和ZJS-300型水平鉆機(jī)，采用同步跟管靜壓法，并以鉆孔法作為輔助順利實(shí)施了單根200 m的目前全國(guó)最長(zhǎng)的尾礦壩排滲管。

(4)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明自流式輻射井排滲系統(tǒng)降水排滲效果良好，能夠有效降低壩體浸潤(rùn)線位置。

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Key Technologies of Natural Flow Radiation Well for Seepage Drainage in Yumugou Tailings Pond/

WANGShi-jin

(Zhejiang Geotechnical & Foundation Company, Ningbo Zhejiang 315040, China)

Bad seepage behavior caused by high saturation line has become the main potential safety hazard of tailings pond, which is one of the most direct reasons of tailings dam-break accidents. The natural flow radiation well for seepage draining system has advantages of safe and reliable drainage, seepage collecting pipe horizontally reaching into wide range of the dam, large displacement, fast decreasing of water level, low cost, long service life and convenient final-period management. Natural flow radiation well has been applied to 2# radiation well in Yumugou tailings pond with remarkable technical and economic benefits. Combined with the construction practice, the research and discussion are made on the key construction technologies of natural flow radiation well for seepage draining system, which can provide the beneficial experience for the similar projects in future.

natural flow radiation well; catchment shaft well; horizontal seepage collecting pipe; horizontal seepage drainage pipe; Yumugou tailings pond

2017-01-18；

2017-03-27

汪拾金，男，漢族，1972年生，高級(jí)工程師，從事巖土工程施工及技術(shù)研究工作，浙江省寧波市江東區(qū)寧穿路448弄16號(hào)，834846727@qq.com。

TV649

A

1672-7428(2017)04-0056-05