軟巖堆石高壩土工膜防滲技術(shù)

寧　宇，喻建清，崔留杰

(中國電建集團昆明勘測設(shè)計研究院有限公司，云南昆明650051)

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軟巖堆石高壩土工膜防滲技術(shù)

寧宇，喻建清，崔留杰

(中國電建集團昆明勘測設(shè)計研究院有限公司，云南昆明650051)

以目前世界上最高、軟巖填筑比例最大的老撾南歐江六級水電站的土工膜面板堆石壩工程為依托，研究了土工膜選型、上保護層及下支持層設(shè)計、土工膜與周邊結(jié)構(gòu)連接設(shè)計分析、監(jiān)測方案等內(nèi)容，建立了系統(tǒng)的堆石壩土工膜面板防滲設(shè)計流程、體系和方法。土工膜防滲在南歐江六級水電站中的成功應(yīng)用，為100 m級堆石壩工程提供借鑒，為筑壩材料缺乏地區(qū)的壩體防滲設(shè)計提供了新的選擇。

土工膜面板堆石壩；軟巖填筑；防滲設(shè)計；土工膜與周邊結(jié)構(gòu)連接；南歐江六級水電站

0　引　言

從1959年意大利將橡膠運用于Sabetta壩體防滲開始，土工膜在壩體防滲中使用歷史已經(jīng)超過50年。20世紀80年代以后，歐美各國將土工膜廣泛運用于壩體防滲，我國在土石壩除險加固、尾礦壩、庫盆防滲、施工圍堰等工程中也較為常用[1]。根據(jù)國際大壩委員會(ICOLD)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，至2003年6月全球有超過232座大壩采用土工膜防滲，其中大部分為碾壓混凝土壩和混凝土壩防滲改造[2]。

國內(nèi)采用土工膜防滲的土石壩具有代表性的有塘房廟土工膜心墻壩、石砭峪瀝青混凝土斜墻壩(后期采用土工膜修復(fù))、鐘呂土工膜面板壩、西霞院土工膜斜墻壩、仁宗海土工膜面板壩等[3- 7]。國外較具代表性的工程有阿爾巴尼亞1996建成的Bovilla復(fù)合土工膜面板堆石壩(土工膜防滲56 m)[8]。隨著材料技術(shù)的飛速發(fā)展，土工膜的耐久性及抗老化問題已不再是制約其使用的關(guān)鍵因素，然而由于種技術(shù)難題和其他原因，目前世界上仍無100 m級的堆石壩采用土工膜進行上游面防滲。

南歐江六級水電站屬于二等大(2)型工程，土工膜面板堆石壩設(shè)計壩高88 m(后調(diào)整為85 m)，總填筑量193萬m3，板巖填筑量157萬m3，軟巖填筑比例高達81%，是世界上最高的土工膜面板堆石壩，也是軟巖填筑比例最大的面板堆石壩。

目前，國內(nèi)外相關(guān)規(guī)范并未對土工膜堆石壩設(shè)計做明確規(guī)定。國內(nèi)相關(guān)規(guī)范也僅對“水頭≤50 m”或“1、2級低壩與3級及其以下中壩”經(jīng)論證可采用土工膜防滲做出相關(guān)規(guī)定[9- 11]。南歐江六級土工膜面板堆石壩已經(jīng)大大突破了相關(guān)規(guī)范，也無類似工程實例，且土工膜鋪設(shè)于軟巖壩體表面，其受力狀態(tài)更加復(fù)雜和不利。為確保工程安全可靠，必須從土工膜選型到細部設(shè)計進行了系統(tǒng)全面的分析研究，建立完善的分析方法和設(shè)計流程。

1　土工膜防滲體分析與設(shè)計

1.1土工膜面板壩設(shè)計的關(guān)鍵與流程

土工膜堆石壩設(shè)計主要關(guān)注以下幾點：①土工膜的選型；②土工膜下支持層及上保護層設(shè)計；③土工膜與周邊結(jié)構(gòu)的連接。土工膜防滲系統(tǒng)設(shè)計過程中，壩坡、膜材、錨固方式、下支持層、上保護層設(shè)計高度交叉，不同的選擇需對應(yīng)不同的方案。南歐江六級土工膜防滲設(shè)計流程如圖1所示。

圖1　南歐江六級土工膜防滲系統(tǒng)設(shè)計流程

1.2土工膜選型

1.2.1土工膜安全系數(shù)

設(shè)復(fù)合土工膜的極限拉力為Tmax，極限拉應(yīng)變?yōu)棣舖ax，工作拉力為T，工作拉應(yīng)變?yōu)棣?，則土工膜的拉力與應(yīng)變的安全系數(shù)KS、Kε分別為：

KS=Tmax/T，Kε=εmax/ε

(1)

考慮了施工、材料蠕變、化學(xué)和生物破壞等因素，通常取土工膜的安全系數(shù)K≥5。若K<5，則應(yīng)該重新選擇復(fù)合土工膜做試驗，直到滿足要求為止。

1.2.2材料及厚度選擇

(1)材料選擇。從國內(nèi)外土工膜防滲工程統(tǒng)計可知，早期的土工膜壩多選用RI(橡膠)及PVC(聚氯乙烯)。隨著材料技術(shù)的發(fā)展，近年來PVC(聚氯乙烯)、HDPE(高密度聚乙烯)及LLDPE(線性低密度聚乙烯)被廣泛運用，國內(nèi)選用PE復(fù)合土工膜的工程較多[1- 8]。土工膜選擇時應(yīng)結(jié)合壩體高度、壩坡、鋪設(shè)和錨固措施等綜合選定。膜材性能優(yōu)越可提高工程可靠性，并降低土工膜與周邊結(jié)構(gòu)連接的設(shè)計難度。另外還應(yīng)充分考慮所選材料的可施工性，例如PE土工膜超過一定厚度后硬度較大，施工過程若需要彎折則會有一定難度；而PVC土工膜柔性好，但其抗穿刺或抗磨損性又不如PE材料。通過常規(guī)的土工膜應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線如圖2所示，可知PVC及LLDPE土工膜彈性應(yīng)變率可超過50%[12]。對需要適應(yīng)大變形的部位采用土工膜進行防滲時，建議選擇PVC或LLDPE復(fù)合土工膜，以使得土工膜變形處于其彈性應(yīng)變范圍。

圖2　PVC土工膜應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線

(2)厚度選擇。工程中常用的基于薄膜理論的曲線交會法是針對壩基或壩體存在裂縫或不同級配的卵石情況下推得的，較適用于砂礫石壩基有裂縫情況下確定膜厚，并未考慮土石壩蓄水后壩體及壩基沉降變形對復(fù)合土工膜應(yīng)力應(yīng)變的影響，采用該方法求解準確性將受到影響[13]。因此，壩體土工膜選擇時應(yīng)根據(jù)有限元分析獲得的不同工況下土工膜最大拉應(yīng)變ε，通過土工膜的拉伸曲線獲得該拉應(yīng)變值ε對應(yīng)的拉應(yīng)力T(圖3)，將該值帶入式(1)計算獲得不同工況下土工膜縱橫向抗拉安全系數(shù)Ks，從而選出安全系數(shù)滿足要求的復(fù)合土工膜。通常情況下，理論計算的膜厚往往較小，而實際運用中傾向于采用厚膜。根據(jù)歐美、日本等國家壩體土工膜防滲應(yīng)用經(jīng)驗，膜厚一般在1 mm 以上，最厚達5 mm[2]。國內(nèi)泰安抽水蓄能工程采用不同的方法計算膜厚為0.1～0.7 mm，實際選擇1.5 mm[14]。Bovllia復(fù)合土工膜面板堆石壩，采用了3 mm PVC膜[9]。

圖3　有限元應(yīng)力應(yīng)變曲線方法

1.3土工膜下支持層與上保護層設(shè)計

土工膜與壩體下支持層及上保護層設(shè)計要結(jié)合壩坡、土工膜上下層、復(fù)合土工膜形式及施工方鋪設(shè)方案進行綜合確定。不同土工膜選擇，不同的鋪設(shè)錨固方式，決定了不同的保護層及下支持層設(shè)計。

上游壩面土工膜防滲方式，施工方便、效率高，但需要對土工膜耐久性、土工膜上保護層及下支持層間的抗滑穩(wěn)定及其變形開裂對土工膜的影響進行重點分析。

(1)土工膜下支持層與上保護層抗滑穩(wěn)定。土工膜與接觸層層間抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為

(2)

式中，δ為復(fù)合土工膜與接觸層之間的摩擦角；α為土工膜的鋪放角；c為復(fù)合土工膜與接觸層的面積粘結(jié)力；I為復(fù)合土工膜與接觸面的粘結(jié)長度；W為復(fù)合土工膜及其上部壓重的重量。通常，確定了土工膜上保護層與下支持層材料后，分析其層間抗滑穩(wěn)定性。對于不滿足要求的情況，需要采取相應(yīng)的工程手段(刷粘合劑、壩面錨固等方法)以達到規(guī)范要求安全系數(shù)。

(2)下支持層。下支持層作為壩體的一部分，壩體填筑、蓄水及運行期產(chǎn)生的變形均會通過下支持層作用于土工膜本身，故下支持層的設(shè)計顯得尤為重要。設(shè)計時應(yīng)重點考慮：①強度。避免水壓作用下上游側(cè)產(chǎn)生過大的變形，同時具有一定變形適應(yīng)性，在大變形條件下不產(chǎn)生開裂錯動。②滲透性。避免庫水位驟降時，內(nèi)水頂托土工膜。③材料和級配。避免下支持層在壩體變形開裂時產(chǎn)生尖角對土工膜造成嚴重破壞。國內(nèi)束一鳴教授研發(fā)了聚合物多孔混凝土，具有較好的物理力學(xué)特性，強度高且大變形條件下不易開裂錯斷，但造價高于傳統(tǒng)擠壓邊墻[14]。根據(jù)國內(nèi)外工程進行匯總，土工膜的下墊層常見材料有：砂、礫、無沙混凝土、墊層料、土工織物、砌石、擠壓邊墻等。國內(nèi)常采用墊層或無沙混凝土層作為土工膜的下支持層，這兩種材料滲透性較好，且水壓作用下能與壩體變形協(xié)調(diào)。

(3)上保護層。上保護層起到保護土工膜不受陽光的暴曬、防止水位驟降對土工膜的頂托及輔助土工膜抗滑穩(wěn)定的作用。在已建的土工膜堆石壩中，絕大部分土工膜上部均設(shè)置有保護層，常見形式有①粉土層或粉砂層；②漿砌石或堆石；③現(xiàn)澆混凝土護面(Ospedal壩、Bovllia壩)；④預(yù)制混凝土板(鐘呂壩、棲霞院大壩等)；⑤噴混凝土(捷克，1985，壩高20 m，特納維卡壩)；⑥掛網(wǎng)噴混凝土(西班牙，Pozade Los Ramos砌石壩)。國內(nèi)常采用預(yù)制混凝土板對土工膜進行保護。預(yù)制混凝土板利于排水及土工膜的檢修，但鋪設(shè)過程中容易損壞土工膜，現(xiàn)場施工控制難度大。現(xiàn)澆混凝土一般采用素混凝土，分段澆筑并留縫，縫間采用瀝青木板或無紡布充填，缺點是不能進行土工膜的檢修，施工過程須嚴格控制避免損壞土工膜。

1.4土工膜預(yù)留變形余量設(shè)計

傳統(tǒng)的設(shè)計方案中，采用土工膜在壩面打折、趾板部位設(shè)置伸縮節(jié)的方法，以期壩體在變形后土工膜能夠有一定的伸縮余量[1，3- 7]。實際上，土工膜打折預(yù)留伸縮節(jié)的方法非但在水壓情況下土工膜不能展開拉伸，且土工膜在打折部位形成應(yīng)力集中，加速其老化破壞(如圖4a、圖5a所示)。另外，此類方法在壩坡較陡的工程中施工難度較大，干擾了壩體正常填筑工序(如圖4b所示)。

圖4　常見的壩坡面變形預(yù)留設(shè)計

壩體與趾板或周邊混凝土結(jié)構(gòu)連接部位土工膜應(yīng)變大，錨固部位易產(chǎn)生夾具效應(yīng)[15]。因此，土工膜與周邊結(jié)構(gòu)的連接部位土工膜是否能預(yù)留一定可變性量以適應(yīng)壩體的變形與沉降顯得尤其重要。工程設(shè)計中土工膜伸縮余量預(yù)留的設(shè)計方法不盡相同。圖5a方法缺點如前述；圖5b土工膜預(yù)留變形設(shè)計方法相對較為合理，在壩體受水壓沉降后，土工膜預(yù)留彎折部位拉伸，減小了土工膜自身的應(yīng)變量。但圖5b中的方法土工膜需要在壩體填筑前與趾板錨固，施工過程中還需要對土工膜進行保護，后期鋪設(shè)土工膜再次與該部位土工膜焊接，增加了施工難度及一條橫向焊縫。

圖5　土工膜與周邊結(jié)構(gòu)連接方法

2　南歐江六級水電站復(fù)合土工膜防滲體系設(shè)計

圖6　南歐江六級土工膜面板壩壩體設(shè)計(單位：m)

南歐江六級水電站采用復(fù)合土工膜作為壩體的防滲層，土工膜鋪設(shè)于擠壓邊墻上部，后邊設(shè)置墊層(弱風(fēng)化砂巖料)、過渡層(弱風(fēng)化砂巖料)、主堆石(弱風(fēng)化板巖料)、次堆石區(qū)(強風(fēng)化板巖料)及底部排水體區(qū)(弱風(fēng)化砂巖料)。過渡層及排水體區(qū)形成L形排水以使土工膜滲水能順暢排至下游，保持軟巖堆石料處于相對干燥。壩體設(shè)計分區(qū)如圖6所示。

2.1土工膜選型

依據(jù)土工膜的試驗與壩體應(yīng)力變形計算成果，復(fù)合土工膜厚度應(yīng)≥1.0 mm。參照國內(nèi)外類似工程實例，結(jié)合市場土工膜常規(guī)厚度并分析了施工難易程度，南歐江六級水電站的復(fù)合土工膜面板堆石壩選用了CARPI公司SIBELON?CNT 5250型號復(fù)合PVC土工膜(3.5 mmPVC+700 g土工布)作為壩體防滲材料，其土工膜標準滿足ASTM標準，材料特性優(yōu)于國內(nèi)同類產(chǎn)品。

2.2上保護層和下支持層設(shè)計

為使南歐江六級水電站壩體施工方便快速，將土工膜直接鋪設(shè)與擠壓邊墻表面。需要對土工布與擠壓邊墻的層間抗滑穩(wěn)定及擠壓邊墻的物理力學(xué)特性進行分析和設(shè)計。

2.2.1抗滑穩(wěn)定

參考《土工合成材料工程應(yīng)用手冊》，土工織物與混凝土間摩擦系數(shù)f=0.65，南歐江六級復(fù)合土工膜與混凝土間的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)如表1所示。

表1土工布與混凝土的抗滑穩(wěn)定計算結(jié)果

材料安全系數(shù)允許安全系數(shù)需增加粘結(jié)力/kN·m-2滿足要求的坡比土工布與混凝土1.041.351.551∶2.08

由計算成果可知，土工布與混凝土間的抗滑穩(wěn)定系數(shù)低于規(guī)范要求，在壩坡不變的情況下需要采取特殊措施以使得復(fù)合土工膜與壩面抗滑穩(wěn)定滿足要求。具體措施為：①土工布與擠壓邊墻間刷瀝青等粘合劑增加粘結(jié)力以滿足抗滑穩(wěn)定性要求；②采用現(xiàn)澆混凝土板作為上保護層，增加法向力，從而增加抗滑穩(wěn)定性；③其他施工手段。CARPI公司采用了特殊的土工膜錨固施工方式，每隔6 m設(shè)置一個錨固帶，錨固帶隨擠壓邊墻上升，采用擠壓邊墻的自重使其固定，壩面土工膜與錨固帶焊接(見圖7)。采用此方法施工的土工膜抗滑穩(wěn)定性好，受力均勻，解決了土工膜與壩體間的抗滑穩(wěn)定問題。

2.2.2下支持層(擠壓邊墻)

南歐江六級擠壓邊墻設(shè)計與土工膜鋪設(shè)方案相關(guān)，兼具了固定錨固條帶、增加鎖扣等功能，結(jié)合壩體擋水高度，確定擠壓邊墻的抗壓強度為8～10 MPa，滲透系數(shù)>10-3cm/s，每米平整度<±2 cm。

未蓄水前，由于壩體變形沉降，1/3壩高部位擠壓邊墻出現(xiàn)了多條鼓脹裂縫(圖8a)；由于壩體中部沉降變形導(dǎo)致壩頂中部至壩高2/3部位擠壓邊墻出現(xiàn)擠壓破碎(圖8b)。擠壓邊墻最大裂縫深度超過了30 cm，寬度約6～9 cm。由于擠壓邊墻強度較高，錯動后形成了尖角和較大碎塊，蓄水后水壓難以將其壓碎(經(jīng)過現(xiàn)場回彈儀測試，尖角和碎塊部位強度>6 MPa)，這些部位的土工膜將會應(yīng)力集中，嚴重影響使用壽命。對此，采取切開已鋪設(shè)土工膜→將碎塊取出→砂漿抹平→重新補焊的方法對鼓脹部位進行修復(fù)(圖8c)。蓄水后在水壓作用下，擠壓邊墻向上游鼓脹的情況得以緩解。

圖8　擠壓邊墻的鼓脹破壞及修補

在未來類似的工程中，擠壓邊墻的設(shè)計需要經(jīng)過論證，強度高的擠壓邊墻雖然能減小水壓作用下土工膜應(yīng)變，但壩體變形沉降導(dǎo)致的擠壓邊墻開裂錯動形成的尖角碎塊可能對土工膜的威脅更大。

2.2.3上保護層設(shè)計

根據(jù)不同的土工膜膜材和錨固形式，南歐江六級土工膜上保護層設(shè)計了掛纖維網(wǎng)噴混凝土及現(xiàn)澆混凝土板兩種形式。當通過措施使得抗滑穩(wěn)定滿足要求的情況下，掛纖維網(wǎng)噴混凝土方式是較好的土工膜上保護層設(shè)計方案。該方法施工更加方便快速，且在施工過程中不易損傷土工膜。當土工膜施工方無特殊工藝措施保證土工膜與擠壓邊墻間抗滑穩(wěn)定時，采用現(xiàn)澆混凝土板保護以增加法向力，提高土工膜與擠壓邊墻抗滑穩(wěn)定性。南歐江六級現(xiàn)澆混凝土板設(shè)計見圖9，設(shè)計方案主要考慮：①通過分隔縫實現(xiàn)現(xiàn)澆板間的相對穩(wěn)定及反向排水。②趾板可頂托住現(xiàn)澆混凝土板，承擔剩余下滑力。

圖9　南歐江六級現(xiàn)澆混凝土保護板及對應(yīng)趾板設(shè)計

選用的瑞士CARPI公司SIBELON?CNT 5250型號PVC復(fù)合土工膜抗老化及耐久性良好，可表面裸露，國外也有較為成功的運用實例。該方案具有檢修方便、施工速度快、投資節(jié)省等優(yōu)點。同時，裸露方案也帶來了施工期及運行期土工膜保護的問題。施工過程中土工膜由于滾石等原因出現(xiàn)了多處損壞，分別進行了兩次修補，相對于混凝土面板，土工膜的缺損修補容易且耗時短。

由于土工膜上部無壓重，風(fēng)作用產(chǎn)生的負壓可能將土工膜掀起破壞，此時需要對此種情況進行分析計算，分析方法參見文獻[17，18]。通過計算其抗滑及風(fēng)壓作用下的穩(wěn)定性均能滿足要求。

2.3土工膜與周邊結(jié)構(gòu)預(yù)留變形量設(shè)計

南歐江六級土工膜與結(jié)構(gòu)間預(yù)留變形設(shè)計吸取了國內(nèi)外類似工程經(jīng)驗，通過整體及局部的應(yīng)力變形分析成果結(jié)合趾板錨固位置施工需要，在趾板等結(jié)構(gòu)混凝土與土工膜之間設(shè)計了可變形預(yù)留。設(shè)計方案如圖10所示。

圖10　土工膜與趾板、溢洪道邊墻部位連接設(shè)計

國內(nèi)外關(guān)于土工膜應(yīng)力應(yīng)變的數(shù)值分析研究較多[3- 7，19]，但對土工膜與周邊結(jié)構(gòu)的錨固型式的數(shù)值模擬或?qū)嶒炑芯枯^為缺乏。南歐江六級復(fù)合土工膜堆石壩在設(shè)計土工膜與周邊結(jié)構(gòu)連接形式時采用了有限元數(shù)值方法對常規(guī)錨固、預(yù)留變形槽錨固2種型式進行分析對比，模擬了壩體分層填筑、土工膜鋪設(shè)及蓄水全過程。

圖11　土工膜塑性區(qū)及壩體合位移

通過分析結(jié)果可知，預(yù)留變形槽后，水壓作用下土工膜本身預(yù)留部分延展，有效降低了其自身的應(yīng)變率，降低了由于“夾具效應(yīng)”在土工膜錨固部位出現(xiàn)拉破壞的可能。土工膜與岸坡趾板及溢洪道邊墻接觸部位在壩體填筑完成后，根據(jù)設(shè)計要求在擠壓邊墻與岸坡趾板部位切割出變形預(yù)留槽，再進行土工膜鋪設(shè)和錨固。

2.4監(jiān)測設(shè)計

除常規(guī)堆石壩監(jiān)測布置外，還針對土工膜進行監(jiān)測布置。土工膜的監(jiān)測儀器包括了土工膜滲壓計及土工膜應(yīng)變計。土工膜滲壓計主要為監(jiān)測土工膜下部是否有水、氣壓頂托等情況；土工膜應(yīng)變計用于監(jiān)測蓄水后土工膜的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，根據(jù)土工膜的極限延伸率和所測得的土工膜拉應(yīng)變值采用K=εmax/ε計算，可獲得土工膜目前工作狀態(tài)下的安全系數(shù)值。

自2015年10月初開始蓄水后，大壩最大沉降量增加約為21 cm，變形量較常規(guī)面板堆石壩偏大。同時，土工膜相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)表明土工膜工作正常，較好的適應(yīng)了壩體的變形。

3　結(jié)　論

南歐江六級水電站土工膜面板堆石壩將土工膜適應(yīng)變形能力強和面板壩填筑斷面小的優(yōu)點結(jié)合，使高比例、全斷面軟巖填筑面板堆石壩成為可能，避免了壩體沉降變形大可能導(dǎo)致的混凝土面板開裂漏水等問題，更進一步的放寬了混凝土面板壩填筑料選用的限制，大幅節(jié)約了工期與投資。

目前工程已下閘蓄水至正常水位，接受了全水頭的考驗，壩體防滲效果良好，應(yīng)力變形監(jiān)測數(shù)據(jù)正常。該工程的成功設(shè)計建設(shè)具有里程碑意義，為100 m級當?shù)夭牧蠅蔚脑O(shè)計提供了范例，將推動復(fù)合土工膜面板堆石壩在全球范圍的運用，增強我國在國際水電設(shè)計建設(shè)市場中的競爭力。

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(責(zé)任編輯王琪)

Anti-seepage of Geomembrane for High Soft Rock Filling Dam

NING Yu, YU Jianqing, CUI Liujie

(PowerChina Kunming Engineering Corporation Limited, Kunming 650051, Yunnan, China)

The geomembrane face rockfill dam of Nam Ou 6 Hydropower Station in Laos is the highest soft rock filling project in the world. Based on the construction of Nam Ou 6 Hydropower Station project, the type selection of geomembrane, the designs of upper protect layer and lower supporting layer, the connection of geomembrane and surrounding structures and monitoring program are studied, and the process and method of geomembrane face rockfill dam’s seepage control design are systematically established. The successful application of geomembrane seepage control in Nam Ou 6 Hydropower Station provides experiences for the design of 100 m-high rockfill dams and also provides a new choice of dam body seepage control design in the region lacking of construction material．

geomembrane face rockfill dam; soft rock filling; design of seepage control; connection of geomembrane and surrounding structure; Nam Ou 6 Hydropower Station

2016- 03- 07

寧宇(1981—)，男，云南宣威人，高級工程師，博士，從事巖土工程數(shù)值計算及水工結(jié)構(gòu)設(shè)計的研究與實踐工作．

TV49

A

0559- 9342(2016)05- 0062- 06