Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/1843/79890
Type: Dissertação
Title: Análise de incerteza de parâmetros reológicos aplicada à modelagem hidrodinâmica de inundação em estudos de ruptura hipotética de barragens de rejeitos de lavagem de bauxita
Other Titles: Rheological Parameters Uncertainty Analysis Applied to Hydrodynamic Modelling of Bauxite Washing Tailings Dam Failures
Authors: Gabriel Fonseca Cunha
First Advisor: Julian Cardoso Eleutério
First Referee: Francisco Eustáquio Oliveira e Silva
Second Referee: Lúcio Flávio de Souza Villar
Third Referee: Carlos Henrique Ribeiro Lima
Abstract: No âmbito de estudos de ruptura hipotética de barragens (dam break) de rejeitos, a modelagem hidrodinâmica da propagação da onda de inundação engloba a modelagem do escoamento dos rejeitos com a utilização de modelos reológicos. Os modelos reológicos são parametrizados especificamente para o material propagado e dependem de sua natureza físico-química. Rejeitos de mineração, no entanto, podem apresentar elevada heterogeneidade, resultando em grande variabilidade possível de parâmetros reológicos para um mesmo material, e, portanto, resultando em incertezas que se propagam para os resultados da modelagem hidrodinâmica. Este trabalho analisa a influência das incertezas paramétricas da caracterização reológica de rejeitos de lavagem de bauxita nos resultados da modelagem hidrodinâmica de propagação de ondas de inundação desse material em estudos de dam break. O comportamento reológico dos rejeitos de lavagem de bauxita foi avaliado por meio da aplicação de modelagem hierárquica bayesiana a uma base de dados obtidos de ensaios de caracterização reológica com a utilização de reômetro rotacional de geometria vane. Por meio da modelagem hierárquica bayesiana, foram obtidos intervalos de credibilidade para a predição da tensão de cisalhamento no material a partir da taxa de cisalhamento aplicada. Foram obtidos os vetores de parâmetros reológicos associados a probabilidades de não-excedência, caracterizando o comportamento reológico dos rejeitos avaliados em termos probabilísticos. Observou-se forte dependência entre os parâmetros reológicos e o teor de sólidos do material, e a tensão limite de escoamento foi observada como tendo crescimento exponencial com o aumento do teor de sólidos. Foi verificado comportamento heterocedástico dos dados de tensão de cisalhamento em função da taxa de cisalhamento. A partir da avaliação probabilística dos parâmetros reológicos, buscou-se compreender a influência desses parâmetros nos resultados da modelagem hidrodinâmica para velocidades e profundidades máximas de escoamento, e avaliar a propagação de incertezas dos parâmetros reológicos para os resultados. Resultados da modelagem hidrodinâmica são altamente dependentes de controles hidráulicos impostos pela topografia do vale a jusante, tornando difícil a generalização de padrões observados de correlação e propagação de incertezas entre os dados de entrada e de saída. Buscando maior potencial de generalização de resultados, foram simuladas diferentes configurações de topografia do vale a jusante, por meio da geração de modelos sintéticos de topografia em calha prismática, com variadas características geométricas. Utilizando os modelos sintéticos de topografia, foram avaliadas as correlações e propagação de incertezas entre dados de entrada e de saída do modelo hidrodinâmico, sem o condicionamento a controles hidráulicos específicos de um determinado estudo de caso. As simulações hidrodinâmicas foram conduzidas com utilização de modelagem bidimensional no software HEC-RAS. Foi verificado que a influência da variação dos parâmetros reológicos é maior na variação dos resultados de profundidade máxima do que na variação dos resultados para velocidade máxima. Além disso, verificou-se que a variabilidade dos resultados de modelagem hidrodinâmica em função da variação dos parâmetros reológicos de entrada é maior para menores declividades longitudinais de vale, e maior para vales mais “abertos”.
Abstract: The hydrodynamic modeling of the flood wave propagation is an essential component of tailings dam break analysis, usually modeling the tailings flow with rheological models. Rheological models have rheological parameters as their input, and these parameters are specific to the mobilized material studied, heavily depending on its physicochemical properties. Mining tailings, however, may exhibit high heterogeneity, resulting in a significant variability of possible rheological parameters leading to uncertainties that propagate to the hydrodynamic modeling results. This research aims to analyze the influence of parametric uncertainties in the rheological characterization of bauxite washing tailings on the results of the flood wave propagation hydrodynamic modeling in dam break studies. The rheological behavior of bauxite washing tailings was evaluated using hierarchical Bayesian modeling applied to a database of rheometric characterization tests using a vane rotational rheometer. Through hierarchical Bayesian modeling, credibility intervals for the prediction of shear stress in function of the applied shear rate on the material were obtained. The rheological parameters vectors for the material were obtained in function of their non-exceedance probabilities, characterizing the tailings’ probabilistic rheological behavior. A strong dependency between the rheological parameters and the solids content of the material was observed, and it was found that the yield stress has an exponential dependency of the solids content. Heterocedastic behavior was observed for the rheometric data. Using the probabilistic characterization of the rheological parameters, the influence of these parameters on the hydrodynamic modeling results (maximum flow velocities and depths) and the propagation of uncertainty from rheological parameters to the hydrodynamic results were analyzed. The outputs of the hydrodynamic modeling are highly dependent on hydraulic controls imposed on the flow by the downstream valley topography, making it difficult to generalize observed patterns of correlation and uncertainty propagation between model input and output data. Aiming for greater generalization potential for the results, different geometric conditions for the downstream valley were simulated, through the creation of synthetic digital elevation models, using prismatic channels with varied geometry parameters. Using the synthetic digital elevation models, the correlations and propagation of uncertainties between input and output data of the hydrodynamic model were assessed, without conditioning the results to specific hydraulic controls of a given case study valley topography. The hydrodynamic simulations were conducted using two-dimensional modeling using the HEC-RAS software. It was found that the influence of rheological parameters is more pronounced in the variation of maximum depth results than in the variation of maximum velocity results. Furthermore, the variability of hydrodynamic modeling results, as a function of the variation of input rheological parameters, was found to be higher for lower longitudinal valley slopes and higher for more "open" valleys (with milder transversal slopes).
Subject: Engenharia sanitária
Recursos hídricos - Desenvolvimento
Incerteza
Barragens de rejeitos
Reologia
Modelagem
Bauxita
language: por
metadata.dc.publisher.country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Minas Gerais
Publisher Initials: UFMG
metadata.dc.publisher.department: ENG - DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA HIDRÁULICA
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-Graduação em Saneamento, Meio Ambiente e Recursos Hídricos
Rights: Acesso Aberto
metadata.dc.rights.uri: http://creativecommons.org/licenses/by-nd/3.0/pt/
URI: http://hdl.handle.net/1843/79890
Issue Date: 28-Mar-2024
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