Modelos reológicos em escoamentos de rejeitos : estudo de caso de Stava - Itália, com o uso dos softwares HEC-RAS e RIVERFLOW2D

Orientador: Prof. Dr. André Luiz Tonso Fabiani

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Recursos Hídricos e Ambiental. Defesa : Curitiba, 26/03/2025

Inclui referências

Área de concentração: Recursos Hídricos

Resumo: O estudo avalia parâmetros e modelos reológicos em modelos numéricos, tendo como base o evento de Stava, Itália (1985), que mobilizou cerca de 180.000 m3 de rejeitos. Inicialmente, apresenta-se uma revisão sobre a modelagem de rupturas de barragens de rejeitos. Considerando as recomendações do estado da arte, foram abordadas as incertezas nos parâmetros reológicos, o uso do módulo de deposição e a aplicação de diferentes modelos reológicos em eventos históricos. Os modelos escolhidos foram: Bingham no HEC-RAS 6.5, Clastic Grain Flow - Coulomb no HEC-RAS 6 .6, e os modelos Quadrático e Turbulent Coulomb no RIVERFLOW2D 8.12.05. Utilizou-se um banco de dados com profundidades, tempos de chegada e envoltória de inundação observados. O RIVERFLOW2D apresentou maior sensibilidade aos parâmetros reológicos que o HEC-RAS, indicando a necessidade de análises de incerteza mais robustas nesse software. No entanto, para o ângulo de atrito interno, ambos os modelos apresentaram variações e resultados semelhantes. A tensão limite de escoamento teve maior influência em regiões planas, enquanto viscosidade e rugosidade foram mais relevantes em áreas inclinadas, com maiores velocidades. O uso da equação de Van Rijn com deposição ativa melhorou apenas o ajuste da profundidade final no RIVERFLOW2D. Ângulos de atrito interno entre 2,5° e 5° apresentaram melhor desempenho. Os parâmetros não são diretamente transferíveis entre os modelos. A depender do vale de jusante e das velocidades envolvidas, a priorização de recursos e o foco nas análises de sensibilidade devem ser ajustados. Os modelos baseados em tensões de fundo e na teoria de Mohr-Coulomb mostraramse uma alternativa viável para casos com concentrações volumétricas próximas a 50% e alta probabilidade de incorporação de árvores e detritos no vale de jusante. Por fim, foram indicadas linhas futuras de pesquisa, como a análise dos 50.000 m3 de árvores e detritos arrastados, a inserção das pontes na modelagem, o uso de concentração variável no rio Avisio e a sensibilidade a diferentes conformações do hidrograma de ruptura.

Abstract: This study evaluates rheological parameters and models in numerical simulations, based on the Stava tailings dam failure in Italy (1985), which mobilized approximately 180,000 m3 of tailings. A review of tailings dam breach modeling is initially presented. Following state-of-the-art recommendations, the study addresses uncertainties in rheological parameters, the use of the sediment deposition module, and tests different rheological models applied to historical events. The selected models include: Bingham in HEC-RAS 6.5, Clastic Grain Flow - Coulomb in HEC-RAS 6.6 , and the Quadratic and Turbulent Coulomb models in RIVERFLOW2D 8.12.05. A dataset containing observed flow depths, arrival times, and inundation outlines was used for model comparison. RIVERFLOW2D showed greater sensitivity to rheological parameters than HEC-RAS, suggesting the need for more robust uncertainty analyses in this software. However, for internal friction angle, both platforms yielded similar results and variations. Yield stress was more influential in flat areas, while viscosity and roughness had greater effects in steeper regions with higher velocities. The use of Van Rijn’s equation and active sedimentation improved only the final depth fit in RIVERFLOW2D. Internal friction angles between 2.5° and 5° led to better performance. Rheological parameters were not directly transferable between models. Depending on downstream valley geometry and flow velocities, resource allocation and the focus of sensitivity analyses should be adjusted accordingly. Models incorporating basal shear stress and Mohr-Coulomb theory proved to be a viable alternative for scenarios with volumetric concentrations near 50% and significant likelihood of vegetation and debris incorporation in the downstream valley. Future work is recommended, including the analysis of 50,000 m3 of entrained trees and debris, modeling the influence of bridges, using variable concentration in the Avisio River, and testing different dam breach hydrograph configurations.