[pt] Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um sistema integrado de modelagem, tridimensional, de fluxo e transporte em meios porosos e fraturados. O sistema é composto de seis programas computacionais, que são responsáveis pela geração de superfícies geológicas (Gocad), geração de sistemas de fraturas (FracGen3D), modelagem geométrica (MG), análise numérica de fluxo e transporte (soluto e partículas) (FTPF-3D) e visualização dos resultados (Pos3D e Matlab). Dos programas, dois foram desenvolvidos neste trabalho (FracGen3D e o FTPF-3D) e quatro foram integrados ao sistema (Gocad, MG, Pos3D e Matlab). O sistema é capaz de modelar os meios porosos, fraturados, porosos fraturados (meio poroso e fraturado interposto) e uma combinação entre os meios. Nos meios fraturados ou porosos fraturados, as fraturas geradas podem ser do tipo determinísticas e/ou estatísticas. As características das fraturas estatísticas podem ser geradas segundo distribuições probabilísticas ou com valores constantes. O programa de análise numérica utiliza o Método dos Elementos Finitos para resolver as equações governantes, considerando os regimes permanente e transiente, em condições saturadas e não saturadas. Para a solução da não linearidade da equação de fluxo, é adotado o método de Picard ou o método BFGS. No transporte de solutos, os mecanismos de advecção, dispersão, difusão, sorção e decaimento podem ser considerados. O trabalho apresenta exemplos numéricos utilizados na validação das implementações computacionais realizadas, e apresenta também, outros exemplos utilizados para demonstrar o sistema desenvolvido. / [en] This work presents the development of an integrated system for the threedimensional modelling of flow and transport in porous and fractured media. The system is composed of six computational programs, which are responsible for the generation of geologic surface (Gocad), generation of fracture network (FracGen3D), geometric modelling (MG), numerical analysis of flow and transport (solute and particles) (FTPF-3D) and results visualization (Pos3D and Matlab). Of the programs, two had been developed in this work (FracGen3D and the FTPF-3D) and four had been integrated to the system (Gocad, MG, Pos3D and Matlab). The system is able to model the porous, fractured, fractured porous media (porous and fractured medias interposed) and a combination between the media. In the fractured or fractured porous media, the fractures generated can be of the type deterministic and/or statistical. The characteristics of the statistical fractures can be generated according to probabilistic distributions or with constant values. The numerical analysis program uses the Finite Element Method to solve the governance equations, considering steady-state and transient flow, in saturated and unsaturated conditions. For the solution of non linearity of the flow equation, the Picard scheme or the BFGS scheme are adopted. In the solute transport, the advection, dispersion, diffusion, sorption and decay mechanisms can be considered. This work also presents numerical examples used in the validation of the carried through computational implementations and other examples used to demonstrate the system that has been developed.

[pt] Esta dissertação apresenta uma análise numérica do fluxo não saturado em uma pilha de lixiviação de minério de cobre. Adicionalmente, foi feito também um estudo da estabilidade estática e sísmica da pilha de lixiviação, por sua construção estar planejada em região de alta sismicidade no sul do Peru. A pilha será construída com minério de cobre não tratado sobre base impermeável para evitar a contaminação do meio ambiente por fluxo da solução ácida através da fundação. Os resultados obtidos nas análises numéricas indicam que a pilha de lixiviação apresenta fatores de segurança satisfatórios considerando sismos de magnitude até 7,5 com aceleração máxima de até 0,30g. Da mesma forma, constatou-se que a posição da linha freática formada pela solução de lixiviação não atinge as camadas previstas para proteção das tubulações de drenagem. / [en] This dissertation presents a numerical analysis for the non saturated flow throughout a copper ore heap leach. Additionally, static and dynamic stability analyses were also made because the heap leach is planned to be built in a highly seismic region in the south of Peru. The heap will be constructed with non-treated copper ore (run of mine) on impermeable pad specially devised to avoid any possibility of ground contamination by the flow through the foundation of the acid solution used for the lixiviation process. The numerical results obtained in the stability analyses indicate that the heap leach presents satisfactory safety factors even when considering earthquakes of magnitude 7.5 with maximum acceleration of 0.30g. It has been also observed that the phreatic line formed by the lixiviation fluid does not reach the layers devised to protect the drainage pipes of the lixiviation system.

[pt] A interface solo-rocha é de difícil determinação e permanece essencialmente desconhecida na maioria das encostas brasileiras. Nesta tese, apresentamos um modelo analítico para a predição espacial da espessura de solo com base na teoria do controle ascendente do maciço rochoso e topografia de alta resolução. A maioria dos parâmetros do modelo possui significado físico, possibilitando medições em campo ou laboratório. O modelo inclui um termo que simula a perda de regolito devido a movimentos de massa estocásticos e outro termo que reproduz a forma do maciço rochoso ao longo de canais de drenagem. Reconciliamos nosso modelo com dados de campo obtidos a partir de sondagens com penetrômetro dinâmico leve no maciço da Tijuca, Rio de Janeiro. Usamos inferência Bayesiana, com amostragem da distribuição posterior de parâmetros através de simulação Monte Carlo via cadeia de Markov, a qual forneceu parâmetros do modelo que melhor honram os dados de campo bem como a incerteza preditiva estratigráfica. Para testar os resultados da inferência Bayesiana em estabilidade de encostas, desenvolvemos um programa computacional para a integração de simulações de fluxo não-saturado, o qual proporciona a distribuição de poro pressões, e um código de análise limite numérica, que fornece o fator de segurança (FS), ambos em três-dimensões. Propagamos a incerteza estratigráfica no programa desenvolvido para quantificar a variabilidade do FS e a probabilidade de ruptura de uma encosta natural não-saturada existente na região de estudo. Finalmente, salientamos a importância da quantificação da topografia da interface solo-rocha em análises de estabilidade geotécnica. / [en] Soil-bedrock interface is difficult to determine and remains essentially unknown in most Brazilian slopes. In this thesis, we present an analytic model for the spatial prediction of regolith depth built on the bottomup control on fresh bedrock topography hypothesis and high-resolution topographic data. Most of the parameters of the model represent physical entities that can be measured directly in the laboratory or field. The model includes a term which simulates the loss of regolith due to stochastic mass movements and another term that mimic the bedrock-valley morphology. We reconcile our model with field observations from boreholes using a light dynamic penetrometer at Tijuca massif, Rio de Janeiro. We use Bayesian inference, with Markov chain Monte Carlo simulation to summarize the posterior distribution of the parameters, which led to model parameters that best honor our field data as well as the stratigraphic predictive uncertainty. To test the results of the Bayesian inference in slope stability, we develop a software to integrate unsaturated flow simulations, which provide the pressure head distributions and a numerical limit analysis code, that generates the factor of safety (FS), both in three dimensions. We propagate the stratigraphic uncertainty through the developed program to quantify the FS variability and the probability of failure of a natural unsaturated hillslope in the study region. Finally, we emphasize the importance of bedrock topography in slope stability analysis.

[pt] A análise de fluxo de água sob condição transiente não saturada requer o conhecimento das propriedades hidráulicas do solo. Essas relações constitutivas, denominadas curva característica e função de condutividade hidráulica, são descritas através de modelos empíricos que geralmente possuem vários parâmetros que devem ser calibrados com relação a dados coletados. Muitos dos parâmetros nos modelos constitutivos não podem ser medidos diretamente em campo ou laboratório, mas somente podem ser inferidos de forma significativa a partir de dados coletados e da modelagem inversa. Para obter os parâmetros do solo com a análise inversa, um algoritmo de otimização de busca local ou global pode ser aplicado. As otimizações globais são mais capazes de encontrar parâmetros ótimos, no entanto, a solução direta, por meio da modelagem numérica é computacionalmente custosa. Portanto, soluções analíticas (modelo substituto) podem superar essa falha acelerando o processo de otimização. Nesta dissertação, apresentamos a Regressão Polinomial Evolucionária (EPR) como uma ferramenta para desenvolver modelos substitutos do fluxo não saturado. Um rico conjunto de dados de parâmetros hidráulicos do solo é usado para calibrar o nosso modelo, e dados do mundo real são utilizados para validar nossa metodologia. Nossos resultados demonstram que o modelo da EPR prevê com precisão os dados de carga de pressão. As simulações do modelo se mostram concordantes com as simulações do programa Hydrus. / [en] Water flow analyses under transient soil hydraulic conditions require knowledge of the soil hydraulic properties. These constitutive relationships, named soil-water characteristic curve (SWCC) and hydraulic conductivity function (HCF) are described through empirical models which generally have several parameters that must be calibrated against collected data. Many of the parameters in SWCC and HCF models cannot be directly measured in field or laboratory but can only be meaningfully inferred from collected data and inverse modeling. In order to obtain the soil parameters with the inverse process, a local or global optimization algorithm may be applied. Global optimizations are more capable of fiding optimum parameters, however the direct solution through numerical modeling are time consuming. Therefore, analytical solutions (surrogate models) may overcome this shortcomming by accelerating the optimization process. In this work we introduce Evolutionary Polynomial Regression (EPR) as a tool to develop surrogate models of the physically-based unsaturated flow. A rich dataset of soil hydraulic parameters is used to calibrate our surrogate model, and real-world data are then utilized to validate our methodology. Our results demonstrate that the EPR model predicts accurately the observed pressure head data. The model simulations are shown to be in good agreement with the Hydrus software package.