Quan%ta%ve  Risk  Analysis  of  Linear  Infrastructure  from  Geotechnical  Proper%es  to  Societal  Impacts  (Analyse  quan%ta%ve  des  risques  des  infrastructures  linéaires  allant  de  propriétés  géotechniques  aux  impacts  sociaux)

Heather  Brooks,  PE  -­‐  Ph.D.  Candidate  and  Guy  Doré,  PhD,  ing.  -­‐  Professor  Genie  Civil,    L’Université  Laval,  Québec,  Québec

References  Baecher  &  Chris@an  (2003).  Reliability  and  Sta-s-cs  in  Geotechnical  Engineering.  Chichester,  West  Sussex,  England:  John  Wiley  &  Sons,  Inc.    

Banerjee  &  DiPa  (1991).  Reliability  Analysis  of  Thaw-­‐Induced  Pore  Pressures,  Journal  of  Cold  Regions  Engineering,  5(3),  125-­‐141.  

Public  Safety  Canada  (2011).  All  Hazards  Risk  Assessment  -­‐  Methodology  Guidelines.

Risk  Analysis  Process  and  Research  Plan

Figure  1.  Public  Safety  Canada  Risk  Evalua@on  Process  (Public  Safety  Canada,  2011)

Preliminary  Event  Tree  Analysis  for  Embankments  on  Permafrost

Project  Needs  • Infrastructure  in  the  North  is  supported  by  permafrost.  

• Popula@ons  and  business  interests  are  increasing  in  the  North.  

• Road,  rail  and  airport  infrastructure  are  significant  travel  and  shipping  methods.  

• Climate  change  is  adversely  effec@ng  permafrost.  

• Public  money  is  limited  and  must  be  spent  wisely.  

Project  Objec%ves  • Building  an  objec@ve  tool  to  analyze  risks  to  these  infrastructures  based  on  measurable  data  

-­‐ Following  the  process  outlined  in  Figure  1  and  presented  to  the  right  in  Risk  Analysis  and  Research  Plan  

• Providing  guidance  to  effec@vely  use  this  tool  in  the  infrastructure  decision  making  process

2.  Risk  Event  Descrip%on  • Determine  engineering  calcula@on  process  for  each  node  

• Determine  inputs,  outputs  and  defini@ons  of  failure  for  each  node  

• Example:  thaw  sePlement  

-­‐ calculate  thaw  depth  (Modified  Berggren  Equa@on)    

-­‐ calculate  thaw  strain  for  soil  (Thaw  Consolida@on  Theory  or  empirical  data)

3.  Risk  Analysis  • R  =  P  x  C  

-­‐ R  =  Risk  

-­‐ P  =  Probability/Likelihood  of  Failure  

-­‐ C  =  Consequence  of  Failure  

• Qualita@ve  -­‐  P  &  C  are  scalar  values  from  a  ra@ng  system  

• Quan@ta@ve  -­‐  P  &  C  are  calculated  from  available  data  

• Calculated  for  each  event  tree  node

Problems  of  Embankments  on  Permafrost

Subsurface  Voids  in  the  Embankment  (Dempster  Hwy)

Localized  Thaw  SeTlement  (Dempster  Hwy)

Thermal  Erosion  Induced  Kars%ng  (Alaska  Hwy)

Subsurface  Massive  Ice  -­‐  Ice  Wedge  (Alaska  Hwy)

Tension  Cracking  from  Lateral  Embankment  Spreading  (Alaska  Hwy)

Thermal  Erosion  in  a  Drainage  Ditch  (Alaska  Hwy)

Addi@onal  problems  include  retrogressive  thaw  slumps,  ac@ve  layer  detachment  failures,  and  culvert  problems.

1.  Iden%fy  the  Risk  Events  • Iden@fy  all  possible  failure  modes  of  embankments  on  permafrost  (photos  to  the  leg)  

• Map  failure  modes  into  an  event  tree  (nodes)

5.  Risk  Treatment  • Take  ac@on  on  risks    

-­‐ Redesign  or  reconstruct  high  risk  sec@ons  

• Manage  Infrastructure  

-­‐ Rank  high  risk  areas  

-­‐ Allocate  repair  money  

-­‐ Design  infrastructure  inspec@on  plan 4.  Risk  Evalua%on  • Rank  risk  of  each  node  of  the  event  tree  

• Map  highest  risks  along  the  infrastructure

3b.  Consequence  Assessment  • Economic  -­‐  Costs  to  communi@es  &  businesses  

-­‐ Direct  -­‐  Costs  to  repair,  reconstruct  or  maintain  the  infrastructure  

-­‐ Indirect  -­‐  Costs  businesses  &  communi@es  due  to  infrastructure  closure  

• Environmental  -­‐  Poten@al  impacts  from  failures  

• Societal  -­‐  Poten@al  impacts  to  people    

-­‐ Injuries  &  Fatali%es  -­‐  Direct  impacts  to  people  injured  or  killed  from  an  infrastructure  failure  

-­‐ Health  &  Safety  -­‐  Indirect  impacts  to  people  from  failures;  road  closure  requiring  airligs  of  people  to  another  hospital

3a.  Likelihood  Assessment  • Uncertainty  Defini%ons  (Baecher  &  Chris@an,  2003)  

-­‐ Aleatory  -­‐  Random  varia@on  

-­‐ Epistemic  -­‐  Sample  &  measurement  bias;  the  difference  between  the  engineering  model  &  reality  

• Determine  the  equa@ons  for  uncertainty  for  the  analysis  process  at  each  node  (Banerjee  &  DiPa,  1991)  

-­‐ Start  at  input  uncertain@es  

-­‐ Build  up  uncertainty  equa@ons  at  each  level  of  the  calcula@on  process  

• Calculate  probability  of  failure  for  each  node  compared  to  a  cri@cal  value  (defini@on  of  failure)

Acknowledgements  Special  thanks  to  Chantal  Lemieux  from  Université  Laval  and  Ouranous  for  allowing  me  to  present  my  poster  in  English.