Transportation resilience against extreme natural hazards: PR-2 corridor in western Puerto Rico

Abstract

This research work studies the increasingly critical need for transportation infrastructure resilience against extreme natural hazards, such as those posed by climate change, extreme weather and extreme geologic events. Consequently, a surface transportation resilience framework was developed and executed. Four objectives were defined to achieve this goal, namely: identification of the latest information on natural hazards and innovative resilient transportation infrastructure options; development of an evaluation methodology to assess transportation infrastructure resilience at the corridor level; the application of the methodology to study sites; and recommending solutions which encompass infrastructure improvements and traffic operations strategies to enhance the resilience of these sites.

The selected study sites consist of the floodplains of two rivers located on the western coast of Puerto Rico: the Culebrinas and the Añasco. Both sites are crossed by primary highway PR-2 while having limited options to deviate traffic in case of damage and disruption caused by extreme floods and rain, hurricanes, earthquakes, tsunamis, and landslides. Major extreme natural events of interest include the 1918 San Fermín Earthquake, Hurricane María in 2017, and the 2020 southwestern Puerto Rico earthquake. Natural hazards and transportation needs were identified through field observations, literature review, contact with transportation agencies, and GIS analysis.

The methodology developed to evaluate transportation resilience examines three aspects: transportation characteristics, natural hazards exposure, and infrastructure condition. The first considers transportation attributes of the networks and their available options for detouring. The second considers exposure to five natural hazards: flooding, earthquake ground accelerations, tsunami inundation, rainfall-induced landslide susceptibility, and extreme winds. The third aspect encompasses the physical condition of the two main asset classes: pavements, and bridges and culverts forming part of the National Bridge Inventory.

Resilient infrastructure enhancements were developed for PR-2, a coastal detour route, and an inland detour route at each floodplain. Based on the framework and the conducted research, the following infrastructural enhancements are recommended: floodplain-crossing viaducts for PR-2, bridge re-designs for both coastal and inland detours, and formation of two new detour routes at the Añasco River floodplain by connecting existing highway facilities. Operational strategies identified include the adoption of new traffic control devices to warn of hazardous conditions, selective detouring of combination heavy vehicles, and the use of solar-powered portable traffic signals.

Esta investigación estudia la creciente necesidad de resiliencia de la infraestructura de transportación en contra de las amenazas naturales, como aquellas representadas por el cambio climático, eventos meteorológicos y geológicos extremos. Por consiguiente, se desarrolló y ejecutó un marco de investigación de resiliencia de transporte terrestre. Se definieron cuatro objetivos para alcanzar esta meta, a saber: identificación de la información más actualizada acerca de las amenazas naturales y opciones innovadoras para transportación resiliente; desarrollo de una metodología para evaluar la resiliencia de la infraestructura de transportación al nivel de corredor; aplicación de dicha metodología a lugares de estudio; y recomendar para estos lugares mejoras de resiliencia que incluyan mejoras a los activos de infraestructura y a las operaciones de tráfico.

Los lugares seleccionados comprenden los llanos aluviales de dos ríos ubicados en la costa oeste de Puerto Rico: el Culebrinas y el Añasco. Por ambos lugares discurre la carretera primaria PR-2, la cual tiene deficiencias para desviar el tráfico en caso de que eventos como lluvias extremas, huracanes, terremotos, tsunamis y deslizamientos de terreno causen daño o interrupciones mayores. Eventos naturales extremos de interés incluyen el Terremoto de San Fermín en 1918, el Huracán María en 2017, y el terremoto del suroeste de Puerto Rico en 2020.

Se identificaron las amenazas naturales y necesidades de transporte por medio de observaciones de campo, revisión de literatura, contacto con agencias de transportación, y análisis por SIG. La metodología para evaluar la resiliencia de transportación examina tres aspectos: características de transportación, exposición a amenazas naturales, y condición de infraestructura. El primero considera los atributos de transportación de los corredores evaluados y sus desvíos. El segundo considera la exposición a cinco amenazas naturales: inundación, aceleraciones sísmicas, tsunami, susceptibilidad a deslizamientos por lluvia, y vientos extremos. El tercer aspecto abarca dos clases de activos: pavimentos, y los puentes y atarjeas del Inventario Nacional de Puentes.

Se desarrollaron mejoras de resiliencia para la PR-2, su desvío costero y su desvío tierra adentro, en cada llano aluvial. Según la investigación realizada se recomendaron estas mejoras de infraestructura: viaductos sobre el llano aluvial para la PR-2, rediseño de los puentes que cruzan los cauces principales en los desvíos, y la formación de dos nuevos desvíos en el llano aluvial del Río Añasco conectando vías existentes. Las estrategias operacionales identificadas incluyen la adopción de dispositivos de control de tráfico para advertir de estas amenazas naturales, desvío selectivo de vehículos pesados de arrastre, y el uso de semáforos solares portátiles.