roadside ditch design

24
4/24/2012 1 CEE453 Urban Hydrology and Hydraulics April 24, 2012 (Tue) Unit V: Design of Hydraulic Structures Lecture 26 Roadside Ditch Design Part I Roadside Ditch Design Primary function to collect runoff from the highway right of way and tributary areas adjacent to the right of way, and to transport this accumulated water to an acceptable outlet point Secondary function to drain the base of the roadway to prevent saturation and loss of support for the pavement 2

Upload: gino-bernardi

Post on 27-Oct-2014

219 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Roadside Ditch Design

4/24/2012

1

CEE453 Urban Hydrology and Hydraulics

April 24, 2012 (Tue)

Unit V: Design of Hydraulic StructuresLecture 26 

Roadside Ditch DesignPart I

Roadside Ditch Design

• Primary function

to collect runoff from the highway right of way and tributary areas adjacent to the right of way, and to transport this accumulated water to an acceptable outlet point

• Secondary function

to drain the base of the roadway to prevent saturation and loss of support for the pavement

2

Page 2: Roadside Ditch Design

4/24/2012

2

http://safety.fhwa.dot.gov/local_rural/training/fhwasa09024/

Roadside Ditch Design

• Non‐traversable drainage ditches can be safety hazard.

3

Roadside Ditch Design

• Standard ditch

‐ Trapezoidal shape with a defined bottom width and sideslopes

‐ 2 1‐ 2

1

bz

d

4

Page 3: Roadside Ditch Design

4/24/2012

3

Roadside Ditch Design

• Hydrology

‐ Runoff is from primarily from overland flow → Rational method (peak runoff)

‐ Significant flow contribution from one or more defined watercourses → Other methods (regression equation from USGS, SCS method, HEC)

• Hydraulic

‐ Uniform flow assumption: Manning’s equation and Continuity equation 

1.49 / /

5

Roadside Ditch Design

• General Steps

1. Determine the standard or typical ditch cross sections.2. Establish a ditch plan, which shows the proposed ditch 

flow patterns.3. Determine the gradients to be used on all proposed 

ditches.4. Investigate the capacity of the typical ditch with the 

proposed gradients and enlarge any ditch found to be inadequate.

5. Determine the limits and degree of protection necessary to prevent erosion in the ditch system.

6. Determine any special measures necessary to prevent adverse effects at and downstream from ditch outlets points.

6

Page 4: Roadside Ditch Design

4/24/2012

4

FREEWAY AND EXPRESSWAY NOMENCLATURE Figure 34‐1.A

(BDE)

Roadside Ditch Design

1. Determine the standard or typical ditch cross sections.‐ Side slopes should not exceed the angle of the repose. Generally it 

should be 3:1 or flatter without consideration of the stability of the side slopes. 4:1 or flatter for the safety.

‐ Slopes steeper than 2:1 will usually require special erosion control measures. Shoulder widths: 8 to 10 ft outside (more details in the tables in Chapter 44 through 50, BDE)

7

Sample Ditch PlanFigure 9‐201(IDOT Drainage Manual)

Roadside Ditch Design

2. Establish a ditch plan, which shows the proposed ditch flow patterns.

‐ To determine based on topography, drainage divides, flow directions, etc.

‐ Otherwise some arbitrary value from 100 to 200 ft can be used.

8

Page 5: Roadside Ditch Design

4/24/2012

5

Roadside Ditch Design

3. Determine the gradients to be used on all proposed ditches.

‐ To minimize ponding and silt accumulation, a grade of 0.3 % should be provided. Between 0.4 and 0.6 % is desirable.

‐ Channel gradients greater than 2% (up to 10%) may require the use of flexible linings.

‐ There’s no upper limit on ditch grade but steeper grade would cause greater expense for erosion control (riprap, wire‐enclosed riprap).

‐ Frequent breaks in the grade usually reduce earthwork and ditch lining cost. The desirable distance between breaks in rugged terrain is 100 ft and several thousands ft for flat land.

Rebecca Schneider

9

Roadside Ditch Design

4. Investigate the capacity of the typical ditch with the proposed gradients and enlarge any ditch found to be inadequate.

1) Compute the design discharge at the downstream end of the section of ditch. (50 year design storm)

2) Select a trial size for the ditch at this location (the standard ditch is normally used initially), and assign a roughness coefficient for the finished surface of the ditch. Use Table 9‐403 (IDOT Drainage Manual) for n values. 

3) Determine the maximum allowable depth of flow in the ditch. The discharge should be confined within the ditch and provide 1’ freeboard below the shoulder of the highway.

4) Check the capacity of this ditch. 5) If the initial ditch is too small, select a larger size or increase the 

capacity by other means and return to step 2).

10

Page 6: Roadside Ditch Design

4/24/2012

6

Roadside Ditch Design

4. Example problem – ditch capacity

Given:An unlined trapezoidal ditch with a 2' bottom width, 2:1 sides and a gradient of 0.5percent (0.005 ft/ft) is proposed to carry a discharge of 95 ft3/sec. The maximumallowable depth of flow has been set at 2.5 ft.

Find:1. The maximum capacity of this ditch.2. The bottom width which should be used to meet the depth of flow limitation.

1

22’

11

Roadside Ditch Design

5. Determine the limits and degree of protection necessary to prevent erosion in the ditch system.

• 10 year as design storm frequency is used for ditch lining.(More details in 9‐5 of IDOT Drainage Manual)

http://www.interstatelandscaping.com/Page_4.html

6. Determine any special measures necessary to prevent adverse effects at and downstream from ditch outlets points.

12

Page 7: Roadside Ditch Design

4/24/2012

7

Reference

• IDOT Drainage Manual, Chapter 9. Roadside Ditches.

• Mays, L.W., Hydraulic Design Handbook, Chapter 13, Hydraulic Design of Drainage for Highways.

• Illinois Bureau of Design and Environmental Manual (BDE), Chapter 34. Cross Section Elements.

13

CEE453 Urban Hydrology and Hydraulics

April 24, 2012 (Tue)

Unit V: Design of Hydraulic StructuresLecture 26 

Roadside Ditch DesignPart II

Page 8: Roadside Ditch Design

4/24/2012

8

http://safety.fhwa.dot.gov/local_rural/training/fhwasa09024/

Roadside Ditch Design – Scour Design

15

© 2010 Arthur R. Schmidt  All Rights Reserved

Maximum Velocity Method

16

Page 9: Roadside Ditch Design

4/24/2012

9

Procedure

1. Estimate n

2. Determine Vmax

3. Calculate R from Mannings to give V = Vmax

4. Guess b, calculate y, A

5. Calculate Q = VA

6. If Q ≠ Qdesign back to 4

7. Estimate required freeboard

8. Summarize results with dimensioned sketch

© 2010 Arthur R. Schmidt  All Rights Reserved 17

Example—Maximum velocity

b

1

3

Q = 30 CFS, flow containing solids, ordinary firm loam soil, slope So = 0.005

From table, n = 0.020, Vmax = 3.5 ft/sec

Solve for b and y that gives V=Vmax and Q = 30b =11.8, y = 0.63, giving A = 8.57

© 2010 Arthur R. Schmidt  All Rights Reserved 18

Page 10: Roadside Ditch Design

4/24/2012

10

Force on bed = ALtan() or, for small , ALSo

Force per unit bed area = o = ALSo / PL = RSo

For wide channel (R ≈ y), o = ySo

Maximum Tractive Force

© 2010 Arthur R. Schmidt  All Rights Reserved 19

Tractive force—bottom 

© 2010 Arthur R. Schmidt  All Rights Reserved

ySo

20

Page 11: Roadside Ditch Design

4/24/2012

11

≈0.76 ySo

Tractive force on sides

© 2010 Arthur R. Schmidt  All Rights Reserved 21

Resisting Force

Tractive force = AeL

where Ae is the exposed area and L is the unit tractive force on a level surface.

Resisting force = Ws tan()

where Ws is the submerged weight and  is the angle of repose.

AeL = Ws tan() 

or

L  = (Ws / Ae )tan()

Bottom

© 2010 Arthur R. Schmidt  All Rights Reserved 22

Page 12: Roadside Ditch Design

4/24/2012

12

Resisting ForceSides

Tractive Force Ratio:

Ws cos tan Ws sin 2 Ae s 2

s Ws

Ae

cos tan 1tan2 tan2

K ss

L

cos 1tan2 tan2 1

sin2 sin2

© 2010 Arthur R. Schmidt  All Rights Reserved

Critical shear:

23

24

Page 13: Roadside Ditch Design

4/24/2012

13

© 2010 Arthur R. Schmidt  All Rights Reserved 25

© 2010 Arthur R. Schmidt  All Rights Reserved 26

Page 14: Roadside Ditch Design

4/24/2012

14

© 2010 Arthur R. Schmidt  All Rights Reserved 27

28

Page 15: Roadside Ditch Design

4/24/2012

15

© 2010 Arthur R. Schmidt  All Rights Reserved 29

Procedure

1. Estimate n, angle of repose ()2. Estimate channel sinuosity and correction factor

3. Assume bottom width, b 

4. Assume depth y

5. Determine R, 

6. Determine =RS7. If  > max go to 4

8. Calculate Q from Mannings

9. If Q ≠ Qdesign back to 3

10. Calculate tractive force on sides S11. Calculate maximum permissible tractive force on sides smax

12. If S > Smax go to 3

13. Estimate required freeboard

14. Summarize results with dimensioned sketch

© 2010 Arthur R. Schmidt  All Rights Reserved 30

Page 16: Roadside Ditch Design

4/24/2012

16

Example—Maximum Shear

b

1

3

Q = 30 CFS, flow containing solids, ordinary firm loam soil, slope So = 0.005 (assume angle of repose = 25o)

From table, n = 0.020, max = 0.15 lb/ft2

Solve for b and y that gives  = max and Q = 30b =16.01, y = 0.53, giving A = 9.31, V = 3.22b/y = 30 so Level ≈ ySo; sides ≈ 0.76 ySo = 0.11 lb/ft2Permissible side shear = 0.667; max = 0.10 lb/ft

2

Side shear > permissible—try new solution

© 2010 Arthur R. Schmidt  All Rights Reserved 31

Example—Maximum Shear

b

1

3

Q = 30 CFS, flow containing solids, ordinary firm loam soil, slope So = 0.005 (assume angle of repose = 25o)

From table, n = 0.020, max = 0.15 lb/ft2; max side shear = 0.10 lb/ft2

Solve for b and y b =21.22, y = 0.45, giving A = 10.15 ft2, V = 2.95 ft/secb/y = 47 so Level ≈ ySo = 0.13 lb/ft2; sides ≈ 0.76 ySo = 0.10 lb/ft2Permissible side shear = 0.667; max = 0.10 lb/ft

2

This is good solution

© 2010 Arthur R. Schmidt  All Rights Reserved 32

Page 17: Roadside Ditch Design

4/24/2012

17

Vegetated Channels

Resistance n is a function of vegetation type, depth, and velocityUse maximum velocity approach

© 2010 Arthur R. Schmidt  All Rights Reserved 33

34

Page 18: Roadside Ditch Design

4/24/2012

18

© 2010 Arthur R. Schmidt  All Rights Reserved 35

© 2010 Arthur R. Schmidt  All Rights Reserved 36

Page 19: Roadside Ditch Design

4/24/2012

19

Procedure

1. Assume n, determine corresponding VR 

2. Select permissible velocity corresponding to slope, soil, vegetation

3. Calculate R from 1 & 2

4. Using Manning eqn. and n compute 

5. Repeat steps 1‐4 until values for VR  from steps 1 & 4 agree

6. Determine A from design flow and permissible velocity, 

7. Determine channel proportions for calculated values of A & R

8. Assume depth and compute A & R

9. Calculate V = Q/A

10. Compute VR

11. Use results of 10 to compute n from figure

12. Use n from 11 and R from 8 and Manning’s eqation to compute V

13. Compare velocities from 9 and 12 and repeat steps 8‐12 until approx. equal

14. Estimate required freeboard

15. Summarize results with dimensioned sketch

© 2010 Arthur R. Schmidt  All Rights Reserved 37

38

Page 20: Roadside Ditch Design

4/24/2012

20

Example—Vegetated

b

1

3

Q = 30 CFS, flow containing solids, ordinary firm loam soil, slope So = 0.04

From Maximum velocity 

Solve for b and y that gives V=Vmax

and Q = 30b =74, y = 0.12, giving A = 8.57, V = 3.5 ft/sec

From Maximum shear 

max = 0.15 lb/ft2; 

max side shear = 0.10 lb/ft2

b =272, y = 0.05, giving A = 14.4, V = 2.09 ft/sec = 0.13, side = 0.10

© 2010 Arthur R. Schmidt  All Rights Reserved 39

Example—Vegetated

b

1

3

Q = 30 CFS, flow containing solids, ordinary firm loam soil, slope So = 0.04

Use Bermuda grass sometimes mowed to 2.5”, sometimes unmowed 

© 2010 Arthur R. Schmidt  All Rights Reserved 40

Page 21: Roadside Ditch Design

4/24/2012

21

41

42

Page 22: Roadside Ditch Design

4/24/2012

22

Example—Vegetated

b

1

3

Q = 30 CFS, flow containing solids, ordinary firm loam soil, slope So = 0.04

Use Bermuda grass sometimes mowed to 2.5”, sometimes unmowed 

Maximum velocity = 6.0 ft/secGives A = Q/Vmax = 5 ft

2

Start with mowed—Class D retardance;  Guess n=0.05

R = 1.01 VR = 6.06, n = 0.033

© 2010 Arthur R. Schmidt  All Rights Reserved 43

44

Page 23: Roadside Ditch Design

4/24/2012

23

Example—Vegetated

b

1

3

Q = 30 CFS, flow containing solids, ordinary firm loam soil, slope So = 0.04

Use Bermuda grass sometimes mowed to 2.5”, sometimes unmowed 

Maximum velocity = 6.0 ft/secGives A = Q/Vmax = 5 ft

2

Start with mowed—Class D retardance;  Guess n=0.05

R = 1.01 VR = 6.06, n = 0.033R = 0.54, VR = 3.25, n = 0.038R = 0.67, VR = 4.02, n = 0.036R = 0.62, VR = 3.70, n = 0.037R = 0.64, VR = 3.86, n = 0.037

© 2010 Arthur R. Schmidt  All Rights Reserved 45

Example—Vegetated

b

1

z=3

Q = 30 CFS, flow containing solids, ordinary firm loam soil, slope So = 0.04

Use Bermuda grass mowed to 2.5, Vmax = 6.0 ft/sec

A = Q/Vmax = 5 ft2 ; R = 0.64

Solving gives b = 6.46 ft, y = 0.22 ftCheck: this gives Q = 30 ft3/sec, V = 6 ft/sec

© 2010 Arthur R. Schmidt  All Rights Reserved 46

Page 24: Roadside Ditch Design

4/24/2012

24

Example—Vegetated

b

1

3

Q = 30 CFS, flow containing solids, ordinary firm loam soil, slope So = 0.04

Now solve for Bermuda grass unmowed, retardance class BBecause unmowed, depth will be greater (more resistance)Use bottom width from mowed (b=6.46 ft)Guess depth, solve for A, R, V = Q / A, VR, & n = f(VR) 

y = 0.20, A =4.26, V = 7.04, R = 0.55, VR = 3.88, n = 0.068, Q = 12.6 CFSy = 0.30, A =8.61, V = 3.48, R = 1.03, VR = 3.59, n = 0.070, Q = 37.2 CFSy = 0.28, A =7.50, V = 4.00, R = 0.91, VR = 3.66, n = 0.070, Q = 30.0 CFS

© 2010 Arthur R. Schmidt  All Rights Reserved 47

Example—Vegetated

b

1

3

Q = 30 CFS, flow containing solids, ordinary firm loam soil, slope So = 0.04

When grass is mowed, will flow at y = 0.22 ft, V = 6.0 ft/secWhen unmowed, will flow at y = 0.28 ft, V = 4.0 ft/secAdd 1.0 ft freeboard, so need grass‐lined trapezoidal channel1.3 ft deep, bottom width = 6.5 ft, top width = 14.3 ft  

© 2010 Arthur R. Schmidt  All Rights Reserved 48