95334283 Roadside Ditch Design

January 20, 2018 | Author: Bilal Ahmed Barbhuiya | Category: N/A
Share Embed Donate


Short Description

Roadside Ditch Design...

Description

4/24/2012

CEE453 Urban Hydrology and Hydraulics Unit V: Design of Hydraulic Structures Lecture 26 

Roadside Ditch Design Part I April 24, 2012 (Tue)

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

1

4/24/2012

Roadside Ditch Design • Non‐traversable drainage ditches can be safety hazard.

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

3

Roadside Ditch Design • Standard ditch ‐ Trapezoidal shape with a defined bottom width and  sideslopes 1 ‐ d ‐ ‐

2 2

1

z

b

4

2

4/24/2012

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

3

4/24/2012

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)

FREEWAY AND EXPRESSWAY NOMENCLATURE  Figure 34‐1.A (BDE)

7

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.

Sample Ditch Plan Figure 9‐201 (IDOT Drainage Manual) 8

4

4/24/2012

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.

9 Rebecca Schneider

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

5

4/24/2012

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 0.5 percent (0.005 ft/ft) is proposed to carry a discharge of 95 ft3/sec. The maximum allowable 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 2 2’ 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

6

4/24/2012

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 Unit V: Design of Hydraulic Structures Lecture 26 

Roadside Ditch Design Part II April 24, 2012 (Tue)

7

4/24/2012

Roadside Ditch Design – Scour Design

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

15

Maximum Velocity Method

© 2010 Arthur R. Schmidt  All Rights Reserved

16

8

4/24/2012

Procedure 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

Estimate n Determine Vmax Calculate R from Mannings to give V = Vmax Guess b, calculate y, A Calculate Q = VA If Q ≠ Qdesign back to 4 Estimate required freeboard Summarize results with dimensioned sketch

© 2010 Arthur R. Schmidt  All Rights Reserved

17

Example—Maximum velocity Q = 30 CFS, flow containing solids, ordinary firm loam soil,  slope So = 0.005

1 3 b

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

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

© 2010 Arthur R. Schmidt  All Rights Reserved

18

9

4/24/2012

Maximum Tractive Force

Force on bed = ALtan() or, for small , ALSo Force per unit bed area = o = ALSo / PL = RSo For wide channel (R ≈ y), o = ySo © 2010 Arthur R. Schmidt  All Rights Reserved

19

Tractive force—bottom   ySo

© 2010 Arthur R. Schmidt  All Rights Reserved

20

10

4/24/2012

Tractive force on sides

≈0.76 ySo

© 2010 Arthur R. Schmidt  All Rights Reserved

21

Resisting Force Bottom Tractive force = AeL 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. AeL = Ws tan()  or

L  = (Ws / Ae )tan()

© 2010 Arthur R. Schmidt  All Rights Reserved

22

11

4/24/2012

Resisting Force Sides

Ws cos  tan    Critical shear:  s  Tractive Force Ratio:

K

W sin    A   2

s

2

e s

tan 2   Ws cos  tan    1  Ae tan 2  

tan 2   sin 2   s  cos   1   1 2 2 L tan   sin  

© 2010 Arthur R. Schmidt  All Rights Reserved

23

24

12

4/24/2012

© 2010 Arthur R. Schmidt  All Rights Reserved

25

© 2010 Arthur R. Schmidt  All Rights Reserved

26

13

4/24/2012

© 2010 Arthur R. Schmidt  All Rights Reserved

27

28

14

4/24/2012

© 2010 Arthur R. Schmidt  All Rights Reserved

29

Procedure 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14.

Estimate n, angle of repose () Estimate channel sinuosity and correction factor Assume bottom width, b  Assume depth y Determine R,  Determine =RS If  > max go to 4 Calculate Q from Mannings If Q ≠ Qdesign back to 3 Calculate tractive force on sides S Calculate maximum permissible tractive force on sides smax If S > Smax go to 3 Estimate required freeboard Summarize results with dimensioned sketch

© 2010 Arthur R. Schmidt  All Rights Reserved

30

15

4/24/2012

Example—Maximum Shear Q = 30 CFS, flow containing solids, ordinary firm loam soil,  slope So = 0.005 (assume angle of repose = 25o) 1 3 b From table, n = 0.020, max = 0.15 lb/ft2

Solve for b and y that gives  = max and Q = 30 b =16.01, y = 0.53, giving A = 9.31, V = 3.22 b/y = 30 so Level ≈ ySo; sides ≈ 0.76 ySo = 0.11 lb/ft2 Permissible side shear = 0.667; max = 0.10 lb/ft2 Side shear > permissible—try new solution © 2010 Arthur R. Schmidt  All Rights Reserved

31

Example—Maximum Shear Q = 30 CFS, flow containing solids, ordinary firm loam soil,  slope So = 0.005 (assume angle of repose = 25o) 1 3 b 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/sec b/y = 47 so Level ≈ ySo = 0.13 lb/ft2; sides ≈ 0.76 ySo = 0.10 lb/ft2 Permissible side shear = 0.667; max = 0.10 lb/ft2 This is good solution © 2010 Arthur R. Schmidt  All Rights Reserved

32

16

4/24/2012

Vegetated Channels Resistance n is a function of vegetation type, depth, and velocity Use maximum velocity approach

© 2010 Arthur R. Schmidt  All Rights Reserved

33

34

17

4/24/2012

© 2010 Arthur R. Schmidt  All Rights Reserved

35

© 2010 Arthur R. Schmidt  All Rights Reserved

36

18

4/24/2012

Procedure 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15.

Assume n, determine corresponding VR  Select permissible velocity corresponding to slope, soil, vegetation Calculate R from 1 & 2 Using Manning eqn. and n compute  Repeat steps 1‐4 until values for VR  from steps 1 & 4 agree Determine A from design flow and permissible velocity,  Determine channel proportions for calculated values of A & R Assume depth and compute A & R Calculate V = Q/A Compute VR Use results of 10 to compute n from figure Use n from 11 and R from 8 and Manning’s eqation to compute V Compare velocities from 9 and 12 and repeat steps 8‐12 until approx. equal Estimate required freeboard Summarize results with dimensioned sketch © 2010 Arthur R. Schmidt  All Rights Reserved

37

38

19

4/24/2012

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

1 3 b From Maximum velocity 

From Maximum shear 

Solve for b and y that gives V=Vmax and Q = 30 b =74, y = 0.12, giving  A = 8.57, V = 3.5 ft/sec

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

1 3 b Use Bermuda grass sometimes mowed to 2.5”, sometimes unmowed 

© 2010 Arthur R. Schmidt  All Rights Reserved

40

20

4/24/2012

41

42

21

4/24/2012

Example—Vegetated Q = 30 CFS, flow containing solids, ordinary firm loam soil,  slope So = 0.04 1 3 b Use Bermuda grass sometimes mowed to 2.5”, sometimes unmowed  Maximum velocity = 6.0 ft/sec Gives A = Q/Vmax = 5 ft2 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

22

4/24/2012

Example—Vegetated Q = 30 CFS, flow containing solids, ordinary firm loam soil,  slope So = 0.04 1 3 b Use Bermuda grass sometimes mowed to 2.5”, sometimes unmowed  Maximum velocity = 6.0 ft/sec Gives A = Q/Vmax = 5 ft2 Start with mowed—Class D retardance;  Guess n=0.05 R = 1.01 VR = 6.06, n = 0.033 R = 0.54, VR = 3.25, n = 0.038 R = 0.67, VR = 4.02, n = 0.036 R = 0.62, VR = 3.70, n = 0.037 R = 0.64, VR = 3.86, n = 0.037 © 2010 Arthur R. Schmidt  All Rights Reserved

45

Example—Vegetated Q = 30 CFS, flow containing solids, ordinary firm loam soil,  slope So = 0.04 1 z=3 b 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 ft Check: this gives Q = 30 ft3/sec, V = 6 ft/sec © 2010 Arthur R. Schmidt  All Rights Reserved

46

23

4/24/2012

Example—Vegetated Q = 30 CFS, flow containing solids, ordinary firm loam soil,  slope So = 0.04 1 3 b Now solve for Bermuda grass unmowed, retardance class B Because 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 CFS y = 0.30, A =8.61, V = 3.48, R = 1.03, VR = 3.59, n = 0.070, Q = 37.2 CFS y = 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 Q = 30 CFS, flow containing solids, ordinary firm loam soil,  slope So = 0.04 1 3 b

When grass is mowed, will flow at y = 0.22 ft, V = 6.0 ft/sec When unmowed, will flow at y = 0.28 ft, V = 4.0 ft/sec Add 1.0 ft freeboard, so need grass‐lined trapezoidal channel 1.3 ft deep, bottom width = 6.5 ft, top width = 14.3 ft  

© 2010 Arthur R. Schmidt  All Rights Reserved

48

24

View more...

Comments

Copyright ©2017 KUPDF Inc.
SUPPORT KUPDF