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  • Chapter 3 Section 3-04 Culvert Design

    1 August, 2011

    Section 3-04 Culvert Design

    TABLE OF CONTENTSGLOSSARY OF TERMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

    SECTION 1- INTRODUCTION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

    SECTION 2 - DESIGN RESPONSIBILITIES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9Storm Sewer Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9Culvert Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9Basin Hydrology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10Exhibit 1 Request For Hydrology Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

    SECTION 3 - CRITERIA FOR DRAINAGE DESIGN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10Corrosion Resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11Flood Frequency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12Exhibit 2 Flood Frequency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12Exhibit 3 CDS Flood Frequency Flows & Volumes . . . . . . . . . . . . . . . . 13Minimum and Maximum Cover . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13Exhibit 4 Minimum and Maximum Cover . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14Exhibit 5 CMP - Minimum and Maximum Allowable Fill Heights . . . . 14

    SECTION 4 - CULVERT SHAPE, TYPE AND END TREATMENT . . . . . . . 15General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15Exhibit 6 Culvert Shapes and End Treatments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15Type of Culvert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15Culvert End Treatments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16Exhibit 7 Pipe and Inlet Codes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

    SECTION 5 - CULVERT ALIGNMENT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17Exhibit 8 Preferred Culvert Alignment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18Exhibit 9 Additional Pipe Cross-Sections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

    SECTION 6 - PIPE CROSS-SECTIONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20Data Typical to Each Sheet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

  • Chapter 3 Section 3-04 Culvert Design

    2 August, 2011

    Data Typical to Each Pipe Cross-Section . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20Exhibit 10 Typical Pipe Cross-Section . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21Exhibit 10A Guidlines For Determining Pipe Length . . . . . . . . . . . . . . . 21

    SECTION 7- CULVERT PLAN ELEMENTS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22Exhibit 11 Plan & Profile Sheet Culvert Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

    SECTION 8 - BASIN AND CULVERT HYDROLOGY . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22Basin Size and Peak Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23Exhibit 12 Drainage Basin Delineation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23Regression Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24Culvert Hydrology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25Hydrograph Design (Stage-Storage Design) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25Exhibit 13 Hydrograph . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26Exhibit 14 USGS Dimensionless Hydrograph . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26Exhibit 15 Spreadsheet Calculation For A Basin Hydrograph . . . . . . . . 28Peak Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

    SECTION 9 - CULVERT HYDRAULIC (Culvert Sizing) . . . . . . . . . . . . . . . . 29General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29Nomographs and Computer Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30Culvert Hydraulics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30Exhibit 16 Culvert Flow Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30Culvert Flow Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31Exhibit 17 Culvert Flow Criteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31Culvert Flow Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32Inlet Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32Example of Inlet Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32Exhibit 18 Inlet & Outlet Unsubmerged . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32Exhibit 19 Outlet Submerged & Inlet Unsubmerged . . . . . . . . . . . . . . . . 33Exhibit 20 Submerged Inlet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33Exhibit 21 Special Condition With Median Drain . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33Outlet Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34Exhibit 22 Inlet & Outlet Submerged . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34Exhibit 23 Outlet Submerged - Inlet Unsubmerged . . . . . . . . . . . . . . . . 35Exhibit 24 Inlet Submerged - Outlet Unsubmerged . . . . . . . . . . . . . . . . 35Exhibit 25 Inlet Submerged - Outlet Partially Submerged . . . . . . . . . . . 35Exhibit 26 Inlet & Outlet Unsubmerged . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

  • Chapter 3 Section 3-04 Culvert Design

    3 August, 2011

    SECTION 10 - ALLOWABLE HEADWATER (AHW) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36Exhibit 27 Criteria For Determining AHW Depth . . . . . . . . . . . . . . . . . 37GEOPAK Option For Determining AHW Depth . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38Exhibit 28 Water Surface Views Of Increasing Water Depth . . . . . . . . . 38

    SECTION 11 - FLOOD ROUTING DESIGN WITH CDS . . . . . . . . . . . . . . . . 40General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40Exhibit 29 Typical Storm Hydrograph . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40Exhibit 30 Storm & Pipe Flow Hydrograph . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40Exhibit 31 Typical Culvert Crossing With Upstream Storage . . . . . . . . 41

    SECTION 12- CDS STAGE-STORAGE TABLES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43Calculating Stage-Storage Table With GEOPAK . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44Exhibit 32 Data for Stage-Storage Table Calculations . . . . . . . . . . . . . . 44

    (For A Well-Defined Area)Key Elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44Exhibit 33 GEOPAK Dialog Boxes Required . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

    (To Calculate the Stage-Storage Table)Elevation Differences Dialog Box . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47Volume Calculations Dialog Box . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48Volume Elevation Range Dialog Box . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48Exhibit 34 GEOPAK Plane To Tin (Stage-Storage Table) . . . . . . . . . . . 49Calculating Stage-Storage Using Cross-Sections . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50Exhibit 35 Typical Cross-Section Layout For Stage-Storage Volumes . 50Cross-Section Alignment and Spacing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51Exhibit 36 Pipe Cross-Section Layout To Best Calculate Storage . . . . . 51Default Storage Area Limits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

    SECTION 13 - CODING CDS SOFTWARE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53Key Steps To Complete Before Coding CDS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53File Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54Exhibit 37 Typical File Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54Listing of CDS Code Descriptions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55CDS Coding & Output Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63Exhibit 38 CDS Coding Example - Sta. 399+25 . . . . .