Drainage Practices

1. Drainage Practices

2. Materials for Subsurface Drainage Types of DrainagePipes a- Clay Pipes b- Plastic Pipes C- Concrete Pipes

3. 1- Clay Pipes • هي عبارة عن وصلات تصنع من الطين المحروق. • أطوالها 30سم وأقطارها تتراوح من 50-200مم. • يدخل الماء الأرضي فيها من خلال الفراغات البينية بين كل أنبوب والآخر. • مميزات هذا النوع: 1- رخص ثمنها. 2- مقاومتها العالية للأملاح. عيوبها: 1- تتعرض للكسر بسهولة عند النقل. 2- تحتاج الى عناية خاصة في التنظيف.

4. 2- Plastic Pipes • هي عبارة عن وصلات تصنع من البلاستيكPVC أو البولي ايثلينPE أو البولي بروبلين PP. • تستخدم حديثا على نطاق واسع. • تكون smooth أو corrugated وبها فتحات بأبعاد وأعداد معينة لدخول المياه. • مميزات PVC: 1- أقل تكلفة. 2- مقاومته أعلى للضغوط. 3- عملي جدا. عيوب PVC: 1- يتأثر بدرجة الحرارة فيمكن أن يتعرض للانهيار. 2- يحتاج الى حماية كبيرة من أشعة الشمس. • مميزات PE: 1- يتحمل الضغوط العالية. 2- يمكن حمايته من أثار أشعة الشمس. عيوب PE: 1- يحتاج لمواد انشائية كبيرة. 2- يتأثر بدرجة الحرارة العالية.

5. Advantages and Dis-advantages of Smooth or Corrugated Plastic Pipes Pipe Type Advantages Dis-advantages 1- من السهل نقلها ومناولتها. Smooth 1- تكلفتها عالية. 2-سهولة تحطمها عند تعرضها للصدم. 2- حركة المياه بداخلها سهلة 1- تكلفتها عالية. Corrugated 1- من السهل نقلها ومناولتها 2- تتحطم عند تعرضها للصدم المباشر 2- لها قدرة أكبر على تحمل الضغوط الخارجية. 3- الفواقد الهيدروليكية كبيرة بسبب التعاريج.

6. 3- Concrete Pipes • تصنع من خليط من الرمل والأسمنت والماء ويمكن اضافة الزلط لها. • أسعارها مرتفعة بالمقارنة بالمواسير الفخارية. • تصنع بأطوال من 30 – 50 سم وأقطارها 100 سم. مميزاتها: 1- تكلفتها أقل من البلاستيك. 2- تستخدم مواد محلية في الصنع. 3- تقاوم الأملاح الضارة بالتربة عيوبها: 1- ثقيلة. 2- تتأثر بالأملاح الموجودة بالتربة خاصة أملاح الكبريتات. ولذلك يجب استخدام الأسمنت المقاوم للملوحة في تصنيع هذا النوع من المواسير. 3- يمكن ان تتعرض للكسر اثناء النقل.

7. How to Select Pipes 1- Cost يتم الاختيار على أساس التكلفة فيتم اختيار الأقل تكلفة. 2- High resistant على أساس الأكثر قدرة على التحمل. 3- Locally materials على أساس سهولة التصنيع من خامات محلية. 4- Possibility of handling على أساس سهولة النقل والمناولة. ** في حالة وجود جميع الأنواع يفضل استخدام Corrugated P.V.C.

8. Drain Pipe Envelope (filter) • هو مادة توضع حول مواسير الصرف وتغلفها من الخارج. • المواصفات والشروط التي يجب توافرها في المرشحات: 1- تكون نفاذيتها للمياه أكبر من نفاذية التربة الطبيعية التي يقع فيها المصرف المغطى. 2- أن يكون تدرج مادة المرشح كافيا وكفيلا بمنع حبيبات التربة من المرور خلال فتحات المصرف أو الفواصل بين الوصلات. 3- أن يكون حجم حبيبات المرشح مناسبا بحيث لا يدخل من خلال فتحات المصرف أو الفواصل البينية. 4- ألا يقل سمك طبقة المرشح التي تغلف مواسير الصرف عن 10سم.

9. Drain Pipe Envelope (filter) 5- يفضل ألا تحتوي مادة المرشح على حبيبات تزيد أقطارها عن 8مم وألا تزيد نسبة الحبيبات الناعمة (أقل من 0.07 مم) عن 5%. 6-بالنسبة للمرشحات التي تغلف المواسير المثقبة المصنعة من اللدائن والتي تستخدم كحقليات فيراعى ألا تزيد نسبة الحبيبات الناعمة (أقل من 0.25مم) عن 10%. 7- ألا تزيد المسافة الفاصلة بين الأنابيب الأسمنتية عن (D85/2) 8- ألا يزيد قطر الثقوب عن (D85/2)

10. Functions of the Filter 1- Hydraulic Function: تتحسن الظروف الهيدروليكية حول المصرف بوضع مادة ذات نفاذية عالية حول فتحات المصرف مما يسهل حركة تدفق الماء من المنطقة المحيطة بالمصرف نحو المصارف وبالتالي يقلل من المقاومة الهيدروليكية لدخول المياه في المصرف. 2- Filter Function: يساعد الغلاف على تحسين الظروف الميكانيكية التي تعمل على تثبيت حبيبات التربة في مكانها ومنع حركتها مع المياه إلى داخل المصرف، وبالتالي يكون الترسيب صغير ويقلل هذا تكاليف الصيانة.

11. Kinds of Envelope 1- Gravel Envelope: المرشح الزلطي 1- هي المرشحات الزلطية التي تحيط بالمواسير وتصمم على أساس حساب أكبر وأصغر قطر للحبيبات الزلطية المكونة للمرشح. 2- المرشح الزلطي مناسب لمعظم أنواع التربة ذات المشاكل والتي تحتاج لوضع غلاف حول المواسير. 3- الشروط التي يجب أن تتوفر في المرشحات الزلطية: D50f / D50s = 12 – 58, D15f / D15s = 12 – 40 D50f: قطر فتحة المنخل التي يخرج منها 50% من عينة الزلط للفلتر D50s: قطر فتحة المنخل التي يخرج منها 50% من عينة التربة ** for Stability of filter: D15f / D85s ≤ 5, D100f ≤ 38mm, D90f ≤ 20mm, D5f ≥ 0.42mm

12. Kinds of Envelope 2- Synthetic and Organic Envelope: المرشح الصناعي 1- نتيجة الزيادة في تكاليف نقل الزلط وصعوبة الحصول على التدرج المناسب ووضع الغلاف الزلطي بإنتظام حول المصارف المغطاة أصبح الإتجاه الآن إلى استخدام الأغلفة المصنعة. 2- يصنع من الألياف الصناعية إما على شكل نسيج أو على شكل ألياف مفككة. 3- يتيح نفاذية تصل إلى 20متر/يوم.

13. Methods of Application of Envelope Material 1- In Bulk: توضع كميات من الزلط على الفواصل بين الحقليات أو يحيط بالمصرف الحقلي تماما. 2- Pre-wrapped around the Pipe: يأتي المصرف الحقلي من المصنع محاطا تماما بالفلتر الصناعي. 3- As a Strip: توضع شرائح مصنوعة من الألياف الصناعية فوق وتحت المصرف الحقلي عند التنفيذ في الموقع.

14. How to Select an Envelope 1- قد يستخدم المرشح في حالة التربة المتماسكة للمحافظة على الحقليات من سوء التنفيذ. 2- يستخدم المرشح الزلطي أو الصناعي في التربة المفككة لمنع دخول حبيبات التربة إلى داخل المصارف الحقلية. 3- يستخدم المرشح الإقتصادي والأكثر كفاءة في حالة الأراضي التي يتم تصريف كميات كبيرة من المياه منها.

15. Structures for Covered Drainage Systems يجب أن تتوفر عدد من المنشآت التكميلية في شبكة الصرف المغطى لكي تتمكن من أداء وظيفتها بكفاءة مثل: 1- Manholes غرف التفتيش 2- Conjunction نقاط الإتصال 3- Washing Columns أعمدة الغسيل 4- Head of Field Drains بداية المصارف الحقلية 5- Tile Ends المصبات

16. 1-Manholes 1- Manholes غرف التفتيش 1- تنشأ عند إلتقاء خطين من المصارف أو أكثر. 2- تنشأ من الطوب الخرساني أو مواسير سابقة الصب ذات القطر الكبير الذي يكفي لنزول أحد العمال بداخله وتنظيفه والقيام بأعمال الصيانة. 3- تكون أرضية الغرفة أوطأ من منسوب مواسير الصرف بمقدار 30سم على الأقل. 4- الغرض الأساسي منها هو التأكد من كفاءة عملية الصرف وحجز الترسبات. 5- تستخدم كنقط متوسطة على إمتداد المجمع بغرض تنظيفه.

17. Manholes

18. 2-Conjuction 2- Conjunction نقاط الإتصال 1- تنشأ عند مواقع الحقليات مع المجمعات الثانوية أو الرئيسية وعندما تكون على إرتفاعات مختلفة. 2- عادة لا تكون ظاهرة فوق سطح الأرض بل يمكن الإستدلال عليها من خلال علامات توضع فوقها وتعلو سطح الأرض. 3- تشبه إلى حد كبير غرف التفتيش في شكلها وطريقة إنشائها.

19. 3-Washing Columns 3- Washing Columns أعمدة الغسيل 1- عبارة عن مواسير تنشأ بشكل رأسي تخترق سطح الأرض كي تلتقي بأنبوب الصرف المغطى. 2- تستخدم لغرض غسيل مواسير الصرف الحقلي أو المجمع وتنظيفه بواسطة إدخال خرطوم مياه فيه وضخ المياه بنفث (jet) عالي وبذلك تندفع الأوساخ والترسبات خارج الأنبوب. 3- أحيانا تضاف مواد كيميائية مع المياه للتخلص من جذور النباتات التي قد تؤدي إلى إنسداد أنبوب المصرف وإعاقة عملية الصرف. 4- عادة يكون قطر أعمدة الغسيل بنفس قطر أنبوب الصرف. 5- تستخدم كنقط متوسطة على إمتداد المجمع بغرض تنظيفه.

20. Washing Columns

21. Ground Surface Field Drain Head of Drain 4- Head of Field Drains 4- Head of Field Drains بداية المصارف الحقلية عبارة عن غطاء أو قطع من الخرسانة توضع في بداية مواسير الصرف الحقلية لغلقها ولمنع دخول التربة في الخط التي قد تسبب انسداد المصرف مع مرور الزمن.

22. 5- Tile Ends 5- Tile Ends المصبات 1- عند إلتقاء المصرف الحقلي مع المجمع المفتوح يجب ألا يصب مباشرة فوق ضفة المصرف المجمع لأن ذلك يؤدي إلى نحر التربة وبالتالي يحدث انهيار في جوانب القناة. 2- ولذلك يجب جعل نهاية المصرف المغطى تنتهي بماسورة مصنوعة إما من الخرسانة أو من الحديد طوله يبلغ خمسة أمتار على الأقل ويمتد داخل المصرف المكشوف لمسافة بسيطة على أن ترتفع نهايته فوق منسوب الماء في المصرف المجمع بمقدار 30-60سم لكي لا يتم غمر نهاية المصرف الحقلي بالمياه في حالة إرتفاع منسوب الماء في المجمع. 3- يفضل تكسية جانب المصرف المجمع عند نقطة ظهور أنبوب الصرف المغطى بالأحجار ومونة الأسمنت أو بالخرسانة العادية للحفاظ عليها من النحر.

23. Ground Surface Collector H.W.L Lining with Stone & Cement Mortar Tile Ends

24. Design of Pipe Drainage

25. Design of Pipe Drainage When a pipe drainage system is being designed, the following elements must be determined: a- lay-out (alignment) of laterals and collectors; this must be adapted to the topographical features of the area and other conditions. b- spacing and depth of laterals; these are primary factors in the control of the ground-water table. c- diameter and gradients of lateral and collector pipes; these must ensure the proper evacuation of the water taken up by the laterals.

26. d- Basic flow equations (uniform flow) for different types of drain pipes. e- Flow equations that take into account the fact that the flow in a drain pipe line increases in the direction of flow as the drain takes up water over its entire length (non-uniform flow). f- Gradient and slope of pipe line. g- A safety factor to allow for some decrease in capacity due to a certain degree of sedimentation. h- A drain composed of sections of increasing diameter in the direction of flow.

27. Uniform Flow (Transporting Flow) 1- The case of uniform flow in circular conduits running full. 2- The discharge and hydraulic gradient are constants at all sections of the pipe.

28. Non-Uniform Flow (Dewatering Flow) 1- The flow rate Q gradually increases from Q=0 at the upstream end to Q=qBL at the outflow where q is the drainage coefficient, B is the width of area to be drained pipe line. 2- The flow rate gradually increases in the direction of flow. 3- The hydraulic gradient increases also.

29. Equations for Design 1- Uniform Flow: A-WesselingEquations (Smooth): تستخدم في تصميم مواسير الصرف الملساء Clay, Cement, Smooth plastic pipes Ql = qBL = f.s. ( 50 d2.714 S0.572 ) q: Drainage coefficient factor (m/sec) B: Spacing between pipe drains (m). L: Length of pipe drain (m). f.s.: Factor of Safety. d: Pipe diameter (m). S: Drain slope (dimensionless).

30. Factor of safety (f.s.) f.s. = 60% for field drain d ≤15cm f.s. = 75% for collector drain d >15cm f.s. = 1for maximum length or maximum drainage coefficient. يتم استخدام معاملات الآمان نتيجة أن قطر المواسير يقل بالتدريج بسبب ترسيب حبيبات التربة بداخله.

31. B- Manning Equations (Corrugated): تستخدم في تصميم مواسير الصرف البلاستيك المموجة (ذات تعاريج) Corrugated plastic PVC Ql = qBL = f.s. ( 22 d2.667 S0.5 ) 2- Non-Uniform Flow: A- Wesseling Equations (Smooth): Ql = qBL = f.s. ( 89 d2.714 S0.572 ) B- Manning Equations (Corrugated): Ql = qBL = f.s. ( 38 d2.667 S0.5 )

32. Drain Pipe lines with Increasing Diameter في حالة المجمعات الطويلة نستخدم مجموعة من المواسير ذات الأقطار المختلفة فيكون القطر الأصغرفي بداية المجمع ثم يزداد القطر بالتدريج في اتجاه سريان الماء الى المصب. عند حساب أطوال مجموعة المواسير ذات الأقطار المختلفة فاننا نأخذ في الاعتبار معامل آخر بالإضافة للموجود فعلا في القانون ويسمى Reduction Factor (P) P = 0.85اذا كان المجمع يتكون من ماسورتين P = 0.75اذا كان المجمع يتكون من أكثر من ماسورتين

33. Problem (1) 1- The pipes used for lateral drains are cement and corrugated PVC pipes with internal diameters 100 and 72 mm respectively. Find the maximum length with each type for a drainage rate of 3mm/day and drain spacing 50m in the following cases: a- drain slope 0.1% b- drain slope 0.2 %

34. Solution (1) 1- Cement Pipe Ql = qBL = f.s. ( 89 d2.714 S0.572 ) (3*50*L)/(1000*24*3600) = 1*89 * (0.1)2.714 S0.572 L= 99040 S0.572 S (%) L (m) 0.1 1904.6 0.2 2831.4

35. 2- PVC Pipe Ql = qBL = f.s. ( 38 d2.667 S0.5 ) (3*50*L)/(1000*24*3600) = 1*38 * (0.072)2.667 S0.5 L= 1961.34 S0.5 S (%) L (m) 0.1 62 0.2 87

36. Problem (2) Find the maximum drainage coefficient, which can be drained from an area with corrugated plastic pipe of a diameter 72mm at a spacing of 60m and length 200m if the slope of the drain is: a- 10cm per 100m b- 0.2% Solution Ql = qBL = f.s. ( 38 d2.667 S0.5 ) a- q * 60 * 200 = 1* 38 * (0.072)2.667 * (10/10000)0.5 q = 9*10-8 m/sec * 1000 * 24 * 60 * 60 =7.76 mm/day b- q * 60 * 200 = 1 * 38 * (0.072)2.667 * (0.2/100)0.5 q = 1.3*10-7 m/sec * 1000 * 86400 = 0.97 mm/day

37. Problem (3) What is the maximum area which can be drained with pipe of constant diameter when the allowable slope should not exceed 0.04% and the drainage coefficient is 4mm/day? The pipes are of 100,150, and 200mm diameter and they are: a- corrugated plastic tubes. b- smooth pipes.

38. Solution (3) Max. area f.s. =1.0 A- Corrugated Plastic tubes: Ql = qBL = f.s. ( 38 d2.667 S0.5 ) (4/1000)*(BL / 24*60*60) = 38 d2.667 (0.04/100)0.5 d 0.1 0.15 0.2 BL (fed.) 35340 104208 224447

39. B- Smooth Pipes Ql = qBL = f.s. ( 89 d2.714 S0.572 ) (4/1000)*(BL / 24*60*60) = 89 d2.714 (0.04/100)0.572 d 0.1 0.15 0.2 BL (fed.) 42288 127096 277470

40. Problem (4) Design a corrugated plastic collector drain with a slope of 10cm per 100m and increasing diameters 125, 160, and 200, if the drainage coefficient is 3mm/day. The length of laterals on each side is 200m and the total length of the collector is 650m. What is the drop in elevation for a pipe of diameter of 350mm to transport the flow of this area to a lake at 300m from the outlet?

41. Solution(4) Ql = qBL = f.s. ( 38 d2.667 S0.5 ) (3 / 1000*24*60*60) * 400 * L = f.s. * 38 * d2.667 * (0.001)0.5 L = f.s. (86519.916 d2.667 ) Diameter (m) 0.125 0.16 0.2 f.s. 0.6 0.75 0.75 Max. L (m) 202.64054 489.289 887.2 (0.75) L (m) 151.98 366.967 665.4 App. L (m) 150 365 650 Each length (m) 150 250 250 Total length (m) 650

42. Transporting Case: Ql = qBL = f.s. ( 22 d2.667 S0.5 ) (3 / 1000*24*60*60) * 400 * 650 = 0.75 * 22 * (0.35)2.667 * (K/300)0.5 K = 0.0242804 m The drop in elevation (k) = 24.28mm

43. Problem (5) Design a corrugated plastic collector with increasing diameters 125, 150, 200 and 260mm are used and the pipe slope is 0.08%. The drainage rate is 4mm/day and the width of the area served is 350m. What is the total length of the collector in this case?

44. Solution(5) Ql = qBL = f.s. ( 38 d2.667 S0.5 ) (4 / 1000*24*60*60) * 350*L = 38 * d2.667 *(0.08/100) S0.5 * f.s. Diam. (m) 0.125 0.15 0.2 0.26 f.s. 0.6 0.6 0.75 0.75 Max. L (m) 155.4 315.8 680.2 1369.3 0.75 L (m) 116.55 236 510 1027 Appr.L (m) 115 235 1025 510

45. Problem (6) A concrete collector with a diameter 20 cm, a length 600m laid at slope 0.04% drains an area 300 m wide with discharge rate 10mm/day. What will be the over-pressure at the upstream end of the collector if its capacity is to be set at 75%.

46. Solution(6) Ql = qBL = f.s. ( 89 d2.714 S0.572 ) (10 / 1000*24*60*60) * 300 * 600 = 0.75 * 89 * (0.2)2.714 S’0.572 S’ = 1.54*10-3 S’ = Z/L = Z/600 Z = 0.924 i = S = H/L H = S*L = (0.04/100) * 600 H = 0.24m Over Pressure = Z – H = 0.924 – 0.24 = 0.684m = 68.4cm

47. Problem (7) Calculate the area to be saved by a cement collector pipe in the tile drainage system according to the following data: drainage coefficient = 4mm/day, collector pipe diameter =20cm, average slope = 4cm/100m.

48. Solution(7) Smooth pipe, q=4mm/day, d=20cm, S= 4*10-4 Ql = qBL = f.s. ( 89 d2.714 S0.572 ) (4 / 1000*24*60*60) BL = 0.75 * 89 * (0.2)2.714 *(4*10-4)0.572 BL = 208103.2 m2 = 49.5 fed

49. Problem (8) A collector drain in a composite system has a total length of 750m and slope 0.04% serves an area with a width 400m. If the drainage coefficient is 2.0mm/day and pipes available are corrugated plastic tubes with diameters equal to 150, 200, and 250mm. Find the maximum length that can be used of each size to make a collector with increasing diameter.

50. Solution(8) S = 0.04%, B=400m, L=750m, q=2mm/day Ql = qBL = f.s. ( 38 d2.667 S0.5 ) (2 / 1000*24*60*60)*400*L = 38*d2.667*(0.04/100)S0.5 * f.s. 1.22 * 10-5 L = f.s. * d2.667 Diam. (m) 0.15 0.2 0.25 f.s. 0.6 0.75 0.75 Max. L (m) 312.86 842.2 1526.9 0.75 L (m) 234.6 631.66 1145.2 Appr. L (m) 230 630 1145 Each L (m) 230 400 515 Total L (m) 750