Aggradation,  or  sediment  deposition,  is  a  very  common  problem  at many  bridges  crossing small streams in the upper Susquehanna River watershed.   Modifications to the channel near a bridge  crossing  can  lead  to  the extensive deposition of  sediment  in  the bridge waterway.  This  partial  blockage  of  the  bridge waterway  poses  serious  safety  problems  to  the  overall bridge structure.  The most common solution for aggradation in Pennsylvania is to dredge the stream channel frequently.   While this mitigation procedure  is successful  in clearing some of the  sediment  that  is blocking  the waterway,  it also  creates  conditions  that promote  further sediment deposition at the bridge.   Attempts also have been made to mitigate sediment ag‐gradation with stream restoration structures.  Sediment transport and bridge hydraulics need to be investigated to determine a more sustainable solution to aggradation at bridge crossings.  The main goal of the presented research was to initiate monitoring at a bridge site to measure changes in stream bed elevation.  This data will then be used to develop mathematical simula‐tion models  of  the  sediment  processes  at  the  bridge  crossing.    The  current  bridge  design guidelines focus only on the transport of the water through the bridge waterway.  The moni‐toring and mathematical modeling of  sediment processes at bridges will help  inform bridge design guidelines that account for the transport of sediment through the bridge waterway  in addition to the water. 

♦Monitor streambed elevations at a bridge crossing where stream restoration structures have been installed to mitigate sediment deposition. 

♦Apply mathematical models with varying complexity to simulate sediment and hydraulic processes at bridge crossings. 

♦Develop recommendations for considering sediment processes in the design of stream‐bridge crossings.

•Continue monitoring White Deer Creek • Resurvey stream cross‐sections periodically • Directly measure sediment movement, hydraulic, and hydrologic data with ADCP and other field equip‐ment.  Anticipated uses of the collected data include: 

‐Verification of hydrologic modeling of the White Deer Creek watershed, ‐Discharge measurements to be used with sediment movement data to simulate sediment trans‐

port during storm events, ‐Confirmation of 2‐D model simulation of velocity distribution at cross sections.

•Create complete mathematical models of hydraulic and sediment processes of White Deer Creek using HEC‐RAS, BRI‐STARS and FESWMS.

•Simulate sediment erosion & deposition between current and future events at bridge crossings and stream restoration structures with 1‐D and 2‐D models.

•After using field data to validate simulation capability, develop hypothetical models to aid in the develop‐ment of bridge design guidelines that consider sediment and hydraulic processes.

We would like to thank Shanon Burkland with the Union County Conservation District for her help with gathering data for the restoration pro‐ject.  We would also like to thank Michael Baker Jr Undergraduate Research fund for providing funding in the summer of 2009 as well as the Katherine Mabis McKenna Summer Environmental Internship Program for funding in the summer of 2010.  We would like to thank Benjamin Hayes of the Bucknell Environmental Center for helping with data collection and analysis and for the use of his data collection equipment.   

                                 

The research focused on the lower section of White Deer Creek at the Old Route 15 bridge crossing  in White Deer, PA.   White Deer Creek  is a tributary to the West Branch of the Sus‐quehanna beginning near Lavonia, PA and ending at White Deer, PA.  The White Deer Creek watershed is approximately 47 square miles with a majority of it being forested.  In the past, a large amount of deforestation and logging has caused the creek to become unstable, from an  engineering  standpoint.    The  current  “clear water”  conditions  in  the watershed  have caused a large amount of gravel‐ and cobble‐sized sediment to begin moving downstream in the channel (Hayes and Kochel 2010).  This large amount of sediment had been building up near the bridge opening, Figure 1, and causing the need for increased maintenance.  

In 2004, a restoration project was designed for the lower portion of White Deer Creek, near the old route 15 bridge crossing, to restore the creek and mitigate the sediment problems that occurred around  the bridge.   As built  in 2006,  this project  involved  the  installation of two rock vane weirs, one upstream and one downstream of the bridge, along with channel bank stabilization using large riprap boulders.  The weirs were installed to create a faster sec‐tion of the channel to “carry” the sediment through the bridge opening and not allow  it to deposit in the vicinity of the bridge.  The riprap created a non‐erodible channel bank so that the channel could not change  its course near the bridge or erode the bank farther  into the nearby property.  

Several models were  investigated to determine which models would best  fit our site conditions.  Many models have different approaches to predicting sediment transport near bridge crossings.  HEC‐RAS (Brunner 2002) was the first model selected to predict one‐dimensional hydraulics and sediment transport in the stream.  This model is free to the public and was recently updated to in‐clude sediment modeling .  The HEC‐RAS model is the most commonly‐used model in engineering design affecting rivers or streams and is therefore very accessible to design engineers and an im‐portant tool when considering the development of design guidelines.   The second program selected was BRI‐STARS, BRIdge Stream Tube model for Alluvial River Simula‐tion (Molinas 2000).  This program was developed by the Federal Highway Administration to aid in the hydraulic modeling of bridge crossings and  is also offered  free to the public.   BRI‐STARS  is a semi‐two dimensional model for hydraulics and sediment transport as  it considers cross channel variation with stream tubes as well as downstream variation of hydraulic and sediment transport parameters.  

The  two dimensional model, FESWMS‐FST2DH,  is  currently being  considered  for use.   FESWMS adds more complexity to the modeling approach with two dimensional hydraulics and sediment transport in a finite element approach.  FESWMS was developed by the Federal Highway Admini‐stration to simulate the movement of water and non‐cohesive sediments in rivers, estuaries, and coastal waters (Froehlich 2003). 

A model has been developed using HEC‐RAS with four different geometry files (four time‐separated sur‐veyed streambeds).  Figure 6 displays a cross‐section at the downstream face of the old US Rt 15 bridge that is comparing the pre‐restoration bed with the proposed restoration conditions.  The proposed condition is trying to center the stream under the bridge opening.  Figure 7 displays the surveyed changes to the channel profile between summer 2009 and summer 2010, both post‐restoration.  A general decrease in bed eleva‐tion is observed downstream of the downstream rock weir.                

Figure 8 shows the changes in a cross section near the downstream restoration structure between summer 2009 and summer 2010.  The water is cutting deeper into the streambed and is causing the riprap banks to fail.  Looking at the restoration structures, the upstream structure has already been filled with sediment, Fig‐ure 9, while the downstream structure, as seen in Figure 2, has begun to show signs of failure.             

MONITORING:                                

Figure 1 ‐  Image taken downstream of the bridge, prior to Stream Restoration Project.

Figure 2 ‐  Image of the downstream rock vane weir installed as part of the restoration project. 

 

Figure 6 ‐ Comparison of the bridge opening before (current) and after (proposed) stream restoration. 

Figure 7 ‐ Comparison of the stream profile from summer 2009 to summer 2010. 

White Deer Creek, PA:  Implications for Understanding Bedload Transport at Bridge CrossingsWhite Deer Creek, PA:  Implications for Understanding Bedload Transport at Bridge Crossings Brian P. Schultz, Graduate Assistant Jessica T. Newlin, Assistant Professor 

Civil and Environmental Engineering Bucknell University, Lewisburg, PA 

Stream‐bed  monitoring  is  accomplished  by surveying  the  channel  bed with  a  total  sta‐tion, Figure 3, both before and after a storm.  This provides us with required geometric data for modeling  and  allows  us  to  visually  com‐pare the stream bathymetry to detect any sig‐nificant  changes  to  be  used  to  validate  the mathematical  modeling  of  the  sediment transport processes. 

        

Figure 3 ‐  Taken while surveying the stream in the summer of 2010. 

             Figure 8 ‐ Comparison of a given cross‐section downstream of 

the rock weir from summer 2009 & 2010. 

               

    Figure 9 ‐ Image of the upstream rock weir. 

Brunner, Gary W. (2002). HEC-RAS River Analysis System. Users Manual. Version 3.1. United States Army Corps of Engineers. Pgs. 1-11. Froehlich David C. (2003). User’s Manual for FESWMS FST2DH: Two Dimensional Depth- Averaged Flow and Sediment Transport Model. U.S. Department of Transportation. Federal Highway Administration. Pgs. 1-209.

Hayes and Kochel (2010). Impact of Logging Legacy Sediments and Geomorphic Adjustment on Stream Restoration Structures in North-Central Pennsylvania. Annual Water Resources Conference, American Water Resources Association, Philadelphia, PA. Nov 1-4, 2010.

Molinas, Albert (2000). User’s Manual for BRI-STARS. U.S. Department of Transportation. Federal Highway Administration. Pgs. 1-227

Figure 4 ‐  RiverSurveyor ADCP collecting data from the bridge at White Deer Creek (9‐30‐10). 

 Figure 5 ‐  Two‐person cross stream approach to data collec‐tion at White Deer Creek (Summer 2010). 

DATA COLLECTION: An  acoustic Doppler  current  profiler  (ADCP) will  be  used  to  collect  storm  discharge measure‐ments  and  3‐dimensional  velocity  distribution measurements.    Initial measurements with  the Sontek RiverSurveyor M9 ADCP have been made at White Deer Creek.  Figure 4 is a photo of the RiverSurveyor being used from the bridge during the rising limb of a storm event (Sept 30 – Oct 1) that generated approximately 3.75 inches of rainfall.  The White Deer Creek site also is suitable for obtaining measurements using a  two‐person cross channel approach as  shown  in Figure 5.  Therefore,  data  can  be  collected  safely  at  locations  other  than  the  bridge  during  higher  flow events.  Figure 6 shows a screen capture of the ADCP data from a cross section upstream of the bridge at White Deer Creek collected during the falling limb of the Sept 30 – Oct 1 storm event. 

               Figure 6 ‐  Screen capture of the collected data at a cross section upstream of the bridge at White Deer Creek (10‐1‐2010).