Innovations in Maintenance – Development of the Monash Kerb Inlet for Passive Irrigation of Street Trees in residential suburbs 

Ari Triskelidis1, Kanch Withana1, Stephen Livesley2 , Chris Szota2, Robyn Mitchell1, Kyesha Milenkovic3 1City of Monash, Engineering Department – Design Mgt, 293 Springvale Rd, Glen Waverley, 3150, Victoria, Australia (E‐mail: Arit@monash.vic.gov.au; KanchW@monash.vic.gov.au)  2The University of Melbourne, School of Land and Environment, 500 Yarra Blvd, Burnley, Victoria, 3121, Australia (E‐mail: sjlive@unimelb.edu.au; cszota@unimelb.edu.au) VIC, Australia  3Melbourne Water, Regional Water Planning, 990 La Trobe Street, Docklands, Victoria, Australia  Abstract 

This project involves the passive irrigation of street trees and the development of a new kerb inlet that deals with minimal maintenance and costs when retrofitting and modifying existing kerb and channel systems. This project was a great opportunity to innovate and push the boundaries of conventional thinking. We knew there were great challenges with regards to blockage and debris control and ultimately called upon fluid dynamics and airfoil technology to solve this problem. We realized that we need to keep the debris away from the face of kerb and the operational principles were simply to collect the heavy debris in a central dip and use airfoil flow dynamics in applying that technology to the kerb inlet. The design also relies on a maintenance program of street sweeping and cleaning of secondary filter baskets that collect the fine debris.  

This kerb inlet diverts catchment runoff into the nature strips while dealing with the debris at the grated interface. The anticipated benefits being: (i) reduced maintenance costs (ii) the volume of polluted runoff entering waterways will be reduced, and (iii) street trees will benefit from additional water and nutrients, increasing resilience to drought or heat stress. 

Catchment runoff is directed into a gravel trench installed just outside tree canopy drip line. Changes in soil moisture profile are continuously monitored within the nature strip and road pavement, to monitor any movement and potential defects. Tree health is measured through pre‐dawn leaf water potentials and tree growth through stem diameter change.  

This study will enable the costs of maintenance and installation to be considered against runoff reduction and street tree health benefits. If these systems prove cost‐effective, residential suburbs can be WSUD retrofitted which will have huge impacts upon catchment hydrology, stream ecology as well as street tree ecosystem services. 

Keywords  Passive irrigation; Street Trees; Kerb Inlet; Debris; Maintenance Costs; Stormwater  Introduction  So why was  this project necessary and why are  trees  important? We all have realized  the benefits of trees and the  interaction between the soil and atmosphere and the real benefits that stormwater can offer. We know about the benefits of greening the suburbs and the connection it has between water. A real goal of this project is the use of wsud to definitely improve a very simple element in all suburbs – street trees. One of the over arching goals of this project, was to look for something that is going to be simple, cost effective and eventually something any Council could consider, with minimal maintenance in mind.  

Like many other Councils, Monash street trees suffered quite badly during the drought so this project is about getting more water  to  these  trees, especially during  these difficult  times. So we are essentially focusing on  tree growth,  shade  from canopy and  to  reduce  some  floodwater  runoff  issues. We have very simple aims and they are to improve tree drought tolerance and improve tree growth and health.   Background  As design managers, the brief was to design a kerb inlet that would redirect stormwater runoff into a gravel trench. The kerb inlet had to be low cost with minimal installation and maintenance costs. The typical  layout  below  shows  the  redirection  of  stormwater  into  a  600mm  deep  gravel  trench.  The runoff  flows in and then the water will slowly seep out, depending on the soil type within that nature strip. From the beginning, we could have settled on a simple vertical grate in the face of the kerb, but we  decided  that  this was  an  opportunity  to  innovate,  to  research  and  to  push  the  boundaries  of conventional thinking. Some of the issues we identified as important were being very clear about the brief and  its  intent; having a degree of confidence and self‐belief; needing  to  take some calculated risk and thinking forward; we also knew we needed to learn from others, to collaborate and do a lot of research and testing. The result is what we call the Monash Kerb Inlet (MKI).  

  During the early stages we arranged site visits with other Councils and in particular City of Port Philip and City of Melbourne. We were advised of their challenges and they shared their issues so we could address them in our project. We observed that most existing systems where not functioning very well and  that  sediment  and  debris  blockage was  a  common  problem.  Shown  below  are  some  existing systems performing with varying levels of success.  

 The MKI  isn’t  designed  to  catch  a  lot  of water,  it  is  designed  to  divert  floating  debris  and  heavy 

sediments and catch water that is less likely to contain suspended solids than other kerb inlets, and so  keep maintenance of  the  system  to a minimum. We  sought advice  from Prof  Saman  Fernando (Swinburne  University), who  is  an  expert  in  fluid  dynamics  and  together we  began  to  solve  this problem. The real innovation was to use aerofoil flow dynamics and apply that technology to the kerb inlet.   Development of the MKI   The aerofoil design The  aerofoil  design  is  an  innovation  in  kerb  edge  treatments.  It  remodels  the  kerb  face  into  an aerofoil‐type form with an inset grate.  The MKl is designed with two shapes. The vertical aerofoil and the horizontal dip, which together cause acceleration of flow through the kerb. Flows and the debris will have a higher tangential velocity and will quickly pass the grated opening. Water passes through the grate when the flow depth increases in a similar manner to a weir.  The grated opening has 2 main roles: 1.  To prevent  the majority of  floating debris  (such as  leaves) and suspended solids  from entering 

the trench. The opening size dictates the size of particles getting through, which is about 5mm. 2.  Reduce velocity drop across openings 

•  Orientation of the openings is important. •  If the openings are horizontal most of  the debris will get  into the trench and also will not 

give an opportunity for the flows to travel through the air foil to develop speed.  

The spacing of the vertical openings was carefully considered. We had  to strike a balance between capturing water and having enough of a gap between the openings, to minimise the  loss of velocity across  the  openings.  We  tested  a  few  combinations  with  varying  opening  sizes  and  gaps  and ultimately decided upon 8mm openings with 10mm gaps.  In the acceleration zone, (location of the dip) the flows closer to the kerb will speed up, compared to flows further away from the face. The difference in this speed creates a swirl or vortex. The grate is then best placed in this acceleration zone. Likewise in the deceleration zone, the speed is slower near the face, thus a swirl turning the other way is formed at the aerofoil nose. The vortex helps some of the smaller, heavier particles to settle to the bottom of the dip and that  is the sole purpose of the dip. Given removal of the debris from the grate  is crucial for proper function, then the dip  is a very important part of  the design. When  the  flows  increase  the  first  swirl will get pushed  towards  the second swirl and the debris will gets washed downstream.  This unique pre‐cleaning means  that  the water  that does enter  the  system  through  the  grate has been filtered of exactly the sort of particles that are most likely to cause blockage of the grate 

   What happens to the debris? Debris  that  remains  in  the dip or on  the downstream end of  the profile  is  later  removed either by regular street sweeping or during a downpour of rain, by the first flush of stormwater travelling along the kerb.  

The bottom of  the grate opening  is at  the  'invert  level' of  the kerb and  the bottom of  the dip  is a further 3 cm below, which means water pools in the depression before it starts to enter the grate. At the start of a light rain fall, low flows of water begin to run along the kerb, slowly fill the depression, sediments will drop out and collect at the bottom of the depression because the flows are too slow to carry them, and eventually, when the depression fills, the water will begin to spill through the grate. In heavier rain falls, more substantial flows of the first flush push the larger debris downstream past the grate. 

Sometimes debris that can float will have collected in the depression before a light rain. In that case, the depression will slowly fill up and the debris that are floating on its surface will have a chance to spill through the grate. This could be avoided by having the base of the grate higher than the invert level.  In  such a case,  the  floating debris would be carried away  in  the  'first  flush' of  the kerb  inlet system. However, water would only enter  the grate  in heavier  rains when  flows were greater. This payoff between water capture and water cleanliness could be further investigated.  The lintel The aerofoil curved face of the MKI does not extend up to the top of the kerb. Instead, it is covered in a strong  lintel. The effect of this design feature  is twofold: firstly,  it means from the pavement side the MKI blends  in with  the pre‐existing kerb, and  secondly, by  setting back  the grate and aerofoil face, it protects them from tyre damage.   Development of the 3D surface profile Professor Saman Fernando in his report to us detailed the shape that would give us the outcomes we were  after. He  determined  some  equations  for  the  horizontal  and  vertical  shapes  and  also  spoke about the test apparatus manufacturing process. The  horizontal  shape  is  given  by  a  National  Advisory  Committee  for  Aeronautics  (NACA)  airfoil equation and dip profile was also given as an equation. The white rectangle (acceleration zone) is the location  of  the  vertical  grate.  Then  X,Y  values  were  derived  using  these  equations  and  then transferred to Autodesk Civil 3D civil to create a 3d surface profile. (NACA ‐ National Advisory Committee for Aeronautics)  

    We  took our  inital 3d  surface model  and  then began  thinking  about how we  could  construct  this within a kerb and channel. We further developed the surface profile into a complete 3d model with the entire cast kerb profile.  Prototype Development with SVC Concrete Products (SVC)  3d mould designs During the onsite sessions with SVC we decided to go with a complete 1200mm wide cast concrete section. We had the ability to use existing moulds thereby reducing some costs. The 3d shapes were then developed  in  cad which were used  to  cast aluminium moulds  for  the airfoil and  channel dip sections. At $9000 for mould construction we could not afford to get this wrong at this stage.   SVC development of 3d cad models 

  

   Mould Development with SVC Concrete Products Kerb and channel mould with the aluminium inserts attached to create the Monash Kerb profile.  

   (First precast unit without the kerb inlet openings and grate)  Detailed construction design While we developed the moulds for the kerb  inlets, we finalised our construction drawings for final installation  in  the  streets.  As  can  be  seen  in  the  following  drawing  section  we  have  included  a secondary  filter behind  the back of kerb. During our  trials we had  realized  that some maintenance will  be  required  as  small  particles  still  passed  through  the  8mm  gap  in  the  grate. We  observed particles were about 4‐5mm wide. Our secondary filter has 1mm openings thereby minimizing small debris  entering  the  system.  The  filter  needed  to  be  simple,  low  cost,  easy  to  clean  and with  low maintenance. The filter basket is accessed by an I/O opening at surface level and has a stainless steel basket with handle for easy removal.   Final passive irrigation installation with Monash kerb inlet Monash kerb inlet installation section view  

        

Development of standard drawings 

 SVC MKI prototype Here you can see the additional openings completed by SVC to cater for the connection at the rear of the unit. This in itself was quite difficult to manufacture due to the size constraints. You can see the stainless steel grate being fitted which also required special grout mix to do some hand sealing of the gap. Further development of the precast unit to include connections & grates 

 These are some images of our first completed concrete kerb inlet.   First MKI concrete precast product (Prototype)              Final working model during rainfall 

   

Summary & Discussion  Summary of MKI elements System element 

Description  Notes on selection  Future implications 

Chord length  800 mm  Chosen by council engineers after testing showed good performance.  

Optimal performance will depend on site conditions (e.g. slope, catchment size). Further research useful. 

Total unit length 

1200 mm  1200 mm is a standard mould length. Additional length makes unit heavier. A 1200 mm unit weighs approximately 300 kg. 

Further research useful. 

Grate dimensions 

8mm opening, with 10 mm closed spaces between 

Two options tested during prototyping, 10‐8 and 10‐10. 10‐8 considered by council engineers to block more litter while still maintaining good inflow rates. 

Further research useful. 

Bowl depth  30 mm  Bowl  depth  supplied  as optimal depth by hydrological consultant.  

Further  research useful. 

Bowl  slope and form 

Symmetrical dip 

Vortex  action  highly responsive  to  variation  in slope  and  curve  and  further refinement possible. 

Further  research useful. 

   Perceived barriers to passive irrigation uptake “It’ll damage the road” A common perception, especially from road engineers,  is water from the  infiltration trench will wet the  soil  beneath  the  adjacent  road,  i.e.  the  road  subgrade,  and  cause  damage,  in  particular  road slumping. Damage  to  roads  is  expensive  to  repair  and potentially dangerous.  The City of Monash passive  irrigation  trials are measuring  soil moisture  content near and beneath  the  road at various distances from the kerb.   A number of engineering solutions may help minimise wetting, for instance by including waterproof barriers  at  the  road  edge  at  the  time  of  passive  irrigation  system  installation;  by  including  a connection to direct excess water back into the stormwater drainage system, and by grading the base of the infiltration trench away from the road.    

 The perception that damage to the road will occur needs to be clearly considered side by side with the following: 1) How does  the cost of  road damage compare with  the benefits provided by  street  trees and 

flowing from good water management?  2) How serious is the damage to the road? For instance, is the damage confined to the low‐traffic 

area near the kerb?  3) Road damage can be caused by many factors,  including poor construction, heavy vehicle use 

etc. 4) Wetting  of  the  road  subgrade  can  occur  from  groundwater  in  general,  not  just  water 

specifically from a passive irrigation system. The presence of groundwater is in fact inevitable.  5) If excessive wetting  is a problem, what  is  its  cause?  Is  it,  for  instance, a  failure of  the  road 

engineering  to successfully convey water away  from  the subgrade,  for  instance  through aggi pipe along its edge? Roads really should be able to tolerate some level of subgrade wetting. If they can’t then perhaps they are poorly constructed. 

6) Healthy street trees protect road surfaces from solar radiation, and the consequent swelling, shrinking and deterioration of the road surface.  

7) Passive  irrigation  systems offset  the  negative  impacts of  roads.  They minimise  atmospheric pollution,  filter runoff, help abate noise, cool streets made hot by heat‐trapping expanses of bitumen, encourage walking and strengthen local biodiversity. 

8) Roads  damage  trees  at  least  as much  as  trees  damage  roads.  The  creation  of  impervious surfaces,  the production of particulate pollution,  the  increasing of  the UHI, severing of roots during  construction,  and  pruning  required  for  passage  of  vehicles,  all  adversely  affect  the health of trees. 

 “Costs too much” / “Not worth it” The cost of installing a passive irrigation system is by no means negligible. However, it is reasonable to consider whole of life cycle approach in assessing the worth of a project. The financial benefits of street trees are now beginning to be recognised, and LGAs can make future savings by  investing  in green infrastructure. Upfront costs will decrease with increased LGA capacity. “Needs too much maintenance” / “Going to make too much work” The passive  irrigation systems being  trialled are  intended  to be  low maintenance,  in recognition of both the costs of maintenance and the limited availability of maintenance resources. Maintenance is increasingly seen as a vital component of urban systems. In the future, systems may be in place that facilitate more regular maintenance. Capacity building is important.  “Won’t do anything” The benefits of healthy street trees are well documented. Less well documented is the response, and degree of response, of street trees  in particular to additional water availability. The results of these trails  notwithstanding,  it  is  generally  well‐known  that  trees  grow  better  with  greater  water availability.  The City of Monash passive irrigation project has IWM benefits beyond street tree health. By filtering pollutants, it minimises downstream pollution. “Not important” Street  trees are  important because  they are valuable assets  that  contribute multiple benefits at a range of levels. Put simply, trees save lives.  

 “Not my problem” The multiple  stakeholders  involved  or  affected  by  a  passive  irrigation  project  all  have  different priorities. This can contribute to lack of project uptake. Different priorities can be reflected in different guiding policies and legislation. For instance the City of  Monash  maintenance  department  needs  to  comply  with  the  Road  Management  Act  and  to Monash’s Customer Service Charter. Maintenance works directly relating to these will be prioritised above passive irrigation system maintenance.   “Too risky” It  is  important to be risk aware, rather than risk adverse.  In an environment threatened with rapid climate change,  for  instance,  it  is useful  to presume  in  favour of mitigation strategies. The  risks of passive irrigation systems can be foreseen, and future iterations can respond to minimise future risk. Without initial implementation, further implementation is impossible. Moreover, new approaches to urban planning and design require time for a change of attitudes and mechanisms to occur within the implementing  organisation.  Often  risk  is more  perceived  than  real,  and  cross‐disciplinary,  team‐oriented, communication will reduce that perceived risk.  Learnings from installation Location of services A service‐location company was contracted to mark the  location of underground services. This was essential. While  infiltration  trenches were dug  to 800 mm  to avoid pipes nominally at 900 mm,  in practice many  services occurred  above 800 mm.  It became evident during  installation  that  it was important  to use a skilled excavation crew. Most  likely problems could occur with cable  telephone services and underground electricity cables  running  from pole  to box. Also problematic can be gas and water services running at angles out from the residential properties. Installed drains  Many roads have ag pipe drains running along under kerb & channels. Often these are blocked, due to their age. However, if they do transport water, they can drain the infiltration trench if the trench intersects or is in close proximity to them. Where possible, the infiltration trench should be set back from the kerb as much as possible. Drainage from other service installation If  excavation  lines  for other  services  cross  the  infiltration  trench,  then  the  infiltration  trench may drain along the line of those services. If conditions are right, drainage may be to beneath residential housing, leading to issues of liability. Contractor skills Excavation needs to be done by a skilled crew to avoid damage to services. Maintenance will be best performed by crew experienced in IWM systems. Root occurrence In only one of the 24 excavations was a root greater than 40 mm diameter encountered. Order of excavation Trenches  should  be  excavated  before  kerb  units  installed  to  avoid  kerbs  directing  water  into excavations in progress.    

 Where there any other challenges? As discussed we  realised during our  testing  the need  for  a  secondary  filter but we may  still have issues with any soluables that will pass through. So the challenge here was to design a system that was not only simple, low cost but easy to maintain and clean. Early testing is suggesting maintenance of the secondary filter to be 3‐4 times per year, with about 20cm of debris  in a four month period. This  is still well below the capacity of the filter. Field testing has shown that debris diversion  in the kerb  is at  least 95% when  stormwater  is  flowing, but build up  is  likely  to occur during very minor rainfall.  There  are  some  limitations  of  use  on  steep  grades  and  areas  of  high  leaf  litter.  We  are  also undertaking soil moisture testing of the nature strips and road pavement to measure any potential changes beneath the pavement, with some concern regarding movement of kerbs and road failure. And there are always challenges  in educating the community on  issues relating to dumping of grass clippings and leaf litter in the kerb and channel.   

Conclusions Where to from now? No real results just yet as installations have just been completed.  

• Construction was completed August 2014 and testing has begun but no real results just yet!  • Testing  and  monitoring  will  continue  for  a  least  2  years  and  this  will  be  undertaken  by 

Melbourne University. • Testing will  include  the measurement of debris within  the kerb  inlet &  filter basket with an 

assessment of how  the kerb  inlets are coping with  sediments  in  the  tray and at  the vertical inlets. Testing within the trenches will also indicate how much rainfall is entering the trenches and what volume is being used by the trees. 

• We realise that the first prototype will require further refinement and testing. Installation will be monitored for their effectiveness. 

Costs/Benefits By  diverting  the  debris  and  the  heavier  sediments  away  from  the  trench  the Monash  kerb  Inlet increases the gap between renewals.  This in turn reduces the assets whole of life costs by reducing the number of renewals. The benefits of greener environments are many, successful passive  irrigation  improves the drought resilience of the street trees and reduces the potable use of water during drought conditions. There is benefit to the community with reduced heat island effect, cooling from tree canopy and the visual amenity of healthy trees within a street. Although  not  designed  as  a  stormwater management  device,  City  of Monash  kerb  inlet  assists  in reducing the flows. The cost of installation is currently at $4k, this is likely to reduce with a wider roll‐out of the product. The typical cost of loss of a mature tree is $40k and with a typical life span of 40 years, then there is considerable benefit in successfully passively irrigating our street trees.  What can go wrong Detailed survey has been undertaken prior to works starting and a further survey will be undertaken at the completion of the trials , up to 2 years, so we can check for any movement in road pavement and kerbs. Maintenance may be higher than what we anticipate and we realize that maintenance is the number one issue that we should be focusing on as it can determine the success of a project.   

 

Acknowledgement  This work was undertaken as part of funding received from Melbourne Water and the Office of Living Victoria. We wish also to acknowledge the technical support provided by Prof. Saman Fernando, Safer Engineering Solutions, Mr. Ralf Pfleiderer, City of Melbourne, Mr. Sam  Innes, City of Port Philip, Prof. Tim Fletcher, Stephen John Livesley, Dr Chris Szota and Harry Virahsawmy, University of Melbourne.   REFERENCES  FERNANDO, S. 2013.  Passive Tree Irrigation – Kerb Inlet Design.  Sa‐Fer Engineering Solutions, 

Report No: 2013/10A1, 4 October 2013.