Download - BAB 2 Simpel
BAB II
LANDASAN TEORI
2.1 Penelusuran Banjir (Flood Routing)
Penelusuran banjir adalah sebuah konfigurasi gelombang banjir yang bergerak pada suatu
tampungan (saluran atau waduk). Pada rekayasa hidrologi, penelusuran banjir merupakan teknik
yang penting, yang diperlukan untuk mendapatkan penyelesaian yang lengkap mengenai
persoalan pengendalian banjir dan peramalan banjir. Untuk memenuhi keperluan ini, penelusuran
banjir dipandang sebagai prosedur yang dibutuhkan untuk menentukan hidrograf yang diketahui
dari suatu titik tinjau.
Penelusuran banjir di waduk diperlukan untuk mengetahui data debit outflow maksimum
dan tinggi air maksimum pada debit outflow yang bersesuaian sebagai dasar perencanaan
hidrolika struktur, dalam hal ini antara lain adalah untuk menentukan:
a. Dimensi lebar pelimpah
b. Profil pelimpah
c. Tinggi jagaan pelimpah
d. Dimensi peredam energi dan sebagainya
Perilaku perubahan elevasi muka air pada proses penelusuran banjir di waduk adalah
ketika hidrograf banjir yang terjadi masuk ke tampungan waduk, muka air waduk akan terus
mengisi ke kapasitas tampungan sementara (surcharge storage) yaitu tampungan yang terletak di
atas ambang pelimpah. Aliran keluar melalui pelimpah akan terus mengalami kenaikan sampai
elevasi tertentu hingga mencapai elevasi maksimum setara dengan debit outflow maksimumnya,
walaupun peningkatan tidak setaraf dengan peningkatan aliran yang masuk. Proses ini akan
terjadi sampai puncak banjir tercapai, ketika inflow dan outflow akan menjadi sama. Sesudah itu
debit outflow akan berangsur-angsur mengalami pengurangan yang selanjutnya pada waktu
tertentu debit outflow lebih besar dari inflow.
Selama proses penelusuran banjir berlangsung, jumlah air yang dsimpan sementara di
dalam waduk disebut reduksi banjir. Hidrograf outflow dari waduk akan mempunyai puncak
terendah tergantung pada ukuran waduk dan besarnya kapasitas banjir yang tersedia.
2.1.2 Penentuan Lebar Pelimpah
Ada banyak tipe profil pelimpah ogee modifikasi, tipe standart biasanya
ditetapkan berdasarkan aliran di atas ambang rencana. Cara pembentukan tipe ogee ini
disebut metode US ARMY. As ambang pelimpah tepat pada puncak ambang. Satu cara
lagi disebut Metode USBR.
1. Tipe I (Tipe Tegak)
Gambar 2.1. Profil Ambang Pelimpah Tipe I
2. Tipe II (Hulu Miring 3:1)
Gambar 2.2. Profil Ambang Pelimpah Tipe II
3. Tipe III (Hulu Miring 3:2)
Gambar 2.3. Profil Ambang Pelimpah Tipe III
4. Tipe IV (Hulu miring 3:3)
Gambar 2.4. Profil Ambang Pelimpah Tipe IV
Tipe depan miring sesuai untuk head yang rendah, bentuk seperti ini menambah
gaya vertikal, sehingga dapat menambah stabilitas konstruksi.
Berdasarkan metode The United State Army Corps of Engineers telah menyusun
beberapa bentuk baku pelimpah di Waterways experiment Station (WES ), dinyatakan
berdasar lengkung Harrold (Chow 1989: 330):
Xn = K Hdn-1 Y (3-5)
dengan:
X, Y = koordinat profil dengan titik awal pada titik tertinggi mercu
Hd = tinggi tekan rancangan tanpa tinggi kecepatan dari aliran yang masuk
K, n = parameter yang tergantung pada kemiringan muka pelimpah bagian hulu
Tabel 3.4. Nilai K dan n
Kemiringan Muka Hulu K n
Tegak lurus 2,000 1,850
3: 1 1,936 1,836
3: 2 1,939 1,810
3: 3 1,873 1,776
Sumber: Chow, 1985: 330
Dari profil lengkung Harrold, bagian hilir pelimpah dirubah profilnya menjadi
garis lurus dengan kemiringan 1: 1 atau 1: 0,8 atau berapa saja asal tidak terjadi banyak
pembulatan angka.
Pertemuan lengkung Harrold dan garis lurus tersebut harus merupakan
garis/bidang singgung sehingga tidak menyebabkan bahaya kavitasi.
Profil depan dapat ditetapkan dengan persamaan sebagai berikut (Santosh Kumar,
1976):
y=0,724( x+0,270 H d )❑1,85
H d
+0,126 H d−0,4315 H d0,375(x+0,270 H d)
0,625 (2-6)
Sambungan lengkung Harrold dan garis lereng hulu bendung harus merupakan
garis singgung. Titik singgung berkoordinat:
dydx
=1,85 x0,85
2 H d0,85 =1: m (2-7)
Yang mana, m adalah kemiringan lereng hulu bendung. Tekanan di atas
ambang, untuk pelimpah dengan tinggi tekan sedang, dan tekanan negatif yang diijinkan
sekitar-1,5 m. Sedangkan untuk pelimpah dengan tinggi tekan besar, U.S.B.R.
menetapkan tekanan negatif yang diijinkan -4,8m. Tekanan negatif perlu diwaspadai
karena menyebabkan beberapa hal yang kurang menguntungkan:
- Menambah momen guling
- Menambah gaya akibat beban berguna pada pintu
- Mengurangi kapasitas peralatan yang dikontrol secara otomatis
- Menimbulkan getaran pada seluruh konstruksi
- Menimbulkan getaran pada lapisan selimut yang menyebabkan retaknya
bangunan
2.1.3 Perhitungan Lengkung Kapasitas Waduk
Yaitu kurva yang menunjukkan hubungan antara Elevasi (Reservoir Water Level) –
Luas Genangan (Reservoir Area) – Volume Tampungan (Storage Capacity).
Langkah-langkah dalam menentukan hubungan elevasi, luas dan volume waduk dalam
Lengkung Kapasitas:
1. Hitung luas permukaan waduk yang dibatasi garis kontur _menggunakan
planimetri
2. Hitung volume yang dibatasi oleh 2 garis kontur yang berurutan dengan
menggunakan rumus pendekatan volume sebagai berikut (Bangunan Utama KP-02,
1986):
Dimana:
Vx = volume pada kontur X (m3).
Z = beda tinggi antar kontur (m).
Fy = luas pada kontur Y (m2).
Fx = luas pada kontur X (m2).
2.1.4 Penelusuran Banjir pada Pelimpah
Untuk mendapatkan muka air banjir pada tubuh embung perlu dilakukan
penelusuran banjir untuk menentukan debit outflow untuk mendesain spillway dan
tampungan banjir dalam waduk (Soemarto, 1999).
Data-data yang diperlukan pada penelusuran banjir lewat waduk adalah:
- Hubungan volume tampungan dengan elevasi waduk.
- Hubungan debit keluar dengan elevasi muka air di waduk serta hubungan debit
keluar dengan tampungan.
- Hidrograf inflow, I.
- Nilai awal dari tampungan S, inflow I, debit keluar pada t =0.
Perhitungan koefisien debit dapat ditetapkan dengan persamaan sebagai berikut.
Q = Cd × B × H (2-8)
2.2 Hidrolika pelimpah (Spillway)
Pelimpah (Spillway) merupakan bagian dari bendungan yang didesain untuk
melimpahkan air dari hulu ke hilir bendungan. Pada hakikatnya untuk bendungan urugan terdapat
berbagai tipe bangunan pelimpah. Untuk menentukan tipe yang sesuai, diperlukan suatu studi
yang luas dan mendalam hingga diperoleh alternative yang paling ekonomis. Selain itu, bangunan
pelimpah bias diartikan sebagai bangunan beserta instalasinya untuk mengalirkan air banjir yang
masuk ke dalam waduk agar tidak membahayakan keamanan bendungan.
Pelimpah sendiri dapat dibagi mejadi tiga berdasarkan fungsinya:
1. Pelimpah utama (1,2Q100 ; 1,2Q200 ; Q1000)
2. Pelimpah pembantu (beroperasi bila terjadi banjir yang luar biasa melibihi Q
rencana pelimpah utama)
3. Pelimpah darurat (beroperasi bila ada kerusakan pada pelimpah pembantu)
Bangunan pelimpah juga memiliki bagian-bagian yang dibahas dalam tabel dibawah ini.
Tabel 2.1. Tabel bagian dan fungsi pelimpah
Bagian Fungsi
Saluran pengarah a. Digunakan untuk mengarahkan dan mengatur aliran air agar kecepatannya kecil tetapi debitnya besar.
b. Tipe/jenisnya antara lain: ambang bebas (untuk debit kecil), ambang berbentuk bendung pelimpah (debit besar), bendung pelimpah menggantung (pada bendungan beton)
Saluran peluncur a. Digunakan untuk membuat agar kecepatan air yang meluncur ke hilir di bawah kecepatan kritis yang diizinkan
b. v = k.R2/3.S0.5
c. Fr = v/(g.L)0.5 ≥ 1 (kritis dan super kritis)
d. Upaya yang dilakukan adalah:-slope dibuat landau
-artificial aeration
-pelapisan beton dengan baja tahan
karat
Peredam energi Digunakan untuk menghilangkan atau
mengurangi energi air agar tidak merusak
tebing, dan atau bangunan lain di hilir
bangunan pelimpah yaitu dengan loncatan
energy/loncatan ski (kolam olakan)
Pada perencanaan pelimpah sebenarnya belum ada cara perhitungan yang benar-benar
mantap. Kebanyakan masih berdasarkan pada asumsi-asumsi yang kebenarannya belum teruji.
Oleh karena itu, pengujian dengan model test sangat dianjurkan. Data yang diperlukan dalam
perencanaan pelimpah antara lain adalah koefisien limpahan (berdasar literature yang diperoleh
rentang nilai antara 1,6-2,2), elevasi pelimpah (berdasarkan lengkung kapasitas waduk ), dan
persamaan lengkung kapasitas waduk.
2.3 Bangunan pengambilan (intake)
Pengambilan adalah suatu bangunan pada bending yang berfungsi sebagai penyadap
aliran sungai mengatur pemasukan air dan sedimen serta menghindarkan sedimen dasar sengai
dan sampah masuk ke pengambilan.Terletak di bagian sisi bending di tembok pangkal dan
merupakan satu kesatuan dengan bangunan pembilas.
Pengambilan dibagi menjadi :
a) Pengambilan biasa
Pengambilan dengan pintu berlubang
satu atau lebih dan dilengkapi dengan pintu
didndidng banjir dan perlengkapan lainnya.
Lebar satu pintu tidak lebih dari 2,5 m dan
diletakkan di bagian udik. Pengaliran melalui
pintu bawah. Besarnya debit diatur melalui
tinggi bukaan pintu.
b) Pengambilan gorong-gorong
Pengambilan dengan pintu berlubang
lebih dari satu dengan lebar masing-masing
kurang dari 2,5 m dan diletakkan di bagian
hilir gorong-gorong. Pengoperasian pintu
pengambilan dilakukan secara mekanis.
c) Pengambilan frontal
Pengambilan diletakkan di tembok
pangkal, jauh dari bangunan pembilas /
bending.Arah aliran sungai dari udik frontal
terhadap mulut pengambilan sehingga tidak
menyulitkan penyadapan aliran. Tetapi
angkutan sedimen relative banyak masuk ke pengambilan, yang ditanggulangi dengan
sand ejector dan kantong sedimen.
d) Dua pengambilan di satu sisi bendung
Pintu pengambilan untuk sisi yang lain diletakkan di pilar pembilas bending.
Pengaliran ke sisi yang lain itu melalui gorong-gorong di dalam tubuh bending.Jumlah
gorong-gorong dapat dua buah.
(Alfabeta, Desain Hidraulik Bendung Tetap untuk Irigasi Teknis, 2002)
2.4 Perencanaan konstruksi dan perhitungan stabilitas urugan bendungan utama/main
dam
a) Stabilitas Lereng Main Dam
Dalam banyak kasus, untuk membangun sebuah bendungan urugan diharapkan
mampu membuat perhitungan stabilitas talud guna memeriksa keamanan talud alamiah,
talud galian, dan talud timbunan yang didapatkan. Faktor yang perlu dilakukan dalam
pemeriksaan tersebut adalah menghitung dan membandingkan tegangan geser yang
terbentuk sepanjang permukaan retak yang paling mungkin dengan kekuatan geser dari
tanah yang bersangkutan (Das, BM; 1994).
b) Analisis Stabilitas Talud Metode Irisan Fellenius
Gambar 2.32. Sketsa sederhana analisis stabilitas lereng metode fellenius
(Sumber : Das, BM; 1994)
Tanah yang berada di atas bidang longsor percobaan di bagi dalam beberapa irisan
tegak. Lebar dari tiap–tiap irisan tidak harus sama. Perhatikan suatu satuan tebal tegak
lurus irisan melintang talud seperti gambar. Wn adalah berat irisan. Gaya–gaya Nr dan Tr
adalah komponen tegak dan sejajar dari reaksi R. Pn dan Pn+1adalah gaya normal yang
bekerja pada sisi–sisi irisan. Demikian juga, gaya geser yang bekerja pada sisi irisan
adalah Tn dan Tn+1. Untuk memudahkan, tegangan air pori di anggap sama dengan nol.
Gaya Pn dan Tn adalah sama besar dengan resultan Pn+1, dan Tn+1, dan juga garis–garis
kerjanya segaris.
Gambar 2.33. Irisan untuk analisis stabilitas lereng metode fellenius
Sumber : Das, BM; 1994
Untuk pengamatan keseimbangan
Nr = Wn. cos n (2-36)
Gaya geser perlawanan dapat dinyatakan sebagai berikut
Tr = τ d ( ΔLn ) =
τ f ( ΔLn )F s
= 1F s
(c+σ tan φ) ΔLn(2-37)
Tegangan normal σ dalam persamaan di atas adalah sama dengan
N r
ΔLn =
W n cos αn
ΔLn (2-38)
Untuk keseimbangan blok percobaan ABC, momen gaya dorong terhadap titik O adalah
sama dengan momen gaya perlawanan terhadap titik O, atau
∑n=1
n=p
W n r sin α n=
∑n=1
n=p1Fs
(c+W n cosα n
ΔLn
tan φ) ( ΔLn )(r )(2-39)
atau
F s =
∑n=1
n=p
(c ΔLn+W n cos α n tan φ )
∑n=1
n=p
W nsin α n(2-40)
Dimana ΔLn pada persamaan di atas sama dengan
bn
cos α n dengan bn = lebar potongan
irisan ke-n.
Perhatikan bahwa harga n bisa negatif atau positif. Harga n positif bila talud
bidang longsor yang merupakan sisi bawah dari irisan, berada pada kwadran yang sama
dengan talud maka tanah yang merupakan sisi atas dari irisan. Untuk mendapatkan angka
keamanan yang minimum yaitu angka keamanan untuk lingkaran kritis beberapa
percobaan dibuat dengan cara mengubah letak pusat lingkaran yang dicoba.
c) Analisis Stabilitas Talud Metode Irisan Bishop
Pada tahun 1995, Bishop memperkenalkan suatu penyelesaian yang lebih teliti
daripada metode irisan yang sederhana. Dalam metode ini, pengaruh gaya–gaya pada sisi
tepi tiap irisan diperhitungkan. Sekarang, misalkan Pn – Pn+1 = P; Tn – Tn+1 = T. Juga,
kita dapat menulis bahwa
Tr = N r tan (φd )+cd ΔLn=N r ( tan φ
F s)+ c ΔLn
F s (2-41)
Gambar 2.34. Metode irisan bishop yang disederhanakan; (a) gaya – gaya
yang bekerja pada irisan nomor n, (b) poligon gaya untuk keseimbangan
Sumber : Das, BM; 1994
Pada Gambar 2.34. (b) menunjukkan poligon gaya untuk keseimbangan dari irisan nomor
n. Jumlahkan gaya dalam arah vertikal.
Wn + T = N r cosαn+[ N r tan φ
F s
+c ΔLn
Fs] sin αn
(2-42)
atau,
Nr =
W n+ ΔT−c ΔLn
F s
sin αn
cos α n+tan φ sin α n
F s (2-43)
Untuk keseimbangan blok ABC, ambil momen terhadap O
∑n=1
n=p
W n r sin αn=
∑n=1
n=p
T r r(2-44)
dengan,
Tr =
1F s
(c+σ tan φ) ΔLn =
1F s
(c ΔLn+N r tan φ )(2-45)
Dengan memasukkan persamaan (2-42) dan (2-43) ke persamaan (2-45), maka
didapatkan:
F s =
∑n=1
n=p
(cbn+W n tan φ+ ΔT tan φ ) 1mα (n )
∑n=1
n=p
W n sin α n(2-46)
dengan,
mα (n) = cos α n+
tan φ sin αn
Fs (2-47)
Untuk penyederhanaan, bila kita mengumpamakan T = 0, maka persamaan berubah
menjadi :
F s =
∑n=1
n=p
(cbn+W n tan φ ) 1mα (n )
∑n=1
n=p
W n sin αn(2-48)
Gambar 2.35. Variasi mα (n) dengan
tan φ/ F s dan α n
Sumber : Das, BM; 1994
Perhatikan bahwa Fs muncul pada kedua sisi dari persamaan diatas. Oleh karena
itu, cara coba–coba perlu dilakukan untuk mendapatkan harga Fs. Gambar 2.35
menunjukkan variasi dari mα (n)dengan
tan φ/ F s untuk bermacam – macam harga α n .
Seperti pada metode irisan sederhana, beberapa bidang longsor harus diselidiki
untuk mendapatkan bidang longsor yang paling kritis yang akan memberikan angka
keamanan minimum.
d) Analisis Stabilitas dengan Metode Irisan dengan Rembesan Tetap
Pada Gambar yang telah dijeaskan menunjukkan sebuah talud dengan rembesan
yang tetap. Untuk potongan nomor n, tekanan air pori rata – rata pada dasar potongan
adalah sama dengan un=hn γ w . Gaya total yang disebabkan oleh tekanan air pori pada
dasar potongan nomor n adalah sama dengan un ΔLn .
Gambar 2.36. Stabilitas talud dengan rembesan yang tetap
Sumber : Das, BM; 1994
Jadi persamaan untuk metode irisan yang sederhana akan disempurnakan untuk
menentukan
F s =
∑n=1
n=p
[c ΔLn+(W n cos αn−un ΔLn )] tan ϕ
∑n=1
n=p
W n sin αn(2-49)
Begitu juga persamaan untuk metode irisan yang disederhanakan menurut Bishop
akan disempurnakan ke persamaan berikut
F s =
∑n=1
n=p
[c bn+(W n−unbn ) tan φ ] 1m(α )n
∑n=1
n=p
W n sin α n(2-50)
Perlu diperhatikan bahwa W n dalam persamaan (2-48) dan (2-49) adalah berat
total irisan. Dengan menggunakan metode irisan dan bermacam–macam asumsi yang lain,
Bishop, Margenstern (1960) dan Spencer (1967) memberikan grafik (chart) untuk
menentukan angka keamanan dari talud yang sederhana dengan memperhitungkan
pengaruh tekanan air pori.