penentuan kedalaman dan pola gerusan akibat aliran superkritik di hilir pintu air menggunakan

14 Pages·2013·0.42 MB·Indonesian

PENENTUAN KEDALAMAN DAN POLA GERUSAN AKIBAT
ALIRAN SUPERKRITIK DI HILIR PINTU AIR MENGGUNAKAN
END SILL DAN BUFFLE BLOCK DENGAN SIMULASI MODEL
INTEGRASI NUMERIK

Pudyono, Sunik

Jurusan Sipil Fakultas Teknik Universitas Brawijaya
Jl. MT. Haryono 167 Malang

ABSTRAK

Tujuan penelitian ini adalah untuk mengetahui kedalaman dan pola gerusan hasil simulasi dengan integrasi
numerik pada loncatan hidraulik yang melalui pintu sorong (sluice gate) dengan menggunakan 3 jenis model
yaitu model apron kosong di hilir pintu, model apron- end sill dan model apron-buffle block (Q = 155, 233,
311, 389, 467 l/det, dengan variasi bukaan pintu a = 6, 9, 12 cm; a = 6 cm dan a = 6, 9, 12 cm; a = 12
1 2 1 2
cm.). Penelitian ini merupakan penelitian eksperimen berupa simulasi integrasi numerik dengan
menggunakan program. Analisis menggunakan apron dan end sill serta buffle block hanya dilakukan pada
saluran 1 yaitu saluran mendatar dengan pintu sorong. Ada tiga macam variasi model (M1-M3) yaitu apron
kosong; apron dan end sill; apron dan buffle block, lima macam variasi debit (Q1-Q5) dan satu macarn
kondisi bukaan pintu hilir (K1) yaitu kondisi loncat air di hilir pintu. Macam-macam model yang dipakai
adalah M1 = model dengan apron kosong, M2 = model dengan apron dan end sill, M3= model dengan apron
dan baffle block. Kondisi loncat air yang digunakan adalah K1 - kondisi loncat air di hilir pintu hulu. Hasil
penelitian menunjukkan bahwa kedalaman gerusan (faktor keamanan pengali untuk ke dua jenis model = 1,5)
menggunakan apron-end sill berada dalam range 26 mm – 82 mm (gerusan berkurang sekitar 10%-15%
dengan adanya pemasangan end sill) sedangkan kedalaman gerusan menggunakan apron-buffle block berada
dalam range 21 mm – 64 mm (gerusan berkurang sekitar 20% - 30% dengan adanya pemasangan buffle
block). Pola gerusan pada saat debit pengaliran semakin meningkat bentuknya beragam, bisa terletak dalam
satu segmen (satu lokasi) bisa pula terletak berjauhan (tersebar). Ini dapat terjadi karena adanya pengaruh
kecepatan aliran, karakteristik aliran (superkritis, kritis dan sub kritis) serta kedalaman aliran (y1,y2,yp,y3).

Kata kunci: loncatan hidraulik, karakteristik aliran, kecepatan aliran, kedalaman gerusan, pola gerusan

PENDAHULUAN ke bagian hilir depan pintu berupa aliran
Bangunan pintu air geser tegak subkritis. Perubahan aliran dari
(sluice gate) di jaringan irigasi pada saat superkritis ke subkritis menyebabkan
pintu dibuka dapat menimbulkan aliran terjadinya loncatan hidraulik (Raju,1986).
superkritik yang saat bertemu dengan Aliran air dengan loncatan hidraulik
aliran subkritik dibagian hilir akan terjadi melalui pintu sorong (loncatan hidraulik
loncatan air (hydraulic jump). Terjadinya ini terdiri dari beberapa tipe yakni
aliran superkritik dan loncat air inilah berombak; lemah; getar; tetap; kuat)
yang menjadi pemicu terjadinya gerusan dapat mempengaruhi kondisi di hilir
yang dapat mengakibatkan runtuhnya saluran yaitu berupa erosi atau gerusan.
bangunan. Air dari hulu yang melewati Oleh karena itu dibutuhkan suatu usaha
pintu sorong ketika pintu dibuka dengan untuk melindungi hilir saluran dari
bukaan (a) tertentu mempunyai energi gerusan lokal dengan mengusahakan agar
yang besar sehingga kecepatan aliran kecepatan di daerah yang erodibel cukup
yang melintas akan semakin besar, kecil. Cara yang dapat dilakukan adalah
berupa aliran superkritis transisi dengan membuat stilling basin (apron)
JURNAL REKAYASA SIPIL / Volume 7, No.2 – 2013 ISSN 1978 - 5658 118
dengan bangunan pemecah energi (end Pintu air merupakan salah satu
sill atau baffle block) di hilir pintu air. bangunan air yang dipakai sebagai
Sehubungan dengan hal itu juga perlu pengatur masuknya air untuk dibagi atau
diketahui hubungan perkembangan untuk mengatur debit. Banyak macam
gerusan terhadap waktu, pengaruh dan jenis pintu air dan salah satunya
parameter aliran terhadap gerusan lokal adalah pintu sorong (sluice gate). Aliran
dan efek bangunan pemecah energi air lewat bawah pintu (underflow)
terhadap gerusan lokal. merupakan aliran superkritis yang
Berdasar uraian tersebut maka perlu memunyai energi tinggi sehingga
ada penelitian tentang kedalaman dan mengakibatkan terjadinya permasalahan
panjang gerusan di hilir pintu gerusan di hilir pintu terutama jika
menggunakan bangunan pemecah energi. material dasarnya berupa material halus
Menggunakan data sekunder dapat dibuat (erodibel). Sewaktu pintu dioperasikan
model simulasi kedalaman dan panjang akan terjadi pola aliran di daerah bukaan
gerusan dengan integrasi numerik. pintu dimana arus aliran terseut akan
berinteraksi dengan material yang ada di
TINJAUAN PUSTAKA sekelilingnya. Interaksi arus aliran
Gerusan dengan dasar saluran akan menyebabkan
Gerusan merupakan suatu proses material di dasar saluran tergerus.
alamiah (sering terjadi di sungai atau Apabila di dasar saluran tersebut
saluran) akibat pengaruh morfologi bermaterial lunak atau material lepas
sungai atau adanya bangunan air maka akan terjadi pola gerusan tertentu
(hydraulic structure). Adanya bangunan yang mencerminkan pola gerusan akibat
air menyebabkan perubahan karakteristik aliran tersebut.
aliran seperti kecepatan atau turbulensi Dalam Chatterje dkk (1994)
sehingga menimbulkan perubahan dikatakan tentang mekanisme gerusan di
transpor sedimen dan terjadinya gerusan. belakang pintu air. Debit yang mengalir
Gerusan didefinisikan sebagai melalui pintu air membentuk suatu
pembesaran dari suatu aliran bersama semburan (jet) di atas dasar erodibel.
dengan pemindahan material melalui aksi Kecepatan jet yang tinggi menimbulkan
gerakan fluida. Gerusan lokal terjadi pada tegangan gesek yang besar melebihi
suatu kecepatan aliran, sedimen yang tegangan gesek kritik butiran yang
ditranspor lebih besar dari sedimen yang merupakan batas awal gerak butiran dan
disuplai. Transpor sedimen bertambah hal ini menyebabkan terbentuknya
dengan meningkatnya tegangan geser gerusan lokal di hilir apron. Lubang
sedimen, gerusan terjadi ketika gerusan yang terbentuk menyebabkan
perubahan kondisi aliran menyebabkan peningkatan kedalaman aliran lokal (pada
peningkatan tegangan geser pada dasar. lubang gerusan tersebut) dan berakibat
Gerusan lokal (local scouring) tegangan gesek di atas dasar menjadi
adalah akibat yang biasa terjadi apabila kurang dan lebih kecil dibandingkan
dalam suatu saluran ditempatkan suatu tengangan gesek kritis material dasar
penghalang atau penghambat laju aliran sehingga terjadi penurunan material yang
sampai terjadi perubahan yang mendadak ternagkut dan akhirnya tercapai tahap
pada arah alirannya. Penghambat aliran keseimbnagan dimana gerusan tidak
ini dapat berupa bangunan-bangunan air bertambah lagi. Perkembangan serusan
yang sengaja dibuat atau akumulasi sangat tergantung waktu. Awalnya
sampah maupun sedimen yang gerusan berkembang dengan cepat
menumpuk pada alur aliran. kemudian berkurang sampai tecapai tahap
keseimbangan.
JURNAL REKAYASA SIPIL / Volume 7, No.2 – 2013 ISSN 1978 - 5658 119
Dalam Breusers (1991) dikatakan ke subkritik. Kejadian itu, misalnya
bahwa bentuk aliran pada lubang gerusan terjadi pada bagian hilir pintu geser tegak
di saluran dua dimensi hampir mirip (sluice gate), dan pada bagian hilir
dengan lapis turbulen. Arus/olakan air bangunan pelimpah. Lokasi
lunak terbentuk dekat dasar pada awal pembentukkan loncat air sangat
lubang gerusan dan berakhir pada loikasi dipengaruhi oleh kedalaman air dihilir
kedalaman gerusan maksimum, di daerah bangunan pintu air geser, Chow (1985)
ini aliran sangat turbulen dan menyatakan bahwa ada tiga kemungkinan
menyebabkan transpor material dasar. terbentuknya pola loncat air di daerah
Pada lokasi di sebelah hilir kedalaman hilir bangunan pintu air geser.
gerusan maksimum, profil kecepatan
menurun perlahan kembali ke kondisi Ambang Peredam Energi (End Sill)
normal dan turbulensi berkurang. End Sill atau yang sering disebut
Vischer dkk (1995) mengatakan dengan ambang peredam energi adalah
bahwa pada teknik hidraulik, stilling bangunan terendam di bagiam dasar
basin dan baffle apron merupakan contoh saluran yang sering digunakan untuk
pemecah energi. Jika partikel air jatuh ke mengatur loncat air dalam kolam olak
suatu basin maka akan terjadi peredaman atau kolam peredam energi apabila
energi yaitu disipasi energi hidraulik. terdapat penurunan ketinggian air dihilir
Stilling basin jarang dirancang sesuai (Rangga Raju, 1981). Bangunan ini
panjang loncat air yang terjadi karena sangat berguna untuk memberikan
tidak ekonomis (Hoffmans, 1997). Oleh kestabilan baik pada pembentukkan aliran
karenanya perlengkapan tambahan seperti permukaan (surface flow) dalam hal ini
end sill, baffle apron biasanya dipasang menjaga tinggi muka air, maupun aliran
pada stilling basin untuk mengontrol bawah permukaan (submerged flow),
loncatan. Tujuan utama pengaturan ini dengan cara meredam aliran superkritis
adalah untuk memperpendek awal loncat (supercritical flow) berkecepatan tinggi
air dan karenanya mengurangi ukuran di bawah permukaan aliran yang bergerak
dan biaya pembuatan stilling basin. dari bawah menuju permukaan searah
hilir (Rajaratnam,1995). Persamaan
Loncatan Air Ditinjau Dari Lokasi dan
momentum dan kontinuitas dapat
Posisi Loncatan
digunakan untuk memperoleh persamaan
Pada umumnya teori mengatakan,
yang menentukan gaya loncat air di
bahwa loncatan akan terjadi pada saluran
bawah pengaruh end sill, dengan
persegi panjang horisontal jika
mempertimbangkan beberapa hal seperti
kedalamaan mula dan kedalaman lanjutan
satuan lebar saluran keberadaan end sill.
serta bilangan Froude dari segi

pendekatan analitik memenuhi persamaan
Loncatan Air Dengan Ambang
momentum dari hasil analisa suatu
Loncat air yang terbentuk disebelah
fenomena aliran yang terjadi
hilir suatu bangunan pintu air atau
(Chow,1985). Subramanya. (1986),
bendung pada dasarnya dapat
Legono (1990) mengatakan kondisi aliran
dikendalikan atau diarahkan dengan suatu
bebas dicapai bila aliran di depan pintu
bangunan tertentu. Pengendali loncat air
adalah subkritik dan di belakang pintu
tersebut dapat berbentuk macam-macam,
berupa aliran superkritik pada kondisi
antara lain dengan pelimpah ambang
inilah terjadi loncat air (hydraulics jump).
tipis, pelimpah ambang lebar, balok
Pada sebagian besar bangunan irigasi,
peredam energi (baffle block), suatu
sering ditemui fenomena loncat air, pada
penurunan atau kenaikan mendadak pada
saat terjadi perubahan aliran superkritik
lantai saluran, atau membuat pelebaran
JURNAL REKAYASA SIPIL / Volume 7, No.2 – 2013 ISSN 1978 - 5658 120
pada ujung apron. Pembuatan ambang di Untuk analisis menggunakan apron
akhir kolam olak (end sill) dimaksudkan dan end sill serta buffle block hanya
untuk mengendalikan agar loncat air dilakukan pada saluran 1 yaitu saluran
terjadi di dalam kolak olak. Forster dan mendatar dengan pintu sorong. Ada tiga
Skrinde dalam Chow. V.T,(1959). macam variasi model (M1-M3) yaitu
apron kosong; apron dan end sill; apron
METODE PENELITIAN dan buffle block, lima macam variasi
Rancangan Penelitian debit (Q1-Q5) dan satu macarn kondisi
Penelitian ini merupakan penelitian bukaan pintu hilir (K1) yaitu kondisi
eksperimen berupa simulasi integrasi loncat air di hilir pintu. Macam-macam
numerik dengan program bantu excel model yang dipakai adalah M1 = model
pada pintu air menggunakan peredam dengan apron kosong, M2 = model
energi (end sill dan buffle block) di hilir dengan apron dan end sill, M3 = model
pintu air. Model ditampilkan dalam dengan apron dan baffle block. Kondisi
Gambar 1. Model test berupa saluran loncat air yang digunakan adalah K1 -
sekunder. Saluran 1 adalah saluran kondisi loncat air di hilir pintu hulu.
mendatar dengan pintu sorong (sluice
gate), saluran 2 adalah saluran mendatar ANALISIS DAN PEMBAHASAN
dengan pintu sorong diatas ambang datar Hasil analisis perhitungan
(broad crested weir). Data sekunder kedalaman gerusan dan pola gerusan
untuk variasi debit (Q = 155, 233, 311, loncatan hidraulik yang melalui bawah
389, 467 l/det, dengan variasi bukaan pintu sorong (sluice gate) pada saluran
pintu a = 6, 9, 12 cm; a = 6 cm dan a = mendatar (saluran 1) dengan tiga jenis
1 2 1
6, 9, 12 cm; a = 12 cm.) model (M1 yaitu apron kosong, loncat air
2
di hilir pintu, variasi debit Q1 – Q5; M2
yaitu apron dan end sill, loncat air di hilir
pintu, variasi debit Q1 – Q5; M3 yaitu
apron dan buffle block, loncat air di hilir
pintu, variasi debit Q1 – Q5)
menggunakan data sekunder berupa nilai
debit (Q = 155, 233, 311, 389, 467 l/det,
dengan variasi bukaan pintu a = 6, 9, 12
1
cm; a = 6 cm dan a = 6, 9, 12 cm; a =
2 1 2
12 cm.). Selengkapnya ditampilkan
dalam Gambar 2 s.d Gambar 19 yaitu
pola gerusan terhadap panjang loncatan.

Dari Gambar 20, kondisi yang terjadi
adalah:
1. Pada saat kombinasi bukaan pintu a1 =
6 cm, a2 = 6 cm
a. Variasi debit (lima debit)
mengalami peningkatan (Q
=155,86 – 467,45 l/det); efeknya
adalah loncatan hidraulik semakin
panjang (Lj = 79,49 – 115,71 cm);

Gambar 1. Model Test Saluran Sekunder
Dan Pembagian Section Pada Saluran

JURNAL REKAYASA SIPIL / Volume 7, No.2 – 2013 ISSN 1978 - 5658 121
Gambar 2. Grafik Pola Gerusan (hm) Terhadap Panjang Loncatan Hidraulik (6/6), J1

Gambar 3. Grafik Pola Gerusan (hm) Terhadap Panjang Loncatan Hidraulik (6/9), J1

Gambar 4. Grafik Pola Gerusan (hm) Terhadap Panjang Loncatan Hidraulik (6/12), J1

Gambar 5. Grafik Pola Gerusan (hm) Terhadap Panjang Loncatan Hidraulik (12/6), J1

JURNAL REKAYASA SIPIL / Volume 7, No.2 – 2013 ISSN 1978 - 5658 122
Gambar 6. Grafik Pola Gerusan (hm) Terhadap Panjang Loncatan Hidraulik (12/9), J1

Gambar 7. Grafik Pola Gerusan (hm) Terhadap Panjang Loncatan Hidraulik (12/12), J1

Gambar 8. Grafik Pola Gerusan (hm) Terhadap Panjang Loncatan Hidraulik (6/6), J2

Gambar 9. Grafik Pola Gerusan (hm) Terhadap Panjang Loncatan Hidraulik (6/9), J2

JURNAL REKAYASA SIPIL / Volume 7, No.2 – 2013 ISSN 1978 - 5658 123
Gambar 10. Grafik Pola Gerusan (hm) Terhadap Panjang Loncatan Hidraulik (6/12), J2

Gambar 11. Grafik Pola Gerusan (hm) Terhadap Panjang Loncatan Hidraulik (12/6), J2

Gambar 12. Grafik Pola Gerusan (hm) Terhadap Panjang Loncatan Hidraulik (12/9), J2

Gambar 13. Grafik Pola Gerusan (hm) Terhadap Panjang Loncatan Hidraulik (12/12), J2

JURNAL REKAYASA SIPIL / Volume 7, No.2 – 2013 ISSN 1978 - 5658 124
Gambar 14. Grafik Pola Gerusan (hm) Terhadap Panjang Loncatan Hidraulik (6/6), J3

Gambar 15. Grafik Pola Gerusan (hm) Terhadap Panjang Loncatan Hidraulik (6/9), J3

Gambar 16. Grafik Pola Gerusan (hm) Terhadap Panjang Loncatan Hidraulik (6/12), J3

Gambar 17. Grafik Pola Gerusan (hm) Terhadap Panjang Loncatan Hidraulik (12/6), J3

JURNAL REKAYASA SIPIL / Volume 7, No.2 – 2013 ISSN 1978 - 5658 125
Gambar 18. Grafik Pola Gerusan (hm) Terhadap Panjang Loncatan Hidraulik (12/9), J3

Gambar 19. Grafik Pola Gerusan (hm) Terhadap Panjang Loncatan Hidraulik (12/12), J3

Gambar 20. Kondisi Aliran Sebelum Dipasang End Sill

angka Froude menunjukkan aliran Debit, loncatan hidraulik, kecepatan
superkritis untuk peningkatan aliran, kedalaman gerusan meningkat
debit (Fr = 1,65 – 1,57) karena merupakan kondisi benar dan normal,
tidak ada penghalang (end sill dapat terjadi dan terukur pada saat
atau buffle block) di hilir pintu kondisi aliran stabil (pembagian debit
(free flow); kecepatan aliran aliran saluran 1 dan saluran 2 pada saat
meningkat (v = 130,7 – 402,3 tertentu mencapai konstan). Hasil angka
cm/detik). Froude menunjukkan aliran superkritis
a. kedalaman gerusan meningkat yang berarti bahwa akan selalu terjadi
(hm = 30,67 – 94,44 mm, gerusan pada saluran tersebut.
menggunakan faktor keamanan 2. Pada saat kombinasi bukaan pintu a1 =
1,5). 6 cm, a2 = 9 cm.
b. jarak bukaan pintu ke awal loncat a. Variasi debit (empat debit)
air nilainya meningkat (La = 66,7 mengalami peningkatan (Q =253,86
– 91,3 cm). – 517,54 l/det); efeknya adalah
loncatan hidraulik bervariasi (Lj
=120, 81, 98 dan 103.7 cm); angka
JURNAL REKAYASA SIPIL / Volume 7, No.2 – 2013 ISSN 1978 - 5658 126
Froude menunjukkan aliran Variasi loncatan hidraulik,
superkritis untuk peningkatan debit kecepatan aliran dan kedalaman gerusan
(Fr = 1,61 – 1,43) karena tidak ada terjadi karena masih terjadi adanya
penghalang (end sill atau buffle ketidakseimbangan pembagian aliran
block) di hilir pintu (free flow); sehingga pengukuran kedalaman aliran
kecepatan aliran bervariasi (v = y1, y2, yp dan y3 tidak menunjukkan
323, 267, 302, 345 cm/detik). semakin besar nilai debit akan semakin
b. Kedalaman gerusan bervariasi (hm besar nilai kedalaman aliran loncatan
= 76, 63, 71, 81 mm menggunakan hidraulik. Hasil angka Froude
faktor keamanan 1.5). menunjukkan aliran superkritis yang
c. Jarak bukaan pintu ke awal loncat berarti bahwa akan selalu terjadi gerusan
air nilainya bervariasi (La = 93, 59, pada saluran.
63, 73 cm).
Variasi loncatan hidraulik, 4. Pada saat kombinasi bukaan pintu a1 =
kecepatan aliran, jarak bukaan pintu ke 12 cm, a2 = 6 cm.
awal loncat air dan kedalaman gerusan a. Variasi debit (lima debit)
terjadi karena adanya ketidakseimbangan mengalami peningkatan (Q =65,21
pembagian aliran (pembagian aliran – 295,99 l/det); efeknya adalah
belum mencapai konstan/stabil antara loncatan hidraulik bervariasi (Lj =
saluran 1 dan saluran 2 pada waktu 71, 97, 80, 89, 99 cm); angka
tertentu) sehingga pengukuran kedalaman Froude menunjukkan aliran
aliran y1, y2, yp dan y3 tidak superkritis untuk peningkatan debit
menunjukkan semakin besar nilai debit (Fr = 1,79-1,54) karena tidak ada
akan semakin besar nilai kedalaman penghalang (end sill atau buffle
aliran loncatan hidraulik. Hasil angka block) di hilir pintu (free flow);
Froude menunjukkan aliran superkritis kecepatan aliran meningkat (v =
yang berarti bahwa akan selalu terjadi 145,6 – 403,1 cm/detik).
gerusan pada saluran. b. Kedalaman gerusan meningkat (hm
= 34,17 – 94,61 mm menggunakan
3. Pada saat kombinasi bukaan pintu a1 faktor keamanan 1.5).
= 6 cm, a2 = 12 cm c. Jarak bukaan pintu ke awal loncat
a. Variasi debit (empat debit) air nilainya meningkat (La = 58,5 -
mengalami peningkatan (Q =127,21 78,8 cm).
– 299,92 l/det); efeknya adalah Debit, kecepatan aliran, kedalaman
loncatan hidraulik bervariasi (Lj gerusan meningkat merupakan kondisi
=95, 91, 80 cm); angka Froude normal, masih terjadi gerusan
menunjukkan aliran superkritis ditunjukkan oleh kondisi aliran yang
untuk peningkatan debit (Fr = 1,65 superkritis.
– 1,34) karena tidak ada
penghalang (end sill atau buffle 5. Pada saat kombinasi bukaan pintu a1
block) di hilir pintu (free flow). = 12 cm, a2 = 9 cm.
kecepatan aliran bervariasi (v = a. Variasi debit (empat debit)
306, 258, 275, 297 cm/detik). mengalami peningkatan (Q =
b. kedalaman gerusan bervariasi (hm 233,76–276,19 l/det); efeknya
= 72, 61, 64, 69 mm menggunakan adalah loncatan hidraulik
faktor keamanan 1.5). meningkat (Lj = 95,58 – 98,74 cm);
c. jarak bukaan pintu ke awal loncat angka Froude menunjukkan aliran
air nilainya meningkat (La = 52 - superkritis untuk peningkatan debit
61 cm). (Fr = 1,57-1,52) karena tidak ada
JURNAL REKAYASA SIPIL / Volume 7, No.2 – 2013 ISSN 1978 - 5658 127