BAB V ANALISIS HIDROLIS DAN STRUKTUR BENDUNG
5.1 Uraian Umum 5.1.1 Latar Belakang Pembangunan Bendung Kaligending menjadi bendung permanen untuk melayani areal seluas 2948 ha, dengan tinggi mercu 2 m dan lebar intake 3 x 1,90 m selesai pada tahun 1992. Keberadaan Bendung Kaligending tersebut oleh masyarakat dianggap sebagai penyebab timbulnya banjir dibagian hulu, sehingga oleh masyarakat diusulkan untuk dibongkar (Direktorat Jenderal Sumber Daya Air ,2004, melakukan studi dan analisis teknis kebutuhan air dan masalah banjir). Pada tahun 1999 mercu bendung dibongkar hingga lantai bendung. Dengan dibongkarnya mercu bendung ini maka air dari bendung ini tidak dapat masuk kesaluran induk seperti yang direncanakan semula melalui pintu pengambilan bendung yang ada. Jalan keluar yang telah diambil untuk mengatasi kebutuhan air di Daerah Irigasi Kaligending adalah dengan memberikan suplesi sebesar 3m3/dt kesaluran Induk Kaligending dari Saluran Induk Wadaslintang Barat melalui bangunan suplesi yang berjarak ± 7 km di hilir Bendung Kaligendung. Tetapi permasalahan yang terjadi adalah dengan pemanfaatan air (suplesi) dari Wadaslintang untuk DI. Kaligending secara kontinyu pada jangka waktu yang panjang akan mengurangi manfaat waduk, dimana sebenarnya sangat diperlukan pada masa kering. Dari permasalahan tersebut perlu adanya modifikasi Bendung Kaligending agar air dapat mengalir melalui pintu pengambilan sehingga dapat mengurangi suplesi dari Waduk Wadaslintang. Bangunan suplesi itu sendiri nantinya tidak dilakukan perubahan yang sewaktu-waktu dapat difungsikan kembali pada saat kekurangan air atau musim kering. Usaha memodifikasi Bendung Kaligending sebelumnya pernah dilakukan oleh PT. Virama Karya (November 1999) yaitu dengan membuat kombinasi antara bendung karet dan pintu sorong. Namun modifikasi tersebut menemui banyak kendala seperti:
ANALISIS HIDROLIS
107
•
Meskipun pada saat banjir pintu sorong dibuka dan Bendung Karet dikempiskan, namun untuk itu diperlukan waktu, sehingga akumulasi bahan endapan di hulu bendung akan tetap terjadi sehingga akan menaikkan dasar kali, walaupun berangsur-angsur akan hanyut terbawa aliran. Dengan demikian pada saat banjir pertama (awal) akan berpengaruh terhadap permukaan air banjir di bagian hulu.
•
Dibangunnya kombinasi Bendung Karet dan Bendung Gerak dengan pintu sorong akan membutuhkan biaya konstruksi yang mahal dan diperlukan tenaga tambahan untuk O & P Bendung.
Karena beberapa masalah tersebut maka rencana untuk memodifikasi Bendung Kaligending dengan mengkombinasikan antara Bendung Karet dan Bendung Gerak dibatalkan.
5.1.2
Perencanaan Modifikasi Bendung Kaligending Dari hasil diskusi yang telah dilakukan oleh konsultan dan berbagai instansi
yang terkait dalam penanganan Review Desain Bendung Kaligending, telah disepakati bahwa yang dianggap paling sesuai untuk diterapkan dalam menangani permasalahan di Bendung Kaligending adalah Bendung Tipe Konvensional dengan Pengurasan Under sluice. Seperti diketahui bahwa pada umumnya didalam satu unit bendung terdiri dari enam bagian utama, sebagai berikut: - Bangunan badan bendung - Bagunan pintu penguras bendung - Bangunan pintu pengambilan - Bangunan pengendap sedimen (kantong lumpur) - Bangunan pintu penguras kantong lumpur - Bangunan pintu penerus Bendung Kaligending yang ada sekarang, terdiri dari enam bagian utama seperti tersebut diatas. Bagian-bagian bangunan tersebut merupakan satu system bangunan yang berfungsi untuk mengambil air dari Kali Lukulo. Dengan diturunkannya mercu bendung tersebut dari +35.80 menjadi +33.75, maka bagian-
ANALISIS HIDROLIS
108
bagian bangunan yang lain menjadi tidak berfungsi seperti yang direncanakan dan dibangun semula. Atau dengan perkataan lain, karena bagian badan bendung dimodifikasi, maka bagian-bagian bangunan yang lainnya juga harus dimodifikasi agar dapat berfungsi untuk mengambil air dari Kali Lukulo untuk keperluan irigasi bagi sawah-sawah yang pernah dilayani oleh bendung ini sebelum mercu Bendung Kaligending ini dibongkar. Lantai bendung yang ada sekarang ini merupakan bangunan yang tidak menyebabkan banjir secara serius dibagian hulu bendung. Lantai bendung tersebut kondisinya saat ini masih sangat baik. Oleh karena itu bangunan ini akan dimanfaatkan semaksimal mungkin dengan melakukan modifikasi-modifikasi tertentu agar dapat berfungsi dengan baik sesuai dengan rencana semula, yaitu untuk mengairi sawah-sawah seluas 2.948 ha di Daerah Irigasi Kaligending. Satu hal yang penting yang perlu diketahui didalam perencanaan modifikasi Bendung Kaligending ini adalah bahwa elevasi bendung tidak akan dinaikkan dari elevasi yang ada sekarang. Dengan demikian maka konstruksi lantai (apron) depan, dasar mercu bendung dan lantai (apron) hilir Bendung Kaligending yang ada akan dimanfaatkan sebagai mercu ambang lebar. Muka air yang dibutuhkan di depan pintu pengambilan setelah dilakukan analisis oleh pihak-pihak terkait adalah setinggi +33.55 atau setinggi mercu setelah dilakukan pengeprasan. Bagian bendung yang tetap atau tidak mengalami perubahan adalah: •
Lantai Bendung Lantai (apron) bendung yang ada sekarang dengan elevasi +33.75, akan digunakan sebagai mercu bendung ambang lebar, dengan demikian maka didalam modifikasi ini tidak ada rencana menaikkan mercu yang ada sekarang dengan harapan masyarakat yang bermukim di hulu bendung ini dapat menerima usulan ini.
•
Kolam Olak Kolam olak dengan elevasi +32.75 tetap, hanya diakukan evaluasi apakah dimensi kolam olak yang ada sekarang masih memenuhi syarat sebagaimana perencanaan kolam olak seharusnya. Pada bagian hilir
ANALISIS HIDROLIS
109
kolam olak akan dilengkapi dengan pasangan batu kosong untuk mencegah terjadinya penggerusan dasar sungai Bagian bendung yang akan dimodifikasi adalah : •
Saluran Under Sluice Pembuatan saluran under sluice sebagai bangunan penangkap air yang menjaga elevasi tetap pada elevasi M.A.+33.75 atau setinggi mercu bendung. Under sluice
dibuat dengan membongkar lantai existing
+33.75 hingga kedalaman +31.07 pada bagian hulu dan +30.64 pada bagian hilirnya. Saluran under sluice ini memiliki panjang 43.50 m dari hulu bendung sampai pintu penguras bendung. Pembuatan saluran under sluice dimaksudkan supaya sedimen kasar tidak masuk kedalam saluran pengambilan. Karena dengan dibuatnya saluran pengarah pintu penguras bendung yang lebih rendah dari dasar sungai akan menyebabkan lebih besar kemungkinan sedimen masuk kedalam saluran pengarah. •
Bangunan Penguras Bendung Bangunan penguras bendung akan diturunkan dengan elevasi dasar +32.42 tepat diatas plat bagian atas under sluice, sehingga bangunan ini dapat berfungsi untuk membersihkan bahan sedimen yang terkumpul di depan bangunan pengambilan yang dapat mengganggu kelancaran masuknya air dari sungai ke pintu bangunan pengambilan bendung. Lebar pintu penguras bendung existing tetap digunakan yaitu 2 x 1,75 m dan tinggi 1,45 m. Untuk menyempurnakan “pembersihan” bahan sedimen, bangunan penguras bendung akan dilengkapi dengan pintu penguras under sluice dengan ukuran lebar 2 x 1,75 m dan tinggi 1.55 m.
•
Bangunan Pintu Pengambilan Bagunan pintu pengambilan bendung akan diturunkan secukupnya yaitu dari elevasi +34.014 menjadi +32.75 sehingga bangunan pintu pengambilan dapat memasukkan debit sebesar 5.28 m3/dt untuk keperluan pengurasan kantong lumpur yang ada di sebelah hilirnya.
ANALISIS HIDROLIS
110
Sedangkan debit normal yang direncanakan untuk keperluan irigasi adalah 4,40 m3/dt. •
Kantong Lumpur Didalam modifikasi kantong lumpur Bendung Kaligending ini akan dilakukan penurunan elevasi kantong lumpur ini secara keseluruhan dan juga memperbesar dimensi kantong lumpur itu sendiri dengan tujuan menyesuaikan debit yang masuk ke kantong lumpur yang semula hanya 4,8 m3/dt menjadi 5,28 m3/dt untuk keperluan pengurasan kantong lumpur.
•
Penguras Kantong Lumpur Modifikasi bangunan pintu penguras kantong lumpur dan bangunan pintu penerus untuk menyesuaikan perubahan dimensi dan penurunan elevasi pada kantong lumpur.
5.2 Perbaikan Tubuh Bendung 5.2.1
Data Teknis Bendung Kaligending Adapun data teknis yang diperlukan untuk mendesain bendung dan
bangunan pelengkap secara umum adalah sebagai berikut : •
Lokasi Rencana BM. KG.5 Bendung ditetapkan dari peta situasi berada pada : X = 353.861,558 Y = 9.161.753,238 Z = +40.150 Titik BM ( Bench Mark ) bendung digunakan sebagai titik acuan bangunan bendung itu sendiri maupun bangunan pelengkap bendung.
ANALISIS HIDROLIS
111
KG. 3
KG. 3
KG. 2 KG. 2 KG. 1 KG. 1
Gambar 5.1 Sketsa Lokasi Bendung Kaligending Dasar sungai
19.20
Gambar 5.2 Potongan Melintang Sungai KG. 1
ANALISIS HIDROLIS
112
37.92
36.45
32.53
33.13
110.00
lebar dasar sungai pada hulu bendung = 110.00
36.45 0.80 37.92
5.30
0.50
Jarak
1.00
37.20
38.95
+18.00 EL. Tanah Asli
20.00
pasangan batu kali Saluran penguras
Dasar sungai
20.00
16.20
34.50
9.00
37.13
36.83
36.83
33.08
32.53
32.67 40.00
0.40
3.00 0.40 2.00 0.80
Jarak
38.82 38.82 38.78 31.77 31.77 32.67
3.40 38.95 38.95
+18.00 EL. Tanah Asli
53.60
lebar dasar sungai pada bendung = 93.50
Gambar 5.3 Potongan Melintang Sungai KG. 2 jalan raya
Kantong lumpur pasangan batu kali Pasangan batu kali Dasar sungai
5.10
22.60
40.00
8.90
lebar dasar sungai pada hilir bendung = 93.00
Gambar 5.4 Potongan Melintang Sungai KG. 3 Dari gambar diatas dapat ditentukan data-data pada bendung sebagai berikut : ¾ Elevasi dasar sungai di bagian bendung = + 32,67m ¾ Lebar Dasar Sungai di bagian bendung = 93,50 m ¾ Elevasi dasar sungai di hulu bendung
= + 32,53m
¾ Lebar Dasar Sungai di hulu bendung
= 110.00 m
¾ Elevasi dasar sungai di hilir bendung
= + 29.82 m
¾ Lebar Dasar Sungai di hilir bendung
= 93.00 m
ANALISIS HIDROLIS
113
36.71
38.07
29.88
29.82 30.40
30.02 0.80 33.29
4.70
35.02 2.80 36.69 2.00 29.88
5.00
36.97 33.71 3.00 33.71
36.97
38.85
39.00
4.00 7.60
1.00
Jarak
39.14
+19.00 EL. Tanah Asli
3.60
•
Data-data selain di atas yang digunakan dalam perencanaan struktur bendung Kaligending adalah sebagai berikut : ¾ Panjang Sungai (KG. 1 sampai KG. 2) = 42,50 m ¾ Beda Tinggi (+32,67 – +32,53)
= 0,14 m
(dari Pot. KG. 1 sampai KG. 2) ¾ Kemiringan sungai ( 0,14/42,50)
= 0,0033
¾ Debit Banjir Rencana 50 th ( Q50 )
= 1.041 m3/det
87.60
1.50 1.75 1.00 1.75
5.2.2 Lebar Efektif Bendung
450
Pilar
B=93,60
Gambar 5.5 Lebar Bendung Untuk menghitung lebar efektif bendung digunakan rumus sebagai berikut : Rumus : Be = B – 2(n.Kp + Ka)H1 ................................................................. (2.17) di mana : Be
= Lebar efektif bendung (m)
B
= Lebar mercu (m). Untuk lebar bendung tetap dipertahankan seperti keadaan sekarang (existing) yaitu sebesar : (87,60+1,50+2x1,75+1,00)= 93,6 m
Kp
= Koefisien kontraksi pilar (untuk pilar bulat) = 0.01
Ka
= Koefisien kontraksi pangkal bendung (tembok hulu tidak lebih dari 450 kearah aliran) = 0
n
= Jumlah pilar = 2 buah
H1
= Tinggi energi (m)
ANALISIS HIDROLIS
114
Jadi lebar efektif bendung adalah : Be = 93,6 – 2(2*0.01 + 0)*H1 m. Be = 93,6-0.04*H1 5.2.3 Tinggi Air Banjir di Hilir Bendung Diketahui : -
Debit banjir rencana (Q50 ) = 1.041 m3/det
-
Kemiringan sungai
= 0.0033
Rumus : Q = K*R2/3*I1/2*A ................................................... (2.18) A = (b + m h)*h P = b + 2*h* 1 + m 2
R=
A P
K = koefisien strickler = 60 Perhitungan h diperoleh secara coba-coba : Tabel 5.1 Perhitungan Tinggi Air di Hilir Bendung H (m) 1.000 1.500 2.000 2.120
B (m) 93 93 93 93
A 2
(m ) 93.26917 140.1056 187.0767 197.4483
P (m) 103.05539 103.62414 104.21954 104.37013
R (m) 0.9050392 1.3520558 1.7950248 1.8918085
V I 0.0033 0.0033 0.0033 0.0033
K 60 60 60 60
(m/det) 3.2249158 4.2144638 5.0909284 5.2723257
Q 3
(m /det) 300.785 590.47 952.394 1,041.01
Jadi tinggi air banjir rencana di hilir bendung adalah h = 2,120 m dengan debit banjir sebesar Q = 1041,01 m3/det ≈ Q50= 1041 m3/det Elevasi muka air di hilir bendung adalah = elevasi dasar hilir + h = +29,88 + 2,12 = +32,00 m. 5.2.4 Tinggi Air Banjir di Atas Mercu
Lantai Bendung Kaligending yang ada sekarang akan dimanfaatkan sebagai mercu bendung ambang lebar dengan elevasi EL. +33.75. Dengan demikian maka rumus pengaliran melalui mercu bendung yang digunakan adalah sebagai berikut (KP-04, 1986):
ANALISIS HIDROLIS
115
2 2 3/ 2 Q = C d .C v . . .g .bc.h1 ........................................ (2.19) 3 3
di mana : Q
= Debit (m3/det) = 1041 m3/det.
Cd
= Koefisien debit Cd adalah 0,93 + 0,10H1/L untuk 0,1
g
= Percepatan gravitasi (m/det2)
bc
= Lebar mercu bendung (m)
h1
= Kedalaman air hulu terhadap ambang bangunan ukur (m)
Cd dan Cv diasumsikan sebesar 1 maka 1041 = 1*2/3*
2 * 9,81 * (93,6 - 0,04 * H 1 ) * ( H 1 − V 2 / 2 g ) 3 / 2 3
610,59 = (93,6 – 0,04*H1)(H1-1,41)3/2 dengan cara coba-coba diperoleh H1 = 4,90 m Be = 93,6-0,04*4.90 = 93,4 m H1/L = 4,90/44 = 0,112 Cd = 0,93+0,10*0,112 = 0,941 Cv = 1,08 ⎛ ⎞ 1041 ⎟ h1 = ⎜⎜ ⎟ 2 / 3 * 0 , 941 * 1 , 08 * 93 , 4 * 2 / 3 * 9 , 81 ⎝ ⎠
2
3
= 3,459 m V2 5,26 2 H1 = h1 + = 3,459 + = 4,869m ≈ 4,90 m 2g 2 * 9,81
ANALISIS HIDROLIS
116
V2/2g H1=4,90 h1=.3,459 +33.75
+33,46
+32.75 Mercu bendung L=44,00
1,00
Gambar 5.6 Tinggi Air diatas Mercu
5.2.5 Kolam Olak 5.2.5.1 Menentukan Type Kolam Olak Dalam perhitungan kolam olak ini direncanakan pada saat banjir dengan Q50. Untuk mengecek apakah diperlukan kolam olak atau tidak maka perlu dicari nilai Fr (Froude). Rumus : Fr =
V1 g *Y1
Di mana : Fr = Bilangan Froude g = Percepatan gravitasi ( 9.81 m/det2) Z = Tinggi jatuh Z = Tinggi muka air banjir di hulu – tinggi muka air banjir di hilir Z = 33,75 – 32,75 = 1,00 m V1 = Kecepatan awal loncatan = V1 =
2 g (0.5 H 1 + Z )
2 * 9.81 * (0.5 * 4,9 + 1,00 ) = 8,23 m/det
Y1 = Kedalaman air di awal loncatan =
Q50 q = V1 (V1 * Be )
q. = Debit persatuan lebar ( q = Q50/Be ) ⇒ q = Y1 =
1041 = 11,15 m3/dt 93,4
11,15 = 1,35 m 8,23
ANALISIS HIDROLIS
117
8,23 = 2,26 9.81 *1,35
Fr1 =
Y2 = Kedalaman air diatas ambang ujung = Y2 =
)
(
Y1 ⎛ 2 ⎜ 1 + 8 Fr1 − 1⎞⎟ ⎠ 2⎝
1,35 1 + 8 * 2,262 − 1 = 3,69 m 2
Bila 1,7 < Fr ≤ 2,5 maka kolam olak diperlukan untuk meredam energi secara efektif. Kolam olak dengan ambang ujung mampu bekerja dengan baik (KP-04, 1986).
5.2.5.2 Pendimensian Kolam Olak Perhitungan dimensi kolam olak dengan ambang ujung adalah sebagai berikut : hc = kedalaman kritis =
3
q2 ⇒ hc = g
3
11,152 = 2,33 m. 9,81
1,00 Z = = 0,429 hc 2,33 a = 0.28*hc
hc 1,262 ⇒ a = 0.28*1,262* = 0,397 m ≈ 0.5 m. Z 1.00
Lj = 5(n+y2) dimana; Lj = Panjang kolam olak, m n
= Tinggi ambang ujung, m
y2 = Kedalaman air di atas ambang, m Lj = 5 * (0.5+3,69) = 20,95 m Dengan demikian maka panjang kolam olak yang ada (existing) sepanjang 21,85 meter tidak perlu diperpanjang.
ANALISIS HIDROLIS
118
5.2.6 Tinjauan Terhadap Gerusan ¾ Panjang Lindungan
Rumus :
⎛Q⎞ R = 0,47⎜⎜ ⎟⎟ ⎝f ⎠
1/ 3
....................................................................................(2.20)
f = 1,76 Dm1 / 2 di mana : R
= Kedalaman gerusan, bila R > H2 maka terjadi gerusan (m)
Dm = Diameter rata-rata material dasar sungai = 10 mm Q
= Debit yang melimpah diatas mercu (m3/det)
f
= Faktor lumpur Lacey
f = 1.76*Dm0.5 = 1.76*(10)0.5 = 5,57 1/ 3
⎛ 1041 ⎞ R = 0,47⎜ ⎟ ⎝ 5,57 ⎠
= 2,69 m
Untuk keamanan dari turbulensi dan aliran tidak stabil R=1.5 * 2,69 =4,035 m Panjang lindungan dari pasangan batu kosong diambil = 4*R = 4*4,035 = 16,14 m Kolam olak
+32,75
Batu lindung
+29,61
1:10
+30,82
+28,58
16,14 m
Gambar 5.7 Pasangan Batu Lindung Kolam Olak
Data :
Qoutflow
V rata-rata
= 1041 m3/det = Qoutflow/Apenampang
Apenampang = Beff*Hd = 93.4 * 3,459 = 323,07 m2 Vrata-rata
ANALISIS HIDROLIS
= 1041/323,07 = 3,22 m/det
119
Dari grafik untuk perencanaan ukuran pasangan batu kosong didapat D60 sebesar 40 cm.
0.4
3.22
. Gambar 5.8 Grafik untuk Perencanaan Ukuran Pasangan Batu Kosong ¾ Filter
Filter (saringan) berfungsi untuk mencegah hilangnya bahan dasar halus melalui bangunan lindung. Filter harus ditempatkan antara pasangan batu kosong dan tanah bawah (KP-02, 1986).
Pasangan batu kosong
3 Konstruksi
Saringan
Kerikil Kerikil halus
Tanah dasar
2 lindung 1
Tanah dasar
Gambar 5.9 Filter antara pasangan batu kosong dan tanah dasar
ANALISIS HIDROLIS
120
Tebal masing-masing lapisan ditentukan menurut gambar berikut berikut:
Pasangan batu kosong
Saringan
84 cm Kerikil Kerikil halus
Tanah dasar
15cm 5 cm
Tanah dasar
Gambar 5.10 Rencana Tebal Lapisan Batu Lindung
5.3 Desain Bangunan Pelengkap 5.3.1 Perhitungan Dimensi Pintu Penguras Bendung dengan Under sluice
Lubang under sluice Dimensi under sluice ditentukan berdasarkan ketentuan-ketentuan sebagai berikut (KP-02, 1986) : • Tinggi saluran pembilas bawah hendaknya lebih besar dari 1,5 kali diameter terbesar sedimen dasar sungai • Tinggi saluran pembilas bawah sekurang-kurangnya 1,00 m, • Tinggi sebaiknya diambil 1/3 sampai 1/4 dari kedalaman air didepan pengambilan selama debit normal. Ukuran saluran under sluice tersebut adalah sebagai berikut: ¾ Tinggi saluran : 1,25 m ¾ Lebar saluran : 12,30 m ¾ Pintu penguras under sluice 2 buah @ tinggi = 1,45 m, lebar = 1,75 m. ¾ Pintu penguras bendung 2 buah @ tinggi = 1,55 m, lebar 1,75 m.
ANALISIS HIDROLIS
121
lantai bendung Under sluice
Plat ejector Intake
0.30 Beton cyclope 1.25
0.30 0.30
6.00
0.30
6.00
Gambar 5.11 Desain Lubang Under sluice
Pintu penguras bendung B=1.75 m, H=1.55 m Pintu penguras under sluice B=1.75 m, H=1.45 m
1.55
Under sluice
1.45
Gambar 5.12 Desain Pintu Penguras Under sluice
ANALISIS HIDROLIS
122
Kecepatan Aliran dibawah Pintu Penguras Under sluice Kecepatan aliran : Vup = µ * 2 * g (k * z ) ....................................... (2.21) Dimana : Vup = kecepatan aliran di under sluice dibawah pintu (m/dt) z
= perbedaan elevasi permukaan air di hulu dan di hilir under sluice (m)
k
= koefisien pengaliran di under sluice karena sempurna dan tidak sempurnanya pengaliran pada bendung (keadaan sempurna k = 1)
g
= kecepatan gravitasi (m/dt2)
µ
= koefisien kontraksi (0,80)
kecepatan aliran didalam under sluice dibawah pintu penguras pada keadaan : •
Elevasi di hulu bendung setinggi mercu
•
Pengaliran dalam keadaan sempurna dan air dihilir bendung setinggi bagian bawah plat under sluice.
Vup = 0,80 * 2 * 9,81 * (1 * (33,75 − 32,12) = 4,524 m/dt Pintu penguras bendung B=1.75 m, H=1.55 m Pintu penguras under sluice B=1.75 m, H=1.45 m
+33.75 plat under sluice +32.12 Vup = 4,54 m/dt
ANALISIS HIDROLIS
Gambar 5.13 Kecepatan Air dibawah Pintu Under sluice
123
Kecepatan Aliran pada Sistem Under Sluice •
Pada keadaan permukaan air di hulu sungai setinggi elevasi mercu bendung(EL> +33,75), sedangkan elevasi permukaan air di hilir setinggi EL +32,12 (rata dengan plat under sluice bagian bawah) dan pintu penguras bendung dibuka penuh maka besarnya debit melalui lubang under sluice: Qup = A * Vup ............................................................................. (2.22) dimana: Qup = Debit air pada lubang under sluice (m3/dt) A
= Luas penampang under sluice di bawah pintu penguras (m2) = 2*(1,25*1,75) m2
Vup = Kecepatan aliran di under sluice dibawah pintu (m/dt) = 4,524 m/dt Qup = 2*1,25*1,75*4,524 = 19,793 m3/dt Dari hasil perhitungan tersebut maka kecepatan pada mulut under sluice adalah: Vus =
Qup Aus
.................................................................................. (2.23)
Dimana: Vus = Kecepatan pada mulut under sluice (m/dt) Qup = Debit air pada lubang under sluice (m3/dt) = 19,793 m3/dt Aus = Luas penampang mulut under sluice (m2) = 2*(6*1.25) m2 Vus =
19,793 = 1,32 m/dt 2 * (6 * 1,25)
Kecepatan tersebut cukup besar untuk menguras sedimen yang masuk ke saluran under sluice.
ANALISIS HIDROLIS
124
Pintu penguras under sluice B=1.75 m, H=1.45 m Pintu penguras bendung B=1.75 m, H=1.55 m
MA +33.75
+32.12
0.30 +32.62
1.25
Vus=1.32m/dt
Vup=4.54m/dt
1.50 0.40 5.00
3.75
2.00
43,50
Gambar 5.14 Kecepatan di Mulut Under Sluice
5.3.2 Perhitungan Hidrolis Pintu Pengambilan Bendung
Didalam perhitungan debit yang melalui pintu pengambilan bendung konvensional ditetapkan hal-hal sebagai berikut: •
Elevasi mercu bendung : +33,75
•
Debit untuk irigasi (Qn) : 2.948 Ha * 1,49 l/dt/Ha = 4392.52 l/dt = 4,39252 m3/dt ≈ 4,4m3/dt
•
Debit untuk pengurasan kantong lumpur (Qp) : Untuk keperluan-keperluan perencanaan, debit pembilasan diambil 20% lebih besar dari debit normal pengambilan (KP-02, 1986). Qp = 1,20 * 4,40 = 5,28 m3/dt
•
Lebar pintu pengambilan ditentukan (bi) 3 buah @ : 1,90 m (lebar pintu
existing)
ANALISIS HIDROLIS
125
•
Koefisien kontraksi di pintu pengambilan (µ) = 0,80
•
Beda elevasi permukaan air di hulu dan di hilir pintu pengambilan bendung (z) = 0,10 m
•
Gravitasi (g) : 9,81 m/dt2
Besarnya debit Qp = µ*b*hi* 2 * g * z .................................. (2.25) dimana hi adalah tinggi bukaan pintu pengambilan maksimum. hi = hi =
Qp
µ *b* 2* g * z 5,28 0,80 * 3 * 1,90 * 2 * 9,81 * 0,10
= 0,827 m Pintu Pengambilan
Lantai bendung Intake +33.75
+33.65 hi =0.83
+32.48
0.9 +32.75
0.30 Lubang under sluice 1.25 0.30 0.30
6.00
0.30
6.00
Gambar 5.15 Tinggi Bukaan Pintu Pengambilan ANALISIS HIDROLIS
126
5.3.3 Kantong Lumpur
Variabel-variabel yang digunakan untuk perhitungan kantong lumpur tersebut adalah sebagai berikut: •
Diameter butiran sedimen (D) = 0,07 mm
•
Berat jenis sedimen (Gs) = 2,70 ton/m3
•
Berat jenis air (Gw) = 1,00 ton/m3
•
Temperatur air (T) = 200
•
Kemiringan talud (m) = 2
•
Debit untuk irigasi (Qn) = 4,40 m3/dt
•
Debit untuk pengurasan (Qp) = 5,28 m3/det
•
Gravitasi (g) = 9,81 m/dt2
5.3.3.1
Pendimensian Kantong Lumpur
a. Ukuran partikel
Diasumsikan partikel yanng ukurannya kurang dari 70 µm atau 0.07mm terangkut sebagai sedimen layang melalui jaringan irigasi. b. Luas Permukaan Rata-Rata
Di Indonesia dipakai suhu air 20oC. Dengan diameter 70 µm atau 0.07 mm. kecepatan endap w menjadi 0.004 m/det.
LB =
Qn 4,40 = 1100 m2 = w 0.004
untuk mencegah aliran tidak meander di dalam kantong, maka L/B > 8. Karena L/B > 8, maka dapat dihitung : L > 8B ⇒ 8B*B <1100 m2. Jadi B<11,7 m dan L > 93,6 m c. Penentuan In ( eksploitasi normal, kantong sedimen hampir penuh )
Data – data : Asumsi Vn = 0.7 m/det untuk mencegah vegetasi tumbuh dan partikel-partikel besar tidak langsung mengendap di hilir pengambilan (KP-02, 1986).
ANALISIS HIDROLIS
127
Ks = 45 Luas Penampang Basah ( An ) Qn = An*Vn ⇒ An =
Qn 4,40 = 6,29 m2 = Vn 0.7
Dari nilai B < 11,7 m , B = 7 m , kedalaman air hn menjadi :
1,00
An 6.29 = = 0,9m B 7
1,00
hn =
0,90
2,00
2,00 sedimen 7,00
Gambar 5.16 Potongan Melintang Kantong Lumpur Pada Keadaan Penuh
Keliling basah Pn menjadi : Pn = 7 + 2*0.9 1 + 2 2 = 11,02 m Rn = An/Pn = 6,29/11,02 = 0,571 m Maka Kemiringan Saluran ( In ) didapat : Vn = ks * Rn2/3 In1/2 .................................................................... (2.26)
Vn ⎛ ⎞ In = ⎜ 2 / 3 ⎟ * Rn Ks ⎠ ⎝
2
.................................................................. (2.29) 2
⎛ ⎞ 0,70 ⎟⎟ = 0.00051 In = ⎜⎜ 2/3 ⎝ (0,571) * 45 ⎠
d. Penentuan Is ( pembilas, Kantong lumpur kosong ) Data : Qp (Vs)
= 5,28 m3/det = 1.8 m/det
Ks (untuk pembilas) = 40
ANALISIS HIDROLIS
128
Luas (As ) As =
Qs 5,28 = = 2.93m 2 Vs 1.8
Lebar dasar = lebar kantong lumpur(B) = 7 m, maka As = B* hs
1,00
1,00
2,93 = 7* hs ⇒ hs = 0,419 m
0,90
2,00
2,00
0,419 7,00
Gambar 5.17 Potongan Melintang Kantong Lumpur Keadaan Kosong Rs =
As 2,93 = = 0,374m Ps 7 + 2 * 0,419 2
2
⎛ ⎞ Vs ⎛ 1.8 ⎞ ⎟⎟ = ⎜⎜ Is = ⎜⎜ ⎟⎟ = 0.0075 2/3 2/3 ⎝ 0,374 * 40 ⎠ ⎝ ( Rs) * Ks ⎠ Agar pembilasan dilakukan dengan baik maka kecepatan aliran harus dijaga agar tetap subkritis dimana aliran sub-kritis mempunyai Fr < 1 Fr =
V gh
1.8
=
9,8 * 0.419
= 0.89 < 1
e. Panjang kantong Diketahui : hn = 0.9 m Vn = 0.7 m/det W = 0.004 m/det Rumus :
hn L = ................................................................. (2.30) w Vn L 0.9 0,9 * 0,7 ⇒L= = = 157,5m 0.004 0,7 0.004
ANALISIS HIDROLIS
129
diambil L = 160 m > 93.6 m Dari hasil perhitungan diatas diperoleh dimensi kantong lumpur sebagai berikut: •
Lebar dasar kantong lumpur (B) = 7,00 m
•
Kemiringan talud kantong lumpur (m) = 2
•
Kapasitas pintu pengambilan debit untuk irigasi (Qn) = 4,40 m/dt
•
Kapasitas pintu pengambilan debit untuk pengurasan (Qp) = 5,28 m/dt
•
Kemiringan permukaan air di kantong lumpur pada Qn (In) = 0,00051
•
Kemiringan dasar kantong lumpur (Is) = 0,0075
•
Kecepatan aliran pada saat pengurasan (Vs) = 1,8 m/dt
•
Kecepatan pada saat normal p ada yaitu (Vn) = 0,7 m/dt
•
Panjang saluran ada awal kantong lumpur 160 m
I
I
Gambar 5.18 Potongan Memanjang Kantong Lumpur
1,00 2,00
2,00 Sedimen
0.90
variasi
1,00
Muka air normal pengambilan
7,00
Gambar 5.19 Potongan I-I
ANALISIS HIDROLIS
130
5.3.3.2. Pengecekan Efisiensi Kantong Lumpur a) Volume Kantong Lumpur
- Luas kantong lumpur = (0,4+1,65)*0.5*178= 182,45 m2 - volume kantong lumpur = 182,45*7,00 = 1277,15 m3 b) Frekuensi Pengurasan Kantong Lumpur - Diasumsikan bahwa : ¾ Rata-rata konsentrasi sedimen sebesar 0.5 0 00 dari volume air ¾ Bahan sedimen di sungai terdiri dari 80% berupa pasir dan gravel dan
20% berupa silt dan clay. V = 0.0005*Qp*T dimana; V = Volume kantong lumpur, m3 Qp = Debit pengambilan, m3/dt T = Waktu pengurasan 1277,15 = 0.0005*4.40*T T
= 580522.73 = 6,7 hari ≈ 6 hari
dengan demikian maka kantong lumpur harus dikuras setiap 6 hari sekali. c) Perhitungan diameter partikel yang Dapat dikuras Oleh Kantong Lumpur - Besarnya gaya erosive pada saat pengurasan kantong lumpur :
τ
= ρ*g*hc*Ic
dimana :
τ
= Besarnya tractive force pada saat pengurasan (N/m2)
ρ = Berat jenis air (kg) g
= Gravitasi (9,81 m/dt2)
hc = Tinggi air di kantong lumpur pada kondisi pengaliran kritis untuk pengurasan bahan sedimen di kantong lumpur (m) Ic = Kemiringan dasar kantong lumpur Sehingga :
ANALISIS HIDROLIS
131
τ
= 1000*9,81*0,419*0,0075 = 30.8 N/m2
- Dari grafik Shields, diketahui bahwa partikel yang masuk kekantong lumpur dengan diameter sama atau lebih kecil dari 20 mm akan dapat terkuras.
30.08
30.8
Gambar 5.20 Grafik Shields d) Efisiensi Pengurasan Kantong Lumpur - Perhitungan kecepatan aliran air di kantong lumpur pada saat kantong
lumpur kosong endapan Kecepatan pengaliran di kantong lumpur dalam keadaan tidak berisi bahan endapan (kosong endapan) adalah sebagai berikut:
ANALISIS HIDROLIS
132
Dengan panjang kantong lumpur (L) = 160 m dan kedalaman air rencana (hn) 0.9, serta kecepatan aliran (Vr) 0,7 m/dt, maka kecepatan mengendap rencana (W0) sebagai berikut :
hn L h *V 0,9 * 0,7 = ⇒ W0 = 0 r = = 0,00371 m/dt W0 Vr L 160 berdasarkan diagram hubungan antara diameter ayak dan kecepatan endap untuk air tenang, diameter yang sesuai adalah sebesar d0 = 0,066 mm
¾ Diameter butiran sedimen rencana = 0,07 mm dengan kecepatan endap (W) = 0,004 m/dt
¾ Efisiensi pengendapan butiran sedimen (fraksi) berdiameter 0,07 mm sekarang dapat dihitung sebagai berikut : W = 0,004 m/dt W0 = 0,00371 m/dt V0 = 0,7 m/dt 0,004 W = = 1,08 W0 0,00371
W 0,004 = = 0,0057 V0 0,7 Dari diagram Camp, diperoleh efisiensi sebesar 90%. Jadi butiran dengan diameter 0,07 mm akan diendapkan 90% di kantong lumpur.
ANALISIS HIDROLIS
133
90%
1.08
0.0057
Gambar 5.21 Diagram Camp e) Perhitungan Hidrolis pada Pintu Pengurasan Kantong Lumpur
Karena pada pintu penguras kantong lumpur digunakan 3 (tiga) buah pintu dengan lebar @ 1,60 meter dan pilar setebal 1,0 m, akan terjadi penyempitan. Oleh karena itu luas penampang basah pada pintu penguras kantong lumpur harus ditambah dengan cara menurunkan dasar kantong lumpur tersebut, sebagai berikut:
ANALISIS HIDROLIS
134
Pintu pe ng ura s ka ntong lumpur B= 1.60 m, H= 0.85 m
+ 37.01
+ 37.01
0.17
Pila r teb a l 1.00 m
+ 34.21
+ 31,44
Muka air p emb ilasan
Ip= 0.0075 + 31,02
1: 10
Ip= 0.0075
2.00
+ 30.82
8.50
Gambar 5.22 Penguras Kantong
3.00
Lumpur
Luas penampang basah kantong lumpur pada saat pengurasan : b*hs = n*bf*hf dimana: b
= Lebar dasar kantong lumpur (m)
hs = Tinggi air kritis di kantong lumpur (m) hf = Tinggi air di pintu penguras kantong lumpur (m) bf = Lebar pintu penguras kantong lumpur (m) n
= Jumlah pintu penguras kantong lumpur
sehingga : 7,00*0,419 = 3*1,60*hf hf = 0,61 m dengan demikian maka dasar kantong lumpur di tempat pintu pengurasan diturunkan = 0.61 – 0,419 = 0,191 m ≈ 0,2 m
ANALISIS HIDROLIS
135
f) Perhitungan Hidrolis pada Pintu Penerus
Pintu pene rus B= 1,60 m, H= 1.75 m
+ 37.42
0.17
+ 33,57
+ 33,57
0.90 + 32.67
1: 10
+ 32.27 4.00
3.00
Gambar 5.23 Pintu penerus
Luas penampang basah saluran di hulu pintu penerus harus sama dengan luas penampang basah di pintu penerus. bhs*hhs = n*bps*hps Dimana : bhs = Lebar dasar saluran dihulu pintu penerus (7,00m) hhs = Tinggi air di hulu pintu penerus (0,90m) bps = Lebar pintu penerus (m) n
= Jumlah pintu penerus (3 buah)
sehingga :
ANALISIS HIDROLIS
136
hps =
7,00 * 0,90 = 1,3m 3 *1,60
Jadi dasar kantong lumpur didepan pintu penerus diturunkan sebesar 0,4 m Luas penampang basah di hulu pintu penerus : Ahs = bhs*hhs = 7,00*0,9 = 6,30 m2 Kecepatan aliran di hulu pintu penerus : Vhs =
Qn 4,40 = = 0,698m / dt Ahs 6,30
Gambar 5.24 Denah Pintu Pembilas Kantong Lumpur dan Pintu Penerus
ANALISIS HIDROLIS
137
Gambar 5.25 Potongan IV-IV 5.3.4. Perhitungan Hidrolis Gorong-gorong ¾ Perhitungan Hidrolis Saluran Induk Kaligending
Q
= 4,4 m3/dt
K
= 40; b = 5,75 m
m
=1
A
= (b + m*h)*h = (5,75 + 1*h)*h = 5,75h + h2
Q
= A *V; diambil V = 0,8 m/dt
4,4
= (5,75h + h2)*0,8 → h = 0,831 m
P
= b + 2h 1 + m 2 = 5,75 + 2*0,831 1 + 12 = 8,10 m
A
= 5,75*0,831 + 0,8312 = 5,469 m2
R
=
V
= K*R2/3*I1/2 → 0,8 = 40*0,769* I1/2 → I = 0,00068
A 5,496 = 0,675 → R2/3 = 0,7696 = P 8,10
Dimensi saluran induk Kaligending : Q
= 4,40 m3/dt
ANALISIS HIDROLIS
138
B
= 5,75 m
h
= 0,831 m
V
= 0,8 m/dt
I
= 0,00068
m
=1
K
= 40
W
= 0,60 m W = 0,60 m h = 0,831 m
1:m
b= 5,75 m
Gambar 5.26 Penampang Saluran Induk Kaligending ¾ Perhitungan Hidrolis Gorong-gorong
+32,45 Saluran Penerus V Bendung 5,00
+32,61
V
2,50
5,75 Saluran Induk Kaligending
Gorong-gorong 5, 00
13,30
Gambar 5.27 Denah Gorong-gorong
+33,54
+33,55
+33,50
Saluran Penerus 1,10 Bendung +32,45 5, 00
0,90
+32,64
+32,57
Saluran Induk Kaligending
13,30
Gambar 5.28 Potongan V-V
ANALISIS HIDROLIS
139
Kehilangan energi akibat gesekan dapat dihitung dengan rumus : Hf =
V2 * L ............................................................................. (2.31) K 2 * R4 / 3
Dimana; Hf = Kehilangan energi akibat gesekan dinding dan dasar saluran V = Kecepatan aliran (m/dt) L = Panjang gorong-gorong (13,30 m) K = Koefisien kekasaran strickler (K=70) R = Jari-jari hidrolis (m) Luas penampang basah gorong-gorong (A) = 2,50*0,90 = 2,275 m2 Keliling basah gorong-gorong (O) = 2,50 + 2*0,90 = 4,32 m Jari-jari hidrolis (R) = A/O = 2,275/4,32 = 0,527 m Kecepatan aliran didalam gorong-gorong (V) = Q/A = 4,4/2,275 = 1,93 m/dt Kemiringan gorong-gorong yang ada I = 0,07/13,30 = 0,0053 Kehilangan energi : V2 * L Hf = 2 K * R4 / 3 =
1,932 * 13,30 49,541 = = 0,024 m 2 4/3 70 * 0,527 2085,865
Kehilangan energi pada bagian pemasukan gorong-gorong : Vsal =
4,4 = 0,8 m/dt 5 *1,10
Hms = ξ ms *
Hkl
(V3s − Vsal ) 2 ............................................................. (2.32) 2* g
= 0,2 *
(1,93 − 0,8) 2 = 0,013 m 2 * 9,81
= 0,4 *
(1,93 − 0,8) 2 = 0,026 m 2 * 9,81
Jadi kehilangan energi pada bangunan gorong-gorong adalah: ∆h = Hf + Hms + Hkl = 0,024 + 0,013 + 0,026
ANALISIS HIDROLIS
140
