Keairan
THE FORMATION OF STATIC ARMOUR LAYER WAS EFFECT ON THE STABILITY OF RIVER BAD (130A) Cahyono Ikhsan1, Solichin2, Siti Qomariyah3, Agus Prijadi Saido4 1
Candidate Doctor Program in Civil Engineering Universitas Gadjah Mada Email:
[email protected] 1,2,3,4 Lecturer, Sebelas Maret University of Civil Engineering Faculty
ABSTRACT The movement of water over a bed of sediment results in the entrainment of particles. In water worked graded river beds, the finer sediment will be entrained earlier than the larger particles or armour layer. Basic questions regarding armour layers need to be resolved is mechanism armour layers and the relevant properties of an armour layer can they be predicted. The study focused on observations of shear stress on the condition of passive and active on the formation of armor layer at a constant discharge. Hydraulics laboratorium studies using the main sediment-recirculating flume of plexiglass dimensionless width 0.60 m, length of 10.00 m, a depth of 0.45 m and a channel slope of 1% to 3%. The flume experiments created armoured beds testing 5 sediment mixtures with a composition of 70% gravel, 30% sand, and 4 flow rates constant discharge capacity of 25 l/s, 30 l/s, 40 l/s and 45 l/s. Running on low flow 3 phases which phase degradation, phase equilibrium and phase armour The instruments used between digital current meter, point gauge meter, sediment feeder, trap sediment, and surfer software version 8.0. The results are shown armour layer structure changes and changes in surface topography. While the grain size profile armour layer more upright, this condition indicates that the formation of armour layer effect on the stability of the channel. Key word : shear stress, armour layer, grain size, stability, flume 1.
PENDAHULUAN
Interaksi antara sedimen dasar dan aliran di sungai merupakan sesuatu yang menarik, dan pengetahuan mengenai hal tersebut berkaitan dengan karakteristik sungai tersebut. Adanya lapisan armour merupakan fenomena umum pada sungai dengan dasar gravel. Lapisan armour terbentuk ketika tegangan geser yang terjadi lebih besar dari tegangan geser kritis butir sedimen, sehingga secara selektif butiran bergerak. Sedimen yang bergerak terjadi pada posisi yang tidak stabil, sedangkan sedimen yang stabil tetap tinggal dan melindungi sedimen disekelilingnya. Tidak semua butir sedimen bergerak pada waktu yang bersamaan, dikarenakan gerakan aliran turbulent, gradasi sedimen dasarnya dan tekanan hidrodinamik yang terjadi secara fluktuatif. Pada kondisi kritik, sedimen yang terangkut, terjadi secara selektif bergerak masuk pada rongga-rongga butir dan tertinggal diantara butiran yang lebih besar. Ketika terjadi peningkatan tegangan geser dasar saluran, sedimen yang mengumpul secara statis meningkat dan lapisan armor mulai terbentuk. Lapisan armour adalah lapisan dengan ukuran diameter rata-rata lebih besar dari pada ukuran lapisan sedimen dasar yang berada di bawahnya. Banyak pakar yang sudah membahas fenomena sedimen gravel yang dicampur dengan butir halus (bedload), dan simulasi numerik (misalnya Parker, 1990; Wathen et al., 1995; Wilcock dan McArdell, 1993). Riset tersebut pada kondisi equilibrium, yang memperhatikan faktor degradasi dasarnya. Dalam beberapa penelitian tentang sedimen yang terangkut, diutarakan oleh (Tait et al,1992; Proffitt dan Sutherland, 1983) sedangkan dinamika pengkasaran lapisan dasar permukaan (Sutherland, 1987) menggunakan distribusi ukuran bedload untuk menggambarkan proses pembentukan armour. Peper ini menyajikan tentang proses angkutan bedload, perubahan struktur armour layer dan topografi sedimen dasar selama proses degradasi berlangsung, dengan melakukan riset di laboratorium tentang variasi kemiringan dasar saluran, komposisi sedimen dasar dan debit aliran, yang berpengaruh pada pembentukan lapisan armour.
Konferensi Nasional Teknik Sipil 7 (KoNTekS 7) Universitas Sebelas Maret (UNS) - Surakarta, 24-26 Oktober 2013
A - 101
Keairan
2.
STUDI LITERATUR
Lapisan armouring terjadi ketika arus pada saluran menggerakan sedimen (dengan diameter butir yang lebih kecil) yang terjadi secara selektif, sedimen tersebut pada posisi yang tidak stabil, sedangkan sedimen yang tertinggal memiliki ukuran butir rerata yang lebih besar dari sedimen dibawahnya. (Best 1993; Chin 1985; Nino dan Musalem 2000). Lapisan armour yang terdiri dari gravel bed, secara umum membentuk formasi klaster, di mana ukuran kecil dan ukuran medium partikel berkumpul di sekitar partikel yang lebih besar untuk membentuk struktur yang lebih stabil (Brayshaw et al. 1983). Lapisan armour terdiri atas susunan sedimen parsial yang terbentuk secara klaster dengan kondisi yang stabil pada tiap butir penyusunnya. Formasi klaster tersebut berpengaruh langsung terhadap angkutan bedload dan stabilitas dasar saluran. Secara langsung pembentukan lapisan armouring disusun dalam formasi klaster atau secara tidak langsung adanya pengurangan angkutan sedimen dasar disekitar partikel penyusun lapisan armouring (Strom et al. 2004). 3.
METHODOLOGI
Pada percobaan degradasi, sedimen dasar yang terangkut maupun sedimen yang tertinggal sangat dipengaruhi oleh besarnya debit yang terjadi, kemiringan dasar saluran, kondisi sedimen dasar yang berkaitan dengan kekasaran dan geometrik penampang salurannya. Gambar 1.
E:#8
?<@0& 8,B
* < B * < B * < B *< B )?
(1 Gambar 1. Setting eksperimen Pada percobaan ini tidak ada angkutan suspended load yang terangkut bersama aliran, sedangkan bedload berada tetap di dasar saluran. Sedimen gravel terdiri dari fraksi butir yang menyusun struktur lapisan dasar dengan ukuran butir yang relatif lebih besar dengan kondisi yang stabil (armour layer). Eksperimen armour layer dilakukan di Laboratorium Hidraulik Universitas Gadjah Mada. Flum berbentuk segi empat dengan dimensi lebar 60 cm, tinggi 45 cm dan panjang 10 m, flume terbuat dari plexiglass, seperti Gambar 2. Material dasar yang digunakan merupakan fixed bed (dasar tetap). Pada saat running di flume menggunakan debit konstan yaitu 25 l/s, 30 l/s, 40 l/s dan 45 l/s. Pengambilan gambar dengan photographs dilakukan pada daerah pengamatan pada durasi waktu yang sudah ditetapka selama eksperimen.
Konferensi Nasional Teknik Sipil 7 (KoNTekS 7)
A - 102
Universitas Sebelas Maret (UNS) - Surakarta, 24-26 Oktober 2013
Keairan
Gambar 2. Flume Gravel yang akan dijadikan sebagai bahan eksperimen di pisah dalam 4 ukuran gravel yang berbeda dan masingmasing dicat dengan warna berbeda. Batas ukuran diameter butir tersebut adalah D30, D50, D80 dan D95. Adapun warna yang dipakai adalah kuning, hijau, merah dan putih disesuakan dengan diameternya. Penerangan yang digunakan dengan 4 lampu yang digunakan di atas permukaan flume dan 2 lampu disamping flume. Pada saat running, flume dilengkapi dengan adjustable yang bisa disetel, data yang diperoleh dicatat pada tabel. Bagian yang akan diuji dicatat pada tabel yang berbeda, dengan dasar sedimen yang tetap pada masing-masing percobaan. Penggunaan currenmeter untuk mengukur kecepatan aliran flume. Sedimen dasar (bed load) disebar dengan ketebalan 150 mm dari dasar flume. Material yang dipakai diambil dari sungai kemudian dilakukan analisis saringan dengan sieve analysis kemudian diperoleh grafik distribusi grain size Gambar 3. Selanjutnya dilakukan analisis penghitungan awal sedimen dasar dengan parameter seperti pada tabel 1. Kondisi seperti ini dilakukan pada setiap running.
<,49=4D0",>0<4,7B;0<4809>
1490<
=1C5A91<
=1C5A91<
=1C5A91<
=1C5A91<
=1C5A91<
4,80>0<88
Gambar 3. Grain size material distribution
Konferensi Nasional Teknik Sipil 7 (KoNTekS 7) Universitas Sebelas Maret (UNS) - Surakarta, 24-26 Oktober 2013
A - 103
Keairan
),- * = B,6 == D '?
8 45@C8==
B1>4
L3AB895<4B;7 =
4== 4== 4== 4== 4==
Gambar 3. merupakan batasan kondisi sedimen dasar yang dinyatakan dengan grafik grain size, sedangkan nilai tegangan geser kritik pada beberapa fraksi butir yang diestimasi oleh kurva tegangan geser Shields. Nilai tegangan geser pada kurva tersebut termasuk tegangan geser pada dinding dan dasar saluran. Penghitungan besarnya tegangan geser pada butir sedimen dasar memberikan batasan tentang kondisi sedimen. Pada percobaan ini, nilai batas fraksi butir yang terangkut pada kondisi dimana nilai tegangan geser fraksi butir tesebut lebih kecil dari tegangan geser kritis, demikian juga sebaliknya maka faksi butir tersebut tetap diam (static). Tab.1 Pada eksperimen ini, mula-mula sedimen disebar merata di tengan flume dengan batas kedalaman 150 mm dari batas dasar (gambar 1). Selanjutnya air mengalir dan membawa butir sedimen yang lepas, kemudian debit dinaikkan dan diamati sampai tercapai kondisi aliran uniform flow, dan pengukuran bisa dimulai. Running terus dilakukan sampai sedimen yang tertangkap berkurang sampai dengan kurang lebih 1% dari nilai awal sebaran, kondisi ini tercapai antara 7 sampai 8 jam Setiap running dilakukan pengukuran secara periodik yaitu debit, temperatur, kemiringan dasar, profil muka air, sedimen dasar yang terangkut, composisinya serta campuran sedimen dasar. Pada waktu tertentu dilakukan pemotretan permukaan sedimen dasar. Pengukuran debit dapat dicapai dengan alat currenmeter. Jumlah sedimen yang terangkut dan komposisi bedload ditentukan sesuai dengan interfal waktu untuk setiap jenis sampel pada saat running. Pada dimensi lateral sedimen bedload tertangkap sepanjang arah melintang. Pengukuran sepanjang flume dilakukan pada tiga lokasi yaitu pada tengah, kanan dan kiri selebar 15 cm. Pengukuran pada tiap fraksi butir dilakukan dengan alat point gauge untuk sedimen armour pada flume. Pengamatan dilakukan dengan membuat grid pada area 5 x 5 cm dan 2.5 m di atas sedimentrap. 4.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Komposisi Armour Layer Komposisi lapisan armour seperti yang dijelaskan oleh Fripp dan Diplas (1993) bahwa untuk menentukan dan mengidentifikasi composisi armour diambil dari sedimen dasar hasil penelitian. '?92<,49=4D08,>0<4,7
1490<
?A979>1<=1C5A91<
,6
,6
,6
,6
,6
4,80>0<88
Figure 4. Grain size distribusi armour layer Pada Gambar 4 merupakan stuktur komposisi akhir dari sedimen dasar, dimana sedimen tersebut memiliki kekasaran dasar pada butir penyusunnya (D50 = 15 mm). Pada final bed butiran penyusun dengan rasio prosentase 13,08 pasir. Pada tabel 2 nampah bahwa pada proses finalbed sedimen dasar memiliki kekasaran yang lebih bila dibandingkan dengan awal sedimen dasarnya (sebelum running). Struktur finalbed terdiri dari d84 (64%). Pada distribusi Konferensi Nasional Teknik Sipil 7 (KoNTekS 7)
A - 104
Universitas Sebelas Maret (UNS) - Surakarta, 24-26 Oktober 2013
Keairan
grain size, nampak bahwa pada eksperimen dengan menggunakan kemiringan yang paling curam dan semakin besar ukuran butir maka hambatan aliran juga semakin besar. Bedload transport
Gambar 5. Bedload transport capacity Pada saat awal pelaksanaan running, sudah terjadi peningkatan jumlah sedimen yang terangkut dan menunjukkan kecenderungan bahwa sedimen yang terangkut meningkatan mulai dari diameter butir yang kecil, namun masih dibawah rata-rata ukuran medium. Pada gambar 5 menunjukkan bahwa sedimen bedload yang terangkut pada setiap waktu dalam beberapa percobaan, jumlah sedimen yang terangkut pada fase 1 lebih tinggi bila dibandingkan dengan fase sesudahnya. Pada fasa 1 terjadi gerusan pada dasar saluran sehingga terjadi rekontruksi sedimen dasar. Prilaku angkutan sedimen tersebut merupakan tipikal dari pecobaan degradasi. Pada fase 2, terjadi keseimbangan (equilibrium) pada sedimen yang masuk (inflow sediment) dengan sedimen yang terangkut keluar (outflow sdiment). Pada fase akhir (fase 3) sedimen diatur kembali dimana permukaan dasar merupakan permukaan yang kasar, sehingga memiliki resistance (hambatan) yang tinggi terhadap erosi pada sedimen asal. Sedimen yang terangkut dari dasar permukaan (fase 3) terjadi secara sporadis alami, sehingga nampak permukaan yang lebih kasar. Kemiringan garis energi Pada gambar 6, menyajikan rangkuman secara umum tentang kondisi eksperimen dan perubahan dasar saluran yang terjadi selama eksperimen yang meliputi degradasi dasar saluran, pembentukan lapisan armouring serta perubahan kemiringan garis energi.
<,146(1>0<3,/,;,<8:?<7,C0<
%1==
C 0 B
,6
Gambar 6. Armour layer
Konferensi Nasional Teknik Sipil 7 (KoNTekS 7) Universitas Sebelas Maret (UNS) - Surakarta, 24-26 Oktober 2013
A - 105
Keairan
Pada setiap eksperimen tentang proses pembentukan lapisan armour diawali dengan penurunan kemiringan dasar saluran, peningkatan kekasaran dasar dan penambahan kedalaman aliran. Sedangkan kedalaman degradasi sedimen dasar meningkat seiring dengan penambahan kedalaman aliran, dan pada kondisi tertentu akan dicapai kondisi aliran seragam. Setelah dicapai kondisi permukaan armour, selanjutnya dilakukan pengukuran profil permukaan dasar dengan menggunakan point gauge, seperti Gambar 7. Nampak bahwa permukaan dasar tidak rata, dan banyak gerusan, namun demikian masih memiliki bentuk yang sebangun dengan pola yang memanjang.
Gambar 7. Topografi Bed armour Perubahan yang terjadi pada sedimen dasar dengan terbentuknya permukaan butir kasar, dimana butir kasar tersebut melindungi butiran halus. Pada eksperimen ini sudah terbentuk lapisan armour yang melindungi sedimen disekelilingnya. 5.
KESIMPULAN 1. 2. 3.
Armour layer merupakan lapisan pelindung dasar sungai yang terjadi dari proses degradasi dasar saluran. Peningkatan tegangan geser dasar menyebabkan pembentukan armour layer secara linier terhadap kemiringan garis energi. Efek tegangan geser sangat berpengaruh terhadap stabilitas dasar saluran.
REFERENCES Crowe, J.C. and Lu Tan, 2010,” An Investigation of Bed Armoring Process And The Formation of Microclusters ”. Joint Federal Interagency Conference, Las Vegas. Hassan, M.A. and Church, M. (2000) Experiments on surface structure and partial sediment transport on a gravel bed. Water Resources Research, 36(7) Wilcock, P.R., 2001, “Toward a practical method for estimating sediment-transport rates in gravel-bed rivers”, Earth Surface Processes and Landforms, v. 26, p. 1395-1408. Wilcock, P.R. and J.C. Crowe, 2003,” Surface-based transport model for mixed size sediment”, Journal of Hydraulic Engineering, v. 129, p. 120-128. Wilcock, P.R. and J.C. Crowe, 2005,” Effect of sand Supply on transport rates in a gravel bed channel”. Journal of Hydraulic Engineering, v. 131, no.11 : 961-967.
Konferensi Nasional Teknik Sipil 7 (KoNTekS 7)
A - 106
Universitas Sebelas Maret (UNS) - Surakarta, 24-26 Oktober 2013
