KAJIAN HIDRAULIKA PELIMPAH SAMPING BENDUNGAN RAKNAMO KUPANG NTT DENGAN UJI MODEL FISIK 1:50 1
Christian Aji1, Janu Ismoyo2, Linda Prasetyorini2 Mahasiswa Jurusan Teknik Pengairan, Fakultas Teknik, Universitas Brawijaya 2 Dosen Jurusan Teknik Pengairan, Fakultas Teknik, Universitas Brawijaya e-mail:
[email protected]
ABSTRAK Provinsi Nusa Tenggara Timur termasuk daerah semi kering yang sangat dipengaruhi oleh letak geografisnya. Untuk mengatasi hal tersebut di atas, maka rekayasa teknis dengan membuat sarana penyimpanan air waduk sangat diperlukan, salah satunya adalah rencana pembangunan Bendungan Raknamo di Kabupaten Kupang.Salah satu pekerjaan untuk memantapkan perencanaan adalah uji model fisik hidrolika.Hasil pengujian debit rencana Q2th,Q100th,Q1000th dan Qpmf dapat dialirkan dengan baik.Pada saluran Peluncur juga dilakukan analisa kavitasi dan aliran getar,dengan analisa diperoleh hasil aman oleh bahaya kavitasi dan aliran getar.Peredam tipe USBR II efektif untuk mengalirkan variasi debit rancangan. Pada gerusan lokal hasil perhitungan yang mendekati hasil pengujian adalah metode Zimmerman. Kata kunci : Bendungan Raknamo, Uji Model Fisik Hidrolika, Kavitasi, Aliran Getar, Gerusan Lokal ABSTRACT The province of east Nusa Tenggara is including semiarid area which was strongly influenced by the geographical. To overcome about this ,then created a means of water storage reservoirs for technical engineering is indispensable. One of which is construction of raknamo’s dams planned in kupang. The work of to strengthen the planning is hydraulics physical test model. Test result Q2th,Q100th, and Q pmf can be streamed with either in the launcher duct are also flow cavitation and vibration analyzed. With the analysis result obtained are secure by the cavitation s danger and vibrating flow. USBR II reducer type is effective to circulate the debit variation program. The local scouring calculation approach the results of testing is Zimmerman’s method Keywords: Raknamo’s dam, Hydraulics Physical Model Test, Cavitation Flow Vibrate, Local scouring Keywords: Dam Raknamo, Physical Model Test Hydraulics, Cavitation, Vibrating Flow, Local scouring
PENDAHULUAN Salah satu upaya untuk memenuhi kebutuhan air baku di wilayah Kupang NTT adalah membangun Bendungan Raknamo. Salah satu pekerjaan dalam kegiatan tersebut adalah uji model fisik hidrolika. Dengan adanya dukungan uji model fisik hidrolika diharapkan bisa memantapkan hasil perencanaan, sehingga keamanan bendungan tersebut dapat dipenuhi. Adapun maksud dari kajian ini adalah untuk mencari desain alternatif yang paling sesuai dan memenuhi syarat secara teknis serta memenuhi kaidah – kaidah hidrolika. Sedangkan tujuan dari kajian ini adalah menganalisa kondisi aliran pada bangunan pelimpah dan pelengkap bendungan Raknamo serta untuk mengetahui pemecahan masalah dan pemilihan desain yang sesuai. TINJAUAN PUSTAKA Kapasitas Pengaliran Melalui Pelimpah Pelimpah langsung sebagai salah satu komponen dari saluran pengatur aliran dibuat untuk lebih meningkatkan pengaturan serta memperbesar debit air yang akan melintasi bangunan pelimpah (Sosrodarsono, 1981:181). Rumus yang digunakan untuk menghitung debit di atas pelimpah adalah sebagai berikut:
Q C.L.H 3/2
Gambar 1. Koefisien limpahan dari berbagai tipe bendung
Sumber: Sosrodarsono (1981:182). Kecepatan aliran teoritis pada pelimpah dapat dihitung dengan rumus sebagai berikut (Chow, 1985:378): Vz 2g(Z Hd h z )
Q Vz .h z L Vz F1 g.h z dengan: Q = debit aliran (m3/dt) L = lebar efektif pelimpah (m) Vz = kecepatan aliran (m/dt) g = percepatan gravitasi (m/dt2) Z = tinggi jatuh atau jarak vertikal dari permukaan hulu sampai lantai kaki hilir (m) Hd = tinggi tekanan di atas mercu bendung (m) hz = kedalaman aliran di kaki pelimpah (m) Fz = bilangan froude Saluran Transisi dan Peluncur Profil muka air pada saluran peluncur gelombang alirannya sudah menurun dan relatif berkurang dibanding pada bagian saluran transisi. Rumus pengaliran hidrolika pada saluran transisi dan saluran peluncur secara teori dapat dihitung dengan pendekatan rumus kekekalan energi antara dua pias, yaitu dengan pendekatan Hukum Bernoulli yang secara skematik dapat dijelaskan sebagai berikut:
Gambar 2 Skema penampang memanjang aliran pada saluran peluncur. Sumber: Chow (1989:35). Atau dalam bentuk yang disederhanakan dengan h1 = d1 cos θ dan
h2 = d2 cos θ maka penjelasanya adalah sebagai berikut:
Gambar 3 Skema penampang memanjang aliran pada saluran peluncur yang disederhanakan. Sumber: Chow (1989:239). Persamaan kekekalan energi pada pias penampang saluran transisi dan peluncur adalah sebagai berikut: Z1 = So.∆x + h1 + z2 dan Z2 = h2 +z2 Kehilangan tekanan akibat gesekan adalah: hf = Sf . ∆x = ½ ( S1 + S2 ) ∆x Dengan kemiringan gesekan Sf diambil sebagai kemiringan rata-rata pada
kedua ujung penampang atau S f, Maka persamaan di atas dapat ditulis: 2 2 V2 V1 Z1 + α1. = Z1 + α2. + hf + he 2g 2g Kavitasi Kavitasi adalah suatu kejadian yang timbul dalam aliran dengan kecepatan begitu besar, sehigga tekanan air menjadi lebih kecil dari pada tekanan uap air maksimum di temperatur itu. Proses ini menimbulkan gelembung-gelembung uap air yang dapat berpotensi menimbulkan erosi pada konstruksi. (Patty,1995:99) Suatu bentuk persamaan untuk memperkirakan kavitasi berupa parameter tak berdimensi, merupakan hubungan antara gaya pelindung terhadap kavitasi (ambient pressure) dan penyebab kavitasi (dynamic pressure) yang disebut indeks kavitasi. Perhitungan kavitasi dengan persamaan berikut: σ
Po Pv V ρ 0 2
2
Cp
P Po 2
V ρ 0 2 Jika P Pv, maka 1 = - Cp dengan: = indeks kavitasi Po = ambient pressure (kPa) 1kPa = 1000 N/m2 Po = Pa + Pg Pa = tekanan atmosfir (=101 kPa) Pg = . g . h = tekanan setempat (kPa) h = tinggi muka air (m) Pv = tekanan uap (kPa) = massa jenis cairan (kg/m3) Vo = kecepatan aliran (m/dt) Cp = koefisien kavitasi P = tekanan setempat (kPa) 1 = angka batas kavitasi Kriteria kavitasi : > 1 : tidak terjadi kavitasi ≤ 1 : terjadi kavitasi Untuk menghitung besarnya angka kavitasi, harus diketahui besarnya massa jenis air dan tekanan uap yang mana kedua hal tersebut dipengaruhi oleh suhu saat penelitian berlangsung. Adapun besarnya nilai massa jenis air dan tekanan uap berdasarkan suhu dapat dilihat pada Tabel 1. berikut: Tabel 1. Sifat Fisik Air Pada Tekanan Atmosfer (Satuan SI) Temperatur
Massa jenis
(t)
()
o
Tekanan Uap
Kekentalan
Air
Kinematis (μ)
(Pv) 3
C
kg/m
kPa
m /dt.106
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 60 70 80 90 100
999,868 999,992 999,726 999,125 998,228 997,069 995,671 994,055 992,238 990,233 998,052 983,200 977,770 971,800 965,310 958,360
0,61 0,87 1,23 1,70 2,33 3,16 4,23 5,62 7,58 9,58 12,30 19,90 31,10 47,30 70,10 101,30
1,787 1,519 1,307 1,140 1,004 0,893 0,801 0,724 0,658 0,602 0,553 0,475 0,413 0,365 0,326 0,294
Sumber: Falvey (1990:3)
2
dalam hal ini : b = lebar dasar saluran (m) v = kecepatan aliran (m/dt) g = percepatan gravitasi ( = 9,81 m/dt2) P = keliling basah (m) d = kedalaman hidraulik (m) I = kemiringan rerata (= tanӨ) Ө = sudut gradien energi L = panjang saluran (m)
9 8
Bilangan Vendernikov (V)
Aliran Getar Aliran getar merupakan proses hidrolika pada saluran peluncur.Apabila timbul akan mengakibatkan ketidakrataan aliran di kaki saluran peluncur sehingga mengurangi efektivitas peredaman. Adapun cara untuk mengurangi kemungkinan terjadinya aliran getar pada suatu saluran yang berpotensi untuk terjadi aliran getar sebagai berikut: 1.Merubah desain penampang saluran,yaitu mengurangi lebar saluran. 2.Memperlandai dasar saluran dengan mengurangi slope. Pada suatu saluran peluncur yang panjang terdapat bahaya ketidak stabilan dalam aliran yang disebut sebagai aliran getar (slug/pulsating flow). Apabila panjang saluran tersebut lebih dari 30 meter, maka harus dikontrol dengan cara menghitung bilangan ”Vendernikov(V)” dan bilangan ”Montuori (M)”. Bilangan Vendernikov (V) 2bv V= 3P gd cos Bilangan Montuori (M) V2 M2 = gIL cos
Daerah aliran getar
7 6 5 4 3
Daerah tanpa aliran getar 2 1 0 0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
Bilangan Montouri (M 2)
Gambar 4. Kriteria Aliran Getar. Sumber: Chow (1989 : 241). Gerusan Lokal Perhitungan teoritis dan pengukuran di model test hidrolika tentang potensi gerusan yang terjadi pada alur sungai di hilir peredam energi merupakan bagian penting untuk mengamankan morfologi sungai di hilir peredam energi.Sebagai bahan kajian dilakukan pengukuran dan perhitungan potensi gerusan di hilir peredam energi. Analisa ini diperlukan untuk mengetahui gerusan setempat (local scouring) yang terjadi di bagian hilir bangunan peredam energi Bendungan Raknamo.Pendekatan empirik gerusan dapat menggunakan pendekatan beberapa rumus berikut: Rumus Schoklitsch. 0 , 57
K .H 0, 2 .q ds dm 0, 32 D90 dengan : ds = kedalaman gerusan (local scouring) yang terjadi di hilir bangunan (m) H =jarak vertikal antara muka air hulu dengan permukaan air di hilir bangunan (m) K = 4,70 q = debit persatuan lebar m 3 dtk . perm' D90 = ukuran material lolos saringan 90% (mm)
1
Dm
= kedalaman aliran di hilir bangunan (m) Rumus Zimmerman and Maniak : q 0.82 d d s K . 0.23 . 2m D0.85 q 3
0.93
dm
dengan : ds = kedalaman gerusan (m) K = 2,89 q = debit persatuan lebar (m3/det/m) D85 = ukuran material lolos saringan 85% (mm) dm = rata-rata kedalaman air di hilir (m) Rumus Veronese. d s ( KxHe 0, 255 xq 0,54 ) dm dengan :
ds = kedalaman gerusan (local scouring) yang terjadi di hilir bangunan (m) K = 1,90 He = jarak vertikal antara garis energi dengan permukaan air di hilir bangunan (m) q = debit persatuan lebar m 3 dtk . perm ' METODOLOGI PENELITIAN Untuk mendukung pelaksanaan penelitian Model Fisik Bendungan Jlantah Kabupaten Karanganyar ini digunakan fasilitas Laboratorium Sungai dan Rawa Jurusan Pengairan Fakultas Teknik Universitas Brawijaya Malang dengan alat-alat sebagai berikut: 1. Empat buah pompa listrik masingmasing berkapasitas 501/dt, 401/dt, dan 15l/dt. 2. Kolam penampung air (tandon) sebagai sistem distribusi air. 3. Bangunan ukur debit Rechbox yang terbuat dari fiberglass tebal 5 mm dengan ukuran yang disesuaikan dengan standar. 4. Alat pengukur tinggi muka air berupa meteran taraf (point gauge), sipat datar, dan bak ukur,
pengukuran kecepatan dengan tabung pitot serta pengukur tekanan dengan menggunakan piezometer. 5. Model fisik yang dikaji adalah Model Fisik Bendungan Raknamo. 6. Besar dan dimensi bangunan sesuai dengan hasil akhir (final design) Model Fisik Bendungan Raknamo dengan skala 1 : 50. Skala model yang digunakan dalam pengujian ini didasarkan pada beberapa pertimbangan antara lain : Tujuan dari pengujian, Ketelitian yang diharapkan. Fasilitas yang tersedia di laboratorium dan Waktu dan biaya yang tersedia. Berdasar ketentuan tersebut, maka digunakan skala tanpa distorsi (undistorted) 1:50. Sesuai dengan investigasi dari lapangan dan berdasarkan desain konstruksi konsultan perencanaan, pengujian perilaku hidrolika aliran di bangunan pelimpah diuji dengan beberapa tahapan dan kondisi model dan dilakukan kalibrasi dan verifikasi parameter model test agar menyerupai prototype. Dilakukan development test yang bertujuan mengetahui perkembangan perilaku hidrolika aliran sehubungan dengan upaya meminimalkan kondisi aliran yang kurang baik, dan untuk juga mengetahui gejala - gejala lain yang berpotensi timbul seperti gejala kavitasi dan aliran getar. 1. Model Seri 0 Model Seri 0 merupakan model yang dibuat berdasarkan original desain konsultan. 2. Model Seri 1, 2 dst. Model Seri ini merupakan alternatif desain (modifikasi), bila hasil Model Seri 0 kurang baik. 3. Final Design Merupakan usulan penyempurnaan yang terbaik di antara model seri. Masing-masing model test tersebut diuji dengan beberapa variasi debit banjir – Q2, Q100, Q1000, dan QPMF.
HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil Uji Model Test Untuk memperoleh unjuk hasil (performance) dari desain bangunan, di lakukan uji pengembangan (development test). Dalam pengujian ini sekaligus untuk mengetahui kebenaran model yang dibuat terhadap skala yang digunakan. Mengacu pada penetapan skala dengan tingkat kesalahan relatif sampai dengan 10%, terlihat bahwa hasil model secara keseluruhan telah memenuhi persyaratan (Tabel 2.), sehingga dengan skala 1 : 50 hasil model tidak menimbulkan efek skala pada prototype. Tabel 2. Tingkat Kesalahan Relatif Hd Hasil Pengujian Pelimpah Debit
(Hd)Hitungan
(Hd)Model
KR(%)
Q2
1.021
1.1
7.14
Q100
1.778
1.71
3.968
Q1000
2.183
2.35
7.118
QPMF
4.502
4.1
9.803
Sumber: Hasil Perhitungan Pengujian Model a. Pelimpah Piezometer yang terpasang pada pelimpah tidak menunjukan adanya nilai negatif pada pengaliran debit banjir rancangan Q2th – QPMF. Dengan demikian bahaya kavitasi pada tubuh pelimpah tidak terjadi. Perilaku Aliran sangat kondusif, dengan aliran yang merata di bagian sisi kiri , tengah dan sisi kanan pelimpah.
rancangan (Q2th s/d QPMF) dengan aman dan efektif.
Gambar 6.Profil muka air saluran transisi c. Saluran peluncur Saluran peluncur mampu menampung air pada setiap Debit rancangan yang diujikan.Saluran peluncur masih aman terhadap bahaya kavitasi, karena toleransi tekanan subatmosfir maksimum untuk konstruksi beton -3,00 m s/d -4,00 m.Kondisi ini dipengaruhi adanya 2 slope dengan kemiringan relatif curam ehingga aliran dapat terdistribusi dengan baik menuju peredam.Untuk analisa aliran getar pada saluran peluncur juga juga memenuhi kriteria aman
Gambar 7.Profil muka air saluran peluncur Gambar 5.Profil muka air pelimpah b. Saluran transisi Saluran Transisi dengan panjang 70 m dan kemiringan – 0,001 mampu mengalirkan semua debit
c.
d. Gambar 8.Kriteria aliran getar d. Peredam energi Secara keseluruhan tinggi dinding peredam energi USBR Tipe II masih efektif mampu menampung setiap debit rancangan yang lewat mulai debit pengujian Q2th – Qpmf,
e.
f.
Gambar 9.Profil muka air stilling bassin e. Gerusan lokal Untuk analisa local scouring menggunakan tiga metode dan yang paling mendekati dengan uji model adalah metode Zimmerman.
Gambar 10.Analisa gerusan lokal KESIMPULAN a. Aliran di bagian pelimpah aman terhadap setiap debit yang diujikan. Pada saat saat QPMF kondisi elevasi muka air maksimum berada pada El. 103,380 sehingga diperlukan peninggian jagaan pada tubuh bendungan sampai El. 104,88. b. Saluran samping mampu meredam aliran dari pelimpah untuk berbagai kondisi debit aliran (Q2th s/d QPMF) dengan kecepatan 0,782 – 4,517 m/dt sebelum menuju saluran transisi.
Aliran pada saluran transisi terjadi aliran sub kritis untuk berbagai kondisi debit aliran (Q2th s/d QPMF) dengan kecepatan 1,941 – 8,725m/dt sebelum masuk saluran peluncur. Aliran pada saluran peluncur dalam kondisi superkritis namun aman terhadap bahaya kavitasi dan aliran getar. Pada Q100th kecepatan 5,226– 19,506 m/dt Peredam energi efektif mematahkan energi dari aliran kecepatan tinggi di akhir saluran peluncur dengan loncatan tertinggi mencapai 35,446 m untuk Q1000th. Saluran pengarah hilir Q100th mampu meredam aliran yang keluar dari peredam energi hilir, sehingga waktu menuju ke saluran pengarah hilir dalam kondisi subkritis. Kecepatan yang terjadi 0,31 – 1,34 m/dt.
SARAN 1. Sebaiknya untuk desain bangunan dalam jangka panjang tidak kurang dari pada dimensi minimum hasil perhitungan analitis untuk keamanan struktur dan fungsi dari bangunan hidrolis itu sendiri. 2. Berdasarkan perhitungan analitik dan uji model yang dilakukan, maka disarankan pendekatan hidrolika sebaiknya mengacu pada uji model karena teori yang ada belum tentu dapat memenuhi kesesuaian kondisi di lapangan. DAFTAR PUSTAKA Anonim.1987.Design of Small Dams.Oxford& IBH Publishing CO.New Delhi Bombay Calcutta. Chow, Ven Te. 1985. Hidrolika Saluran Terbuka, terjemahan E.V. Nensi Rosalina. Jakarta : Erlangga. De Vries,M.1997.Scalling Model Hydraulic.Netherland:IHE Published.
Engineering manual for irrigation and drainage,Headwork,vol 1 Falvey, Henry T. 1990. Cavitation in Chutes and Spillways. United States Department of The Interior : Bureau of Reclamation. Patty, O.F. 1995. Tenaga Air. Surabaya: Erlangga. Raju, K.G.R. 1986. Aliran Melalui Saluran Terbuka, terjemahan Yan Piter Pangaribuan B.E., M.Eng. Jakarta : Erlangga. Sosrodarsono, Suyono dan Tekeda, Kensaku. 1989. Bendungan Type Urugan. Jakarta : Erlangga. Triatmodjo,Bambang.1996.Hidrolika II.Yogyakarta:Beta Offset.
Lampiran 1. Mulai
Data Teknis Bangunan Pelimpah Bangunan Pelengkap Saluran Transisi Saluran Peluncur Peredam Energi
Data Perlakuan Hidrolik Debit operasi di atas pelimpah Q2th, Q100th, Q1000th, dan QPMF Tinggi muka air di atas pelimpah
Perencanaan Model Fisik Hidrolika Ketersediaan Fasilitas Laboratorium - Alat ukur - Pompa - Tandon
Penetapan Skala Model KR<10%
Analisa Kondisi Hidrolika (Teoritis)
Kalibrasi Debit Dimensi Verifikasi Tinggi Muka Air Kondisi Aliran Uji Model Fisik Model Seri 0 (Original design) - Profil Aliran : y;v;Q - Aliran getar - Kavitasi
Pengukuran Model Setiap Seri - Profil Aliran : y;v;Q - Aliran getar - Kavitasi
Data Pengukuran
Memenuhi Kondisi Aman Hidrolika - tidak terjadi aliran getar - tidak terjadi kavitasi Prosentase penyimpangan hasil percobaan dengan pendekatan teoritis
Tidak
Perlakuan Terhadap Model (Alternatif Design)
Ya Data Pengukuran Desain Akhir (Final Design) Analisa Gerusan Kesimpulan dan Rekomendasi Selesai
Gambar 9. Tahapan pelaksanaan pekerjaan pengujian model fisik hidrolika.
Lampiran 2.
Gambar 10. Denah dan Potongan Bendungan Jlantah.
