Laporan Akhir Analisa Hidrologi dan Hidraulika
1.1
Analisis Hidrologi
Peran analisis hidrologi dalam desain jembatan yang melintasi sungai adalah pada aspek keamanan jembatan terhadap aliran banjir di sungai. Struktur atas jembatan harus cukup tinggi sehingga gelagar dan lantai terhindar dari limpasan air banjir. Pangkal, pilar, dan fondasi jembatan harus aman terhadap risiko gerusan dasar sungai. Risiko ini bertambah besar apabila dasar sungai mengalami penurunan (degradasi). Langkah kerja pada analisis hidrologi mencakup perhitungan debit aliran banjir, perhitungan profil muka air banjir, dan estimasi kedalaman gerusan dasar sungai. Paparan berikut merupakan langkah analisis hidrologi di Jembatan Rasuk Kembar BH-2016 di Kali Papah. 1.1.1 Perhitungan Debit Banjir Di hilir Jembatan BH-2016 Kali Papah dijumpai sebuah bendung irigasi, yaitu Bendung Papah. Jarak bendung dari jembatan lebih kurang 390 meter. Dari gambar situasi yang dicuplik dari program aplikasi Maps Versi 1.0 (Gambar 1), tampak bahwa alur sungai antara jembatan dan bendung relatif lurus, lebar alur relatif seragam, dan tidak tampak adanya pertemuan atau percabangan alur sungai. Dengan posisi yang sangat dekat dan situasi alur seperti ini, maka dapat diperkirakan bahwa debit aliran di Jembatan BH-2016 sama dengan debit aliran di Bendung Papah. Dengan demikian, debit aliran banjir di Jembatan BH-2016 dapat dihitung berdasarkan data debit aliran di Bendung Papah. Laiknya sebuah bendung, maka di Bendung Papah pastilah ada catatan historis debit aliran.
2
BH 2016 Kali Papah
Kali Papah
Bendung Papah
Gambar 1. Denah Situasi Kali Papah di sekitar Jembatan Kereta Api BH 2016 dan Bendung Papah (Maps Version 1.0). Bendung Papah, menurut informasi dari Dinas Pengairan Kabupaten Kulonprogo, merupakan bendung irigasi yang melayani salah satu dari lima daerah irigasi besar di Kabupaten Kulonprogo, yaitu Daerah Irigasi (DI) Papah. Daerah irigasi ini meliputi tiga wilayah kecamatan, yaitu wilayah Kecamatan Lendah, sebagian wilayah Kecamatan Pengasih, dan sebagian wilayah Kecamatan Sentolo. Dengan asumsi bahwa debit aliran banjir Kali Papah di Jembatan BH-2016 adalah sama dengan debit banjir di Bendung Papah, maka debit banjir di Jembatan BH-2016 dihitung dan ditetapkan berdasarkan data historis debit aliran di Bendung Papah. Dari Dinas Pengairan Kabupaten Kulonprogo, telah diperoleh data debit aliran (harian) di Bendung Papah pada periode 1 Januari 1992 sampai dengan 30 September 2014. Debit banjir rancangan dihitung berdasarkan debit maksimum setiap tahun. Dengan panjang data 23 tahun, diperoleh 23 nilai debit maksimum tahunan, atau yang dikenal sebagai annual series. Gambar 2 menampilkan data debit aliran di Bendung Papah pada periode 1 Januari 1992 sampai dengan 30 September 2014 dalam bentuk grafik. Pada gambar tersebut, debit harian ditampilkan dengan simbol bulat berlubang. Pada gambar ditampilkan
3
pula debit maksimum setiap tahun (annual series), yang ditunjukkan dengan simbol berbentuk bulat blok penuh. Tampak bahwa sebagian besar debit harian di Bendung Papah bernilai lebih kecil daripada 5 m3/s. Sedangkan nilai debit maksimum tahunan berkisar antara 5 m3/s sampai dengan 28 m3/s. 30
25
Debit [m3/s]
20
annual series
15
10
1-Jan-14
1-Jan-12
1-Jan-10
1-Jan-08
1-Jan-06
1-Jan-04
1-Jan-02
1-Jan-00
1-Jan-98
1-Jan-96
1-Jan-94
0
1-Jan-92
5
Gambar 2. Debit Harian di Bendung Papah pada periode 1 Januari 1992 s.d. 30 September 2014; Simbol Bulat Blok Penuh Menunjukkan Debit Maksimum Periode Satu Tahun (annual series). Tabel 1 menyajikan rangkuman besaran statistis debit aliran di Bendung Papah periode 1 Januari 1992 sampai dengan 30 September 2014. Memperhatikan tabel tersebut, tampak bahwa aliran di Kali Papah, secara rata-rata kecil, yaitu sekira 1,3 m3/s dengan simpangan baku sekira 1 m3/s. Nilai-nilai debit maksimum pada kolom kedua pada Tabel 1. adalah annual series debit harian maksimum di Bendung Papah. Debit maksimum adalah dasar untuk perhitungan debit banjir rancangan. Tabel 1. Statistika Debit Harian di Bendung Papah pada periode 1 Januari 1992 s.d. 30 September 2014 Tahun Maksimum
Debit Aliran (m3/s) Minimum Rata-rata
Simp. baku 4
Tahun 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014
Maksimum 4.88 14.20 3.29 9.46 12.59 5.36 7.20 22.82 8.40 11.57 11.26 11.24 9.76 9.74 11.47 8.47 17.58 5.35 11.75 6.14 11.11 28.04 5.74
Debit Aliran (m3/s) Minimum Rata-rata 0.00 0.75 0.00 1.06 0.00 0.80 0.00 1.11 0.00 1.42 0.00 0.97 0.26 1.72 0.00 1.19 0.05 1.53 0.05 1.45 0.00 1.35 0.15 1.71 0.05 1.37 0.05 1.49 0.00 1.14 0.11 1.35 0.06 1.53 0.06 1.31 0.06 1.48 0.04 1.10 0.06 1.54 0.06 1.47 0.06 1.34
Simp. baku 0.82 1.08 0.75 1.10 1.04 0.93 0.93 1.56 1.13 1.29 0.93 1.10 0.91 1.02 1.16 0.83 1.27 0.77 1.01 0.81 1.06 1.93 0.75
Untuk keperluan penetapan debit banjir rancangan di Jembatan BH-2016, digunakan cara annual series yang terdiri dari 23 data debit maksimum, yaitu dari tahun 1992 2014. Data tersebut dinilai cukup panjang, sehingga cara annual series tersebut dinilai cukup dan tidak diperlukan cara partial series. Debit banjir lazim dinyatakan sebagai debit aliran maksimum yang memiliki peluang atau probabilitas kejadian tertentu. Probabilitas kejadian sering pula dinyatakan dengan terminologi βkala ulangβ, yaitu selang waktu atau antar waktu rata-rata antara dua kejadian debit aliran tersebut, ditinjau dalam rentang waktu yang sangat lama. Secara teknis, hubungan antara probabilitas kejadian dan kala ulang suatu debit banjir dinyatakan dengan persamaan berikut: prob π > π! =
1 π
5
Persamaan di atas menyatakan bahwa probabilitas debit aliran Q melampaui debit aliran yang memiliki kala ulang T tahun, QT, adalah 1/T pada setiap tahun. Sebagai contoh, debit aliran maksimum pada suatu tahun memiliki probabilitas atau kemungkinan 10% melampaui debit aliran kala ulang 10 tahun. Semakin besar kala ulang suatu debit, maka semakin kecil probabilitas debit aliran akan melampaui debit yang memiliki kala ulang tersebut. Untuk keperluan desain jembatan kereta api, dapat dipilih debit aliran dengan kala ulang 100 tahun sebagai debit rancangan. Dengan pilihan debit ini, maka risiko bahwa debit aliran akan melebihi debit rancangan adalah 1% setiap tahun. Perhitungan debit aliran yang memiliki kala ulang, QT, yang nantinya akan dipilih sebagai debit banjir rancangan dilakukan dengan analisis cara statistis, yaitu analisis frekuensi, terhadap data debit maksimum partial series pada. Analisis frekuensi untuk penghitungan debit kala ulang pada dasarnya adalah pencocokan sebaran data debit aliran dengan distribusi teoretis variabel random kontinu dan memakai distribusi teoretis tersebut untuk memprediksi nilai debit kala ulang. Distribusi variabel random kontinu yang lazim cocok dengan sebaran data debit aliran maksimum antara lain adalah Distribusi Gumbel, Distribusi Log Normal, Distribusi Log Pearson Tipe III, dan Distribusi Normal. Langkah analisis frekuensi terhadap data debit aliran maksimum adalah sebagai berikut: 1) pengurutan data debit aliran maksimum (Tabel 1) dari nilai terkecil ke nilai terbesar, 2) penyajian data debit pada grafik probabilitas (kurva cdf, cumulative distribution function) distribusi teoretis, 3) uji kecocokan sebaran data debit terhadap distribusi teoretis, dan 4) prediksi nilai debit aliran pada berbagai nilai kala ulang. Penyajian data debit aliran pada grafik probabilitas distribusi teoretis dilakukan dengan cara transformasi koordinat yang menghasilkan kurva cdf garis lurus. Dengan
6
cara ini, debit maksimum yang memiliki kala ulang T tahun, QT, dinyatakan dengan persamaan berikut (Chow et al., 1988)1: π! = π + π ! πΎ! Dalam persamaan di atas, π! adalah debit aliran yang memiliki kala ulang Ttahun, π adalah debit rata-rata berdasarkan data sampel, π ! adalah simpangan baku debit aliran berdasarkan data sampel, dan πΎ! adalah faktor frekuensi. Faktor frekuensi merupakan fungsi jenis distribusi teoretis dan kala ulang. Pada distribusi Log Normal dan Log Pearson Tipe III, persamaan di atas diterapkan pada nilai logaritma debit aliran maksimum. Jika π = log π, maka persamaan debit aliran yang memiliki kala ulang Ttahun dapat dituliskan sebagai berikut: π! = π + π ! πΎ! Dalam persamaan di atas, π adalah nilai rata-rata logaritma debit aliran maksimum dan π ! adalah simpangan baku logaritma debit aliran maksimum. Debit aliranyang memiliki kala ulang Ttahun adalah anti logaritma dari π! , π! = 10!! . Kecocokan sebaran data debit aliran dengan suatu distribusi teoretis diuji dengan dua cara, yaitu Uji Smirnov-Kolmogorov dan Uji Chi-kuadrat (Haan, 1982) 2 . Uji Smirnov-Kolmogorov mensyaratkan bahwa selisih maksimum antara cdf teoretis dan cdf data debit aliran tidak melebihi suatu angka kritis: β!"#$ = max P! π β P π !
< π·!"#$#%
Dalam persamaan di atas, P! π adalah probabilitas kumulatif debit aliran menurut distribusi teoretis, P π adalah probabilitas kumulatif menurut data debit aliran maksimum, dan π·!"#$#% adalah nilai batas yang telah ditetapkan sebagai fungsi distribusi teoretis. Tabel π·!"#$#! dapat diperoleh dari buku βStatistical Methods in Hydrologyβ (Haan, 1982). Probabilitas kumulatif menurut data diperoleh dari persamaan: 1
Chow, Ven Te, Maidment, David R., and Mays, Larry W., 1988,Applied Hydrology, McGraw Hill, New York. 2 Haan, Charles T., 1982, Statistical Methods in Hydrology, The Iowa State University Press, Ames, Iowa.
7
P π =
π π+1
Dalam persamaan di atas, m adalah nomor urut data debit aliran maksimum setelah seri data debit aliran maksimum diurutkan dari nilai kecil ke besar dan n adalah jumlah data debit aliran maksimum. Uji Chi-kuadrat menguji kecocokan sebaran data terhadap suatu distribusi teoretis dengan mensyaratkan bahwa kesalahan (simpangan) pdf (probability density function) data debit aliran maksimum terhadap pdf teoretis tidak melebihi suatu nilai kritis dengan tingkat keyakinan (1βΞ±). Simpangan pdf dapat didekati dengan simpangan frekuensi relatif data terhadap frekuensi relatif teoretis. Statistika uji pada Uji Chi-kuadrat adalah (Haan, 1982): !
π!!
= !!!
π! β πΈ! πΈ!
!
! < π!!!,!!!!!
Dalam persamaan di atas, π! adalah frekuensi relatif data pada rentang klas ke-i, πΈ! adalah frekuensi relatif teoretis pada rentang klas ke-i, k adalah jumlah rentang klas pada tabel frekuensi, p adalah jumlah parameter yang diperoleh dari data, dan ! π!!!,!!!!! adalah nilai chi-kuadrat dengan tingkat keyakinan (1βΞ±) dan derajat
kebebasan (kβpβ1). Analisis frekuensi terhadap data debit aliran maksimum dilakukan dengan bantuan program aplikasi AProb_4 yang dibuat oleh Istiarto (http://istiarto.staff.ugm.ac.id). Program aplikasi ini tidak hanya melakukan hitungan analisis frekuensi, namun menampilkan pula grafik cdf data dan distribusi teoretis menurut tranformasi koordinat cara Chow et al. (1988) yang menampilkan cdf distribusi teoretis sebagai garis lurus. Gambar 3. sampai dengan Gambar 6., masing-masing,menyajikan kurva cdf berdasarkan data debit aliran maksimum di Bendung Papah dan cdf teoretis menurut Distribusi Gumbel, Distribusi Log Normal, Distribusi Log Pearson Tipe III, dan Distribusi Normal. Pada setiap gambar, garis utuh adalah kurva cdf teoretis, sedangkan garis putus-utus adalah batas bawah dan batas atas rentang keyakinan cdf dengan tingkat keyakinan 90%. Dari keempat grafik, tampak secara 8
visual bahwa sebaran data debit aliran maksimum di Bendung Papah lebih cocok ke Distribusi Log Normal atau Log Pearson Tipe III daripada ke Distribusi Gumbel maupun Distribusi Normal. Untuk menelaah kecocokan sebaran data debit aliran maksimum di Bendung Papah dengan distribusi teoretis, dilakukan pengujian kecocokan (goodness of fit test) dengan metode Uji Smirnov-Kolmogorov dan Uji Chi-kuadrat. Tabel 3 menyajikan rangkuman hasil kedua uji kecocokan ini. Tampak bahwa Uji Smirnov-Kolmogorov menyatakan bahwa keempat distribusi teoretis, yaitu Distribusi Gumbel, Distribusi Log Normal, Distribusi Log Pearson Tipe III, dan Distribusi Normal, dapat menggambarkan sebaran data debit aliran maskimum di Bendung Papah dengan baik. Sebaliknya, Uji Chi-kuadrat menunjukkan bahwa keempat distribusi teoretis tersebut tidak cocok dengan sebaran data debit aliran maksimum di Bendung Papah. Dengan mempertimbangkan bahasan yang dipaparkan pada dua paragraf yang mendahului paragraf ini, maka dipilih Distribusi Log Normal dan Distribusi Log Pearson Tipe III sebagai distribusi yang dapat menggambarkan sifat sebaran data debit aliran maksimum di Bendung Papah.
Gambar 3. Pola Sebaran Debit Aliran Maksimum di Bendung Papah menurut Distribusi Gumbel.
9
Gambar 4. Pola Sebaran Debit Aliran Maksimum di Bendung Papah menurut Distribusi Log Normal.
Gambar 5. Pola sebaran Debit Aliran Maksimum di Bendung Papah menurut Distribusi Log Pearson Tipe III.
10
Gambar 6. Pola Sebaran Debit Aliran Maksimum di Bendung Papah Menurut Distribusi Normal. Tabel 2. Hasil Uji Kecocokan Sebaran Data Debit Aliran Maksimum di Bendung Papah terhadap Distribusi Teoretis Variabel Random Kontinu Uji kecocokan
Distribusi teoretis Gumbel
LogNormal
Log Pearson Tipe III
Normal
Uji Smirnov-Kolmogorov
Lulus
Hasil uji Lulus Lulus
Ξ maksimum
0.113
0.088
0.085
0.182
Uji Chi-kuadrat*)
Lulus
Lulus
Lulus
Gagal
6.522
6.522
6.522
13.826
πππ *)
Lulus
Tingkat keyakinan (1βΞ±) = 90%.
Berdasarkan kecocokan sebaran data debit aliran maksimum di Bendung Papah dengan Distribusi Log Normal dan Log Pearson Tipe III, maka debit aliran pada berbagai nilai kala ulang dapat dihitung. Tabel 4 menyajikan hasil hitungan ini. Tabel ini juga mencantumkan debit aliran menurut Distribusi Gumbel dan Distribusi Normal, walaupun kedua distribusi ini tidak dipilih sebagai jenis distribusi yang cocok dengan sifat sebaran data debit aliran di Bendung Papah. Nilai-nilai debit 11
aliran menurut kedua distribusi teoretis ini dicantumkan sebagai pembanding nilainilai debit aliran menurut distribusi teoretis yang dipilih, yaitu Distribusi Log Normal dan Distribusi Log Pearson Tipe III. Debit banjir rancangan di Jembatan BH-2016 ditetapkan pada nilai debit kala ulang 100 tahun menurut Distribusi Log Pearson Tipe III, yaitu QT = 31 m3/s. Tabel 3. Debit Aliran di Bendung Papah pada Berbagai Nilai Kala Ulang Debit aliran [m3/s] menurut distribusi teoretis
Kala ulang [tahun]
Gumbel
2 5 10 20 50 100 200 500
10 15 18 22 26 29 32 36
1.2
Log Normal 10 15 18 22 31 31 35 40
Log Pearson Tipe III 9 15 18 22 31 31 36 42
Normal 11 16 18 20 24 24 26 27
Analisis Hidraulika
Analisis hidraulika dalam desain jembatan yang melintasi sungai ini mencakup perhitungan profil muka air banjir dengan debit rancangan 50 tahun dan 100 tahunan, serta prediksi gerusan lokal terhadap pilar jembatan. Profil muka air banjir di sepanjang alur Kali Papah di sekitar Jembatan BH-2016 diperlukan untuk memeriksa posisi struktur atas jembatan (gelagar dan lantai jembatan) terhadap muka air banjir. Selain itu, juga sebagai masukan dalam perkiraan kedalaman gerusan lokal pada pangkal pilar jembatan. Profil muka air banjir di sepanjang alur Kali Papah di sekitar Jembatan BH-2016 dilakukan dengan bantuan program aplikasi HEC-RAS (Hydrologic Engineering Center, 2010) yang dikembangkan oleh Waterway Experimental Station, US Army Corps of Engineers. HEC-RAS merupakan model hidrodinamika 1D yang cocok untuk memodelkan aliran di sungai. HEC-RAS mampu memodelkan aliran
12
permanen atau tak permanen di alur sungai yang berupa jaring sungai, serta mampu pula memodelkan aliran melalui berbagai jenis struktur hidraulik, baik struktur melintang sungai seperti jembatan, gorong-gorong, bendung, pintu air, dan pompa air, maupun struktur sejajar sungai seperti tanggul, pelimpah samping, dan kawasan detensi atau retensi. HEC-RAS adalah program aplikasi bebas (freeware). File program
aplikasi
HEC-RAS
dapat
didownload
dari
situsweb
http://usace.army.mil/software/hec-ras/downloads.aspx. Panjang alur Kali Papah yang akan dimodelkan untuk mendapatkan profil muka air banjir di sekitar Jembatan BH-2016 direncanakan sekitar 1 kilometer. Bendung Papah akan menjadi batas hilir model. Geometri sungai akan dimodelkan berdasarkan profil sungai hasil pengukuran topografi yang telah selesai dikerjakan. 1.2.1 Skenario dan Kondisi Batas Simulasi Dalam analisa hidraulika jembatan BH-2016 di Kali Papah ini, dilakukan 3 buah skenario sebagai berikut. 1. Simulasi dengan kondisi eksisting 2. Simulasi dengan jarak antar pilar 20-20-20 m 3. Simulasi dengan jarak antar pilar 15-30-15 m Ketiga skenario tersebut dilakukan untuk melihat pengaruh perletakan pilar jembatan di alur utama sungai. Selain itu, dilakukan juga simulasi lebih lanjut, terutama pada skenario dua (2) dan tiga (3), yaitu dengan skenario perubahan alur sungai sehingga pilar jembatan kembali berada di dalam alur utama sungai. Namun demikian, perlu digaris bawahi bahwa perubahan alur sungai secara alami memerlukan waktu yang cukup panjang. Dalam perhitungan profil muka air banjir, simulasi dilakukan dengan perhitungan aliran tunak (steady flow), yaitu kondisi aliran tidak berubah terhadap waktu. Debit banjir rancangan yang disimulasikan adalah debit banjir dengan kala ulang 50 dan 100 tahun yang diperoleh dari analisa hidrologi. Debit banjir rancangan tersebut, berturut turut adalah sebesar 27 m3/s dan 31 m3/s.
13
Kondisi batas yang dipakai dalam simulasi adalah debit banjir (QT) di bagian hulu dan tinggi muka air normal (Hn) di bagian hilir, dengan batas hilir model adalah sebelah hilir bendung Papah. 1.2.2 Simulasi pada Kondisi Eksisting Pada tahap ini dilakukan simulasi terhadap kondisi jembatan pada saat ini. Gambar 7 menunjukkan foto kondisi eksisting lokasi jembatan BH-2016. Terlihat ada dua pilar yang berada di tengah alur utama sungai. Kondisi ini didekati dengan model seperti disajikan pada Gambar 8.
Gambar 7. Foto kondisi eksisting pada lokasi jembatan BH-2016
Lokasi Jembatan Eksisting
Jembatan Beton
Jembatan Baja Gambar 8. Layout pada model hidraulika
14
Simulasi dilakukan dengan pendekatan hidrodinamika satu dimensi (1-D) dengan aliran tidak seragam dan tidak berubah terhadap waktu (non uniform steady flow). Perhitungan profil muka air dilakukan melalui iterasi dengan metode standar step, berdasarkan prinsip persamaan energi di bawah ini. π! + π! +
π! π!! π! π!! = π! + π! + + β! 2π 2π
Pada persamaan di atas, Z menunjukan elevasi as sungai / channel, dan Y merupakan kedalaman air pada tampang melintang dengan luas penampang sebesar a dan kecepatan aliran sebesar V. Sedangkan he merupakan jumlah kehilangan energi antara kedua penampang di titik 1 dan titik 2, dengan arah aliran dari titik 2 ke titik 1. Dari hasil simulasi, dapat diketahui tinggi muka air banjir pada masing-masing penampang. Di bawah ini merupakan hasil hitungan muka air banjir Q50 dan Q100 pada area jembatan (Gambar 9). sPapah1
Plan: Plan 35 RS = 370
.05
58
12/17/2014
BR
.033
.05 Legend WS PF 1
56
WS PF 2
Elevation (m)
Ground Bank Sta
54
52
50
48 -30
-20
-10
0
10
20
30
Station (m)
Gambar 9. Profil muka air banjir pada jembatan baja eksisting (BH-2016) dengan banjir rencana 100 tahun (PF1) dan 50 tahun (PF2)
Gambar 9 merupakan hasil hitungan profil muka air pada jembatan baja (BH-2016) dengan kondisi eksisting. Terlihat bahwa alur utama sungai masih mampu mengalirkan debit banjir 100 tahunan (31 m3/s) dengan muka air berada pada 5,6
15
meter di bawah lantai jembatan. Demikian juga dengan kapasitas alur utama pada jembatan beton di sebelah hulu lokasi jembatan BH-2016. Profil muka air banjir 100 tahunan di lokasi tersebut berada pada 5,2 meter di bawah lantai jembatan (Gambar 10). sPapah1
Plan: Plan 35 RS = 384
.05
57
12/17/2014
BR
.033
.05 Legend
56
WS PF 1 WS PF 2
55
Elevation (m)
Ground 54
Bank Sta
53 52 51 50 49 -30
-20
-10
0
10
20
30
Station (m)
Gambar 10. Profil muka air banjir pada lokasi jembatan beton eksisting di sebelah hulu jembatan BH-2016 dengan banjir rencana 100 tahun (PF1) dan 50 tahun (PF2)
Pada Gambar 9 dan Gambar 10 terlihat bahwa salah satu pilar dari kedua jembatan tersebut berada di tengah-tengah alur utama sungai. Hal ini diperkirakan akan menyebabkan gerusan lokal di sekitar pilar jembatan.
Gambar 11. Proses hidrodinamika gerusan lokal pada pilar jembatan
16
Gerusan lokal pada pilar jembatan disebabkan oleh penyempitan penampang aliran secara tiba-tiba, dan merupakan hasil interaksi antara aliran air, pilar jembatan, sedimen pada dasar sungai. Pilar jembatan di dalam alur sungai menyebabkan downward flow dan horseshoe vortex pada dasar sungai di sekitar pilar (lihat Gambar 11). Kedalaman maksimum gerusan lokal di sekitar pilar jembatan didekati dengan persamaan CSU seperti berikut. π¦! = 2.0πΎ! πΎ! πΎ! πΎ! π!.!" π¦!!.!" πΉπ!!.!" Persamaan di atas menunjukan parameter-parameter yang mempengaruhi kedalaman gerusan (ys), yaitu bentuk dan tata letak pilar yang diwakili dengan lebar pilar (a), bentuk pilar (K1 atau Ks), dan sudut muka pilar terhadap aliran (K2 atau K ). Selain Ο
itu, dipengaruhi juga oleh kondisi dasar sungai, yaitu kondisi gradasi material dasar sungai (K3 atau Kg), dan kondisi lapisan dasar sungai (K4). Sedangkan aliran air yang melewati pilar diwakili oleh kedalaman aliran air pada hulu pilar jembatan (y1) dan angka Froude tepat di hulu pilar jembatan (Fr1). Tabel 4 menyajikan ringkasan hitungan prediksi kedalaman maksimal gerusan lokal di sekitar pilar jembatan, baik jembatan BH-2016 (kondisi eksisting) maupun pada jembatan beton yang terletak di sebelah hulunya. Pada tabel tersebut terlihat bahwa Tabel 4. Kedalaman gerusan pada pilar kedua jembatan
Parameter K1 K2 K3 K4 a y1 v1 Fr1 Kedalaman Gerusan (m)
BH-2016 0.90 1.00 1.10 1.00 3.00 1.97 1.85 0.42 3.53
Jembatan beton 1.00 1.00 1.10 1.00 1.70 1.46 2.00 0.53 2.70
Sebagai catatan, bahwa kedalaman maksimal gerusan lokal tersebut adalah pada pilar yang berada di dalam alur utama sungai saja, sedangkan untuk kedua pilar yang lain tidak mengalami gerusan karena tidak dilalui oleh aliran air. 17
Selain itu, besaran kedalaman gerusan tersebut adalah apabila masing-masing pilar jembatan dihitung secara terpisah. Padahal, pada kenyataannya kedua pilar jembatan tersebut terletak cukup dekat satu sama lain. Oleh karena itu, perlu dilakukan analisa kedalaman gerusan pada dua pilar yang berdekatan. Graf dan Altinakar (1998) memberikan grafik antara gerusan lokal antara dua pilar yang tergantung oleh jarak dan dimensi pilar, seperti pada gambar di bawah.
Gambar 12. Gerusan lokal pada dua pilar (Graf dan Altinakar, 1998)
Dengan jarak antar pilar sebesar 8,6 meter dan diameter pilar di hulu aliran adalah 1,7 meter, maka relative spacing antara kedua pilar adalah 5. Dengan demikian, dapat diketahui besaran gerusan lokal pada pilar depan (hulu) atau dsf, pilar belakang (hilir) atau dsr, dan gerusan diantara pilar (dsm), yang masing-masing nilainya adalah 3 m, 2,6 m, dan 1,6 m. Tampak bahwa sebenarnya gerusan lokal pada pilar jembatan beton di hulu (depan) lebih tinggi, yaitu sebesar 3 m. Sedangkan gerusan di pilar jembatan BH-2016 sedikit lebih rendah daripada prediksi, yaitu 2,6 m. Hal ini karena pilar jembatan di depan
18
(hulu) seolah-olah bekerja sebagai pelindung pilar jembatan di belakangnya (hilir), dalam hal ini pilar jembatan BH-2016. Apabila melihat kondisi eksisting di lapangan, tidak atau belum terlihat tanda-tanda terjadinya gerusan lokal yang mengkhawatirkan. Hal ini dapat terjadi dari dua kemungkinan mekanisme. Pertama, adanya equilibrium state pada proses sedimen transport, yaitu bahwa kedalaman gerusan lokal yang terjadi terlah mencapai kedalaman maksimum dan tidak akan bertambah dalam lagi seiring waktu. Hal ini dijelaskan oleh Zanke (1978) [pada Hoffmans dan Verheij (1997)] melalui skema pada Gambar 13.
Gambar 13. Skema proses gerusan
Mekanisme berikutnya yang mungkin menyebabkan kondisi di atas adalah adanya Bendung Papah di hilir jembatan, sehingga degradasi atau penurunan dasar sungai tidak terjadi. Dengan demikian, elevasi dasar sungai tetap terjaga sehingga efek dari gerusan lokal menjadi sedikit teratasi. 1.2.3 Simulasi pada Kondisi Rencana (20-20-20 m spacing) Seperti disajikan pada Gambar 7 dan Gambar 8, pada lokasi jembatan BH-2016 terdapat dua buah jembatan. Salah satu jembatan, yaitu jembatan baja yang berada di hilir akan diganti dengan jembatan baru. Salah satu skenario tata letak pilar jembatan adalah dengan jarak 20 meter antar pilarnya. Hal ini, antara lain adalah untuk
19
menghindari alur utama Kali Papah. Selain perubahan jarak antar pilar, bentuk dan dimensi rencana pilar juga berubah dari segi empat, menjadi lingkaran dengan diameter dua (2) meter. Pada tahap ini, dilakukan simulasi dengan dua skenario, yaitu (a) skenario perubahan jembatan baja tanpa diikuti perubahan jembatan beton, dan (b) skenario perubahan kedua jembatan menghindari alur utama sungai. Tata letak pilar jembatan pada kedua skenario tersebut diilustrasikan pada Gambar 14.
20 m
20 m
20 m
Jembatan BH-2016
Skenario A
Skenario B
Gambar 14. Sketsa skenario A dan skenario B pada tahap simulasi kedua
Seperti pada simulasi pertama, kedua skenario pada simulasi ini dilakukan dengan memanfaatkan freeware HEC-RAS, terutama adalah untuk perhitungan profil muka air. Berikut ini adalah hasil hitungan dari simulasi kedua skenario. 1.2.3.1 Profil muka air dan gerusan lokal pada skenario A Seperti telah disebutkan sebelumnya, dalam skenario A ini, jembatan baja BH-2016 dibangun dengan jarak antar pilar sejauh 20 m tanpa merubah jembatan beton di sebelah hulunya. Sketsa skenario ini disajikan pada Gambar 14 (kiri). Gambar 15 dan Gambar 16 berikut menyajikan hasil perhitungan profil muka air banjir dengan banjir rencana Q100 dan Q50, yang masing-masing sebesar 31 m3/s dan 27 m3/s. Dari hasil perhitungan tersebut, diketahui bahwa pada penampang melintang 20
di lokasi jembatan BH-2016 yang baru, profil muka air banjir pada Q100 berada pada 6 meter di bawah lantai jembatan. Sedangkan pada lokasi jembatan beton di sebelah hulu, muka air banjir dengan debit banjir 100 tahunan berada pada 5,2 meter di bawah lantai jembatan. sPapah1
Plan: Plan 39 RS = 370
.05
58
12/18/2014
BR
.033
.05 Legend WS PF 1
56
WS PF 2
Elevation (m)
Ground Bank Sta
54
52
50
48 -30
-20
-10
0
10
20
30
Station (m)
Gambar 15. Profil muka air jembatan BH-2016 pada skenario A dengan debit rencana Q100 (PF1) dan Q50 (PF2). sPapah1
Plan: Plan 39 RS = 384
.05
57
12/18/2014
BR
.033
.05 Legend
56
WS PF 1 WS PF 2
55 Elevation (m)
Ground 54
Bank Sta
53 52 51 50 49 -30
-20
-10
0
10
20
30
Station (m)
Gambar 16. Profil muka air jembatan di hulu jembatan BH-2016 pada skenario A dengan debit rencana Q100 (PF1) dan Q50 (PF2).
21
Dibandingkan dengan hasil simulasi pada kondisi eksisting, muka air banjir Q100 kondisi rencana di jembatan BH-2016 pada skenario ini relatif lebih rendah, walaupun selisih keduanya tidak lebih dari satu meter. Selain itu, dengan tata letak pilar di luar alur utama sungai, maka tidak ada gerusan lokal di sekitar pilar jembatan BH-2016. Akan tetapi pada skenario ini, masih ada jembatan beton di sisi hulu yang posisi pilarnya tidak diubah, sehingga posisi salah satu pilar jembatan tersebut masih berada di dalam alur sungai. Oleh karena itu, perlu juga diprediksi besar kedalaman gerusan lokal di sekitar pilar jembatan tersebut. Tabel 5. Kedalaman gerusan pada pilar jembatan beton di hulu jembatan BH-2016
Parameter K1 K2 K3 K4 a y1 v1 Fr1 Kedalaman Gerusan (m)
Kondisi Eksisting 1.00 1.00 1.10 1.00 1.70 1.46 2.00 0.53 2.70
Skenario 2 1.00 1.00 1.10 1.00 1.70 1.46 2.00 0.53 2.70
Pada tabel di atas, kedalaman gerusan antara kedua skenario terlihat sama. Namun, perlu diingat kembali bahwa pada kondisi eksisting, pilar tersebut seolah-oleh bekerja sebagai pelindung pilar jembatan di belakangnya, sehingga sebenarnya gerusan lokal yang terjadi lebih dalam (prediksi : 3 m). Sedangkan pada skenario 2, pilar tersebut berdiri sendiri, sehingga kedalaman gerusan diprediksikan sebesar 2,7 meter. 1.2.3.2 Profil muka air pada skenario B Sebenarnya skenario B ini sama dengan skenario A, hanya posisi pilar jembatan beton yang terletak di depan jembatan BH-2016 juga diubah seperti pada jembatan BH-2016 seperti pada sketsa skenario pada Gambar 14 (kanan). Jarak antar pilar pada kedua jembatan adalah 20 meter. Debit banjir rancangan yang disimulasikan adalah Q100 dan Q50, yang masing-masing sebesar 31 m3/s dan 27 m3/s.
22
Gambar 17 dan Gambar 18 menyajikan hasil perhitungan profil muka air di kedua jembatan pada skenario B. sPapah1
Plan: Plan 41 RS = 370
.05
58
12/18/2014
BR
.033
.05 Legend WS PF 1
56
WS PF 2
54
Bank Sta
Elevation (m)
Ground
52
50
48 -30
-20
-10
0
10
20
30
Station (m)
Gambar 17. Profil muka air jembatan BH-2016 pada skenario B dengan debit rencana Q100 (PF1) dan Q50 (PF2). sPapah1
Plan: Plan 41 RS = 384
.05
57
12/18/2014
BR
.033
.05 Legend
56
WS PF 1 WS PF 2
55 Elevation (m)
Ground 54
Bank Sta
53 52 51 50 49 -30
-20
-10
0
10
20
30
Station (m)
Gambar 18. Profil muka air jembatan di hulu jembatan BH-2016 pada skenario B dengan debit rencana Q100 (PF1) dan Q50 (PF2).
23
Pada skenario ini, muka air di jembatan BH-2016 berada pada 6 meter di bawah lantai jembatan, sedangkan muka air di jembatan beton di sebelah hulu adalah 5,4 meter dibawah lantai jembatan. Pada skenario ini, terlihat bahwa alur utama pada penampang di kedua cross section mampu menampung debit banjir 100 tahunan. Oleh karena itu, posisi pilar dengan jarak 20-20-20 meter tidak berada di alur utama sungai sehingga tidak terjadi gerusan lokal di sekitar pilar jembatan tersebut. 1.2.4 Simulasi pada Kondisi Rencana (15-30-15 m spacing) Seperti pada simulasi sebelumnya, posisi pilar jembatan diusahakan tidak berada di dalam alur utama Kali Papah. Pada skenario ini, disimulasikan jarak antar pilar sebesar 30 meter (15-30-15 m). Hitungan dilakukan dengan masukan debit banjir rancangan Q100 dan Q50, yang masing-masing sebesar 31 m3/s dan 27 m3/s. Dengan metode dan persamaan yang sama dengan skenario sebelumnya, diperoleh hasil hitungan profil muka air banjir seperti pada Gambar 19 dan Gambar 20. Pada kedua gambar, tampak bahwa diperoleh tinggi muka air banjir yang sama seperti skenario sebelumnya, dengan jarak antar pilar 20-20-20 meter. Hal ini, karena memang posisi pilar tidak berada di alur utama sungai, sehingga tidak memberikan pengaruh terhadap kondisi hidrodinamika aliran. sPapah1
Plan: Plan 45 RS = 370
.05
58
12/18/2014
BR
.033
.05 Legend WS PF 1
56
WS PF 2
54
Bank Sta
Elevation (m)
Ground
52
50
48 -30
-20
-10
0
10
20
30
Station (m)
24
Gambar 19. Profil muka air jembatan BH-2016 dengan jarak antar pilar 30 meter, debit rencana Q100 (PF1) dan Q50 (PF2).
sPapah1
Plan: Plan 45 RS = 384
.05
57
12/18/2014
BR
.033
.05 Legend
56
WS PF 1 WS PF 2
55 Elevation (m)
Ground 54
Bank Sta
53 52 51 50 49 -30
-20
-10
0
10
20
30
Station (m)
Gambar 20. Profil muka air jembatan di hulu jembatan BH-2016 dengan jarak antar pilar 30 meter, debit rencana Q100 (PF1) dan Q50 (PF2).
1.2.5 Simulasi Lanjutan Untuk menganalisa lebih jauh mengenai kemungkinan-kemungkinan yang akan terjadi dalam jangka waktu lama, dilakukan simulasi dengan skenario tambahan. Skenario ini dilakukan dengan merubah tampang lintang Kali Papah, terutama pada area jembatan BH-2016 untuk melihat gerusan yang terjadi apabila alur sungai berubah. Namun demikian, perubahan alur sungai secara alami ini memerlukan waktu yang cukup lama, sehingga kemungkinan terjadinya dalam waktu dekat ini adalah kecil. Simulasi ini dilakukan pada skenario 2B (Gambar 14 kanan) dan skenario 3 (dengan jarak antar pilar 30 meter). Gambar 21 sampai Gambar 24 menyajikan hasil perhitungan profil muka air dengan skenario perubahan tampang Kali Papah, khususnya di lokasi jembatan BH-2016. Tampak bahwa tinggi muka air relatif aman terhadap elevasi lantai jembatan. Pada 25
skenario ini, posisi pilar jembatan kembali berada di dalam alur utama saluran atau sungai. Dengan demikian, perlu diperhitungkan mengenai kedalaman gerusan lokal di sekitar salah satu pilar tersebut. Tabel 6 dan Tabel 7 menyajikan hitungan kedalaman gerusan lokal pada masing-masing skenario. 1.2.5.1 Hasil simulasi skenario lanjut dengan perubahan alur dan jarak antar pilar 20 m sPapah1
Plan: Plan 47 RS = 370
57
.05
12/18/2014
BR
.033
.05 Legend
56
WS PF 4 WS PF 1
55 Elevation (m)
Ground 54
Bank Sta
53 52 51 50 49 -30
-20
-10
0
10
20
30
Station (m)
Gambar 21. Profil muka air jembatan BH-2016 dengan jarak antar pilar 20 meter, debit rencana Q100 (PF1) dan Q500 (PF4). sPapah1
Plan: Plan 47 RS = 384
57
.05
12/18/2014
BR
.033
.05 Legend
56
WS PF 4 WS PF 1
55 Elevation (m)
Ground 54
Bank Sta
53 52 51 50 49 -30
-20
-10
0
10
20
30
Station (m)
26
Gambar 22. Profil muka air jembatan di hulu jembatan BH-2016 dengan jarak antar pilar 20 meter, debit rencana Q100 (PF1) dan Q500 (PF4). Tabel 6. Kedalaman gerusan pada pilar kedua jembatan pada skenario lanjut (dengan jarak pilar 20 m)
Parameter K1 K2 K3 K4 a y1 v1 Fr1 Kedalaman gerusan (m) Kedalaman gerusan pada dua pilar (m)
BH-2016 1.00 1.00 1.10 1.00 2.00 1.54 1.86 0.48 2.92
Jembatan beton 1.00 1.00 1.10 1.00 1.70 1.52 2.04 0.53 2.73
2.67
3.00
1.2.5.2 Hasil simulasi skenario lanjut dengan perubahan alur dan jarak antar pilar 30 m sPapah1
Plan: Plan 46 RS = 370
57
.05
12/18/2014
BR
.033
.05 Legend
56
WS PF 4 WS PF 1
55 Elevation (m)
Ground 54
Bank Sta
53 52 51 50 49 -30
-20
-10
0
10
20
30
Station (m)
Gambar 23. Profil muka air jembatan BH-2016 dengan jarak antar pilar 30 meter, debit rencana Q100 (PF1) dan Q500 (PF4).
27
sPapah1
Plan: Plan 46 RS = 384
57
.05
12/18/2014
BR
.033
.05 Legend
56
WS PF 4 WS PF 1
55 Elevation (m)
Ground 54
Bank Sta
53 52 51 50 49 -30
-20
-10
0
10
20
30
Station (m)
Gambar 24. Profil muka air jembatan di hulu jembatan BH-2016 dengan jarak antar pilar 30 meter, debit rencana Q100 (PF1) dan Q500 (PF4). Tabel 7. Kedalaman gerusan pada pilar kedua jembatan pada skenario lanjut (dengan jarak pilar 30 m)
Parameter K1 K2 K3 K4 a y1 v1 Fr1 Kedalaman gerusan (m) Kedalaman gerusan pada dua pilar (m)
BH-2016 1.00 1.00 1.10 1.00 2.00 0.60 1.38 0.57 2.27 1.75
Jembatan beton 1.00 1.00 1.10 1.00 1.70 0.26 1.31 0.82 1.78 1.95
Terlihat bahwa pada skenario dengan jarak spasi 15-30-15 meter ini relatif lebih aman karena pada skenario sebelumnya, yaitu dengan jarak antar pilar sebesar 20-2020 meter. Namun perlu digaris bawahi bahwa perubahan tampang ini memerlukan waktu yang cukup lama.
28
1.3
Kesimpulan
Dari hasil analisa hidrologi yang dihitung berdasarkan data debit di Bendung Papah dari 1 Januari 1992 sampai dengan 31 September 2014, diperoleh debit rancangan dengan berbagai kala ulang, sebagai berikut. Debit aliran [m3/s] menurut distribusi teoretis
Kala ulang [tahun]
Gumbel
2 5 10 20 50 100 200 500
10 15 18 22 26 29 32 36
Log Normal 10 15 18 22 31 31 35 40
Log Pearson Tipe III 9 15 18 22 31 31 36 42
Normal 11 16 18 20 24 24 26 27
Hasil simulasi yang telah dipaparkan sebelumnya dirangkum pada Tabel 8 di bawah. Tabel 8. Ringkasan hasil simulasi untuk semua skenario
Nomor Simulasi
1 2 3 4 5 6
Jarak antar pilar
Jarak Muka Air dengan Kedalaman gerusan di Lantai Jembatan sekitar pilar BH-2016 Jembatan BH-2016 Jembatan beton beton Skenario eksisting dan rencana 15-15-15 5.6 5.2 2.6 3 20-20-20 (A) 6 5.2 0 2.7 20-20-20 (B) 6 5.4 0 0 15-30-15 6 5.4 0 0 Skenario rencana dengan perubahan alur sungai 20-20-20 (B) 6 5.4 2.67 3 15-30-15 5.6 5.3 1.75 1.95
Dari tabel tersebut, dapat disimpulkan bahwa simulasi nomor 3 dan4, yaitu dengan jarak antar pilar sebesar 20-20-20 meter dan 15-30-15 meter, dengan kondisi rencana relatif aman terhadap tinggi muka air banjir dan juga gerusan lokal.
29
Apabila perubahan alur sungai merupakan salah pertimbangan, maka jarak 15-30-15 relatif lebih aman terhadap gerusan lokal. Hal ini terlihat pada prediksi kedalaman gerusan lokal pada simulasi nomor 5 dan 6.
30
