JARINGAN ALIRAN (Flow Net) Mekanika Tanah I Norma Puspita, ST.MT.
Persamaan Kontinuitas Pada bab sebelumnya telah dibahas, untuk menghitung banyaknya air yang mengalir melalui tanah diperlukan hukum Darcy. Dalam keadaan yang sebenarnya, air mengalir di dalam tanah tidak hanya dalam satu arah dan juga tidak seragam untuk seluruh luasan yang tegak lurus arah aliran. Untuk permasalahan-permasalahan seperti ini, perhitungan aliran air tanah pada umumnya dibuat dengan menggunakan grafik-grafik yang dinamakan jaringan aliran (flow nets). Konsep jaringan aliran ini didasarkan pada persamaan kontinuitas Laplace yang menjelaskan mengenai keadaan aliran yang terus-menerus (steady state) untuk suatu titik di dalam massa tanah. Untuk menurunkan persamaan kontinuitas Laplace, kita tinjau sebaris turap kedap air yang dipancang sampai pada kedalaman lapisan tanah tembus air, sbb :
Persamaan Kontinuitas
Aliran
dari
air
yang
bagian
(downstream)
terjadi
hulu
secara
(upstream)
melalui
terus- menerus
ke bagian
hilir
lapisan tanah tembus air
(permeable layer) adalah aliran dalam dua dimensi.
Untuk aliran air pada titik A, kita perhatikan suatu elemen
tanah berbentuk kubus yang mempunyai ukuran dx, dy, dan dz (dy tegak lurus terhadap bidang gambar).
Dianggap
vx dan
vz adalah
komponen kecepatan
arah horizontal dan vertikal.
Jumlah air yang mengalir masuk kedalam kubus tanah persatuan waktu dalam arah horizontal adalah (vx dy dz) dan dalam arah vertikal adalah (vz dx dy).
Jika perubahan kecepatan aliran arah x = δvx/δx dan arah z = δvz/δz , maka :
Persamaan Kontinuitas Jumlah air yang mengalir keluar dari kubus tanah persatuan waktu dalam arah horizontal dan vertikal adalah sbb : Jumlah air keluar arah horizontal :
Jumlah air keluar arah vertikal :
Dengan menganggap bahwa air tidak termampatkan (incompressible), dan tidak terjadi perubahan volume dalam massa tanah, maka jumlah air yang mengalir masuk seharusnya = jumlah air yang mengalir keluar dari elemen tanah yang berbentuk kubus tersebut. Jadi :
Persamaan Kontinuitas Dengan menggunakan hukum Darcy, kecepatan aliran dapat ditulis sbb : Kecepatan aliran arah horizontal :
Kecepatan aliran arah vertikal
Dimana kx dan kz adalah koefisien rembesan dalam arah horizontal dan arah vertikal. Substitusi persamaan (2) dan (3) ke persamaan (1) diperoleh :
Apabila tanah adalah isotropik, maka koefisien aliran ke segala arah adalah sama, kx = kz , sehingga persamaan kontinuitas untuk aliran dalam dua dimensi dapat ditulis menjadi :
Jaringan Aliran (Flow Net) Persamaan kontinuitas dalam media isotropik mewakili dua kelompok grafik yang saling tegak lurus satu sama lain, yaitu : Garis-garis aliran (flow lines)
Garis-garis equipotential Garis aliran (flow lines) adalah suatu garis sepanjang mana butir-butir air akan bergerak dari bagian hulu ke bagian hilir sungai melalui media tanah yang tembus air (permeable). Garis ekipotensial (equipotential lines) adalah suatu garis sepanjang mana tinggi potensial di semua titik pada garis tersebut adalah sama. Jadi, apabila alat-alat pizometer ditempatkan di beberapa titik yang berbeda-beda di sepanjang satu garis ekipotensial, air di dalam tiaptiap pizometer tersebut akan naik pada ketinggian yang sama, sebagaimana terlihat pada gambar (untuk kx = kz = k).
Jaringan Aliran (Flow Net) Kombinasi dari beberapa garis dinamakan jaringan aliran (flow net).
aliran
dan
garis
ekipotensial
Jaringan aliran (flow net) dibuat untuk menghitung aliran air tanah. Dalam pembuatan jaringan aliran, garis-garis aliran dan ekipotensial digambar sedemikian rupa sehingga : 1. Garis ekipotensial memotong tegak lurus garis aliran 2. Elemen-elemen sangkar.
aliran
dibuat
kira-kira
mendekai
bentuk
bujur
Gambar disamping adalah contoh dari jaringan aliran yang lengkap dalam lapisan tanah tembus air yang isotropik. Penggambaran suatu jaringan aliran biasanya harus dicoba berkali-kali.
Selama menggambar jaringan diingat kondisi-kondisi batasnya.
aliran, harus
Untuk jaringan aliran yang ditunjukkan dalam keadaan batas yang dipakai adalah sbb :
selalu gambar,
Jaringan Aliran (Flow Net) Permukaan lapisan tembus air pada bagian hulu dan hilir sungai (garis a- b dan d-e) adalah garis-garis ekipotensial (equipotentiql lines). Karena a-b dan d-e adalah garis- garis ekipotensial, semua garis- garis aliran (flow lines) memotong- nya tegak lurus. Batasan lapisan kedap air, yaitu f-g; begitu juga permukaan turap kedap air, yaitu garis a-c-d, adalah garis- garis aliran (flow lines). Garis-garis ekipotensial memotong a-c-d dan f-g tegak lurus.
Perhitungan Rembesan dari suatu Flow Net Di dalam flow net, daerah-daerah diantara dua flow line (garis aliran) yang saling berdekatan dinamakan saluran aliran (flow channel).
Gambar berikut menunjukkan suatu flow channel dengan equipotential line yang membentuk elemen-elemen berbentuk persegi.
Apabilia h1, h2, h3, h4, …, hn adalah muka pizometrik yang bersesuaian dengan equipotential line. Apabila ini tidak ada aliran yang memotong flow line, maka kecepatan rembesan yang melalui flow channel persatuan lebar (tegak lurus terhadap bidang gambar) dapat dihitung dengan cara sbb : Δq1 = Δq2 = Δq3 = … = Δq
Perhitungan Rembesan dari suatu Flow Net Dari hukum Darcy, jumlah air yang mengalir persatuan waktu adalah : k i A. Jadi persamaan Δq1 = Δq2 = Δq3 = … = Δq dapat ditulis lagi sbb :
Persamaan tersebut di atas menunjukkan bahwa, apabila elemenelemen aliran dibuat dengan bentuk mendekati bujur sangkar, penurunan muka pizometrik antara dua equipotential line yang berdekatan adalah sama. Hal ini dinamakan penurunan energi potensial (potential drop). Jadi : sehingga :
Dimana : H = perbedaan tinggi muka air pada bagian hulu dan bagian hilir Nd = banyaknya bidang bagi kehilangan energi potensial.
Contoh Soal
Dari gambar terlihat, untuk satu flow channel terlihat : Perbedaan tinggi muka air H = H1- H2 Jumlah bidang kehilangan energi potensial dlm satu flow chanel Nd = 6. Jumlah flow channel dalam satu flow net Nf = 4 Apabila banyaknya flow channel di dalam flow net = Nf, maka banyaknya air yang mengalir melalui semua saluran (channel) per satuan lebar dapat
Contoh Soal Di dalam menggambar flow net, semua elemennya tidak harus dibuat bujur sangkar. Bentuk empat persegi panjang seperti gambar berikut juga dapat dilakukan.
Perlu diingat agar perhitungan dapat mudah dilakukan, akan lebih baik kalau perbandingan antara lebar dan panjang dari elemen-elemen empat persegi panjang dalam flow net tersebut dibuat sama. Sehingga persamaan (4) dapat dimodifikasi menjadi :
Apabila b1/l1 = b2/l2 = b3/l3 = … = n, persamaan (5) dan (6) dapat dimodifikasi menjadi : Gambar berikut menunjukkan suatu flow net untuk rembesan air sekitar satu jajaran turap. Flow channel No. 1 dan No. 2 mempunyai elemen-elemen bujur sangkar. Sehingga jumlah air yang tersebut persatuan waktu persaman (5) :
mengalir melalui dua flow channel dapat dihitung dengan menggunakan
Flow channel No.3 mempunyai elemenelemen dengan bentuk empat persegi panjang dengan perbandingan lebar dan panjang sebesar 0,38. Sehingga jumlah air yang mengalir melalui flow chanel No. 3 : Jadi jumlah rembesan total persatuan waktu adalah :
Contoh Soal
Suatu flow net dari aliran air di sekitar sebuah jajaran turap di dalam lapisan tembus air diketahui koefisien rembesan kx = kz = k = 5 x 10-3 cm/dt, seperti ditunjukkan dalam gambar berikut . Tentukan : a. Berapa tinggi air (di atas permukaan tanah ) akan naik apabila pizometer diletakkan pada titik a, b, c, dan d.
b. Jumlah rembesan air yang melalui saluran air II per satuan lebar (tegak lurus bidang gambar) per satuan waktu. c. Jumlah rembesan total yang melalui lapisan tembus air per satuan lebar. Penyelesain : o Dari gambar dapat jumlah flow channel Nf = 3 dan banyaknya bidang kehilangan energi potensial per satu flow channel Nd = 6.
o Perbedaan tinggi energi antara bagian hulu dan hilir sungai = (15 – 5) ft = 10 ft. o Jadi kehilangan tinggi energi antara dua garis ekipotensial = H/Nd = 10/6 = 1,667 ft.
Titik a terletak pada garis ekipotensial I, yang berarti bahwa penurunan energi potensial (potential drop) dari titik a adalah 1 x 1,667 ft. Jadi, tinggi air di dalam pizometer yang diletakkan di titik a akan naik setinggi (15 – 1,667) = 13,333 ft dari permukaan tanah. Tinggi air di dalam pizometer yang terletak pada titik b, c, dan d adalah : b = (15 – 2 x 1,667) = 11,67 ft dari atas muka tanah c = (15 – 5 x 1,667) = 6,67 ft dari atas muka tanah
d = (15 – 5 x 1,667) = 6,67 ft dari atas muka tanah Jumlah rembesan air yang melalui saluran air II per satuan lebar (tegak lurus bidang gambar) per satuan waktu adalah :
Jumlah rembesan total yang melalui lapisan tembus air per satuan lebar :
