MEKANISME GERUSAN LOKAL PADA PILAR SILINDER TUNGGAL DENGAN VARIASI DEBIT
Syarvina1, Terunajaya2 1
Departemen Teknik Sipil, Universitas Sumatera Utara, Jl. Perpustakaan No.1Kampus USU Medan Email:
[email protected] 2 Staf Pengajar Departemen Teknik Sipil, Universitas Sumatera Utara, Jl. Perpustakaan No.1Kampus USU Medan Email:
[email protected]
ABSTRAK Aliran yang terjadi pada sungai disertai proses penggerusan dan deposisi dapat diakibatkan kondisi morfologi sungai dan adanya bangunan sungai yang menghalangi aliran. Penelitian tentang pola gerusan di sekitar pilar dengan variasi debit aliran dilakukan untuk mempelajari pengaruh debit terhadap pola gerusan dan besarnya kedalaman gerusan. Penelitian dilakukan di Laboratorium Hidraulika Teknik Sipil Universitas Sumatera Utara menggunakan alat flume dengan panjang 8 m, tinggi 0,3 m dan lebar 0,076 m, dengan pengukuran pola dan kedalaman gerusan disekitar pilar silinder dengan debit aliran sebesar 1,0 liter/det, 1,5 liter/det, dan 2,0 liter/det pada kondisi aliran clear water scour. Material yang digunakan pasir yang lolos saringan No.10 dan tertahan saringan No.200 dengan nilai d50 = 0.68 mm. Model diuji selama 250 menit untuk setiap kali running. Hasil penelitian menunjukan gerusan terbesar pada pilar terjadi pada bagian hulu pilar pada titik pengamatan 5. Kedalaman gerusan maksimum dari semua pilar silinder terjadi pada debit 2,0 liter/det, sedangkan kedalaman gerusan minimum terjadi pada debit 1,0 liter/det. Nilai kedalaman gerusan maksimum pada variasi debit aliran 1,0 liter/s, 1,5 liter/det, dan 2,0 liter/det secara berturut-turut adalah 25 mm, 51 mm, 96 mm.
Kata Kunci : Gerusan lokal, pilar silinder dan arah aliran
ABSTRACT Flow that occurs in rivers with scour and deposition processes can be caused by the condition of river morphology and the presence of buildings that block the flow of the river. Research on pattern scouring around piers with flow variations made to study the effect of the discharge on the pattern and magnitude of scour depth of scour. The study was conducted at the Hydraulics Laboratory of the Civil Engineering of North Sumatra University using a flume with a length of 8 m, 0.3 m high and 0.076 m wide, with measuring the pattern and depth of scour around cylindrical pillars with a flow rate of 1.0 liters / sec, 1, 5 liters /sec, and 2.0 liters /sec on clear water scour flow conditions. Material used sand through sieve No. 10 and retained sieve No. 200 with a value of D50 = 0.68 mm. Models are tested for 250 minutes for each time running. The results showed the greatest scour the pillar occurs in the upper reaches of the pillars at the observation point 5. The maximum scour depth of all the pillars of the cylinder occurs at discharge 2.0 liter /sec, while the minimum scour depth occurs in the discharge of 1.0 liters /sec. The maximum value of the variation of scour depth flow 1.0 liters/ s, 1.5 liters /sec, and 2.0 liters /sec in a row is 25 mm, 51 mm, 96 mm. Keywords: local scours, cylindrical pillars and direction of flow.
1. Pendahuluan Latar Belakang Gerusan lokal (local scouring) merupakan proses alamiah yang terjadi di sungai akibat pengaruh morfologi sungai atau adanya bangunan air yang menghalangi aliran, misalnya pangkal jembatan, pilar jembatan, abutmen, krib sungai dll. Adanya bangunan air tersebut menyebabkan perubahan karakteristik aliran seperti kecepatan aliran dan turbulensi, sehingga menimbulkan perubahan transpor sedimen dan terjadinya gerusan. Gerusan lokal umumya terjadi pada alur sungai yang terhalang pilar jembatan yang menyebabkan adanya pusaran. Gerakan dari pusaran akan membawa butiran dasar menjauh dari asalnya dan jika tingkat debit sedimen yang keluar dari gerusan lebih besar dari yang masuk, maka akan terbentuk lubang akibat penggerusan. Pusaran tersebut terjadi di bagian hulu pilar. Mengingat kompleks dan pentingnya permasalahan di atas, kajian tentang local scouring di sekitar pilar jembatan silinder akibat adanya pengaruh debit terhadap aliran pada sungai perlu mendapat perhatian secara khusus, sehingga nantinya dapat diketahui mengenai pola aliran, pola gerusan dan kedalaman gerusan yang terjadi dan selanjutnya dapat pula dicari upaya pengendalian dan pencegahan gerusan pada pilar jembatan.
Perumusan Masalah Rumusan masalah dalam mempelajari gerusan lokal disekitar pilar dengan pengaruh variasi sudut pilar terhadap arah aliran adalah : Bagaimana pola gerusan lokal disekitar pilar tunggal berbentuk silinder dengan variasi debit aliran? Bagaimana hubungan antara kedalaman gerusan disekitar pilar dengan variasi debit aliran?
Batasan Penelitian
Penelitian ini mempunyai batasan sebagai berikut: Penelitian menggunakan pilar silinder dengan diameter 4 cm Perilaku gerusan yang ditinjau adalah yang disekitar pilar Material yang digunakan dalam penelitian ini adalah pasir yang sebelumnya sudah disaring dan lolos ayakan no.10 dan tertahan di ayakan no.200. Hal ini dimaksudkan agar material yang dipakai tidak mengandung banyak lumpur, karena material yang lolos ayakan 200 adalah clay, sehingga kondisi aliran mudah diamati. Pola aliran yang diamati adalah pola kontur tiga dimensi dengan pengukuran kedalaman arah x,y dan z. Aliran yang digunakan adalah aliran tanpa adanya kandungan sedimen (clear water scour). Pengaruh dinding batas flume terhadap gerusan yang terjadi tidak diperhitungkan. Menggunakan Flume dengan panjang 8 m, tinggi 0,3 m dan lebar 0,076 m.
Tujuan Penelitian
Tujuan yang akan dicapai dalam penelitian ini : Mengetahui pengaruh debit aliran terhadap gerusan lokal disekitar pilar jembatan. Mengetahui karakteristik gerusan dan kedalaman gerusan yang terjadi disekitar pilar silinder akibat pengaruh debit aliran.
2. Tinjauan Pustaka Persamaan Gerusan Untuk Aliran Beraturan Kedalaman gerusan tergantung dari beberapa variabel (lihat Breuser dan Raudkivi, 1991 dalam Hanwar, 1999:11) yaitu karakteristik zat cair, material dasar, aliran dalam saluran dan bentuk pilar jembatan. Penggerusan pada dasar sungai di bawah pilar akibat adanya aliran sungai yang mengikis lapisan tanah dasar dapat dihitiung kedalamannya. Kondisi clear-water untuk dalamnya penggerusan dapat dihitung melalui persamaanpersamaan Raudkivi (1991) yaitu sebagai berikut : yse = 2.3 Kσ Ks Kα Kdt Kd
(1)
dengan : yse Kd Ks Kdt Kα Kσ
= = = = = = =
Kedalaman gerusan seimbang Faktor ketinggian aliran Faktor bentuk pilar Faktor ukuran pilar Faktor posisi pilar Fungsi dari standar deviasi geometrik distribusi ukuran partikel Sudut datang alir
Dalam Melville dan Satherland (1988) dalam Pamularso (2006:36) telah dijelaskan, bahwa kedalaman gerusan dari gerusan lokal, yse, dapat ditulis : yse = KI Kσ Ks Kα Kdt Kd
(2)
dengan, yse Kd KI Ks Kα Kdt Kσ
= = = = = = =
Kedalaman gerusan seimbang Faktor ketinggian aliran Faktor intesitas aliran Faktor bentuk pilar Faktor posisi pilar [0,78(yo/b) 0,225] Faktor ukuran pilar Fungsi dari standar deviasi geometrik distribusi ukuran partikel
Dimana : KI = 2,4(U/Uc)
jika (U/Uc) < 1
KI = 2,4 jika (U/Uc) > 1
3. Metodologi Penelitian Tempat Penelitian Penelitian ini dilaksanakan di Laboratorium Hidraulika Departemen Teknik Sipil Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Penelitian fisik di laboratorium yang menyangkut tahapan studi literatur, persiapan alat, persiapan bahan, pembuatan model dan pengumpulan data dari penyajian model. Sedangkan penelitian hipotetik dan analitik berupa analisis data dan membuat kesimpulan hasil penelitian secara ringkas.
Bahan Penelitian Bahan-bahan yang digunakan pada penelitian adalah sebagai berikut :
Pasir
Material yang digunakan dalam penelitian ini adalah pasir yang sebelumnya sudah disaring dan lolos ayakan no.10 dan tertahan di ayakan no.200. Hal ini dimaksudkan agar material yang dipakai tidak mengandung banyak lumpur, karena material yang lolos ayakan 200 adalah clay, sehingga kondisi aliran mudah diamati.
Air
Air yang digunakan adalah air yang tersedia di Laboratorium Hidraulika Departemen Teknik Sipil Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.
Beton
Beton yang digunakan sebagai model miniatur pilar silinder adalah beton.
Alat Penelitian Peralatan untuk pembuatan model fisik dan pengujian berada di Laboratorium Hidraulika Departemen Teknik Sipil Fakultas Teknik USU. Secara spesifik dapat disampaikan nama dan fungsi dari masing masing alat yang digunakan tersebut.
Recirculating sediment flume
Alat ini berukuran panjang 8 m, tinggi 0,30 m dan lebar 0,076 m, dilengkapi dengan pompa kapasitas 2,5 liter/det. Dioperasikan melalui indikator operasional yang terdiri kontrol debit aliran, dan kran pembuka. Kemiringan dasar saluran dan pintu di bagian hilir. Pintu berfungsi untuk mengontrol kedalaman aliran yang diinginkan. Pada bagian hulu dan hilir dipasang rigid bed sepanjang 20 cm yang berfungsi agar selama proses penelitian berlangsung dasar saluran bagian hulu dan hilir tidak mengalami gerusan.
Gambar 1. Alat Recirculating Sediment Flume
Point gauge
Alat ini digunakan untuk mengukur kedalaman aliran dan kedalaman gerusan yang terjadi dengan ujung runcing point gauge yang diturunkan hingga kedalaman yang sudah terbentuk oleh aliran.
Pintu air
Pintu air dipasang pada bagian hilir di atas rigid bed yang berfungsi untuk mengatur ketinggian muka air.
Model Pilar
Model pilar yang digunakan pada penelitian ini terbuat dari beton yang dibentuk sesuai model, kemudian dihaluskan dan diberi lapisan melamine agar model yang dibuat sesuai dengan kehalusan yang diinginkan. Penelitian menggunakan pilar silinder dengan ketinggian 250 mm dan dengan diameter pilar 30 mm. Model pilar diletakkan di tengah flume pada jarak 3,5 m dari hilir dan 2.3 cm terhadap dinding dengan aliran air (dianggap) seragam.
250 mm
30 mm Gambar 2. Model 3 dimensi Pilar silinder
Stop watch
Alat ini digunakan untuk menentukan waktu tiap satuan waktu yang ditentukan untuk pengambilan data kedalaman gerusan selama running berlangsung. Alat ini juga digunakan bersama-sama alat tampung air untuk mengukur debit aliran pada flume.
Kamera
Alat ini digunakan pengambilan data serta dokumentasi selama percobaan berlangsung.
Meteran dan penggaris
Alat ini untuk mengukur tinggi material dasar dan kedalaman aliran di sepanjang flume. Serta acuan guna pembacaan data kedalaman gerusan pada sekitar pilar. Skala ditulis di pilar untuk membaca proses gerusan ketika running. Untuk busur dugunakan untuk mengukur sudut kemiringan pilar terhadap arah aliran.
Alat bantu lainya (alat tulis,tang,lampu dll).
Langkah-langkah Pelaksanaan Penelitian
Model pilar diletakkan di tengah flume dengan jarak 3.5 m dari hulu, kemudian diatur dengan material pasir dalam keadaan rata-rata. Pengaturan debit aliran disesuaikan dengan variasi yang ada yaitu 1 l/det, 1,5 l/det, dan 2 l/det. Air dialirkan dari debit kecil sampai debit yang ditentukan sehingga mencapai konstan. Pengamatan kedalaman gerusan, dilakukan melalui pengamatan setiap percobaan dengan mencatat kedalaman gerusan dari awal running setiap selang waktu tertentu, yaitu 1 – 10 menit dicatat setiap selang waktu 1 menit, 10 – 40 menit dicatat setiap selang waktu 5 menit, 40 –70 menit dicatat setiap selang waktu 10 menit, 70 – 250 menit dicatat setiap selang waktu 15 menit. Pengamatan kedalaman gerusan dicatat terus menerus selama waktu kesetimbangan. Pengambilan data kontur, data kontur gerusan di sekitar pilar diukur setelah running selesai, dengan cara memperkecil debit aliran secara perlahan agar gerusan di sekitar pilar tidak terganggu oleh adanya perubahan debit. Hal ini dilakukan agar diperoleh data kontur yang mewakili gerusan tersebut. Data kontur diukur dengan menggunakan alat point gauge. Daerah gerusan yang diukur elevasinya dibagi atas beberapa bagian yaitu arah sejajar aliran dan arah melintang aliran. Setelah dilakukan pengukuran tiga dimensi, pasir diratakan kembali untuk selanjutnya dilakukan running dengan variasi lain.
Mulai
Persiapan 1. Studi Pustaka 2. Alat dan bahan penelitian
Kegiatan Laboratorium 1. Uji aliran/kalibrasi 2. Running model (clear water scour) Dengan Pilar Silinder dengan berbagai variasi debit yang telah ditentukan : - Q = 1,0 l/det - Q = 1,5 l/det - Q = 2,0 l/det 3.Pengamatan dan Pengukuran kedalaman
gerusan Analisis Data
Penyusunan Laporan
Selesai
Gambar 3. Diagram Alur Penelitian
4. Hasil dan Pembahasan Pemeriksaan Material Dasar Pengujian dilakukan di Laboratorium Bahan Departemen Teknik Sipil Universitas Sumatera Utara. Pasir yang digunakan dalam penelitian ini adalah pasir lolos saringan ASTM no. 10 dan tertahan pada no. 200 Spesifik Grafity 2.68 serta kadar lumpur 0.60 % dan nilai d50 diperoleh dari pengujian analisa gradasi butiran. Pasir sebagai material dasar diayak terlebih dahulu untuk mendapatkan ukuran butiran yang besarnya relatif merata. Hasil analisa gradasi butiran dapat dilihat di Tabel 1.
Tabel 1. Analisa gradasi butiran Ayakan Ayakan Berat
Barat
No. 4 No. 10 20 40 60 100 200
(gr) e1= lolos e2= e3= e4= e(gr) 5= e6= e7=
(mm) 4.75 dalam 2.000 0.850 0.425 0.250 (mm) 0.150 0.074
(gr) d1 = 124 d2 = 134 d3 = 134 tertahan d4 = 232 d5 = 164 d6 = 114 (gr) d7 = 92 Σd = 994
% berat 876 742 608 376 212 98 6
87.60 lolos 74.20 60.80 37.60 21.20 e/W x 100% 9.80 0.60
e7=W-Σd e6=d7+e7 e5=d6+e6 e4=d5+e5 e3=d4+e4 e2=d3+e3 e1=d2+e2
( Sumber: Hasil penelitian ) Hasil analisa gradasi butiran dimasukkan dalam bentuk grain diameter (Gambar 4) yang kemudian dapat diketahui nilai d50. Dari Gambar 4 tersebut terlihat bahwa d50 adalah 0.68 mm. 100
Percent Finer,
80 60 40 20
1 0.1 Gambar 4. Grain diameter,mm
0.001
Karakteristik Aliran Tabel 2. Karakteristik aliran b (mm)
h (mm)
Q (l/s)
U (m/s)
d50 (mm)
Qc (l/s)
Uc (m/s)
Fr
Re
Jenis Aliran
76
140
1.0
0.094
0.68
1.117
0.23
0.0802
13160
76
163
1.5
0.121
0.68
1.917
0.24
0.0960
19723
76
200
2.0
0.132
0.68
2.888
0.22
0.0940
26400
Turbulen subkritis Turbulen subkritis Turbulen subkritis
(Sumber : Hasil Penelitian)
Kedalaman Gerusan Perkembangan Kedalaman Gerusan terhadap Waktu Perkembangan kedalaman gerusan terhadap untuk masing-masing pilar adalah sebagai berikut :
waktu
pada
pilar silinder dengan berbagai debit
Perkembangan Kedalaman Gerusan terhadap Waktu pada Pilar Silinder Berdasarkan hasil pengamatan perkembangan kedalaman gerusan terhadap waktu pada pilar silinder dengan debit, Q = 1.0 liter/s seperti yang terdapat pada Lampiran 2, dapat diketahui hubungan kedalaman gerusan terhadap waktu seperti yang tersaji dalam Gambar 5 berikut ini.
Gambar 5. Perkembangan kedalaman gerusan terhadap waktu pada pilar silinder dengan debit Q = 1.0 liter/s
3 4
Arah aliran
2
5
1 6
8 7
Keterangan
:
titik pengamatan
Pola Gerusan di Sekitar Pilar Silinder Dari hasil pengamatan proses perkembangan kedalaman gerusan yang dilaksanakan di laboratorium menunjukan bahwa besarnya kedalaman gerusan bervariasi sesuai dengan debit masing-masing pilar jembatan. Proses penggerusan dimulai dari ujung pilar sebelah hulu. Lubang gerusan awal kemudian menyebar ke sepanjang sisi pilar dan berhenti sampai jarak tertentu dari sebelah hilir pilar. Proses ini terjadi dari awal penggerusan sampai kondisi stabil. Pada setiap kali running selesai dilakukan pengukuran kontur. Pengukuran kontur ini dilakukan dengan point gauge yang berguna untuk mengukur kedalaman gerusan yang terjadi pada material dasar saluran di sekitar pilar. Pengambilan koordinat kontur yaitu untuk X tegak lurus arah aliran (horisontal), Y searah aliran dan Z tegak lurus arah aliran (vertikal). Kedalaman gerusan (arah Z)
diukur dengan interval jarak untuk arah X sebesar 1 cm dan untuk arah Y sebesar 1 cm. Hasil pembacaan point gauge menghasilkan titik-titik kedalaman (arah Z) tiap koordinat arah X dan arah Y di permukaan material dasar dengan pola gerusan yang berbeda untuk setiap variasi penelitian. Selanjutnya data-data dan hasil pengukuran diolah untuk mendapatkan peta kontur dengan menggunakan program surfer.
Gambar 6. Kontur Pola Gerusan pada Pilar Silinder dengan debit 1,0 lit/det
Gambar 7. Isometri pola gerusan pada pilar silinder dengan debit 1,0 lit/det
Pengaruh Debit Aliran Terhadap Kedalaman Gerusan
Perbandingan kedalaman gerusan maksimum terhadap sudut pilar pada tiap sudut pilar seperti terlihat dalam Tabel 6 berikut ini. Tabel 6. Kedalaman gerusan maksimum di sekitar pilar silinder sebagai fungsi variasi debit Debit (lit/det) 1 2 1,0 -0,5167 -0,7 1,5 -1,3333 -1,5 2,0 -2,4 -2,6167 ( Sumber : Hasil penelitian )
Kedalaman Gerusan Ds/b pada titik pengamatan 3 4 5 6 7 -0,7667 -0,8167 -0,8333 -0,8 -0,7667 -1,6833 -1,6667 -1,7 -1,6333 -1,6833 -2,8667 -2,9 -3,2 -2,9 -2,8667
8 -0,7333 -1,4833 -2,6667
5. Kesimpulan dan Saran Kesimpulan Hasil yang didapat dari penelitian gerusan pada pilar silinder dengan berbagai variasi debit aliran ini adalah: 1. Penambahan kedalaman gerusan pada menit-menit awal terjadi secara cepat pada berbagai debit aliran pada pilar. Perkembangan kedalaman gerusan terhadap waktu pada pilar silinder dengan debit aliran untuk masingmasing pilar terlihat bahwa gerusan awal yang terjadi pada umumnya dimulai dari sisi samping pilar bagian depan. 2. Salah satu faktor yang mempengaruhi besar kecilnya gerusan di sekitar pilar silinder adalah debit aliran. Semakin besar debit aliran maka gerusan akan semakin besar. 3. Gerusan terbesar pada pilar silinder dengan berbagai variasi debit terjadi pada bagian hulu pilar pada titik pengamatan 5. Kedalaman gerusan maksimum dari semua pilar silinder terjadi pada pilar dengan debit 2 liter/det, sedangkan kedalaman gerusan minimum dari semua pilar silinder terjadi pada pilar 1,0 liter/det. 4. Nilai kedalaman gerusan maksimum pada pilar silinder dengan debit 1,0 liter/det 1,5 liter/det, 2,0 liter/det secara berturut-turut adalah 25 mm, 51 mm, 96 mm.
Saran 1. Dilaksanakannya penelitian lanjutan mengenai pengaruh arah aliran terhadap gerusan lokal disekitar pilar dengan bentuk pilar yang berbeda. Seperti pilar persegi, persegi dengan ujung setengah lingkaran, persegi dengan sisi depan miring. Sehingga dapat dijadikan pembanding besarnya gerusan yang terjadi pada masingmasing pilar. 2. Dalam perencanaan konstruksi disarankan agar dibuat bangunan penguat di sekitar titik pengamatan 5 pada pilar silinder agar mampu menahan gerusan lokal maksimum yang terjadi.
DAFTAR PUSTAKA Aisyah, S. (2004). Pola Gerusan Lokal di Berbagai Bentuk Pilar Akibat Adanya Variasi Debit. Tugas Akhir. Yogyakarta : UGM Breuser. H.N.C. and Raudkivi. A.J. 1991. Scouring. IAHR Hydraulic Structure Design Manual. Rotterdam : AA Balkema. Chow, V.T. (1985). Hidraulika Saluran Terbuka. Jakarta : Erlangga Garde, R.J and Raju K.G.R. 1997. Mechanics Of Sediment Transportation and Alluvial Stream Problem. New Delhi : Willy Limited Gunawan, H.A. (2006). Pengaruh Lebar Pilar Segiempat Terhadap Perilaku Gerusan Lokal. Skripsi. Semarang : UNNES Indra, Purwo. ( 2000). Pola Gerusan Lokal pada Pilar Jembatan dengan VariasiSudut Posisi Pilar terhadap Arah Arus. Tugas Akhir. Surakarta:UMS Miller, W.( 2003). Model For The Time Rate Of Local Sediment Scour At A Cylb indrical Structure. Disertasi. Florida : PPS Universitas Florida. Mira, S. ( 2004). Pola Gerusan Lokal Berbagai Bentuk Abutment dengan Adanya Variasi Debit. Tugas Akhir. Yogyakarta : UGM Pamularso, A. (2006). Pengaruh Bentuk Pilar Terhadap Perilaku Gerusan Lokal. Skripsi. Semarang : UNNES Rangga Raju, K.G. (1986). Aliran Melalui Saluran Terbuka. Jakarta : Erlangga Setianingrum, R.M. ( 2003). Efektifitas Penanganan Gerusan Lokal di Sekitar Pilar Pada Kondisai Live-Bed Scour. Tugas Akhir. Yogyakarta : UGM Sucipto dan Nur Qudus. (2004). Analisis Gerusan Lokal di Hilir Bed Protection. Jurnal Teknik Sipil dan Perencanaan . Nomer 1 Volume 6. Januari 2004. Semarang : UNNES Triatmodjo, B. (2003). Hidraulika I. Yogyakarta. Beta Offset Wibowo, Oki Martanto.(2007). Pengaruh Arah Aliran terhadap Gerusan Lokal disekitar Pilar Jembatan.Tugas Akhir. Semarang : UNNES
