Di dalam praktek sering dijumpai perlunya perencanaan saluran baik untuk jaringan irigasi maupun jaringan drainase drainase..
S h b Sehubungan d dengan k keperluan l tersebut t b t maka perencanaan saluran terbuka pada d dasarnya merupakan k perencanaan penampang saluran yang mampu mengalirkan debit dari suatu l k i ke lokasi k lokasi l k i lain l i dengan d l lancar, aman dan d dengan biaya yang memadai. memadai. Dalam hal ini selain aspek hidrolik yang menjadi pertimbangan utama, aspekaspek-aspek lain yang perlu dipertimbangkan adalah : aspek p ekonomi, aspek keamanan lingkungan, dan aspek estetika estetika..
Karena saluran menempati lahan yang dilalui alirannya li maka k pertimbangan i b Q bertambah b b h besar apabila p keliling g basah C menurun sampai p angka minimum. minimum. Jadi dari tinjauan aspek hidrolik diantara semua bentuk penampang akan terdapat suatu penampang dengan d b t k geometri bentuk t i dan d luas l d dan keliling basah sedemikian sehingga menghasilkan debit aliran terbesar terbesar..
Penampang semacam ini disebut penampang terbaik (the best hydraulic h draulic section secti n) atau penampang paling efisien, atau penampang paling ekomomis.. ekomomis Jadi suatu penampang saluran terbuka di dinyatakan k penampang hidrolik hid lik terbaik b ik atau paling efisien apabila keliling basah (P) mempunyaii harga h minimum. minimum i i . Dengan D d iki demikian, peninjauan pada penampang hidrolik terbaik b berarti i peninjauan i j terhadap h d keliling k lili basah. b basah h. geometrik dari p penampang p g terbaik Elemen g untuk saluran berpenampang segi empat, trapesium, p dan setengah g lingkaran g dapat p diuraikan sebagai berikut: berikut:
Tujuan perkuliahan adalah untuk menjelaskan j dan melatih mahasiswa agar g mahasiswa memahami serta mampu merencanakan saluran terbuka untuk jjaringan g irigasi dan jaringan drainase.
Perencanaan saluran tahan erosi untuk penampang persegi empat, penampang trapesium dan penampang setengah lingkaran dengan menggunakan metode kecepatan minimum yang diijinkan. diijinkan
9
9
Perencanaan saluran P l mudah d h tererosii dengan menggunakan metode kecepatan maksimum k i yang diiji diijinkan. k
* Tujuan Pembelajaran Umum Setelah membaca modul ini mahasiswa memahami cara--cara merencanakan cara k saluran l tahan h erosi. i $ Tujuan Pembelajaran Khusus Setelah membaca modul ini mahasiswa mampu merencanakan penampang saluran tahan erosi.
Dapat dikatakan bahwa hampir semua saluran tahan erosi merupakan saluran buatan yang diberi lapisan dari bahan tidak mudah tererosi.. Karena saluran tahan erosi merupakan tererosi saluran buatan maka dimensi saluran direncanakan sedemikian agar mampu mengalirkan air sebesar mungkin untuk suatu luas penampang (A) dan kemiringan aliran (if) tertentu.. tertentu
Dari persamaan Chezy dan persamaan Manning seba ai berikut : sebagai Q = C A Rif
Ch Chezy
1 23 12 Q = A B if n
Manning
Dapat dilihat bahwa besarnya faktor hantaran K (Manning) bertambah besar apabila harga R (jari –jari hidrolik) juga bertambah besar besar.. Karena besarnya jari –jari hidrolik R = A / O, maka untuk A yang sama. sama.
A.
Penampang Persegi Empat
Saluran terbuka berpenampang p p g p persegi g empat pada umumnya merupakan saluran buatan terutama banyak y digunakan g untuk saluran drainase di perkotaan atau untuk flume (talang untuk jjaringan g irigasi) irigasi). g . Dibanding dengan penampang trapesium, penggunaan saluran berpenampang perseg persegi empat cenderung dihindari karena tebingnya yang tegak (vertikal). ((vertikal) rt a ). ). Dinding D n ng ttegak ga memerlukan m m r u an konstruksi onstru s yang lebih mahal daripada dinding yang mengikuti garis--g garis g garis kemiringan m ng n lereng ng alam m tanah n dimana m n saluran ditempatkan. ditempatkan.
Untuk U t k keperluan k l saluran l d i drainase perkotaan k t bentuk penampang persegi empat ini makin di dipertimbangkan ti b k penggunaannya karena k d dua hal berikut ini : 1. Terbatasnya lahan 2. Estetika Untuk pertimbangan ekonomi perlu dicari penampang yang paling baik. baik. Dari Gb Gb.. 5.1 dibawah ini dapat dirumuskan penampang persegi empat terbaik sebagai berikut :
y
B = 2y
Gambar 5.1. Penampang hidrolik terbaik saluran terbuka berpenampang persegi empat
- Luas penampang :
A = B. y
- Keliling basah
P = B + 2y
:
- JariJari-jari hidrolik : - Debit aliran
R=
A B. y = P B + 2y
:
1 Q = A R 2 3 i1 2 n
Manning
Q = C A Rif
Chezy
Dari persamaan debit aliran tersebut dapat dilihat bahwa apabila harga A, A C, C dan if (Chezy), (Chezy) atau A, n, dan if (Manning) tetap maka debit aliran akan maksimum apabila harga R (jari – jari hidrolik) adalah maksimum. maksimum. Karena : R = A / P, m k untuk mencapai maka m nc p i harga h r R maksimum m ksimum dengan d n n luas penampang A tetap maka harga keliling basah P harus minimum minimum.. Untuk mencapai harga har a P minimum dapat dilakukan sebagai berikut : P = B + 2y karena : A = B x y B=A/y maka : A
P=
y
+ 2y
(5.1)
untuk harga A tetap maka P hanya merupakan fungsi dari h saja {P = f (h)} (h)}.. dP Harga P minimum dicapai apabila =0
dy
Dari persamaan (5.1) tersebut diatas dapat dicari harga dP dy sebagai g berikut : A P = + 2 y = A( y −1 ) + 2 y y
dP A −2 = A(− y ) + 2 = − 2 + 2 y dy
P minimum apabila Jadi :
dP dP =0 d dy d dy
dP A =− 2 +2=0 dy y atau :
A = 2y
2
(5.2)
Kembali ke p persamaan (5.1), dengan g memasukkan persamaan (5.2) didapat didapat:: 2
A 2y + 2y = 4y P = + 2y = y y
(5.3)
Karena maka atau
: : :
P = B + 2y 4y = B + 2y B = 4y - 2y B = 2y
(5.4)
Dengan demikian maka penampang persegi empat terbaik adalah penampang yang mempunyai lebar sama dengan dua kali kedalaman alirannya alirannya.. Selanjutnya elemen geometris lainnya dapat dinyatakan sebagai berikut : Lebar permukaan : T = B = 2y (5.5) Kedalaman hidrolik : A 2 y2 D=
T
=
2y
=y
(5 6) (5.6)
Penampang saluran untuk aliran kritis : Z = A√D √ = 2y√y √ Z = 2y2,5 (5.7) Dengan diketahuinya elemen geometri tersebut, perencanaan dimensi saluran dapat dilakukan untuk Q dan if diketahui diketahui.. B. Penampang Trapesium Saluran terbuka yang mempunyai penampang trapesium adalah yang banyak digunakan di dalam praktek praktek..
Hal ini karena kemiringan m g tebing g dapat p disesuaikan dengan kemiringan lereng alam tanah yang y g ditempatinya. ditempatinya mp y . Untuk saluran buatan,, f faktor ekonomis juga menjadi pertimbangan, oleh karena itu jjuga g p perlu dicari penampang p p g hidrolik terbaiknya dengan cara sebagai berikut : M
E θ D
y θ = 60°
A
C
θ = 60°
B
Gambar 5.2. 5 2 Penampang hidrolik terbaik saluran terbuka berpenampang trapesium
- Luas penampang :
A = ( B + z ) y , berarti A B= −zy y - Keliling basah
:
P = B + 2 y 1+ z2
atau A P = − z y + 2 y 1+ z2 y
((5.8))
Asumsi pertama diambil harga A dan y tetap; tetap; sehingga P merupakan fungsi z untuk mencari harga P terkecil perlu penurunan P terhadap z sebagai berikut : A P = − z y + 2 y (1 + z )1/ 2 y
[
dP = − y + 2 y 1 2 (1 + z 2 ) −1/ 2 2 z d dz dP = − y + 2 yz[1 + z 2 ]−1 2 d dz
P minimum i i apabila bil Jadi :
]
dP =0 dz 2 −1 2
− y + 2 yz[1 + z ]
=0
Apabila persamaan tersebut dibagi y, maka didapat persamaan persamaan:: − 1 + 2 z[1 + z 2 ]−1/ 2 = 0 atau
2z
(1 + z )
2 12
[
=1
2z = 1+ z
]
2 12
Apabila persamaan tersebut dikuadratkan atau dipangkatkan 2 akan didapat : 4z2 = 1 + z2 Atau : 3z2 = 1 Sehingga : z2 = 1/3 Atau : 1 z= 13=
3
3
((5.9))
Lihat Gb. Gb. (5.2) kemiringan tebing 1 : z tidak lain adalah tan θ, jadi : tan θ = 1 : z =
1 1 3 3
= 3
θ = tan t −1 3 = 60°
Darii hasil D h il ini i i dapat d dik k bahwa dikatakan b h penampang trapesium yang terbaik adalah yang mempunyai k i i kemiringan tebing bi membentuk b k sudut d θ = 60 60°° dengan dasar saluran saluran.. Asumsi berikutnya ialah apabila bil harga h A dan d harga h z tetap, t t sedang d h harga y berfluktuasi, sehingga P merupakan fungsi y. Kembali K b li ke k persamaan (5.8) yaitu it : A P = − z y − 2 y 1+ z2 y
(5.8)
Penurunan P terhadap y ddP A = − 2 − z − 2 1+ z2 dy y
harga P minimum apabila
dP =0 d dy
b berarti i : − A2 − z − 2 1 + z 2 = 0 y
(5.9)
Untuk A=(B+zy)y, persamaan (5.8) tersebut menjadi j : ( B + z y) y 2 − − z − 2 1 + z =0 2 y
(5.10) ( )
dikali y2 persamaan (5.10 10)) tersebut menjadi :
− (B + zy ) y − zy − 2 y 2
2
1 + z = 0, atau : 2
(
− (B + zy ) y − y z + 2 1 + z 2
− (B + zy ) y = −2 y − By − zy = −2 y 2
2
2
2
) = 0, atau :
1 + z + zy , atau : 2
1+ z
− y (B + 2 zy ) = −2 y 2 1 + z 2
2
2
Dibagi dengan - y persamaan tersebut menjadi :
B + 2 zy = 2 y Dibagi dengan
1+ z
2
2 1+ z
2
2
persamaan tersebut menjadi :
B + 2 zy 2 1+ z
y=
2
= y atau
B + 2 zy 2 1+ z
2
(5.11)
Dari Gb Gb.. (5.2) dapat dilihat bahwa panjang MD yaitu garis lurus yang ditarik dari titik M (titik tengah garis permukaan air T) tegak lurus tebing saluran (garis CE), dapat dihitung sebagai berikut : Lihat segitiga MDE :
MD atau MD = ME sin i θ, atau Sinθ = ME MD = ME Sin 60 60°°
(5.12 12))
Dari Gb Gb.. (5.2) tersebut juga dapat dilihat bahwa : 1 Panjang ME = (B + 2 zy ) 2 sin θ =
y y 1+ z2
=
(5.13)
1
(5.14)
1+ z2
Dengan demikian apabila persamaan (5.13 13)) dan persamaan (5.14 14)) dimasukkan ke dalam persamaan (5.12 12)) akan didapat : ⎛ 1 1 MD = (B + 2 zy )⎜⎜ 2 2 ⎝ 1+ z
⎞ B + 2 zy ⎟= ⎟ 2 ⎠ 2 1+ z
(5.15)
Lihat kembali persamaan (5.11 11)) akan tampak bahwa :
MD = y =
B + 2zy
2 1+ z2
(5 16) (5.16)
Dari hasil perhitungan tersebut dapat disimpulkan bahwa titik M merupakan titik pusat dari lingkaran dengan jari jari--jari (radius) sama dengan y, y atau diameter d = 2y, y sedang dasar dan tebing saluran merupakan garis singgung pada lingkaran tersebut tersebut.. Bentuk trapesium semacam ini dikenal sebagai hexagon dari setengah lingkaran lingkaran.. Jadi penampang trapesium terbaik adalah setengah hexagon hexagon.. Selanjutnya elemen geometris lainnya dapat dinyatakan sebagai berikut : - Lebar dasar saluran lihat persamaan (5.11 11))
y=
B + 2zy 2 1+ z
2
(5.17)
dikali
persamaan tersebut menjadi :
2 1+ z2
atau
2 y 1 + z 2 = B + 2 zy
Untuk
z=
1 1 = 3 3
1 3 ; z = 3 2
B = −2 zy + 2 y 1 + z 2
persamaan tersebut menjadi :
⎛ 1⎞ 1 ⎜ ⎟ B = −2⎜ y + 2 y 1+ ⎟ 3 ⎝ 3⎠ ⎛ 4⎞ 2 ⎟ = − y 3 + 2 y⎜⎜ ⎟ 3 3 ⎝ ⎠ = −
2 y 3
2 B= y 3 3
3 +
4 y 3
3
(5.16)
- Lebar permukaan air : lihat persamaan (5.12 12)) T = 2 ME = 2 ×
1 (B + 2 zy ) 2
(5.17)
Dengan g memasukkan p persamaan persamaan (5.17 17)) akan didapat : T = B + 2 zy =
T=
2 y 3 3
2 y 3
3 +
2 y 3
3 =
4 y 3
(5.16) 16)
ke
3
(5 18) (5.18)
- Luas penampang basah
A = ( B + zy ) y
2 Memasukkan harga B = y 3 dan 3
Harga
z=
1 3 3
kedalam persamaan diatas didapat :
1 ⎛2 ⎞ A=⎜ y 3+ 3 y⎟y 3 ⎝3 ⎠
( )
= y 3y
=y Jadi
2
3
A= y
2
3
(5 19) (5.19)
- Kedalaman Hidrolik
A D= T Dengan memasukkan persamaan (5.18) 18) dan persamaan (5.19 19)) kedalam persamaan tersebut didapat :
A y2 3 3 = = y D = 4 T 4 y 3 3
(5 20) (5.20)
- Faktor penampang untuk aliran kritis : Z = A√D Memasukkan persamaan (5.19 19)) dan persamaan (5.20 20)) kedalam persamaan tersebut didapat :
Z=y
2
3 3 2 2 9 y=y y= y y 3 4 4 2
3 2,5 Z= y 2
atau
(5.21)
Dengan diketahui geometri penampang seperti tersebut t s b t diatas, di t s dim si saluran dimensi s l dapat d t direncanakan untuk debit Q dan kemiringan aliran li n if yang n diketahui dik diketahui. t h i.
C. Penampang Berbentuk Setengah Lingkaran Bentuk penampang setengah lingkaran merupakan bentuk penampang terbaik dengan komponen geometri sebagai berikut: d0
y = ½ d0
Gambar 5 5.3. 3 Penampang saluran berbentuk setengah lingkaran
- Luas penampang :
π 1 2 A = π d0 = y 2 8 2
- Keliling basah
P =π y
:
- JariJari-jari hidrolik :
3 π y2 1 = y R= = 2 2π y 2
(5.22)
Seperti dijelaskan untuk penampang persegi empat debit d maksimum k d dicapai apabila l keliling k ll basah minimum, atau untuk luas penampang A yang sama penampang yang mempunyai jari jari--jari hidrolik R yang terbesar adalah penampang yang terbaik. terbaik b k. p dilihat p perhitungan g sebagai g Untuk itu dapat berikut :
a)
Penampang persegi empat yang mempunyai lebar dasar = B m dan kedalaman y m. Dengan demikian penampang ini mempunyai : - Luas penampang : - Keliling basah : - JariJari-jari hidrolik :
A = B y = 2 y y = 2 y2
P = B + 2y = 2y + 2y = 4y A 2 y2 1 R= = = y P 4y 2
Dari persamaan A = 2y2, didapat y=
A = 0,707 A 2
P = 4 y = 4 × 0,707 A = 2,83 A
(5.23)
1 1 R = y = × 0,707 A = 0,353 A 2 2
(5.24)
b)
Penampang Trapesium hexagon S p ti telah Seperti t l h diuraikan di ik diatas di t s penampang p mp bentuk ini mempunyai : 2 A = y 3 - Luas penampang : - Keliling basah : P = A − zy + 2 y 1 + z 2 y
y2 3 1 1 = − 3y + 2 y 1+ 3 3 y 1 4 = y 3 − y 3 + 2y 3 3 1 4 P = y 3 − y 3 + y 3 = 2y 3 3 3
- JariJari-jari hidrolik :
A y2 3 1 R= = = y P 2y 3 2
Dari persamaan : A = y 2 3 y2 =
didapat :
A 1 3 = A 3= A 9 3 3
⎛3⎞ y=⎜ ⎟ ⎝9⎠
14
A = 0 , 760
A
Dengan demikian maka :
P = 2 y 3 = 2 × 0,760 3 A = 2,6 A
(5.25)
1 1 R = y = × 0,760 A = 0,380 A 2 2
(5.26)
c)
Penampang setengah lingkaran S p ti yang diuraikan Seperti di ik diatas di t s penampang p mp lingkaran ini mempunyai : π 2 A y = - Luas penampang : 2 - Keliling basah : P =π y - JariJari-jari hidrolik : Karena
A=
π 2
y2 atau : y =
A 1 R= = y P 2
2A = 0,798 A n
Maka : P = π y = 0,798 π A = 2,5 A
(5.27)
1 0,798 R= y= A = 0,395 A 2 2
(5.28)
Dari persamaan (5.23 23)) sampai dengan (5.28 28)) dapat dilihat bahwa untuk luas penampang A yang sama, penampang setengah lingkaran yang mempunyai harga P minimum yaitu P = 2,5 dan R terbesar b yaitu 0,395 √A √ . Sesudah √A. d h itu penampang trapesium hexagon dan kemudian baru penampang persegi empat dengan d l lebar B = 2y. Jadi penampang hidrolik terbaik adalah setengah l k lingkaran, tetapi karena k pembuatannya b sulit l maka k penampang trapesium yang menjadi pilihan pilihan.. Sedang d penampang persegi empat hanya h digunakan untuk talang atau saluransaluran-saluran di perkotaan. perkotaan k .
Elemen E m hidrolik untuk tiga g p penampang mp g tersebut dalam fungsi y dapat dilihat dalam tabel 5.1 berikut ini ini.. Tabel 5.1. Elemen geometri penampang hidrolik terbaik Penam pang
Elemen Geometri A
P
R
T
D
z
Persegiempat
2y2
4y
½y
2y
y
2 y2,5
Trapesium
y2 √3
2 y √3
½y
4/3 y √3
¾y
25 ¾ y2,5
Lingkaran Atau
π/2 y2
πy
½y
2y
π/4 y
π/4 y2,5
1,57 , y2
3,14 , y
0,5 , y
2y
0,785 , y 0,785 , y2,5
Material M t i l tahan t h erosi si yang sering s i digunakan di k untuk pemberian lapisan pada permukaan dasar d n sisi dalam dan d l m penampang p n mp n saluran s l n adalah d l h: * pasangan batu, gaja, * kayu, kaca, beton.. * plastik, dan beton Pemilihan jenis material tersebut tergantung pada kegunaan saluran, saluran dan kegunaan lapisan itu untuk mengamankan dasar dan tebing saluran dari erosi dan / atau kelongsoran tebing tebing..
Disamping D mp g itu,, keuntungan g lain dari p pelapisan p itu adalah dapat dicegahnya kehilangan air karena rembesan rembesan. m . Dalam hal ini saluran diberi lapisan maka kecepatan maksimum tidak diambil sebagai bahan pertimbangan kriteria dalam perencanaan, asalkan aliran tidak membawa pasir, pasir kerikil atau batu bara bara.. Tetapi tetap harus memperhatikan kemungkinan terjadinya kecepatan sangat besar yang dapat mengangkat material lapisan dari posisinya.. Dalam hal ini perencanaan konstruksi posisinya saluran harus memperhatikan kemungkinan tersebut.. tersebut
Penampang terbaik harus dijaga agar tetap dalam dimensi yang direncanakan karena penampang semacam ini biasanya telah dibuat tahan erosi, maka yang harus dijaga adalah jangan sampai terjadi endapan yang dapat mengurangi luas penampang. penampang. Dalam hal ini harus ditetapkan besarnya kecepatan minimum yang diijinkan.. diijinkan
Kecepatan ini adalah kecepatan minimum yang tidak menyebabkan terjadinya pengendapan yang diikuti dengan tumbuhnya tanaman pada endapan tersebut.. Besarnya kecepatan minimum yang tersebut diijinkan sangat tergantung pada jenis material yang diangkutnya. diangkutnya. Untuk saluran irigasi di Indonesia kecepatan minimum yang diijinkan adalah antara nt 0 0,30 30 m/d m/dett ssampai mp i 0 0,76 76 m/d m/det. t
Kemiringan longitudinal dasar saluran pada umumnya y ditentukan oleh kondisi topografi p g dan kemiringan garis energi yang diperlukan aliran aliran.. Disamping p g itu dalam banyak y hal kemiringan g longitudinal juga tergantung pada saluran seperti untuk : irigasi, g drainase, p pembangkit g listrik tenaga air, pemasok air baku untuk air minum atau industri industri.. Di dalam p penentuan kemiringan g dasar longitudinal ini harus di jaga agar kehilangan energi sekecil mungkin. mungkin.
Kemiringan tebing saluran (side slope) pada dasarnya dasarn a ditetapkan berdasarkan sifat sifat--sifat tanah dimana saluran dibuat. dibuat. Dalam hal ini saluran buatan tahan erosi faktor yang paling menentukan adalah biaya yang terdiri dari biaya pembebasan lahan dan biaya konstruksi saluran dari mulai galian sampai konstruksi tebing yang tidak hanya mempertimbangkan kestabilan tetapi harus dipertimbangkan pula pencegahan terjadinya rembesan rembesan.. Besarnya kemiringan minimum untuk saluran dari tanah h yang terdiri di i dari d i bahan b h -bahan b h kohesif k h if yang dipadatkan dengan baik dapat dilihat dalam tabel b l 5.2 sebagai b i berikut b ik :
Tabel 5.2 Kemiringan tebing minimum untuk berbagai jenis tanah tanah* Jenis tanah untuk saluran
Kisaran kemiringan tebing
Batu
< 0,25
G b t kenyal Gambut k l
1–2
Lempung kenyal geluh (loom (loom), ), tanah
1–2
Lempung pasiran,tanah pasiran kohesif
1,5 – 2,5
P i llanauan,kerikil Pasir k ikil h halus l
2–3
Gambut tanah
3–4
* Diambil dari standar Perencanaan Irigasi Departemen Pekerjaan Umum, 1986 (Buku KP KP..04) 04)
Angka Angkak -angka k di d dalam d l tabel b l tersebut b adalah d l h kisaran kemiringan tebing untuk beberapa jenis tanah h untuk k saluran l tahan h erosi yang pelapis l tebingnya mengikuti lereng alamnya alamnya.. Sedang untuk saluran tidak tahan erosi harus diadakan pemeriksaan p terhadap p kecepatan p maksimum yang diijinkan agar tidak terjadi erosi erosi..
Setelah tinggi permukaan air yang perlu untuk pengaliran p g debit rencana sudah ditetapkan, masih diperlukan lagi suatu ruang untuk menampung p g gelombang g g karena angin g dan fluktuasi permukaan air agar tidak terjadi luapan (over topping pp g). Fluktuasi p permukaan air dapat p terjadi karena penutupan pintu air di hilir secara tiba--tiba akibat air laut p tiba pasang, g akibat loncatan air, sedimentasi, perubahan koefisien kekasaran atau kesalahan operasi p bangunan air y yang ada di saluran tersebut. tersebut.
Jadi penyediaan ruang jagaan tidak dimaksud untuk tambahan debit tetap untuk keperluan tersebut diatas dengan debit tetap seperti yang direncanakan direncanakan.. Tinggi jagaan ini diukur dari elevasi permukaan air i rencana sampaii ke k elevasi l i puncak k tanggul, l seperti tampak gambar Gb Gb.. 5.4 berikut ini : Puncak tanggul
Puncak tanggul w
y
B
Gambar 5.4. Tinggi jagaan pada suatu penampang saluran
Seperti dijelaskan di atas bahwa tinggi jagaan dari suatu penampang saluran diperhitungkan untuk beberapa macam keperluan (tidak termasuk tambahan debit) maka tidak ada satu perumusan yang berlaku umum. Untuk hal ini USBR (United States Bureau of Raclamation) memberi perkiraan harga W sebagai berikut :
W = cy
(5.29)
dimana : W c
y
= Tinggi ngg jagaan dalam (ft) = Koefisien yang bervariasi dari 1,5 ft pada Q = 20 cfs sampai 2,5 ft pada Q = 3000 cfs = Kedalaman air dalam (ft)
Untuk keperluan perencanaan irigasi di Indonesia.. Standarisasi Perencanaan Irigasi Indonesia Departemen Pekerjaan Umum RI, mensyaratkan tinggi jagaan minimum seperti tertera di dalam tabel 5.3 sebagai berikut :
Tabel 5.3 Besarnya tinggi jagaan minimum untuk saluran dari tanah dan dar dar dari pasangan batu Tinggi jagaan ( m ) saluran dari tanah
Besarnya Debit Q ( m3 / det )
Tinggi jagaan ( m ) untuk pasangan batu
< 0 0,50 50
0 20 0,20
0 40 0,40
0,50 – 1,50
0,20
0,50
1,50 – 5,00
0,25
0,60
5,00 – 10,00
0,30
0,75
10,00 – 15,00
0,40
0,85
> 15,00
0,50
1,00
Penetapan dimensi penampang saluran tahan erosi memerlukan beberapa langkah sebagai berikut : 1.
Kumpulkan lk semua informasi f yang diperlukan, d l k perkirakan besarnya angka kekasaran Manning (n) atau koefisien chezy (C) dan kemiringan g aliran (longitudinal (longitudinal) g ) if. f
2. Hitung g f faktor p penampang mp g AR2/3 menggunakan persamaan Manning : AR 2 3 =
nQ if
dengan g (5.30)
atau
AR
23
Q = C if
(5.31)
3. Dengan g menggunakan gg persamaan untuk A dan p R seperti ditampilkan pada tabel 2.1 diperoleh p harga g kedalaman y.
4. Apabila penampang hidrolik yang diinginkan maka k kedalaman k d l y dapat d dihi dihitung d dengan persamaan yang ada di dalam tabel 5.1. Untuk k keperluan l praktis k i penampang hidrolik hid lik terbaik b ik dapat dimodifikasi sepenuhnya tanpa mengganggu ketentuan spesifikasi alirannya alirannya.. 5. Periksa r sa kecepatan c patan m minimum n mum yang diijinkan j n an apabila aliran membawa lumpur atau tanaman air.. air 6. Perkirakan tinggi jagaan dan pelapisan yang diperlukan.. diperlukan 7. Simpulkan hasil perhitungan dengan sket berdimensi.. berdimensi
Untuk memperjelas penjelasan perencanaan saluran tahan erosi erosi;; coba lihat contoh soal dibawah ini :
Untuk mengalirkan air sebesar Q = 11 m3/det diperlukan suatu saluran tahan erosi yang mempunyai kemiringan dasar ib = 0,0016 dan harga g n = 0,025 025.. Rencanakan penampang saluran : a. tanpa mempertimbangkan penampang hidrolik terbaik.. terbaik b. dengan d mempertimbangkan ti b k penampang hidrolik terbaik terbaik..
a.
Tanpa mempertimbangkan penampang hidrolik terbaik terbaik.. Yang menjadi pertimbangan adalah tersedianya lahan dan jenis tanah tanah.. Dengan mempertimbangkan ketersediaan lahan misalnya diambil - Lebar dasar saluran : B = 2 m - Kemiringan tebing : z = 2 m dengan menggunakan persamaan Manning Mann ng : nQ 0,025 × 11 23 = = 6,785 AR = if 0,0016
A = (B + zy ) y = (6 + 2 y ) y = 2(3 + y ) y
(
P = B + 2 y 1+ z2 = 6 + 2 y 5 = 2 3 + y 5
R=
AR
(3 + y ) y A 2(3 + y ) y = = P 2 3+ y 5 3+ y 5
23
(
) (
⎡ (3 + y ) y ⎤ = 2(3 + y ) y ⎢ ⎥ + 3 y 5 ⎣ ⎦
(
2[(3 + y ) y ]
23
)
53
AR 2 3 =
[(3 + y 5 )]
23
2[(3 + y ) y ]
53
= 6,875
(
= 6,875 3 + y 5
)
)
23
= 6,875
)
dengan cara coba –coba : Y
R Ruas k kiri
R Ruas k kanan
0,90
8,78
20,01
1,00
20,02
20,73
1,01
20,58
20,79
1,02
21,00
20,85
yang terdekat adalah y = 1,01 m. Dengan harga y = 1,01 m maka : L Luas penampang A = 2(3 + 1,01 01))1,01 = 8,10 m2 Kecepatan aliran Q 11 V=
=
A
8,10
= 1,358 m det
(lebih besar daripada kecepatan minimum yang diijinkan).. diijinkan)
Dengan menambah jagaan sebesar 0,40 m maka dimensi penampang saluran adalah sebagai berikut : w= 0,40 m
1
y = 1,01 m 2
B=6m
Gambar 5.5. Penampang saluran hasil perhitungan soal 5 5.1(a) 1(a)
b. Apabila dikehendaki penampang hidrolik terbaik ada 3 pilihan : (1). Penampang setengah lingkaran : Kembali K b li ke k persamaan Manning M i nQ 0,025 × 11 23 AR = = = 6,785 if 0,0016 Dari tabel 5.1 dapat dilihat
A = 1,57 y
2
R = 0,5 y
AR
23
= 1,57 y (0,5 y )
23
2
= 6,875
= 0,989 y 8 3 = 6,875 y
83
6,875 = = 6,951 0,989
y = (6,951)
38
= 2,07 m
T = 2 y = 2 × 2,07 = 4,14 m A = 1,57 y 2 = 6,73 m 2 Q 11 V= = = 1,635 m det A 6,73
(2).
Penampang trapesium hexagon : AR2/3 = 6,875 Dari tabel 5.1 dapat dilihat hargahargaharga : harga
A= y
2
3
R =1 2 y AR 2 3 = y 2 3 (1 2 y )
23
= 6,875
1,091 y 8 3 = 6,875 y 8 3 = 6,30
y = 1,99 ≈ 2,00 m
4 T= y 3 3 4 = ×2 3 3 = 4,62 m A = 2 2 3 = 6,928 V=
Q 11 = = 1,588 m det A 6,928
2 B= y 3 3 2 = ×2 3 3 = 2,31 m
(3).
Penampang persegi empat dengan : B = 2 y ; AR2/3 = 6,875 Dari tabel 5.1 dapat dilihat :
R =1 2 y
A = 2 y2 AR
23
= 2 y (1 2 y )
23
2
= 1,260 y 8 3
1,260 y 8 3 = 6,875 y
83
6,875 = = 5,457 1,260
y = (5,457 )
38
T = 2 y = 2 × 1,89 = 3,78 m
= 1,89 m
Dari ketiga jenis penampang tersebut yang memerlukan l k lebar l b dan d kedalaman k d l t k il adalah terkecil d l h penampang persegi empat, tetapi dinding t tegaknya k yang menjadi j di masalah, l h k karena memerlukan struktur yang dapat menahan lereng alam l t tanah h yang digali di li untuk t k saluran saluran. l . Hal yang hampir sama dari tiga jenis tersebut adalah kedalaman aliran yang cukup dalam yaitu 1,90 m sampai 2,07 m, kedalaman ini tidak direkomendasi karena terlalu dalam untuk keselamatan manusia. manusia.
1.
Rencanakan suatu saluran terbuka tahan erosi untuk mengalirkan air sebesar Q = 70 m3/det apabila kemiringan dasar saluran (longitudinal) = 0,0016. 0016. Saluran dibuat dari pasangan batu dengan plengsengan sekitar batu (hanya berupa siar tanpa plengsengan penuh) penuh)..
2.
Rencanakan suatu saluran terbuka tahan erosi untuk drainase perkotaan yang dapat mengalirkan air sebesar 10 m3/det pada kemiringan aliran i = 0,0009 0009.. Saluran terbuat dari pasangan batu di plester halus.. Bentuk penampang agar disesuaikan halus dengan kondisi lahan diperkotaan yang sempit.. sempit
Saluran S l tterbuka b k ttahan h erosi si pada d umumnya m m merupakan saluran buatan. Faktor alam yang menentukan m n nt k n disini adalah d l hk kondisi ndisi ttopografi p fi khususnya pada perbedaan elevasi antara permukaan p muk n air i di hulu dan d n di dilir. dili Perbedaan P b d n elevasi permukaan air ini penting untuk menentukan kemiringan kemirin an aliran if. Baik menggunakan Persamaan Chezy maupun p Persamaan Manning g besarnya y debit Q berbanding lurus dengan √if.
Oleh karena saluran tahan erosi umumnya merupakan saluran buatan maka harus diperhatikan faktor efektifitas dan efisiensi.
BentukBentuk-bentuk penampang disesuaikan d dengan kondisi k d llapangan. Kecepatan minimum diambil sebagai suatu batasan dengan tujuan untuk menghindarkan pengendapan. Tinggi jagaan disediakan untuk mengantisipasi perubahan tinggi muka air tiba--tiba (bukan tambahan debit). tiba
* Tujuan Pembelajaran Umum Setelah membaca modul ini mahasiswa memahami cara--cara perhitungan saluran mudah tererosi. cara $ Tujuan Pembelajaran Khusus M h i Mahasiswa mampu merencanakan k penampang saluran mudah tererosi.
Dibanding g dengan g perencanaan saluran p tahan erosi, perencanaan saluran mudah tererosi lebih kompleks. kompleks p . Hal ini disebabkan oleh banyaknya faktor yang mempengaruhi aliran sebagian g besar faktor tersebut tidak dapat p ditetapkan secara tepat karena berhubungan dengan g kondisi alam y yang g berbeda antara satu tempat dengan tempat yang lain. lain.
Kesulitan yang dihadapi dalam perencanaan saluran mudah tererosi adalah p pada kenyataanya y y stabilitas dari saluran mudah tererosi tidak hanya y tergantung g g p pada p parameter hidrolik saja j tetapi tergantung pula pada sifatsifat-sifat material tanah y yang g di g gali untuk saluran saluran.. oleh karena itu persamaan aliran seragam yang digunakan untuk saluran tahan erosi tidak cukup p untuk merencanakan saluran mudah tererosi tererosi..
Didalam praktek terdapat tiga tipe penampang saluran tidak stabil yaitu : (1). Tipe satu : Dasar dan dinding saluran mudah tererosi, tererosi tetapi tidak terjadi endapan endapan.. Hal ini terjadi pada saluran dimana alirannya tidak membawa angkutan sedimen tetapi mempunyai energi cukup besar yang dapat mengakibatkan terjadinya erosi erosi.. Kondisi semacam ini biasanya terjadi di hulu sungai yang mempunyai kemiringan dasar curam. curam.
(2). Tipe kedua : Kondisi dimana tidak terjadi gerusan tetapi terjadi pengendapan pengendapan.. Kondisi ini terjadi apabila aliran membawa angkutan sedimen tetapii k kecepatannya k il kecil sehingga hi memungkinkan terjadi sedimentasi sedimentasi.. Kondisi semacam ini biasanya terjadi di hilir atau di muara yang mempunyai kemiringan dasar landai.. landai
(3). Tipe ketiga: ketiga: Kondisi K di i dimana di aliran li membawa b angkutan k t sedimen, dan kecepatannya memungkinkan untuk terjadi sedimentasi, tetapi lahan yang digali untuk saluran juga mudah tererosi.. Kondisi semacam ini biasanya tererosi terjadi t j di di tengah t h sampai s i hilir hili . hilir.
Adanya kesulitan dalam hubungan antara aliran li d dan k di i tanah kondisi h tempat saluran l serta angkutan sedimen maka dicari hubungan antara debit aliran atau kecepatan ratarata-ratanya dengan sifat--sifat fisik tanah yang digali untuk saluran sifat serta jumlah dan tipe sedimen yang diangkut. diangkut. Baru pada tahun 1920 kalangan ahli hidrolika mulai jelas mengenai hubungan tersebut yang memang ada ada. d .
Kemudian pada tahun 1926 Fortier dan Scobey mempublikasikan hasilhasil-hasil penelitiannya yang kemudian k di menjadi j di dasar d dari d i metode t d perencanaan yang dikenal dengan metode kecepatan maksimum yang diijinkan. diijinkan. Kemudian menyusul Lana (1955 1955)) menyatakan kembali temuan du Boys (1879) 1879) yang mengajukan suatu konsep k nsep menggunakan men unakan gaya a a tarik yang an dikenal dengan metode gaya tarik. tarik. Dua metode tersebut akan dijelaskan didalam dua sub bab berikut ini ini..
Secara umum dapat dikatakan bahwa saluran l yang sudah d h lama l dib t yang telah dibuat, t l h mengalami beberapa kali pergantian musim lebih tahan terhadap erosi daripada saluran yang baru dibangun d dibangun. bangun. Hal ini bangun. n dapat d dimengerti, mengert , karena saluran lama telah stabil, terutama karena terjadinya endapan material kalloidal kalloidal..
Kecepatan maksimum yang diijinkan adalah kecepatan yang tidak menyebabkan erosi erosi.. Kecepatan ini merupakan k k kecepatan ratarata-rata terbesar y yang g tidak menyebabkan y erosi p pada penampang saluran saluran.. Kecepatan tersebut sangat bervariasi dan tidak ada yang tepat, tepat serta hanya dapat ditentukan menurut pengalaman perencana.. perencana
Tabel 5.4 Kecepatan maksimum yang diijinkan menurut
Fortier Fort er dan Scoby berikut ber kut ini n harga harga--harga gaya tarik tar k satuan yang diolah USBR (U.S. Bureau of Reclamation) untuk saluran, lurus, kemiringan kecil.
Air mengandung Lanau kalloidal
Air jernih Jenis J i b bahan h dari saluran
n
u
τ0
u
τ0
u
τ0
u
τ0
ft/sec
lb/ft2
m/dt
N/m2
ft/sec
lb/ft2
m/dt
N/m2
Pasir
0,020
1,50
0,027
0,457
1,29
2,50
0,075
0,762
3,59
Lanau berpasir, non kalloidal
0,020
1,75
0,037
0,533
1,77
2,50
0,075
0,762
3,59
Lanau halus, non kalloidal
0,020
2,00
0,048
0,610
2,30
3,00
0,11
0,914
5,27
Lanau alluvial, non kalloidal
0 020 0,020
2 00 2,00
0 048 0,048
0 610 0,610
2 30 2,30
3 50 3,50
0 15 0,15
1 07 1,07
7 18 7,18
Lanau kaku biasa
0,020 ,
2,50 ,
0,075 ,
0,762 ,
3,59 ,
3,50 ,
0,15 ,
1,07 ,
7,18 ,
Abu Vulkanik
0,020
2,50
0,075
0,762
3,59
3,50
0,15
1,07
7,18
Lempung keras, sangat g kalloidal
0,025
3,75
0,260
1,140
12,40
5,00
0,46
1,52
22,00
Lanau alluvial, kalloidal
0 025 0,025
3 75 3,75
0 260 0,260
1 140 1,140
12 40 12,40
5 00 5,00
0 40 0,40
1 52 1,52
22 00 22,00
Serpih dan pecahan keras
0,025
6,00
0,670
1,830
32,10
6,00
0,67
1,83
32,10
Kerikil halus
0 020 0,020
2 50 2,50
0 075 0,075
0 762 0,762
3 59 3,59
5 00 5,00
0 32 0,32
1 52 1,52
15 30 15,30
Lanau bergradasi sampai kerakal
0,030
3,75
0,380
1,140
18,20
5,00
0,66
1,52
31,60
Lanau bergradasi s mp i kerakal sampai k k l bila kalloidal
0 030 0,030
4 00 4,00
0 430 0,430
1 220 1,220
20 60 20,60
5 50 5,50
0 80 0,80
1 68 1,68
38 30 38,30
Kerikil kasar non kalloidal
0,025
4,00
0,300
1,220
14,22
6,00
0,67
1,83
32,10
Kerakal dan batuan bulat
0,035
5,00
0,910
1,520
43,60
5,50
1,10
1,68
52,70
Fortier dan Scobey (1925) mempublikasikan suatu tabel yang kemudian dikenal dengan tabel kecepatan maksimum yang diijinkan seperti tabel 5.4 diatas.
Dengan g menggunakan gg harga hargag -harga g kecepatan p maksimum seperti tersebut diatas maka prosedur perencanaan p p saluran yang y g pada p umumnya diasumsikan sebagai penampang trapesium p dapat p dilakukan dengan langkah langkah-langkah sebagai berikut : i.
Untuk jenis material yang membentuk tubuh saluran diperkirakan harga n dan kecepatan maksimum yang diijinkan (Tabel 5.4) serta kemiringan tebing (Tabel 5.2).
ii.. ii
Hitung g jjari jari--jjari hidrolik R dari p penerapan p persamaan Manning Manning.. V=
R
23
1 23 12 R i n
nV = 12 i
iii.. Hitung luas penampang basah dari iii persamaan kontinuitas. kontinuitas.
Q = A .V Q A= V
iv.. Hitung iv g keliling g basah dari harga g A dan R yang y g telah diperoleh tersebut diatas diatas..
A P= R v.
Dengan didapatnya harga A dan P maka dapat dihitung harga y.
Untuk memperjelas cara perencanaan saluran dengan metode kecepatan maksimum yang j dapat p dilihat contoh soal sebagai g diijinkan berikut :
Contoh soal 4.2: Suatu saluran berpenampang trapesium mempunyaii k kemiringan i i d dasar (l (longitudinal) i di l) sebagai ib = 0,0016 mengalirkan air sebesar Q = 11 m3/det. Saluran di gali pada tanah non kalloidal yang terdiri dari kerikil kasar dan serpihan batu. Hitung lebar saluran dan kedalaman alirannya. y
Jawaban : Ikuti k tahapan h pengerjaan seperti dijelaskan l k diatas.. diatas i. Untuk kondisi yang diketahui tersebut diperkirakan harga n dan kecepatan maksimum yang diijinkan. Untuk tanah kerikil kasar non kalloidal harga n = 0,025 dan kecepatan maksimum yang diijinkan V = 1,22 m/det m/det.. Dari Tabel 5.2 diperkirakan kemiringan tebing bi z = 2.
ii.. ii
Perhitungan jari jari--jari hidrolik dari penerapan persamaan Manning Manning..
1 23 12 V= R i n R
23
n V 0,025 × 1,22 = 12 = = 0,7625 12 i (0,0016)
R = (0,7625)
32
= 0,67 m
iii.. Perhitungan luas penampang basah iii d l k k dengan dilakukan d menerapkan k hukum h k kontinuitas.. kontinuitas
Q = A×V atau A=
Q 11 = = 9,016 m 2 V 1,22
iv.. Hitung keliling basah dari harga A dan R iv yang telah diperoleh tersebut diatas diatas.. A 9,016 P= = = 13,46 m R 0,67
v.
Dari harga A dan P dapat dihitung harga y sebagai berikut berikut..
A = (B + zy ) y = (B + 2 y ) y = 9,016 P = B + 2 y 1 + z 2 = B + 2 y 5 = 13,46 atau
B = 13,46 − 2 y 5
Apabila harga ini dimasukkan ke dalam p s m persamaan l s: luas A = (B + 2 y ) y = (13,46 − 2 y c + 2 y ) y = 9,016
13,46 y − 4,472 y 2 + 2 y 2 = 9,016 atau
2,472 y 2 − 13,46 y + 9,016 = 0
y − 5,44 y + 3,65 = 0 2
Dengan menggunakan rumus ABC dicari harga y seperti berikut : y1, 2
+ 5,44 ± 5,44 2 − 4(3,65) = 2
5,44 ± 3,87 = 2
5,44 + 3,87 y1 = = 4,66 m 2 5,44 − 3,87 y2 = = 0,79 m 2
Apabila diambil
y1 = 4,66 m Maka k :
B = 13,46 − 2 × 4,66 5 = −7,38 (tidak mungkin) Apabila diambil
y 2 = 0,79 m Maka :
B = 13,46 − 2 × 0,79 5 = 9,9 m ≈ 10 m
Di dalam praktek dimensi penampang dengan lebar B = 10 m dan kedalaman air hanya 0,80 m dimensi yang kurang baik karena apabila sesuatu hal debit aliran berkurang maka kedalaman air menjadi sangat dangkal, dan terjadi kecenderungan aliran berada di tengah dan berbelokberbelok-belok seperti pada Gb Gb.. 5.6 sebagai berikut :
(a)
(b)
Gambar 5.6. Tampak atas (a) dan penampang melintang saluran lebar sekali (b)
Karena lebar dasar saluran jauh lebih besar d ip d kedalaman daripada k d l m aliran li B > 6y, maka m k saluran s l termasuk saluran lebar sekali, untuk itu maka perhitungan harus di ulang dengan memperkirakan lebar menjadi B < 10 m, dengan kedalaman air y < 1,50 m.
Dengan dimensi ini hitung harga kecepatan aliran untuk y = 1,20 m.
A = (B + zy ) y = (6 + 2 ×1,20 0 )1,20 0
A = 10,00 m 2 Q 11 V= = = 1,09 m det < 1,20 m det A 10
Soal Latihan Suatu saluran buatan untuk irigasi g di g gali p pada tanah lanau alluvial kalloidal. kalloidal. Rencanakan dimensi saluran tersebut apabila kemiringan dasar saluran (longitudinal) adalah ib = 0,0039. 0039.
SALURAN BERUMPUT Adanya rumput akan menimbulkan yang g menimbulkan kehilangan g turbulensi y energi dan hambatan aliran aliran.. Untuk saluran irigasi irigasi,, disukai karena :
menstabilkan tubuh saluran mengkonsolidasikan massa tanah di dasar saluran mengontrol erosi dan gerakan butiran pada dasar saluran
Hal yang perlu diperhatikan dalam perancangan saluran berumput : Koefisien hambatan nilai n untuk sal sal.. Berumput tgt pada : kedalaman aliran,, bentuk dan kemiringan aliran g saluran Æ sangat g bervariasi sulit untuk ditentukan. ditentukan. telah diketahui adanya y hubungan g antara koefisien hambatan,, n dengan V.R. hambatan Kecepatan yang diizinkan : nilai kecepatan yang diizinkan tergantung pada bahan penutup dan kemiringan saluran dan kepekaan tanahnya tanahnya.. P ilih jenis Pemilihan j i rumputt : tergantung t t k kepada d iklim ikli dan d jenis tanahnya selain hal yang harus dipertimbangkan yaitu stabilitas stabilitas,, debit dan kemiringan saluran saluran..
Selain saluran alam, saluran buatan juga dapat apat berbentuk r ntu sa saluran uran mu mudah ah tererosi t r ros apa apabila a tidak di plengseng. Oleh karena mudah tererosi maka ada batasan kecepatan agar tidak tererosi tererosi. Batasan tersebut adalah kecepatan maksimum yang diijinkan agar tidak tererosi dan kecepatan minimum agar tidak terjadi pengendapan.
Bentuk penampang pada umumnya trapesium trap s um karena ar na tebingnya t ngnya harus disesuaikan s sua an dengan lereng alam tanah. Tinggi jagaan harus disediakan untuk mengantisipasi perubahan tinggi muka air (bukan karena tambahan debit)
