Bab 2 Hidrolis Bendung [PDF]

Citation preview

BAB 2 HIDROLIS BENDUNG Dosen : Desi Supriyan Deni Yatmadi



JURUSAN TEKNIK SIPIL POLITEKNIK NEGERI JAKARTA



Langkah Mendisain Bendung 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.



Menentukan elevasi mercu bendung Menetapkan bentuk mercu bendung Menetapkan lebar bendung, lebar efektif bendung, lebar pintu bilas. Menentukan tinggi muka air banjir di hulu bendung dan dihilir bendung Menentukan kolam peredam energi Menentukan local scouring depth di belakang bendung Menentukan tebal lantai kolam peredam energi Menentukan panjang lantai muka. Menentukan dimensi Intake (bangunan pengambilan) Menggambar disain bendung (potongan memanjang)



2.1 Elevasi Mercu Bendung Cara menentukan elevasi mercu bendung yang dimanfaatkan untuk irigasi : „ Elevasi muka air di Bangunan Bagi 1, „ Kehilangan energi pada saluran primer akibat gesekan (Jarak BB1 x kemiringan dasar saluran), „ Kehilangan energi pada bangunan pembilas, penangkap sedimen (bila ada) dan bangunan pengambil, „ Faktor keamanan (angin dan gelombang)



Sebagai pendekatan untuk beberapa kehilangan tinggi tekan dapat diambil besaran dibawah ini sebagai asumsi : „ „ „ „



Hilang tinggi tekan pada saluran Primer : 0,15 m Hilang tinggi tekan pada bangunan pengambilan : 0,20 m Hilang tinggi tekan pada alat ukur : 0,40 m Hilang tinggi tekan untuk eksploitasi (keamanan) : 0,10 m



2.2 Bentuk Mercu Bentuk mercu dapat didesain dengan: „ mercu berbentuk bulat dengan satu radius, „ mercu berbentuk bulat dengan dua radius, „ mercu berbentuk Ogee. Perkiraan berbagai harga koefisien pengaliran, untuk bentuk-bentuk mercu adalah: • Mercu dengan bentuk lancip : C = 1,8 • Mercu dengan bentuk persegi : C = 1,75 • Mercu dengan bentuk bulat : C = 2,0 - 2,2 • Mercu dengan bentuk Ogee : C = 1,9 – 2,1



Mercu bulat a. Mercu bulat berdasarkan KP 02



Gambar 2.3.



Tekanan pada mercu bendung bulat sebagai fungsi perbandingan H/r



b. Mercu bulat tipe Bunchu Salah satu mercu bulat tipe lain adalah tipe Bunchu, dengan rumus pengaliran, sbb :



Q = m.b.d . g.d



(Soenarno, Ir., Bendung Tetap)



Dimana : Q : debit bandir rencana (m3/det) m : koefisien pengaliran, dengan persamaan



h⎞ ⎛ m = 1,49 − 0,018.⎜ 5 − ⎟ r⎠ ⎝ b d



2



: lebar efektif mercu Bandung = 2/3.H



(m)



„ „ „



H h k



=h+k : tinggi air diatas mercu bendung (m) : tinggi kecepatan, dengan persamaan



4 2 3⎛ 1 ⎞ ⎟⎟ k= .m .h .⎜⎜ 27 ⎝h+ p⎠ „



p



„



r



2



: tinggi mercu bendung diukur dari lantai muka bendung : jari-jari mercu bendung, yang diperoleh dengan pendekatan Kragten, yaitu : H/r = 3,80



Mercu Ogee



Gambar 2.4 Bentuk-bentuk bendung mercu Ogee (U.S. Army Corps of Engineers, Waterways Experimental Station)



persamaan berikut : Y/hd = 1/K (X/Hd)n dimana x dan y adalah koordinat-koordinat permukaan hilir (lihat Gambar 2.4) dan Hd adalah tinggi energi rencana di atas mercu. Harga-harga K dan n adalah parameter. Harga-harga ini bergantung pada kecepatan dan kemiringan permukaan belakang. Tabel 3.1 menyajikan harga-harga K dan n untuk berbagai kemiringan hilir dan kecepatan pendekatan yang rendah.



Tabel 2.1



Harga-harga K dan n



Kemiringan permukaan hilir



K



n



vertikal



2,000



1,850



3:1



1,936



1,836



3:2



1,939



1,810



3:1



1,873



1,776



Bagian udik mercu bervariasi sesuai dengan kemiringan permukaan hilir (lihat Gambar 2.4).



Lebar Mercu Lebar mercu bendung, yaitu jarak antara tembok pangkal (abutment) yang merupakan lebar bruto (Bb), sebaiknya sama dengan dan sebaiknya tidak lebih dari 1,2 kali lebar rata-rata sungai pada ruas/bagian yang stabil.



Lebar efektif mercu (Bef)



(



)



Beff = Bn − 2 n K p + K a H dimana:Bn n Kp Ka H



= lebar netto (m) = jumlah pilar = koefisien kontraksi pilar = koefisien kontraksi pangkal bendung = tinggi energi di udik bendung (m)



Tabel 2.2



Harga-harga koefisien kontraksi



1



Kondisi pilar



Kp



a



Untuk pilar berujung segi empat dengan sudutsudut yang dibulatkan pada jari-jari yang hampir sama dengan 0,1 dari tebal pilar



0,02



b



Untuk pilar berujung bulat



0,01



c



Untuk pilar berujung runcing



2



Kondisi tembok pangkal bendung



a



Untuk tembok pangkal segi-empat dengan tembok udik pada 900 ke arah aliran



0,20



b



Untuk tembok pangkal bulat dengan bagian udik pada 900 ke arah aliran dengan 0,5 H > r > 0,15 H



0,10



c



Untuk tembok pangkal bulat di mana r . 0,5 H dan tembok udik tidak lebih dari 450 ke arah aliran



0



0 Ka



Dalam memperhitungkan lebar efektif, lebar pembilas yang sebenarnya (dengan bagian depan terbuka) sebaiknya diambil 80% dari lebar rencana, untuk mengkompensasi perbedaan koefisien debit dibandingkan dengan mercu bendung itu sendiri. Lihat Gambar 2.5.



2.3 Tinggi muka air di atas mercu Persamaan tinggi energi - debit untuk bendung ambang pendek dengan pengontrol segi empat adalah:



2 Q = Cd 3 dengan: Q = Cd = g = Bef = H =



2 g 3



. Beff . H 3 / 2



debit desain (m3/s) koefisien debit, Cd = C0 C1 C2 percepatan gravitasi (m/s2 9,8) lebar efektif mercu (m) tinggi energi di atas mercu ( m )



Koefisien debit Cd adalah hasil dari : C0 yang merupakan fungsi dari H/r, lihat Gambar 3.6 C1 yang merupakan fungsi dari p/H, lihat Gambar 3.7 C2 yang merupakan fungsi dari p/H dan kemiringan muka udik bendung, lihat Gambar 2.8.



Gambar 2.6



Harga-harga koefisien Co untuk bendung mercu bulat sebagai fungsi perbandingan H/r



Gambar 2.7



Koefisien C1 sebagai fungsi perbandingan p/H1.



Gambar 2.8 Harga-harga koefisien C2, untuk bendung mercu Ogee dengan muka udik melengkung (menurut USBR, 1960).



Gambar 2.9 Faktor pengurangan aliran tenggelam sebagai fungsi H2/H1.



2.4 Bangunan Peredam Energi tipe Vlugter, „ tipe Schoklitsch, „ tipe MDO dan MDS, „ tipe USBR, „ tipe SAF. „ tipe bak tenggelam, „ tipe MDL, „



Dalam memilih dan menentukan tipe peredam energi, perlu dipertimbangkan beberapa faktor, antara lain : „ „ „ „ „



jenis material dasar sungai/angkutan sedimen yang terbawa aliran sungai, keadaan geoteknik tanah dasar misalnya jenis batuan, lapisan, diameter butir, tinggi pembendungan, kemungkinan degradasi dasar sungai yang akan terjadi di hilir bendung, kondisi aliran yang terjadi pada peredam energi, seperti aliran sempurna/tidak sempurna kedalaman konjugasi yang lebih rendah, lebih tinggi atau sama dengan kedalaman air di hilir (tail water).



Peredam Energi Tipe USBR Kolam olak tipe USBR mempunyai tembok tepi vertikal, dengan lantai yang biasanya panjang dan pada beberapa tipe dilengkapi blok-blok dan ambang hilir biasa atau ambang hilir bergigi. Fungsi masing-masing bagian, secara garis besar adalah: „ Blok miring : Menaikkan pancaran dari lantai ruang olakan „ Menstabilkan loncatan air „ Blok tengah : Membantu memecah pancaran yang menabraknya „ Ambang hilir : Mengurangi panjang lantai



Dalam perencanaan didasarkan pada bilangan Froude di kaki bidang hilir tubuh bendung. Kecepatan awal loncatan air (v1) dapat ditentukan dari: di mana: v1 = kecepatan awal loncatan ( m/s ) g = percepatan gravitasi ( m/s2 = 9,8) H = tinggi energi di atas mercu ( m ) z = tinngi jatuh (m) Dengan q = v1. y1 dan rumus kedalaman konjugasi dalam lonctan air adalah: di mana: y2 = kedalamam air di atas ambang ujung (m) y1 = kedalamam air di atas ambang ujung (m) Fr = bilangan Froude



USBR tipe I • Adalah suatu peredam energi dengan dasar yang datar • kolam olakan menjadi lebih panjang dan karenanya tipe ini hanya sesuai untuk mengalirkan debit yang relatif kecil dengan kapasitas peredam yang kecil pula sehingga dimensinya akan kecil pula.



Gambar 2.14 Peredam energi USBR Tipe I



USBR tipe II „



„



perlengkapan lain yang dibuat berupa gigi-gigi pemencar di pinggir udik dasar kolam dan ambang bergerigi di pinggir hilirnya. Kolam olak tipe ini cocok untuk aliran dengan tekanan hidraustatis yang tinggi dengan debit yang besar (q > 45 m3/det/m, tekanan hidraustatis > 60, dan bilangan Froude > 4,5) Gambar 2.15 Peredam energi USBR Tipe II



USBR tipe III „



„



sesuai untuk mengalirkan air dengan tekanan hydrostatis yang lebih rendah dan debit yang agak kecil (q < 18,5 m3/det/m ; V < 18,0 m/det dan bilangan froude > 4,5). sesuai untuk mengalirkan air dengan tekanan hydrostatis yang lebih rendah dan debit yang agak kecil (q < 18,5 m3/det/m ; V < 18,0 m/det dan bilangan froude > 4,5).



Gambar 2.16 Peredam energi USBR Tipe III



USBR tipe IV „



„



cocok untuk aliran dengan tekanan hidraustatik yang rendah dan debit yang besar per unit lebar yaitu untuk aliran dalam kondisi superkritis dengan bilangan Froude antara 2,5 – 4,5. Kolam olak USBR tipe IV dirancang untuk mengatasi masalah pencegahan hidrolik yang tidak sempurna dengan menghilangkan gelombang pada sumbernya.



Gambar 2.17 Peredam energi USBR Tipe IV



Peredam energi tipe USBR yang didesain berdasarkan grafik-grafik pada Lampiran 3, sebenarnya kurang sesuai untuk peredam energi bendung yang relatif rendah, karena: „ Lokasi perhitungan loncatan awal (kedalaman konjugasi) tidak selalu terletak pada kaki bidang miring tubuh bendung, „ Untuk bendung yang relatif rendah lokasi loncatan awal sangat dipengaruhi oleh kedalaman air sungai (tail water) „ Peredam energi yang dilengkapi dengan balok muka dan balok miring sering bermasalah dengan batu/kerikil yang terbawa aliran sungai. „ Pengaruh degradasi dasar sungai dan pengaruh bentuk tembok sayap hilir tidak diperhitungkan dalam desain. Dengan demikian, peredam energi tipe USBR lebih sesuai diterapkan pada pelimpah bendungan yang relatif tinggi.



Peredam Energi Tipe Bak Tenggelam (Cekung) Peredam energi tipe bak tenggelam diterapkan pada kondisi: „



„



Sungai membawa material batu-batu yang relatif besar dan diperkirakan dapat mengakibatkan kerusakan lantai reredam energi lantai datar, Kedalaman konjugasi hilir relatif tinggi dibandingkan dengan kedalaman air normal hilir.



Gambar 2.19 Peredam energi tipe bak tenggelam hc =



2



3



q ; g



di mana : hc = kedalaman air kritts ( m ) q = debit per lebar satuan( m2/s.m ) g = percepatan gravitasi ( m/s2 = 9,8)



Gambar 2.20 Jari-jari minimum cekungan



Gambar 2.21 Batas minimum tinggi air hilir



2.5 Bangunan Pembilas Bangunan pembilas sebaiknya direncanakan dengan memperhitungkan: „ „ „



sedimen/material dasar sungai, lebar bendung, dimensi bangunan pengambil.



Beberapa pedoman untuk menentukan lebar pembilas : • lebar pembilas ditambah tebal pilar pembagi sebaiknya sama dengan 1/6 – 1/10 dari lebar bruto bendung (jarak antara tembok pangkal) untuk sungai-sungai yang lebarnya kurang dari 100 m. • lebar pembilas sebaiknya diambil 60% dari lebar total pengambilan termasuk pilar-pilarnya, • lebar satu pintu pembilas maksimum 2,50 m untuk kemudahan pengoperasian pintu dan sebaiknya jumlah pintu tidak lebih dari tiga buah.



2.6 Local Scouring Depth „



„



Perhitungan local scouring depth dimaksudkan untuk mencegah bahaya yang diakibaykan oleh penggerusan yang terjadi pada kaki bendung bagian belakang. Persamaan yang digunakan, diantaranya : ⎛ q2 R = 1,34.⎜⎜ ⎝ f



⎞ ⎟⎟ ⎠



1/ 3



f = 1,76 (mr )



q=



Qd Bef



mr



Qd = Debit banjir rencana



: diameter butir material dasar rata-rata ≈ 0,25 mm



Untuk keamanan harga kedalaman gerusan diambil T = 1,5 . R



MAB



T



Gambar 2.39 Kaki bendung bagian belakang (Pudel)



2.7 Lantai Muka H



Lantai muka



Gambar 2.37 Lantai muka bendung tetap



• Lantai muka dari suatu bendung berfungsi untuk menenangkan air ketika akan memasuki bangunan pengambilan, namun yang lebih utama dari fungsi lantai muka adalah mengurangi gaya angkat (tekanan keatas) akibat adanya aliran air dibawah tubuh bendung.



„



Panjang pendeknya lantai muka sangat berpengaruh terhadap besar kecilnya tekanan yang terjadi pada bagian bawah tubuh bendung, hal ini sangat berkaitan dengan panjangnya creep line yang terjadi.



a. Teori Bligh Perbedaan tekanan sebanding dengan panjang jalannya air dan berbanding terbaik dengan besarnya creep ratio . H < L/C



atau



L > H.C



Dimana : H : perbedaan tekanan air antara hulu dan hilir bendung L : panjang creep line = Lv + Lh C : Creep ratio



b. Teori Lane Panjang creep line vertical (Lv) 3 kali panjangnya creep line horizontal Lv +Lh/3 > H.C Dimana : H : perbedaan tekanan air antara hulu dan hilir bendung Lv : panjang creep line vertikal Lh : panjang creep line horizontal C : Creep ratio Dari kedua teori diatas, teori Lane sangat dianjurkan untuk digunakan karena selain memberikan hasil yang cukup aman, juga mudah digunakan.



Tabel 2.3 Harga Minimum Creep Ratio (C) No Material dibawah Bendung 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12



Pasir sangat halus atau lanau Pasir halus Pasir sedang Pasir kasar Kerikil halus Kerikil sedang Kerikil kasar termasuk berangkal Bongkah dengan sedikit berangkal dan kerikil Lempung lunak Lempung sedang Lempung keras Lempung sangat keras



Lane 8,5 7,0 6,0 5,0 4,0 3,5 3,0 2,5 3,0 2,0 1,8 1,6



Bligh 18 12



4a6



2.8 Tebal lantai Kolam Olakan (Peredam Energi)



Gambar 2.38 Tekanan pada lantai kolam olakan (Peredam Energi)



D x > S. (Px – Wx) / γ



(KP-02, halaman 123)



Di mana : dx = tebal lantai pada titik x ( m ) Px = gaya angkat pada titik x ( kg/m3 ) = Hx – ( (Lx/L) . ΔH) L = panjang creep line dari ujung hulu sampai ujung hilir bendung ( m ) Lx = panjang creep line dari ujung hulu bendung sampai titik x Wx = kedalaman air pada titik x ( m ) γ = berat jenis bahan ( kg/m3 ) S = faktor keamanan ( untuk kondisi normal = 1,5 dan untuk kondisi ekstrim = 1,25 )



2.9 Bangunan Pengambil Bangunan pengambil adalah bagian dari bendung yang berfungsi untuk menyadap air sungai, mengatur pemasukan air dan sedimen serta menghindarkan masuknya sampah ke bangunan pengambil. Rumus di bawah ini memberikan perkiraan kecepatan : ⎛h⎞ v ≥ 32 ⎜ ⎟ ⎝d ⎠



1



3



d



di mana : v = kecepatan rata-rata h = kedalaman air d = diameter butir



(m/s) (m) (m)



Dalam kondisi biasa, rumus ini dapat disederhanakan menjadi :



v ≅ 10 d 0,5 Dengan kecepatan masuk sebesar 1,0 – 2,0 m/dt yang merupakan besaran perencanaan normal, dapat diharapkan bahwa butir-butir berdiameter 0,01 sampai 0,04 dapat masuk. Arah bangunan pengambil terhadap sumbu sungai / bendung dapat ditentukan sebagai berikut : • Tegak lurus membentuk sudut 900 terhadap sumbu sungai • Menyudut membentuk sudut antara 450 sampai 600 terhadap sumbu sungai



Kriteria dan Dimensi Hidraulik „



„



Kapasitas pengambilan harus sekurang-kurangnya 120 % dari kebutuhan pengambilan (dimension requirement) guna menambah fleksibilitas dan agar dapat memenuhi kebutuhan yang lebih tinggi selama umur proyek. Rumus debit yang dapat dipakai dalam perhitungan pengambilan sebagai aliran aliran bawah (lihat Gambar 2.32) adalah:



Q=μba 2g z



atau



Q=k μ ba 2g z



di mana : Q = debit ( m3/s ) μ= koefisien debit; untuk bukaan di bawah permukaan air dengan kehilangan tinggi energi kecil, μ = 0,80 – 0,90. k= faktor koreksi untuk aliran tenggelam (lihat Gambar) b= lebar bukaan (m) a= tinggi bukaan (m) g= percepatan gravitasi ( m/s2 = 9,8) z= kehilangan tinggi energi pada bukaan ( m )



Penentuan bukaan pintu pengambilan akan dipengaruhi oleh: a. Kondisi hidraulik aliran pada pintu pengambilan yaitu: • aliran bebas (tidak tenggelam) yang tidak dipengaruhi oleh fluktuasi muka air di hilir pintu pengambilan (Gambar 2.33 a) atau, • aliran tenggelam yang dipengaruhi oleh fluktuasi muka



Gambar 2.33



Tipe pintu pengambilan



Untuk kondisi aliran tenggelam, rumus debit yang dipakai dalam perhitungan aliran melalui bawah pintu harus diberikan faktor koreksi (lihat grafik pada Gambar 2.34).



Gambar 2.34 Koefisien koreksi untuk aliran tenggelam (dari Schmidt)



b. Muka air normal di depan pintu pengambilan Untuk mencegah kehilangan air pada bendung yang diakibatkan oleh angin atau gelombang, elevasi muka air normal yang dibutuhkan harus ditentukan 0,10 m di bawah elevasi mercu bendung.



c. Elevasi ambang pengambilan Elevasi ambang bangunan pengambil ditentukan dari tinggi dasar sungai. Ambang tersebut direncana di atas dasar dengan ketentuan berikut : • 0,50 m jika sungai hanya mengangkut lanau, • 1,00 m bila sungai juga mengangkut pasir dan kerikil, • 1,50 m kalau sungai mengangkut batu-batu bongkah. Bila pengambilan mempunyai bukaan lebih dari satu, maka pilar sebaiknya dimundurkan untuk menciptakan kondisi aliran masuk yang lebih mulus



Gambar 2.35



Geometri bangunan pengambil