ALIRAN SALURAN TERBUKA
Aliran air dalam suatu saluran dapat berupa aliran saluran terbuka ( open channel flow) flow) maupun aliran pipa ( pipa flow). flow). Kedua jenis aliran ini memiliki prinsip yang sangat berbeda. Aliran melalui saluran terbuka adalah aliran yang memili memiliki ki permuk permukaan aan bebas bebas sehing sehingga ga tekana tekanan n udara udara walaup walaupun un berada berada dalam dalam saluran yang tertutup. Analisis yang dilakukan pada saluran terbuka lebih sulit dibandingkan analisi analisiss yang yang dilaku dilakukan kan pada pada aliran aliran dalam dalam pipa pipa dan pada pada umumny umumnyaa analis analisis is saluran terbuka menggunakan persamaan-persamaan empiris. Hal tersebut karena analisis aliran pada saluran terbuka memiliki banyak variabel yang berubah-ubah dan tidak teratur terhadap ruang dan waktu. Variabel-variabel tersebut antara lain penampang saluran, kekasaran permukaan saluran, kemiringan saluran, debit aliran, kecepatan aliran, pertemuan saluran (junctin) dan sebagainya. !erban !erbandin dingan gan bentuk bentuk kedua kedua aliran aliran terseb tersebut ut dapat dapat diliha dilihatt pada pada gambar gambar dibawah ini"
#ambar $. !erbandingan antara aliran pipa dengan aliran saluran terbuka !erbandingan rumus energy untuk kedua type aliran tersebut adalah "
Aliran pada saluran tertutup
V 1
P 1 h$ %
%
2
2
& h' % 1
Aliran pada saluran terbuka
V 1 h$ %
2
2
& h' %
mumnya, penyelesaian untuk aliran-aliran terbuka lebih didasarkan pada hasil pengamatan dibandingkan dengan aliran pipa. etde empiris ini merupakan metde terbaik yang ada pada saat ini, dan bila diterapkan secara hatihati dapat menghasilkan nilai yang sesuai dengan praktek. Aliran dalam saluran tertutup tidak selalu bersi*at aliran pipa. +ila terdapat suatu permukaan bebas, harus diglngkan sebagai aliran saluran terbuka. islanya, saluran pembuangan air banjir yang merupakan saluran tertutup, biasanya direncanakan untuk aliran saluran terbuka sebab aliran dalam saluran pembuang diperkirakan hamper setiap saat memiliki permukaan bebas. 1. Tipe Aliran Aliran saluran terbuka dapat diglngkan menjadi beberapa type dan
diuraikan dengan berbagai cara. !engglngan berikut ini dibuat berdasarkan perubahan kedalaman aliran sesuai dengan waktu dan ruang. Aliran tetap ( steady flow) dan Aliran tak tetap (unsteady flow). Aliran dalam saluran terbuka dikatakan tetap bila kedalaman aliran tidak berubah atau dianggap knstan selama jangka waktu tertentu. Aliran dikatakan tak tetap bila kedalaman berubah sesuai dengan waktu. !ada umumnya, perhitungan saluran terbuka hanya digunakan pada aliran tetap dengan debit dinyatakan sebagai " Q=V.A
imana " V & Kecepatan rata-rata aliran (mdet) A & /uas penampang melintang saluran (m') Aliran seragam (uniform flow) dan Aliran berubah (varied flow). Aliran
saluran terbuka dikatakan seragam bila kedalaman aliran sama pada setiap penampang saluran. 0uatu aliran seragam dapat bersi*at tetap atau tidak tetap 2
tergantung dari kedalamannya yang berubah sesuai dengan perubahan waktu. Aliran disebut berubah bila kedalaman aliran berubah disepanjang saluran. 2. Keadaan Aliran Keadaan atau si*at aliran terbuka pada dasarnya ditentukan leh pengaruh
kekentalan dan gravitasi sehubungan dengan gaya-gaya inersia aliran. 1egangan permukaan air dalam keadaan tertentu dapat pula mempengaruhi si*at aliran. Pengaruh kekentalan (viscosity). Aliran dapat bersi*at laminar, turbulen, atau peralihan, tergantung pada pengaruh kekentalan sehubungan dengan kelembamannya (inertia). Aliran dikatakan laminar bila gaya kekentalan relative sangat besar dibandingkan dengan gaya kelembaman sehingga kekentalan berpengaruh besar terhadap si*at aliran. alam aliran laminar butir-butir air selah-lah bergerak menurut lintasan tertentu yang tertaur atau lurus, dan selapis cairan yang sangat tipis seperti menggelincir di atas lapisan di sebelahnya. Aliran dikatakan turbulen apabila gaya kekentalan relative lemah dibandingkan gaya kelembamannya. !ada aliran turbulen, butir-butir air bergerak menurut lintasan yang teratur, tak lancar, maupun tidak tetap. i antara keadaan laminar dan turbulen terdapat suatu campuran atau keadaan peralihan. Aliran /aminer dan Aliran 1urbulen. Aliran laminar dide*inisikan sebagai aliran dengan *luida yang bergerak dalam lapisan-lapisan atau lamina-lamina dengan satu lapisan meluncur secara lancer pada lapisan yang bersebelahan. Kecenderungan kea rah kestabilan dan turbulensi diredam habis leh gayagaya geser visks yang memberikan tahanan terhadap gerakan relative lapisan-lapisan *luida yang bersebelahan. Aliran turbulen mempunyai gerakan partikel yang tidak menentu. !erbandingan gaya-gaya yang disebabkan leh gaya 2nersia, gravitasi, dan kekentalan dikenal sebagai bilangan 3eynlds (3e)" 3e &
imana " V & Kecepatan rata-rata aliran (mdet)
3
h & !anjang karakteristik untuk aliran terbuka (m) 4 & Visksitas kinematik (m'det)
Leminer → Re <
Turbulen → Re >
#ambar '. Aliran /aminer dan 1urbulen !engaruh gravitasi (gaya tarik bumi) terhadap keadaan aliran dinyatakan dengan perbandingan gaya 2nersia dengan gaya tarik bumi. !erbandingan ini ditetapkan sbagai bilangan 5rude, dide*inisikan sebagai "
5r &
imana " V & Kecepatan rata-rata aliran (mdet) g & !ercepatan gaya tarik bumi (6,7$ mdet') h & !anjang karakteristik (m) +ila 5r sama dengan satu maka aliran dikatakan berada dalam keadaan kritis. +ila 5r kurang dari satu aliran bersi*at subkritis. alam keadaan ini peranan gaya tarik bumi lebih mennjl, sehingga aliran mempunyai kecepatan rendah dan sering dikatakan tenang atau mengalir. +ila 5r lebih besar dari satu aliran bersi*at superkritis. alam keadaan ini gaya-gaya inersia sangat mennjl, sehingga aliran mempunyai kecepatan tinggi dan biasanya disebut cepat atau menjeram. 5r & $ 8 aliran kritis 5r 9 $ 8 aliran subkritis 5r : $ 8 aliran superkritis
4
Resim aliran. Kmbinasi pengaruh kekentalan dan gaya tarik bumi dapat
menimbulkan salah satu dari empat resim aliran pada saluran terbuka, yakni " $. /aminer subkritis (sub-critical laminar), bila 5r lebih kecil dari satu dan 3e terletak dalam daerah laminer. '. /aminer superkritis (super-critical laminar), bila 5r lebih besar dari satu dan 3e terletak dalam daerah laminer. ;. 1urbulen superkritis (super-critical turbulent), bila 5r lebih besar dari satu dan 3e terletak dalam daerah turbulen. <. 1urbulen subkritis (sub-critical turbulent), bila 5r lebih kecil dari satu dan 3e terletak dalam daerah turbulen.
#ambar ;. Hubungan antara kedalaman dengan kecepatan untuk keempat macam resim aliran saluran terbuka Hubungan antara kedalaman untuk keempat resim aliran dalam saluran terbuka yang lebar dapat dilihat dari gambar lgaritmis. #aris tebal untuk 5r sama dengan satu dan jalur arsir untuk daerah peralihan laminar-turbulen berptngan pada gambar tersebut dna membaginya menjadi empat bagian, masing-maisng menyatakan suatu resim aliran. ua resim aliran yang pertama, laminar subkritis dan laminar superkritis tidak banyak dijumpai dalam praktek hidrlika saluran terbuka, karena alirannya biasanya bersi*at turbulen. =amun resim-resim ini kadang-kadang terjadi bilamana air sangat dangkal, dikenal sebagai aliran dangkal (sheet *lw) dan tampak jelas dalam percbaan dengan mdel hidrlis, penilitian aliran permukaan dan pencegahan ersi. 3. Jenis Saluran Terbuka 0aluran yang mengalirkan air dengan suatu permukaan bebas disebut saluran terbuka. enurut asalnya, saluran dapat diglngkan menjadi saluran alam (natural ) dan saluran buatan (artificial ). Saluran alam meliputi semua alur air yang terdapat secara alamiah di bumi, mulai anak selkan kecil di pegunungan, selkan kecil, kali, sungai
5
kecil dan sungai besar sampai ke muara sungai. Aliran air di bawah tanah dengan permukaan bebas juga dianggap sebagai saluran terbuka alamiah. 0i*at-si*at hidrlis saluran alam biasanya sangat tidak menentu. alam beberapa hal dapat dibuat anggapan pendekatan yang cukup sesuai dengan pengamatan dan pengalaman sesungguhnya, sehingga persyaratan aliran pada saluran ini dapat diterima untuk penyelesaian analisa hidrlika teritis. Saluran buatan dibentuk leh manusia, seperti saluran pelayanan, saluran pembangkit listrik, saluran irigasi dan talang, parit pembuangan, pelimpah tekanan, saluran banjir, saluran pengangkutan kayu, selkan dan sebagainya, termausk mdel saluran yang dibuat di labratrium untuk keperluan penelitian.
↘ 0aluran +uatan " +entuk dan arah teratur, kekasaran +entuk, arah dan kekasaran permukaan sekelilingnya pun permukaannya tidak beraturan seragam >nthnya " >nthnya " 0ungai besar atau kecil 2rigasi dan pembangkit tenaga air enurut bentuknya, saluran dapat diglngkan menjadi saluran prismatis
↘ 0aluran Alamiah "
( prismatic channel ) dan saluran tidak prismatis (non-prismatic channel ). Saluran
prismatis
merupakan
suatu
saluran
yang
penampang
melintangnya dibuat tidak berubah-ubah dan kemiringan dasarnya tetap. an sebaliknya untuk saluran tidak prismatis. >nthnya adalah pelimpah tekanan yang memiliki lebar berubah-ubah dengan trase melengkung. !enampang saluran alam umumnya sangat tidak beraturan, biasanya bervariasi dari bentuk seperti parabla sampai trapesium. ntuk saluran pengatur banjir, dapat terdiri dari satu penampang saluran utama yang mengalirkan debit nrmal dan satu atau lebih penampang saluran tepi untuk menampung kelebihan air. !enampang saluran buatan biasanya direncanakan berdasarkan bentuk gemetris yang umum. +entuk yang paling umum dipakai untuk berdinding tanah yang tidak dilapisi adalah bentuk trapesium sebab stabilitas kemiringan dapat disesuai. +entuk persegi panjang dan segitiga merupakan bentuk khusus selain trape?ium. +erhubung bentuk persegi-panjang mempunyai sisi tegak, 6
biasanya dipakai untuk saluran yang dibangun dengan bahan yang stabil, seperti pasangan batu, lgam atau kayu. !enampang segitiga hanya dipakai untuk saluran kecil, selkan, dan penyelidikan di labratrium. nsur-unsur gemetri penampang saluran " a. Kedalaman aliran (y) adalah jarak vertical titik terendah pada suatu penampang saluran b. c. d. e.
sampai kepermukaan bebas. /ebar dasar saluran (b) /ebar puncak (1) adalah lebar penampang saluran pada permukaan bebas. /uas basah (A) adalah luas penampang melintang aliran yang tegak lurus arah aliran. Keliling basah (!) adalah panjang garis perptngan dari permukaan basah dengan
bidang penampang melintang yang tegak lurus arah aliran. *. @ari-jari hidrlis (3) adalah perbandingan antara luas basah dengan keliling basah. 3& g. Kedalaman hidrlis () adalah perbandingan antara luas basah dengan lebar puncak. &
h. 5aktr penampang () adalah hasil perkalian luas basah dan akar kedalaman hidrlis. & A
ntuk berbagai ma!am penampang "
A&b.y
T
! & b % 'y "
1&b & b.y$,B
b
A & (b % m.y).y ! & b % '.y 1
y
m
√ 1+ m2
1 & b % '.m.y
b
b . y + m. y
2
¿
1,5
¿ ¿ ¿
& A & m.y' 1
y
m
! & '.y
√ 1+ m2
1 & '.m.y 1
&
',B √ 2 m.y
!embagian kecepatan pada penampang saluran tergantung pada *actr*aktr seperti bentuk penampang yang tidak la?im, kekasaran saluran dan adanya tekukan-tukukan. !ada arus yang lebar, deras dan dangkal atau saluran yang sangat licin kecepatan maksimum sering terjadi di permukaan bebas. Kekasaran saluran dapat menyebabkan pertambahan kelengkungan kurva pembagian kecepatan vertical.
!
#ambar <. Kurva kecepatan sama yang khas pada berbagai penampang saluran #. Aliran Seragam Aliran seragam (steady uni*rm *lw) merupakan aliran yang terjadi
dalam saluran terbuka bila saluran itu prismatic dan dibuat dengan kemiringan tetap. Aliran seragam tidak dapat terjadi pada kecepatan tinggi sebab aliran akan menjadi tidak stabil dan ada kemungkinan kemasukan udara. Aliran seragam adalah aliran yang mempunyai " a. +entuk penampang prismatis b. Kemiringan dasar saluran tetap c. Kedalaman aliran tetap d. /uas penampang basah tetap e. Kecepatan aliran tetap *. ebit aliran tetap +ila air mengalir dalam saluran terbuka, air akan mengalami tahanan saat mengalir ke hilir. 1ahanan ini biasa dilawan leh kmpnen gaya berat yang bekerja dalam air dalam arah geraknya. Aliran seragam akan terjadi bila tahanan ini seimbang dengan gaya berat. +esarnya tahanan bila *actr-*aktr *isik lain dari saluran dianggap tidak berubah, tergantung pada kecepatan aliran. +ila air memasuki saluran secara perlahan, kecepatan mengecil dan tahanan juga mengecil, dan tahanan lebih kecil dari gaya berat sehingga terjadi aliran percepatan dibagian yang lurus di sebelah hulu. Kecepatan dan tahanan akan meningkat lambat laun sampai terjadi keseimbangan antara tahanan dengan gaya-gaya berat. !ada keadaan ini dna selanjutnya aliran menjadi seragam.
#
#ambar B. !embentukan aliran seragam pada saluran yang panjang +agian lurus di hulu yang diperlukan untuk membentuk aliran seragam dikenal sebagai daerah peralihan. alam daerah ini aliran dipercepat dan berubah. +ila saluran lebih pendek daripada panjang daerah peralihan yang diperlukan untuk kndisi yang ditetapkan, maka tidka terjadi aliran seragam. i bagian hilir saluran, tahanan mungkin akan terjadi lebih kecil daripada gaya-gaya berat, sehingga aliran menjadi tidak seragam lagi atau berubah. Ke!epatan aliran seragam . Kecepatan rata-rata aliran seragam turbulen dalam saluran terbuka biasanya dinyatakan dengan perkiraan yang dikenal dengan rumus aliran seragam. 0ebagian besar rumus-rumus aliran seragam dapat dinyatakan dalam bentuk umum sebagai berikut "
V & > 3 E 0y imana " V & Kecepatan rata-rata aliran (mdet) > & 5aktr tahanan aliran 3 & @ari-jari hdrlis (m) 0 & Kemiringan energy Rumus $he%&. !ada awal tahun $CD6 serang insinyur !rancis, Antine
>he?y membuat rumus yang mungkin merupakan rumus pertama kali untuk aliran seragam yakni rumus >he?y yang terkenal, yang biasanya dinyatakan sebagai berikut "
V&> 10
87
>&
157,6
>&
1+
m
Dalam satuan
1+
γ
√ R
Dalam satuan
metrik
imana " V & Kecepatan aliran seragam (mdet) > & Ke*isien >he?y 3 & @ari-jari hdrlis (m) 0 & Kemiringan dasar saluran m & Ke*isien +a?in
1abel $. =ilai m yang diusulkan +a?in '(. $ ' ; < B D C
Permukaan Saluran 0emen yang sangat halus atau kayu diketam Kayu tidak diketam atau betn bata !apan, batu !asangan batu pecah 0aluran tanah dalam keadaan baik 0aluran tanah dalam keadaan rata 0aluran tanah dalam keadaan kasar
m F,$$ F,'$ F,'6 F,7; $,B< ',;D ;,$C
Rumus Strikler. 0trickler menyarankan lagi dengan memberikan
knstanta "
0ehingga
K&
'; & K . 3 . 0$' $776 serang insinyur 2rlandia, 3bet Rumus )anning. !adaV tahun
anning mnegemukakan sebuah rumus yang akhirnya diperbaiki menjadi rumus yang sangat dikenal sebagai berikut "
1 , 49
V&
n
. 3 '; . 0$' Dalam satuan
1
V& metrik
'; $' n . 3 . 0
Dalam satuan
11
n & Ke*isien kekasaran manning +aik menggunakan rumus >he?y maupun rumus manning terlihat bahwa 3 adalah parameter yang turut menentukan besarnya V. ntuk mendapatkan V yang tetap untuk semua kedalaman (y) pada kemiringan dasar (0 F) yang tetap, maka 3 harus knstan pada kedalaman tersebut (bentuk penampanganya harus sedemikian rupa sehingga 3-nya tetap sama). alam slauran terbuka kecepatan bertambah dengan bertambahnya kedalaman aliran. Kecepatan yang bertambha ini dapat menyebabkan pengikisan pada dasar dan sisi-sisi saluran. 0ebaliknya apabila kecepatan berkurang, ini dapat menyebabkan pengendapan bahan yang melayang dalam cairan itu. 0aluran dengan kecepatan tetap terhindar dari keadua hal yang kurang baik tersebut. Kecepatan tidak merata diseluruh penampang dekat permukaan bebas disebabkan terhambat leh tegangan permukaan dan angin. Kemiringan n(rmal dan kemiringan kritis .
1 '; $' n . A . 3 . 0
& -
ntuk n,
,
-
0 tertentu, hanya ada satu kedalaman air yang 1 A ¿ '; mempertahankan kndisi aliran seragam, yaitu$'GKedalaman nrmal 8 y n ntuk y n, n, 0 tertentu hanya ada satu harga debit () yang
-
mempertahankan kndisi aliran seragam yaitu Gebit nrmal 8 n. @ika dan n diketahui, maka dengan rumus manning dapat dihitung kemiringan saluran prismatic dimana mengalir aliran seragam dengan kedalaman nrmal (yn), kemiringan inni disebut kemiringan nrmal (0 n) 2
n .Q 0n & -
2 4
Satuan inggris
2
A . R 3
engan mengubah kemiringan saluran, yn dapat diubah sehingga aliran 2
2
.Q seragam tersebut menjadin aliran kritis (ebit tetap). Kemiringan ini
12
disebut Gkemiringan kritis (0 k ) dan keadalaman aliran disebut kedalaman kritis.
2
n .Q 0k &
2 4
2
A k . R k 3
Satuan
inggris
-
engan mnegatur kemiringan dan debit pada kedalaman nrmal tertentu dapat dicapai suatu keadaan aliran yang kritis. Kemiringan ini disbeut kemiringan kritis pada kedalaman nrmal tertentu 8 0 kn. Penampang melintang tere*isien. !enampang disebut tere*isien jika
memberikan yang maksimum untuk A, 0 dan n yang diketahui, tahanan tersedikit pada aliran sehingga daya angkut maksimum, agar K maksimum maka ! harus minimum dan harus eknmis dalam artia n biaya sebagian besar tergantung pada galian, banyaknya galian berbanding lurus dengan luas penampang, diharapkan galian minimum untuk debit yang diketahui sehingga biaya menjadi minimum dan karena ! minimum maka biaya pemerataan dan pelapisan saluran juga akan minimum. Kecepatan dalam saluran terbuka adalah *ungsi daripada 3 dan 0. !ersamaan debit " 1 " !ersamaan ini menyatakan bahwa & akan A . 3 '; . 0$'jika 3 maksimum. n . maksimum - ntuk A dan 0 diketahui, A - Karena 3 & P , maka 3 akan maksimum jika ! minimum. Ileh karena
itu untuk penampang yang tere*isien, keliling basah harus minimum. Aliran +erubah ,ambat ,aun erupakan aliran tetap yang kedalamannya berubah-ubah secara lambat
laun sepanjang saluran. e*inisi ini mencantumkan dua syarat yaitu " $. Aliran tetap, yakni si*at-si*at hidrlis aliran tetap knstan selama jangka waktu yang ditentukan.
13
'. #aris arus praktis sejajar, yakni pada penampang saluran terdapat pembagian tekanan hidrstatis. Aliran +erubah Tiba-tiba Aliran berubah tiba-tiba memiliki kelengkungan garis aliran yang sangat
jelas. !erubahan kelengkungan dapat terjadi sedemikian mendadak sehingga pr*il aliran terputus, menghasilkan keadaan turbulensi tinggiJ inilah yang disebut aliran berubah tiba-tiba ( Rapidly Varied Flow) dengan pr*il terputus, dengan lncatan hidrlis sebagai salah satu cnthnya. ntuk membedakannya dengan aliran berubah lambat laun ( Gradually Varied Flow), si*at-si*at berikut dari aliran berubah tiba-tiba perlu diperhatikan " $. Kelengkungan aliran sangat nyata, sehingga pembagian tekanan tidak dapat dianggap hidrstatis lagi '. !erubahan resim aliran ( flow regime) yang tiba-tiba sering terjadi dalam jarak yang relative pendek. ;. +ila aliran berubah tiba-tiba terjadi pada bangunan peralihan tiba-tiba, cirri-ciri *isik aliran pada dasarnya tergantung pada batas-batas gemetri bangunan, juga pada keadaan aliran. <. +ila pada aliran berubah tiba terjaid perubahan luas basah yang tibatiba, ke*isien-ke*isien pembagian kecepatan biasanya jauh lebih besar dari satu dan tidak dapat ditentukan dengan tepat. B. aerah-daerah pemisah, lakan dan pusaran yang mungkin terjadi pada aliran berubah tiba-tiba cenderung memperumit pla aliran dan mendistrsi pembagian kecepatan yang sesungguhnya di sungai.
14
