Perencanaan Saluran
1. Ali ran Melalui Melalui Penampang Penampang
Aliran yang melalui suatu saluran haris direncanakan direncanakan untuk tidak mengakibatkan erosi maupun tidak mengakibatkan endapan sedimen. Untuk itu perancang cukup menghitung ukuran-ukuran saluran dengan analisis hidraulika sehingga nantinya dapat memutuskan ukuran akhir berdasarkan efisiensi hidraulika dan mendapatkan ukuran penampang terbaik, praktis, dan ekonomis. 1) Rumus Chezy Seperti yang telah diketahui, bahwa perhitungan untuk aliran melalui saluran terbuka hanya dapat dilakukan menggunakan rumus-rumus empiris, karena adanya banyak variabel yang berubah-ubah. Untuk itu berikut ini disampaikan rumus-rumus empiris yang banyak digunakan untuk merencanakan suatu saluran terbuka. Chezy berusaha mencari hubungan bahwa zat cair yang melalui saluran terbuka akan menimbulkan tegangan geser (tahanan) pada dinding saluran, dan akan diimbangi oleh komponen gaya berat yang bekerja pada zat cair dalam arah aliran. Di dalam aliran seragam, komponen gaya berat dalam arah aliran adalah seimbang dengan tahanan geser, dimana tahan geser ini tegantung pada kecepatan aliran. Setelah melalui beberapa penurunan rumus, akan didapatkan persamaan umum: U = C RS
(2.1)
dimana: U
=
kecepatan aliran (m/det)
R
=
jari-jari hidraulik (m)
S
=
kemiringan dasar saluran
C
=
koefisien Chezy
Modul Perencanaan Bangunan Air
II - 1
Perencanaan Saluran
Beberapa ahli telah mengusulkan beberapa bentuk koefisien Chezy dari rumus umum tersebut yang tergantung dari bentuk tampang lintang, bahan dinding saluran, dan kecepatan aliran. Untuk itu dapat ditinjau beberapa rumus yang banyak digunakan. a) Rumus Manning Robert Manning mengusulkan rumus berikut ini: C =
1 n
R
1 6
(2.2)
Sehingga rumus kecepatan aliran menjadi: U =
1 n
2
1
R 3 S 2
(2.3)
Dimana n merupakan koefisien Manning yang merupakan fungsi dari bahan dinding saluran. Harga koefisien Manning adalah sebagai berikut: Tabel 2.1. Harga Koefisien Manning Bahan
Koefisien Manning n
Besi tuang dilapis
0,014
Kaca
0,010
Saluran beton
0,013
Bata dilapis Mortar
0,015
Pasangan batu disemen
0,025
Saluran tanah bersih
0,022
Saluran tanah
0,030
Saluran dengan dasar batu dan tebing rumput
0,040
Saluran pada galian batu padas
0,040
Modul Perencanaan Bangunan Air
II - 2
Perencanaan Saluran
b) Rumus Strickler Untuk permukaan saluran dengan material yang tidak koheren, koefisien Strickler (k s) diberikan oleh rumus berikut: 1
⎛ R ⎞ 6 ⎟⎟ k s = = 26⎜⎜ n d ⎝ 35 ⎠ 1
(2.4)
Dengan R adalah jari-jari hidraulik, dan d35 adalah diameter (dalam meter) yang berhubugan dengan 35% berat dari material dengan diameter yang lebih besar. Dengan menggunakan koefisien tersebut, maka rumus kecepatan aliran menjadi: 2
1
U = k s R 3 S 2
(2.5)
Contoh Soal: Saluran terbuka berbentuk segi empat terbuat dari pasangan batu disemen (n=0,025) mempunyai lebar 10 m dan kedalaman air 3 m. Apabila kemiringan dasar saluran adalah 0,00015, hitung debit aliran. Penyelesaian
3m
10 m
Luas tampang basah: A = B x h = 10 x 3 = 30 m Keliling basah: P = B + 2h = 10 + 2 x 3 = 16 m
Modul Perencanaan Bangunan Air
II - 3
Perencanaan Saluran
Jari-jari hidraulis: R = R =
A P 30
16
= 1,875m
Debit aliran dihitung dengan menggunakan rumus Manning: Q = A.V
1 2 1 Q = A. R 3 S 2 n 2 1 1 1,875 3 0,00015 2 = 22,347 m3 / det Q = 30. 0,025
b. Debit Maksimum Untuk menentukan debit maksimum dengan energi spesifik konstan adalah menggunakan persaman energi spesifik: E = y +
Q
2
2 gA 2
Sehingga dapat diubah menjadi: 1
Q=
2 g A( E s − y ) 2
(2.6)
Dengan menurunkan pesamaan tersebut, akan didapatkan suatu debit maksimum untuk energi spesifik konstan yang terjadi pada kedalaman kritik sebagai berikut: yc +
Dc
2
= E s
(2.7)
c. Kemiringan Kritik Dasar Saluran Kemiringan kritik S c adalah kemiringan dasar saluran yang diperlukan untuk menghasilkan aliran seragam di dalam saluran pada kedalaman kritik.
Kemiringan
kritik
dasar
saluran
ini
didapatkan
dari
menggabungkan rumus Manning dari Persamaan (2.3):
Modul Perencanaan Bangunan Air
II - 4
Perencanaan Saluran
U =
1 n
2
R 3 S
1
2
Dengan kecepatan kritik: U c =
gDc
(2.8)
Pada kondisi tersebut R=Rc dan S=Sc, sehingga rumus Manning menjadi: S c =
gDc n 4
Rc
2
(2.9)
3
Untuk saluran lebar Rc=yc=Dc, sehingga: S c =
gn 1
yc
2
(2.10)
2
Apabila aliran seragam terjadi pada saluran dengan kemiringan dasar lebih besar dari kemiringan kritik (S 0 > Sc), maka aliran adalah super kritik, dan kemiringan dasar disebut curam. Tapi apabila kemiringan dasar lebih kecil dari kemiringan kritik (S 0 < Sc), maka aliran yang terjadi adalah sub kritik, dan kemiringan disebut landai ( mild). Contoh Soal: Saluran dengan lebar 5 m mengalirkan air dengan debit 15 m 3/det. Tentukan kedalaman air apabila energi spesifiknya minimum (kedalaman kritis), dan kecepatan kritisnya. Penyelesaian: Debit tiap satuan lebar: q=
Q B
=
15 5
= 3m3 / d / m
Modul Perencanaan Bangunan Air
II - 5
Perencanaan Saluran
Kedalaman air`kritis: yc =
3
q
2
=
3
32 9,81
g
= 0,972m
Kecepatan kritis: vc =
q yc
3
=
0,972
= 3,087 m / det
2. Tampang Ekonom is
Suatu tampang lintang saluran akan menghasilkan debit maksimum bila nilai R = A/P maksimum atau keliling basah P minimum, sehingga untuk debit tertentu, luas tampang lintang akan minimum (ekonomis) bila saluran memiliki nilai R maksimum atau P minimum. Untuk luas tampang saluran yang sama, penampang setengah lingkaran merupakan penampang yang paling efisien. Prinsip saluran tampang ekonomis hanya berlaku untuk desain saluran yang tahan terhadap erosi, sedangkan untuk saluran yang mudah tererosi, dalam mendesain saluran yang efisien harus mempertimbangkan gaya tarik yang terjadi. Beberapa tipe bentuk saluran ekonomis dan karakteristiknya diberikan pada Tabel 2.2.
Modul Perencanaan Bangunan Air
II - 6
Perencanaan Saluran
Tabel 2.2. Penampang saluran ekonomis Penampang melintang
Luas
Keliling basah
Jari-jari hidraulik
Lebar puncak
Kedalaman hidraulik
Faktor penampang
A
P
R
T
D
Z
2 3y
1 y 2
Trapesium, setengah bagian segi enam
3 y 2
Persegi panjang, setengah bagian bujur sangkar Segitiga, setengah bagian bujur sangkar
2 y y π
Setengah lingkaran
2 4
Parabola Lengkung hidrostatis
2
2 2y
y 2
3
2 y 2
1 y 2
4y
2
8
3
1
4
3 y 4
3 y
y
2y
2y
1 y 2
y
2y
y
2 y
1 y 2
1,39586 y 2 2,9836 y
3 2 y
1
π
4
2
2 2y
0 , 46784 y 1,917532 y
π
4 2
3
3 y 2,5 2 2 y 2 2 π
y
y
0,72795 y
4 8
y 2,5
y 2, 5
9
3 y 2,5
1,19093 y
Sumber: Chow, 1992
Contoh soal: Hitung dimensi saluran ekonomis berbentuk trapesium dengan kemiringan tebing 1 (horisontal) : 2 (vertikal) untuk melewatkan debit 40 m 3/d dengan kecepatan rata-rata 0,8 m/d. Berapakah kemiringan dasar saluran apabila koefisien Chezy C = 50 m 1/2/d. Penyelesaian: Luas tampang aliran:
1
y
m=0,5 A =
3 y
2
B
Luas tampang aliran dihitung berdasarkan persamaan kontinuitas: A =
Q V
=
40 0,8
= 50m2
Sehingga didapatkan:
Modul Perencanaan Bangunan Air
2,5
II - 7
2,5
Perencanaan Saluran
A
y =
3
= 5,37 m
Luas trapesium: A = ( B + my ) y
Sehingga lebar dasar saluran: B =
A y
50
− my =
5,37
− 0,5.5,37 = 6,63m
Menghitung kemiringan dasar saluran. Untuk tampang ekonomis: R =
y
2
=
5,37 2
= 2,685m
Kemiringan dasar saluran dihitung dengan menggunakan rumus Chezy: U = C RS
0,8 = 50 2,685.S S = 9,534.10 −
5
3. Penentu an Ukuran Penampang
Tata cara untuk menentukan ukuran suatu penampang saluran adalah sebagai berikut: a. Mengumpulkan segala informasi dan data yang tersedia, kemudian menaksir nilai n berdasarkan kriteria material dinding saluran, sedangkan nilai S ditentukan berdasarkan kriteria kegunaan saluran dan kecepatan maksimum dan minimum sehingga tidak mengakibatkan erosi maupun sedimentasi pada saluran. b. Faktor penampang AR
2
3
dihitung dengan persamaan: AR
Modul Perencanaan Bangunan Air
2
3
=
nQ S
(2.11)
II - 8
Perencanaan Saluran
c. Bila terdapat ukuran-ukuran dari suatu penampang yang belum diketahui, misalnya B, maka nilai-nilai tersebut ditaksir, sehingga dapat diperoleh kombinasi ukuran penampang, sehingga nantinya ukuran akhirnya akan ditetapkan berdasarkan efisiensi hidraulik dan segi praktisnya. d. Kecepatan minimum yang ditentukan diperiksa, terutama untuk air yang mengandung lanau. e. Tambahkan jagaan seperlunya terhadap kedalaman dari penampang saluran. 4. Kecepatan Maksimum yang Diizink an
Kecepatan maksimum yang diijinkan adalah kecepatan yang tidak akan menimbulkan erosi pada tubuh saluran ( nonerodible velocity). Besarnya kecepatan ini sangat tidak menentu dan bervariasi. Namun secara umum, saluran yang telah lama dan telah mengalami pergantian musim akan mampu menerima kecepatan yang lebih besar jika dibandingkan dengan saluran yang baru, oleh karena dasar saluran yang lama telah lebih stabil. Untuk kondisi yang sama, saluran yang lebih dalam akan mampu menahan kecepatan rerata yang lebih besar tanpa menimbulkan erosi. Tabel 2.3 memberikan kecepatan maksimum yang diijinkan disaluran menurut beberapa hasil penelitian.
Modul Perencanaan Bangunan Air
II - 9
Perencanaan Saluran
Tabel 2.3. Kecepatan Maksimum yang diijinkan menurut Fortier dan S cobey (Untuk Saluran lama, lurus, dengan kemiringan kecil) Bahan
Pasir halus, koloida Lanau berpasir, bukan koloida Lanau bukan koloida Lanau aluvial, bukan koloida Lanau kaku biasa Debu vulkanis Lempung teguh, koloida kuat Lanau aluvial, koloida Serpih dan diulangkan keras Kerikil halus Lanau bergradasi sampai kerakal, bukan koloida Lanau bergradasi sampai kerakal, koloida Kerikil kasar, bukan koloida Kerakal dan batuan bulat
n
Air Jernih v v (ft/sec) (m/det) 1.50 0.46 1.75 0.53 2.00 0.61 2.00 0.61 2.50 0.76 2.50 0.76 3.75 1.14 3.75 1.14 6.00 1.83 2.50 0.76 3.75 1.14 4.00 1.22 4.00 1.22 5.00 1.52
0.020 0.020 0.020 0.020 0.020 0.020 0.025 0.025 0.025 0.020 0.030 0.030 0.025 0.035
Air mengandung koloida lanau v v (ft/sec) (m/det) 2.50 0.76 2.50 0.76 3.00 0.91 3.50 1.07 3.50 1.07 3.50 1.07 5.00 1.52 5.00 1.52 6.00 1.83 5.00 1.52 5.00 1.52 5.50 1.68 6.00 1.83 5.50 1.68
Prosedur perhitungan kecepatan yang diizinkan adalah sebagai berikut: a. Menentukan nilai n berdasarkan jenis bahan dinding saluran, dan menentukan kemiringan dinding saluran, dan kecepatan maksimum yang diijinkan berdasarkan Tabel 2.3. b. Menghitung jari-jari hidraulik R dengan menggunakan rumus Manning. c. Menghitung luas basah dengan debit yang diketahui dan kecepatan yang diijinkan menggunakan persamaan A = Q
V
.
d. Menghitung keliling basah dengan menggunakan persamaan P = A
R
.
e. Tambahkan jagaan seperlunya, dan mempertimbangkan kepraktisan dalam pembuatan saluran.
Modul Perencanaan Bangunan Air
II - 10
