BAB III
AIR TANAH, PERMEABILITAS, DAN
REMBESAN
3.1. AIR TANAH
Air tanah adalah sebagai air yang terdapat dibawah permukaan bumi. Sumber utamanya air hujan yang meresap kebawah melewati ruangan pori diantara butiran tanah. Air sangat berpengaruh pada sifat-sifat teknis tanah, khususnya tanah berbutir halus. Demikian juga air merupakan faktor yang sangat penting dalam masalah-masalah seperti :penurunan,stabilitas pondasi,stabilitas lereng, dll.
Pada lapisan tanah terdapat tiga zone penting yaitu : zone jenuh air, zone kapiler, dan zone jenuh sebagian. Pada zone jenuh atau zone dibawah muka air tanah, air mengisi seluruh rongga-rongga. Pada zone ini tanah dianggap dalam keadaan jenuh sempurna. Batas atas dari zone jenuh adalh permukan air tanah atau freatis. Zone kapiler terletak diatas zone jenuh. Ketebalan zone ini tergantung dari macam tanah, akibatnya air mengalami isapan atau tekanan negative. Zone tak jenuh yang berkedudukan paling atas, adalh zone dekat permukaan tanah dimana air dipengaruhi oleh penguapan sinar matahari dan akar-akar tumbuh-tumbuhan.
3.2. PERMEABILITAS
Aliran Air Dalam Tanah
Tinggi energi total (total Head) adalah tinggi energi elevasi atau Elevation Head(z) ditambah tinggi energi tekanan atau pressure Head (h)
yaitu Ketinggian kolom air hA atau hB Didalam pipa diukur dalam
millimeter atau meter diatas titiknya.
Tekanan hidrostatis bergantung pada kedalaman suatu titik dibawah muka air tanah. Untuk mengetahui besar tekanan air pori, Teorema Bernaulli dapat diterapkan. Menurut Bernaulli, tinggi energi total (total Head) pada suatu titik dapat dinyatakan oleh persamaan :
h = z
h = tinggi energi total (total head)(m)
p/w = tinggi energi tekanan (pressure head) (m)
p = tekanan air (t/m2,kN/m2)
v2/2g = tinggi energi kecepatan (velocity head) (m)
v = kecepatan air (m/det)
w = berat volume air (t/m3,kN/m3)
g = percepatan gravitasi (m/dt2) z = tinggi energi elavasi (m)
Karena kecepatan renbesan didalam tanah sangat kecil,maka tinggi energi kecepatan dalam suku persamaan Bernoulli dapat diabaikan.Sehingga persamaan tinggi energi total menjadi :
h = z
w p
Hukum Darcy
Darcy (1956), mengusulkan hubungan antara kecepatan dan gradient hidrolik sebagai berikut :
v = ki
Dengan :
v = Kecepatan air (cm/det) i = Gradien hidrolik
k = Koefisien permeabilitas (cm/det)
Debit rembesan (q)dinyatakan dalam persamaan :
q = kiA
Koefisien permeabilitas (k) mempunyai satuan yang sama dengan kecepatan cm/det atau mm/det. Yaitu menunjukkan ukuran tahanan tanah terhadap air, bila pengaruh sifat-sifatya dimasukkan, Maka :
k (cm/det) = g
k w
Dengan :
K = koefisien absolute (cm2 ), tergantung dari sifat butiran tanah
w
= Rapat massa air (g/cm3)
= koefisien kekentalan air (g/cm.det)
g = percepatan gravitasi ( cm/det2 )
Uji Permeabilitas Di Laboratorium
a). Uji tinggi energi tetap (Constant – Head) b). Uji tinggi energi turun (failing – Head)
c). Penentuan secara tidak langsung dari uji konsolidasi d). Penentuan secara tidak langsung dari uji kapiler horizontal
Uji Permeabilitas Di Lapangan
1. Uji Permeabilitas Dengan Menggunakan Sumur Uji
Cara pemompaan dari air sumur uji dapat dipakai untuk menentukan koefisien permeabilitas (k) di lapangan.dalam cara ini,sebuah sumur digali danairnya di pompa dengan debit air tertentu secara kontinu.permukaan penurunan yang telah stabil yaitu garis penurunan muka air tanah yang terendah.
Jari-jari R dalam teori hidrolika sumuran di sebut jari-jari pengaruh kerucut penurunan (radius of influence of the depression cone).Aliran air ke dalam sumur merupakan aliran gravitasi,dimana muka air tanah mengalami tekanan atmosfer.Debit pemompaan pada kondisi aliran yang telah stabil dinyatakan oleh persamaan DARCY :
q = vA = kiA = k (dy/dx) A (m3/det)
Dengan :
v = Kecepatan aliran (m/det) A = Luas aliran (m2)
i = dy/dx = gradient hidrolik dy = ordinat kurva penurunan dx = absis kurva penurunan
2. Uji Permeabilitas Pada Sumur Artesis
q = kA T = Tebal lapisan lolos air (m)
dy/dx = i = Gradien Hidrolik
3. Hitungan Koefisien Permeabilitas Secara Teoritis
Menurut Hagen dan Poiseuille,banyaknya aliran air dalam satuan waktu (q) yang lewat pipa dengan jari-jari R,dapat dinyatakan dengan persamaan :
= Koefisien kekentalan absolute
a = Luas penampang pipa
S = gradient hidrolik
Jari-jari hidrolik RH dari pipa kapiler dinyatakan dalam persamaan :
RH = 2 2
vx = kix= -k
x h
vz = kiz= -k
z h
3.3.1 Jaring Arus (Flow Net)
Sekelompok garis aliran dan garis ekipotensial disebut jaring arus (flow net). Garis ekipotensial adalah garis-garis yang mempunyai tinggi energi potensial yang sama (h konstan). Permeabilitas lapisan lolos air dianggap isotropis ( kx= k1 = k ).
3.3.2 Tekanan Rembesan
Air pada keadaan statis didalam tanah, akan mengakibatkan tekanan hidrostatis yang arahnya keatas (uplift). Akan tetapi, jika air mengalir lewat lapisan tanah, aliran air akan mendesak partikel tanah sebesar tekanan rembesan hidrodinamis yang bekerja menurut arah alirannya. Besarnya tekanan rembesan akan merupakan fungsi dari gradient hidrolik.(i)
3.3.2.1 Pengaruh Tekanan Air Terhadap Stabilitas Tanah
Tekanan hidrodinamis mempunyai pengruh yang besar pada stabilitas tanah. Tergantung pada arah aliran, tekanan hidrodinamis dapat dipengaruhi oleh berat volume tanah.
3.3.2.2 Teori Kondisi Mengapung (Quick – condition)
Telah disebutkan bahwa tekanan hidrodinamis dapat mengubah keseimbangan lapisan tanah. Pada keadaan seimbang, besarnya gayayang bekeja dibawah W = sama dengan gaya rembesan D = w i c,atau
Dengan icadalah gradient hidrolikkritis pada keseimbangan gaya
diatas. Besarnya berat tanah terendam air ,adalah :
W = '= ( 1-n )(
3.3.2.3. Keamanan Bangunan Terhadap Bahaya Piping
Telah disebutkan bahwa bila tekanan rembesan keatas yang terjadi dalam tanah sama dengan ic, maka tanah akan pada kondisi mengapung.
Keadaan semacam ini juga dapat berakibat terangkutnya butir-butir tanah halus, sehingga terjadi pipa-pipa didalam tanah yang disebut Piping. Akibat pipa-pipa yang berbentuk rongga-rongga, dapat mengakibatkan fondasi bangunan mengalami penurunan, hingga mengganggu stabilitas bangunan. Faktor keamanan bangunan air terhadap bahaya piping, sebagai berikut :
SF =
e e
i i
Dengan ie adalah gradien keluar maksimum (maximum exit gradient
) dan ie =w
Gradien keluar maksimum tersebut dapat ditentukan
dari jarring arus dan besarnya sama dengan tinggi energi antara garis ekipotensial terakhir, dan l adalah panjang dari elemen aliran.
h
L
= Jumlah jarak horizontal menurut lintasan terpendek
v
L
= Jumlah jarak vertical menurut lintasan terpendek
Setelah weighted – creep – distance dihitung, weighted – creep – ratio (WCR) dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan :
WCR = homogen, tapi mempunyai permeabilitas yang berbeda pada arah vertical dan horizontalnya. Kebanyakan tanah pada kondisi alamnya dalam keadaan anisotropis, artinya mempunyai koefisien permeabilitas yang tidak sama kesegala arah, yaitu maksimum searah lapisan (arah horizontal), dan minimum kearah tegak lurus lapisannya (arah vertical). Arah-arah ini selanjutnya dinyatakan dalam arah x dan z. Dalam kondisi ini, permeabilitas pada arah horizontal dan vertikalnya dapat dinyatakan dalam bentuk :
kx = kmak dan kz= kmin
Untuk hal ini, persamaan Dracy akan bernentuk :
Vx = -kx ix = -kx x
3.3.4 Kondisi Tanah Berlapis
3.3.4.1. Menghitung Debit Rembesan Tanah Berlapis Dengan Cara Jaring Arus
3.3.5 Rembesan Pada Struktur Bangunan
Hukum Dracy dapat digunakan untuk menghitung dabit rembesan yang melalui struktur bendungan. Dalam perencanaan sebuah bendungan, perlu diperhatikan stabilitasnya terhadap bahaya longsoran, erosi lereng dan kehilangan air akibat rembesan yang melalui tubuh bendungan.
3.3.5.1 Cara Dupuit 3.3.5.2 Cara Scahffernak 3.3.5.3 Cara A. Casagrande
3.3.5.4 Penggambaran Garis Rembesan Secara Grafis
Jika bentuk dan posisi garis rembesan paling atas pada potongan melintang bendungan diketahui, besarnya rembesan rembesan dapat dihitung. Bentuk garis rembesan , kecuali dapat ditentukan secara analistis , dapat juga ditentukan secara grafis atau dari pengamatan laboratorium dari sebuah model bendungan sebagai prototype, ataupun juga secara analogi elektris.
Pengamatan menunjukkan bahwa garis rembesan yang melalui yang melalui bendungan berbentuk kurva parabolis, akan tetapi penyimpangan kurva terjadi pada daerah hulu dan hilirnya. Pengamatan secara grafis didasarkan pada sifat khusus dari kurva parabola.
3.3.5.5 Debit Rembesan Pada Bendungan Tanah Anisotropis
Jika permeabilitas tanah bahan bendungan anisotropis, untuk menghitung debit rembesan, maka penampang bendungan harus lebih dulu ditranformasi. Seperti yang telah dipelajari sebelumnya, nilai x1
x1= k X
k
x z
Maka seluruh hitungan harus didasarkan pada gambartransformasinya, demikian juga untuk koefisien permeabilitas ekivalen :
K’ = kxkz
3.3.5.6 Kondisi Aliran Masuk,Keluar, dan Kondisi Transfer
Kondisi-kondisi aliran masuk,keluar, dan kondisi transfer dari garis rembesan melalui badan bendungan telah dianalisis oleh Casagrande (1937), maksud dari kondisi aliran masuk adalah bila aliran rembesan berasal dari daerah bahan tanah dengan koefisien permeabilitas sangat besar.
3.3.6 Filter
Bila air rembesan mengalir dari lapisan berbutir lebih halus menuju lapisan lebih kasar, kemungkinan terangkutnya butiran lebih halus lolos melewati bahan yang lebih kasar tersebut dapat terjadi. Erosi butiran dapat mengakibatkan turunnya tahanan aliran air dan naiknya gradient hidrolik.
Bila kecepatan aliran membesar akibat dari pengurangan tahanan aliran yang berangsur-angsur turun, akan terjadi erosi butiran yang lebih besar lagi sehingga membentuk pipa-pipa didalam tanah yang dapat mengakibatkan keruntuhan pada bendungan.
Filter atau drainase untuk mengendalikan rembesan, harus memenuhi dua persyaratan:
2). Permeabilitas harus cukup tinggi untuk mengizinkan kecepatan drainase yang besar dari air masuk filternya.
