Identifikasi Debit Banjir, Desain Teknis dan Kontrol Stabilitas Bendung Pengelak Banjir
Adi Prawito
ABSTRAK
Di Tuban terdapat Kali Jambon yang penampangnya kecil sehingga tidak mampu mengalihkah debit banjir. Untuk mengatasi banjir tersebut direncanakan dengan jalan menahan debit banjir dengan membangun waduk pengendali banjir yaitu Waduk Jadi II. Agar dalam pelaksanaan pembangunan pada musim hujan maupun musim kemarau dapat berlangsung terus maka diperlukan bangunan pengelak banjir yang terdiri dari bendung pengelak dari urugan tanah dan terowongan pengelak. Berdasarkan hasil redesain dengan debit banjir maksimum (inflow) dengan periode ulang 5 tahun adalah 327.80 (m3/detik), sedangkan (outflow) yang melalui saluran pengelak dengan lebar 6 m dan ketinggian 3 m sebesar 312,43 (m3/detik), sehingga dapat diketahui tinggi bendung pengelak 8 m dengan perencanaan kemiringan lereng 1:1. Stabilitas lereng dalam keadaan normal 7,71 ≥ 1,5 (aman) dan dalam keadaan gempa 7,35 ≥ 1,1 (aman).
Kata kunci: debit bajir, bendung pengelak, stabilitas lereng PENDAHULUAN
Latar Belakang Masalah
Kawasan disekitar Kali Jambon setiap tahun rutin mengalami luapan banjir. Untuk mengatasi banjir tersebut direncanakan dengan jalan menahan debit banjir dibagian hulu dengan membangun waduk pengendali banjir yaitu waduk Jadi, salah satunya yaitu Waduk Jadi II.
Keuntungan dibangunnya waduk Jadi II selain untuk mengendalikan banjir adalah 1. Sebagai cadangan air bersih untuk masyarakat disekitar waduk dan di hilir
waduk
2. Peningkatan cadangan air tanah disekitar waduk
3. Air waduk dapat dimanfaatkan mensuplai kebutuhan air irigasi pada musim kemarau, pada Daerah Irigasi Boto dan daerah irigasi lainnya yang lokasinya di hilir waduk Jadi II
Pembangunan bendungan memerlukan waktu yang sangat lama ±3 tahun. Agar dalam pelaksanaan pembangunan bendungan pada musim hujan maupun pada musim kemarau dapat berlangsung terus maka diperlukan bangunan pengelak banjir, yang terdiri dari bendung pengelak dari urugan tanah dan terowongan pengelak yang berfungsi untuk mengalirkan air. Lokasi proyek adalah Waduk Jadi II yang berada sekitar 11 km arah barat/selatan dari kota Tuban tepatnya di Kecamatan Semanding Desa Jadi Dusun Gembul Kabupaten Tuban.
Rumusan Masalah
1. Berapa besar debit banjir untuk periode 5 tahun yang mengalir di Waduk Jadi II?
2. Berapa tinggi bendung pengelak berdasarkan debit banjir 5 tahun?
3. Bagaimana stabilitas bendung pengelak banjir?
TINJAUAN PUSTAKA Bendung Pengelak
Bendungan merupakan kontruksi bangunan air yang dibangun di sungai yang berfungsi untuk membendung aliran sungai sehingga terbentuk suatu waduk.
Pembangunan bendungan memerlukan adanya bangunan pengelak banjir, yaitu bangunan yang berfungsi untuk memindahkan aliran sungai selama proses pembangunan tubuh bendungan utama dan berbagai bangunan pelengkapnya. Bangunan pengelak berupa bendung urugan tanah yang dilengkapi dengan saluran pengelak banjir, dapat berupa saluran terbuka maupun terowongan.
Debit Masuk Waduk (Inflow)
Debit banjir rencana yang akan masuk kedalam waduk adalah debit banjir rencana dengan periode ulang dua puluh tahun (Q5). Debit banjir rencana ini merupakan debit inflow yang masuk waduk pengelak dan akan digunakan dalam perhitungan penelusuran banjir melalui saluran pengelak banjir. Untuk mengetahui debit banjir rencana bendung pengelak dihitung dengan menggunakan hidrograf satuan sintetik Nakayasu.
Debit Keluar Waduk (Outflow)
Debit keluar (outflow) dialirkan melalui saluran pengelak berupa terowongan.
Pada saat seluruh panjang terowongan belum terisi penuh oleh air, sehingga masih berupa aliran terbuka hal ini digunakan rumus.
Pengertian Penelusuran Banjir
Penelusuran banjir adalah merupakan peramalan hidrograf disuatu titik pada suatu aliran atau bagian sungai yang didasarkan atas pengamatan hidrograf yang ditelusuri lewat waduk dan saluran pengelak banjir. Perhitungan penelusuran banjir melalui terowongan perlu dilakukan dengan tujuan untuk mengetahui daya tampung atau kemampuan Waduk untuk menurunkan debit banjir rencana (puncak debit banjir).
Analisis Stabilitas Bendung Pengelak
Menggunakan perumusan yang bersumber dari Soemarto (1985). Dimana memperhitungkan: (1) faktor keamanan terhadap kelongsoran, (2) Beban komponen vertikal yang timbul dari berat sendiri, (3) Beban komponen tangensial yang timbul dari berat sendiri dari setiap irisan bendung luncur, (4) Komponen vertikal beban seismik yang berkerja pada setiap bidang luncur, (5) Sudut geser dalam bahan yang membentuk dasar setiap bidang luncur, (6) Angka kohesi bahan yang membentuk dasar setiap bidang luncur, dan (7) Intensitas seismik horisontal
METODE PENELITIAN
Gambar 1: Kerangka Penelitian Data Curah Hujan
Data hujan harian maksimum diambil mulai tahun 1981 hingga tahun 2003. R max terendah terjadi pada tahun 1981 sbesar 43 mm dan R max tertinggi terjadi pada tahun 2000 sebesar 176 mm.
Data Tanah
Berdasarkan pengamatan secara visual di lapangan dan hasil kegiatan survey dengan bor diketahui bahwa lapisan tanah Bendungan Jadi II Tuban terdiri dari batu karang, lanau dan pasir. Hasil dari proctor test terdapat pada tabel dibawah ini.
Tabel 1: Hasil Proctor Test
unit I II III IV V VI
Berat Volume
tanah γ 1,275 1,535 1,750 1,736 1,685 1,672
Kadar air % 22,60 27,19 31,20 34,87 38,22 40,50 Berat Volume
Kering γd 1,040 1,207 1,334 1,287 1,219 1,019 Sumber: Data Konsultan (2006)
Specifik Gravity (Gs) = 2,514 t/m3; Kadar Air Optimum (w) = 31,20 % Berat Volume Kering Maksimum (γdmax) = 1,334 gr/cm3
ANALISIS HIDROLOGI Hujan Rencana
Perhitungan tinggi hujan rencana dimaksudkan untuk dipakai menghitung debit banjir rencana pada bendung pengelak. Periode ulang yang dipakai dalam menghitung tinggi hujan rencana ini adalah 5 tahun. Untuk perhitungan hujan rencana, data yang tersedia adalah data hujan selama 23 tahun dimulai tahun 1981 sampai tahun 2003, perhitungan tinggi hujan rencana menggunakan persamaan Gumbel.
Rt = R kSx k = Sn
Yn Yt
Sx =
1
2
n
R R
R total = 1702 mm R rata-rata ( R ) = 74 mm
R R
( )2 = 15876 mm
Tabel 2: Reduced Variate Tr (tahun) Reduced
Variate
2 0,36651
5 1,9940
10 2,25037
20 2,97019
50 3,90194
100 4,60015
200 5,29561
Sumber: Soemarto (1985) Perhitungan hujan rencana
k =
= 1,3557 Sx =
1 23 15876
= 26,86 mm Rt =
= 110,4 110 mm
Jadi hujan rencana untuk periode 5 tahun adalah (R5) = 110 mm Metode Nakayasu
Nakayasu menurunkan rumus hidrograf satuan sintetik berdasarkan hasil pengamatan dan penelitian pada beberapa sungai di Jepang. Untuk mengetahui debit rencana banjir maka ordinat hidrogaf satuan dikalikan hujan rencana sehingga dapat dihasilkan debit banjir rencana untuk periode 5 tahun yang terdapat pada tabel dibawah ini.
0811 , 1
5283 , 0 9940 ,
1
86 , 26 3557 , 1
74
Tabel 3: Debit Banjir Rencana untuk Periode Ulang 5 tahun Waktu (jam) Hidrograf Satuan Debit Q5 (m3/detik) Keterangan
0.0 0,000 0,000
0.5 0,107 11.77
1.0 0,565 62,15
1.5 1,494 164,34
2.0 2,980 327,8 Puncak
2.5 2,288 251,68
3.0 1,757 193,27
3.5 1,350 148,5
4.0 1,036 113,96
4.5 0,827 90,97
5.0 0.694 76,34
5.5 0,582 64,02
6.0 0,488 53,68
6.5 0,409 44,99
7.0 0,343 37,73
7.5 0,288 31,68
8.0 0,248 27,28
8.5 0,217 23,87
9.0 0,190 20,9
9.5 0,167 18,37
10.0 0,146 16,06
10.5 0,128 14,08
11.0 0,112 12,32
Dari hasil perhitungan debit banjir rencana dapat diperoleh suatu grafik. Grafik debit banjir rencana untuk periode ulang 5 tahun adalah sbb.
Gambar 2: Grafik Debit Banjir Rencana Periode Ulang 5 Tahun
0 50 100 150 200 250 300 350
0 5 10 15 20
waktu (jam)
debit (m3/jam)
Debit Outflow
Debit outflow merupakan debit yang keluar dari bendung pengelak, kalau fasilitas pengeluarannya berupa terowongan, maka harus diperhitungkan terhadap dua macam keadaan. Perhitungan besarnya outflow melalui terowongan pada bendung pengelak Jadi II dapat disajikan dalam bentuk grafik rating curve. Rating curve yaitu curva yang menunjukkan hubungan antara tinggi muka air pada penampang tersebut dengan debit yang lewat.
100.00 102.00 104.00 106.00 108.00 110.00 112.00 114.00
0 100 200 300 400
Debit (m3/detik)
Elevasi
Gambar 3: Hubungan Elevasi dan Debit Outflow Bendung Pengelak Volume Tampungan Waduk Jadi II
Volume tampungan waduk Jadi II diukur dari dasar sungai dengan elevasi + 98,30 sampai dengan + 138,00, dengan potensi tampungan maksimum mencapai 2.063.235 m3. Lengkung kapasitas Bendung Jadi II yaitu hubungan antara Elevasi kontur muka tanah di daerah genangan bendung pengelak dengan luas genangan dan volume tampungan bendung pengelak. Lengkung kapasitas bendung pengelak ini diperlukan untuk menghitung penulusuran banjir (floodrouting).
Perhitungan Penulusuran Banjir Lewat Waduk
Penelusuran banjir melalui waduk dimaksudkan untuk menentukan tinggi muka air banjir melalui terowongan bendung pengelak dengan memperhitungkan debit masuk (inflow) debit keluar melalui terowongan (outflow) dan tampungan air di waduk (storage).
Gambar 4: Hubungan Antara Volume dan Luas Genangan dengan Elevasi Kontur Muka Tanah
Hasil perhitungan penulusuran banjir melalui terowongan bendung pengelak pada Waduk Jadi II diperoleh debit outflow maksimum melalui terowongan sebesar 312.43 m3/detik dan ketinggian bendung pengelak sebesar 7,50 m ≈ 8,00 m. Debit puncak tanpa adanya bendung pengelak (Qp = 327,80 m3/detik), sedangkan debit puncak dengan adanya bendung pengelak menjadi 312,43 m3/detik dari banjir rencana.
Jadi besarnya debit puncak dapat diturunkan/direduksi oleh bendung pengelak sebesar 15,37 m3/detik. Grafik dari penulusuran banjir dapat dilihat pada gambar 4 di bawah ini:
Gambar 5: Hidrograf Penelusuran Banjir BENDUNG PENGELAK
Material Bendung Pengelak
Data-data material timbunan sebagai berikut :
Sudut geser dalam θ = 28o
Specific Gravity Gs = 2,514 t/m3
water content w = 31,20 %
kohesi c = 20 t/m
permiabilitas k = 5 x 105cm/detik
koefisien gempa e = 0,12 Tinggi Bendung Pengelak
Perhitungan tinggi bendung pengelak dapat dirumuskan : H = hd + hf
Dimana :
H = Tinggi bendung pengelak hd = Tinggi air (8 m)
hf = Tinggi jagaan (1 m) Kemiringan Bendung Pengelak
Kemiringan bendung pengelak dibagi menjadi 2 bagian yaitu :
Kemiringan up stream : 1:1
Kemiringan down stream : 1:1 Stabilitas Tubuh Bendung Pengelak
Kondisi tubuh Bendung pengelak :
Tinggi bendung pengelak = 8 m
Elevasi river bed = + 101,00 m
Elevasi muka air maksimum = + 109,00 m
0 50 100 150 200 250 300 350 400
0.0 5.0 10.0 15.0 20.0
waktu(jam)
debit(m3/detik)
Lebar puncak bendung = 2,4 m
Lebar dasar bendungan = 22,4 m
3 m
L1= 10 m
L2= 15 m
L = 25 m
D = 18 m 0,3 L1= 3 m
10 m 11 m
1:1 1: 1
2.4 m
8 m 9 m
8 m
12,4 m 2,4 m
20,4 m
14,8 m
Gambar 6: Dimensi Bendung Pengelak
Dalam menganalisa bendung pengelak harus diperhatikan beberapa hal berikut ini : Menentukan Garis Rembesan dan Jaring Aliran
h air maksimum = elevasi muka air maksimum – elevasi river bed
= 109,00 – 101,00
= 8 m panjang L1 = 1 x 8,00
= 8 m panjang L2 = 20,4 – 8
= 12,4 m garis depresi = 0,3 x L1
= 0,3 x 8 = 2,4 m D = Garis depresi + L2
= 14,8 m
Untuk menentukan garis rembesan dan flow net digunakan metode Cassagrande Diketahui koefisien permiabilitas horizontal
Kh = 5 x 105cm/detik
Koefisien permiabilitas vertical diambil 1/5 Kh Kv = 1/5 x 5 x 105
Kh Kv =
5 1
Koefisien penyusutan (λ) λ = Kh
Kv = 5
1 = 0,4472
Maka didapat
L x λ = 25 x 0,4472 = 9,12 m L1x λ = 10 x 0,4472 = 3,6 m L2x λ = 15 x 0,4472 = 5,5 m D x λ = 18 x 0,4472 = 6,62 m Dengan metode Casagranda
yo = h2d2- d = 826.622- 6.62 = 3.8 m
Persamaan basic parabola y = 2.yo.xyo2 y = 2.3,8.x3,82 y = 7,6.x14,44
Dari persamaan diatas dapat dicari harga x dan y sebagai berikut ini:
Tabel 4: Garis Rembesan x (m) y (m) x (m) y (m)
-1,9 0 4 6,7
0 3,8 5 7,2
1 4,7 6 7,7
2 5,4 7 8,2
3 6,1 8 8,7
Menghitung Besarnya Kapasitas Rembesan
Perhitungan selanjutnya berdasarkan pada flownet. Debit rembesan lebar bendung pengelak dapat dihitung dengan rumus:
q = K . h . Nd Nf Dimana :
q = debit rembesan persatuan lebar (m3/detik) Nf = jumlah angka pembagi dari garis aliran Nd = jumlah angka pembagi dari garis ekipotensial K = koefisien permeabilitas
K = Kh.Kv
Kv = 1/5 Kh Kh = 5 x 10-5cm/detik Kh = 5 x 10-7m/detik
Kv = 1/5 . 5 x 10-7 = 10 x 10-8m/detik K =
5x107
10x108
= 2,236 x 10-7m/detik
q = K . h . Nd Nf
q = 2,236 x 10-7. 10 . 7 4
q = 1,02 x 10-6m3/detik/m
Gambar 7: Garis Rembesan dan Jaring Aliran Analisis Stabilitas Piping Bendung Pengelak
Dalam menentukan stabilitas piping bendung pengelak akan digunakan data-data yang telah ada. Dimana kita hanya merubah beberapa kemiringan lereng bagian hilir tanggul (m). Dalam analisa ini stabilitas piping bendung pengelak harus memenuhi faktor keamanan yang telah ditentukan (Fs > 1.5). Kemiringan lereng yang akan ditinjau adalah:
1. Kemiringan up stream 1 : 1 (m = 1) 2. Kemiringan down stream 1 : 1 ( m = 1)
Data-data yang digunakan dalam menentukan stabilitas piping bendung pengelak adalah:
Fs = Faktor keamanan (> 1.5)
Gs = Specifik Gravity (2,514)
h = Tinggi muka air (8 m)
L = Lebar bendung pengelak (20,4 m) Fs =
H L e Gs
1
1 > 1,5 Berat volume kering (γd)
γd = e
w Gs
1
1,334 =
e
1
1 514 , 2
1,334 + 1,334e = 2,514 1,334e = 1,18
e = 0,88
8 cm 9 m
20,4 cm
3 cm2,4m
Fs =
8 4 , 20 88 , 0 1
1 514 ,
2
>1,5
= 2,05 > 1,5 (ok)
Dari hasil perhitungan diatas dapat disimpulkan bahwa bendung pengelak ini aman terhadap bahaya piping.
Analisis Stabilitas Bendung Pengelak
Dalam analisis stabilitas bendungan ini ditinjau 2 keadaan yang dianggap berbahaya.
1. Keadaan air waduk penuh 2. Penurunan air secara tiba-tiba
Dalam menggambar lingkaran yang membentuk bidang yang memberikan Fs paling rendah disebut sebagai lingkaran kritis dimana titik pusatnya dapat dicari dengan menggunakan cara Felleniu (lihat Gambar 8).
Harga α1 dan α2 didapatkan berdasarkan kemiringan lereng bendung pengelak atau β dapat dilihat pada tabel sebagai berikut.
Tabel 5: Nilai α1, α2 dan β Kemiringan Βo αo1 αo2
1 : 0,58 60 29 40
1 : 1 45 28 37
1 : 1,25 33,8 26 35
1 : 2 26,56 25 35
1 : 3 18,4 25 35
1 : 5 11,3 15 37
o
R α2
H
α
H 4.5 H
Gambar 8: Menentukan Titik Pusat Lingkaran Kritis
γwet =
e w Gs
w
1
1
γsat =
e e Gs w
1
=
88 , 0 1
88 , 0 514 , 2 1
=
88 , 0 1
312 , 0 1 514 , 2 1
= 1,754 t/m3 = 1,805 t/m3
Faktor keamanan 1. Keadaan normal :
Fs =
tan
1,50
T U N L
C
2. Keadaan gempa
Fs =
tan 1,10
Te T
Ne U N L
C
Gambar 9: Pembagian Segmen Tubuh Bendung Pengelak Stabilitas lereng udik kemiringan (1 : 1) pada saat air penuh
1. Keadaan normal
Fs =
5 , tan 1
T U N L
C
Fs =
Fs = 7,71 1,5 (aman) 2. Keadaan gempa
Fs =
1,1) (
tan
Te T
Ne U N L
C
Fs =
Fs = 7,35 1,1 (aman)
1,518 , 35
28 tan 41 , 2 68 , 66 17 , 66 64 ,
271 0
1,518 , 35
28 tan 68 , 66 17 , 66 64 ,
271 0
Stabilitas lereng hilir kemiringan (1 : 1) pada saat air penuh 1. Keadaan normal
Fs =
tan
1,5
T U N L
C
Fs =
Fs = 13,68 1,5 (aman) 2. Keadaan gempa
Fs =
1 , ) 1
(
tan
Te T
Ne U N L
C
Fs =
Fs = 11,42 1,1 (aman)
Tabel 6: Hasil Perhitungan Stabilitas Lereng
Bagian Kemiringan Kondisi Keadaan Fs Status
Udik 1 : 1 air penuh normal 7,71 ≥ 1,5 aman
1 : 1 gempa 7,35 ≥ 1,1 aman
1 : 1 air kosong normal 13,75 ≥ 1,5 aman
1 : 1 gempa 11,43 ≥ 1,1 aman
Hilir 1 : 1 selalu kosong normal 13,75 ≥ 1,5 aman
1 : 1 gempa 11,43 ≥ 1,1 aman
Stabilitas Geser Terhadap Lereng
Stabilitas terhadap geser ditinjau pada saat waduk dalam keadaan penuh.
Tabel 7: Momen Penahan
Indek Gaya (ton) Lengan (m) Momen
W1 1,67 11,7 19,54
W2 71,43 13,6 971,45
W3 11,77 10,2 120,05
W4 26,86 10,2 273,97
W5 10,74 8 85,92
W6 18,86 8 150,88
W7 18,33 6,1 111,81
W8 23,36 4,2 97,69
W9 32 13,6 435,2
Total 214,92 2266,51
1,510 , 20
28 tan 43 , 25 16 , 32 64 ,
271 0
1,586 , 3 10 , 20
28 tan 41 , 2 43 , 25 16 , 32 64 ,
271 0
Stabilitas Terhadap Momen Guling
Tabel 8: Momen Guling
Indek Gaya (ton) Lengan (m) Momen
G1 0,60 8 4,80
G2 25,72 2,3 59,15
G3 4,24 7,2 30,55
G4 9,67 2,8 27,07
G5 3,87 6,3 24,37
G6 6,79 1,2 8,15
G7 8,37 3,8 31,82
G8 6,60 1,3 8,58
G9 11,52 5,9 67,97
Total 77,38 262,45
Kontrol terhadap geser Sf = 1,5
G V
Sf = 1,5 38 , 77
92 ,
214
Sf = 2,781,5 ( Ok ) Kontrol terhadap guling
Sf = 1,5
MG MV
Sf = 1,5 45 , 262
51 , 2266
Sf = 8,61,5 ( Ok )
Gambar 10: Skema Tubuh Bendung Pengelak Banjir
KESIMPULAN
1. Berdasarkan perhitungan Nakayasu maka diketahui bahwa debit puncak banjir (Q 5 tahun) adalah Qp = 327,80 m3/detik.
2. Dan hasil dari flood routing diketahui tinggi bendungan adalah 8 m
3. Hasil perhitungan stabilitas lereng air penuh, air kosong di udik maupun di hilir adalah aman.
Sedangkan perhitungan awal pada bendung pengelak banjir pada Waduk Jadi II dengan menggunakan debit banjir periode ulang 20 tahun, yaitu berdasarkan perhitungan Nakayasu maka diketahui bahwa debit puncak banjir (Q 20 tahun) adalah Qp = 402 m3/detik. Dan hasil dari flood routing diketahui tinggi bendungan adalah 10 m. Hasil perhitungan stabilitas lereng air penuh, air kosong di udik maupun di hilir adalah aman.
Daftar Pustaka
DPU Dirjen Pengairan (1986), Standart Perencanaan Irigasi Kp 01 Bagian Perencanaan Jaringan Irigasi, Bandung: Galang Persada
Kumara, W.C., (2006) Study Enginering Desain Rencana Pembuatan Waduk Pengendali Banjir Di Desa Jadi Kecamatan Semanding
Mawardi, Erman, (2002), Desain Hidraulik Bendung Tetap, Surabaya: Alfabeta Soemarto, C.D. (2005) Hidrologi Teknik, Surabaya: Usaha Nasional
Sosrodarsono, Suyono (2003), Bendungan Type Urugan, Jakarta: Pradnya Paramita
