BAB II LANDASAN TEORI
2.1. Aliran Saluran Terbuka
2.1.1.Rumus Aliran dan Kriteria Hidrolis a.Rumus Aliran
Untuk perencanaan ruas, aliran saluran dianggap sebagai aliran tetap, dan untuk itu diterapkan rumus Strickler.
V = K R 2/3 I ½ ………(2.1) R = A ………...(2.2) P A = ( b + m h ) h ………(2.3) P = ( b + 2 h 1 + m2 )………(2.4) Q = v x A ……….(2.5) b = n x h ……….(2.6) Dimana :
Q = debit saluran (m3/dtk), v = kecepatan aliran (m/dtk), A= potongan melintang aliran (m2), r = jari – jari hidrolis (m), p = keliling basah (m), b = lebar dasar (m), h = tinggi air (m), I = kemiringan energi (kemiringan saluran), K= koefisien kekasaran Stickler (m1/3/dtk), m = kemiringan talut (1 vertikal : m horizontal)
Gambar 2.1. Parameter potongan melintang
Rumus aliran di atas juga dikenal sebagai rumus Manning. Koefisien kekasaran Manning (“n”) mempunyai harga bilangan 1 dibagi dengan k.
b. Koefisien Kekasaran Strickler
Koefisien kekasaran bergantung kepada faktor – faktor berikut : - Kekasaran permukaan saluran
- Ketidakteraturan permukaan saluran - Trase
- Vegetasi (tetumbuhan), dan - Sedimen
Bentuk dan besar/ kecilnya partikel di permukaan saluran merupakan ukuran kekasaran. Akan tetapi, untuk saluran tanah ini hanya merupakan bagian kecil saja dari kekasaran total.
Pada saluran irigasi, ketidak teraturan permukaan yang menyebabkan per-ubahan dalam keliling basah dan potongan melintang mempunyai pengaruh yang lebih penting pada koefisien kekasaran saluran daripada kekasaran permukaan.
Perubahan-perubahan mendadak pada permukaan saluran akan
mem-h
w
b
MAN
P
m 1 m 1perbesar koefisien kekasaran. Perubahan-perubaban ini dapat disebabkan oleh penyelesaian konstruksi saluran yang jelek atau karena erosi pada talut saluran. Terjadinya riak-riak di dasar saluran akibat interaksi aliran di perbatasannya juga berpengaruh terhadap kekasaran saluran.
Pengaruh vegetasi terhadap resistensi sudah jelas panjang dan kerapatan vegetasi adalah faktor-faktor yang menentukan. Akan tetapi tinggi air dan kecepatan aliran sangat membatasi pertumbuhan vegetasi. Vegetasi diandaikan minimal untuk harga-harga k yang dipilih dan dipakai dalam perencanaan saluran.
Pengaruh trase saluran terhadap koefisien kekasaran dapat diabaikan, karena dalam perencanaan saluran tanpa pasangan akan dipakai tikungan berjari-jari besar.
Pengaruh faktor-faktor di atas terhadap koefisien kekasaran saluran akan bervariasi menurut ukuran saluran. Ketidak teraturan pada permukaan akan menyebabkan perubahan kecil di daerah potongan melintang di saluran yang besar daripada di saluran kecil.
Apakah harga-harga itu akan merupakan harga harga fisik yang sebe-narnya selama kegiatan operasi, hal ini sangat tergantung pada kondisi pemeliharaan saluran.
Penghalusan permukaan saluran dan menjaga agar saluran bebas dari vegetasi lewat pemeliharaan rutin akan sangat berpengaruh pada koefisien kekasaran dan kapasitas debit saluran.
Koefisien-koefisien kekasaran untuk perencanaan saluran irigasi disajikan pada Tabel 2.1
Tabel 2.1. Harga – harga kekasaran koefisien Strickler (k) untuk saluran – saluran irigasi tanah
Debit rencana m3/dt K m1/3/dt Q > 10 5 < Q < 10 1 < Q < 5
Q < 1 dan saluran tersier
45 42,5 40 35
Sumber: Standar Perencanaan Irigasi, 1986 2.1.2. Potongan Melintang saluran
a. Geometri
Untuk mengalirkan air dengan penampang basah sekecil mungkin, potongan melintang yang berbentuk setengah lingkaran adalah yang terbaik.
Usaha untuk mendapatkan bentuk yang ideal dari segi hidrolis dengan saluran tanah berbentuk trapesium, akan cenderung menghasilkan potongan melintang yang terlalu dalam atau sempit. Hanya pada saluran dengan debit rencana sampai dengan 0,5 m3/dt saja yang potongan melintangnya dapat mendekati bentuk setengah lingkaran. Saluran dengan debit rencana yang tinggi pada umumnya lebar dan dangkal dengan perbandingan b/h (n) sampai 10 atau lebih.
Harga n yang tinggi untuk debit-debit yang lebih besar adalah perlu, sebab jika tidak, kecepatan rencana akan melebihi batas kecepatan maksimum yang diizinkan. Lebih-lebih lagi, saluran yang lebih lebar mempunyai variasi muka air sedikit saja dengan debit yang berubah-ubah, dan ini mempermudah pembagian air. Pada saluran yang lebar, efek erosi atau pengikisan talut saluran tidak terlalu berakibat serius terhadap kapasitas debit. Dan karena ketinggian air yang terbatas, kestabilan talut dapat diperoleh tanpa memerlukan bahu (berm) tambahan.
Kerugian utama dari saluran yang lebar dan dangkal adalah persyaratan pembebasan tanah dan penggaliannya lebih tinggi, dan dengan demikian biaya pelaksanaannya secara umum lebih mahal.
Karakteristik saluran yang dipakai disajikan dalam Tabel 2.2. Tabel 2.2. Karakteristik saluran yang dipakai
Debit Kemiringan talut Perbandingan b/h Faktor kekasaran k m3/dt 1:m n 0.15-0.30 1.0 1.0 35 0.30-0.50 1.0 1.0-1.2 35 0.50-0.75 1.0 1.2-1.3 35 0.75-1.00 1.0 1.3-1.5 35 1.00-1.50 1.0 1.5-1.8 40 1.50-3.00 1.5 1.8-2.3 40 3.00-4.50 1.5 2.3-2.7 40 4.50-5.00 1.5 2.7-2.9 40 5.00-6.00 1.5 2.9-3.1 42.5 6.00-7.50 1.5 3.1-3.5 42.5 7.50-9.00 1.5 3.5-3.7 42.5 9.00-10.00 1.5 3.7-3.9 42.5 10.00-11.00 2.0 3.9-4.2 45 11.00-15.00 2.0 4.2-4.9 45 15.00-25.00 2.0 4.9-6.5 45 25.00-40.00 2.0 6.5-9.0 45
Sumber:Standar Perencanaan Irigasi, 1986
b.Kemiringan Saluran
Untuk menekan biaya pembebasan tanah dan penggalian, talut saluran di-rencana securam mungkin. Bahan tanah, kedalaman saluran dan terjadinya rembesan akan menentukan kemiringan maksimum untuk talut yang stabil.
Harga – harga kemiringan minimum untuk saluran tanah yang dibuat dengan bahan – bahan kohesif yang dipadatkan dengan baik diberikan pada Tabel2.3.
Tabel 2.3. Kemiringan minimum talut untuk berbagai bahan tanah
Bahan tanah Simbol Kisaran
kemiringan Batu
Gambut kenyal
Lempung kenyal, geluh ), Tanah lus
Lempung pasiran, tanah pasiran kohesif Pasir lanauan Gambar lunak Pt CL, CH, MH SC, SM SM Pt < 0,25 1 – 2 1 – 2 1,5 – 2,5 2 – 3 3 – 4
Sumber: Standar Perencanaan Irigasi, 1986
Kemiringan talut mnimum untuk saluran timbunan disajikan Tabel 2.4.
Tabel 2.4. Kemiringan talut mnimum untuk saluran timbunan yang dipadatkan dengan baik.
Kedalaman air + tinggi jagaan D (m)
Kemiringan minimum talut
D ≤ 1,0 1,0 < D ≤ 2,0 D> 2,0 1 : 1 1 : 1,5 1 : 2
Sumber: Standar Perencanaan Irigasi, 1986
Talut yang lebih landai daripada yang telah disebutkan dalam tabel di atas harus dipakai apabila diperkirakan akan terjadi rembesan ke dalam saluran.
Untuk tanggul yang tingginya lebih dari 3 m lebar bahu (berm) tanggul harus dibuat sekurang-kurangnya 1 m (setiap 3 m). Bahu tanggul harus dibuat setinggi muka air rencana di saluran. Untuk kemirinan luar, bahu tanggul (jika perlu) harus terletak di tengah-tengah antara bagian atas dan pangkal tanggul.
c. Lengkung Saluran
Lengkung yang diizinkan untuk saluran tanah bergantung kepada: - Ukuran dan kapasitas saluran
- Jenis tanah - Kecepatan aliran.
Jari-jari minimum lengkung seperti yang diukur pada as harus diambil sekurang-kurangnya 8 kali lebar atas pada lebar permukaan air rencana.
Jika lengkung saluran diberi pasangan, maka jari-jari minimumnya dapat dikurangi. Pasangan semacam ini sebaiknya dipertimbangkan apabila jari – jari lengkung saluran tanpa pasangan terlalu besar untuk keadaan topografi setempat. Panjang pasangan harus dibuat paling sedikit 4 kali kedalaman air pada tikungan saluran.
Jari-jari minimum untuk lengkung saluran yang diberi pasangan harus seperti berikut
- 3 kali lebar permukaan air untuk saluran-saluran kecil (< 0,6 m3/dt), dan sampai dengan
- 7 kali lebar permukaan air untuk saluran-saluran yang besar (> 10 m3/dt).
d. Tinggi Jagaan
Tinggi jagaan berguna untuk :
- Menaikkan muka air di atas tinggi muka air maksimum - Mencegah kerusakan tanggu saluran
Meningginya muka air sampai di atas tinggi yang telah direncana bisa disebabkan oleh penutupan pintu secara tiba-tiba disebelah hilir, variasi ini akan bertambah dengan membesarnya debit. Meningginya muka air dapat pula diakibatkan oleh pengaliran air buangan ke dalam saluran.
Tinggi jagaan minimum yang diberikan pada saluran primer dan sekunder dikaitkan dengan debit rencana saluran seperti yang diperlihatkan dalam Tabel 2.5.
Tabel 2.5. Tinggi jagaan minimum untuk saluran tanah
Sumber: Standar Perencanaan Irigasi, 1986
e. Lebar Tanggul
Untuk tujuan – tujuan eksploitasi, pemeliharaan dan inspeksi akan diper-lukkan tanggul di sepanjang saluran dengan lebar minimum seperti yang disajikan pada Tabel 2.6.
Tabel 2.6. Lebar Minimum Tanggul
Q (m3/ dt) Tinggi Jagaan (m) < 0,5 0,5 – 1,5 1,5 – 5,0 5,0 – 10,0 10,0 – 15,0 > 15,0 0,40 0,50 0,60 0,75 0,85 1,00
debit rencana (m3/dt)
tanpa jalan Inspeksi (m)
dengan jalan inspeksi (m) Q ≤ 1 1 < Q < 5 5 < Q ≤ 10 10 < Q ≤ 15 Q > 15 1,00 1,50 2,00 3,50 3,50 3,00 5,00 5,00 5,00 5,00
Sumber: Standar Perencanaan Irigasi, 1986
Jalan inspeksi terletak ditepi saluran di sisi yang diairi agar bangunan sadap dapat dicapai secara langsung dan usaha penyadapan liar makin sulit dilakukan. Lebar jalan inspeksi dengan perkerasan adalah 5,0 m atau lebih, dengan lebar perkerasan sekurang-kurangnya 3,0 meter.
2.2. Aliran dalam Pipa.
2.2.1 Kecepatan dan Kapasitas Aliran Fluida.
Penentuan kecepatan di sejumlah titik pada suatu penampang memungkinkan untuk membantu dalam menentukan besarnya kapasitas aliran sehingga pengukuran kecepatan merupakan fase yang sangat penting dalam menganalisa suatu aliran fluida. Kecepatan dapat diperoleh dengan melakukan pengukuran terhadap waktu yang dibutuhkan suatu partikel yang dikenali untuk bergerak sepanjang jarak yang telah ditentukan. Besarnya kecepatan aliran fluida pada suatu pipa mendekati nol pada dinding pipa dan mencapai maksimum pada tengah-tengah pipa. Kecepatan biasanya sudah cukup untuk menempatkan kekeliruan yang tidak serius dalam masalah aliran fluida sehingga penggunaan kecepatan sesungguhnya adalah pada penampang aliran. Bentuk kecepatan yang digunakan pada aliran fluida umumnya menunjukkan kecepatan yang sebenarnya jika tidak ada keterangan lain yang disebutkan.Profil kecepatan aliran fluida pada saluran tertutup disajikan Gambar 2.2.
Gambar 2.2. Profil kecepatan aliran fluida pada saluran tertutup. Profil kecepatan aliran fluida pada saluran terbuka disajikan dalam Gambar 2.3.
Gambar 2.3. Profil kecepatan aliran fluida pada saluran terbuka.
Besarnya kecepatan akan mempengaruhi besarnya fluida yang mengalir dalam suatu pipa. Jumlah dari aliran fluida mungkin dinyatakan sebagai volume, berat atau massa fluida dengan masing-masing laju aliran ditunjukkan sebagai laju aliran volume (m3/s), laju aliran berat (N/s) dan laju aliran massa (kg/s). Kapasitas aliran (Q) untuk fluida yang incompressible yaitu :
Q = A . v………... (2.7) Dimana :
Q = laju aliran volume (m3/s), A = luas penampang aliran (m2), v = kecepatan aliran fluida (m/s),
Laju aliran berat fluida (W) dirumuskan sebagai :
W = γ. A . v………. (2.8) Dimana :
W = laju aliran berat fluida (N/s), γ= berat jenis fluida (N/m3) Laju aliran fluida massa (M) dinyatakan sebagai :
M = ρ. A . v ……… (2.9) Dimana :
M = laju aliran massa fluida (kg/s), ρ = massa jenis fluida (kg/m3)
2.2.2 Energi dan Head
Energi biasanya didefinisikan sebagai kemampuan untuk melakukan kerja. Kerja merupakan hasil pemanfaatan tenaga yang dimiliki secara langsung pada suatu jarak tertentu. Energi dan kerja dinyatakan dalam satuan N.m (Joule). Setiap fluida yang sedang bergerak selalu mempunyai energi. Dalam menganalisa masalah aliran fluida yang harus dipertimbangkan adalah mengenai energi potensial, energi kinetik dan energi tekanan. Energi potensial menunjukkan energi yang dimiliki fluida dengan tempat jatuhnya. Energi potensial (Ep) dirumuskan sebagai :
Ep = W . z ………. (2.10)
Dimana :
W = berat fluida (N), z = beda ketinggian (m)
Energi kinetik menunjukkan energi yang dimiliki oleh fluida karena pengaruh kecepatan yang dimilikinya. Energi kinetik dirumuskan sebagai :
Ek = mv2 ………. (2.11)
Dimana :
Energi tekanan disebut juga dengan energi aliran adalah jumlah kerja yang
dibutuhkan untuk memeksa elemen fluida bergerak menyilang pada jarak tertentu dan berlawanan dengan tekanan fluida. Besarnya energi tekanan (Ef) dirumuskan sebagai :
Ef = p . A . L………... (2.12) Dimana :
p = tekanan yang dialami oleh fluida (N/m2), A = luas penampang aliran (m2), L = panjang pipa (m)
Besarnya energi tekanan dapat juga dirumuskan sebagai berikut :
Ef = ………..(2.13)
Dimana :
= berat jenis fluida (N/m3)
Total energi yang terjadi merupakan penjumlahan dari ketiga macam energi diatas, dirumuskan sebagai :
E = Wz + + ………(2.13)
Persamaan ini dapat dimodifikasi untuk menyatakan total energi dengan head (H) dengan membagi masing-masing variabel di sebelah kanan persamaan dengan W ( berat fluida), dirumuskan sebagai :
2.2.3 Persamaan Bernoulli
Hukum kekekalan energi menyatakan energi tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dimusnahkan namun dapat diubah dari suatu bentuk ke bentuk lain. Energi yang ditunjukkan dari persamaan energi total di atas, atau dikenal sebagai head pada suatu titik dalam aliran steady adalah sama dengan total energi pada titik lain sepanjang aliran fluida tersebut. Hal ini berlaku selama tidak ada energi yang ditambahkan ke fluida atau yang
diambil dari fluida.
Konsep ini dinyatakan ke dalam bentuk persamaan yang disebut dengan persamaan Bernoulli, yaitu :
Z1 + + = Z2 + + ………(2.13)
Dimana :
p1 dan p2 = tekanan pada titik 1 dan 2, v1 dan v2 = kecepatan aliran pada titik 1 dan 2, z1 dan z2 = perbedaan ketinggian antara titik 1 dan 2, γ= berat jenis fluida, g = percepatan gravitasi = 9,8 (m/s2)
Persamaan di atas digunakan jika diasumsikan tidak ada kehilangan energi antara dua titik yang terdapat dalam aliran fluida, namun biasanya beberapa head losses terjadi diantara dua titik. Jika head losses tidak diperhitungkan maka akan menjadi masalah dalam penerapannya di lapangan. Jika head losses dinotasikan dengan “hl” maka persamaan Bernoulli di atas dapat ditulis menjadi persamaan baru, dimana menurut [11] dirumuskan sebagai :
Z1 + + = Z2 + + + hf………..(2.14)
Gambar 2.4. Ilustrasi persamaan Bernoulli
Persamaan Bernouli dapat digunakan untuk menyelesaikan banyak permasalahan tipe aliran, biasanya untuk fluida inkompressibel tanpa adanya penambahan panas atau energi yang diambil dari fluida. Namun, persamaan ini tidak dapat digunakan untuk menyelesaikan aliran fluida yang mengalami penambahan energi untuk
menggerakkan fluida oleh peralatan mekanik, misalnya pompa, turbin dan peralatan lainnya.
2.2.4 Aliran Laminar dan Turbulen
Aliran fluida yang mengalir di dalam pipa dapat diklasifikasikan ke dalam dua tipe aliran yaitu “laminar” dan “turbulen”. Aliran dikatakan laminar jika partikel-partikel fluida yang bergerak mengikuti garis lurus yang sejajar pipa dan bergerak dengan kecepatan sama. Aliran disebut turbulen jika tiap partikel fluida bergerak mengikuti lintasan sembarang di sepanjang pipa dan hanya gerakan rata-ratanya saja yang mengikuti sumbu pipa. Dari hasil eksperimen diperoleh bahwa koefisien gesekan untuk pipa silindris merupakan fungsi dari bilangan Reynold (Re). Dalam
menganalisa aliran di dalam salurn tertutup, sangatlah penting untuk mengetahui tipe aliran yang mengalir dalam pipa tersebut. Untuk itu harus dihitung besarnya bilangan Reynold dengan mengetahui parameter-parameter yang diketahui besarnya. Besarnya Reynold (Re) dapat dihitung dengan menggunakan persamaan :
Re = ……… (2.15)
Dimana
μ = Viskositas Dinamik (Pa.dtk), d = diameter dalam pipa (m), V = kecepatan aliran fluida (m/dtk), ρ = Rapat massa (Kg/m3) Re = Reynold Number
aliran akan laminar jika bilangan Reynold kurang dari 2000 dan akan turbulen jika bilangan Reynold lebih besar dari 4000. Jika bilangan Reynold terletak antara 2000 – 4000 maka disebut aliran transisi.
2.2.5 Kerugian Head (Head Losses)
a. Kerugian Head Mayor.
Aliran fluida yang melalui pipa akan selalu mengalami kerugian head.
Hal ini disebabkan oleh gesekan yang terjadi antara fluida dengan dinding pipa atau perubahan kecepatan yang dialami oleh aliran fluida (kerugian kecil). Kerugian head akibat gesekan dapat dihitung dengan menggunakan salah satu dari dua rumus berikut, yaitu :
1. Persamaan Darcy – Weisbach, yaitu :
Dimana :
hf = kerugian head karena gesekan (m), f = faktor gesekan d = diameter dalam pipa (m), L = panjang pipa (m), v = kecepatan aliran fluida dalam pipa (m/dtk), g = percepatan gravitasi (m/ dtk2)
dimana faktor gesekan (f) dapat dicari dengan menggunakan diagram Moody.
Diagram Moody ditampilkan pada Gambar 2.5
2.Persamaan Hazen-Wlliam, yaitu :
Besarnya tinggi kehilangan tekanan akibat adanya gesekan dapat dihitung dengan persamaan :
H = 1,214 x 1010 ………...(2.17)
Dimana :
H = Kehilangan tekanan (m), L = Panjang pipa (m), Q = Debit air (liter/detik), D = Diameter dalam pipa (mm), CH = Koefisien kekasaran pipa.
b. Kerugian Head Minor.
Perubahan arah aliran dan sebaran kecepatannya memerlukan kehilangan air ekstra. Kehilangan tinggi energi pada siku dan tikungan dapat dinyatakan sebagai: HB = Kb g a 2 2 v ………..(2.18)
Kb adalah koefisien kehilangan tinggi energi untuk siku dan tikungan saluran tertutup.
Biasanya saluran pipa direncana dengan kurve horisontal yang cukup besar yang dapat memperbaiki pembagian kecepatan pada tikungan dan mengurangi kehilangan pada tikungan tersebut. Harga – harga Kb untuk siku disajikan pada
Tabel 2.7. Harga – harga Kb untuk siku. Sudut Derajat 5o 10o 15o 22,5o 30o 45o 60o 70o 90o Profil bulat 0,02 0,03 0,04 0,05 0,11 0,24 0,47 0,80 1,1 Profil segi empat 0,02 0,04 0,05 0,06 0,14 0,3 0,6 1,0 1,4
Sumber: Standar Perencanaan Irigasi, 1986.
Selain kerugian yang disebabkan oleh gesekan, pada suatu jalur pipa juga terjadi kerugian karena kelengkapan pipa seperti belekon, siku, sambungan, katup dan sebagainya yang disebut dengan kerugian kecil (minor losses).
Untuk pipa yang panjang (L/d >>> 1000), minor losses dapat diabaikan tanpa kesalahan yang cukup berarti tetapi menjadi penting pada pipa yang pendek.
2.2.6 Persamaan Empiris Untuk Aliran Di Dalam Pipa.
Seperti yang telah diuraikan sebelumnya, bahwa permasalahan aliran fluida dalam pipa dapat diselesaikan dengan menggunakan persamaan Bernoulli, persamaan Darcy dan Diagram Moddy. Pengguanaan rumus empiris juga dapat digunakan untuk menyelesaikan permasalahan aliran.
V = R 2/3 I ½………....(2.20) Dimana :
n = koefisien kekasaran pipa Manning, R= jari – jari hidrolis (m), I = garis kemiringan energi (kemiringan hidrolis)
Persamaan Hazen – Williams umumnya digunakan untuk menghitung head loss dalam pipa yang sangat panjang seperti jalur pipa penyedia air minum. Persamaan ini tidak dapat digunakan untuk liquid lain selain air dan digunakan khusus untuk aliran yang bersifat turbulen. Persamaan Darcy – Weisbach secara teoritis tepat digunakan untuk semua rezim aliran dan semua jenis liquid. Persamaan Manning biasanya digunakan untuk aliran saluran terbuka (open channel flow).
2.Persamaan Strickler dengan satuan Internasional yaitu a.Rumus Aliran
V = k R 2/3 I 1/2 ...(2.21) Dimana :
v = kecepatan aliran yang dipercepat didalam terowongan atau saluran terututup (m2/dtk), R = jari – jari hidrolis(m), I= garis kemiringan energi (kemiringan hidrolis)
b. Koefisien kekasaran dan kecepatan maksimum
Koefisien kekasaran Strickler (k) dan kecepatan maksimum ditunjukkan pada
Tabel 2.6. Harga-harga yang diberikan di sini sudah cukup lama digunakan konservatif; untuk konstruksi-konstruksi besar boleh diambil harga-harga yang lebih tinggi tergantung pada metode pelaksanaannya.
Tabel 2.8. Harga – harga keepatan maksimum dan k (Strickler)
Bahan konstruksi vmaks
m/dt K m1/3/dt Pasangan batu Beton 2 3 60 70
Sumber: Standar Perencanaan Irigasi, 1986
3.Persamaan Hazen-Wlliam
Berdasarkan rumus Hazen-William dapat dihitung besarnya debit yangdapatdialirkan, kemiringan minimal untuk mengalirkan air dengan debit tertentu, kecepatan rencana dan kehilangan tinggi tekan.
a. Besarnya kecepatan air yang mengalir melalui pipa dapat dihitung dengan persamaan
V = 0,35464 CH D0,63 I 0,5 ………..(2.22) Kemiringan hidraulik untuk dapat mengalirkan pipa dihitung dengan persamaan :
I = 10.666 CH -1.85 D -4.87 Q 1.85……….(2.23)
Dimana :
Q = Debit air (m3/detik), D = Diameter dalam pipa (m), I = Kemiringan hidraulik = h/L, CH = Koefisien kekasaran pipa.
Besarnya tinggi kehilangan tekanan akibat adanya gesekan dapat dihitung dengan persamaan :
H = 1.214 x 1010 ………(2.24)
Dimana :
H = Kehilangan tekanan (m), L = Panjang pipa (m), Q = Debit air (liter/detik), Q = Debit air (liter/detik), D =Diameter dalam pipa (mm), CH = Koefisien kekasaran pipa.
CH merupakan nilai koefisien kekasaran pipa yang bergantung pada kondisi bahan.
Untuk pipa besi dilapisi semen nilai CH dapat diambil sebesar 150, sedangkan untuk desain pipa yang menggunakan aksesoris pipa dianjurkan memakai CH sebesar 130.
Tabel 2.9. Koefisien Kekasaran Pipa (CH)
NNO Jenis Pipa (kondisi baru) Harga Koefisien Kekasaran Pipa (CH) 11 AC 130
12 Ductile, Cast Iron 120
33 GIP 140
34 PVC, DICL, MSCL 130
2.2.7 Kemiringan hidrolis
Biaya pembuatan terowongan agak mahal dan oleh karena itu, perlu berhemat dalam membuat diameternya. Kemiringan hidrolis (kemiringan terowongan dibuat curam jika tinggi energi yang tersedia cukup. Kecepatan rencana yang dihasilkan tidak boleh melampaui kecepatan maksimum dan tidak boleh di bawah kecepatan kritis dengan 0,75 kali kecepatan kritis sebagai harga praktis.
Konstruksi galian terbuka memperkecil potongan melintang saluran ter-tutup karena tanah harus dipindahkan. Bagaimanapun juga luas potongan melintang yang kecil tetap lebih murah daripada yang besar.
2.2.8. Tinggi jagaan
Ditinjau dari segi hidrolika, tinggi jagaan sebuah terowongan 0,2 D dengan ukuran minimum sekitar 0,5 m umumnya dapat diterima secara internasional. Ini akan memberikan sekitar 10 % kapasitas cadangan yang dinilai terlalu rendah untuk ketidakpastian perencanaan di Indonesia pada umumnya. Oleh karena itu dipakai tinggi jagaan 0,25 D yang berarti menambah kapasitas cadangan sampai kurang lebih 15 persen dari debit rencana untuk terowongan bentuk tapal kuda.
Untuk saluran terhadap segi empat, tinggi jagaan akan diambil pada 0,2 H. H adalah tinggi bagian dalam saluran.
Agar benda-benda terapung dapat melewati terowongan dan saluran tertutup, maka tinggi minimum jagaannya diambil sama dengan tinggi jagaan saluran terbuka.
Dimensi potongan melintang dan kehilangan tinggi energi (kemiringan hidrolis I) dapat dievaluasi dengan menggunakan tabel-tabel ini setelah dipilih va dan k seperti yang telah dibicarakan di atas.
Untuk potongan-potongan segi empat evaluasi kehilangan tinggi energi dan potongan melintang dilakukan langsung dengan menggunakan rumus Strickler. Lebar potongan melintang dibagi tinggi akan berkisar antara 1 dan 2.
2.2.10. Kehilangan total tinggi energi
Kehilangan total tinggi energi di terowongan atau saluran tertutup adalah :
H = Hmasuk + Hfr + HB + Hkeluar ...(2.25) Dimana :
Hmasuk, keluar = kehilangan tinggi energi masuk dan keluar, m Hfr = kehilangan tinggi energi akibat gesekan di
sepanjang pipa, m
HB = kehilangan tinggi energi pada tikungan, m
Kehilangan tinggi energi masuk dan keluar dinyatakan dengan rumus berikut : Hmasuk : masuk 2 2g a v v ...(2.26) Hkeluar : keluar 2 2g a v v ...(2.27) Dimana :
masuk, keluar = Koefisien kehilangan tinggi energi masuk dan keluar
va = Kecepatan rata – rata yang dipercepat dalam bangunan , m/dt
v =Kecepatan rata – rata di bagian hulu atau hilir, m/dtk
Luas potongan melintang basah dalam peralihan tertutup diambil sama dengan luas potongan melintang saluran tertutup. Oleh karena itu kehilangan tinggi energi di dalam saluran tertutup adalah sama dengan kehilangan akibat gesekan bisa dalam saluran tertutup.
2.2.11. Bentuk potongan melintang
Apabila tekanan tanah dan air di luar kecil, maka pada umumnya kon-struksi akan terdiri dari pasangan batu dengan atap dari beton bertulang. Untuk debit rencana yang kecil dan luas-potongan melintang yang kecil pula, dapat dipertimbangkan penggunaan pipa-pipa beton bulat.
Jika tekanan di luar kuat maka pipa dari beton bertulang akan lebih cocok. Untuk debit kecil dan potongan-potongan melintang yang kecil diperlukan pipa bentuk bulat Kecepatan aliran yang tinggi dan luas potongan melintang yang besar mungkin memerlukan bentuk segi empat untuk pertimbangan-pertimbangan pelaksanaan.
a. Lengkung
Jari – jari horisontal dibuat lebar, biasanya untuk membatasi panjang dan penggalian yang diperlukan. Jari – jari minimum adalah 5 kali tinggi saluran.
b. Ukuran Minimum
Karena dipakai metode pelaksanaan galian terbuka, maka ukuran minimum boleh diambil 1,0 m dan 0,70 m untuk saluran pendek.
2.3 Bak Distribusi (Reservoar).
Reservoar berasal dari bahasa Perancis (reservoa:) yang berarti tempat penampungan (persediaan) air. Istilah ini tentunya sangat akrab di PDAM, baik itu ground reservoar (di tanah) atau elevated reservoar (menara).
Reservoir atau danau buatan digunakan untuk tempat penyimpanan air. Reservoir dapat dibuat di lembah sungai dengan membuat bendungan atau dengan menggali tanah atau dengan cara konvensional seperti membuat tembok atau beton. Istilah reservoir juga dapat digunakan untuk menggambarkan reservoir bawah tanah seperti sumur minyak atau air (Wikipedia, 2011).
2.3.1 Tipe-tipe reservoir
a. Valley dammed reservoir
Pembuatan bendungan di sebuah lembah dengan mengandalkan topografi alami sebagai wadah reservoir tersebut. Bendungan biasanya terletak di bagian yang sempit sebuah hilir lembah. Membangun sebuah reservoir di lembah biasanya mengharuskan pengalihan sungai selama masa pembangunan yang biasanya dilakukan melalui terowongan atau saluran sementara. Di daerah yang berbukit, pembangunan reservoir biasanya dilakukan dengan memperluas danau yang ada. Kadang-kadang di reservoir
seperti ini level ketinggian air yang baru melebihi batas ketinggian air pada salah satu atau beberapa cabang sungai seperti pada Llyn Clywedog di Mid Wales. Pada kasus seperti ini sisi bendungan tambahan diperlukan untuk mengisi reservoir.
b. Bank-side reservoir.
Ketika air diambil dari sebuah sungai dengan kualitas dan kuantitas yang berbeda-beda, bank-side reservoir mungkin dibangun untuk menyimpan air yang dipompa atau yang disedot dari sungai. Reservoir seperti ini biasanya dibangun perbagian dengan menggali dan sebagian lagi dengan jembatan melingkar di atas permukaan air atau tanggul dengan keliling melebihi 6 km. Lantai reservoir dan jembatan tadi harus memiliki lapisan kedap air.
Air yang disimpan dengan reservoir jenis ini harus memiliki waktu selama beberapa bulan agar proses biologis mampu untuk mengurangi banyak kontaminasi dan membersihkan kekeruhan. Penggunaan bank-side reservoir juga membolehkan pemisahan air selama jangka waktu tertentu ketika sungai terkena polusi atau ketika kondisi arus sangat lemah pada musim kemarau. Contoh salah satu penggunaan bnak-side reservoir ini adalah The London water supply system dengan air sungai yang diambil dari sungai Thames dan sungai Lee.
c. Service reservoir
Service reservoir menyimpan air yang dapat diminum di dekat lokasi distribusi. Banyak service reservoir dibangun sebagai water tower, seringkali sebagai bangunan yang tinggi pada pilar beton dimana bentang darat yang relatif datar. Service reservoir lainnya dibangun secara menyeluruh dibawah tanah, terkhusus di daerah gunung atau
berbukit. Service reservoir memiliki beberapa fungsi termasuk memastikan tersedia cukup air di sistem distribusi air dan menyediakan sistem rem hidrolik kapasitansi.
2.3.1 Kegunaan reservoir:
a.Penyimpanan air.
Banyak bendungan sungai digunakan untuk menyediakan kebutuhan air mentah yang diolah menjadi air minum. Reservoir tidak sesederhana menyimpan air sampai air tersebut dibutuhkan tetapi juga merupakan bagian dari proses pengolahan air. Waktu di mana air disimpan sebelum dilepaskan dikenal sebagai retention time. Ini
merupakan sebuah rancangan agar partikel dan lumpur dapat keluar dan juga
merupakan waktu yang baik untuk pengolahan air sacara biologis oleh bakteri, alga, atau zooplankton yang secara alami tinggal si air tersebut.
b. Hydroelectricity
Sebuah reservoir membangkitkan hydroelectricity seperti turbin yang terhubung pada pipa yang menahan air dengan diameter yang besar. Pembangkit tersebut dibuat didasar bendungan atau di tempat yang jauh. Beberapa pembangit hydroelectricity menggunakan pompa yang dapat diisi ulang yang mana reservoir level tinggi diisi dengan air menggunakan pompa listrik, ketika permintaan listrik rendah kemudian air yang disimpan digunakan untuk pembangkit listrik dengan melepaskan air yang disimpan ke dalam reservoir level yang lebih rendah. Ini desebut dengan pump-storage.
c. Mengontrol anak sungai
Reservoir dapat digunakan dengan banyak cara untuk mengatur bagaimana arus air di bafgian hilir.
Mengontrol anak sungai dapat bermanfaat untuk menyediakan air di daerah hilir, irigasi, mengontrol banjir, dan sebagai kanal
d. Menjaga keseimbangan aliran/arus
Reservoir dapat digunakan untuk menjaga keseimbangan arus dengan sistem pengaturan yang tinggi, mengambil air ketika arus tinggi dan melepaskannya kembali ketika arus rendah. Hal ini dapat dilakukan dengan tidak menggunakan pompa tapi dengan menggunakan pintu air yang dapat disesuaikan.
e. Rekreasi
Air yang tersedia pada banyak reservoir biasanya memperbolehkan beberapa kegiatan rekreasi seperti memancaing, berlayar, atau kegiatan lainnya. Beberapa aturan ditetapkan untuk keamanan publik dan melindungi kualitas air atau ekologi di daerah sekitar. Banyak reservoir dilengkapi dengan pemandangan dan tempat rekreasi.
Reservoar merupakan elemen yang sangat penting dalam sebuah sistem penyaluran air. Ada beberapa fungsi reservoar dalam sebuah sistem penyaluran air, antara lain :
-Sebagai water storage transit (tempat penyimpanan air sementara) Untuk menambah aliran air (flow).
- Water balance system (penyeimbang kebutuhan) untuk beban-beban pemakaian peak-hour, average dan minimum demand.
-Fire storage, tempat penampungan air cadangan untuk keperluan pemadaman kebakaran.
2.4 Dasar Perencanaan Pompa
Dalam perancangan pompa untuk memindahkan fluida dari suatu tempat ke tempat yang lain dengan head tertentu diperlukan beberapa syarat utama, yaitu
2.4.1 Kapasitas
Kapasitas pompa adalah jumlah fluida yang dialirkan oleh pompa per satuan waktu. Kapasitas pompa ini tergantung pada kebutuhan yang harus dipenuhi sesuai dengan fungsi pompa yang direncanakan.
2.4.2 Head pompa
Head pompa adalah ketinggian dimana kolom fluida harus naik untuk memperoleh jumlah yang sama dengan yang dikandung oleh satuan bobot fluida pada kondisi yang sama. Head ini ada dalam tiga bentuk, yaitu :
a. Head potensial
Didasarkan pada ketinggian fluida di atas bidang banding (datum plane). Jadi suatu kolom air setinggi Z mengandung sejumlah energi yang disebabkan oleh posisinya atau disebut fluida mempunyai head sebesar Z kolom air.
b. Head kecepatan
Head kecepatan atau head kinetik yaitu suatu ukuran energi kinetik yang dikandung fluida yang disebabkan oleh kecepatannya dan dinyatakan dengan persamaan.
c. Head tekanan
Head tekanan adalah energi yang dikandung fluida akibat tekanannya dan dinyatakan dengan
Head total dari pompa diperoleh dengan menjumlahkan head yang disebut di atas dengan kerugian-kerugian yang timbul dalam instalasi pompa (head mayor dan head minor).
2.4.3 Sifat zat cair
Sifat-sifat fluida kerja sangat penting untuk diketahui sebelum perencanaan pompa. Pada perencanaan ini, temperatur air dianggap sama dengan temperatur kamar.
2.4.4 Unit penggerak pompa
Pada perancangan ini direncanakan pompa yang mempunyai konstruksi kokoh dan dapat menjamin tidak terjadinya kebocoran sama sekali. Hal ini direncanakan dengan merancang sistem penggerak pompa dan bagian utama poros sebagai satu unit
kesatuan. Umumnya unit penggerak pompa yang biasanya dipakai adalah motor bakar, motor listrik dan turbin uap.
Dalam pemilihan jenis pompa yang digunakan untuk mendistribusikan fluida kerja ini, perlu dipertimbangkan faktor teknis dan ekonomisnya. Pompa yang digunakan dalam perencanaan ini adalah jenis pompa sentrifugal dengan pertimbangan :
• Kapasitas pompa besar.
• Aliran fluida yang dipompakan kontinu.
• Konstruksi kecil dan sederhana sehingga mudah dalam pemeliharaan dan dapat digabungkan dengan unit penggerak pompa sebagai satu kesatuan.
• Dapat beroperasi pada putaran tinggi dan dikopel langsung dengan motor penggerak.
• Getaran yang terjadi pada saat pengoperasiannya relative kecil.
• Untuk melayani kebutuhan yang sama, harga awal dan perawatan lebih murah dibanding jenis lain.
