PENGARUH VARIASI KEMIRINGAN TUBUH HILIR SPILLWAY DAN
PENEMPATAN BAFFLE BLOCKS PADA KOLAM OLAK TIPE
TRAJECTORY BUCKET TERHADAP LONCATAN
HIDROLIS DAN PEREDAMAN ENERGI
Naskah Publikasi
untuk memenuhi sebagian persyaratan
mencapai derajat Sarjana S-1 Teknik Sipil
diajukan oleh
diajukan oleh :
ARDIAN PRASETYA WICAKSANA
NIM : D100100003
NIRM : 10.6.106.03010.50003
kepada
PROGRAM STUDI TEKNIK SIPIL
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA
2014
PENGARUH VARIASI KEMIRINGAN TUBUH HILIR SPILLWAY DAN
PENEMPATAN BAFFLE BLOCKS PADA KOLAM OLAK TIPE TRAJECTORY
BUCKET TERHADAP LONCATAN
HIDROLIS DAN PEREDAMAN ENERGI
Jaji Abdurrosyid
1), Ahmad Karim Fatchan
2)dan Ardian Prasetya Wicaksana
3)1),2)
Staf pengajar Program Studi Teknik Sipil Fakultas Teknik Universitas
Muhammadiyah Surakarta, Jl. A. Yani Tromol Pos 1, Pabelan Surakarta 57102.
)Mahasiswa Program Studi Teknik Sipil Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah
Surakarta, Jl. A. Yani Tromol Pos 1, Pabelan Surakarta 57102.
ABSTRAKSI
Spillway merupakan bangunan pelengkap dalam bendungan yang berguna untuk
mengalirkan kelebihan air agar bendungan tetap aman. Akibat dari peninggian muka
air tersebut akan mengakibatkan terjadi perubahan jenis aliran dari superkritis ke
subkritis yang dapat menyebabkan penggerusan saluran di bawah pelimpah. Untuk
mereduksi energi yang terjadi dalam aliran, diperlukan bangunan peredam energi
berupa kolam olakan (stiling basin). Bangunan trajectory bucket dibuat untuk
mereduksi aliran dan penambahkan baffle blocks pada kolam olakan untuk
meningkatkan peredaman energi yang terjadi. Penempatan baffle blocks akan
berpangaruh terhadap kemampuan meredam energi.
Penelitian dilakukan di Laboratorium Hidraulika Program Studi Teknik Sipil
Fakultas Teknik UMS. Penelitian ini menggunakan open flume berukuran 30x60x1000
cm dengan kemiringan dasar saluran 0,0058. Menggunakan pelimpah ogee dengan
kemiringan hilir 1:4, 2:4, 3:4, 4:4 dan menggunakan kolam olak tipe trajectory bucket
dengan ukuran baffle blocks 5/12 R. Penelitian dilakukan pada enam belas perlakuan
(kemiringan hilir bendung dan penempatan baffle blocks) dengan empat variasi debit
air dan pada setiap debitnya kemudian dilakukan pengujian reduksi panjang loncatan
dan.
Hasil penelitian menunjukkan beberapa kesimpulan, pertaman bertambahnya debit
aliran, maka semakin besar turbulensi dan panjang loncatan hidrolis di hilir. Kedua
peredaman energi panjang loncatan pada seri Id yang merupakan seri yang paling
efektif meredam energi dengan prosentase reduksi rata-rata 60,31%. Ketiga rata-rata
hubungan linier non dimensional antara Lj terukur/R dengan Fr dari beberapa seri
disimpulkan dengan persamaan
1,314
0,894 dan R
2=0,726. Rata-rata
hubungan exponensial non dimensional antara Lj terukur/R dengan Fr dari beberapa
seri disimpulkan dengan persamaan
0,764
,dan R
2=0,704.
Kata Kunci: spillway, trajectory bucket, baffle blocks, loncatan hidrolis
PENDAHULUAN
Spillway, merupakan salah satu komponen
dari saluran pengatur aliran, dibuat untuk
meninggikan muka air. Akibat dari
peninggian
muka
air
tersebut
akan
mengakibatkan terjadi perubahan jenis
aliran dari superkritis ke subkritis yang
dapat menyebabkan penggerusan saluran
di bawah pelimpah. Bangunan peredam
energi yang dipakai biasanya adalah kolam
olakan (stilling basin). Dilihat dari segi
ekonomi kolam olak tipe trajectory bucket
relatif
murah
pembuatannya,
karena
panjang kolam olak tipe trajectory bucket
sangat pendek. Karena kolam olak pendek,
kemampuan redaman energi kurang baik
sehingga perlu ditambahkan baffle blocks
atau balok-balok halang untuk menambah
efektifitas redaman energi. Penempatan
posisi baffle blocks pada kolam olak juga
sangat
berpengaruh
dalam
meredam
energi, sehingga baffle blocks harus
ditempakan pada posisi yang tepat agar
dapat menghasilkan redaman yang efektif
dan efisien.
Penelitian ini berusaha untuk mengetahui
pengaruh kemiringan hilir bendung dan
susunan penempatan baffle blocks terhadap
panjang loncatan air dan peredam energi.
TINJAUAN PUSTAKA
Beberapa penelitian yang pernah dilakukan
berkaitan dengan peredam energi pada
kolam olakan diantaranya :
Agnes (1999) melakukan penelitian
dan menyimpulkan bahwa pemasangan
baffle
blocks
sangat
mempengaruhi
loncatan air dan juga tata letak baffle
blocks yang berbeda akan menghasilkan
panjang kolam olakan yang berbeda pula.
Sedangkan pada model pelimpah yang
tidak memakai baffle blocks loncatan yang
dihasilkan lebih panjang dibanding model
yang memakai baffle blocks.
Tauvan (2009) melakukan penelitian
tentang efektivitas buffle blocks pada
kolam olak type solid bucket. Hasil
penelitian ini adalah baffle blocks dengan
dimensi 2,5 cm dan peletakan pada kolam
olak dua baris tegak lurus bersilangan yang
paling efektiv meredam energi.
Pembra (2013) melakukan penelitian
penelitian pengaruh variasi kemiringan
tubuh hilir bendung dan penempatan baffle
blocks pada kolam olak tipe solid roller
bucket terhadap loncatan hidrolis dan
peredaman energi. Dari hasil penelitian
didapat baffle blocks yang diletakkan pada
tengah radius lengkung adalah yang paling
efektif dalam meredam turbulensi aliran di
hilir pusaran.
LANDASAN TEORI
Spillway
merupakan
salah
satu
komponen dari pengatur aliran, yang
berfungsi untuk meninggikan muka air
sehingga mengalir di atas bangunan
pelimpah. Akibat dari peninggian muka air
tersebut terjadi perubahan jenis aliran dari
superkritis ke subkritis dan energi yang
sangat
besar
yang
menyebabkan
penggerusan saluran dibawah saluran. (
Mays, 1999; Triatmodjo, 1995). Salah satu
alternatif
untuk
mengurangi
gerusan
tersebut dibuat sebuah peredam energi atau
yang biasa dikenal dengan kolam olakan
(stiling basin) dan dilengkapi dengan
buffle blocks agar peredaman energi lebih
efektif (Peterka,1974).
A.Tipe Aliran Air
Saluran terbuka adalah saluran dengan
muka air bebas pada semua titik di
sepanjang saluran dengan tekanan di
permukaan air adalah sama, yang biasanya
adalah
tekanan
atmosfir.
Pengaliran
melalui suatu pipa (saluran tertutup) yang
tidak penuh (masih ada muka air bebas)
masih termasuk dalam aliran terbuka
(Chow, 1992).
B.Debit Aliran
Debit aliran merupakan fungsi dari
kecepatan dan luas penampang basah,
dapat dinyatakan dengan volume persatuan
waktu atau jumlah zat cair yang mengalir
melalui tampang lintang aliran tiap satu
satuan waktu. Debit aliran pada umumnya
diberi notasi Q dengan satuan meter kubik
per detik (m
3/dt). Bila tampang lintang
saluran tegak lurus dengan aliran adalah A
(m
2), maka debit aliran bisa ditulis :
Q = A. V
dengan :
Q = debit aliran (m
3/dt)
A = luas penampang (m
2)
V
= kecepatan aliran (m/dt)
C.Bilangan Reynolds
Pengaruh
kekentalan
dengan
kelembaman (inersia) pada suatu aliran
menghasilkan sifat laminer, turbulen atau
peralihan. Suatu aliran disebut laminer
apabila gaya kekentalan relatif lebih besar
daripada gaya kelembaman sehingga
kekentalan mempengaruhi sifat aliran.
Aliran disebut turbulen apabila gaya
kekentalan relatif lebih kecil daripada gaya
kelembaman.
Adapun
aliran
bersifat
peralihan dimana terletak diantara aliran
laminer dan turbulen.
Re =
V.R
υ
dengan :
= Bilangan Reynolds
= kecepatan (m/dt)
R = jari-jari hidrolis (m)
= kekentalan kinematik (cm
2/dt)
D.Bilangan Froude
Parameter tidak berdimensi yang
membedakan tipe aliran tersebut adalah
bilangan Froude (Fr) yaitu bilangan
perbandingan antara gaya kelembaman dan
gaya tarik bumi yang dapat ditentukan
sebagai berikut :
=
gh
dengan :
Fr = Bilangan Froude
V = kecepatan (m/dt)
g = percepatan gravitasi bumi (9.8 m/dt
2)
h = kedalaman aliran (m)
E.Mercu Pelimpah
Mercu pelimpah adalah bangunan
pelengkap dari suatu spillway yang
berguna untuk mengalirkan kelebihan air
agar spillway tetap aman bila terjadi banjir.
Sedangkan mercu adalah bagian paling
atas pelimpah, yang berinteraksi langsung
dengan air yang melimpas. Sehingga
bentuk mercu menentukan karakteristik
aliran yang terjadi di hilir.
Di Indonesia umumnya menggunakan dua
tipe mercu pelimpah untuk bendung yaitu
tipe Ogee dan tipe Bulat.
Gambar 1. Bentuk Mercu Tipe Ogee dan Tipe Bulat (KP-02)
F.Peredam Energi Tipe Trajectory
Bucket
Peredam energi (energy dissipator)
atau kolam olak (stilling basin) adalah
struktur dari bangunan di hilir tubuh
spillway yang terdiri dari beberapa tipe dan
bentuk, di kanan dan kirinya dibatasi oleh
tembok pangkal bendung dilanjutkan
dengan tembok sayap hilir dengan bentuk
tertentu (Desain Hidrolik Bendung Tetap,
2002).
Fungsi dari bangunan ini adalah untuk
meredam energi air akibat loncatan air agar
air
di
bagian
hilir bendung
tidak
menimbulkan pergerusan setempat yang
membahayakanstuktur.
G.Loncatan Air
Loncatan air terjadi akibat adanya
perubahan aliran dari superkritis menjadi
subkritis. Umumnya loncatan air terjadi
pada saat air keluar dari suatu pelimpah
atau pintu air. Panjang loncatan dapat
didefinisikan
sebagai
jarak
antara
permukaan depan loncatan air/hidrolis
sampai dengan suatu titik pada permukaan
gulungan ombak yang segera menuju hilir.
Panjang loncatan sulit ditentukan secara
teoritis dapat ditentukan sebagai berikut :
!
. #$%!&
'
dengan :
x = jarak loncatan air (m)
V = kecepatan air (m/s)
= sudut lengkung kolam olak (
o)
g = percepatan gravitasi bumi (9.8 m/dt
2)
METODE PENELITIAN
Gambar 3 Bagan Alir Penelitian
1.Perencanaan Model Pelimpah
Bangunan
pelimpah
direncanakan
dengan debit (Q) yang maksimum agar
mendapatkan variasi debit aliran yang
beragam.
Berikut
ini
perhitungan
perencanaan bangunan pelimpah dengan
data-data sebagai berikut :
a)
Debit maksimum (Q) = 0,005 m
3/dt
b)
Lebar saluran (b)
= 0,3 m
c)
Tinggi pelimpah (p)
= 0,2 m
d)
Dicoba h
d= 0,0385 m
e)
Kecepatan awal (V
0) =
V
0=
Q
(p + h
d). b
V
0=
0,005
(0,2 + 0,0385).0,3
V
0= 0,0699 m/dt
f)
Tinggi tek. total (h
e) =
h
e= h
d+
V
022g
h
e= 0,0385 +
0,0699
2.9,81
2h
e= 0,0387 m
g)
Mencari koefisien C
dGambar 4 Grafik koefisien peluapan mercu ogee hubungan antara p/h
d(Hidraulic
Structures for Flow Diversion and Stroage, Version 2 CE IIT - Kharagpur)
Dari grafik koefisien peluapan mercu
ogee hubungan antara p/h
ddengan C
ddi
atas
didapat
p/h
d=
5.16
dan
dari
ekstrapolasi dengan persamaan y = 0,016x
+ 2,102 di dapat nilai C
d= 2,18 maka
kontrol debit (Q) adalah :
Q = C
d.b. h
e 3 2Q = 2,18.0,3 . 0,0387
3 2= 0,005 m
3/dt
2.Perencanaan Kolam Olak
a)
Debit maksimum (Q) = 0,005 m
3/dt
b)
Lebar saluran (b)
= 0,3 m
c)
Tinggi pelimpah (p)
= 0,2 m
d)
Debit per satuan panjang bentang
= 0,0167 m
3/dt/m
e)
Tinggi air kritis (h
c)
=
h
c-q
2g
3h
c-0.0167
29.81
3h
c0,0305 m
f)
Radius Lengkung (R
min)
=
R
minh
c1,55 ; untuk
h
dh
c: 2
;
<;
=1,2631 ; 1,2631 : 2
R
min=1,55×0,0305 =0,0472
≈ 0,05 m
g)
Kedalaman Air Minimum (T
min)
=
T
minh
c=1
,88 >
h
dh
c?
0.215T
min=1,88
>
0,0385
0,0302
?
0,215.0,0305
T
ABC=0,0603 m
3.
Perencanaan Baffle Blocks
Perencanaan dimensi baffle blocks
didasarkan atas besarnya radius lengkung
bucket (R). Baffle Blocks terbuat dari
bahan kayu berbentuk persegi empat
berdimensi 5/12 R (2cm). Bentuk baffle
blocks adalah berupa kotak kubus.
Gambar desain model
Gambar 6 Pelimpah ogee (kemiringan 3:4)
dengan kolam olak tipe trajectory bucket
Gambar 7 Variasi susunan baffle blocks
(seri b,c dan d)
HASIL ANALISIS DAN PEMBAHASAN
Hasil dari penelitian yang dilakukan dengan mengalirkan air pada open flume
melewati 4 variasi kemiringan spillway (1:4, 2:4, 3:4, dan 4:4) dengan 4 variasi debit
(0,002m
3/dt, 0,003m
3/dt, 0,004m
3/dt dan 0,005m
3/dt) dan 4 variasi baffle blocks adalah
sebagai berikut :
A.Kecepatan Aliran dengan Variasi Debit
Gambar 8 Hubungan variasi debit dengan kecepatan aliran
Gambar 8 menunjukan hubungan antara
variasi debit dengan kecepatan aliran.
Kecepatan di hilir spilway terbesar terjadi
pada variasi seri Ia, IIa, IIIa dan IVa (yang
masing-masing
memiliki
kecepatan
148,8095
m/dt,
140,056cm/dt,
143,6782cm/dt,
136,612cm/dt)
dengan
perlakuan tidak dipasang baffle blocks.
Dapat dilihat untuk debit 0,002 m
3/dt
kecepatan yang paling rendah adalah pada
seri IVb. Untuk debit 0,003 m
3/dt
kecepatan yang paling rendah adalah pada
seri IVb. Untuk debit 0,004 m
3/dt
kecepatan yang paling rendah adalah pada
seri IId. Untuk debit 0,005 m
3/dt kecepatan
yang paling rendah adalah pada seri IId.
Dari semua perlakuan baffle blocks yang
paling efektif terdapat pada seri IId dan
IVb.
50 70 90 110 130 150Ia Ib Ic Id IIa IIb IIc IId IIIa IIIb IIIc IIId IVa IVb IVc IVd
K ec ep a ta n d i H il ir P u sa ra n (c m /d t)
Hubungan Variasi Debit (cm
3/dt) dengan Kecepatan di Hilir
Pusaran (cm/dt)
B.Bilangan Reynolds dengan Variasi Debit
Gambar 9 Hubungan variasi debit dengan kecepatan aliran
Gambar 9 menunjukkan hubungan antara
variasi debit (cm
3/dt) dengan bilangan
Reynolds. Pada saluran terbuka adalah
aliran laminar bila bilangan Reynolds (Re)
< 500, aliran turbulen bila Re > 1000 dan
aliran transisi/peralihan diantara 500 -
1000. Pada Gambar V.2 diketahui bahwa
semua aliran yang terjadi pada semua
perlakuan
adalah
turbulen,
karena
memiliki nilai Re > 1000. Dari gambar
juga terlihat variasi penyusunan baffle
blocks yang paling efektif terdapat pada
seri
Id,
IId,
IIIb,
dan
IVb.
C.Prosentase Reduksi Panjang Loncatan
Tabel 1 Prosentase reduksi panjang loncatan air
Q Ljt erukur Ljt erukur Ljt eruk ur Ljt erukur
(cm3/dt) (cm) (cm) (cm) (cm) 5000,00 33,7 0,00 28,7 0,00 29,7 0,00 26,7 0,00 4012,12 31,2 0,00 25,7 0,00 26,2 0,00 23,7 0,00 3011,96 27,7 0,00 20,7 0,00 23,7 0,00 20,7 0,00 2000,00 23,7 0,00 18,2 0,00 21,7 0,00 17,2 0,00 Rata-rata 0,00 0,00 0,00 0,00 5000,00 21,7 35,61 15,7 45,30 15,7 47,14 13,7 48,69 4012,12 19,7 36,86 13,7 46,69 13,7 47,71 12,7 46,41 3011,96 17,7 36,10 11,7 43,48 8,7 63,29 7,7 62,80 2000,00 16,7 29,54 7,7 57,69 6,7 69,12 4,7 72,67 Rata-rata 34,53 48,29 56,82 57,64 5000,00 23,7 29,67 23,7 17,42 24,7 16,84 25,2 5,62 4012,12 20,7 33,65 19,7 23,35 20,7 20,99 17,7 25,32 3011,96 12,7 54,15 12,7 38,65 11,2 52,74 11,7 43,48 2000,00 6,7 71,73 7,7 57,69 9,7 55,30 7,7 55,23 Rata-rata 47,30 34,28 36,47 32,41 5000,00 16,7 50,45 12,7 55,75 18,2 38,72 14,7 44,94 4012,12 13,2 57,69 10,7 58,37 16,7 36,26 12,7 46,41 3011,96 10,7 61,37 8,7 57,97 12,7 46,41 11,7 43,48 2000,00 6,7 71,73 6,7 63,19 7,7 64,52 7,7 55,23 Rata-rata 60,31 58,82 46,48 47,52 IId Id IVa IIIa IIId IVd
Ic IIc IIIc IVc
Ib % Lj Seri IIb Seri IIa Ia Seri % Lj IVb % Lj Seri % Lj IIIb
Berdasarkan hasil uji model yang telah
dilaksanakan dapat diambil kesimpulan
sebagai berikut :
1.
Untuk
peredaman
energi
panjang
loncatan pada seri Id yang merupakan
seri yang paling efektif meredam energi
dengan prosentase reduksi rata-rata
60,31%.
2.
Perlakuan seri Id, IId, IIIb, dan IVb
merupakan perlakuan seri yang paling
efisien dibandingkan dengan perlakuan
yang lainnya.
3.
Semakin besar debit yang mengalir
maka semakin panjang pula panjang
loncatan yang terjadi.
D.Hubungan Panjang Loncatan Air
dengan Bilangan Froude
Panjang loncatan (Lj) diukur dari
ujung kolam olakan ke titik terjauh dari
olakan.. Menurut Van Rijn (1990) bahwa
panjang loncatan air dipengaruhi oleh
bilangan froude setelah loncatan. Maka
dari itu dalam penelitian ini dilihatkan
bagaimana
hubungan
antara
panjang
loncatan terukur maupun teori dengan
bilangan Froude setelah loncatan air.
6000 12000 18000
Ia Ib Ic Id IIa IIb IIc IId IIIa IIIb IIIc IIId IVa IVb IVc IVd
B
il
an
gan
R
ey
n
ol
ds
Hubungan Variasi Debit(cm
3
/dt) dengan Bilangan Reynolds
Gambar 10 Hubungan bilangan Froude dengan Lj
terukur/R
Berdasarkan gambar 10 dapat disimpulkan bahwa rata-rata hubungan linier non
dimensional antara Lj terukur/R dengan Fr dari beberapa seri dengan persamaan
1,314
0,894 dan R
2=0,726.
Gambar V.12 Hubungan bilangan Froude dengan Lj
terukur/R
Berdasarkan gambar V.13 dapat disimpulkan bahwa rata-rata hubungan polynomial non
dimensional antara Lj terukur/R dengan Fr dari beberapa seri dengan persamaan
0,764
,dan R
2=0,704.
KESIMPULAN DAN SARAN
Kesimpulan
Berdasarkan data penelitian serta hasil
analisis
dan
pembahasan
dapat
disimpulakan sebagai berikut :
1.
Kecepatan di hilir spilway terbesar
terjadi pada variasi seri Ia, IIa, IIIa dan
IVa (yang masing-masing memiliki
kecepatan 148,8095 cm/dt, 140,056
cm/dt, 143,6782 cm/dt, 136,612 cm/dt)
dengan perlakuan tidak dipasang baffle
blocks. Dapat dilihat untuk debit 0,002
m
3/dt kecepatan yang paling rendah
adalah pada seri IVb. Untuk debit 0,003
m
3/dt kecepatan yang paling rendah
adalah pada seri IVb. Untuk debit 0,004
y = 1.314x - 0.894 R² = 0.726 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 1 2 3 4 5 6 L j / R Bilangan Frode (Fr)
Hubungan Linier Fr dengan Lj
terukur/R
Rata-rata persamaan linier dari semua seri y = 0.764e0.426x R² = 0.704 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 1 2 3 4 5 6 L j / R Bilangan Frode (Fr)
Hubungan Exponensial Fr dengan Lj
terukur/R
Rata-rata persamaan exponensial dari semua seri