PERENCANAAN STRUKTUR BENDUNGAN DI DAERAH RAWAN GEMPA
Gunarso, ST Abstrak
Didalam perencanaan segala bentuk bangunan yang kaitannya dengan pekerjaan teknik Sipil maka perlu adanya perencanaan Gempa yang mendetail, baik itu struktur bangunan Gedung ataupun bendungan,terutama struktur yang terletak didaerah rawan gempa, Sebagai contoh untuk analisanya didasarkan apa yang ditulis oleh Dr.HB.Seed dalam journal Soil Mechanics and Foundation Division dari ASCE terbitan Mei 1966 dengan judul The Seismic Coefficient in Earth Dam Design. Pada prinsipnya koefisien gempanya dibuat tidak merata dari pondasi hingga puncak bendungan.Dari mulai kecil hingga ke puncak bendungan semakin besar.
Selanjutnya Ministry of Construction Jepang juga mengeluarkan suatu prosedur untuk menganalisa stabilitas bendungan yang lebih mendetail, dengan dasar pemilihan koefisien yang berubah dari puncak bendungan hingga ke pondasinya,Bahkan type bendungan Rockfill, sudut geser dalam untuk material rockfillnya juga dihitung berubah secara non linier dari atas kebawah tergantung dari besarnya tegangan normalnya.
Atas dasar prinsip diatas akan diperoleh lereng bendungan yang tidak terlalu landai, sehingga biaya pembangunannya menjadi lebih ekonomis dengan kestabilan yang cukup memadai.
1. Pendahuluan
Di wilayah tanah air kita secara geografis berada diantara 6 0 LU dan 11 0 LS serta diantara 95 0 BT dan 141
0
BT. Posisi tersebut bertepatan dengan perbenturan tiga lempeng kerak bumi. Yaitu lempeng Eurasia, lempeng pasifik dan lempeng India Australia. Ditinjau secara geologis,kepulauan Indonesia berada pada pertemuan dua jalur utama ,yaitu jalur gempa Sirkwn Pasifik dan gempa Alpide Transiatic karena itu Kepulauan Indonesia berada pada daerah yang mempunyai aktivitas gempa yang cukup tinggi. Penyebab utama bencana dan kerusakan terhadap lingkungan hidup akibat gempa adalah gaya inersia yang ditimbulkan oleh goncangan gempa yang berakibat merobohkan bangunan-bangunan yang tidak didesain tahan gempa. Sementara penyebab ikutan gempa berupa:
Tsunami yang menghancurkan dan menghanyutkan bangunan-bangunan ringan di kawasan tepi pantai.
Perubahan struktur perlapisan tanah yang menggambarkan adanya penurunan dan proses liquifaksi.
Longsoran di daerah perbukitan. Dan ditambah lagi dengan adanya dua musim , yaitu musim kemarau dan musim penghujan , pada waktu musim kemarau curah hujan sedikit, sehingga debit air sungai mengecil, sehingga pemakaian air untuk segala keperluan harus dibatasi. Sedangkan waktu musim penghujan debit sungai membesar yang berakibat banjir sehingga perlu adanya penampungan guna menyimpan air untuk keperluan di musim kemarau. Untuk ini perlu dibangun waduk atau bendungan. Untuk memenuhi kebutuhan air kadang-kadang bendungan dibangun didaerah rawan gempa seperti misalnya, Bendungan Batu Tegi yang terletak di Kabupaten Lampung Selatan,yang lokasinga berdekatan dengan kota Liwa dan Jalur sesar Semangko, kemudian Bendungan yang sejenis dibangun di Wonorejo yang
terletak di Kabupaten Tulungagung Jawa Timur.
Dengan keamanan bendungan, maka analisa stabilitasnya harus disesuaikan dengan kondisi yang ada seperti yang ditulis oleh HB.Seed dalam Journal Soil Mechanics and Foundation Division dari ASCE terbitan Mei 1966 dengan Judul The Seismic Coefficient in Earth Dam Design.
Selanjutnya Ministry of Construction Jepang juga mengeluarkan suatu prosedur untuk menghitung stabilitas bendungan di daerah rawan gempa yang lebih mendetail yang berjudul Seismic Design Guidelines for Filldams ( The Japan’s Guidelines ). Filosofi utama dari desain tersebut adalah :
a. Gaya gempanya tidak bekerja secara merata pada tubuh bendungan ( pada elevasi puncak gaya gempanya semakin besar ) b. Gaya geser material batuan tidak
konstan. Tetapi berubah secara non linier pada ketinggian bendungan ( pada lapisan atas sudut gesernya lebih besar ).
Kedua cara tersebut diatas menggunakan bidang longsoran berbentuk lingkaran dan metode irisan dalam menganalisa stabilitas lereng. Tujuannya adalah untuk mencari faktor keamanan terhadap longsoran yang terkecil.
Untuk selanjutnya maka akan diuraikan secara analisis stabilitas bendungan Wonorejo,suatu bendungan dengan ketinggian 100 m yang berlokasi di Kabupaten Tulungagung. 2. Bendungan Wonorejo
Studi kelayakan dan design Bendungan Wonorejo dilaksanakan pada tahun 1982 0leh PT.Indra Karya dan Nippon Koei Co,dan dilanjutkan
Karya dengan dana ADB. Review studi kelayakan dan kajian ulang detail design dilaksanakan pada tahun 1992 oleh Nippon Koei Co bekerja sama dengan PT.Indara Karya dan PT Wiratman dengan menggunakan dana OECF.Adapun data teknis bendungan tersebut adalah sebagai berikut :
a. Bendungan Utama
Tipe Bendung : Timbunan batu ( Rockfill ) dengan inti tanah Tinggi maksimum : 100,00 m Elevasi puncak : 188,00 m Panjang puncak : 545,00 m Volume timbunan :
6.050,000,00 m3
Lapisan kedap air : Inti tegak dari tanah liat
Elevasi air tertinggi : + 183,00 m Elevasi air terendah : + 141,00 m Daerah genangan : + 3,85 km2 Kapasitas Bruto : 122,000,000 m3 Kapasitas Aktip : 100,000,000 m3 b. Spillway
Type : Pelimpah samping tanpa pintu
Panjang : 456,56 m
Lebar spillway : 8,00 - 16,00 m Kapasitas : 540,00 m3 / detik Analisa stabilitas bendungan didasarkan pada pedoman yang diberikan oleh Dr. HB.Seed, yang menyarankan penggunaan koefisien gempa yang berubah menurut ketinggian ( makin tinggi elevasinya makin besar koefisien gempanya.
a ). Sedang analisa yang dipakai adalah dengan cara Morgenstern Price.
Pada tahun 1992 Review studi kelayakan dan kajian ulang detail desain yang mana menghasilkan dibawah inti kedap air dipasang grout galery. Inti kedap air pada cofferdam dipindah disisi hulu menjadi earth
coferdam tidak tergantung pada penimbunan intinya.
Perubahan tersebut dilakukan karena musim hujan didaerah lokasi bendungan relatip panjang, sehingga perlu dilakukan upaya agar pekerjaan timbunan utama tidak terhambat oleh pekerjaan grouting,artinya pekerjaan timbunan dilaksanakan tanpa menunggu selesainya pekerjaan grouting. Dan pekerjaan batu pada cofferdam juga tidak tergantung pada penimbunan inti kedap air.
Analisa stabilitasnya dilakukan berdasarkan Japan’s Guideline, dimana sudut ø untuk bahan batu berubah secara nonlinier menurut ketebalan timbunan ( makin berkurang ketebalan timbunan makin besar ø ) dan koefisien gempanya juga berubah menurut ketinggian ( makin tinggi elevasi makin besar koeffisien gempanya )
3. Sifat Teknis Timbunan
Tanah merupakan bahan yang paling penting untuk pembangunan sebuah bendungan urugan, karena setiap bendungan urugan selalu
menggunakan bahan ini,baik untuk penimbunan pada zone-zone kedap air atau pada zone bendungan lainnya.
Syarat-syarat teknis yang menjadi bahan pertimbangan dalam pemilihan bahan timbunan adalah sebagai berikut :
a. Untuk stabilitas bendungan, maka kepadatan dan kekuatan geseran harus memadai.
b. Permebilitas tanah harus sesuai dengan persyaratan yang diperlukan.
c. Angka konsolidasi kecil
d. Mudah dikerjakan ( penggalian, pengolahan, pengangkutan, penimbunan serta pemadatannya ). e. Tanah berbutir kasar yang
bercampur secara homogen dengan butiran-butiran yang lebih halus diantaranya :
- Tanah yang dapat melewati saringan berukuran 0,074 mm sebesar 10 – 15 % .
- Tanah yang dapat melewati saringan berukuran 0,005 mm sebesar 5 % .
4. Pemilihan Koefisien Gempa Untuk Analisis Pseudo – Statik
Patahan atau sesar merupakan sumber gempa yang berskala besar. Sebagai contoh gempa yeng pernah tercatat diwilayah Lampung yang mencapai M 7,5 di tahun 1933 dan M 7,2 dalam tahun 1913 yang pusat gempanya dilaporkan terletak kurang lebih 36 km dan 29 km dari lokasi bendungan Batu Tegi, juga gempa pada tanggal 27 Mei 2006 di wilayah Yogyakarta dan Jawa Tengah yang mencapai M 5,9 , dimana pusat gempa terletak di dasar samudra dan getarannya sampai merusak daerah pemukiman diwilayah Yogyakarta dan Jawa Tengah dan disusul dengan gempa-gempa yang lain yang melanda di Indonesia.
Oleh sebab itu kita mengenal apa yang dinamakan dengan Design Basis Earthguake ( DBE ) yang didevinisikan
diharapkan satu kali terjadi selama umur bendungan ( 100 tahun ). Penentuan DBE pada umumnya dilakukan menurut metode probabilitik yang didasarkan pada waktu balik ( recurrence interval ),
Untuk mendapatkan ground acceleration dihitung dengan rumus Kawasumi,sebagai berikut :
A = 10 M - 5,45 - 0,00084 ( f – 100 ) + (
1/0,43429 ) log ( 100 / f )
Dimana
A = ground acceleration dalam cm / det2
F = jarak lokal dalam km
DBE dengan M7,5 bila dihitung dengan rumus kawasumi akan dapat ground acceleration sebesar 0,20g.
5. Standart, Analis, Metode dan Sistim
Dari sekian banyak standart atau pedoman untuk mendesign bendungan urugan batu (rockfil) dengan inti tanah dipilih “Seismic Design Guidelins Filldams” yang diterbitkan oleh japan’s Ministry of Construction. Hal ini disebabkan karena dipandang standardisasinya yang lengkap dan dilatar belakangi dengan study yang mendalam.
Filosofi utama dari pedoman tersebut adalah :
Gaya gempanya tidak bekerja merata pada seluruh tubuh
bendungan (pada elevasi yang lebih tinggi bekerja gaya gempa yang lebih besar).
Kekuatan geser timbunan batu tidak konstan tetapi berubah secara non-linier menurut ketebalan timbunan (pada timbunan dengan ketebalan kecil (dihitung dari puncak bendungan) sudut geser dalamnya lebih besar).
Metode analisisnya didasarkan atas metode irisan dengan bidang longsoran berbentuk lingkaran. Sasaran perhitungan adalah untuk memperoleh faktor keamanan terhadap longsoran yang kecil.
Rumus yang digunakan untuk menghitung stabilitas bentuk dasarnya sebagai berikut :
∑ ( Cl + ( N – U – Ne ) tan ø FS =
∑ ( T – Te )
∑ Cl + ∑ { . A ( cos – e . sin ) – V ) tan ø FS =
∑ .A ( sin + e. cos ) dimana :
FS = Faktor keamanan terhadap longsoran
L = Panjang lintas irisan diatas bidang longsoran ( m )
C = Kohesi bahan timbunan ( ton / m2 )
N = Komponen normal dari berat sendiri ( W ) dari berat setiap irisan bidang luncur timbunan = W cos
( ton )
U = Gaya angkat ( uplift ) ton Ne = Komponen normal gaya gempa horisontal yang bekerja pada setiap Irisan bidang luncur = k W sin ( ton )
T = Komponen tangensial dari berat sendiri timbunan = W sin
( ton )
Te = Komponen tangensial gaya
gempa horisontal = k W cos ( ton )
Ø = Sudut geser dalam bidang longsoran
K = Koefisien gempa
Z = Lebar setiap irisan bidang luncur
e = Intensitas seismis horisontal
= Berat isi dari dari setiap bahan pembentok irisan bidang luncur.
A = Luas dari setiap bahan pembentuk irisan dibidang luncur.
= Sudut kemiringan rata-rata dasar setiap irisan bidang luncur V = Tekanan air pori.
Koefisien Gempa
Pedoman tersebut diatas memberikan cara untuk menentukan koefisien gempa horisontal kH untuk desain sebagai berikut :
K H = ∆1 ∆2 ∆3 ko
Dimana kH = koefisien gempa horisontal untuk disain
∆1 = faktor lokasi bendungan
∆2 = faktor pondasi bendungan
∆3 = faktor konstruksi, dan
kn =faktor gempa horisontal
dasar (untuk Bendungan Wonorejo diambil 0,20g)
Untuk kasus Bendungan Wonorejo bila dimbil k0=0,20 g, ∆1 =
0,85 g, ∆2 = 0,90 g, dan ∆3 = 0,5 maka
diperoleh kH = 0,0765 g. Selanjutnya
koefisien gempa horisontal kH harus
diubah dalam setiap perhitungan stabilitas dengan mengalikan dengan faktor . Koefisien gempa yang sebenarnya untuk perhitungan stabilitas “k” diperoleh dengan mengalikan kH dengan faktor , atau :
k kH
Faktor gaya gempa merupakan suatu fungsi dua garis lurus dan dirumuskan sebagai berikut:
k = kH ( 2,5 - 1,85y / H) jika y/?H<=0,4
K = kH ( 2,0 - 0,6y / H) jika y/H>0,4
Kasus-Kasus yang Ditinjau dan Kriteria Analisis
Berdasarkan Pedoman Jepang tersebut, maka kasus-kasus yang diperhitungkan adalah sebagai berikut :
Tabel 2. Kasus- kasus yang diperhitungkan
Analisis Gemp a yang dianalisis Tegangan Air Pori Kondisi -1 Muka Air Tinggi
(Normal HWL EL.183,00 m) 100% Hulu dan hilir Kondisi steady Kondisi -2 Saat Akhir
Pembangunan
50% Hulu dan hilir
U = c w H Kondisi -3 Muka Air Sedang
(Interme-diate WL EL 177. m)
100% Hulu Kondisi
steady Kondisi -4 Penurunan muka air
cepat (EL. 183,00 m ke EL.141.00 m)
50% Hulu Kondisi
unsteady Kondisi – 5 Muka air banjir EL.
185 m
0% Hulu dan hilir
Kondisi steady Tabel 3. Kriteria faktor keamanan
Kondisi Analisis
Kondisi Waduk Syarat Faktor Keamanan Tanpa Gempa
Syarat Faktor Keamanan Dengan Gempa Kondisi - 1 Muka Air Tinggi
Normal (EL. 183,0 m)
1,5 1,2
Kondisi – 2 Saat selesai pembangunan
1,3 1,2
Kondisi – 3 Muka Air Sedang (EL. 177 m)
1,5 1,2
Kondisi – 4 Muka air turun cepat (EL. 183 m ke EL. 141
m)
1,3 1,2
Kondisi – 5 M.A.B. (EL. 185 m) 1,3 1,2
Hasil Analisis
Dengan menggunakan standard, metode dan sistem tersebut di atas, analisis stabilitas lerengnya dilakukan
dengan menggunakan Calculation And Analysis on Problem of Slope Stability. Hasil perhutungannya tertera pada tabel 4a dan tabel 4b di bawah ini.
Tabel 4a. Hasil analisis stabilitas lereng tanpa gempa (Static Condition) Kondisi Analisis Kondosi Waduk Gaya Gempa F.S. Lereng Hulu F.S. Lereng Hili Kriteria F.S. Kondisi - 1 NHWL (EL.183,0m) 0% 2,23 1,69 1,5
Kondisi – 2 Saat selesai pembangunan
0% 2,14 1,75 1,3
Kondisi – 3 M.A sedang EL. 177 m
0% 2,04 - 1,5
cepat (EL.183 ke EL. 141 m) Kondisi – 5 MA banjir (EL. 185 m) 0% 2,27 1,59 1,3
Tabel 4b. Hasil analisis stabilitas lereng dengan gempa (Pseudo static condition) Kondisi Analisis Kondosi Waduk Gaya Gempa F.S. Lereng Hulu F.S. Lereng Hili Kriteria F.S. Kondisi - 1 NHWL (EL.183,0m) 100% 1,41 1,34 1,2
Kondisi – 2 Saat selesai pembangunan
50% 1,87 1,25 1,2
Kondisi – 3 M.A sedang EL. 177 m 100% 1,41 - 1,2 Kondisi – 4 MA turun cepat (EL. 183 ke EL. 141 m) 50% 1,65 - 1,2 Kondisi – 5 MA banjir (EL. 183,5 m) 0% - - 1,2 Kesimpulan
Dari hasil analisis untuk masing-masing kasus tersebut di atas
menunjukkan bahwa bendungan berada
dalam keadaan aman terhadap longsoran, baik dalam keadaan statik maupun pseudo statik. Dengan me-makai pedoman Jepang kita dapat menyelesaikan persoalan ini. Daftar Kepustakaan
ASCE, Journal of the Soil Mechanics and Foundation Division, Dr. HB. Seed, The seismic coefficient of earth dan design, May, 1966.
Japan Ministry of Construction, Seismic Design Guidelines for Fildams.
Bendungan Type Urugan.Ir.Suyono Sosrodarsono.Dirjen
Pengairan,Departemen Pek
Umum dan Tenaga
Listrik.Jakarta 1981. Biodata Penulis :
Gunarso, lahir di Klaten 1 Januari 1965.Lulus Sarjana Teknik ( S1) Jurusan
1994 ) .Dosen Fakultas Teknik Sipil Universitas Tunas Pembangunan Surakarta sejak tahun 2000.
