Aliran berubah lambat laun
b k t j di kib t s
banyak terjadi akibat pasang surut di muara saluran atau akibat adanya bangunan-bangunan akibat adanya bangunan-bangunan air atau pasang surut air laut terutama pada saat banjir akan terutama pada saat banjir akan berpengaruh sampai ke hulu dan atau ke hilir.
Ali b b h l mb t l
Aliran berubah lambat laun yang terjadi akibat perubahan elevasi p m k n i di j n h l t j n permukaan air di ujung hulu atau ujung hilirnya ini sangat tergantung pada k d l m n k itis d n k d l m n n m l kedalaman kritis dan kedalaman normal yang telah dibahas dalam modul 2 dan m dul 3 Oleh karena itu persamaan modul 3. Oleh karena itu persamaan aliran kritis dan aliran seragam akan muncul di modul 4 ini
(1) Menjelaskan konsep aliran berubah (1) Menjelaskan konsep aliran berubah lambat laun akibat perubahan dasar saluran dan adanya bangunan air di hulu saluran dan adanya bangunan air di hulu maupun di hilir.
(2) Memberi contoh fenomena aliran berubah lambat laun agar mahasiswa dapat memperkirakan profil permukaan air.
(1) Penggunaan konsep aliran berubah l b t l
lambat laun.
(2) Penjelasan fenomena aliran berubah lambat laun dan contoh penggunaannya.p gg y
T j P b l j U
☻ Tujuan Pembelajaran Umum
Setelah membaca modul ini mahasiswa
h i f li b b h l b t memahami fenomena aliran berubah lambat
laun
☻ Tujuan Pembelajaran Khusus
Setelah mempelajari modul ini mahasiswa dapat memilih persamaan yang akan digunakan untuk
hit li b b h l b t l
A. Asumsi Dasar
Tegangan geser yang bekerja pada dasar
l d ti d t dit t k
saluran pada tiap penampang dapat ditentukan dengan menerapkan perumusan tekanan untuk
li aliran seragam : C V g b 2
ρ
τ
= (4.1)juga berlaku untuk aliran berubah lambat laun.
C
Ini berarti :
Kehilangan energi pada suatu penampang di
d l li b b h l b l d l h
dalam aliran berubah lambat laun adalah sama dengan kehilangan energi pada suatu penampang
di d l li i
di dalam aliran seragam yang mempunyai kecepatan rata-rata dan jari-jari hidrolik sama
d V d R did l li b b h l b
dengan V dan R didalam aliran berubah lambat laun.
PPersamaan - persamaan 3 4 2 2 : R V n i Manning f = (4.2) R (4.2) R C V i Chezy f 2 2 : = (4 3) R C (4.3)
B Asumsi Lain B. Asumsi Lain
(a) Kemiringan dasar saluran kecil : (a) Kemiringan dasar saluran kecil :
(1) Kedalaman aliran vertikal dan tegak lurus aliran adalah sama
lurus aliran adalah sama d = y
(2) Faktor koreksi tekanan ( )
cos θ =1
(b) Saluran berpenampang prismatis.
( ) p mp g p m
(c) Pembagian kecepatan dalam penampang (c) Pembagian kecepatan dalam penampang
saluran adalah pasti sehingga α tetap.
(d) Faktor hantaran K dan faktor penampang z merupakan fungsi exponensial dari kedalaman aliran h.
(e) Koefisien kekasaran tidak tergantung pada (e) Koefisien kekasaran tidak tergantung pada kedalaman aliran dan tetap disepanjang aliran
1 dH if V 2 g 2 α y d cosθ d iw 90° θ Zb ib θ θ d 90° Datum Zb 90° dx
Gambar 4.1. Penampang memanjang aliran berubah lambat laun
Dengan mengambil asumsi tersebut diatas dan den an men unakan
Hukum Bern ulli
seba ai dengan menggunakanHukum Bernoulli
sebagai berikut dapat diasumsiakan beberapa bentuk persamaan profil aliranpersamaan profil aliran
g V d z H b 2 cos 2 α θ + + = (4.4)
Penurunan Pers 4.1 terhadap x didapat :
⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ + + = g V dx d dx dd dx z d dx dH b 2 cos . θ α 2 ⎠ ⎝ g
adalah kemiringan garis energi if
d dH
adalah kemiringan dasar saluran ib
dx
z .
d b adalah kemiringan dasar saluran i
b
dx dd g 2 V dd d cos dx dd i if b 2 ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ α + θ + − = −
Dengan demikian maka :
dx g
2 dd
dx ⎜⎝ ⎟⎠
Tanda negatif dari persamaan tersebut menunjukkan penurunan di arah x positif menunjukkan penurunan di arah x positif
− i i dd b f ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ + = g V dd d i i dx dd b f 2 cos 2 α θ (4.5) P s m (4 5) m k s m di mis ⎠ ⎝ g dd 2
Persamaan (4.5) merupakan persamaan dinamis aliran berubah lambat laun.
Penjelasan tiap suku dari persamaan tersebutj p p m diatas
k d k
Æ kemiringan dasar = kemiringan permukaan.
i
b= i
f= i
w 0 . = dx dd add Æ kemiringan permukaan lebih besar
0
. <
dx dd
b Æ kemiringan permukaan lebih besar
daripada kemiringan dasar
i
b< i
w0 . > dx dd c Æ iw < ib → permukaan aliran menanjak
Apabila :
θ
=f(x)
Maka penurunan tersebut terhadap x menjadi
⎞ ⎛V d d dd d dH θ 2 ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ + − + = g V dx d dx d d dx dd dx dz dx dH b 2 sin cos 2 α θ θ θ i i dd atau ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ + + − = g V dd d dd d d i i dx dd b f 2 sin cos θ α 2 (4.6) ⎠ ⎝ g dd dd 2 untuk :
θ
kecil Æ cosθ
= 1 Æ d = y sinθ
= 0 sinθ
= 0maka persamaan 4.3 menjadi : f b i i dy ⎞ ⎛ − = 2 g V dy d dx ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ + 2 1 2
α
(4.7) 43 42 1 kecepatan tinggi Perubahan g y ⎝ ⎠ Apabila : T dA tetap Q Q V ; ; T dy tetap Q A V = ; = ; =maka dy dA A g Q dy A g Q g V dy d 3 2 2 2 2 2 2 α α α α ⎟⎟ = = − ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − dy A g dy g g dy ⎝ 2 ⎠ 2 2 V d⎜⎜⎛α ⎟⎟⎞ 3 2 2 A g T Q dy g d α α − = ⎟⎟ ⎠ ⎜⎜ ⎝ Z A =3 3 2 Z A = atau T T 2 ⎞ ⎛ 2 2 2 2 Z Q d g V d α α − = ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ 2 gZ dy
Untuk aliran kritis Æ α α g Z Q g Z Q = c → 2 = c2 2 2 2 2 Z Z g V d ⎟ c ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ α α α α maka : (4 ) 2 2 2 2 Z Z Z g dy g c c − = ⎟ ⎠ ⎜ ⎝ − = ⎟ ⎠ ⎜ ⎝ α maka : (4.8) R C V if 2 2 = Apabila digunakan persamaan Chezy :
Apabila digunakan persamaan Manning :
3 4 2 2 R V n i f =
Apabila digunakan persamaan Manning :
2 2 3 4 K Q i R f f ⎪ ⎪ ⎫ = 2 2 2 2 2 2 3 2 1 K K Q K K Q i i Q R A n K K n n b f = = ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎬ = (4.9) 2 2 K Q i n b ⎪ ⎪ ⎭ =
Dengan memasukkan Pers (4.8) ke dalam Pers (4.7) did didapat : 2 1 i i i dy b f b ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − = (4.10) 2 2 1 Z Z dx b c − ( ) 2 2 2 1 ⎞ ⎛ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − = Z K K i dx dy n b
I
(4.11) 1 ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − Z Z dx cUntuk kondisi aliran kritis dari Q Z
2 2
Untuk kondisi aliran kritis dari aliran seragam : α g Q Zc = 2 2 2 2 n b b Q i K K Q i = → = n K K i Zc2 = b n α g c α g K i Z CR 2 2 = 2 2 2 K K i Z Zc b n = ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ (4 12) 2 K i Z ⎟⎠ CR ⎜ ⎝ (4.12)
Dengan memasukkan Pers (4.12) ke dalam Pers (4 11) did (4.11) didapat : 2 1 ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − K K d n II (4 13) 2 1 ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − ⎟ ⎠ ⎜ ⎝ = K K R K i dx dy n b II (4.13) ⎠ ⎝ K
Dengan ketentuan bahwa : D g
Q = debit yang diketahui pada kedalaman y Q = debit normal pada kedalaman y
Qn = debit normal pada kedalaman y Qc = debit kritis pada kedalaman y
Sehingga dapat dinyatakan : g Q Zc 2 2 = 2 2 ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ = ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ c c Q Q Z Z α g Q Z c 2 2 (4.14) ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ Qc α g Q Z2 = c Q 2 2 2 ⎟⎟ ⎞ ⎜⎜ ⎛ = ⎟ ⎞ ⎜ ⎛ Kn Q f n i Q K2 = (4 15) ⎟⎟ ⎠ ⎜⎜ ⎝ ⎟ ⎠ ⎜ ⎝ K Qn f n i Q K 2 2 = (4.15) f i
Dengan mamasukkan persamaan (4.14) dan (4.15) ke dalam Pers (4 11) didapat :
ke dalam Pers (4.11) didapat :
2 ⎞ ⎛ 2 2 1 ⎞ ⎛ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − = n o Q Q Q i dx dy III (4.16) 1 ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − c Q Q dx
Apabila digunakan persamaan Chezy : Qn =C2A2Ri0 untuk Pers (4 16) didapat :
untuk Pers (4.16) didapat :
⎟⎟ ⎞ ⎜⎜ ⎛ − Q i 2 ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − ⎟⎟ ⎠ ⎜⎜ ⎝ = D A Q R A C i dx dy o 2 2 2 2 1 α IV (4.17) ⎟ ⎠ ⎜ ⎝ g A2 D
Kembali ke Pers (4.10) 1 if ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − − = ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − − = 2 2 2 2 1 1 1 Z Z i Z Z i i dx dy c b f c f b (4.18) ⎟ ⎠ ⎜ ⎝ ⎟ ⎠ ⎜ ⎝ Z Z
Selanjutnya digunakan Persmaan Manning yaitu :
2 1 3 2 1 i R A Q =
Selanjutnya digunakan Persmaan Manning yaitu :
f i R A n Q = 3 4 2 2 2 R A Q n if =
Untuk saluran berpenampang persegi empat lebar
k hi R d li
tak terhingga : R = y dan aliran seragam :
2 2 Q Q 3 10 2 2 3 10 2 2 ; y B Q n i y B Q n i f n b = = 3 10 3 10 2 2 2 ⎞ ⎛ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ B Q n i 3 3 10 2 2 2 3 2 ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ = ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ⎟ ⎠ ⎜ ⎝ = y y y B Q n y B i i n b f 3 ⎟⎠ ⎜ ⎝ B yn 5 , 1 c c c c c c A D B y y B y Z = = = 5 , 1 y B Z =
Dengan persamaan-persamaan tersebut didapat : 3 2 ⎞ ⎛ ⎞ ⎛ 2 3 ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ = ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ y y Z Zc c (4.19) D kk P (4 19) k d l P
Dengan memasukkan Pers (4.19) ke dalam Pers (4.11) didapat : 3 10 1 ⎜⎜⎛ yn ⎟⎟⎞ 3 1 ⎟⎟ ⎞ ⎜⎜ ⎛ ⎟⎟ ⎠ ⎜⎜ ⎝ − = y y y i dx dy c n b V (4.20) ⎟⎟ ⎠ ⎜⎜ ⎝ y
Apabila yang digunakan adalah persamaan Chezy : 3 2 2 2 2 2 2 2 2 y B C Q R A C Q R C V if = = = 3 2 2 2 n f y B C Q i = 3 3 2 2 3 2 2 ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ = = y y y B C y B C i i n n b f 3 1 ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − y y dy n 2 1 ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − ⎠ ⎝ = y y y i dx dy c b 3 3 3 3 n b y y y y i dx dy − − = VI (4.21) c y y dx
Persamaan VI tersebut dinamakan persamaan “
Belan er
Belanger
” an serin di unakan untuk ” yang sering digunakan untukmemprediksi profil permukaan aliran berubah lambat laun dalam kondisi kemiringan dasar lambat laun dalam kondisi kemiringan dasar sebagai berikut: 0 k f ib < 0 Æ kemiringan negatif ibb = 0 Æ dasar horizontal ib > ic
Steep slope
(kemiringan curam) (kemiringan curam) ib = icCritical slope
(k i i k i i ) ib > 0 Æ (kemiringan kritis) ib < icMild slope
p
(kemiringan landai)B d s k s m li b b h l mb t l
Berdasarkan persamaan aliran berubah lambat laun tersebut diatas dapat diperkirakan karakteristik p fil li n m n t k mi in n d s n :
profil aliran menurut kemiringan dasarnya : I. Kemiringan negatif ib < 0 2 2 0 → = < = K imaginer K Q ib n 2 1 ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − K K dy K n n 2 1 ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − ⎠ ⎝ = Z Z K i dx dy c b ⎠ ⎝ Z
Ada 2 kemungkinan : Ada 2 kemungkinan :
1 Ali S bk iti Æ
1. Aliran Subkritis Æ y > yc
dy
(negatif) Æ ke hilir menurun0
<
dx
dy
2 Ali S k iti Æ 2. Aliran Superkritis Æ y < ycdy
(positif) Æ ke hilir naik
0
>
dx
dy
Ilustrasi dari kemungkinan tersebut adalahg seperti pada Gb. 4.2 :
( notasi A adalah
Adverse
) sedang indeks : ( notasi A adalahAdverse
), sedang indeks : 1. Menunjukkan aliran diatas yc dan yn2. Menunjukkan aliran diantara yc dan yn 3. Menunjukkan aliran dibawah yc dan yn
A2 0 < dx dh Bendung A2 0 < dx dh dx A3 0 > dx dy Pintu air (b)
Contoh praktek aliran melalui bendung Pintu air A3 0 > dx dy (c)
Contoh praktek aliran melalui pintu bukaan bawah
Gambar 4.2. Sket definisi dan contoh aliran berubah lambat laun pada dasar saluran negatif p g
Dalam kondisi ini hanya ada dua kemungkinan profil aliran yaitu profil A2 dalam hal aliran profil aliran yaitu profil A2 dalam hal aliran subkritis (y > yc) dan A3 dalam hal aliran
superkritis (y < y ) superkritis (y < yc).
Sebagai contoh profil A2 aliran melalui bendung (Gb. 4.2b), dan profil A3 aliran melalui pintu air bukaan bawah (Gb. 4.2c).u aan awa (G . . ).
II. Kemiringan nol ( Horizontal ) ib = 0 2 2 2 1 ⎟ − ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − K i K i K K dy b n b n 2 2 2 1 1 ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − = ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − ⎠ ⎝ = Z Z K Z Z K i dx dy c b c b 2 ⎞ ⎛ Q 2 1−⎜⎛ ⎟⎞ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − = Z K Q i dx dy c b 1 ⎟ ⎠ ⎜ ⎝ Z
ib = 0 2 ⎟ ⎞ ⎜ ⎛ Q 2 1 ⎜⎛ ⎟⎞ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − = Z K Q dx dy c (4.22) 1 ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − Z c ib = 0 Æ Kn = ~
Ada 2 kemungkinan bentuk permukaan aliran Ada 2 kemungkinan bentuk permukaan aliran.
Notasi H adalah singkatan dari horisontal, notasi 1,2,3 adalah seperti dijelaskan diatas :
1. Aliran Subkritis Æ yynn > y > yy ycc
Dari Pers (4.2.2) diketahui bahwa
= negatif Æ ke dalam hal ini permukaan = negatif Æ ke dalam hal ini permukaan
menurun ke arah hilir menurut profil (H )
dx dy
menurut profil (H2). 2. Aliran Superkritis Æ yn > yc > y
= positif Æ dalam hal ini permukaan di arah hilir (H3)
dx dy
H2 0 < dx dh H2 0 < dx dh dx (b) C t h P kt k Terjunan H3 dx ( ) Pintu air Contoh Praktek (a) Teori H3 (c)
Gambar 4.3. Sket definisi dan contoh aliran berubah lambat laun pada dasar horizontal
D l m h l i i j h d d k m ki
Dalam hal ini juga hanya ada dua kemungkinan profil aliran yaitu : profil H2 dalam hal aliran subkritis (y > yc) dan H3 dalam hal aliran
superkritis (y < yc). superkritis (y yc).
Sebagai contoh profil H2 adalah suatu
permukaan terjunan (Gb 4 3b) dan pr fil H permukaan terjunan (Gb. 4.3b), dan profil H3 adalah aliran melalui pintu air bukaan bawah (Gb.4.3c).
III K i i itif (i > 0 )
ib < ic i i
III. Kemiringan positif (ib > 0 ) ib = ic
ibb > icc
1). ib < ic Æ
mild slope
Æ kemiringan landaiyc < yn
Dengan menggunakan Persamaan Belanger
3 3 3 c n b y y y y i dx dy − − = (4.23)
Dapat digambarkan profil permukaan aliran sebagai berikut :
Contoh Air balik “back water” M1
(b) Aliran melalui bendung
bendung Teori M 0 > d dy M2 Terjunan “drawdown” (b) Aliran melalui bendung
M2 M1 0 < dx dh dx (c) perubahan kemiringan i1 i2 > i1 M3 ib < ic 0 > dx dy (c) perubahan kemiringan dasar saluran (a)
(d) aliran melalui pintu bukaan bawah
M3
Gambar 4.4. Sket definisi dan contoh aliran berubah lambat laun pada dasar dengan kemiringan landai
Kondisi permukaan apabila :
a. y > yy ynn > yyc Æ dyy/dx > 0 (positif)p
Æ permukaan air naik di arah aliran (M1)
( 1)
b y > y > y Æ d /d < 0 (negatif) b. yn > y > yc Æ dy/dx < 0 (negatif)
Æ permukaan air turun di arah li (M )
Æ d /d 0 ( itif) c. y < yc < yn Æ dy/dx> 0 (positif)
Æ permukaan air naik di arah aliran (M3)
d. y = yn Æ dy/dx = 0 Æ yn merupakan asymptot, yang berarti permukaan yang berarti permukaan air bertemu yn di tak
berhingga berhingga. /
e. y = yc Æ dy/dx = ~ Æpermukaan air memotong ⊥ garis kedalaman energi
( ) (yc)
Notasi M adalah singkatan darig
Mild Slope
p
Dalam hal ini ada 3 (tiga) kemungkinan profil permukaan air yaitu : profil M dalam hal aliran permukaan air yaitu : profil M1 dalam hal aliran subkritis (y > yc). Sebagai contoh adalah air balik yang disebabkan oleh bendung di hilir (Gb. 4.4b); profil M2 dalam hal aliran subkritis (yn > y > yc),p 2 (yn y yc),
Sebagai contoh adalah penurunan permukaan
karena perubahan dasar saluran (Gb 4 4c) Profil karena perubahan dasar saluran (Gb. 4.4c). Profil M3 dalam hal aliran super kritis (y < yc) sebagai contoh adalah aliran melalui pintu bukaan bawah (Gb. 4.4d).
2). ib = ic Æ kemiringan kritis Æ yc = yn 3 3 3 3 3 3 c n b y y y y i dx dy − − = C1 C1 0 > dx dy d (b) Contoh Praktek i = iC i < 0 yc= yn C3 i = iC 0 > dx dy ( ) (a) C3 (c) Contoh Praktek
Gambar 4.5. Profil aliran berubah lambat laun pada dasar p dengan kemiringan kritis
a. y > yn = yc Æ dy/dx > 0 Æ permukaan air naik di arah aliranarah a ran
b y < y = y Æ d /d > 0 Æ permukaan air naik b. y < yc = yn Æ dy/dx > 0 Æ permukaan air naik
di arah aliran c. y = yc = yn Æ aliran kritis
Dalam hal ini ada 2 (dua) kemungkinan profil Dalam hal ini ada 2 (dua) kemungkinan profil
permukaan air yaitu :
Profil C11 dalam hal aliran subkritis (y > y(y ycc), ),
sebagai contoh adalah kenaikan permukaan air karena adanya perubahan dasar saluran y p
(Gb. 4.5b).
Profil C3 dalam hal aliran super kritis
( ) b i t h d l h li l l i (y < yc), sebagai contoh adalah aliran melalui
3). i > ic Æ kemiringan besar (
steep
slope
)slope
) Æ kemiringan curam 3 3 3 3 c n b y y y y i dx dy − − = a. y > yc > yn Æ dy/dx > 0 Æ permukaan aliran naik b y < y < y Æ d /d > 0 Æ permukaan aliran b. yn < y < yc Æ dy/dx > 0 Æ permukaan aliran menurun c. y < yn < yc Æ dyy/dx> 0 Æ permukaan aliran naikS11 (b) S1 0 > dx dy M2 S2 0 < dx dh S2 (c) S3 0 > dx dy S3 (a) (d)
Gambar 4.6. Profil aliran berubah lambat laun pada dasar p curam
Dalam hal ini terdapat 3 (tiga) kemungkinan p g g profil permukaan air yaitu :
Profil Sr f 11 dalam hal aliran subkritis (y > ya am a a ran u r (y ycc), ),
sebagai contoh adalah air balik aliran melalui bendung (Gb. 4.6b). g ( . . ).
Profil S2 dalam hal aliran superkritis
(y < y ) sebagai contoh aliran melalui (y < yc), sebagai contoh aliran melalui
perubahan dasar saluran dari landai ke curam (Gb 4 6c)
(Gb. 4.6c).
Profil S3 dalam hal aliran super kritis
(y < y ) sebagai contoh adalah air balik (y < yc) sebagai contoh adalah air balik akibat perubahan dasar saluran dari curam
ke landai (Gb 4 6d) ke landai (Gb. 4.6d).
Penampang kontrol merupakan kondisi batas dari aliran berubah lambat laun.atas ar a ran ru ah am at aun.
Profil aliran dibawah kedalaman kritis adalah aliran super kritis sedangkan aliran diatas aliran super kritis, sedangkan aliran diatas kedalaman kritis adalah subkritis. Pada kedalaman y = y profil aliran tidak menentu kedalaman y = yc profil aliran tidak menentu, sedangkan pada y = yc permukaan aliran mendekati y di tak berhingga
yn S H2 yn A2 Semu H3 Super kritis Super kritis ib< 0 A3 ib = 0 ib < 0 M1 C1
Dari
gambar-gambar
Super kritis M2 1 Super kritis C3gam ar
tersebut dapat
dilihat dari
ib < ic M3 ib = ic Sub kritis S1arah mana
aliran
Super kritis Sub kritis S2 S3dikendalikan /
dikontrol.
Gambar 4 7 Skema profil aliran untuk semua kemiringan
Super kritis ib > ic
Gambar 4.7. Skema profil aliran untuk semua kemiringan dasar
☻ Tujuan Pembelajaran Umum
Setelah mempelajari modul ini mahasiswa memahami perubahan profil permukaan air p p p akibat perubahan permukaan air di ujung hilir.
☻ Tujuan Pembelajaran Khusus
S t l h l j i d l i i d b
Setelah mempelajari modul ini dan mencoba menjawab soal-soal latihan mahasiswa mampu
hit k d l k iti d k d l
menghitung kedalaman kritis dan kedalaman normal dan menentukan bentuk profil
k i
Aliran Subkritis pada umumnya dikendalikan dari hilir untuk melihat gejala dikendalikan dari hilir untuk melihat gejala tersebut, perhatikan penampang kontrol dimana elevasi permukaan airnya diketahui sedang ke elevasi permukaan airnya diketahui sedang ke arah hulu menuju ke batas aliran di tak berhingga
berhingga.
Dibawah ini diuraikan dengan gambar profil permukaan aliran yang dikendalikan dari hilir.
C A2 y y c C i < 0 (a) C A2 Keterangan : C y y 2 : arah aliran : arah kontrol profil aliran di permukaan C i = 0 yc udara di permukaan (b)
M C M1 y yn y ib< i yc y C ib < ic C (c) M2 C ib < ic C (d) (d)
M2 C ib < ic C (e) (e)
S1 C ib > ic yn yc C (f) S1 C Laut i > i 1 yc y Laut ib > ic C yc (g)
Gambar 4 8 Profil permukaan aliran berubah lambat laun Gambar 4.8. Profil permukaan aliran berubah lambat laun
Gambar 4.8. menunjukkan contoh profil permukaan air karena perubahan elevasi permukaan air karena perubahan elevasi permukaan air di hilir akibat pembendungan atau fluktuasi/pasang surut di ujung hilirnya Secara fluktuasi/pasang surut di ujung hilirnya. Secara rinci penjelasan setiap contoh pada Gb. 4.8 tersebut adalah sebagai berikut (berurutan tersebut adalah sebagai berikut (berurutan sesuai urutan gambar) :
a. Gambar (a) tersebut menunjukkan contoh suatu aliran dalam saluran dengan kemiringan negatif (menanjak di arah aliran). Di ujung hilirnya dipasang suatu bendung sehingga permukaan air naik dan menyebabkan air balik (
backwater
).Profil air balik ini bentuknya dikendalikan oleh kedalaman air di penampang C – C oleh kedalaman air di penampang C – C,
yaitu penampang pengendali atau
penampang kontrol Profil permukaan air penampang kontrol. Profil permukaan air diberi notasi A2 (
Adverse Slope
dan letaknya diatas y ) Dalam hal ini y tidak letaknya diatas yc). Dalam hal ini yn tidak ada (yn imaginer) karena ib negatif.b Gambar (b) tersebut menunjukkan contoh b. Gambar (b) tersebut menunjukkan contoh suatu aliran dalam saluran dengan dasar horizontal yang hilirnya mengalami horizontal yang hilirnya mengalami terjunan. Dalam hal ini profil aliran yang terbentuk bukan air balik tetapi terjunan terbentuk bukan air balik tetapi terjunan.
Walaupun demikian profil aliran tetap dikendalikan leh kedalaman air di dikendalikan oleh kedalaman air di penampang kontrol C – C. Profil permukaan air diberi notasi H (Horizontal dan air diberi notasi H2 (Horizontal dan letaknya diatas yc dan yn). Dalam hal ini
harga y karena i 0
harga yn = ∞ karena ib = 0.
c. Gambar (c) tersebut menunjukkan contoh suatu aliran dalam saluran dengang kemiringan dasar positif landai yang di hilirnya terdapat terjunan ke danau atauy p j ke laut. Oleh karena kemiringan dasar lebih kecil daripada kemiringan kritis makap g yc < yn.
Apabila permukaan air dihilir lebih tinggi daripada maka akan terjadi air balik daripada yn maka akan terjadi air balik (
backwater
). Bentuk profil air balik ini dikendalikan oleh kedalaman air di dikendalikan oleh kedalaman air di penampang kontrol C – C. Profil ini diberi notasi M (Mild Slope
dan letaknya diatas notasi M1 (Mild Slope
dan letaknya diatas yn atau y > yn).d. Gambar (d) tersebut menunjukkan contohm ( ) m j suatu aliran dalam suatu saluran dengan kemiringan dasar positif landai yang dim g p f y g hilirnya terdapat terjunan ke danau atau ke laut.
Oleh karena kemiringan dasar lebih kecil daripada kemirin an kritis maka <
daripada kemiringan kritis maka yc < yn . Apabila permukaan air dihilir lebih rendah daripada y tetapi masih lebih tinggi daripada yn tetapi masih lebih tinggi daripada yc maka akan terjadi terjunan yang landai Bentuk profil ini tergantung yang landai. Bentuk profil ini tergantung pada elevasi permukaan air di penampang kontrol C C Profil ini diberi notasi M kontrol C – C. Profil ini diberi notasi M2 (
Mild Slope
dan letaknya diantara yn dan yc atau y > y > y )atau yn > y > yc).
e. Gambar (e) tersebut menunjukkan contoh suatu aliran dalam saluran dengang kemiringan dasar positif landai
yang di hilirnya terdapat terjunan ke
y g y p j
danau atau ke laut. Oleh karena
kemiringan dasarm g lebih kecil daripadap kemiringan kritis maka yc < yn . Apabila permukaan air dihilir berada dibawah yc
p yc
maka profil aliran lebih curam daripada profil aliran di contoh (d).
p ( )
Profil ini bentuknya dikendalikan oleh kedalaman kritis di penampang kontrolp p g C – C. Profil ini akan tetap bertahan dalam bentuk ini walaupun permukaan aliran dip p hilir terus menurun. Profil ini juga diberi notasi M22.
Hal ini dapat digunakan untuk memberi c nt h bah a apabila aliran di hilir contoh bahwa apabila aliran di hilir dipompa (untuk penurunan permukaan air di danau) profil M di saluran akan tetap danau) profil M2 di saluran akan tetap bertahan seperti pada gambar karena permukaan air di penampang kontrol C C permukaan air di penampang kontrol C – C tepat pada kedalaman yc yang berarti debit aliran di saluran mencapai maksimum debit aliran di saluran mencapai maksimum. Apabila kapasitas pompa di tambah akan mubadzir
mubadzir.
f. Gambar (f) menunjukkan contoh aliran( ) j dalam saluran dengan kemiringan curam yang di hilirnya dipasang bendung
atau pelimpah sehingga tinggi air naik melampaui kedalaman kritis Akibat melampaui kedalaman kritis. Akibat kenaikan permukaan air ini akan terjadi air balik. Oleh karena kemiringan dasar air balik. Oleh karena kemiringan dasar curam maka yc > yn . Karena air di saluran berbentuk superkritis maka air balik berbentuk superkritis maka air balik tersebut membentuk juga suatu loncatan air (perubahan dari aliran superkritis ke air (perubahan dari aliran superkritis ke aliran subkritis). Profil loncatan air akibat air balik ini dikendalikan dari hilir yaitu air balik ini dikendalikan dari hilir yaitu penampang kontrol C – C. Turun naiknya permukaan air diatas bendung yang akan permukaan air diatas bendung yang akan menentukan bentuk profil. Profil ini diberi notasi S1 (
steep slope
dan letaknya diatas notasi S1 (steep slope
dan letaknya diatas yc dan yn atau y > yc > yn).g. Gambar (g) menunjukkan contoh aliran dalam saluran dengan kemiringan positif dalam saluran dengan kemiringan positif curam dimana pada ujung hilirnya terdapat pasang air laut Akibat kenaikan permukaan pasang air laut. Akibat kenaikan permukaan air ini akan terjadi air balik. Oleh karena kemiringan dasar curam maka y > y
kemiringan dasar curam maka yc > yn . Karena air di saluran berbentuk
superkritis maka air balik tersebut superkritis maka air balik tersebut membentuk juga suatu loncatan air (perubahan dari aliran superkritis ke (perubahan dari aliran superkritis ke aliran subkritis).
Profil loncatan air akibat air balik ini dikendalikan dari hilir aitu penampan dikendalikan dari hilir yaitu penampang kontrol C – C. Turun naiknya permukaan air diatas bendung yang akan menentukan diatas bendung yang akan menentukan bentuk profil. Profil ini diberi notasi S1 (
steep slope
dan letaknya diatas y dan y (steep slope
dan letaknya diatas yc dan yn atau y > yc > yn)Catatan :
D l h (f) d ( ) l d h k
Dalam contoh (f) dan (g) perlu diperhatikan bahwa dalam kemiringan curam (i0 > ic) profil
l d d h d l
aliran di daerah dimana y > yc > yn alirannya adalah subkritis sehingga pengendalian dari
hili penampang hilir.
Pada laminar super kritis aliran dikendalikan dari hulu yaitu dari suatu dikendalikan dari hulu yaitu dari suatu
penampang kontrol yang sudah
mempunyai elevasi tertentu atau dari mempunyai elevasi tertentu, atau dari kedalaman kritis untuk memperjelas fenomena ini dapat dilihat pada Gb 4 9 fenomena ini dapat dilihat pada Gb. 4.9 berikut ini.
Pintu air A3 yc Reservoir y1 ib < 0 Reservoir y1 (a) Pintu air H3 i 0 Reservoir y yc y2 ib = 0 (b)
Pintu air ib< i M3 Reservoir y yc y2 Pintu air ib < ic (c) S3 yn Reservoir y ib > ic (d) yc Pintu air S2 y Pintu air R i yn yc ib > ic (e) y Reservoir
Dari gambar 4.9 dapat dijelaskan profil aliran yang dikendalikan dari hulu dengan uraian
sebagai berikut :
a. Gambar (a) menunjukkan aliran air dari suatu reservoir (waduk) ke suatu saluran suatu reservoir (waduk) ke suatu saluran
dengan kemiringan negatif (
Adverse slope
). Pada saat memasuki saluran aliranPada saat memasuki saluran aliran
merupakan aliran superkritis (y1 < yc). oleh karena pada kemiringan dasar negatif karena pada kemiringan dasar negatif yn = imaginer maka kedalaman air di hilir
akan merupakan aliran kritis. akan merupakan aliran kritis.
Tetapi apabila di ujung hilir terdapat Tetapi apabila di ujung hilir terdapat
bendung sehingga permukaan air naik sampai melebihi y maka akan terjadi loncatan air melebihi yc maka akan terjadi loncatan air. Loncatan air ini diawali oleh profil aliran
dik d lik d i h l it d i yang dikendalikan dari hulu yaitu dari penampang kontraksi di bawah pintu.
f l d ( k
Profil ini diberi notasi A3 (A karena
kemiringan “
adverse
”
dan notasi 3 karena y < yc < yn).b G mb (b) m j kk li i d i b. Gambar (b) menunjukkan aliran air dari
suatu danau ke saluran dengan kemiringan h i nt l P d s t m m s ki s l n horizontal. Pada saat memasuki saluran aliran merupakan aliran superkritis (y1<yc). Ol h k n p d k mi in n d s
Oleh karena pada kemiringan dasar
horizontal yn = ∞ maka kedalaman air di hilir akan merupakan aliran kritis
hilir akan merupakan aliran kritis. Selanjutnya seperti dijelaskan pada Gb (a)
c. Gambar (c) menunjukkan aliran air dari m ( ) m j suatu danau ke dalam saluran dengan kemiringan positif landai (im g p f ( bb < icc). )
Pada saat memasuki saluran aliran akan merupakan aliran subkritis (y > y ) tetapi merupakan aliran subkritis (y > yc), tetapi karena aliran ini dibawah pintu merupakan aliran superkritis maka akan terjadi
aliran superkritis maka akan terjadi
loncatan air yang diawali oleh profil M3 (M karena
mild slope
dan angka 3 karena (M karenamild slope
dan angka 3 karenaberada dalam aliran superkritis yaitu y < y < y ) Profil M3 ini dikendalikan oleh
y < yc < yn). Profil M3 ini dikendalikan oleh penampang kontrol di hulu di penampang kontraksi dibawah pintu
d. Gambar (d) menunjukkan aliran air darim ( ) m j danau (reservoir) ke suatu saluran dengan kemiringan positif curam (im g p f m ( bb > icc). Pada saat) memasuki saluran, aliran akan merupakan aliran superkritis.p
Apabila bukaan pintu berada dibawah kedalaman normal maka akan terjadi kedalaman normal maka akan terjadi loncatan air yang membentuk profil S3 (S karena
steep slope
dan angka 3 karena karenasteep slope
dan angka 3 karena berada didalam daerah aliran superkritis dimana y < y < y ) Profil ini dikendalikan dimana y < yn < yc). Profil ini dikendalikan dari hulu yaitu dari tinggi bukaan pintu.e. Gambar (e) menunjukkan aliran air dari m ( ) m j
danau (reservoir) ke suatu saluran dengan kemiringan positif curam seperti pada m g p f m p p
contoh (a) hanya saja bukaan pintu lebih rendah sehingga berada dibawah gg
kedalaman kritis yc. Dalam hal ini profil aliran berupa terjunan dengan bentuk Sp j g 22
(S karena
steep slope
dan angka 2 karena berada didalam daerah antara yycc dan yynn). ) Oleh karena kedalaman aliran y < yc maka alirannya adalah superkritis danalirannya adalah superkritis dan dikendalikan dari hulu yaitu tinggi bukaan pintu
Untuk suatu keperluan atau suatu kondisi topografi saluran dapat mengalami perubahanp g p g p kemiringan dasanya. Perubahan kemiringan dasar tersebut akan berpengaruh pada perubahanp g p p profil permukaan aliran. Sebagai contoh antara lain sebagai terlihat pada Gb. 4.10 berikut ini.g p
y y S2 M2 ib< ic yn yc y yn yc y S2 b c ib > ic (a) M2 C2 C1 ib > ic C1 ib > ic C2 C1 (b)
C yc yn C M yc yn C ib > ic ib < ic M3 (c) M1 M2 ( ) y Alternatif 3 I < i M2 M2 yn a 3 Alternatif 2 Alternatif 1 Ib < ic Alternatif 1 (d)
S1 ib > ic (e) Keterangan : : arah aliran : arah kontrol profil aliran di permukaan di permukaan
Gambar 4.10. Perubahan profil aliran akibat perubahan kemiringan dasar saluran
Seperti telah dijelaskan di muka bahwa
besarnya kedalaman kritis ysarnya a aman r t s ycc tidak tergantung t a t rgantung pada kemiringan dasar saluran. Oleh karena itu kedalaman kritis ym yc c sama disepanjang aliran. m p j g .
Kedalaman normal yn tergantung pada kemiringan dasar saluran. Gambar 4.10 menunjukkan m m j
perubahan profil aliran dengan penjelasan sebagai berikut :g
a. Gambar (a) menunjukkan perubahan
kemiringan dasar dari landai (ib < i ) ke kemiringan dasar dari landai (ib < ic) ke curam (ib > ic).
Profil aliran akan berbentuk M pada Profil aliran akan berbentuk M2 pada saluran hulu, yang dikendalikan dari penampang C C ke hulu dan S pada penampang C – C ke hulu dan S2 pada saluran hilir yang dikendalikan oleh penampang C C ke hilir
b. Gambar (b) menunjukkan perubahan kemirin an dari curam (i > i ) ke landai
kemiringan dari curam (ib > ic) ke landai
(ib < ic) dan ujung hilir terjadi terjunan,
d l h l f l l d k d l k
dalam hal ini profil aliran dikendalikan oleh kedalaman kritis di penampang C2 – C2
hi li d i h l b k fil
sehingga aliran dari hulu membentuk profil M2 sampai ke penampang C1 – C1.
P k i di C C i i
Permukaan air di penampang C1 – C1 ini yang mengontrol aliran dari saluran hulu.
Ol h k li di l h l b
Oleh karena aliran di saluran hulu berupa aliran superkritis maka perubahan ke aliran
b k i i k b bk j di
sub-kritis akan menyebabkan terjadinya loncatan air dan profil permukaan air akan
b b k S
c. Gambar (c) menunjukkan perubahan kemiringan saluran dari curam (ib > ic) ke kemiringan saluran dari curam (ib ic) ke landai (ib < ic). Seperti pada contoh (b) perubahan dari aliran superkritis ke sub-perubahan dari aliran superkritis ke sub kritis akan membentuk suatu loncatan air; tetapi berbeda dengan contoh (b) karena tetapi berbeda dengan contoh (b) karena disini terjadinya loncatan pada saluran hilir. Dalam hal ini profil alirannya adalah h l r. Dalam hal n prof l al rannya adalah M3 yang dikendalikan dari hulu yaitu oleh kedalaman yc pada penampang control
kedalaman yc pada penampang control C – C.
d. Gambar (d) menunjukkan beberapa alternatif dari profil aliran dengan p g kemiringan landai akibat fluktuasi permukaan air di hilir.
p
e Gambar (e) menunjukkan profil permukaan e. Gambar (e) menunjukkan profil permukaan air dari aliran superkritis yang memasuki saluran atau danau atau laut dengan elevasi saluran atau danau atau laut dengan elevasi permukaan air lebih tinggi daripada yc.
P fil li k b b h bil Profil aliran akan berubah apabila terjadi perubahan lebar saluran sebagai
h d l h l
contoh adalah suatu saluran yang mengalami pelebaran seperti pada Gb.
4 11 S l d k l b
a. Kemiringan landai `q1 q2< q1 q3< q1 (a) Denah M1 M2 y C (a) Denah Gambar 4 11 yn1 yc1 y yn2 yc2 y yc3= yc1 yn3 = yn1 Gambar 4.11. Perubahan profil aliran dalam yn1 b. Kemiringan curam C ib < ic (b) saluran yang mengalami b h l b S2 C yn y c perubahan lebar S3 yn yc y n y c C yc ib > ic (c)
a. Gambar (a) menunjukkan denah saluran yang mengalami pelebaran pada suatu jarak tertentu. Karena adanya pelebaran maka debit per-satuan lebar q mengalami perubahan pada pelebaran, akibatnya kedalaman kritis yc juga berubah menjadi lebih kecil.
b. Gambar (b) menunjukkan sket profil( ) j p permukaan air akibat pelebaran tersebut. Dengan posisi yg p ycc dan yynn pada masing-p g masing ruas saluran (hulu, tengah dan hilir) dapat digambar profil Mp g p 11 di saluran tengahg (pada pelebaran) dan M2 di saluran hulu. Profil ini dikendalikan oleh kedalaman normal yn dipenampang C – C yang menyebabkan air balik ke saluran tengahy g dan penurunan di saluran hulu.
c. Gambar (c) menunjukkan sket profil( ) j p permukaan aliran akibat pelebaran seperti pada (b) tetapi dengan kemiringan curam
p ( ) p g g
(ib > ic). dengan cara yang sama dengan cara yang diterapkan pada (b) dapat digambar
y g p p ( ) p g
profil S2 dan S3 yang dikontrol dari hulu yaitu dari penampang C – C. Di saluran
y p p g
tengah terbentuk profil S2 dan di saluran hilir terbentuk profil Sp 33.
B t k 5 k l m k t k m j k d Bentuk 5 kelompok untuk mengerjakan dan mendiskusikan soal latihan berikut ini
(m sin m sin p s t s l) (masing-masing grup satu soal).
1. Sket kemungkinan profil aliran untuk suatu aliran dalam saluran terbuka berpenampang p p g persegi empat lebar B = 6 m
yang mempunyai kekasaran dinding dengan
y g p y g g
koefisien Manning n = 0,20, dan mempunyai kemiringan dasar seperti pada gambar 4.12g p p g
ib1 = 0,0009
ib2b2 = 0,0016
ib3 = 0,016
G b 4 12 P l ( l l ih 1) Gambar 4.12. Potongan saluran (soal latihan 1)
2. Sket kemungkinan profil aliran untuk suatu
li d l l t b k b
aliran dalam saluran terbuka berpenampang trapesium dengan
lebar dasar B = 6 m,
kemiringan tebing 1 : z = 1,1 dang g ,
koefisien kekasaran dinding (Manning) n = 0 022 serta mempunyai kemiringan
n = 0,022, serta mempunyai kemiringan dasar seperti pada Gb. 4.13.
ib = 0,016
ib = 0 (horisontal)
ib = 0,0016
Gambar 4.13. Potongan memanjang saluran Gam ar . . otongan m manjang sa uran
k k k f l l k
3. Sket kemungkinan profil aliran untuk suatu aliran dalam saluran terbuka berpenampang
l b B 6
persegi empat lebar B = 6 m yang
mempunyai kekasaran dinding dengan
k f M 0 018 d
koefisien Manning n = 0,018 dan mempunyai penampang memanjang seperti pada Gb.
p p g j g p p
Pintu air 1
Pintu air 2
ib = 0,0016
Gambar 4.14. Potongan memanjang saluran ( l l tih 3)
4 Sk t k m ki fil li t k s t 4. Sket kemungkinan profil aliran untuk suatu
aliran dalam saluran persegi empat llebar B = 6 m yang
mempunyai kekasaran dinding denganp y g g koefisien Manning n = 0,015
dan mempunyai penampang memanjang dan mempunyai penampang memanjang seperti pada Gb. 4.15.
Pintu air 2 Pintu air 1
ib = 0,016
Gambar 4.15. Potongan memanjang saluran (soal latihan 4)
5. Sket kemungkinan profil aliran untuk suatu saluran berpenampang trapesium dengan saluran berpenampang trapesium dengan lebar B = 6 m,
k i i bi 1 1 1½ d
kemiringan tebing 1 : z = 1 : 1½ dan
kekasaran dinding dengan koefisien
Manning n = 0,020 , serta mempunyai kemiringan dasar seperti pada Gb. 4.16.m g p p
ib1 = 0,01
ib2 = 0,0004
ib3 = 0,016
Gambar 4.16. Potongan memanjang saluran Gam ar . 6. otongan m manjang sa uran
· Aliran berubah lambat laun mempunyai profil
aliran yang bentuknya menurut kemiringan dasar y g y g saluran yaitu : kemiringan negatif (
adverse
slope
p
), kemiringan nol (horisontal), kemiringan ) g ( ) g kritis (critical slope
), kemiringan landai (mild
slope
p
), dan kemiringan curam () g (steep slope
p
p
).)· Setiap jenis profil aliran deberi notasi · Setiap jenis profil aliran deberi notasi
menurut jenis kemiringan dasar (A,H,C,M,S) dan menurut kedalaman alirannya (1 apabila y > y > menurut kedalaman alirannya (1. apabila y > yc > yn atau y > yn > yc ; 2. apabila yn > y > yc atau
y > y > y ; dan 3 apabila y < y < y yc > y > yn ; dan 3. apabila y < yc < yn
·Profil aliran tersebut dikendalikan dari hilir
apabila aliran adalah subkritis y > yc dan dikendalikan dari hulu apabila aliran adalah
superkritis (y < yc).
·Perubahan profil aliran dapat disebabkan oleh
perubahan kemiringan dasar saluran atau oleh perubahan kemiringan dasar saluran atau oleh
bangunan-bangunan air di hulu atau di hilir seperti pintu air dan bendung