BAB III BANGUNAN PELIMPAH
3.6 Desain Hidraulis Pelimpah
3.6.8 Pelimpah Samping
a) Analisis Hidraulik
Pada setiap ruas pendek di pelimpah samping, momentum pada awal ruas di tambah setiap peningkatan momentum akibat gaya-gaya eksternal, harus sama dengan momentum pada akhir dari ruas. Apabila ruas pendek, Δ x, dipertimbangkan, serta kecepatan V dan debit Q pada bagian hulu, maka pada bagian hilir, kecepatan dan debit menjadi V + Δ V dan Q + q (Δ x), dimana q adalah aliran masuk per ft panjang mercu . Momen pada pada kedua bagian menjadi :
Hulu ,
g
Mhu Qv ...………...….…... (13 )
Hilir,
V v
g x q
Mhi Q ( )
………...……… (14) Ganti persamaan (13) dari persamaan (14)
v v
g x q g
v
M Q
( ) ( )
... (15)
48 PUSAT PENDIDIKAN DAN PELATIHAN SUMBER DAYA AIR DAN KONSTRUKSI
dibagi dengan Δ x :
v v
g q x g
v Q x
M
) (
)
( ……….…………...……….. (16) Laju perubahan momentum terhadap waktu adalah v di kali dengan laju perubahan terhadap x , dan dengan mempertimbangkan kecepatan rata–
rata menjadi
[ v + ½ (Δ v) ] , maka persamaan (16) dapat di tulis menjadi :
( )
2 ) 1
2( 1 ) (
)
( v v v v
g v q x v
g v Q t
M ………..……….
(17) Dengan
t M
sebagai gaya percepatan, yang sama dengan kemiringan
muka air x y
di kalikan dengan debit rata-rata , maka persamaan (17) menjadi :
( )
2 ) 1
2( 1 ) (
) ) (
2(
1 v v v v
g v q x v
g v Q Q
x Q
y ……....… (18)
Dengan perubahan elevasi muka air, maka
v v
Q x v q
Q Q
g
v v
y Q ( )
) ( 2 / 1
) ( 2 /
1 ………..………... (19)
Apabila Q1 dan v1 merupakan nilai pada awal ruas, Q2 dan v2 merupakan nilai pada akhir ruas, maka persamaan dapat di tulis sebagai berikut :
1 1 2 2 1 2 2 1
2 1
1 ( )
) ) (
(
) (
Q Q Q v v
Q v Q g
v v
y Q ……….. (20)
Dengan cara yang sama, hasilnya dapat dikembangkan sebagai berikut :
PUSAT PENDIDIKAN DAN PELATIHAN SUMBER DAYA AIR DAN KONSTRUKSI 49
2 1 2 1 1 2 2 1
2 1
2 ( )
) ) (
(
) (
Q Q Q v v
Q v Q g
v v
y Q ……… (21)
Dengan menggunakan persamaan (20) atau (21) dapat di tentukan profil muka air untuk setiap saluran samping tertentu dengan mengasumsikan nilai setiap ruas pendek yang berurutan. Solusi untuk persamaan (20) dan (21) di peroleh dengan prosedur coba-coba (trial and errror).
Untuk suatu ruas panjang Δ x, pada lokasi tertentu, Q1 dan Q2 dapat diketahui. Apabila kedalaman pada satu ujung titik telah ditetapkan, maka kedalaman percobaan di ujung lain dari ruas dapat di peroleh yang memenuhi nilai Δy yang sudah di indikasi maupun di hitung.
Gambar 3.23. Profil Saluran dan Karakteristik Pelimpah Samping (Sumber : Design of Small Dams, USBR )
50 PUSAT PENDIDIKAN DAN PELATIHAN SUMBER DAYA AIR DAN KONSTRUKSI
b) Kondisi Aliran
Seperti pada penentuan profil muka air lainnya, maka kedalaman aliran dan karakteristik hidraulik dari aliran akan di pengaruhi oleh aliran balik (backwater) dari beberapa titik kendali, atau oleh kondisi kritis sepanjang ruas saluran yang di pertimbangkan. Pemilihan titik kendali untuk perhitungan profil muka air dilakukan sebagai berikut.
Apabila dasar dari saluran samping ditentukan sehingga kedalaman air yang berada di bawah gradient hidraulik lebih besar dari kedalaman energi minimum tertentu, maka aliran dapat berada pada kondisi subkritis maupun superkritis tergantung pada hubungan profil dasar saluran terhadap kemiringan kritis atau pengaruh dari bagian kendali di hilir.
Apabila kemiringan dasar saluran lebih besar dari kritis dan bagian kendali belum ditetapkan lokasinya di hilir saluran samping, maka aliran superkritis akan terjadi sepanjang saluran samping. Pada tahap ini kecepatan menjadi tinggi dan kedalaman air menjadi dangkal, yang menghasilkan jatuhnya air yang relatif tinggi dari elevasi muka air waduk ke muka air saluran samping.
Gambar 3.24. Perbandingan Potongan Melintang Saluran Samping (Sumber : Design of Small Dams, USBR)
Kondisi aliran tersebut diilustrasikan pada muka air B pada Gambar 3.23.
Sebaliknya apabila bagian kendali telah ditetapkan dihilir dari saluran samping untuk menaikkan kedalaman air di hulu, maka saluran dapat dibuat untuk mengalirkan aliran pada kondisi subkritis. Kecepatan pada
PUSAT PENDIDIKAN DAN PELATIHAN SUMBER DAYA AIR DAN KONSTRUKSI 51 kondisi ini menjadi lebih kecil dari kritis dan kedalaman aliran menjadi lebih besar, yang menyebabkan tinggi jatuh air yang kecil dari muka air waduk ke muka air saluran samping. Kondisi aliran untuk kedalaman subkritis diilustrasikan pada Gambar 3.23. dengan profil muka air A.
Pengaruh dari jarak jatuhnya air dari waduk ke muka air saluran untuk setiap tipe aliran disajikan pada Gambar 3.23. B. Dapat dilihat bahwa pada tahap subkritis, aliran datang tidak akan menyebabkan kecepatan kearah melintang yang tinggi karena tinggi terjun yang rendah sebelum bertemu dengan aliran saluran, sehingga dapat memberikan proses diffusi yang baik dengan massa air di saluran samping.
Karena kecepatan datang dan kecepatan saluran relatif lambat, maka akan terjadi campuran aliran, yang menghasilkan aliran yang cukup halus di saluran samping. Apabila kondisi aliran saluran samping berada dalam kondisi superkritis, maka kecepatan saluran samping akan tinggi, kemudian percampuran aliran kearah melintang berenergi tinggi dengan aliran saluran akan menjadi turbulen dan kasar. Aliran kearah melintang cenderung untuk menyapu aliran ke sisi saluran yang lebih jauh, dan menghasilkan gelombang ekstrim dengan getaran. Dengan demikian aliran yang terjadi harus di jaga tetap pada kondisi subkritis untuk memperoleh kinerja hidraulik yang baik. Hal ini dapat di capai dengan menetapkan bagian kendali di hilir saluran samping.
Bentuk potongan melintang saluran samping akan dipengaruhi oleh mercu limpasan pada satu sisi dan oleh kondisi tebing pada sisi lain. Disebabkan karena terbentuknya turbulensi dan vibrasi yang menjadi satu di dalam aliran saluran samping, pada umumnya desain saluran samping tidak disetujui untuk dilaksanakan kecuali bila terdapat fondasi batuan. Dinding sisi saluran samping biasanya berupa lining beton yang ditempatkan pada lereng tumpuan dan di angker ke batuan.
Potongan melintang berbentuk trapesium merupakan salah satu bentuk yang banyak digunakan untuk saluran samping. Lebar saluran dalam kaitannya dengan kedalaman harus dipertimbangkan. Apabila ratio lebar
52 PUSAT PENDIDIKAN DAN PELATIHAN SUMBER DAYA AIR DAN KONSTRUKSI
terhadap dalam cukup besar, maka kedalaman aliran di saluran menjadi dangkal, sama juga dengan yang disampaikan pada potongan abfg pada Gambar 3.24. Cukup jelas bahwa untuk kondisi ini akan terjadi diffusi (penyebaran) yang buruk dari aliran datang dengan aliran saluran samping.
Potongan melintang dengan rasio minimum dari lebar terhadap dalam, dapat menyediakan kinerja hidraulik yang paling baik, dengan indikasi bahwa potongan melintang yang mendekati seperti yang di gambarkan sebagai adj pada Gambar 3.24. menjadi pilihan yang ideal baik dari segi hidraulik dan ekonomi. Lebar minimum dasar saluran diperlukan untuk menghindari kesulitan dalam konstruksi karena keterbatasan ruang.
Selanjutnya stabilitas bangunan dan dinding bukit curam yang dapat membahayakan dengan adanya galian dalam yang ekstrim pada tumpuan harus di pertimbangkan. Dengan demikian lebar dasar minimum harus dipilih sesuai dengan aspek praktikal dan struktural.
Bagian kendali di hilir saluran samping dapat diperoleh dengan membatasi dinding saluran atau meninggikan dasar saluran untuk mendapatkan titik aliran kritis. Aliran di hulu kendali berada pada tahap subkritis dan menyediakan kedalaman yang maksimum pada saluran samping.
Dasar saluran samping dan dimensi kendali kemudian dipilih sehingga aliran dalam saluran samping di tempat yang berlawanan dengan mercu akan menjadi aliran yang paling dalam yang dimungkinkan tanpa penenggelaman aliran yang melalui mercu. Aliran di saluran di hilir kendali kemudian menjadi sama seperti saluran biasa atau pada saluran luncur.
PUSAT PENDIDIKAN DAN PELATIHAN SUMBER DAYA AIR DAN KONSTRUKSI 53 Gambar 3.25. Potongan Memanjang Saluran Samping
(Sumber : Design of Small Dams, USBR)