MATERI PERTEMUAN KE 5: Aliran Air dalam tanah, permeabilitas tanah, hukum Darcy, uji permeabilitas di laboratorium dan lapangan

MATERI PERTEMUAN KE 5:

Aliran Air dalam tanah, permeabilitas tanah, hukum Darcy, uji permeabilitas di laboratorium dan lapangan

1. Aliran air dalam tanah

Pada setiap perencanaan konstruksi yang akan dibangun di atas lapisan tanah, sifat-sifat hidrolik tanah di bawah bangunan sangat penting untuk dipertimbangkan, karena sangat sering kegagalan pada struktur adalah merupakan efek dari sifat-sifat hidrolik yang tidak dipertimbangkan, ataupun akibat kesalahan dalam menganalisisnya. Sifat-sifat hidrolik pada tanah meliputi eksistensi air tanah, permeabilitas tanah, dan kerembesan pada tanah.

Sumber utama air tanah adalah air hujan yang meresap ke bawah lapisan tanah melalui ruang pori di antara butiran tanah.Air tanah sangat berpengaruh terhadap sifat-sifat teknis tanah, terutama pada jenis tanah berbutir halus. Air tanah juga sangat penting dipertimbangkan pada berbagai rekayasa terhadap tanah, seperti penurunan konstruksi, stabilitas pondasi, stabilitas lereng, stabilitas subgrade, dan lain sebagainya.

Secara umum air tanah didefinisikan sebagai air yang terdapat di bawah permukaan bumi.

Sementara itu secara garis besar air yang berada di bawah permukaan tanah, berada pada dua macam zona, yakni zona tak jenuh (unsaturated zone) atau biasa juga disebut vedose zone, dan zona jenuh (saturated zone) atau freatis zone.

Terkait dengan keberadaan air di dalam tanah, ada empat macam zone lapisan tanah yang dekat ke permukaan bumi, yang terdiri atas dua zona yang merupakan lapisan “vedose zone”, yakni pendular zone dan funicular zone. Juga terdapat dua zonalapis yang merupakan lapisan “saturated zone”, yaitu capillary zone dan freatis zone. Keempat zona tersebut tersusun berturut-turut dari atas ke bawah sebagai berikut:

a. Zone air penduler atau air menggantung (tanah tak jenuh) b. Zone air funikuler atau air bergerak (tanah tak jenuh) c. Zone air kapiler (tanah jenuh pada pori tanah asli) d. Zone freatis (tanah jenuh)

Ilustrasi posisi air tanah di dalam tanah dapat dilihat pada skema lapisan tanah dan diskripsi sumur bor yang digambarkan sebagai berikut :

Gambar 1.

Skema lapis tanah zona tak jenuh sampai zona jenuh (Abdul S. et al., 1989).

Dari skema dan boring loging yang digambarkan di atas, terlihat bahwa eksistensi air di dalam lapisan tanah ada dua jenis, yakni :

1. Air tanah yang berada pada lapisan tak jenuh (unsaturated).

2. Air tanah yang berada pada lapisan jenuh (saturated).

Menurut Darwis (2017), bahwa esensi air yang berada pada kedua zona tersebut juga berbeda, yang mana air yang berada pada vedose zone adalah merupakan airtanah (soil water) yang diperlukan oleh tanaman untuk bertumbuh dan tidak merupakan bagian dari akuifer. Sedangkan air yang berada pada saturated zone adalah merupakan air tanah (groundwater), yang sebagian merupakan penopang terhadap pertumbuhan tanaman (capillary water) dan sebagian lagi merupakan simpanan akuifer (freatis water).

Zona kapiler (capillary zone) adalah sesuatu yang unik dalam komposisi air tanah, yang mana lapisan ini bersifat jenuh (saturated zone) dengan kondisi pori-pori pada lapisan tanah asli di atasnya. Akan tetapi ketika dilakukan penggalian air kapiler tidak akan menggenang seperti halnya pada air yang berada pada freatis zone, walaupun keduanya berada pada lapisan jenuh (saturated layer). Hal ini disebabkan oleh karena air kapiler adalah merupakan air hisapan akibat adanya tekanan kapiler (capillary pressure) yang terjadi di dalam tanah, dimana rangkaian pori-pori di dalam tanah berfungsi sebagai tabung kapiler. Besarnya tekanan kapiler di dalam tanah sangat tergantung pada ukuran pori yang terbentuk di dalam lapisan tanah (Darwis, 2017).

Pengertian tentang infiltrasi dan perkolasi banyak dikemukakan para ahli, diantaranya menurut Clay Asdak (2007), bahwa infiltrasi adalah proses aliran air (umumnya berasal dari curah hujan), masuk ke dalam tanah. Sedangkan perkolasi merupakan proses kelanjutan aliran air tersebut ke dalam tanah yang lebih dalam. Sementara menurut Sitanala Arsyad (1989), bahwa infiltrasi adalah peristiwa masuknya air ke dalam tanah (umumnya tetapi tidak mesti) melalui permukaan tanah dan secara vertical. Sedangkan perkolasi adalah peristiwa bergeraknya air ke dalam profil tanah. Pengertian lain, bahwa infiltrasi adalah proses perpindahan air dari atas ke dalam permukaan tanah melalui pori-pori tanah (Soemarto, 1999).

2. Permeabilitas

Permeabilitas adalah kemampuan bahan yang berpori untuk meloloskan aliran (rembesan) dari fluida (air/minyak) melalui rongga atau pori-porinya. Karena semua pori di dalam tanah saling berhubungan antara satu dengan yang lainnya, sehingga air dapat mengalir dari titik yang berenersi tinggi ke titik yang berenersi rendah. Bentuk aliran fluida didalam tanah dapat berbentuk aliran laminar atau berupa aliran turbulen, tergantung pada tahanan terhadap aliran tersebut di dalam massa tanah. Tahanan terhadap aliran/rembesan di dalam tanah dipengaruhi oleh beberapa factor, antara lain:

- Ukuran butiran tanah - Bentuk butiran tanah - Rapat massa tanah

- Bentuk geometric rongga pori - Temperatur di dalam tanah

Temperatur di dalam tanah, akan mempengaruhi viscosity (kekentalan) dan juga mempengaruhi tegangan permukaan pada fluida yang mengalir. Jenis tanah yang mempunyai sifat mampu meloloskan fluida disebut “permeable”, dan sebaliknya jenis tanah yang mempunyai sifat tidak mampu meloloskan aliran fluida disebut “impermeable”. Dalam praktek biasa dikenal istilah tanah “semi-permeable”, yang digunakan untuk menggolongkan tanah yang mempunyai sifat permeabilitas yang “sangat kecil”.

Fluida di dalam massa tanah akan mengalir dari titik berenersi tinggi ke titik berenersi rendah. Hal ini dapat digambarkan sebagai berikut :

Gambar 2. Bentuk Aliran Vertikal Air Tanah

Partikel air akan bergerak dari ketinggian A ke ketinggian B, dengan mengikuti lintasan yang berkelok-kelok mengikuti geometrik rongga/pori yang ada di dalam tanah (Gambar-a).

Demikian pula dengan kecepatan alirannya sangat bervariasi, tergantung dari ukuran dan konfigurasi rongga/pori di dalam tanah. Namun di dalam praktek/rekayasa, tanah selalu dianggap sebagai satu kesatuan, sehingga air dianggap bergerak melewati lintasan lurus yang disebut “garis aliran” (Gambar-b), dengan kecepatan aliran yang dinyatakan seragam per satuan jarak tempuh aliran. Hal semacam ini hanya merupakan bentuk penyederhanaan model aliran, agar dapat dirumuskan formula untuk menjelaskannya.

Aliran air di dalam tanah sangat tergantung pada beda tinggi (tinggi enersi) antara titik asal partikel air ke titik tujuan partikel air. Tinggi enersi total (total head) adalah tinggi enersi elevasi (elevation head) – z, ditambah tinggi energi tekanan (pressure head) – h, yaitu ketinggian kolom air hA atau hB di dalam pipa (m), diukur di atas titiknya. Hal ini dapat digambarkan sebagai berikut:

Gambar 3 Aliran Fluida di dalam Tanah

Pada analisis aliran air di dalam tanah dengan alat piezometer, tinggi enersi kecepatan (velocity head) diabaikan karena nilainya sangat kecil. Ketinggian air di dalam pipa piezometer menunjukkan tekanan air pada titik tersebut. Persamaan umum untuk menunjukkan tekanan air pada suatu titik tertentu dapat dituliskan sebagai berikut :

p = w.h...(1) dengan,

p = tekanan air (t/m2 atau kN/m2)

piezometer menunjukkan tekanan air pada titik tersebut. Persamaan umum untuk menunjukkan tekanan air pada suatu titik tertentu dapat dituliskan sebagai berikut :

p = w.h...(2) dengan,

p = tekanan air (t/m² atau kN/m²)

w = berat volume air (t/m³ atau kN/m³) h = tinggi enersi tekanan (m)

Dari persamaan di atas, selanjutnya tinggi enersi tekanan dapat dirumuskan sebagai berikut : (3)

Sehingga tinggi enersi tekanan (pressure head) pada titik- A dan titik-B dari pipa Piezometer di atas, dapat dituliskan sebagai berikut :

(4)

Tekanan air pori biasanya dinyatakan dalam tekanan atmosfir relative. Ketinggian air dengan tekanan atmosfir “nol”, dinyatakan terhadap permukaan air tanah (permukaan freatis). Munculnya

“artesis” dapat terjadi apabila lapisan tanah miring yang berpermeabilitas tinggi (permeable), diapit oleh dua lapisan tanah yang bermeabilitas rendah (semi permeable) atau tanah yang tidak berpermeabilitas (impermeable).

3. Gradien Hidrolis

Total tinggi energi pada suatu titik dalam air yang bergerak berdasarkan persamaan Bernoulli adalah :

...(5) Dengan,

= tinggi tekanan

= tinggi kecepatan Z = tinggi elevasi h = tinggi energi total V = kecepatan

g = percepatan gravitasi



w

= berat volume air 2g Z V h P

2









w



w

P

2g V²

Jika persamaan Bernoulli diatas diterapkan pada air yang mengalir di dalam butiran tanah, dimana kecepatan alirannya sangat kecil sehingga tinggi kecepatan diabaikan, maka persamaan tersebut menjadi :

...(6)

dimana P/

w

adalah tinggi tekanan yang besarnya adalah sama dengan tinggi muka air yang terdapat di dalam pizometer yang diletakkan pada titik yang bersangkutan, seperti yang dijelaskan dalam Gambar 4 berikut ini.

Gambar 4. Hubungan antara tinggi tekanan, tinggi elevasi dan total tinggi aliran air dalam tanah Keterangan gambar :

- Pizometer dipasang di titik A dan B.

- Ketinggian air didalam pizometer dinamakan “pizometer level”

- Tinggi tekanan di suatu titik sama dengan tinggi air yang naik di dalam pizometer yang dipasang pada titik yang bersangkutan.

- Tinggi elevasi di suatu titik merupakan jarak vertikal yang diukur dari suatu bidang horisontal (datum) yang diambil sebarang ke titik yang bersangkutan.

- Kehilangan tinggi energi antara titik A dan B adalah : ...(7) atau dapat juga dituliskan :

h = i . L...(8) Dengan,

i = gradien hidrolis

L = jarak atau panjang aliran 4. Hukum Darcy

Kecepatan aliran (V) yang mengalir di dalam tanah yang jenuh, menurut Darcy adalah : V = k . i

P Z

h  



w



 



 





 



 







 _{A B A} P Z_B

P Z h

h h

w

w





A B





h

A

P

A

/

w

Z

A

h

h

B

P

B

/

w

Z

A

dimana k adalah koefisien rembesan

Banyaknya air yang mengalir melalui penampang tanah dengan luas A dalam satu satuan waktu atau debit aliran adalah :

q = V . A

Sedangkan volume air yang mengalir dalam suatu waktu tertentu t adalah : V

air

= Q = q x t = V . A . t = k . i . A . t

5. Penentuan Harga Koefisien Permeabilitas

Koefisien permeabilitas/rembesan adalah suatu besaran yang menunjukkan kecepatan rembesan air di dalam suatu medium, misalnya tanah.

Faktor-faktor yang mempengaruhi besarnya nilai koefisien rembesan adalah : - distribusi ukuran partikel

- bentuk partikel - struktur tanah - temperatur

Penentuan koefisien rembesan ini dapat dilakukan di laboratorium, di lapangan dan secara empiris.

A.Penentuan Harga Koefisien Permeabilitas di Laboratorium

Untuk menentukan harga koefisien rembesan di laboratorium dapat dilakukan dengan dua cara yaitu :

a. Uji tinggi konstan (Constant head test), biasanya dilakukan untuk tanah berbutir kasar b. Uji tinggi jatuh (Falling head test), digunakan untuk tanah berbutir halus.

Gambar 5. Uji rembesan dengan cara tinggi konstan (Constant head)

Gambar 6. Uji rembesan dengan cara tinggi jatuh (Falling head) B. Penentuan Harga Koefisien Permeabilitas di Lapangan

Koefisien rembesan dapat ditentukan secara langsung di lapangan, dengan dua cara yaitu : a. Memompa air dari dalam sumur

Gambar 7. Penentuan harga koefisien rembesan dengan membuat sumur pompa untuk akuifer tidak tertekan (unconfined aquifer)

- Disekitar sumur yang ditest (well test) dibuat beberapa sumur observasi (observation well) pada jarak yang berbeda-beda dari sumur yang ditest.

- Air dari dalam sumur dipompa dengan kecepatan konstan

- Setelah pemompaan dimulai, ketinggian air di dalam sumur yang ditest dan sumur

observasi diukur hingga keadaan konstan (steady state) dicapai.

Gambar 8. Penentuan harga koefisien rembesan dengan membuat sumur pompa untuk akuifer tertekan (confined aquifer)

b. Membuat lubang Auger (Auger hole)

- lubang dibuat di lapangan sampai kedalaman L di bawah muka air tanah.

- Air didalam lubang galian ditimbun hingga muka air tanah di dalam galian turun sebesar y.

- Waktu yang dibutuhkan oleh air di dalam galian untuk naik ke posisi semula dicatat.

Gambar 9. Penentuan harga koefisien rembesan di lapangan dengan lubang Auger.

C. Penentuan Harga Koefisien Rembesan Secara Empiris

- Untuk pasir yang seragam (uniform), harga k dapat ditentukan dengan persamaan berikut ini :

k = C . (D

10

)

²

(cm/detik)

dengan,

C = konstanta ( 1 – 1,5 ) D

10

= ukuran efektif (mm)

- Dengan menggunakan persamaan Kozeny-Carman :

dimana :

e = angka pori

e 1 k e

3

 