BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang
Bendungan adalah bangunan struktur hidrolik yang dirancang untuk menyimpan air skala besar di reservoir. Air yang tersimpan dapat dimanfaatkan untuk irigasi, penyediaan air bersih, pembngkit listrik tenaga air (PLTA), perikanan, sarana rekreasi dan pengendali banjir. Bendungan terdapat beberapa komponen utama yaitu badan bendungan (main dam), penampung air (reservoir) dan saluran pelimpah (spillway).
Bagian terpenting infrastruktur bendungan salah satunya adalah pelimpah.
Pelimpah berfungsi membuang kelebihan air untuk dikembalikan ke sungai.
Pelimpah didesain untuk mengalirkan air secara aman baik dari segi struktur maupun hidrauliknya. Salah satu jenis bagunan pelimpah yang sering digunakan pelimpah tipe ogee. Pelimpah tipe ogee digunakan untuk mengontrol debit dan kedalaman tampungan pada bendungan dan untuk mencegah terjadinya overtopping pada tubuh bendungan dan tidak memberikan tekanan sub-atmosfir yang diakibatkan limpasan air. Faktor kunci terpenting dalam desain pelimpah (spillway) adalah transportasi dan peredam energi. transportasi berarti mengalirkan air dalam jumlah besar secara aman di saluran peluncur sesuai dengan aturan hidrolik (Linda, 2020). Peredam energi pada bagian hilir umumnya digunakan untuk meredam energi aliran dari pelimpah dan mengurangi kecepatan sehingga bagian hilir saluran dapat terhindar dari gerusan.
Struktur dari spillway itu sendiri terdiri dari mercu pelimpah, saluran transisi, saluran peluncur, peredam energi, dan saluran pemgarah hilir.
Permasalahan yang sering terjadi pada sistem spillway terletak pada saluran transisi, saluran peluncur, dan peredam energi.
Pada saluran transisi dimana seringkali berbentuk saluran terbuka maupun saluran tertutup. Pada saluran terbuka permasalahan terjadi pada perubahan bentuk dasar saluran dimana penyempitan maupun pelebaran yang terjadi mengakibatkan aliran silang (cross flow). Akibat yang ditimbulkan dari ketidakberaturannya kinerja hidraulik pada saluran transisi tersebut adalah kondisi
di bagian hilirnya yang tidak stabil. Pada saluran tertutup terjadi turbulensi aliran mengakibatkan aliran silang pada bagian outletnya, sehingga perlu penambahan blok pada dasar saluran. Pada bendungan leuwikeris terdapat belokan pada saluran transisi karena kondisi medan atau lokasi yang tidak memungkinkan untuk dibuat lurus, sehingga debit aliran akan membentur dinding saluran transisi tesebut.
Maka dari itu perlu suatu penelitian terhadap dinding saluran transisi karena di khawatirkan dinding tersebut tidak mampu menahan tekanan dari debit aliran.
Dalam penelitian ini dilihat gaya apa saja yang bekerja pada dinding saluran transisi untuk mendesain apakah dinding masih mampu dalam menahan debit aliran yang terjadi.
Permasalahan kedua adalah terletak pada saluran peluncur, dimana panjang dan kemiringan peluncur tersebut disesuaikan dengan kondisi topografi yang ada. Kemiringan saluran peluncur ini juga mempengaruhi kondisi peredaman. Kemiringan berpengaruh terhadap kedalaman muka air, kecepatan, dan panjang loncatan hidraulik.
Permasalahan lainnya terletak pada peredaman energi. Kejadian aliran yang terjadi pada saluran peluncur adalah kecepatan aliran yang sangat tinggi dengan kondisi aliran superkritis, sebelum aliran dari saluran peluncur mengalir ke sungai, harus diredam oleh peredam energi supaya aliran menjadi subkritis kembali agar tidak terjadi gerusan pada sungai. Peredam energi menjadi sangat penting karena mampu menngendalikan aliran dengan kecepatan yang sangat tinggi diredam hingga aliran kembali ke sungai dalam kondisi subkritis. Apabila peredaman enrgi kurang optimal yang terjadi adalah kerusakan pada bagian sungai hilir berupa gerusan dam menyebabkan kerusakan geometri sungai.
Fungsi peredaman energi adalah dapat mengakomodasi kehilangan energi yang terjadi akibat dari perbedaan elevasi pada struktur bangunan. Peredaman energi pada pelimpah bendungan dapat dicapai dengan beberapa jenis perencanaan desain pelimpah, diantaranya pancaran air dengan kecepatan tinggi yang disebabkan aliran jatuh dari hulu (puncak ambang pelimpah), loncatan hidraulik yang terjadi pada kaki pelimpah, sehingga dalam perencanaannya digunakan kolam olak standar hilir pelimpah guna meredam kehilangan energi
yang besar dan penggunaan anak-anak tangga pada saluran pelimpah untuk membantu peredaman energi. Secara umum peredam energi dapat diklasifikasikan ke dalam empat kategori, yaitu tipe peredam energi energi dari batuan, tipe (stilling basin), tipe kolam (plunge pool), dan tipe pancaran air bebas (free jets).
(Anonim, 1987)
Penentuan dari beberapa tipe peredam energi tersebut berdasarkan pada kondisi geologi dan material dasar sungai alaminya. Kondisi sungai dengan dasar yang terdiri dari batuan keras (bed rock) cocok menggunakan peredam energi tipe pancaran air bebas (free jets/plunge pool) karena aliran yang diredam akan dipancarkan lagi ke sungai.
Rumus hidrolik, yang berfungsi sebagai dasar desain peredam energi, berasal dari prinsip kekekalan energi, di mana gaya bekerja pada batas saluran selama kondisi aliran yang berubah dari aliran superkritis ke subkritis. Peredam energi yang sering digunakan sebagai dasar desain biasanya adalah penyerap energi tipe stilling basin. Prinsip disipasi energi jenis ini didasarkan pada gesekan atau tumbukan antar molekul air sehingga terjadi turbulensi air pada lapisan energi (Raju, 1987).
Ada beberapa standar desain bentuk peredam energi pada pelimpah yang telah dikembangkan salah satunya yang sering digunakan di Indonesia adalah The United States of Berau Reclamation biasa disebut (USBR), karena kondisi geologi dan material dasarnya dan sebagian besar sungai di Indonesia adalah sungai dengan jenis tanah endapan. Terdapat empat model peredam energi atau kolam olakan menurut USBR, yaitu tipe USBR-I dengan angka Froude < 2,5, USBR-II dengan angka Froude > 3, USBR-III dengan angka Froude > 4,5, dan USBR-IV dengan angka Froude antara 2,5 – 4,5 (Mays, 1999).
Pada penelitian sebelumnya yang dilakukan (Siregar dkk., 2022) tipe USBR yang digunakan pada bendungan leuwikeris USBR tipe II yang dimana pada hasil penelitiannya peredam energi atau kolam olak belum mampu meredam aliran pada debit rencana Q100 tahun sehingga perlu dilakukan modifikasi desain yang ada. Maka diperlukan melanjutkan penelitian yang sebelumnya dengan skenario yang berbeda, pada penelitian kali ini ada beberapa skenario pemodelan
modifikasi antara lain (1) merubah jarak antara chute block dengan end sill, dan (2) merubah dimensi chute block, dengan bertujuan skenario (1) dan (2) tersebut mampu menahan debit aliran yang sudah ada dan akan dibandingkan dengan existing / desain awal.
Penelitian ini nantinya akan dilakukan dengan metode numerik karena biaya yang dikeluarkan tidak banyak dibandingkan model fisik dan waktu yang dibutuhkan tidak terlalu lama, selain itu Efek skala adalah kelemahan lain dari model fisik karena mungkin ada perbedaan antara hasil model dan prototipe terutama dalam aliran turbulen (Yildiz, et al., 2020). Dengan adanya keterbatasan tesebut, peneliti telah mencoba melakukan studi aliran melalui struktur hidrolik dengan menggunakan simulasi numerik (Dehdar-Behbahani & Parsaie, 2016).
Computational Fluid Dynamics (CFD) adalah salah satu jenis teknik pemodelan numerik yang dikembangkan untuk menemukan solusi untuk masalah- masalah yang meliputi aliran fluida (Hirt dan Nichols, 1981).
Simulasi numerik nantinya menggunakan aplikasi DualSPHysics merupakan salah satu aplikasi berbasis Computational Fluid Dynamics (CFD), simulasi nanti dilakukan berdasarkan permasalahan yang telah diuraikan dengan beberapa scenario yang telah diencanakan Tujuan dari penelitian ini untuk mengetahui sejauh mana dinding Bendungan Leuwikeris terutama di saluran transisi menahan aliran debit yang ada dan gaya yang terjadi pada dinding tersebut dan mengetahui desain model peredam energi yang sudah direncanakan apakah mampu meredam aliran debit yang ada.
1.2 Rumusan Masalah
1. Bagaimana efektifitas desain model peredam enegi dalam meredam aliran?
2. Bagaimana hasil simulasi dengan debit QPMF, Q1000 dan Q100? 3. Berapa Gaya yang bekerja di dinding saluran transisi?
1.3 Tujuan Penelitian
1. Mengetahui efektifitas desain model peredam enegi yang direncanakan dalam meredam aliran
2. Mengetahui hasil dengan debit QPMF, Q1000 dan Q100
3. Mengetahui gaya apa saja yang bekerja pada dinding saluran transisi
1.4 Batasan Masalah
1. Dalam penelitian ini di fokuskan pada gaya yang terjadi pada dinding penahan saluran transisi akibat benturan arus debit aliran
2. Dalam penelitian ini di fokuskan pada pengaruh USBR tipe 2 yang sudah di modifikasi/ desain ulang untuk meredam arus debit aliran yang terjadi
3. Variasi debit yang digunakan debit QPMF, Q1000 dan Q100
1.5 Manfaat Penelitian
1. Mendapatkan pola pemasangan USBR tipe II yang paling efektif dalam menstabilkan aliran air pada bangunan peredam energi.
2. Sebagai solusi permasalahan gerusan yang masih sering terjadi pada hilir bendung atau bendungan.
1.5 Originalitas
No Pengarang Judul Tahun Metode Hasil penelitian
1 Ali Yildiz,dkk
Numerical and ANFIS modeling of
flow over an ogee-crested spillway
2020
Flow-3D, Model Meggunakan ANFIS, Desain Plimpah Ogee
Dalam penelitian ini, pengaturan eksperimental digunakan untuk mendapatkan nilai debit dan total head di atas spillway ogee. Total head dan nilai debit yang sesuai diukur untuk 16 ketinggian air yang berbeda di saluran pendekatan spillway ogee.
Debit nondimensional dan kurva kedalaman aliran digunakan untuk membandingkan hasilnya
Hasil penelitian menunjukkan bahwa ada kecocokan yang cukup baik antara model fisik, numerik dan ANFIS. Hasil penelitian menunjukkan bahwa metode numerik dan model ANFIS adalah alat yang berguna untuk merancang dan menganalisis aliran di atas spillway ogee
2 Afkarina
Izzati,dkk
Permodelan Numerik Aliran pada Pelimpah Bertangga
Menggunakan Program Open
FOAM
2021
Model numerik menggunakan
Open Foam
model numerik OpenFOAM memiliki performa baik. Rentang nilai RMSE profil muka air antara 0,006–0,013, kecepatan aliran antara 0,086– 0,217, dan peredaman energi antara 0,036–0,103
Ukuran mesh merupakan parameter paling berpengaruh terhadap hasil model. Aliran pada pelimpah bertangga hasil model numerik dengan rasio debit dc/h=1,50 – dc/h=0,90 menghasilkan peredaman energi antara 51% – 68%
3 Huber Boris,dkk Analysis of the Flow
in a Typified USBR 2020 Pemodelan
Turbulensi hasil dari analisis mengungkapkan tidak hanya kesamaan dengan aliran dalam lompatan hidrolik
II Stilling Basin through a Numerical
and
PhysicalModeling Approach
menggunakan CFD
klasik tetapi juga pengaruh perangkat disipasi energi yang ada di stilling basin, semua sesuai dengan informasi bibliografi, meskipun ada sedikit perbedaan. Selanjutnya, distribusi fraksi void dianalisis, menunjukkan kinerja yang memuaskan dari model fisik, meskipun pendekatan numerik menyajikan beberapa keterbatasan untuk secara memadai mewakili mekanisme aerasi aliran, yang dibahas di sini. Secara keseluruhan, pendekatan pemodelan yang disajikan dapat dianggap sebagai alat yang berguna untuk mengatasi analisis aliran permukaan bebas yang terjadi di stilling basins.
Pemodelan Permukaan Gratis
menggunakan FLOW3D Persamaan Aliran ersamaan Navier–Stokes
4 Gerald Guntur P.
Siregar,dkk
Komparasi model numerik dan fisik pada bangunan pelimpah aliran bebas dan terkontrol
(Studi kasus:
Bendungan Leuwikeris)
2022
menggunakan Open Foam software, aliran
debit QPMF, Q1000, dan
Q100
elevasi air di hulu pelimpah pada aliran debit QPMF, Q1000, dan Q100 telah sesuai dengan hasil
pemodelan fisik yang telah dilakukan
Elevasi muka air pada tembok yang berhadapan dengan pelimpah dan pintu air perlu melebihi elevasi tembok desain yang ada untuk QPMF
5 Fajar Aldoko Kurniawan,dkk
Evalusai Aliran Getar Dan Kavirtasi Pelimpah Bendungan Dolok
2022
Pemodelan fisik Bendungan Dolok, Aliran debit Q2, Q25, Q100, dan Q1000
Berdasarkan hasil analisis diketahui bahwa aliran pada saluran peluncur pelimpah Bendungan Dolok tidak terjadi aliran getar sedangkan berdasarkan hasil perhitungan kavitasi masih terjadi di saluran
peluncur
6 Ainun mumtaz m.g
Perbandingan model numerik dan fisik dalam struktur luapan aliran bebas
2023
Pemodelan menggunakan freeCAD , DualSPHysics,
1. Mengetahui perbedaan yang di hasilkan antara uji fisik dan numerik 2.Mengetahui hasil dengan debit QPMF, Q1000 dan Q100 3.Mengetahui apakah elevasi muka air terjadi overtopping 4. Mengetahui
dan terkendali (studi kasus:
Bendungan Leuwikeris)
debit QPMF,
Q1000 dan Q100 apakah dapat meredam aliran yang sudah di tentukan
BAB II
KAJIAN PUSTAKA DAN DASAR TEORI 2.1
M ulai Studi literatur Pengumpulan Data
Data Pelimpah
Lebar Pelimah (B) Panjang Puncak Radius Upstream (R1) Radius Downstream (R2) Kemiringan
Pemodelan
Running Model Skenario 1 Skenario 2 Skenario 3
Validasi
Kesimpulan dan Saran Analisa dan Pembahasan
Selesai Data Aliran
Debit (Q)
Parameter Hidraulik
Hasil Eksperimen Tinggi Muka Air (d) Kecepatan aliran (V)
Tidak
Ya BAB III
METODOLOGI PENELITIAN 3.1 Bagan Alir Penelitian
Gambar 3.1. Bagan Alir Penelitian
3.2 Pengumpulan Data
Data yang digunakan untuk penelitian ini yaitu data eksperimen sebelumnya, antara lain data Pelimpah, debit (Q), dan parameter hidraulik hasil eksperimen meliputi tinggi muka air (d), dan kecepatan (v).
3.3 Pemodelan
Pemodelan secara numerik yang dilakukan menggunakan aplikasi 3D yaitu FreeCAD yang sudah terintegerasi dengan DualSPHysics dan ada Beberapa tahapan dalam pemodelan yaitu membuat geometri pelimpah, mengatur physical parameter, membuat mesh, mengatur kondisi awal model dan boundary condition.
3.4 Validasi
Hasil simulasi dalam penelitian ini yaitu tinggi muka air (d) dan kecepatan aliran (v) dari berbagai debit. Dalam penelitian ini, proses validasi menggunakan hasil eksperimen penelitian pelimpah Ogee. Model dikatakan akurat apabila nilai mendekati atau sama dari hasildari uji fisik artinya hasil model numerik mendekati model eksperimen.
3.5 Running Model
Penelitian ini akan dilakukan dengan tiga variasi debit Qpmf, Q100 dan Q1000 dengan beberapa skenario yang sudah di rencanakan untuk meredam aliran peredam energi yang digunakan USBR tipe II. Berikut beberapa skenario yang akan digunakan dalam simulasi model FreeCAD yang sudah terintegerasi dengan DualSPHysics :
a. Skenario 1 : Memodifkasi jarak antara chute block dengan end sill b. Skenario 2 : Memodifkasi ukuran/dimensi chute block
c. Skenario 3 : Penurunan lantai Ly
3.6 Analisa dan Pembahasan
Analisis dilakukan setelah semua model simulasi telah dilakukan. Analisis berupa gaya yang bekerja pada dinding saluran transisi, dinding tersebut apakah mampu menahan aliran debit dan keefektivitas modifikasi desain peredeam energi untuk meredam aliran di Bendungan Leuwikeris.
