DASAR DESAIN SALURAN TERBUKA TANPA LAPISAN

Kali ini setelah lama tidak ada postingan saya tidak ada postingan, waktunya lagi saya berikan sedikit pengetahuan saya mengenai desain saluran terbuka tanpa lapisan.

UMUM

Saluran terbuka direncanakan untuk membawa sebuah debit desain dengan aman dan ekonomis. Debit desain adalah debit puncak yang diharapkan terjadi dari peristiwa banjir berdasarkan periode ulang. Secara normal, debit desain ditentukan dari studi hidrologi pada daerah tangkapan air dari saluran. Akan tetapi, untuk saluran distribusi, misalnya saluran irigasi, debit desain ditentukan berdasarkan total kebutuhan air yang akan dikirim melalui saluran tersebut. Saluran terbuka pada umumnya didesain dalam kondisi aliran seragam atau kondisi aliran normal.

Desain sebuah saluran terbuka meliputi pemilihan saluran yang lurus, ukuran dan bentuk dari saluran, kemiringan dasar saluran, dan tipe lapisan (lining) material yang digunakan.

Pertimbangan Umum Desain

Pemilihan saluran yang lurus adalah langkah pertama dalam mendesain saluran terbuka. Pada umumnya, daerah topografi, lebar samping yang ada, bangunan berdekatan yang tersedia dan direncanakan, dan fasilitas transportasi mengontrol atau menjadi penentu saluran yang lurus. Juga, topografi menentukan elevasi dan kemiringan dasar saluran.

Pada umumnya, penampang melintang saluran terbuka buatan manusia berbentuk trapesium. Perhatian utama dalam memilih bentuk dan ukuran dari penampang melintang saluran adalah kapasitas hidraulik untuk mengakomodasi debit desain. Akan tetapi, ada beberapa faktor lain yang perlu dipertimbangkan.

Kedalaman dari saluran dibatasi karena elevasi permukaan air tanah. Juga, lebar saluran yang besar dan kemiringan yang landai akan menimbulkan biaya yang tinggi karena membutuhan sebuah jembatan. Lebar saluran yang kecil, pembangunannya sulit dilakukan. Demikian juga, kemiringan sisi samping saluran yang curam dapat menyebabkan stabilitas kemiringan bermasalah, misalnya laju erosi pada saluran tanah (tanpa lapisan). Kemiringan sisi samping maksimum yang direkomendasikanberdasarkan perbedaan tipe lapisan material dari saluran diberikan dalam Tabel 1 berikut.

Tabel 1   Kemiringan maksimum sisi samping saluran yang direkomendasikan

Material	m
Batu	0 – 0,25
Beton	0,50
Lempung keras	1,0
Lempung lunak	1,5
Tanah berpasir lepas	2,0
Pasir, lempung berpasir	3,0

Sumber : Chow (1959), Chaundry (1993), dan Bankston and Baker (1995) dalam Askan (2006)

Pada kebanyakan desain saluran terbuka, didesain untuk aliran subkritis. Hal ini penting diketahui untuk menjaga bilangan Froude lebih rendah dari nilai kritis atau 1,0 di bawah kondisi debit desain. Harus diingat bahwa debit desain adalah hanya nilai estimasi tunggal, kenyataannya debit yang terjadi di dalam saluran akan bervariasi yang nilainya kemungkinan di atas atau di bawah debit desain. Oleh karena itu, bilangan Froude dari hasil desain mendekati 1,0. Ada kemungkinan aliran aktual akan berfluktuasi di antara subkritis dan superkritis. Fluktuasi ini akan membuat kondisi aliran yang tidak stabil, dan hal ini harus dihindari.

Saluran sering diberi lapisan untuk mencegah penggerusan pada sisi samping dan dasar saluran karena tegangan geser akibat adanya aliran. Tipe dari lapisan saluran dapat dikategorikan menjadi dua kelompok, yaitu :

1.    Lapisan kaku (rigid)

2.    Lapisan fleksibel

Yang termasuk dalam material lapisan kaku adalah beton dengan cor di tempat, aspal, tembok, semen tanah, dan grouted riprap atau tumpukan batu yang disusun rapi dan diberi spesi. Lapisan kaku dapat menahan tegangan geser yang tinggi dan menyediakan kapasitas yang lebih besar untuk ukuran penampang melintang dan kemiringan dasar saluran yang sama dengan material lapisan fleksibel. Apabila daerah pada sisi samping saluran yang tersedia terbatas dalam hal luasan, material lapisan kaku dapat digunakan sebagai alternatif. Selain itu, material lapisan kaku dapat mengurangi kehilangan air akibat rembesan. Akan tetapi, lapisan jenis inimudah terserang kegagalan karena ketidakstabilan struktur yang disebabkan oleh suhu dan tekanan pori tanah yang berlebihan.

Material dengan lapisan fleksibel, selanjutnya dapat dikelompokkan lagi menjadi dua bagian, yaitu lapisan permanen dan lapisan sementara. Yang termasuk dalam lapisan fleksibel permanen adalah riprap, riprap yang ditutupi dengan kawat, lapisan vegetasi, dan kerikil. Adapun lapisan fleksibel sementara digunakan untuk perlindungan sementara menahan erosi sampai vegetasi ada di daerah tersebut. Material lapisan fleksibel memiliki beberapa keuntungan jika dibandingkan dengan material lapisan kaku. Material lapisan fleksibel jarang mengalami kegagalan struktur, karena mereka bisa menyesuaikan perubahan bentuk yang terjadi dalam saluran. Jenis ini mengisinkan terjadinya infiltrasi dan menyediakan kesempatan hidup untuk tumbuhan dan binatang lokal di dalam saluran. Hal utama yang tidak menguntungkan dari jenis lapisan fleksibel adalah daya tahan yang terbatas dari gaya erosi. Kemudian, untuk menampung debit desain, penampang melintang saluran dengan lapisan fleksibel, akan lebih besar ukurannya jika dibandingkan dengan lapisan kaku. Oleh karena itu, secara keseluruhan lapisan fleksibel, walaupun material lapisan fleksibel lebih murah daripada material lapisan kaku dalam hal biaya konstruksi.

Freeboard adalah jarak vertikal antara puncak atau top dari saluran dan permukaan air. Jarak ini dibuat dengan maksud menyediakan ruang dari terjadianya fluktuasi permukaan air yang disebabkan oleh angin, gelombang, pasang surut, terjadinya debit yang berlebihan, dan kasus – kasus yang lain. Secara universal, tidak ada aturan dalam menentukan nilai dari freeboard. Di dalam praktek, untuk estimasi digunakan metode yang dikeluarkan oleh US Bureau of Reclamation (Chow, 1959) untuk saluran tanpa lapisan, freeboard dihitung dengan rumus

F =  Ch		1

dimana :  F	= freeboard,
h	= kedalamaan aliran,

C          = koefisien (jika F dan y menggunakan satuan internasional, nilai C bervariasi dari 0,5 m untuk debit 0,6 m³/s sampai 0,76 m untuk

debit yang lebih besar dari 85 m³/s).

Untuk saluran yang dilapisi material, US Bureau of Reclamation telah merekomendasikan grafik yang sebelumnya telah dipresentasekan oleh Chow (1959) dan French (1985) sebagaimana yang terlihat pada Gambar 7.1. Grafik ini digunakan untuk mengestimasi nilai dari tinggi dari sisi tepi di atas permukaan air dan tinggi lapisan material di atas permukaan air. 

Gambar 1 Estimasi tinggi sisi tepi dan tinggi lapisan di atas permukaan air

 Desain Saluran tanpa Lapisan (Saluran Tanah)

Sisi samping dan dasar saluran, keduanya mudah tererosi. Kriteria utama dalam mendesain saluran tanah adalah saluran tidak akan tererosi pada kondisi di bawah kondisi debit desain. Ada dua pendekatan untuk mendesain saluran yang mudah tererosi, yaitu metode kecepatan maksimum yang diijinkan (the maximum permissible velocity method) dan metode gaya tarik (the tractive force method). Yang akan dibahas dalam buku ini adalah hanya metode kecepatan maksimum yang diijinkan (the maximum permissible velocity method).

Metode ini didasarkan pada asumsi bahwa sebuah saluran tidak akan tererosi apabila kecepatan rata – rata penampang di dalam saluran tidak melampaui kecepatan maksimum yang diijinkan. Oleh karena itu, sebuah penampang melintang saluran didesain sehingga di bawah kondisi debit desain, kecepatan rata – rata penampang melintang saluran di bawah dari nilai kecepatan maksimum yang diijinkan. Nilai kecepatan maksimum yang diijinkan tergantung pada jenis material asli dari saluran yang diadopsi dari US Army Cops of Engineers (1991), sebagaimana yang terlihat pada Tabel 2 berikut.

Tabel 2 Perkiraan kecepatan maksimum yang diijinkan

Material asli saluran	Vmaks (m/s)
Pasir halus	0,6
Pasir kasar	1,2
Kerikil halus (d50<20 mm="" o:p="">

1,8

Lumpur berpasir

0,6

Lempung lumpur

1,0

Lempung

1,8

Rumput Bermuda pada pasir berlumpur

1,8

Rumput Bermuda pada lempung lumpur

2,4

Rumput biru Kentucky pada pasir berlumpur

1,5

Rumput biru Kentucky pada lempung lumpur

2,1

Batuan endapan

3,0

Batu pasir halus

2,4

Serpihan lunak

1,0

Batuan beku

6,0

Nilai – nilai yang terdapat pada Tabel 2 valid untuk saluran lurus yang memiliki kedalaman aliran sampai 1 m. Berdasarkan Lane (1955), nilai – nilai pada Tabel 2 direduksi atau dikurangi 13 % untuk saluran agak berkelok dan dikurangi 22 % untuk saluran yang berkelok secara ekstrim.

Berikutny akan di bahas mengenai Prosedur atau tahapan dalam menghitung atau menentukan ukuran penampang melintang saluran terbuka tanpa lapisan.
Demikianlah kurang lebihnya materi ini saya bagikan . Semoga bermanfaat. Terimakasih.

Contoh Perhitungan Dalam Mendesain Saluran Terbuka Tanpa Lapisan

Contoh Soal Desain Saluran Terbuka Tanpa Lapisan

Soal

Sebuah saluran tanpa lapisan yang digali dalam lempung keras, direncanakan akan membawa debit Q sebesar 13,15 m³/s dengan kemiringan dasar saluran S₀ = 0,002. Untuk dimensi penampang, menggunakan metode kecepatan maksimum yang diijinkan. Rencanakan dimensi saluran tersebut!

Analisa

Menentukan nilai m

Gunakan berikut sebagai petunjuk,

Material	m
Batu	0 – 0,25
Beton	0,50
Lempung keras	1,0
Lempung lunak	1,5
Tanah berpasir lepas	2,0
Pasir, lempung berpasir	3,0

Sumber : Chow (1959), Chaundry (1993), dan Bankston and Baker (1995) dalam Askan (2006)

Berdasarkan data dalam tabel diambil nilai m = 1,5 (lebih kecil dari kemiringan maksimum yang direncanakan) untuk lempung keras.

Menentukan nilai n

Berdasarkan tabel berikut,

	Bahan Material Saluran			Koefisien
				Kekasaran Manning (n)
	Beton			0,013 – 0,015
	Riprap dengan spesi			0,028 – 0,040
	Semen tanah			0,020 – 0,025
	Aspal			0,016 – 0,018
	Tanah			0,020 – 0,023
	Batu pecah			0,025 – 0,045

didapatkan nilai n = 0,020.

Menenentukan kecepatan maksimum Aliran.

Dan dari Tabel berikut,

Material asli saluran	Vmaks (m/s)
Pasir halus	0,6
Pasir kasar	1,2
Kerikil halus (d50<20 mm="" o:p="">

1,8

Lumpur berpasir

0,6

Lempung lumpur

1,0

Lempung

1,8

Rumput Bermuda pada pasir berlumpur

1,8

Rumput Bermuda pada lempung lumpur

2,4

Rumput biru Kentucky pada pasir berlumpur

1,5

Rumput biru Kentucky pada lempung lumpur

2,1

Batuan endapan

3,0

Batu pasir halus

2,4

Serpihan lunak

1,0

Batuan beku

6,0

V_maks = 1,8 m/s.

Penyelesaian

Menghitung nilai R atau jari-jari hidraulik.

Hitung R dengan menggunakan Kemudian gunakan Persamaan berikut

 dengan k_n = 1,0 (satuan metrik)

Mengitung nilai A dan P

Sehingga dihasilkan berikut:

Menghitung Nilai h dan b

Sekarang, berdasarkan nilai – nilai yang telah dihasilkan, dengan m = 1,5, akan didapatkan dua persamaan untuk menghitung nilai h dan b,

 A = (b + mh)h ® (b +1,5h)h = 7,32

dan

Dengan melihat kedua persamaan di atas, terdapat dua nilai yang tidak diketahui, yaitu h dan b. Dari persamaan kedua didapatkan nilai b =10,17 -3,61h . Substitusi

nilai b ini ke dalam persamaan yang pertama, kemudian disederhanakan, didapatkan persamaan baru sebagai berikut

	2,11h2 -10,17h + 7,32 = 0
Persamaan ini memiliki dua nilai : h1 = 0,88 m dan h2 = 3,94 m.
Nilai h1	akan menghasilkan lebar dasar saluran  b =10,17 - 3,61(0,88)= 7,00 m dan
nilai   h2	akan   menghasilkan   b =10,17 - 3,61(3,94)= -4,05 m.   Sehingga   dapat

disimpulkan bahwa nilai h adalah 0,88 m karena nilai b negatif adalah tidak mungkin terjadi. Juga yang perlu dicatat bahwa tidak diperlukan modifikasi penampang karena h = 0,88 m < 1,0 m.

Secara alternatif, dapat juga menggunakan Persamaan di bawah untuk menentukan nilai h dan b sebagai berikut.

Mengecek Nilai Froude

Berikutnya akan dicek apakah angka Froude mendekati nilai kritis atau 1,0.

B = b + 2mh = 7,0 + 2.(1,5).0,88 = 9,64 m

Nilai ini mengindikasikan bahwa di bawah kondisi debit desain, aliran tidak akan mendekati kondisi kritis.

Menghitung Nilai Freeboard

Akhirnya, hitung nilai freeboard dengan menggunakan Persamaan di bawah. Asumsikan variasi nilai C adalah linier, sehingga untuk Q = 13,15 m³/s, C = 0,54 (dengan cara interpolasi).

Hasil Hitungan total dan gambar sketsa Saluran

Jadi kedalaman total dari saluran adalah 0,88 + 0,69 =1,57 m, kemudian lebar bagian atas dari saluran adalah b + 2m(h + F )= 7,0 + 2.(1,5).(0,88 + 0,69)=11,70 m. Hasil dari keseluruhan perhitungan digambarkan yang dapat dilihat sebagai berikut.

Gambar Penampang Melintang Saluran.

Setidaknya seperti diataslah Cara atau Contoh perhitungan dalam Mendesain sebuah saluran. Semoga ini Bermanfaat bagi yang membacanya. Terimakasih. Syalom.