PENGARUH KEDALAMAN MUKA AIR AWAL TERHADAP ANALISIS STABILITAS LERENG TAK JENUH

Transkripsi

1

2

3

4 Seminar Nasional X 1 Teknik Sipil ITS Surabaya PENGARUH KEDALAMAN MUKA AIR AWAL TERHADAP ANALISIS STABILITAS LERENG TAK JENUH Agus Setyo Muntohar 1 dan Rio Indra Saputro 1 1 Jurusan Teknik Sipil, Universitas Muhammadiyah Yogyakarta, Jl. Lingkar Selatan Tamantirto, Yogyakarta. Telp (Ext. 9). Fax , muntohar@umy.ac.id ABSTRAK Asumsi kedalaman muka air tanah yang sangat dalam atau terlalu dangkal pada simulasi numerik dapat memberikan hasil analisis yang tidak realistis. Untuk itu penelitian ini bertujuan untuk mengkaji pengaruh kedalaman muka air tanah awal terhadap kestabilan lereng. Analisis dilakukan dengan menggunakan perangkat lunak SEEP/W untuk mengkaji infiltrasi, dan SLOPE/W untuk mengkaji stabilitas lereng. Penelitian ini mengakji kejadian longsor lereng di saluran induk Kalibawang di KM 15+9, Kulonporgo, D.I. Yogyakarta. Kondisi tak jenuh dan jenuh pada lereng dimodelkan dari kurva karakteristik air-tanah. Analisis transient terhadap infiltrasi air hujan dimodelkan sebagai unit flux selama 3 hari pada permukaan lereng dengan kondisi batas seepage face review. Hasil penelitian menunjukkan posisi muka air tanah yang lebih dekat dengan permukaan lereng menyebabkan penurunan suction dan faktor aman lereng yang lebih cepat akibat hujan. Kedalaman muka air tanah berkisar 3- m atau suction sebesar kpa merupakan batas nilai initial suction di permukaan lereng yang disarankan untuk analisis transient-numerik di lokasi studi Kalibawang. Kata-kata kunci : rembesan, model numerik, muka air tanah, lereng, tak jenuh air 1 PENDAHULUAN Kejadian longsor pada lereng di dekat saluran induk irigasi Kalibawang pada 1 November 1 merupakan studi kasus yang menarik untuk dikaji. Pada area ini hampir di setiap musim penghujan terjadi pergerakan tanah. Kajian awal di area studi telah dilakukan oleh Wisaksono (3), Haryanti dkk. (), Subiyanti dkk. (11) dan Muntohar dkk. (13) untuk mengetahui mekanisme dan faktor-faktor yang menyebabkan ketidakstabilan lereng dengan menggunakan metode numerik. Namun dalam pemodelannya tidak memperhatikan kondisi awal muka air tanah (initial groundwater level). Dalam penelitian ini dikaji pengaruh kedalaman awal muka air tanah terhadap perubahan stabilitas lereng di dekat saluran induk Kalibawang KM 15+9 (Gambar 1). Gambar 1 Lokasi daerah penelitian. Usaha untuk mengetahui mekanisme longsor atau gerakan tanah pada lereng akibat infiltrasi air hujan dan rembesan telah banyak dilakukan baik berupa kajian lapangan, laboratorium dan pemodelan numerik. Rahardjo dkk. (7) menyebutkan bahwa banyak kegagalan lereng di seluruh dunia yang disebabkan curah hujan, kondisi hidrologi, dan formasi geologis lereng yang merupakan faktor penting ISBN

5 Elevasi (m) Elevasi (m) 11 Seminar Nasional X 1 Teknik Sipil ITS Surabaya dalam kegagalan lereng. Faktor-faktor tersebut dapat dimodelkan dengan metode numerik untuk mengetahui pengaruh masing-masing faktor terhadap kestabilan suatu lereng. Rahardjo dkk. (7, ), Ray dkk. (), dan Santoso dkk. (11) telah mengkaji pengaruh parameter kuat geser tanah, hidraulika, dan kedalaman muka air tanah terhadap kestabilan lereng tanah residu. Berkaitan dengan pengaruh kedalaman muka air tanah, asumsi kedalaman muka air tanah yang sangat dalam atau terlalu dangkal pada simulasi numerik dapat memberikan hasil analisis yang tidak realistis (Lee dkk., 9; Rahardjo dkk., ). Untuk memberikan hasil analisis yang realistis, maka tekanan air pori negatif awal (initial suction) yang terjadi di permukaan lereng dibatasi dengan nilai tertentu (Gofar and Lee, ). METODE PENELITIAN Lereng dan sifat-sifat tanah Penampang lereng yang dianalisis seperti disajikan pada Gambar. Litologi lereng didominasi oleh lapisan lanau (MH-1) dan lempung (CH-1 dan CH-). Lapisan tidak lolos air berupa batulempung (claystones) berada di bawah lapisan MH-1 sebagai batuan dasar (bedrock). Bidang keruntuhan terdapat pada bidang antara lapisan CH-1 dan MH-1. Parameter kuat geser dan hidraulika masingmasing contoh tanah seperti disajikan pada Tabel 1 dan Gambar 3a-3b. Rekaman intensitas hujan dan waktu disajikan pada Gambar 3c yang terjadi selama hari (Muntohar dkk., 13). Untuk analisis infiltrasi dan rembesan digunakan durasi waktu hingga 3 hari guna mengetahui mekanisme rembesan dan kestabilan lereng pasca nya hujan CH MH A Bidang keruntuhan B 3 31 C CH-1 1 Unit flux (hujan) seepage face review Skala : Vertikal = 1:5 Horisontal = 1 : Claystone Muka Air Tanah No flow boundary (q = ) Jarak (m) (a) CH CH MH Claystone Jarak (m) (b) Gambar (a) Model lereng dan kondisi batas dalam analisis numerik, (b) Geometri lereng dengan elemen-elemen triangular ISBN

6 Kadar Air Volumetrik (m 3 /m 3 ) Koefisien Permeabilitas (k, m/d) Intensitas (m/d) Seminar Nasional X 1 Teknik Sipil ITS Surabaya Tabel 1: Parameter kuat geser dan hidraulika tanah Parameter Tanah MH-1 Tanah CH-1 Tanah CH- Claystone Berat volume, γ b (kn/m 3 ) 15,95 15,9 15,5 Kohesi, c (kpa),75,15 5,5 Bedrock Sudut gesek internal, 5,5 o 7,7 o 1,7 o Koefisien permeabilitas jenuh air, k sat (m/d) 5,3-5 9, -5, - 1, - Kadar air volumetrik jenuh air, sat (m 3 /m 3 ),59,575,57,99 Pemodelan Rembesan dan Analisis Stabilitas Lereng Pada penelitian ini analisis infiltrasi-rembesan dimodelkan secara numerik dengan menggunakan perangkat lunak SEEP/W (Geoslope International, 7a). Geometri lereng dan kondisi batas seperti digambarkan pada Gambar a. Elemen-elemen triangular sebanyak 5 elemen berukuran lebar m (Gambar b). Curah hujan didefinisikan sebagai unit flux (q) dalam fungsi waktu dengan intensitas seperti pada Gambar 3c. Unit flux diberikan pada permukaan lereng dengan kondisi batas seepage face review. Sedangkan di bagian bawah lapisan batulempung diberikan kondisi batas no flow sebagai unit flux q = agar terjadi infiltrasi satu arah. Model analisis transient dimana tekanan air pori awal dibangkitkan dari muka air tanah dilakukan dalam interval waktu 1 hari selama 3 hari. Pada penelitian ini, kondisi muka air tanah awal divariasikan 1 m, m, 3 m, m, 5 m, dan m. Untuk mengetahui pengaruh muka air tanah terhadap perubahan tekanan air pori dan stabilitas lereng, ditinjau dari 3 titik di masing-masing potongan yaitu di bagian atas bidang keruntuhan (A), di tengah bidang keruntuhan (B), dan di kaki bidang keruntuhan (C). Analisis stabilitas lereng dimodelkan dengan SLOPE/W (Geoslope International, 7b) yang didasarkan pada konsep keseimbangan batas (limit equilibrium). Stabilitas lereng dihitung dengan menggunakan metode Morgenstern Price (MP) dimana bidang keruntuhan lereng telah ditentukan (fully-specified slip surface). Tekanan air pori dari SEEP/W diperhitungkan dalam tegangan geser yang dianalisis oleh SLOPE/W seperti dalam persamaan (1). Dalam keadaan terjadi tekanan air pori negatif, nilai sudut gesek tanah tak jenuh air ( b ) diperkirakan dari fungsi kurva kadar air volumetrik (Gambar 3b) sebagaimana dirumuskan oleh Vanapalli dkk. (199) dalam persamaan (1). Kondisi ini memudahkan penghitungan faktor aman lereng untuk setiap interval waktu yang diberikan. w r s c' n ua tan ' ua uw tan '... (1) s r (u a -u w ) kpa MH CH-1 CH- 1.E- 1.E-3 1.E- 1.E-5 1.E- 1.E-7 1.E- 1.E (u a -u w ) kpa MH CH-1 CH- Claystone. 1 3 (a) (b) (c) Gambar 3 (a) Kurva kadar air volumetrik, (b) Kurva koefisien permeabilitas tanah, (c) Intensitas dan waktu hujan ISBN

7 Kedalaman (m) Kedalaman (m) Kedalaman (m) Seminar Nasional X 1 Teknik Sipil ITS Surabaya 3 HASIL DAN PEMBAHASAN Variasi faktor aman (FS) lereng terhadap waktu hujan untuk berbagai kedalaman muka air tanah awal ditunjukkan pada Gambar. Hasil ini menunjukkan bahwa kedalaman muka air tanah mempengaruhi faktor aman awal (FS (t = ) ) dan faktor aman minimum yang terjadi selama hujan. Semakin dekat kedalaman muka air tanah ke permukaan lereng, faktor aman awal yang diperoleh semakin rendah. Kondisi disebabkan oleh infiltrasi air hujan yang menyebabkan permukaan tanah menjadi jenuh air. Sebagai akibatnya akan meningkatkan kedalaman zona pembasahan (wetting zone) dan pengurangan suction atau peningkatan tekanan air pori. Kondisi ini terjadi untuk H w(init) = 1 m, m, dan 3 m yang ditunjuukkan pada Gambar a hingga c, dimana faktor aman (FS) berkurang secara drastis pada aktu mendekati berakhirnya hujan, dan setelahnya tidak terjadi perubahan faktor aman yang sangat kecil. Faktor aman minimum yang terendah dicapai pada kondisi H w(init) = 1 m. Hal ini dapat disebabkan oleh peningkatan muka air tanah secara cepat yang memperbesar tekanan air pori pada lereng. Sedangkan untuk H w(init) = m, 5 m, dan m (Gambar d hingga f), faktor aman masih cenderung berkurang walaupun hujan telah hingga waktu 3 hari Hw (init) = 1 m FS = Hw (init) = m (a) (b) (c) Hw (init) = m Hw (init) = 5 m (d) (e) (f) Gambar Perubahan faktor aman lereng terhadap waktu untuk berbagai kondisi muka air tanah awal (H w(init) ) (a) H w(init) = 1 m, (b) H w(init) = m, (c) H w(init) = 3 m, (d) H w(init) = m, (e) H w(init) = 5 m, (f) H w(init) = m Hw (init) = 3 m Hw (init) = m days 1 days days days days 1 days 3 days Lokasi: A Lokasi: B 1 days 1 days days days days 1 days 3 days (a) (b) (c) Gambar 5 Distribusi tekanan air pori terhadap waktu untuk H w(init) = 3 m di lokasi yang ditinjau (a) lokasi A, (b) lokasi B, dan (c) lokasi C. 1 days 1 days days days days 1 days 3 days Lokasi: C 9 ISBN

8 Kedalaman (m) Kedalaman (m) Kedalaman (m) Seminar Nasional X 1 Teknik Sipil ITS Surabaya Untuk menjelaskan perubahan faktor aman akibat perubahan tekanan air pori disajikan Gambar 5 dan yang memberikan ilustrasi perbandingan distribusi tekanan air pori untuk H w(init) = 3 m dan H w(init) = m. yang terjadi selama hari menyebabkan permukaan lereng lebih cepat mengalami penjenuhan dimana zona pembasahan hingga mencapai 3 m (Gambar 5a). Kondisi jenuh air memicu kenaikan muka air tanah yang menyebabkan peningkatan tekanan air pori (Gambar 5b dan 5c). Peningkatan muka air tanah dan tekanan air pori ini menyebabkan kuat geser tanah berkurang, sehingga faktor aman lereng berkurang secara drastis. Kondisi berbeda ditunjukkan pada Gambar untuk kedalaman muka air tanah awal H w(init) = m. Untuk muka air tanah awal yang lebih dalam, terjadi penundaan zona pembasahan dan tidak terjadi perubahan muka air tanah. yang terjadi belum cukup untuk menurunkan suction pada zona pembasahan, sehingga faktor aman lereng masih lebih dari 1,5 selama durasi hujan. Hal ini dimungkinkan karena suction awal yang digunakan dalam analisis sangat tinggi sehingga terjadi penundaan terhadap perubahan tekanan air pori. Melihat distibusi tekanan air pori pada Gambar a -c dan 5a-5c, dapat diketahui bahwa tekanan air pori mulai berubah pada kedalaman 3- m. Pada kondisi ini tekanan air pori yang dicapai sebesar kpa. Dengan demikian dalam studi ini, kedalaman muka air tanah yang diberikan sebagai kondisi awal adalah 3 m atau suction maksimum dibatasi kpa. Gofar dan Lee (), Lee dkk., (9), dan Rahardjo dkk. (7) menyebutkan bahwa suction awal sebesar 5-7 kpa akan menghasilkan analisis yang realistis untuk kondisi tanah residual di area tropis (seperti Singapura dan Malaysia) Awal 1 hari hari hari hari 1 hari 3 hari Lokasi: A Awal 1 hari hari hari hari 1 hari 3 hari Lokasi: B (a) (b) (c) Gambar Distribusi tekanan air pori terhadap waktu untuk H w(init) = m di lokasi yang ditinjau (a) lokasi A, (b) lokasi B, dan (c) lokasi C. 1 Awal 1 hari hari hari hari 1 hari 3 hari Lokasi: C KESIMPULAN Secara umum infiltrasi air hujan akan menyebabkan permukaan tanah menjadi jenuh air. Kondisi ini akan meningkatkan kedalaman zona pembasahan (wetting zone) dan pengurangan suction. Simulasi numerik pada lereng di area Kalibawang, Kulonprogo, D.I. Yogyakarta terhadap variasi kedalaman muka air tanah awal memberikan kesimpulan sebagai berikut : a. Semakin dekat kedalaman muka air tanah ke permukaan lereng, faktor aman awal yang diperoleh semakin rendah. b. Posisi muka air tanah yang lebih dekat dengan permukaan lereng menyebabkan penurunan suction yang lebih cepat akibat hujan. Kedalaman muka air tanah berkisar 3- m atau suction sebesar kpa merupakan batas nilai initial suction yang disarankan di permukaan lereng untuk lokasi studi di Kalibawang. 5 UCAPAN TERIMA KASIH Naskah ini merupakan bagian dari penelitian fundamental Studi Ekperimental Dan Numerik Model Infiltrasi Untuk Stabilitas Lereng. Terima kasih disampaikan kepada Direktorat Penelitian dan Pengabdian kepada Masyarakat, Direktorat Jenderal Pendidikan Tinggi, Kementerian Pendidikan dan Kebudayaan, yang telah memberikan dana penelitian melalui Hibah Penelitian Fundamental pada tahun 11 dan. ISBN

9 Seminar Nasional X 1 Teknik Sipil ITS Surabaya DAFTAR PUSTAKA 1. Geoslope International, 7a. SEEP/W User's Guide for Finite Element Analysis. Geoslope International Ltd., Calgary, Alberta, Canada.. Geoslope International, 7b. SLOPE/W User's Guide for Finite Element Analysis. Geoslope International Ltd., Calgary, Alberta, Canada. 3. Gofar, N., and Lee, L.M. () Extreme rainfall characteristics for surface slope stability in the Malaysian Peninsular, Georisk: Assessment and Management of Risk for Engineered Systems and Geohazards (), Haryanti, S., Suryolelono, K.B., dan Jayadi, R. () Analisis Pengaruh Karakteristik terhadap Gerakan Lereng. Jurnal Ilmiah Semesta Teknika 13(), Lee, L. M., Gofar, N., and Rahardjo, H. (9). A simple model for preliminary evaluation of rainfall-induced slope instability. Engineering Geology, Muntohar, A., Ikhsan, J., and Soebowo, E. (13) Mechanism of rainfall triggering landslides in Kulonprogo, Indonesia. Geo-Congress 13, Rahardjo, H., Nio, A. S., Leong, E. C., and Song, N. Y. (). Effects of Groundwater Table Position and Soil Properties on Stability of Slope during Rainfall. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering 13(11), Rahardjo, H., Ong, T. H., Rezaur, R. B., and Leong, E. C. (7). Factors Controlling Instability of Homogeneous Soil Slopes under Rainfall. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering 133(), Ray, R. L., Jacobs, J. M., and Alba, P. d. (). Impacts of Unsaturated Zone Soil Moisture and Groundwater Table on Slope Instability. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering 13(), Santoso, A. M., Phoon, K.-K., and Quek, S.-T. (11). Effects of soil spatial variability on rainfall-induced landslides. Computers and Structures 9, Subiyanti, H., Rifa i, A., dan Jayadi, R., (11) Analisis Kelongsoran Lereng Akibat Pengaruh Tekanan Air Pori di Saluran Induk Kalibawang Kulonprogo. Jurnal Ilmiah Semesta Teknika 1(1), Vanapalli, S.K., Fredlund D.G., Pufahl, D.E. and Clifton, A.W., (199). Model for the Prediction of Shear Strength with respect to Soil Suction. Canadian Geotechnical Journal 33, Wisaksono, B., (3) Analisis stabilitas lereng penyebab gerakan tanah di Km 15,9 saluran induk Kalibawang Kulon Progo. Tesis S Teknik Sipil Universitas Gadjah Mada. 99 ISBN