ANALISIS NUMERIK STABILITAS LERENG DENGAN DRAINASE HORISONTAL KARENA RAPID DRAWDOWN UNTUK BERBAGAI KEMIRINGAN (178G)

Transkripsi

1 ANALISIS NUMERIK STABILITAS LERENG DENGAN DRAINASE HORISONTAL KARENA RAPID DRAWDOWN UNTUK BERBAGAI KEMIRINGAN (78G) M. Farid Ma ruf Jurusan Teknik Sipil, Universitas Jember, Jl. Kalimantan 37, Jember ABSTRAK Kestabilan lereng bendungan berada pada kondisi kritis pada saat terjadi permukaan air surut secara cepat (rapid drawdown). Sehingga berbagai usaha dilakukan agar pada kondisi tersebut tidak terjadi longsor. Salah satu cara yang dilakukan adalah dengan menggunakan drainase horisontal sehingga tekanan air pori dapat lebih cepat terdisipasi ketika muka air turun. Analisis numerik dilakukan untuk melihat stabilitas lereng bendungan dengan menggunakan drainase horizontal pada kondisi rapid drawdown. Simulasi dilakukan untuk berbagai kemiringan lereng bendungan dengan bantuan PLAXIS D. Hasil simulasi menunjukkan bahwa drainase horisontal mampu memberikan peningkatan stabilitas lereng pada saat rapid drawdown, terutama ketika lereng bendungan relatif landai. Sementara jika lereng bendungan curam, drainase horisontal kurang bermanfaat. Kata kunci: stabilitas lereng, rapid drawdown, drainase horisontal. PENDAHULUAN Rapid drawdown atau penurunan muka air permukaan secara cepat merupakan salah satu kondisi kritis yang harus diperhatikan pada saat menganalisis stabilitas lereng suatu bendungan atau tanggul sungai. Penurunan muka air secara tiba-tiba akan mengubah kesetimbangan gaya di tubuh bendungan. Lereng bagian hilir tubuh bendung yang sebelumnya mendapatkan tekanan dari air sebagai penyeimbang tekanan air pori tiba-tiba kehilangan tekanan tersebut. Sementara tekanan air pori di dalam tubuh bendung tidak dapat turun secepat penurunan muka air sehingga menyebabkan terbentuknya tekanan air pori berlebih (excess pore pressure) yang pada akhirnya menyebabkan lereng menjadi tidak stabil (Alonso dan Punyol, 009). Kestabilan lereng pada saat rapid drawdown dipengaruhi oleh beberapa faktor, antara lain kemiringan lereng, karakteristik tanah, konduktivitas hidraulik (Viratjandr dan Michalowski, 006), kuat geser unsaturated, serta kecepatan penurunan muka air (Souliyavong, dkk. 0). Peneliti terakhir menyatakan lereng dam di bagian hulu yang memiliki permeabilitas lebih tinggi cenderung lebih stabil ketika rapid drawdown terjadi. Namun demikian semakin tinggi permeabilitas berarti semakin besar angka pori dan sekaligus semakin kecil tingkat kepadatan tanahnya. Pada kondisi normal, lereng akan semakin stabil seiring dengan peningkatan tingkat kepadatan. Usaha untuk mengurangi bahaya longsor pada saat rapid drawdown banyak dilakukan. Penurunan kelandaian lereng merupakan cara konvensional yang sering digunakan. Zomorodian dan Abodollahzahdeh (00) dan Moharrami, dkk. (03) menggunakan drainase horisontal di lereng hilir untuk meningkatkan stabilitas lereng ketika rapid drawdown terjadi. Simulasi numerik menunjukkan bahwa penambahan drainase horisontal tersebut mampu menurunkan tekanan air pori berlebih dan meningkatkan stabilitas lereng. Namun demikian juga terjadi peningkatan debit air yang mengalir melalui tubuh bendungan. Panjang drainase bukan merupakan parameter yang secara signifikan mempengaruhi stabilitas lereng. Uraian di atas memperlihatkan pentingnya stabilisasi lereng pada saat rapid drawdown. Drainase horisontal mampu meningkatkan stabilitas lereng namun juga meningkat debit air yang mengalir melalui tubuh bendung. Sehingga kombinasi drainase horisontal dengan usaha lain perlu dilakukan. Artikel ini akan mensimulasikan stabilitas lereng pada kondisi rapid drawdown dengan melakukan variasi kemiringan lereng dan kecepatan penurunan muka air. Pengaruh drainase horisontal juga diperhitungkan pada setiap kemiringan lereng.. DRAINASE HORISONTAL UNTUK STABILISASI LERENG Drainase horisontal banyak digunakan untuk stabilisasi lereng alami. Tujuannya adalah untuk mengalirkan air tanah keluar dari lereng sehingga tanah tetap kering. Keberhasilan drainase horisontal untuk stabilisasi lereng dipengaruhi oleh lokasi, panjang, dan jarak drainase selain karakteristik tanah dan geometri lerengnya. Rahardjo, dkk. (003) mengevaluasi efektifitas drainase horisontal berdasarkan data-data lapangan dan membandingkannya dengan Universitas Sebelas Maret (UNS) - Surakarta, 4-6 Oktober 03 G - 57

2 simulasi numerik. Evaluasi tersebut menghasilkan rekomendasi bahwa drainase horisontal akan efektif jika diletakan di bawah muka air tanah, sehingga mampu menurunkan muka air tanah tersebut. Drainase horisontal kurang signifikan untuk meminimasi infiltrasi pada lereng unsaturated. Pada bendungan, drainase horisontal biasanya diletakkan pada kaki bagian hilir untuk merubah arah aliran air tanah dan mencegah piping yang merupakan awal dari longsor di lereng hilir. Malekpour, dkk. (0) berdasarkan pengujian model fisik bendungan berkesimpulan bahwa panjang drainase horisontal di kaki tersebut kurang signifikan dalam mempengaruhi stabilitas lereng di sisi hulu. Tebal dan panjang drainase merupakan parameter yang saling berkaitan yang menentukan efektifitas dari drainase tersebut. Drainase horisontal pada lereng hulu memiliki tujuan berbeda dengan di lereng hilir maupun untuk lereng alami. Di lereng hulu, drainase horisontal bertujuan untuk mempercepat air mengalir dari tubuh bendung di atas drainase. Ketika permukaan air turun dengan cepat, air di tubuh bendung di atas drainase juga ikut keluar melalui drainase horisontal. Akibatnya pembentukan tekanan pori berlebih dapat diminimasi. 3. METODE ANALISIS Metode elemen hingga dengan menggunakan software PLAXIS akan dimanfaatkan untuk menganalisis masalah stabilitas lereng pada kondisi rapid drawdown. Perilaku tanah dimodelkan dengan menggunakan model elastis plastis Mohr Coulomb. Sedangkan faktor keamanan dihitung dengan menggunakan phi/c reduction. Perhitungan tersebut mirip dengan perhitungan faktor keamanan di metode irisan. Pada metode phi/c reduction, tan φ (sudut geser dalam) dan kohesi c akan tereduksi secara gradual sampai runtuh terjadi. Pengali total Msf digunakan untuk mendefinisikan kuat geser tanah pada langkah dimana perhitungan sedang dilakukan. Msf dihitung dengan menggunakan persamaan: Msf tanφ = tanφ input tereduksi tanc = tanc input tereduksi Dimana pembilang adalah nilai parameter yang diinputkan, sedangkan pembagi adalah nilai parameter yang tereduksi pada saat perhitungan. Faktor keamanan merupakan Msf pada saat terjadi runtuh. 4. MODEL GEOMETRIK Bendungan urugan sederhana yang terdiri atas inti di tengah dan badan bendung di sebelah luar digunakan untuk simulasi. Model geometriknya disajikan seperti Gambar 8, dimana tinggi bendung H dan tinggi muka air h masingmasing adalah 30 m dan 5 m. Lebar dasar tubuh bendung bervariasi tergantung kemiringan lereng. Kemiringan lereng didefinisikan dengan menggunakan parameter kemiringan lereng R yang merupakan rasio antara H dan L. Drainase horisontal diletakkan pada ketinggian 0 m dan 5 m. Sementara parameter yang digunakan untuk simulasi disajikan pada Tabel. () 5. HASIL SIMULASI Gambar 8. Lay out model geometrik Rapid drawdown dilakukan dalam berbagai skenario dengan penurunan muka air setinggi 0 m dari muka air awal. Setiap skenario dibedakan oleh waktu penurunan muka air. Pemilihan variasi waktu penurunan mengacu pada terminologi rapid dimana penurunan dinyatakan sebagai rapid drawdown jika lajunya lebih besar dari m/hari (Alonso dan Punyol, 009). Variasi waktu penurunan muka air yang digunakan adalah 5, 0, 5, 0, dan 50 hari. G - 58 Universitas Sebelas Maret (UNS) - Surakarta, 4-6 Oktober 03

3 Tabel. Parameter untuk pemodelan Inti Urugan Tanah dasar Model material Mohr coulomb Mohr coulomb Mohr coulomb Tipe drainase Undrained Drained Drained γ unsat (kn/m 3 ) γ sat (kn/m 3 ) 8 0 Modulus young (kn/m ).5e0 3.0e e0 4 Angka poisson Kohesi (kn/m ) Kuat geser undrained (kn/m ) 5.0 Sudut geser ( o ) 3 35 Sudut dilatansi ( o ) Permeabilitas horisontal m/hr.0e Permeabilitas vertikal m/hr.0e Studi parametrik dilakukan dengan melakukan simulasi untuk berbagai kemiringan lereng. Rentang variasi rasio kemiringan lereng adalah.9,.,.6..9, dan 3.. Pada setiap kemiringan lereng, simulasi dilakukan dengan berbagai skenario rapid drawdown dan kondisi sebagai kontrol. Sebagai langkah awal, simulasi dilakukan untuk melihat apakah terminologi hanya merupakan fungsi waktu atau merupakan fungsi tinggi penurunan muka air juga. Untuk mengevaluasi masalah tersebut, simulasi dilakukan dengan menggunakan variasi waktu dan tinggi penurunan muka air. Hasil simulasi (Gambar 9) menunjukkan bahwa pada saat laju penurunan muka air m/hr namun dengan ketinggian penurunan yang berbeda akan memberikan faktor keamanan yang berbeda. Ketinggian penurunan sebesar 0 m dan 5 m akan memberikan faktor keamanan. dan.3 secara berturut-turut. Hal ini menunjukkan bahwa rapid drawdown merupakan fungsi dari laju dan ketinggian penurunan muka air. Namun demikian, tinggi penurunan muka air perlu diteliti lebih lanjut apakah merupakan tinggi mutlak atau merupakan rasio antara tinggi penurunan terhadap tinggi bendungan..8 Tanpa drainase horisontal air surut 50ht - 0m air surut 0 hr - 0m air surut 5 hr - 0 m air surut 0 hr - 0 m air surut 5 hr 0 m air surut 5 hr - 5 m air surut 5 hr - 0 m air surut 5 hr - 5 m air surut 5 hr - 0 m u m a. Tinggi penurunan muka air tetap b. Waktu penurunan muka air tetap Gambar 9. Angka keamanan untuk berbagai waktu dan ketinggian penurunan muka air (R =.6) Sementara itu, untuk ketinggian penurunan muka air yang sama, semakin cepat laju penurunan muka air, maka lereng di hulu bendung akan semakin tidak stabil. Pada saat ketinggian penurunan muka air berubah, laju penurunan muka air juga memberikan perubahan stabilitas lereng. Namun demikian, besarnya penurunan muka air juga memberikan konstribusi terhadapa perubahan tersebut. Semakin kecil penurunan muka air, semakin stabil lereng hulu tubuh bendung. Pengaruh ketinggian penurunan muka air dapat diassosiasikan dengan panjang garis aliran air tanah. Semakin besar penurunan muka air, semakin panjang garis aliran. Sehingga semakin lama waktu yang dibutuhkan oleh air di dalam pori tanah untuk mengalir. Akibatnya, semakin lama juga waktu yang dibutuhkan untuk terjadinya dissipasi tekanan air pori. u m Universitas Sebelas Maret (UNS) - Surakarta, 4-6 Oktober 03 G - 59

4 Gambar 0. Tekanan air pori pada saat air surut 5 hr -0m tanpa drainase horizontal (R =.6) Gambar. Tekanan air pori pada saat air surut 5 hr -0m dengan drainase horizontal (R =.6) Gambar. Tekanan air pori berlebih pada saat air surut 5 hr -0m tanpa drainase horizontal (R =.6) G - 60 Universitas Sebelas Maret (UNS) - Surakarta, 4-6 Oktober 03

5 Tekanan Air Pori Tekanan air pori dianggap sebagai parameter yang paling bertanggung-jawab atas penurunan stabilitas lereng ketika rapid drawdown terjadi. Disipasi tekanan air pori yang lambat menyebabkan terbentuknya tekanan air pori berlebih, sehingga lereng menjadi tidak stabil. Penambahan drainase horisontal akan menyebabkan terjadinya penurunan tekanan air pori di tubuh bendung (Gambar 0 dan Gambar ). Jarak lintasan aliran air di dalam tubuh bendung menjadi lebih pendek sehingga air di atas drainase horisontal menjadi lebih cepat mengalir melalui saluran tersebut. Hal ini menyebabkan disipasi tekanan air pori menjadi lebih cepat. Terbentuknya tekanan air pori berlebih pada saat rapid drawdown ditunjukkan oleh Gambar. Tekanan air pori berlebih terbentuk pada lereng hulu bagian bawah. Kondisi ini menyebabkan daerah tersebut merupakan daerah paling kritis ketika rapid drawdown terjadi. Drainase horisontal mampu mengeliminasi terbentuknya tekanan air pori berlebih (Gambar 3). Sehingga daerah kritis tersebut dapat dihilangkan dan selanjutnya akan membuat lereng lebih stabil dibandingkan jika tanpa drainase horisontal. Gambar 3. Tekanan air pori berlebih pada saat air surut 5 hr -0m dengan drainase horizontal (R =.6) Dengan drainase horisontal.8.6 air surut 50ht - 0m air surut 0 hr - 0m air surut 5 hr - 0 m air surut 0 hr - 0 m air surut 5 hr 0 m Gambar 4. Angka keamanan untuk berbagai waktu dan ketinggian penurunan muka air dengan memakai drainase horizontal (R =.6) Faktor Keamanan Faktor keamanan untuk berbagai skenario rapid drawdown pada R =.6 tanpa drainase horisontal sudah ditunjukkan pada Gambar 9 di bagian sebelumnya. Faktor keamanan pada kemiringan yang sama dengan menggunakan drainase horisontal disajikan pada Gambar 4. Gambar tersebut menunjukkan bahwa drainase u m Universitas Sebelas Maret (UNS) - Surakarta, 4-6 Oktober 03 G - 6

6 horinsontal mampu meningkatkan faktor keamanan lereng hulu bendung. Peningkatan faktor keamanan yang paling besar terjadi pada kondisi. Pada saat laju penurunan air 4 m/hr (5 hr 0 m), drainase horisontal dapat meningkatkan faktor keamanan dari lebih kecil dari satu menjadi sekitar.. atau meningkat sekitar 9%. Rata-rata peningkatan faktor keamanan adalah sekitar %, dengan peningkatan tertinggi terjadi pada saat laju penurunan adalah 0 cm/hr..8.6 air surut 50ht - 0m air surut 0 hr - 0m air surut 5 hr - 0 m air surut 0 hr - 0 m air surut 5 hr 0 m air surut 50ht - 0m air surut 0 hr - 0m air surut 5 hr - 0 m air surut 0 hr - 0 m air surut 5 hr 0 m Rasio kemiringan Rasio kemiringan a. Tanpa drainase horisontal b. Dengan drainase horisontal Gambar 5. Angka keamanan untuk berbagai kemiringan dan kondisi muka air Variasi faktor keamanan untuk berbagai kondisi ditunjukkan oleh Gambar 5. Pada kondisi tanpa drainase horisonal (Gambar 5a), faktor keamanan akan meningkat seiiring dengan peningkatan rasio kemiringan R pada saat. Dengan kata lain, semakin landai lereng, semakin tinggi faktor keamanan. Peningkatan faktor keamanan terjadi sangat siginifikan pada saat nilai R kecil sampai dengan R mendekati 3. Setelah R lebih besar dari 3, peningkatan faktor keamanan yang terjadi sangat kecil menuju konstan. Kondisi sebaliknya terjadi pada saat rapid drawdown. Pada rasio kemiringan kecil peningkatan faktor keamanan relatif lebih kecil dibanding pada rasio kemiringan besar. Titik perubahan gradien peningkatan kemiringan terjadi pada R sekitar.6. Sementara itu, selisih faktor keamanan antara kondisi dan rapid drawdown meningkat pada saat rasio kemiringan semakin besar. Dengan istilah lain semakin landai kemiringan, penurunan angka keamanan semakin besar. Perilaku di atas kemungkinan berkaitan dengan laju dissipasi tekanan air pori. Semakin curam kemiringan lereng, semakin pendek jarak horisontal tubuh bendung. Sehingga semakin cepat juga air mengalir keluar saat terjadi rapid drawdown. Sehingga tekanan air pori berlebih yang terbentuk semakin sedikit. Laju disipasi air pori juga dapat dikaitkan dengan variasi faktor keamanan lereng ketika ditambahkan drainase horisontal (Gambar 5b). Pada lereng yang curam, drainase horisontal kurang memberikan peningkatan faktor kemanan. Sebaliknya, faktor keamanan meningkat signifikan ketika lereng landai. Fenomena yang menarik adalah peningkatan faktor keamanan pada rasio kemiringan R kecil untuk kondisi air normal. Seharusnya pada saat tidak terjadi perubahan tekanan air pori. Tekanan air pori berlebih juga tidak terbentuk. Drainase horisontal seharusnya tidak memiliki pengaruh apapun. Namun demikian, faktor keamanan meningkat sangat signifikan pada R kecil. Fenomena ini harus dianalisis lebih mendalam dengan melihat hubungan antara kuat geser, deformasi dan tekanan air pori sehingga diketahui mekanisme yang terjadi. Variasi peningkatan faktor keamanan terhadap kemiringan lereng dapat dilihat di Gambar 6. Pada kondisi air normal, peningkatan faktor keamanan menurun dengan semakin landainya lereng tubuh bendung (R mengecil) sampai dengan R mendekati 3 kemudian cenderung konstan. Sedangkan pada kondisi rapid drawdown, peningkatan tersebut cenderung tinggi ketika R semakin besar. G - 6 Universitas Sebelas Maret (UNS) - Surakarta, 4-6 Oktober 03

7 .5.3 air surut 50 hr - 0 m air surut 5 hr - 0 m air surut 0 hr - 0 m air surut 5 hr - 0 m. 6. DISKUSI Gambar 6. Besar peningkatan faktor keamanan untuk berbagai kondisi Stabilitas lereng, baik natural maupun buatan manusia, sangat dipengaruhi oleh tekanan air pori. Pada lereng natural, drainase horisontal digunakan untuk mengurangi jumlah air yang meresap ke dalam tanah. Sehingga tekanan air pori tidak meningkat. Sebaliknya, drainase horisontal pada bendungan dimanfaatkan untuk mempercepat aliran air dari tanah diatas saluran drainase. Sehingga tekanan air pori lebih cepat terdrainase dan tekanan air pori berlebih tidak terbentuk. Namun demikian, drainase horisontal tidak selalu memberikan peningkatan stabilitas lereng yang signifikan. Pada kondisi rapid drawdown, drainase horisontal meningkatkan stabilitas lereng hulu secara siginifikan pada saat kemiringan tubuh bendung relatif landai. Hal ini terkait dengan panjang aliran air yang harus ditempuh ketika rapid drawdown terjadi. Semakin landai lereng, semakin panjang jarak aliran air. Sehingga semakin lama waktu yang dibutuhkan oleh air pori untuk terdisipasi. Pada kondisi itu, drainase horisontal secara efektif mampu meningkatkan laju disipasi air pori. Sehingga tekanan air pori berlebih dapat dikurangi. Perhatian lebih harus diberikan pada keterkaitan antara laju penurunan muka air dan ketinggian penurunan muka air. Laju penurunan bukan merupakan parameter individu yang menyebabkan penurunan stabilitas lereng pada saat rapid drawdown. Sehingga penelitian lebih lanjut mengenai hubungan dua parameter tersebut menjadi sangat penting. Pengetahuan hubungan antara dua parameter tersebut dapat dijadikan dasar manajemen pengaturan air tampungan dikaitkan dengan stabilitas lereng bendung. 7. KESIMPULAN Simulasi numerik tentang stabilitas lereng pada saat rapid drawdown sudah dilakukan dengan bantungan PLAXIS D. Hasil simulasi menunjukkan bahwa drainase horisontal berhasil meningkatkan stabilitas lereng pada saat rapid drawdown. Namun demikian, kelandaian lereng juga mempengaruhi efektifitas peningkatan stabilitas lereng karena drainase horisontal. Semakin landai lereng, semakin besar peningkatan stabilitas lereng yang dicapai. DAFTAR PUSTAKA Rasio kemiringan lereng R Alonso, E., & Pinyol, N. (009). Slope stability under rapid drawdown conditions. Rainfall-Induced Picarelli, P. Tommasi, G. Urciuoli and P. Versace. Naples, Italy: Doppiavoce, pp. I7 Malekpour, A., Farsadizadeh, D., Hosseinzadeh Dalir, A., & Sadrekarimi, J. (0). Effect of horizontal drain size on the stability of an embankment dam in steady and transient seepage conditions. Turkish Journal of Engineering & Environmental Sciences, 36(), Moharrami, A., Hassanzadeh, Y., Salmasi, F., Moradi, G., & Moharrami, G. (03). Performance of the horizontal drains in upstream shell of earth dams on the upstream slope stability during rapid drawdown conditions. Arabian Journal of Geosciences, -8. Rahardjo, H., Hritzuk, K. J., Leong, E. C., & Rezaur, R. B. (003). Effectiveness of horizontal drains for slope stability. Engineering Geology, 69(3), Universitas Sebelas Maret (UNS) - Surakarta, 4-6 Oktober 03 G - 63

8 Souliyavong, T., Gallage, C., Egodawatta, P., & Maher, B. (0). Factors affecting the stability analysis of earth dam slopes subjected to reservoir drawdown. In Proceedings of the Second International Conference on Geotechnique, Construction Materials and Environment (pp ). The GEOMATE International Society. Viratjandr, C., & Michalowski, R. L. (006). Limit analysis of submerged slopes subjected to water drawdown. Canadian Geotechnical Journal, 43(8), Zomorodian, S. M. A., and Abodollahzadeh, S. M. (00). Effect of Horizontal Drains on Upstream Slope Stability During Rapid Drawdown Condition. International Journal of Geology, 4(4), G - 64 Universitas Sebelas Maret (UNS) - Surakarta, 4-6 Oktober 03