HUBUNGAN ANTARA DIMENSI KOLAM OLAK DAN EFEKTIFITAS PEREDAM ENERGI DI HILIR PINTU AIR. Yuliman Ziliwu

Transkripsi

1 HUBUNGAN ANTARA DIMENSI KOLAM OLAK DAN EFEKTIFITAS PEREDAM ENERGI DI HILIR PINTU AIR Yuliman Ziliwu Abstrak Loncat air di hilir sluice gate sering menimbulkan masalah aitu terjadina local scouring. Salah satu untuk mengatasi masalah tersebut adalah menambah kekasaran apron menggunakan endensill di hilir sluice gate. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mendapatkan hubungan antara dimensi kolam olak dan efektifitas peredam energi di hilir pintu air. Pelaksanaan penelitian ini dimulai dari kalibrasi debit aliran ang melalui standard tilting flume dan didapatkan nilai debit aitu Q= 4830 cm 3 /det ang besarna disesuaikan dengan kapasitas flume pada saat sluice gate di pasang dengan bukaan pintu terkecil agar tidak meluap. Dari hasil penelitian : 1. nilai frude number untuk model dengan panjang kolam olak ang sama adana penambahan kedalaman kolam olak mengakibatkan LS semakin pendek;.untuk suatu nilai Froude number ang sama, panjang loncat hidraulik ang terjadi semakin berkurang dengan adana penambahan kedalaman kolam olak, penambahan tailwater depth dan penambahan tinggi endsill; 3.Penambahan kedalaman dan panjang kolam olak, penambahan tailwater depth dan penambahan tinggi endsill dapat memperbesar pengaruh peredaman energi; 4.Penambahan endsill pada ujung hilir kolam olak dapat mengurangi terjadina osilasi ang menebabkan terjadina kerusakan pada tanggul tanggul dari tanah dan riprap. Kata kunci: Loncat air, kolam olak, peredam nenergi 1. PENDAHULUAN Terjadina loncat hidraulik di hilir sluice gate sering menimbulkan terjadina local scouring. Berbagai cara untuk mengatasi masalah tersebut diantarana adalah menambah kekasaran apron menggunakan endsill di hilir sluice gate, namun terkadang menimbulkan masalah lain, aitu terjadina second jump. Langkah langkah tambahan, seperti misalna menurunkan dan memperpanjang tinggi endsill ang bertujuan menambah kekasaran apron diperlukan agar dapat menjamin perencanaan energi secara memadai. Penelitian ini adalah untuk mendapatkan hubungan antara dimensi kolam olak dan efektifitas peredaman energi. Beberapa

2 peneliti telah melakukan penetitian tentang pengaruh letak endsill di hilir pintu air S.WU. dan N. Rajaratnam (1995) menelidiki tentang pengaruh letak endsill di hilir pintu air pada aliran submerged. Ranga Raju dan Visaradia (1979) menelidiki tentang sifat sifat debit ang terjadi pada pintu penguras dengan kondisi aliran bebas. Mossa M., Petrillo A. dan chanson H. (00), melakukan penelitian tentang peredaman energi loncat hidraulik dalam kolam olak.. TINJAUAN PUSTAKA Ada 3 macam pola loncat hidraulik ang mempunai kemungkinan terbentuk pada daerah hilir sluice gate (Chow, V. T., 1959), aitu : 1. Kasus 1, apabila kedalam hilir (tailwater depth) 3 sama dengan kedalaman (sequent depth) akni lanjutan dari 1. Nilai nilai Fr 1, 1 dan 3 ( = ) akan memenuhi persamaan 1 : Fr 1 1 (1). Kasus, apabila kedalam hilir 3 <. Hal ini berarti kedalaman hilir pada kasus 1 berkurang. Akibatna, loncat hidraulik akan mundur ke hilir ke suatu titik dimana persamaan 1 dipenuhi kembali. 3. Kasus 3, apabila kedalam hilir 3 >. Hal ini berarti kedalaman hilir pada kasus 1 bertambah besar. Akibatna, loncatan di dorong ke arah hulu dan berubah menjadi loncatan terendam. Persamaan Momentum di Mulut Sluice gate Mossa M., Petrillo A. dan Chanson H. (00) menunjukkan bahwa : Pola aliran = 1 H f Fr0,, () 0 0 Persamaan dasar aliran untuk penelesaian analitis pada penelitian tersebut di atas diaplikasikan dalam penelitian ini. Gambar 1. Pers. Momentum di mulut sluice gate Persamaan momentum di mulut sluice gate (Gambar 1) adalah : F 0 + F h F 1 = pq (U 1 U 0 ) (3)

3 Dengan : F 0 = ½ x 0 B F h = H 0 H B F 1 = ½ x 1 B (4) Substitusi persamaan (4) ke persamaan (3) dan dengan penjabaran seperluna, didapatkan : Fr 0 = 1 0 (5) Kekasaran Saluran H H Energi aliran superkritis ang masuk dalam kolam olak akan direndam oleh kekasaran saluran. Gambar. Gaa gaa ang bekerja pada Loncat Hidraulik Persamaan momentum pias 0- adalah : A 0 z 0 - A x h f - A z = pq(u U 0 ) Bila h f = Ls x (6) S f dan S f = (7) Substitusi persamaan (7) ke dalam persamaan (5) dan dengan penjabaran seperluna, didapatkan : Ls = B 0 Q Bg 0x Q n A R (8) Q A n R 4 3 Persamaan Momentum Loncat Hidraulik Bila La adalah panjang kolam olak, L = Ls + Lj, dimana Ls adalah jarak antara pintu air dengan awal loncat hidraulik dan Lj adalah panjang loncat hidraulik, maka posisi loncat hidraulik di dalam kolam olak, aitu : a. Apabila L/La<1, maka persamaan ang berlaku adalah persamaan 1. b. Apabila L/La 1, maka fenomena loncat hidraulik ang terjadi pada peninggian saluran secara mendadak.

4 Gambar 3. Posisi Loncat Hidraulik dalam Kolam Olak Persamaan momentum di ujung hilir konlam olak (Gambar 3) adalah : F 1 F F 3 = pq (U U 1 ) (9) lantai mendatar (Chow, V.T., 1959), aitu : Lj = A( 1 ) (1) Dengan F 1 = ½ B 1 F = ½ B F 3 = -pu 1 BH (10) Substutusi persamaan (10) ke dalam persamaan (9) dan dengan penjabaran seperluna, didapatkan : 1 (1 Fr (1 Fr (11) 1 ) Fr1 H ) (1 Fr ) Panjang Loncat Hidraulik Rajaratnam dan Biro Reklamasi Amerika Serikat (USBR) mengusulkan hubungan panjang loncat hidraulik pada 3. METODE PENELITIAN Pelaksanaan penelitian ini dimulai dengan kalibrasi debit aliran ang melalui Standart Tilting Flume dan didapatkan satu nilai debit, aitu Q = 4830 cm 3 /det, ang besarna disesuaikan dengan kapasitas flume pada saat sluice gate dipasang dengan bukaan pintu terkecil agar air tidak meluap. Tinggi bukaan pintu air 0, masing masing bukaan 1.5 cm, 1.5 cm dan cm, agar didapatkan angka Froude dengan kisaran 1,0<Fr 1,4,5. Pemberian nama pada model dengan ketentuan :

5 a. G1 (model dengan bukaan pintu cm), G (model dengan bukaan pintu 1,5 cm) dan G3 (model dengan bukaan pintu 1.5 cm) b. K1 (model dengan kedalaman kolam 1 cm), K (model dengan kedalaman kolam cm) dan K3 (model dengan kedalaman kolam 3 cm) c. E1 (model dengan tinggi endsill 1 cm), E (model dengan tinggi endsill cm) d. D1 (model dengan jarak apron 10 cm), dan seterusna sampai D1 (model dengan jarak apron 10 cm) Langkah kedua adalah mengatur kedalaman muka air hilir ( 3 ). Setelah debit konstan, pada tahapan ini dilakukan pengukuran ragam kedalaman aliran ang terbentuk di hilir pintu air dengan menggunakan point gauge antara lain kedalaman air di hulu pintu air hulu pada daerah vena contracta c, awal loncat hidraulik 1, tinggi puncak loncat hidraulik p, kedalaman aliran di atas endsill edsill dan kedalaman aliran di hilir loncat hidraulik 3. Sejalan dengan pelaksanaan tersebut juga dilakukan pengukuran jarak antara pintu air dengan awal loncatan Ls, panjang loncatan Lj, jarak antara awal loncatan sampai dengan puncak loncatan Lp dan jarak antara awal loncatan dengan letak endsill x. Pelaksanaan pengukuran model selanjutna dilakukan untuk setiap perubahan jarak apron, perubahan kedalaman kolam loncat hidraulik, perubahan tinggi endsill dan perubahan angka Froude. Pengukuran dibatasi hana pada kondisi loncat hidraulik terbuka (surface flow), tidak termasuk kondisi loncat hidraulik terendam (submertged flow) 4. ANALISIS HASIL DAN PEMBAHASAN Kekasaran Saluran Hasil pengamatan secara fisik untuk debit sebesar Q = 4830 cm 3 /det diperoleh kedalaman normal sebesar n = 5,7 cm. untuk bukaan pintu 0 = 1,5 cm posisi awal loncat hidraulik adalah Ls = 191 cm dan panjang loncat hidraulik Lj = 31 cm. dengan menggunakan persamaan 8, didapatkan nilai n = 0,007. Pengaruh Kedalaman dan Panjang Kolam Olak (apron) terhadap Parameter Loncat Hidraulik Gambar 4 memperlihatkan bahwa untuk suatu nilai Froude number ang sama, H/ 1 pada kedalaman kolam 1 (H = 1 cm) < H/ 1 pada kedalaman kolam (H = cm) dengan nilai perbandingan 1 :. hal ini menunjukkan bahwa nilai 1 tidak dipengaruhi oleh kedalaman kolam olak.

6 Gambar 4. Hubungan ekspermental antara Fr dan H/Y 1 pada kolam Koordinat koordinat ang terbentuk pada gambar 4 menunjukkan bahwa nilai H/ 1 ang senantiasa berkurang setiap dilakukan perubahan panjang La. Hal ini disebabkan perlawanan gaa ang terjadi di ujung hilir kolam olak untuk mengimbangi tekanan hidrostatis ang terdistribusi disepanjang apron semakin kecil. Jarak untuk mereduksi distribusi tekanan hidrostatis ang semakin pendek (La semakin pendek), menebabkan tekanan hidrostatis ang terjadi akan semakin kecil (ditandai dengan perubahan nilai Fr 1 ). Pada jarak La tertentu, kedalaman kolam olak tidak efektif lagi dalam memecah energi. Hal tersebut berkaitan dengan angka Froude, aitu pertama apabila nilai Fr 1 terlalu kecil hingga melewati batas vena contracta dan menimbulkan loncatan terendam (submerged jump). penampang saluran dengan debit tertentu, diperoleh lengkung gaa spesifik. Untuk suatu nilai gaa spesifik, lengkung gaa spesifik memiliki dua kemungkinan kedalaman aitu 1 (initial depth) dan (sequent depth). Gaa spesifik pada penampang 1 ( 1 ) dan ( ) adalah sama (F 1 = F ), jika gaa gaa luar dan berat air di bagian saluran ang lurus di antara kedua penampang dapat diabaikan (Chow, V.T.,1959). Hubungan nilai 1 dan hasil penelitian diperlihatkan pada gambar 5a. sebagai contoh, untuk suatu model G K 1, D 4 = 90 cm; 1 = 0,0153 m dan = 0,0515 ; nilai Fs 1 = Fs = 0, m 3. Pengaruh Kedalaman dan Panjang Kolam Olak (apron) Terhadap Kedalaman Hilir (Tailwater Depths) Dengan menggambarkan kedalaman () berserta gaa spesifik (Fs) pada suatu

7 Gambar 5. Nilai 1, & 3 hasil eksperimen pada lengkung gaa spesifik Gambar 5b memperlihatkan hubungan antara nilai 1 dan 3 (tailwater depth) hasil penelitian, dimana untuk satu model, dengan panjang apron ang beragam, nilai 3 tetap. Pada model G 1 K1, D 4 = 90 cm, 1 = 0,04 m; Fs 1 = 0,00041 m 3 ; 3 = 0,050 m. nilai 3 terletak di sisi atas lengkung gaa spesifik, ang artina nilai 3 >. pada model G K 1, G 3 K 1, G K, G 3 K memperlihatkan nilai 3 terletak di sisi dalam lengkung gaa spesifik, artina bahwa nilai 3 <. Gambar 5c memperlihatkan hubungan antara nilai 1 dan ( 3 + H) hasil penelitian. Pada model G 1 K 1, G K, G 3 K, dan sebagian dari model G K 1,memperlihatkan bahwa nilai 3 terletak di sisi atas lengkung gaa spesifik ( 3 > ). Untuk model G 1 K 1 adana penambahan kolam hana berfungsi untuk memperbesar pengaruh pembenaman, karena tanpa adana penambahan kolam nilai 3 >. untuk model G 3 K 1 dan sebagian ang lain dari model G K 1 menunjukkan bahwa nilai 3 terletak di sisi dalam lengkung gaa spesifik ( 3 < ), untuk itu diperlukan penambahan kedalaman kolam agar 3, agar peredaman energi lebih memadai. Pada model G K 1 untuk nilai 3 < terjadi pada apron dengan panjang 70 cm s/d 10 cm. untuk nilai 3 = terjadi pada apron dengan panjang 60 cm, sedangkan untuk nilai 3 > terjadi pada apron dengan panjang 0 s/d 50 cm.

8 Panjang Loncat Hidraulik pada Kolam Olak Data data hasil percobaan dapat dipetakan dengan absis Froude number dan ordinatna berupa rasio tak berdimensi Lj/ 1. Gambar 6 memperlihatkan adana kesamaan pola dalam perubahan. Semakin besar angka Fr, maka Lj/ 1 cenderung bertambah besar. Untuk suatu angka Froude ang sama, panjang loncat hidraulik ang terjadi semakin berkurang dengan adana penambahan kedalaman kolam, pengaturan tailwater depth dan penambahan tinggi endsill. Panjang loncat hidraulik (Lj) pada kolam olak dengan H = 1 cm (model G K 1, gambar 6a) lebih besar dibandingkan kolam olak dengan H= cm (G K, gambar 6b). untuk kedalaman kolam olak tanpa endsill (model G K 1, gambar 6a) lebih besar dibandingkan kolam olek dengan penambahan endsill (G K 1, gambar 6d). Begitu pula untuk kolam olak dengan kedalaman kolam dengan penambahan taiwater depth akan mengurangi panjang loncat hidraulik. Gambar 6. Hubungan angka Froude terhadap perubahan panjang loncat hidraulik

9 Pengaruh Angka Froude terhadap Kehilangan Energi (Head Losses) Kehilangan energi pada loncat hidraulik adalah sama dengan perbedaan energi spesifik sebelum dan sesudah terjadina loncat hidraulik. Hasil analisa pada penelitian ini diperoleh hubungan antara angka Froude ang terbentuk pada bukaan pintu ( 0 ) terhadap besarna kehilangan energi ang terjadi dimulai dari bukaan pintu ( 0 ) hingga tailwater depth ( 3 ). Gambar 7. Perubahan angka Froude terhadap head losses ( E = 0 3 ) Gambar 7 memperlihatkan terjadina kehilangan energi total, aitu dimulai dari hilir sluice gate ( 0 ) sampai kedalaman hilir ( 3 ). Untuk suatu angka Froude ang sama, besarna head losses dipengaruhi oleh kedalaman kolam aitu G K 1 dan G K serta G 3 K 1, dan G 3 K. semakin besar kedalaman kolam, maka semakin besar pula energi ang direndam. Perbandingan / 1 Hasil Penelitian dengan / 1 Hasil Formulasi Analitik Perbandingan / 1 hasil penelitian dengan / 1 hasil formulasi analitik diplotkan dalam bentuk grafik hubungan antara angka Froude dengan / 1 dan diperlihatkan pada gambar 8. posisi loncat hidraulik dalam kolam olak mempunai dua kemungkinan, aitu : a. Apabila L/La<1 (gambar 3a), maka persamaan ang berlaku adalah persamaan 1 b. Apabila L/La 1 (gambar 3b), maka persamaan ang berlaku adalah persamaan 11 Dari Gambar 8a terlihat bahwa kolam olak dengan kedalaman H = 1 cm sebagian besar posisi loncat hidraulik terletak pada L/La 1, ang terjadi pada bukaan pintu 0 = 1,5 cm. hal ini menunjukkan bahwa angka Froude ang besar menebabkan kolam olak belum dapat mengendalikan posisi loncat hidraulik.

10 Gambar 8. Perbandingan nilai / 1 hasil penelitian dengan hasil formulasi analitik Adana penambahan kedalaman kolam seperti ang terlihat pada gambar 8b menjelaskan hampir seluruh loncat hdraulik berada pada posisi di dalam kolam olak. Gambar 8d. memperlihatkan bahwa kolam olak dengan penambahan endsill

11 dapat menggeser loncat hidraulik ke arah hulu. Sehingga seluruh posisi loncat hidraulik berada dalam kolam olak. Sedangkan pada gambar 8e. memperlihatkan bahwa adana penambahan tailwater depth dan endsill pada kolam olak hana akan memperbesar pengaruh pembenaman. Terdapat kecenderungan ang sama antara hasil penelitian dengan hasil dari formulasi analitis. Untuk kolam dengan penambahan endsill dan pengaturan hilir antara hasil penelitian dengan hasil dari formulasi analitis memberikan hasil ang hampir sama. Pengaruh Angka Froude terhadap Posisi Awal Loncat Hidraulik Froude number dipengaruhi oleh besarna debit dan tinggi bukaan sluice gate. Hasil analisa pada penelitian ini diperoleh hubungan antara angka Froude ang terbentuk pada awal loncat hidraulik ( 1 ) terhadap posisi awal loncat hidraulik (Ls). Gambar 9. Hubungan Angka Froude terhadap 1 /Ls. Koordinat koordinat pada model G 3 K 1, G K 1, dan G 1 K 1 dengan panjang kolam olak ang sama (La sama) dihubungkan, maka grafik asitosis ke arah titik 1, begitu diambil suatu angka Froude Fr =,75 untuk model dengan panjang kolam olak ang sama : a. Pada model G K 1 1 /Ls = 0,066 sehingga Ls = 1 /0,066 b. Pada model G K 1 /Ls = 0,81 sehingga Ls = 1 /0,81 Hal ang sama terjadi pada model G 3 K 1 dan G 3 K. Dari angka angka tersebut dapat disimpulkan bahwa adana penambahan kedalaman kolam olak mengakibatkan Ls semakin pendek. 5. KESIMPULAN Berdasarkan pembahasan hasil penelitian ang telah dilakukan maka dapat disimpulkan bahwa : a. Bila diambil suatu nilai Froude number untuk model dengan panjang kolam olak ang sama, adana

12 penambahan kedalaman kolam olak mengakibatkan Ls semakin pendek b. Untuk suatu nilai Froude number ang sama, panjang loncat hidraulik ang terjadi semakin berkurang dengan adana penambahan kedalaman kolam olak, penambahan tailwater depth dan penambahan tinggi endsill c. Penambahan kedalaman dan panjang kolam olak, penambahan tailwater depth dan penambahan tinggi endsill dapat memperbesar pengaruh peredaman energi d. Penambahan endsill pada ujung hilir kolam olak dapat mengurangi terjadina osilasi ang menebabkan terjadina kerusakan pada tanggul tanggul dari tanah dan riprap. 6. DAFTAR PUSTAKA Bos, M.G., 1978, Discharge Measurement Structure, ICRI, Netherlands Chow, V.T., 1959, Open Channel Hdraulics, McGraw-Hill Kogakusha Ldt, Toko Hager, W.H dan lin, D., 199, Sill Controlled Energ Dissipator, Journal ofhdraulics Research vol. 30-9, halaman Mossa M., Petrillo A. dan Chanson H., 00, Tailwater Levelo Effects on Flow Conditions at an Abrupt Drop, Journal of Hdraulics Research vol.40-4 Rangga Raju, K.G., 1986, Aliran Melalui Saluran Terbuka, terjemahan Yan Piter Pangaribuan, Erlangga, Jakarta Sharma, S.K., 1988, Design of Errigation Structure, S. Chad & Compan (Pvt) LDT, New Delhi Wu, S. and Rajaratnam, N., 1995, Effect of Buffles on Submerged Flow, Journal of Hdraulics Engineering vol. 11, no. 9, September, ASCE Biodata : Yuliman Ziliwu, Alumni (S1) Teknik Sipil UTP Surakarta (1994). Pasca Sarjana (S) Program Magister Teknik Sipil UNDIP Semarang (00), Lahir di Ambukha Nias 4 Juni Dosen di Program Studi Teknik Sipil UTP dari tahun 1996 sampai sekarang. Pernah menjabat sebagai Pembantu Dekan II dari tahun 00 sampai 006 dan Wakil Dekan dari tahun 006 sampai 010.