BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Transkripsi

1 ditujukan untuk penelitian selanjutnya atau untuk penerapan hasil penelitian di lapangan. BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Umum Aliran saluran terbuka terjadi saat air mengalir karena gravitasi hanya tertutup sebagian oleh batas padatnya. Dalam aliran saluran terbuka, air yang mengalir memiliki permukaan yang bebas, dan air tersebut tidak dalam tekanan yang berasal dari berat sendiri dan tekanan atmosfer. Beberapa aliran saluran terbuka terjadi secara alami pada anak sungai dan batang air, yang umumnya memiliki arah aliran yang tidak beraturan. Aliran saluran terbuka juga sering berupa tiruan, seperti flume. Saluran ini memiliki bentuk-bentuk tertentu, seperti : segiempat, segitiga maupun trapesium. Aliran saluran terbuka juga dapat terjadi dalam kanal, jika kanal tersebut alirannya tidak penuh. Aliran normal sistem saluran pembuangan lebih sedikit dan oleh karenanya didesign sebagai saluran terbuka (Giles, R.V., dkk, 1995). 2.2 Teori Hidrolika dan Aliran Terbuka Aliran air dalam suatu saluran dapat berupa aliran saluran terbuka (open channel flow) maupun aliran pipa (pipe flow). Kedua jenis aliran tersebut sama dalam banyak hal, namun berbeda dalam satu hal yang penting. Aliran saluran terbuka harus memiliki permukaan bebas (free surface) sehingga dipengaruhi oleh tekanan udara bebas (atmospheric pressure), sedangkan aliran pipa tidak demikian, karena iair harus mengisi seluruh saluran. Aliran pipa, yang terkurung dalam saluran 16

2 tertutup, tidak terpengaruh langsung oleh tekanan udara, kecuali oleh tekanan hidrolik. Gambar 2.1 Energi Aliran Saluran Terbuka dan Sketsa Tekanan Udara (Chow,1992) Jumlah energi dalam aliran di penampang berdasarkan suatu garis persamaan adalah jumlah tinggi tempat z diukur dari garis dasar saluran, tinggi tekan y dan tinggi kecepatan, dengan v adalah kecepatan rata-rata aliran. Terlihat bahwa energi yang hilang dari penampang 1 ke penampang 2 dinyatakan dengan Klasifikasi Aliran Saluran Terbuka a Klasifikasi Aliran berdasarkan Perilaku Aliran Keadaan atau perilaku aliran saluran terbuka pada dasarnya ditentukan oleh pengaruh kekentalan dan grabitasi sehubungan dengan gaya-gaya inersia aliran. Tegangan permukaan air dalam keadaan tertentu dapat pula mempengaruhi perilaku aliran, tetapi pengaruh ini tidak terlalu besar dalam masalah saluran terbuka pada umumnya yang ditemui dalam dunia perekayasaan. Menurut ilmu mekanika fluida aliran fluida khususnya air diklasifikasikan berdasarkan perbandingan antara gaya-gaya inersia (inertial forces) dengan gaya- 17

3 gaya akibat kekentalannnya (viscous forces) menjadi tiga bagian yaitu: aliran laminer, aliran transisi dan aliran turbulen. Variabel yang dipakai untuk klasifikasi ini adalah bilangan Reynolds yang didefinisikan sebagai :... (2.1) Dimana : V = Karakteristik kecepatan aliran (m/detik) L = Panjang karakteristik (m) v = kekentalan kinematik (m/detik 2 ) Kekentalan kinematik didefinisikan sebagai :... (2.2) Dimana : µ = kekentalan dinamik dengan satuan kg/m.d ρ = kerapatan air dengan satuan kg/m 3 Untuk air, perubahan kekentalan kinematik terhadap temperatur dapat diperkirakan dengan persamaan berikut ini..... (2.3) Kerapatan air juga mengalami perubahan dengan perubahan temperatur. Dari suhu C sampai 10 0 C, besarnya ρ air = 1000 kg/m. Kenaikan temperatur menyebabkan turunnya harga kerapatan air. Untuk temperatur 15 0 C sampai C air turun dari 999 kg/m 3 menjadi 958 kg/m 3. Klasifikasi aliran berdasarkan bilangan Reynolds dapat dibedakan menjadi tiga kategori seperti berikut ini. Re < 500 aliran laminer 500 < < aliran transisi 18

4 > aliran turbulen Umumnya aliran pada saluran terbuka mempunyai Re > sehingga alirannya termasuk dalam kategori aliran turbulen b Klasifikasi Aliran berdasarkan Asalnya Saluran yang mengalirkan air dengan suatu permukaan bebas disebut saluran terbuka. Menurut asalnya, saluran dapat digolongkan menjadi saluran alam (natural) dan saluran buatan (artificial). Saluran alam meliputi semua alur air yang terdapat secara alamiah di bumi, mulai dari anak selokan kecil di pegunungan, selokan kecil, kali, sungai kecil dan sungai besar sampai ke muara sungai. Aliran air di bawah tanah dengan permukaan bebas juga dianggap sebagai saluran terbuka alamiah. Saluran buatan adalah saluran yang dibentuk oleh manusia seperti saluran pelayaran, saluran pembangkit listrik, saluran irigasi, saluran banjir, termasuk model saluran yang dibuat di laboratorium untuk keperluan penelitian. Sifat-sifat hidrolik saluran semacam ini dapat diatur menurut keinginan atau dirancang untuk memenuhi persyaratan tertentu. Oleh karena itu, penerapan teori hidrolika untuk saluran buatan dapat membuahkan hasil yang cukup sesuai dengan kondisi sesungguhnya, dan dengan demikian cukup teliti untuk keperluan perancangan praktis. Pada berbagai keadaan praktek teknik saluran terbuka buatan diberi istilah yang berbeda-beda seperti saluran (canal), talang (flume), got miring (chute), terjunan (drop), gorong-gorong (culvert), terowongan air terbuka (open flow tunnel) dan sebagainya. Namun istilah-istilah ini tidak diterapkan secara ketat dan hanya didefinisikan secara umum. Saluran, biasanya panjang dan merupakan 19

5 selokan landai yang dibuat di tanah, dapat dilapisi pasangan batu maupun tidak, atau beton, semen, kayu maupun aspal. Talang, merupakan selokan dari kayu logam, beton atau pasangan batu, biasanya disangga atau terletak di atas permukaan tanah, untuk mengalirkan air berdasarkan perbedaan tinggi tekan. Got miring, adalah selokan yang curam. Terjunan sama dengan got miring namun perubahan tinggi air terjadi dalam jarak pendek. Gorong-gorong, merupakan selokan tertutup yang pendek, dipakai untuk mengalirkan air melalui tanggul jalan kereta api maupun jalan raya. Terowongan air terbuka, adalah selokan tertutup yang cukup panjang, dipakai untuk mengalirkan air menembus bukit atau setiap gundukan tanah c Konsistensi Bentuk Penampang dan Kemiringan Dasar Suatu saluran yang penampang melintangnya dibuat tidak berubah-ubah dan kemiringan dasarnya tetap, disebut saluran prismatik (prismatic channel). Bila sebaliknya, disebut saluran tak prismatik (nonprismatic channel). Contohnya adalah pelimpah tekanan yang memiliki lebar berubah-ubah dengan trase melengkung. Saluran yang dibahas dalam tugas akhir ini adalah prismatik Kecepatan Aliran pada Aliran Seragam Di dalam aliran seragam, dianggap bahwa aliran adalah mantap dan satu dimensi. Aliran tidak mantap yang seragam hampir tidak ada di alam. Dengan anggapan satu dimensi berarti kecepatan aliran di setiap titik pada penampang melintang adalah sama. Contoh aliran seragam adalah aliran melalui saluran irigasi yang sangat panjang dan tidak ada perubahan penampang. Aliran di saluran irigasi yang dekat bangunan irigasi tidak lagi seragam karena adanya pembendungan atau terjunan, yang menyebabkan aliran menjadi tidak seragam (non uniform). Pada 20

6 umumnya aliran seragam di saluran terbuka adalah turbulen, sedang laminer jarang terjadi. Kecepatan aliran pada saluran terbuka dapat ditentukan dengan rumus Chezy, dan rumus Manning atau rumus Strickler. Kedua rumus tersebut hanya dibedakan pada nilai koefisien kekasarannya. Rumus Chezy menggunakan nilai koefisien kekasaran kekasaran C yang ditentukan oleh Ganguillet dan Kutter, H. Bazin, atau Powell (Chow dkk., 1992). Sedangkan rumus Manning yang memiliki nilai koefisien kekasaran n yang dipengaruhi oleh kekasaran permukaan, tetumbuhan, ketidakteraturan saluran, trase saluran, pengendapan dan penggerusan, hambatan, ukuran dan bentuk saluran, serta taraf dan debit air (Chow dkk.,1992). Coefisien C dapat diperoleh dengan menggunakan: C =... (2.4) C = ( Kutter )... (2.5) C = ( Manning )... (2.6) C = ( Bazin )... (2.7) C = -42 log ( ) ( Powell )... (2.8) a Formula Manning 21

7 Pada tahun 1889 seorang insinyur asal Irlandia, Robert Manning mengemukakan sebuah rumus yang akhirnya menjadi rumus yang sangat dikenal dengan... (2.9) Dimana: v n R I = Kecepatan aliran (m/detik) = Koefisien Kekasarang Manning = Jari-jari hidraulis (m) = Kemiringan dasar saluran Akibat sederhananya rumus ini dan hasilnya sangat memuaskan dalam pemakaian praktis, rumus Manning menjadi sangat banyak dipakai dibandingkan dengan rumus aliran seragam lainnya. Discharge (Q) untuk aliran steady uniform, pada pola formula Manning: Q = AV = A ( )... (2.10) Q = AV = A ( )... (2.11) Q dalam m 3 /s jika A dalam m 2 dan R dalam m. Loss Head ( hl) ditunjukkan dalam formula Manning: h L = menggunakan S = h L / L... (2.12) untuk aliran tidak seragam, nilai V dan R dapat digunakan untuk alas an yang akurat. Untuk saluran yang panjang, jika pendek kedalamannya dapat diganti pada magnitude yang sama b Penentu Koefisien Kekasaran Manning 22

8 Kesulitan terbesar dalam pemakaian rumus Manning adalah menentukan koefisien kekasaran n, sebab tidak ada cara tertentu untuk pemilihan nilai n. Pada tingkat pengetahuan saat ini. Memilih suatu nilai n sebenarnya berarti memperkirakan hambatan aliran pada saluran tertentu, yang benar-benar tidak dapat diperhitungkan. Untuk sekedar tuntutan bagi penentuan yang wajar mengenai koefisien kekasaran, akan dibahas 4 pendekatan umum, yakni (1) memahami faktor-faktor yang mempengaruhi nilai n dan hal ini memerlukan suatu pengetahuan dasar mengenai persoalannya dan kadar perkiraannya; (2) mencocokkan tabel dari nilai- nilai n untuk berbagai tipe saluran; (3) memeriksa dan memahami sifat beberapa saluran yang koefisien kekasarannya telah diketahui; (4) menentukan nilai n dengan cara analitis berdasarkan distribusi kecepatan teoritis pada penampang saluran dan data pengukuran kecepatan maupun pengukuran kekasaran. Berikut ini adalah tabel 2.1 nilai koefisien kekasaran Manning yang lazim digunakan. Tabel 2.1 Nilai Koefisien Kekasaran Manning (Triatmodjo, 1993) Bahan Koefisien Manning (n) Besi Tuang Dilapis Kaca Saluran Beton Bata Dilapisi Mortar Pasangan Batu Disemen Saluran Tanah Bersih Saluran Tanah Saluran Dengan Dasar Batu dan Tebing Rumput Saluran pada Galian Batu Padas (Sumber: Hidaulika II, Triatmodjo, 1993) c Faktor-faktor yang Mempengaruhi Koefisien Kekasaran Manning 23

9 Suatu saluran tidak harus memiliki satu nilai n saja untuk setiap keadaan. Sebenarnya nilai n sangat bervariasi dan tergantung pada berbagai faktor. Dalam memilih nilai n yang sesuai untuk berbagai kondisi perancangan maka adanya pengetahuan dasar tentang faktor-faktor tersebut akan sangat banyak membantu. Faktor-faktor yang memiliki pengaruh besar terhadap koefisien kekasaran baik bagi saluran buatan maupun alam diuraikan sebagai berikut. Trase saluran, kelengkungan yang landai dengan garis tengah yang besar akan mengakibatkan nilai n yang relatif rendah, seadngkan kelengkungan yang tajam dengan belokan-belokan yang patah akan memperbesar nilai n. Kekasaran Permukaan, yang ditandai dengan ukuran dan bentuk butiran bahan yang membentuk luas basah dan menimbulkan efek hambatan terhadap aliran. Hal ini sering dianggap sebagai satu-satunya faktor dalam memilih koefisien kekasaran, tetapi sebenarnya hanyalah satu dari beberapa faktor utama lainnya. Secara umum dikatakan bahwa butiran halus mengakibatkan nilai n yang relatif rendah dan butiran kasar memiliki nilai n yang tinggi. Tetumbuhan, digolongkan sebagai jenis kekasaran permukaan, tetapi hal ini juga memperkecil kapasitas saluran dan menghambat aliran. Ketidakteraturan saluran, mencakup pula ketidakteraturan keliling basah dan variasi penampang, ukuran dan bentuk di sepanjang saluran. Taraf air dan debit, nilai n pada saluran umumnya erkurang bila taraf dan debitnya bertambah. Bila air rendah, ketidakteraturan dasar saluran akan menonjol dan efeknya kelihatan. Namun nilai n dapat pula besar pada taraf air yang tinggi bila dinding saluran kasar dan berumput. 24

10 Hambatan, adanya balok sekat, pilar jembatan dan sejenisnya cenderung memperbesar n. Besarnya kenaikan ini tergantung pada sifat alamiah hambatan, ukuran, bentuk, banyaknya dan penyebarannya. 2.3 Sedimen Proses sedimentasi meliputi proses erosi, transportasi (angkutan), pengendapan (deposition), dan pemadatan (compaction) dari sedimen itu sendiri. Proses tersebut berjalan sangat kompleks. Hal ini berakibat pada berkurangnya layanan waduk karena pendangkalan dan penurunan kapasitas. Sedimentasi dapat diakibatkan oleh adanya longsoran di daerah tampungan waduk maupun akibat angkutan sedimen. Diperlukan suatu cara untuk menangkap potensi sedimen yang ada pada anak-anak sungai didaerah hulu sebelum masuk kedalam tampungan waduk (Puslitbang Pengairan Balitbang PU, ) Pembagian Sedimen Dasar sungai biasanya tersusun oleh endapan dari material angkutan sedimen yang terbawa oleh aliran sungai, material tersebut dapat terangkut kembali apabila kecepatan aliran cukup tinggi. Besarnya volume angkutan sedimen tergantung dari kecepatan aliran dan adanya kegiatan di palung sungai. Sebagai akibat dari perubahan volume angkutan sedimen adalah terjadinya pergerusan di beberapa tempat dan akan mengendap di tempat lain pada dasar sungai. Sehingga denga demikian bentuk dasar sungai akan selalu berubah. Untuk memperkirakan perubahan dasar sungai tersebut telah dikembangkan banyak rumus berdasarkan percobaan di lapangan maupun di laboratorium. Walaupun demikian perhitungan angkutan sedimen tidak teliti, karena (Loebis, 1993): 25

11 1. Interaksi antara aliran air dan angkutan sedimen adalah sangat komplek dan oleh karena itu sulit untuk dirumuskan secara matematis. 2. Pengukuran angkutan sedimen sulit dilaksanakan dengan teliti, sehingga rumus angkutan sedimen tidak dapat dicek dengan baik. Angkutan sedimen dapat diklasifikasikan berdasarkan pembagian sebagai berikut (Loebis, 1993): Berdasar kan Sumber Sedimen Angkutan Material Dasar Wash Load bed Load Suspended Load Berdasar kan Mekanis me Sedimen Gambar 2.2 Diagram Klasifikasi Angkutan Sedimen Aliran air akan membawa hanyut bahan-bahan sedimen, yang menurut mekanisme pengangkutannya dapat dibedakan menjadi 2 (dua) macam, yaitu (Sosrodarsono, 1985): a. Muatan dasar (bed load) Pergerakan partikel di dalam aliran air sungai dengan cara menggelinding, meluncur dan meloncat-loncat di atas permukaan dasar sungai. b. Muatan melayang (suspended load) Terdiri dari butiran halus yang ukurannya lebih kecil dari 0,1 mm dan senantiasa melayang di dalam aliran sungai. Partikel cendrung mengendap apabila kecepatan aliran melambat dan akan bergerak kembali karena turbulen aliran air sungai. Lebih-lebih butiran yang sangat halus, walaupun air tidak lagi mengalir, tetapi 26

12 butiran tersebut tetap tidak mengendap dan airnya akan tetap saja keruh dan sedimen semacam ini disebut muatan kikisan (wash load). Untuk membedakan muatan laying dan muatan dasar cukup sulit. Kriteria umum untuk menentukan muatan layang ialah perbandingan antara kecepatan gesek (U*) dan kecepatan jatuh (W), yaitu apabila U*/W > 1,5 maka termasuk sebagai muatan melayang. Sedangkan untuk muatan dasar dibatasi bahwa elevasi partikel pada saat pergerakannya di dalam air maksimum 2 sampai 3 kali dari ukuran diameter butirnya, jika lebih dari itu maka termasuk muatan melayang Angkutan Sedimen Pengertian umum angkutan sedimen adalah sebagai pergerakan butiran-butiran material dasar saluran yang merupakan hasil erosi yang disebabkan oleh gaya dan kecepatan aliran sungai. Di dalam perhitungan sifat-sifat sedimen yang dipakai adalah: ukuran, kerapatan atau kepadatan, kecepatan jatuh dan porositas. Laju angkutan sedimen, perubahan dasar dan tebing saluran, perubahan morfologi sungai dapat diterangkan jika sifat sedimennya diketahui. Beban sedimen yang diangkut melewati suatu penampang alur sungai terdiri atas beban bilas (Wash Load), Beban laying (Suspended Load) dan beban alas (Bed Load). Prinsip dasar angkutan sedimen yaitu untuk mengetahui perilaku sedimen pada kondisi tertentu, apakah keadaan sungai seimbang, erosi, maupun sedimentasi. Juga untuk prediksi kuantitas sedimen dalam proses tersebut. Proses yang terjadi secara alami ini kuantitasnya ditentukan oleh gaya geser aliran serta diameter butiran sedimen. Laju pengangkutan sedimen merupakan besarnya sedimen yang diukur sesaat. Jika debitnya tidak berubah secara cepat, maka satu 27

13 kali pengukuran laju pengangkutan sedimen sudah cukup untuk menentukan laju rata-rata dalam satu hari (Soemarto, 1999) Angkutan sedimen dapat menyebabkan terjadinya perubahan dasar sungai. Angkutan pada suatu ruas sungai akan mengalami erosi atau pengendapan tergantung dari besar kecilnya angkutan sedimen yang terjadi. Beberapa Faktor yang mempengaruhi angkutan sedimen adalah : a Ukuran Partikel Sedimen Pengukuran ukuran butiran tergantung pada jenis bongkahan, untuk berangkal pengukuran dilakukan secara langsung, untuk kerikil dan pasir dilakukan dengan analisa saringan sedangkan untuk lanau dan lempung dilakukan dengan analisa sedimen. sedimen alami adalah campuran dari berbagai ukuran partikel yang berbeda dan bentuk. Ukuran partikel distribusi biasanya diwakili oleh sebidang persentase berat total sampel, yang lebih kecil dari ukuran tertentu diplot sebagai fungsi dari ukuran partikel (Chanson H, 2004) b Berat Spesifik Sedimen Berat spesifik adalah berat sedimen per satuan volume dari bahan angkutan sedimen. Dirumuskan sebagai berikut:...(2.13) Dimana: ϓ = massa jenis air (kg/m 3 ) c Kecepatan Jatuh ( Fall Velocity ) 28

14 Karakteristik dari sedimen adalah kecepatan jatuhnya atau fall velocity (ω), yang mana adalah kecepatan maksimum yang dicapai oleh suatu partikel akibat gaya gravitasi. Ukuran pasir yang tersuspensi dalam suatu sungai akan tergantung kepada nilai fall velocity-nya. Dalam fluida ideal, partikel tersuspensi (lebih berat daripada air) jatuh: yaitu memiliki ke bawah (vertikal) gerakan. Kecepatan jatuh awal adalah kecepatan partikel pada kesetimbangan, jumlah gaya gravitasi, daya apung dan gaya gesek cairan yang sama dengan nol. Dalam saluran terbuka, kecepatan partikel jatuh lebih lanjut dipengaruhi oleh turbulensi aliran dan interaksi dengan partikel sekitarnya (Chanson H, 2004). Untuk suatu ukuran butiran sedimen yang besar, akan jatuh dengan cepat dan akan lebih sedikit mendapat tahanan dari air dibandingkan dengan butiran sedimen yang lebih halus (Helena M.T, 2010). Penentuan kecepatan endap amat penting karena sangat berpengaruh terhadap dimensi kantong lumpur. Ada dua metode yang bisa digunakan untuk menentukan kecepatan endap (KP-02): Persamaan umum untuk mencari nilai fall velocity :... (2.14) Dimana : ω = kecepatan jatuh (m/det) = massa jenis sedimen (kg/m 3 ) = massa jenis air (kg/m 3 ) d = diameter sedimen (mm) v = viskositas kinematic (m 2 /det) 29

15 Nilai fall velocity (ω) juga dapat diketahui apabila diketahui diameter sedimen (d), temperatur air ( C) dan shape factor dari sedimen Persamaan Angkutan Sedimen Pemodelan angkutan sedimen dipilih dari beberapa persamaan empiris dan profil aliran/hidrolika menggunakan persamaan dasar aliran satu dimensi, dimana salah satu datanya adalah data geometri. Angkutan sedimen ditentukan dari ukuran butiran material bed load. Model juga dipersiapkan untuk melakukan simulasi kecenderungan perilaku erosi dan pengendapan dalam jangka panjang, dengan melakukan perubahan frekuensi dan durasi data debit atau perubahan geometri saluran yang diteliti Rumus-rumus yang dipakai dalam perhitungan angkutan sedimen adalah persamaan-persamaan Engelund and Hansen, Yang s, Shen and Hung s, Metode Sampling Meyer Petter Muller (Yang C.T, 1996) Mekanika Fluida dan Hidraulika Mekanika Fluida dan hidraulika merupakan cabang mekanika terapan yang terurai dari perilaku fluida saat bergerak maupun diam. Dalam fluida statis, berat spesifik sangat penting, sedangkan dalam fluida dinamis, massa jenis dan viskositas merupakan komponen utama. Fluida merupakan zat yang mampu mengalir dan menyesuaikan bentuknya dengan bejana. Fluida diklasifikasikan sebagai cair atau gas Sifat-Sifat Air 30

16 Tahanan fluida terhadap perubahan bentuk sangat kecil, sehingga fluida dapat dengan mudah mengikuti bentuk ruangan/tempat yang membatasinya. Fluida dapat dibedakan menjadi dua macam yaitu zat cair dan zat gas. Zat cair dan zat gas mempunyai sifat-sifat serupa, yang terpenting adalah sebagai berikut ini: 1. Kedua zat ini tidak melawan perubahan bentuk, dan 2. Kedua zat tidak mengadakan reaksi terhadap gaya geser, yaitu gaya yang bekerja sejajar dengan permukaan lapisan-lapisan zat cair atau gas yang mencoba untuk menggeser lapisan-lapisan tersebut antara satu terhadap yang lain. Oleh karena itu apabila ada sentuhan sedikit saja, dua lapisan yang saling berdampingan akan bergerak antara satu terhadap lainnya. Sedang perbedaan utama antara zat cair dan gas adalah sebagai berikut : 1. Zat cair mempunyai permukaan bebas, dan massa zat cair hanya akan mengisi volume yang diperlukan dalam suatu ruangan, sedangkan gas tidak mempunyai permukaan bebas dan massanya akan mengisi seluruh ruangan, dan 2. Zat cair merupakan zat yang praktis tak termampatkan, sedang gas adalah zat yang bisa dimampatkan. Perilaku zat cair, terutama air, banyak dipelajari dalam bidang teknik sipil, sedang gas banyak dipelajari dalam bidang teknik mesin, kimia, aeronotika, dan sebagainya. Zat cair mempunyai beberapa sifat berikut ini : 1. Apabila ruangan lebih besar dari volume zat cair, akan terbentuk permukaan bebas horizontal yang berhubungan dengan atmosfer, 31

17 2. Mempunyai rapat massa dan berat jenis, 3. Dapat dianggap tidak termampatkan (incrompressible), 4. Mempunyai viskositas (kekentalan) 5. Mempunyai kohesi, adhesi, dan tegangan permukaan. Diantara sifat-sifat tersebut, yang terpenting adalah rapat massa, berat jenis, dan viskositas. Aliran zat cair dapat diklasifikasikan menjadin beberapa macam seperti berikut : 1. Aliran Invisid dan Viskos (a) (b) Gambar 2.3 (a)aliran Viskos dan (b)aliran Invisid Aliran invisid adalah aliran di mana kekentalan zat cair,µ,dianggap nol (zat cair ideal). Sebenarnya zat cair dengan kekentalan nol tidak ada di alam, tetapi dengan anggapan tersebut akan sangat menyederhanakan permasalahan yangb sangat kompleks dalam hidraulika. Karena zat cair tidak mempunyai kekentalan maka tidak terjadi tegangan geser antara partikel zat cair dan antara zat cair dengan kekentalan kecil seperti air. Aliran viskos adalah aliran di mana kekentalan diperhitungkan (zat cair rill). Keadaan ini menyebabkan timbulnya tegangan geser antara partikel zat cair yang bergerak dengan kecepatan berbeda. Apabila zat cair rill mengalir melalui bidang batas yang diam, zat cair yang berhubungan langsung dengan bidang batas tersebut akan mempunyai kecepatan nol (diam). Kecepatan zat cair akan 32

18 bertambah sesuai dengan jarak dari bidang tersebut. Apabila medan aliran sangat dalam/lebar, di luar suatu jarak tertentu dari bidang batas, aliran tidak lagi dipengaruhi oleh hambatan bidang batas. Pada daerah tersebut kecepatan aliran hamper seragam. Bagian aliran yang berada dekat dengan bidang batas, di mana terjadi perubahan kecepatan yang besar dikenal dengan lapis batas (boundary layer). Di daerah lapis batas ini tegangan geser terbentuk di antara lapis-lapis zat cair yang bergerak dengan kecepatan berbeda karena adanya kekentalan zat cair dan turbulensi yang menyebabkan partikel zat cair bergerak dari lapis yang satu ke lapis lainnya. Di luar lapis batas tersebut pengaruh tegangan geser yang terjadi karena adanya bidang batas dapat diabaikan dan zat cair dapat dianggap sebagai zat cair ideal. 2. Aliran Kompresibel dan Tak Kompresibel Semua fluida kompresibel sehingga rapat massanya berubah dengan perubahan tekanan. Pada aliran mantap dengan perubahan rapat massa kecil, sering dilakukan penyederhanaan dengan menganggap bahwa zat cair adalah tak kompresibel dan rapat massa adalah konstan. Oleh karena zat cair mempunyai kemampatan yang sangat kecil, maka dalam analisis aliran mantap sering dilakukan anggapan zat cair tak kompresibel. Tetapi pada aliran tak mantap melalui pipa di mana bisa terjadi perubahan tekanan yang sangat besar, maka kompresibilitas zat cair harus diperhitungkan. Untuk gas di mana kemampatannya besar, maka perubahan rapat massa karena adanya perubahan tekanan harus diperhitungkan. 3. Aliran Laminer dan Turbulen 33

19 Aliran viskos dapat dibedakan dalam aliran laminer dan turbulen. Aliran Laminar umumnya terjadi pada aliran saluran terbuka, dengan nilai Reynold sebesar 2000 atau lebih kecil. Aliran disebut laminar bila Re = Untuk aliran terbuka, Re = 4RV/v, dimana R adalah radius hidraulik, V = kecepatan aliran, dan v = viskositas kinematic. Aliran laminer adalah apabila partikel-partikel zat cair bergerak teratur dengan membentuk garis lintasan kontinyu dan tidak saling berpotongan. Apabila zat warna diinjeksikan pada suatu titik dalam aliran, maka zat warna tersebut akan mengalir menurut garis aliran yang teratur seperti benang tanpa terjadi difusi atau penyebaran. Pada aliran turbulen Gambar 2.4.b partikel-partikel zat cair bergerak tidak teratur dan garis lintasannya saling berpotongan. Zat warna yang dimasukkan pada suatu titik dalam aliran akan terdifusi dengan cepat ke seluruh aliran. Aliran turbulen terjadi apabila kecepatan aliran besar, saluran besar, dan zat cair mempunyai kekentalan kecil. (a) (b) Gambar 2.4 (a) aliran laminar dan (b) aliran turbulen 4. Aliran Mantap dan Tak Mantap 34

20 Aliran mantap (steady flow) terjadi jika variabel dari aliran seperti kecepatan V, tekanan p, rapat massa ρ, penampang aliran A, debit Q, dsb, di sembarang titik pada zat cair tidak berubah dengan waktu. Dalam aliran turbulen, gerak partikel zat cair selalu tidak beraturan. Di sembarang titik selalu terjadi fluktuasi kecil dari kecepatan. Tetapi jika nilai reratanya pada suatu periode adalah konstan maka aliran tersebut adalah permanen. Gambar 2.5 Menunjukkan Kecepatan Sebagai Fungsi Waktu Pada Suatu Titik Dalam Aliran Turbulen Untuk (a) Aliran Mantap dan (b) Tak Mantap Aliran tak mantap (unsteady flow) terjadi jika variabel aliran pada setiap titik berubah dengan waktu. Gambar 2.5.b menunjukkan kecepatan sebagai fungsi waktu pada suatu titik dalam aliran turbulen dan tak mantap. Analisis dari aliran ini adalah sangat kompleks, biasanya penyelesaiannya dilakukan secara numerik dengan menggunakan komputer. Aliran steady uniform meliputi 2 kondisi aliran. Aliran steady, didefenisikan sebagai under closed-conduit, mengacu pada kondisi dimana karakteristik aliran di berbagai titik tidak dipengaruhi oleh waktu. Uniform flow mengacu pada kondisi dimana kedalaman, kemiringan, kecepatan dan penampang cenderung konstan terhadap panjang saluran. 35

21 Dalam kasus tertentu, kelas garis energi, kelas garis hidraulik dan dasar aliran ialah sama. Hal ini tidak serupa untuk aliran steady tidak seragam (Schaum, 1995). Dalam saluran terbuka, perhitungan untuk aliran steady (mantap) dapat dinyatakan berdasarkan persamaan energi berikut ini (Chow,1997)....(2.15) Dimana : h f h e v a z g = Percepatan gravitasi (m/detik 2 ) = Kehilangan energi akibat gesekan (m) = Kehilangan energi akibat perubahan penampang (m) = Kecepatan rerata (m/detik) = Koefisien distribusi kecepatan = Tinggi energi dari datum (m) Gesekan dan perubahan penampang sungai dapat mengakibatkan kehilangan tinggi energi. Kehilangan akibat gesekan merupakan hasil dari kemiringan garis energi (S f ) dan panjang (L), seperti persamaan berikut:...(2.16)... (2.17) Dimana:... (2.18) h f L S f Q = Kehilangan energi akibat gesekan (m) = Jarak antar sub bagian (m) = Kemiringan garis energi (friction slope) K = Pengangkutan aliran tiap sub bagian = Debit air (m 3 /detik) Pada umumnya perhitungan pada aliran-saluran terbuka hanya digunakan pada aliran tetap dengan debit Q dinyatakan sebagai. Q = A.v... (2.19) 36

22 Dengan: Q = Debit aliran (m 3 /detik) A = Luas Penampang melintang saluran (m 2 ) V = Kecepatan aliran (m/detik) 5. Aliran Seragam dan Tak Seragam Aliran tidak seragam terjadi saat kedalaman aliran berubah disepanjang panjang dari saluran terbuka. Aliran saluran tidak seragam bisa tenang atau tidak tenang. Bisa diklasifikasikan menjadi tenang, cepat atau kritikal.aliran disebut seragam (uniform flow) apabila tidak ada perubahan besar dan arah dari kecepatan suatu titik ke titik yang lain di sepanjang aliran (Gambar 2.6.a). Demikian juga dengan variabel-variabel lainnya seperti tekanan, rapat massa, kedalaman, debit, dsb. Aliran tak seragam (nonuniform flow) terjadi jika semua variabel aliran berubah pada jarak tertentu (Gambar 2.6.b) Gambar 2.6 (a) Aliran Seragam dan (b) Aliran Tak Seragam Pada aliran tidak seragam, biasanya saluran terbuka dibagi terhadap panjang, L. Untuk menghitung kurva air yang ditahan, persamaannya ialah L = = =... (2.20) Dimana: 37

23 S 0 S = kemiringan dasar saluran dan = kemiringan batas level energy gradient energy S dapat ditulis S = ( ) 2... (2.21) Atau... (2.22) Profil permukaan untuk aliran kondisi bervariasi secara bertahap dalam lebar saluran segiempat dapat dianalisis menggunakan persamaan berikut: =... (2.23) Istilah dy/dl mewakili kemiringan permukaan air relative terhadap dasar saluran. Jika dy/dl positif, maka kedalaman meningkat ke hilir (Giles, R.V., dkk, 1995). 6. Aliran Satu, Dua dan Tiga Dimensi Dalam aliran satu dimensi, kecepatan di setiap titik pada tampang lintang mempunyai besar dan arah yang sama. Sebenarnya jenis aliran semacam ini sangat jarang terjadi. Tetapi dalam analisa hidraulika, aliran tiga dimensi dapat disederhanakan menjadi aliran satu dimensi berdasarkan beberapa anggapan, misalnya mengabaikan perubahan kecepatan vertical dan melintang terhadap kecepatan pada arah memanjang. Keadaan pada tampang lintang adalah nilai ratarata dari kecepatan, rapat massa, dan sifat-sifat lainnya. Perubahan kecepatan hanya terjadi pada arah aliran. Dalam aliran dua dimensi, semua partikel dianggap mengalir dalam bidang sepanjang aliran, sehingga tidak ada aliran tegak lurus pada bidang tersebut (Gambar 2.7.b). Bidang tersebut bisa mendatar atau vertikal tergantung pada masalah yang ditinjau. Apabila distribusi vertikal dari kecepatan atau sifat-sifat 38

24 yang lain adalah penting daripada arah melintang maka aliran dapat dianggap dua dimensi vertikal. Sedang aliran di saluran yang sangat lebar, misalnya di pantai, maka anggapan aliran dua dimensi mendatar adalah lebih sesuai. Kebanyakan aliran di alam adalah tiga dimensi, di mana komponen kecepatan u, v, w adalah sangat sulit. Gambar 2.7.c menunjukkan aliran tiga dimensi. Gambar 2.7 (a) Aliran 1 Dimensi, (b) Aliran 2 Dimensi, dan (c) Aliran 3 Dimensi 7. Aliran Rotasional dan Tak Rotasional Aliran rotasonal adalah bila setiap partikel zat cair mempunyai kecepatan sudut terhadap pusat massanya. Gambar 2.8.a. menunjukkan distribusi kecepatan suatu aliran turbulen dari zat cair rill melalui dinding batas lurus. Karena distribusi kecepatan yang tidak merata, partikel zat cair akan berotasi. Suatu partikel yang semula kedua sumbunya saling tegak lurus setelah mengalami rotasi akan terjadi perubahan sudut. Pada aliran tak rotasional, distribusi kecepatan di dekat dinding batas adalah merata (Gambar 2.8.b). Suatu partikel zat cair tidak berotasi terhadap pusat massanya. 39

25 Gambar 2.8 (a) Aliran Rotasional dan (b) Tak Rotasional 8. Aliran Kritis, Subkritis, dan Superkritis Aliran kritis merupakan kondisi aliran yang dipakai sebagai pagangan dalam menentukan dimensi bangunan ukur debit. Pada kondisi tersebut, yang disebut sebagai keadaan aliran modular ialah pada suatu kondisi debitnya maksimum dan energi spesifiknya adalah minimum. Berdasarkan pengaruh gaya tarik bumi aliran dibedakan menjadi aliran subkritis, kritis, dan super kritis. Aliran disebut sub kritis apabila gangguan (misalnya batu dilemparkan ke dalam aliran sehingga menimbulkan geombang) yang terjadi di suatu titik pada aliran dapat menjalar ke arah hulu. Aliran sub kritis dipengaruhi oleh kondisi hilir, dengan kata lain keadaan di hilir akan mempengaruhi aliran di sebelah hulu. Apabila kecepatan aliran cukup besar sehingga gangguan yang terjadi tidak menjalar ke hulu maka aliran disebut super kritis. Dalam hal ini kondisi di hulu akan mempengaruhi aliran di sebelah hilir. Apabila kecepatan aliran cukup besar sehingga gangguan yang terjadi tidak menjalar ke hulu maka aliran adalah super kritis.penentuan tipe aliran dapat didasarkan pada nilai bilangan Froude Fr, yang mempunyai bentuk:...(2.24) 40

26 Dengan: Fr = Bilangan Froude v = Kecepatan aliran (m/detik) g = Percepatan gravitasi (m/detik 2 ) y = Kedalaman aliran (m) Fenomena aliran modular pada pintu yang diletakkan di atas ambang untuk satu energi spesifik yang konstan ( dapat diidentifikasi melalui tiga kondisi seperti berikut : Grafik 2.9 Hubungan Antara Debit dan Tinggi Air pada Kondisi Energi Spesifik konstan Gambar 2.10 Gelombang (a) air diam (b) Aliran Sub Kritis, (c) Aliran Kritis, dan (d) Aliran Super Kritis (Triatmodjo,1993) 41

27 Aliran subkritis dan aliran superkritis dapat diketahui melalui nilai bilangan Froude (F). Bilangan Froude tersebut membedakan jenis aliran menjadi tiga jenis yaitu aliran kritis, subkritis, dan superkritis (Queensland Department of Natural Resources and Mines, 2004). Ketiga jenis aliran dapat dijelaskan sebagai berikut : a. Aliran subkritis, jika bilangan Froude lebih kecil dari 1 (Fr<1). Untuk aliran subkritis, kedalaman biasanya lebih besar dan kecepatan aliran rendah b. Aliran kritis, jika bilangan Froude sama dengan 1 (Fr=1) dan gangguan permukaan. c. Aliran superkritis, jika bilangan Froude lebih besar dari 1 (Fr>1). Untuk aliran superkritis kedalaman relatif lebih kecil dan kecepatan relatif tinggi. Contoh penerapan aliran kritis, subkritis, dan superkritis yaitu aliran melalui pintu sorong/gerak. Kondisi aliran melalui pintu sorong (sluice gate) akan tampak jelas apakah dalam kondisi aliran bebas atau tenggelam, tergantung dari kedalaman air di hilir pintu yang secara bergantian ditentukan oleh kondisi aliran dihilir pintu tersebut. Kondisi aliran bebas (free flow) dicapai bila aliran di hulu pintu adalah subkritis, sedangkan aliran di hilir pintu adalah superkritis. Lompatan hidraulik terjadi saat aliran superkritis berubah menjadi aliran subkritis. Dalam beberapa kasus, elevasi permukaan aliran meningkat tiba-tiba dalam aliran yang memiliki arah. Untuk aliran konstan pada saluran segiempat, persamaannya ialah = y 1 y 2 ( )...(2.25) 42

28 2.4.2 Pemodelan Hidrolika Dalam pelaksaan kegiatan penelitian mengenai model bangunan pendukung ini, ada beberapa teori-teori pendukung akan hal-hal yang dapat mempengaruhi pemodelan terhadap penelitian. Gaya hela (drag force) yang mendesak suatu benda padat yang bergerak melalui fluida terdiri dari dua komponen yaitu surface drag dan form drag. Gambar 2.11 Surface Drag & Form Drag Gaya hela total dinyatakan sebagai berikut : 2.V F Cd. A...(2.26) 2 Dimana : F C d A Ρ V = Gaya hela total = Drag coefficient = Luas tampang benda padat = Density fluida = Kecepatan benda padat Untuk surface drag disekeliling sebuah benda bunda r: Cd D. V Re...(2.27) Dimana : 43

29 Re D = Reynolds number dari bola yang bergerak melalui fluida tersebut = Diameter bola = Koefisien viskositas dinamis fluida Dari hukum stokes: 3 2 ys y f r...(2.28) 9 v Dimana : y s y f r = Specific weight benda = Specific weight fluida = ρ.g = Radius bola Drag Coeficient untuk benda bundar : Cd 8 3 s f 2. V. r... (2.29) Karena sifat hubungan rumit antara Cd dan bilangan Reynold tidak dapat secara langsung diintegrasikan. Gambar 2.12 Pengaliran Diatas Broad Crested Weir Untuk pengaliran di atas broad crested weir berlaku persamaan Bernouli, yaitu: H = H c + 44

30 V =... (2.30) Dimana: H = Tinggi muka air hulu di atas weir H c = d c = Kedalaman air kritis V = Kecepatan aliran pada hc G = Percepatan gravitasi Apabila lebar weir adalah B dan koefisien debit adalah C d, maka debit yang mengalir melalui broad crested weir adalah: Q C. B. hcv. d Q C. B. hc. d Q C. B. d 2g.( H hc) 2g.( H. hc 2 hc 3 )... (2.31) Dengan pengaliran di hilir weir jatuh bebas, maka kedalaman di atas weir adalah kedalaman yang memberikan debit maksimum sehingga harga (H.h c 2 h c 3 ) juga maksimum. Maka diperoleh: 2 3 d( H. hc hc ) 0 dhc 2 2. H. hc 3hc 0 2 hc. H 3...(2.32) Jadi : Q Cd. B. Q C. B d 2g.( H. hc 2 2 2g H ( H ) 3 hc ( H )

31 Q C Q C d d. B. 2g( B.1,705. H H ) (2.33) Maka debit melalui broad crested weir adalah : Q = 1,705.C d.b.h 3/2... (2.34) Dimana : Q = Debit aliran (m 3 / detik) H = Tinggi muka air hulu ambang (m) C d = Koefisien debit B = Lebar ambang (m) Jika dimensi jarak di buat dalam satuan (mm) maka persamaan debit menjadi : Q = C d.b.h 3/2... (2.35) Dimana : Q = Debit aliran (mm 3 /detik) H = Tinggi muka air hulu ambang (mm) C d = Koefisien debit B = Lebar ambang (mm) Dengan adanya ambang, akan terjadi efek pembendungan di sebelah hulu ambang. Efek ini dapat dilihat dari naiknya permukaan air bila dibandingkan dengan sebelum di pasang ambang. Dengan demikian, pada penerapan di lapangan harus diantisipasi kemungkinan banjir di hulu ambang. Secara teori naiknya permukaan air ini merupakan gejala alam dari aliran dimana untuk memperoleh aliran air yang stabil, maka air akan mengalir dengan kondisi 46

32 aliran subkritik, karena aliran jenis ini tidak akan menimbulkan gerusan (erosi) pada permukaan saluran terjunan atau kemiringan saluran yang cukup besar, setelah melewati ambang aliran dapat pula berlaku sebagai aliran superkritik (Helena, 2010) Pada penerapan dilapangan apabila kondisi super kritik ini terjadi maka akan sangat membahayakan, dimana dasar tebing saluran akan tergerus. Strategi penanganan aliran misalnya dengan memasang lantai beton atau batu batu cukup besar di hilir ambang. Pada saat melewati ambang biasanya aliran akan berperilaku sebagai aliran kritik, selanjutnya aliran akan mencari posisi stabil a Model Hidraulik Model hidraulik, umumnya memiliki semua karakteristik yang signifikan dari prototype yang diskalakan berupa kesamaan dinamik dan kinematika b Geometrik Similitude Geometrik similitude berada diantara model dan prototype jika ratio semua dimensi korespondensi dan prototypenya sama. Beberapa ratio dapat ditulis sebagai berikut: = Lratioatau = Lr...(2.36) dan = = L 2 ratio = L...(2.37) Dimana : = panjang model (m) = panjang prototype (m) = luas model ( ) = luas prototipe ( ) 47

33 2.4.2.d Kinematik Similitude Kinematik Similitude berada pada model dan prototype jika perpindahan partikel sama secara geometrik dan jika ratio kecepatan partikel yang sama adalah sejajar. Kecepatan : = = : =...(2.37) Percepatan : = = : =... (2.38) Discharge : = = : =... (2.39) Dimana : = panjang model (m) = panjang prototype (m) = kecepatan pada model ( = kecepatan pada prototipe ( = waktu pada model (s) = waktu pada prototipe (s) = percepatan pada model (m/ ) = percepatan pada prototipe (m/ ) = debit pada model ( = debit pada prototipe ( d Dinamik Similitude Dinamik similitude berada diantara sistem kesamaan kinematis dan geometrikal jika rasio dari semua gaya dalam model sama dan prototipe adalah sama. Kondisi yang dibutuhkan untuk melengkapi similitude adalah dikembangkan dari hukum kedua Newton, ƩF x = Ma x. Perwakilan gaya menjadi salah satu, atau beberapa kombinasi, seperti : gaya lekat, gaya tekan, gaya gravitasi, gaya tegangan permukaan dan gaya elastisitas: =..(2.40) Dimana : 48

34 Rasio Gaya Inersia : = Massa model (kg) = Massa prototipe (kg) = percepatan pada model (m/ ) = percepatan pada prototipe (m/ ) Fr = ρ r L r 2 V r 2 = r A r 2 V r 2... (2.41) Dimana : Fr = Rasio Gaya Inersia (N) ρ r = rasio massa jenis (kg/m³) L r = rasio panjang (m) V r = rasio kecepatan ( A r = rasio luas ( ) Persamaan ini menunjukkan hukum dasar dari kesamaan dinamis antara model dan prototipe dan mengacu pada persamaan Newton. Rasio Gaya Tekan Inersia : = = = =... (2.42) Dimana : M = massa (kg) a = percepatan (m/ ) = tekanan (Pa) = massa jenis (kg/m³) A = luas ( ) = panjang (m) = waktu (s) V = kecepatan (m/s) Rasio Gaya Inersia Gravitasi : = =... (2.43) Dimana : M = massa (kg) a = percepatan (m/ ) 49

35 g = percepatan gravitasi (m/s 2 ) = massa jenis (kg/m³) = panjang (m) V = kecepatan (m/s) Rasio Waktu : T r =... (2.44) Dimana : T r = rasio waktu (sekon) = rasio panjang (m) = rasio elastisitas (N/m 2 atau Pascal) = rasio massa jenis (kg/m³) Rasio waktu digunakan untuk pola aliran yang disebabkan oleh viskositas, gravitasi, tegangan permukaan dan elastisitas, dengan masing-masingnya (Giles, R.V., dkk,1995). 50