ANALISA HIDRAULIS BANGUNAN KANTONG (SETTLING BASIN) PADA DAERAH IRIGASI SUNGAI ULAR TUGAS AKHIR DHANI APRISAL RITONGA

Transkripsi

1 ANALISA HIDRAULIS BANGUNAN KANTONG LUMPUR (SETTLING BASIN) PADA DAERAH IRIGASI SUNGAI ULAR TUGAS AKHIR Diajukan untuk melengkapi syarat penyelesaian pendidikan Sarjana Teknik Sipil Disusun Oleh: DHANI APRISAL RITONGA BIDANG STUDI TEKNIK SUMBER DAYAA AIR DEPARTEMEN TEKNIK SIPIL FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARAA 2011

2 ABSTRAK Untuk menjaga kualitas air irigasi di Sungai Ular dikonstruksikan bangunan kantong lumpur (settling basin) tepat setelah bangunan pengambilan. Penelitian bertujuan untuk menganalisa secara hidraulis bangunan kantong lumpur. Sistem pembilasan sedimen dilakukan secara hidraulik yang dilakukan dengan cara membuka pintu saluran pembilas sehingga sedimen terbilas dengan aliran air. Oleh karena itu untuk mengetahui proses jalannya aliran air di dalam kantong lumpur perlu dilakukan analisis untuk mengetahui fraksi sedimen, menghitung estimasi sedimen masuk,,kecepatan aliran dan kehilangan tinggi energi air pada saluran. Dalam pengerjaan Tugas Akhir ini disusun tahapan penelitian berupa pengumpulan data primer berupa dokumentasi lokasi penelitian, pengambilan sampel sedimen kemudian data sekunder berupa gambar, data dan laporan teknis, melakukan studi pustaka yang berasal dari textbook, jurnal dan catatan kuliah, menganalisa secara hidraulis data teknis eksisting yang berkaitan dengan bangunan settling basin Daerah Irigasi Sungai Ular yang meliputi analisa angkutan sedimen dan volume tampungan, analisa elevasi muka air dan kehilangan tinggi energi dan mengetahui efisiensi pengendapan dan frekuensi pembilasan. Untuk mengetahui dan memperkirakan jumlah angkutan sedimen digunakan tiga metode estimasi yaitu Lane and Kalinske, Einstein dan Seksi Hidrometri. Besar angkutan sedimen yang mendekati hasil analisa angkutan sedimen pada Main Report adalah metode Seksi Hidrometri yaitu angkutan sedimen per hari yang masuk ke intake adalah sebesar 1,825 Ton/hari dan memiliki volume sedimen 0,687 m 3 /hari. Volume tampungan sedimen yang dihitung adalah 333,572 m 3. Kemudian hasil perhitungan elevasi muka air menunjukkan terjadi kehilangan tinggi energi total sebesar 0,11425 m yang dianalisa mulai aliran masuk ke inlet, intake hingga melewati kantong lumpur dan akhirnya menuju saluran primer. Efisiensi pengendapan diperiksa dengan menggunakan diagram Camp dan menunjukkan hasil 100% pengendapan partikel dengan diameter 0,2 mm yaitu fraksi pasir sedang. Terjadi kehilangan tinggi energi sebesar 0,11425 selama pengaliran normal air untuk saluran irigasi. Frekuensi pembilasan dapat dilakukan pada saat 11 sampai 14 hari sekali. Kecepatan pembilasan untuk debit bilas 4,425 m 3 /detik adalah 3,24 m/detik. Dalam operasi kantong lumpur, untuk menghindari fraksi pasir masuk ke jaringan irigasi, dilakukan pembilasan hidraulis. Hal ini dilakukan untuk menghindari terjadinya penggerusan kembali partikel angkutan sedimen yang telah terendap dalam kantong lumpur terutama fraksi pasir, yang dapat menyebabkan terangkutnya kembali sedimen dan dapat masuk ke saluran irigasi. Kata kunci: Kantong lumpur, settling basin, sedimen

3 KATA PENGANTAR Puji dan syukur kehadirat Allah SWT, karena berkat Rahmat dan kuasa-nya, serta dukungan berbagai pihak, sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini yang diajukan untuk memenuhi syarat dalam ujian sarjana Teknik Sipil bidang studi Teknik Sumber Daya Air pada Departemen Teknik Sipil Fakultas Teknik Universitas Sumater Utara. Adapun judul dari Tugas Akhir ini adalah Analisa Hidraulis Bangunan Kantong Lumpur (Settling Basin) pada Daerah Irigasi Sungai Ular. Penulis menyadari sepenuhnya bahwa Tugas ini belumlah sempurna, baik dari segi isi maupun bahasa dan cara penyusunannya serta dari segi teori dan perhitungannya oleh karena itu penulis bersedia menerima kritikan dan saran yang konstruktif dari pembaca demi kesempurnaan tugas ini. Penulis mengucapkan terima kasih dan penghargaan yang setinggi-tingginya atas bimbingan dan bantuan yang diberikan untuk terselesaikannya tugas akhir ini kepada: 1. Teristimewa untuk kedua orang tua Ayahanda Ir. Subahri Ritonga,M.M dan ibunda Dina Fadila Nst, yang telah membesarkan, mendidik, memberikan dorongan baik material, spiritual serta semangat dengan sabar dan penuh kasih sayang yang tidak dapat dibalas jasa dan pengorbanannya. 2. Bapak Alm. Ir. Sufrizal M.Eng selaku pembimbing I yang telah banyak meluangkan waktu, tenaga dan pikiran untuk memberikan bimbingan dan masukan kepada penulis.

4 3. Bapak Ir. Alferido Malik selaku pembimbing I yang telah banyak meluangkan waktu, tenaga dan pikiran untuk memberikan bimbingan dan masukan kepada penulis. 4. Bapak Ivan Indrawan, ST, MT. selaku pembimbing II yang telah banyak meluangkan waktu, tenaga dan pikiran untuk memberikan bimbingan daan masukan kepada penulis. 5. Para penguji, Ir. Boas Hutagalung, M.Sc, Ir. Terunajaya, M.Sc, dan Ir. Makmur Ginting,M.Sc. yang telah membantu dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini. 6. Bapak Prof. Dr. Ing. Johanes Tarigan sebagai Ketua Departemen Teknik Sipil,. 7. Bapak Ir. Syahrizal, MT sebagai sekretaris Departemen Teknik Sipil Fakultas Teknik Universitas Sumatera utara. 8. Bapak/ibu Dosen di lingkungan Departemen Teknik Sipil, Universitas Sumatera Utara. 9. Bapak Ir.Saiful Mujahidin yang turut membantu menjelaskan konsep perhitungan hidraulis 10. Bapak Kuswandi ST, MT sebagai dosen yang telah memberikan ilmu dan berbagai pustaka inspiratif mengenai ilmu keairan dan teknik pantai 11. Seluruh pegawai administrasi Departemen Teknik Sipil Fakultas Teknik Sumatera Utara yang telah memberikan bantuan-bantuannya. 12. Terima kasih buat abang dan kakak senior angkatan 2004, 2006 antara lain bang Mabrur, bang Aswin, bang Mayjen, kak Ani, kak Irin, kak Ade, bang Jul, bang Alfi dan lainnya yang tidak bisa disebutkan satu per satu.

5 13. Terima kasih buat teman-teman penulis yang sudah banyak memberikan semangat dan bantuan, buat teman-teman sejawat 07 di teknik sipil Ari usman, Saki, Ari galang, Juangga, Didi, Harli, Jay, Fadli, Alfi, Falah, Yowa, Afrianti, Iwan, Gorbi, Arsyad Hadomuan, Herry, Aulia, Rilly. Iqbal Bob, Ghuffran, Gina, Tesa, Bundo, Ade dan banyak lagi yang tidak bisa disebutkan satu persatu. 14. Terima kasih buat adik-adik junior Syafi i, Riza, Mantha, Frengky, Danny, Lia, Iqbalsyah, Yudha, Reby, Afrisa,dan banyak lagi yang tidak bisa disebutkan satu persatu. Medan, November 2011 Dhani Aprisal Ritonga

6 DAFTAR ISI HALAMAN ABSTRAK... i KATA PENGANTAR... ii DAFTAR ISI... v DAFTAR TABEL... viii DAFTAR GAMBAR... ix DAFTAR NOTASI... xi DAFTAR LAMPIRAN... xii DAFTAR PUSTAKA... xiv BAB I PENDAHULUAN... 1 I.1 Umum... 1 I.2 Latar Belakang... 2 I.3 Permasalahan... 3 I.4 Tujuan... 4 I.5 Pembatasan Masalah... 4 I.6 Metodologi Penelitian... 5 I.7 Sistematika Penulisan... 5 BAB II TINJAUAN PUSTAKA... 7 II.1 Umum... 7 II.2 Teori Hidrolika dan Aliran Air... 9 II.2.1 Klasifikasi Aliran Saluran Terbuka II Klasifikasi Aliran berdasarkan Fungsi Ruang dan Waktu. 11 II Klasifikasi Aliran berdasarkan Perilaku Aliran II Klasifikasi Aliran berdasarkan Asalnya II Klasifikasi Aliran berdasarkan Konsistensi Penampang.. 17 II.2.2 Geometri Penampang Saluran Terbuka II Unsur Unsur Geometrik Penampang Saluran... 18

7 II.2.3 Distribusi Kecepatan pada Penampang Saluran II.2.4 Kecepatan Aliran pada Aliran Seragam II Formula Manning II Penentuan Koefisien Kekasaran Manning II Faktor Faktor yang Mempengaruhi Kekasaran II.3 Irigasi dan Bangunan Air II.3.1 Bangunan Utama (Headworks) II.3.2 Dimensi Kantong Lumpur II Panjang dan Lebar Kantong Lumpur II Kecepatan Endap Kantong Lumpur II Volume Tampungan II.3.3 Pembersihan Kantong Lumpur II Pembersihan Secara Hidrolis II Pembersihan Secara Manual/Mekanis II.3.4 Pemeriksaan Fungsi Kantong Lumpur II Efisiensi Pengendapan II Efisiensi Pembilasan II.4 Erosi dan Angkutan Sedimen II.4.1 Formula Angkutan Sedimen Muatan Melayang II Metode Lane and Kalinske (1941) II Metode Einstein II Metode Seksi Hidrometri (1985) BAB III DESKRIPSI LOKASI PENELITIAN III.1 Gambaran Umum Daerah Irigasi Sungai Ular III.2 Bangunan Utama III.2.1 Bendung Sungai Ular III.2.2 Bangunan Pengambilan III Komposisi dari Bangunan Pengambilan III.3 Operasi dan Pemeliharaan BAB IV METODOLOGI PENELITIAN IV.1 Umum IV.2 Tujuan Penelitian IV.3 Pengumpulan Data IV.4 Tahapan Pengerjaan Analisa Data IV.4.1 Analisa Angkutan Sedimen dan Volume Tampungan... 68

8 IV Formula Angkutan Sedimen (Suspended load) IV.4.2 Analisa Hidraulis Kantong Lumpur IV.4.2.a Analisa Elevasi Muka Air dan Kehilangan Energi IV.4.2.b Analisa Kecepatan Aliran IV.4.2.c Analisa Efisiensi Pengendapan IV.4.2.d Analisa Pembilasan Partikel Sedimen BAB V ANALISA DAN PEMBAHASAN V.1 Analisa Angkutan Sedimen dan Volume Tampungan V.1.1 Perhitungan Angkutan Sedimen V.1.2 Perhitungan Volume Tampungan V.2 Analisa Hidraulis V.2.1 Perhitungan Elevasi Muka Air V.2.2 Analisa Kecepatan Aliran Penampang V.3 Analisa Efisiensi Pengendapan V.4 Analisa Pembilasan Partikel Sedimen BAB VI KESIMPULAN VI.1 Kesimpulan VI.2 Saran

9 DAFTAR TABEL Halaman Tabel 2.1 Unsur Geometris Penampang Saluran 21 Tabel 2.2 Nilai Koefisien Kekasaran Manning (Triatmodjo,1993) 25 Tabel 3.1 Sistem Irigasi Sungai Ular 54 Tabel 3.2 Komponen dan Data Teknis Bangunan Bagian Bendung 57 Tabel 3.3 Komponen dan Data Teknis Bangunan Bagian Pengambilan 61 Tabel 4.1 Hasil Uji Konsentrasi Sedimen 72 Tabel 4.2 Hasil Uji Spesific Gravity 73 Tabel 4.3 Hasil Analisa Saringan 74 Tabel 4.4 Koefisien Pembesaran akibat Membesarnya Penampang Saluran 75 Tabel 4.5 Koefisien Pengecilan akibat Mengecilnya Penampang Saluran 75 Tabel 5.1 Hasil Analisa Kehilangan Energi dan Elevasi Muka Air 90 Tabel 5.2 Jenis Aliran pada Setiap Penampang Kantong Lumpur 93

10 DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Energi Aliran Saluran Terbuka dan Sketsa Tekanan Udara (Chow,1997) Gambar 2.2 Diagram Klasifikasi Aliran Saluran Terbuka (Kuswandi,2009) Gambar 2.3 Pola Penjalaran Gelombang di Saluran Terbuka (Triatmodjo,1993) Gambar 2.4 Geometri Penampang Saluran Terbuka Gambar 2.5 Kurva kecepatan sama yang khas pada berbagai penampang saluran Gambar 2.6 Skematisasi Ruang Kantong Lumpur (PUSAIR,2004) Gambar 2.7 Hubungan antara diameter saringan dan kecepatan endap untuk air tenang Gambar 2.9 Potongan Melintang dan Potongan Memanjang Kantong Lumpur yang Menunjukkan Metode Pembuatan Tampungan (KP-02) Gambar 2.10 Tegangan Geser Kritis dan Kecepatan Geser Kritis sebagai Fungsi Besarnya Butir untuk ρ s = 2650 kg/m 3 Gambar 2.11 Gaya Tarik (traksi) pada bahan kohesif Gambar 2.12 Grafik Pembuangan Sedimen Camp untuk Aliran Turbulensi (Camp,1945) Gambar 2.13 Hubungan antara P L dan ω/u * (Lane dan Kalinske,1941) Gambar 2.14 Faktor koreksi pada distribusi kecepatan logaritmik (Einstein,1950) Gambar 2.15 Fungsi I 1 pada A untuk harga Z yang berbeda (Einstein,1950) Gambar 2.16 Fungsi I 2 pada A untuk harga Z yang berbeda (Einstein,1950) Gambar 3.1 Letak lokasi Settling Basin sungai Ular Gambar 3.2 Bendung utama sungai ular

11 Gambar 3.3 Pintu penguras (scouring sluice) Gambar 3.4 Tangga ikan (Fish ladder) Gambar 3.4 Bangunan pengambilan Gambar 3.6 Tampak atas settling basin dari maket Gambar 3.7 Saluran pengantar menuju kantong lumpur Gambar 3.8 Kantong Lumpur sungai Ular Gambar 3.9 Flushing control gate untuk mengatur pintu pembilas Gambar 4.1 Diagram alir pengerjaan Tugas Akhir Gambar 4.2 Sketsa aliran yang membawa sedimen Gambar 4.3 Sedimen pada pintu pengambilan Gambar 4.4 Tampak melintang pintu pengambilan Gambar 4.5 Pegujian konsentrasi sedimen dengan saringan What no.1 Gambar 4.6 Sketsa Situasi Kantong Lumpur Sungai Ular Gambar 4.7 Konsep Menghitung Kehilangan Energi Gambar 5.1 Grafik perbandingan hasil perhitungan angkutan sedimen Gambar 5.2 Sketsa melintang kantong lumpur Gambar 5.3 Sketsa tampak atas kantong lumpur Gambar 5.4 Sketsa situasi kantong lumpur Gambar 5.5 Aliran pada Pintu Pengambilan Gambar 5.6 Penjelasan titik titik kontrol penampang Gambar 5.7 Sketsa penampang memanjang kantong lumpur Gambar 5.8 Sketsa penampang melintang kantong lumpur

12 DAFTAR NOTASI g = Percepatan gravitasi (m/detik 2 ) h f = Kehilangan energi akibat gesekan (m) h e = Kehilangan energi akibat perubahan penampang (m) α = Koefisien distribusi kecepatan z = Tinggi energi dari datum (m) h f = Kehilangan energi akibat gesekan (m) L = Jarak antar sub bagian (m) S f = Kemiringan garis energi (friction slope) K = Pengangkutan aliran tiap sub bagian Q = Debit air (m 3 /detik) A = Luas Penampang melintang saluran (m 2 ) V = Kecepatan aliran (m/detik) F r = Bilangan Froude v = Kecepatan aliran (m/detik) g = Percepatan gravitasi (m/detik 2 ) y = Kedalaman aliran (m) µ = kekentalan dinamik dengan satuan kg/m.d ρ = kerapatan air dengan satuan kg/m 3 P = Keliling basah (m) D = Kedalaman hidrolik (m) 81

13 Z = Faktor penampang n = Koefisien Kekasarang Manning R = Jari-jari hidraulis (m) I = Kemiringan dasar saluran q sw = Besar Muatan melayang/suspended load {(kg/s)/m} q = Debit aliran per satuan lebar {(m 3 /s)/m} ω = Kecepatan jatuh (m/s) P L = Koefisien yang bergantung pada kecepatan relatif dan a = Ketebalan muatan dasar (m) / D f = Kedalaman Aliran (m) U * =Kecepatan geser (m/s) K = konstanta (0,0864) konversi dari satuan berat, volume dan waktu = Konsentrasi sedimen (mg/l) h se = Kehilangan energi akibat membesarnya penampang secara tiba tiba (m) h sc = Kehilangan energi akibat mengecilnya penampang secara tiba tiba (m) h ge = Kehilangan energi akibat membesarnya penampang secara perlahan (m) h c = Kehilangan energi akibat mengecilnya penampang secara perlahan (m)

14 DAFTAR LAMPIRAN Lampiran A Dokumentasi dan Hasil Uji Laboratorium Lampiran B Perhitungan Excel kehilangan energi, estimasi angkutan sedimen Lampiran C Gambar Teknis (Construction Drawing) Kantong Lumpur Sungai Ular