PERHITUNGAN STABILITAS BENDUNG PADA PROYEK PLTM AEK SIBUNDONG SIJAMAPOLANG TUGAS AKHIR Diajukan untuk melengkapi tugas-tugas dan memenuhi syarat untuk menempuh ujian Sarjana Teknik Sipil Disusun Oleh : AndryGunawanLumbanGaol NIM 080404015 DEPARTEMEN TEKNIK SIPIL FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA 1
2 KATA PENGANTAR Puji dan Syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa atas kasih-nya sehingga penulis mampu menyelesaikan laporan tugas akhir ini. Laporan tugas akhir ini berjudul "Perhitungan Stabilitas Bendung pada Proyek PLTM Aek Sibundong Sijamapolang". Tugas akhir ini disusun untuk diajukan sebagai syarat dalam ujian sarjana teknik sipil bidang studi teknik sumber daya air pada Fakultas Teknik. Saya menyadari bahwa dalam menyelesaikan tugas akhir ini tidak terlepas dari bimbingan, bantuan dan dukungan dari berbagai pihak. Oleh karena itu, saya ingin mengucapkan terima kasih kepada beberapa pihak, diantaranya : 1. Bapak Ivan Indrawan,ST.MT, selaku dosen pembimbing yang telah memberikan bimbingan, masukan, dukungan dan meluangkan waktu dan pikiran dalam membantu saya menyelesaikan tugas akhir ini. 2. Bapak Prof. Dr. Ing. Johannes Tarigan selaku ketua Departemen Teknik Sipil Fakultas Teknik USU. 3. Bapak Ir. Syahrizal, MT selaku sekretaris Departemen Teknik Sipil Fakultas Teknik USU. 4. Bapak Ir. Terunajaya, M.Sc selaku Koordinator Sub Jurusan teknik sumber daya air, Teknik Sipil USU, dan dosen pembanding saya juga serta Bapak Dr.Ir.A. Perwira Tarigan, MSc. 5. Pihak Humbahas Bumi Energi (HBE) yang bersedia memberikan data-data yang saya butuhkan dalam mengerjakan tugas akhir ini.
3 6. Keluargaku yang tercinta, terutama kedua orang tuaku, Bapak J. Lumban Gaol, dan Ibu S.R. Purba, SPd, adik saya (chandra, Fernando, Putri) serta Viennaroito Sihaloho atas doa, dan dukungan dalam mengerjakan tugas akhir ini. 7. Buat teman-teman seperjuangan 2008, Aran, David, Sutan, Jatendra, Aldridge, Ambon, Ilham, David, Erik, Hermanto, Boy, Jevri, dan teman-teman angkatan 2008 yang tidak dapat disebutkan seluruhnya. Kepada abang dan kakak senior serta adik-adik 2009, 2010, 2011. Saya menyadari bahwa tugas akhir ini masih banyak kekurangan yang disebabkan keterbatasan pengetahuan dan kurangnya pemahaman saya. Oleh karena itu, saya mengharapkan saran dan kritik yang membangun dari para pembaca. Akhir kata, saya mengucapkan terima kasih dan semoga tugas Akhir ini dapat bermanfaat bagi para pembaca. Tuhan memberkati. Medan, Mei 2014 Penulis Andry Gunawan L. Gaol
4 ABSTRAK Pembangkit listrik tenaga minihdro (PLTM) adalah pembangkit listrik tenaga air dengan kisaran output daya antara 100 kw sampai dengan 5000 kw. PLTM Aek Siundong yang berada di Kecamatan Sijamapolang, Kabupaten Humbang Hasundutan adalah sebuah PLTM yang memiliki dua turbin memiliki daya produksi sebesar 2,5 MW untuk masing-masing turbinnya.hasil dari analisa bahwa curah hujan maksimum periode ulang 100 tahun R 100 untuk masing-masing metode Log Pearson dan Gumbel adalah 218,776 mm dan 213,5268 mm, sedangkan debit banjir untuk periode ulang 100 tahunan untuk metode Rasional dan metode Hasper diperoleh masing-masing 331,44 m 3 /dtk dan 470,186 m 3 / dtk. Berdasarkan analisa gaya dan pengkalkulasian hasil perhitungan gaya untuk peninjauan gaya guling dan geser bendung diperoleh faktor keamanan bendung untuk guling pada kondisi normal adalah 5,8 dan pada kondisi banjir sebesar 2,84, sedangkan untuk tinjauan gaya geser untuk kedua kondisi dan mengacu pada ada tidaknya pengaruh gaya gempa adalah 3,77 dan 2,9 serta 1,96 dan 1,6. Sedangkan nilai daya dukung tanah izin yang diperoleh dengan empat metode yang dipergunakan mendapatkan hasil, qa Terzaghi = 1,912 kg/cm 2,qa Mayerhoft = 1,823 kg/cm 2, qa Hansen = 1,7 kg/cm 2 dan qa Vesic = 2,119 kg/cm 2. Berdasarkan hasil perhitungan dapat ditarik kesimpulan bahwa bendung aman terhadap geser, guling dan keruntuhan tanah. Yang menjadi perhatian adalah sebaiknya pengelola lebih memperhatikan lingkungan bendung PLTM. kata kunci : Bendung, stabilitas, daya dukung tanah.
5 DAFTAR ISI KATA PENGANTAR...... ABSTRAK...... i ii DAFTAR ISI... iii DAFTAR TABEL......... iv DAFTAR GAMBAR...... v DAFTAR NOTASI...... vi BAB I PENDAHULUAN...... 1 1.1 Latar Belakang...... 1 1.2. Perumusan Masalah......... 3 1.3 Pembatasan Masalah...... 3 1.4` TujuanPenulisan......... 4 1.5 ManfaatPenulisan......... 4 1.6 Sistematika Penulisan... 5 BAB II TINJAUAN PUSTAKA...... 7 2.1 PEMBAGIAN TIPE BENDUNGAN...... 7 2.1.1 Pembagian tipe bendungan berdasarkan ukurannya... 7 2.1.2 Pembagian tipe bendungan berdasarkan tujuan Pembangunannya...... 8 2.1.3 Pembagian tipe bendungan berdasarkan penggunaannya.... 8 2.1.4 pembagian tipe bendungan berdasarkan jalannya air... 8 2.1.5 Pembagian tipe bendungan berdasarkan konstruksinya... 9 2.1.6 Pembagian tipe bendungan berdasarkan fungsinya... 9 2.1.7 Pembagian tipe bendungan berdasarkan ICOLD...... 10 2.2 Dasar-dasar Perencanaan Bendung..... 11 2.2.1 Perencanaan Hidrolis Bendung...... 11
6 2.2.1.1 Elevasi Puncak Mercu Bendung...... 11 2.2.1.2 Lebar Bendung...... 12 2.2.1.3 Curah Hujan di Sekitar Bendung...... 14 2.2.1.4 Analisa Debit Banjir... 20 2.2.2 Pemilihan Bentuk Mercu Bendung... 21 2.2.3 Elevasi Muka Air di atas Mercu Bendung...... 23 2.2.4 Peredam Energi ( kolam Olakan )...... 25 2.3 Gaya-gaya yang Bekerja pada Bendung...... 31 2.3.1` Berat Sendiri Bangunan...... 31 2.3.2 Tekanan lumpur...... 32 2.3.3 Gaya Hidrostatik...... 33 2.3.4 Gaya Tekanan Air ke Atas ( Uplift Pressure )... 34 2.3.5 Gaya Akibat Tekanan Tanah Aktif... 36 2.3.6 Gaya Akibat Gempa.... 36 2.4 Stabilitas Bangunan...... 40 2.4.1 Prinsip Dasar Stabilitas...... 41 2.4.1.1 Pemeriksaan Terhadap Guling...... 42 2.4.1.2 Pemeriksaan Terhadap Geser... 43 2.4.1.3 Pemeriksaan Terhadap Daya Dukung Tanah... 44 2.4.1.4 Faktor Keamanan untuk Daya Dukung Tanah...... 52 BAB III METODE PENELITIAN...... 54 3.1 Tempat dan Waktu...... 55 3.2 Rancangan Penelitian... 56 3.3 Pelaksanaan penelitian...... 61 3.4 Variabel yang Diamati... 61 3.5 Jadwal penelitian...... 61 3.6 Biaya penelitian...... 62 BAB IV PEMBAHASAN DAN PERHITUNGAN... 63 4.1 Analisa Hidrolis...... 63
7 4.1.1 Analisa Curah Hujan... 63 4.1.2 Analisa Debit Banjir... 71 4.2 Pemilihan Bentuk Mercu...... 77 4.3 Tipe Kolam Olak...... 78 4.4 Analisa Stabilitas Bendung... 80 4.4.1 Gaya Akibat Berat Sendiri... 80 4.4.2 Tekanan Lumpur...... 82 4.4.3 Akibat Gaya Hidrostatis...... 84 4.4.4 Akibat Gaya Up Lift... 85 4.4.5 Tekanan Tanah Aktif... 87 4.4.6. Akibat pengaruh Gempa..... 95 4.5 Pemeriksaan Terhadap Bahaya Guling dan Geser... 97 4.5.1 Pemerikasaan Pada Kondisi Normal... 97 4.5.2 Pemerikasaan Pada Kondisi banjir..... 100 4.6 Pemerikasaan Daya Dukung Tanah Pondasi... 102 4.6.1 Menurut Terzaghi...... 102 4.6.2 Menurut Mayerhof...... 104 4.6.3 Menurut Hansen...... 105 4.6.4 Menurut Vesic... 107 4.7 Rangkuman hasil pemeriksaan...... 110 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN...... 114 5.1 Kesimpulan... 114 5.2 Saran... 115 DAFTAR PUSTAKA... vii LAMPIRAN... viii
8 DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Harga-Harga Koefisien Kontraksi Pilar (Kp)... 13 Tabel 2.2 Harga-Harga Koefisien Kontraksi Abutment (Ka)12... 14 Tabel 2.3 Distribusi Log Pearson Tipe untuk Koefisien Assimetri Cs... 16 Tabel 2.4 Harga Reduced Mean dan Reduced Standard Deviation... 18 Tabel 2.5 Harga Reduced Variate... 19 Tabel 2.6 Berat Jenis Material ( ρ )... 32 Tabel 2.7 Koefisien Tekanan Berdasarkan Jenis Material Kandungan Lumpur... 33 Tabel 2.9 Periode Ulang dan Percepatan Gempa... 38 Tabel 2.10 Faktor Gesek Berdasarkan Material dibawah Pondasi... 42 Tabel 2.11 Persamaan Terzaghi sesuai Tipe Pondasi... 44 Tabel 2.12 Faktor Daya Dukung Tanah menurut Terzaghi... 45 Tabel 2.13 Faktor Kedalaman dan Kemiringan menurut Mayerhoft... 45 Tabel 2.15 Faktor Keamanan Daya Dukung Tanah... 50 Tabel 4.1 Data Curah Hujan di lokasi PLTM... 63 Tabel 4.2 Perhitungan dengan Metode Log Pearson... 64 Tabel 4.3 Hasil Rekapitulasi Metode Log Pearson... 65 Tabel 4.4 Nilai Reduced Variate hingga Periode Ulang 100 tahun... 66 Tabel 4.5 Perhitungan dengan Metode Gumbel... 68 Tabel 4.6 Hubungan Debit Banjir Metode Rasional dengan Analisa Curah Hujan... 69 Tabel 4.7 Hubungan Debit Banjir Metode Hasper dengan Analisa Curah Hujan... 70 Tabel 4.8 Rekapitulasi Gaya Akibat Berat Sendiri... 71
9 Tabel 4.9 Perhitungan Gaya Akibat Tekanan Hidrostatis pada Kondisi Normal.... 73 Tabel4.10 Perhitungan Gaya Akibat Tekanan Hidrostatis pada Kondisi Banjir... 75 Tabel 4.11 Perhitungan Gaya Up Lift saat Kondisi Normal... 81 Tabel 4.12 Perhitungan gaya horizontal untuk Up Lift pada Kondisi Normal... 83 Tabel 4.13 Perhitungan Gaya Vertikal Akibat Gaya Up Lift pada Kondisi Normal... 86 Tabel 4.14 Perhitungan untuk Gaya Up Lift pada Kondisi Banjir... 87 Tabel 4.15 Perhitungan Gaya Horizontal Akibat Gaya Up Lift pada Kondisi Banjir... 89 Tabel 4.16 Perhitungan Gaya Vertikal Akibat Gaya Up Lift pada Kondisi Banjir... 63 Tabel 4.17 Rekapitulasi Data Tanah di Lokasi Bendung... 91 Tabel 4.18 Perhitungan Gaya Akibat Gempa... 93 Tabel 4.19 Ringkasan Nilai Gaya dan Momen pada Bendung Kondisi Normal... 94 Tabel 4.20 Ringkasan Nilai Gaya dan Momen pada Bendung Kondisi Banjir... 95 Tabel 4.21 Pengecekan Stabilitas Kondisi Air Normal... 95 Tabel 4.22 Pengecekan Stabilitas Kondisi Air Banjir... 99 Tabel 4.23 Hasil perhitungan Eksentrisitas... 100 Tabel 4.24 Hasil untuk Perhitungan Daya Dukung Tanah Kondisi Normal... 110 Tabel 4.25 Hasil Untuk Perhitungan Daya Dukung Tanah Kondisi Banjir... 111 Tabel 4.26 Hasil untuk perhitungan Pengecekan Keamanan Eksentrisitas
10 Bendung... 111 Tabel 4.27 Hasil untuk perhitungan Pengecekan Stabilitas Pondasi Bendung... 112
11 DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Lebar Efektif Suatu Bendung... 12 Gambar 2.2 Mercu Tipe Bulat dengan Jari-Jari yang sama dan berbeda... 21 Gambar 2.3 Tekanan pada Mercu Bulat sebagai Fungsi perbandingan H 1 / r... 22 Gambar 2.4 Koefisien Co untuk Bendung Mercu Bulat sebagai Fungsi H 1 / r... 23 Gambar 2.5 Harga koefisien C 1 sebagai fungsi banding P / H 1... 23 Gambar 2.6 Harga Koefisien C 2 untuk Pelimpah Ogee dengan Muka Hulu Miring... 24 Gambar 2.8 Panjang Kolam (Lj) Berdasarkan Loncatan Air... 27 Gambar 2.9 Hubungan Percobaan antara Fr, Y 3 / Y 1 dan n / Y 1 untuk Ambang Pendek... 28 Gambar 2.10 Jari-Jari Bak Minimum yang Diijinkan ( R )... 29 Gambar 2.11 Batas Minimum Muka Air Hilir... 29 Gambar 2.12 Kolam Olakan Tipe Bak (Bucket Type)... 30 Gambar 2.13 Zona Gempa di Indonesia... 37 Gambar 2.14 Bagian Terlemah pada Bendung... 39 Gambar 3.2 Diagram Metodologi Penelitian... 58 Gambar 4.1 Grafik Hubungan Tekanan Pada Mercu... 78 Gambar 4.2 Gaya akibat berat sendiri... 81 Gambar 4.3 Diagram Akibat Tekanan Lumpur... 85 min
12 Gambar 4.4 Gaya Hidrostatis Pada Saat Banjir... 86 Gambar 4.5 Diagram Rekapitulasi Gaya Up Lift Kondisi Normal... 88 Gambar 4.6 Diagram Rekapitulasi Gaya Up Lift Kondisi Banjir... 92 Gambar 4.7 Diagram Gaya Akibat Tekanan Tanah Aktif... 96
13 DAFTAR NOTASI W Besar gaya hidrostatik (kg) Berat jenis air (kg/m 3 ) h Kedalaman air (m) Ps Tekanan horizontal (kg/m) Na koefisien tekanan lateral Ni Berat bahan deposit yang terbenam ( ton/m 3 ) d Kedalaman lumpur ( m ) Sudut geser n Tinggi ambang ujung Y c V Y Q C d Kedalaman air di atas ambang Kecepatan aliran Kedalaman air hilir Debit banjir rencana (m 3 /detik) Koefisien debit pengaliran, g Percepatan gravitasi (m/detik 2 ) Be Lebar efektif mercu bendung ( m) H 1 t Lt i Tinggi energi di atas mercu bendung Debit banjir pada periode ulang n tahun (m 3 /dtk) Koefisien pengaliran (run off coefisient) Koefisien reduksi (reductin coeffisient) Durasi curah hujan (jam) Panjang sungai (km) Kemiringan dasar sungai F Luas catchment area (km 2 ) q Run off (m 3 /dtk/ km 2 ) R Distribusi hujan harian maksimum pada periode ulang n tahun (mm). I Kelebatan curah hujan dalam waktu t A Luas Das
14 t Waktu kumpul hujan pada DAS, C Koefisien limpasan Qt Luapan puncak, debit banjir rencana Rt Hujan dengan periode balik t tahun Sx Standard penyimpangan Cs Koefisien Assimetri Ri Curah hujan rata-rata maksimum pada tahun tertentu Kp Koefisien konstransi pilar Be Lebar efektif bendung (m) U Gaya tekanan ke atas (kg) Berat jenis air (kg/m 3 ) h 1 t Pa Kedalaman air pada tumit (m) Tebal tapak lantai bendungan (m) Besar tekanan tanah aktif akibat q ( kg/m) C Hambatan lekat (kg/m 3 ) a d Percepatan gempa rencana (cm/det 2 ) a C Percepatan kejut dasar (cm/det 2 ) α Koefisien gempa (kg/m) z Faktor yang tergantung kepada letak geografis F g Gaya gempa (kg/m) Koefisen gempa G Berat bangunan (kg/m) SF Faktor keamanan M Jumlah momen (kgm/m) P Jumlah gaya vertikal B Lebar struktur q a Daya dukung tanah ijin (kg/cm 2 ) q ult Daya dukung ultimate (kg/cm 2 )