BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Sungai Saluran yang dijumpai dialam mempunyai beberapa morfologi sungai, sungai lurus, sungai dengan tikungan dan sungai yang menganyam. Sungai lurus terjadi pada daerah yang belum stabil dan untuk menyalurkan energinya sungai ini akan memperpanjang aliran dan membentuk meander. Sungai dengan tikungan dapat terjadi pada daerah alluvial atau tanah keras. Sudut tikungan yang terbentuk dapat berbagai macam, misalnya 90 atau 180. Tipe sungai dengan tikungan umumnya diakibatkan oleh adanya usaha sungai untuk mencapai kestabilan. Fenomena yang terjadi pada tikungan sungai yaitu perubahan distribusi kecepatan dan tegangan geser dan terjadinya gerusan dan timbunan. Sungai yang menganyam biasanya terdapat pada daerah yang terjal dengan butiran yang seragam dan mempunyai alur yang berpindah-pindah, jadi pada setiap musim sungai ini dapat berubah bentuk. Sungai atau saluran terbuka menurut Bambang Triatmodjo adalah saluran dimana air mengalir dengan muka air bebas. Pada saluran terbuka, misalnya sungai (saluran alam), variabel aliran sangat tidak teratur terhadap ruang dan waktu. Variabel tersebut adalah tampang lintang saluran, kekasaran, kemiringan dasar, belokan, debit aliran dan sebagainya. Jenis aliran pada saluran terbuka menurut Bambang Triatmodjo adalah Aliran laminer dimana kondisi aliran dengan garis-garis aliran mengikuti jalur yang sejajar, sehingga tidak terjadi pencampuran antara bidang-bidang geser
didalam fluida. Aliran laminer terjadi pada bilangan reynold yang rendah (Re < 2.000), dimana viskositas yang dominan. Dan aliran turbulen terjadi pada aliranaliran fluida yang bergerak tidak teratur, tidak tenang dan partikel-partikel airnya saling acak. Aliran turbulen memiliki angka Reynolds Re > 4.000. Aliran melalui saluran terbuka dianggap seragam (uniform) bila berbagai variabel aliran seperti kedalaman, tampang basah, kecepatan, dan debit pada setiap tampang saluran terbuka adalah konstan. Aliran melalui saluran terbuka disebut tidak seragam atau berubah (non uniform flow atau varied flow), terjadi apabila variabel aliran seperti kedalaman, tampang basah, kecepatan di sepanjang saluran tidak konstan, selalu berubah-ubah. Apabila perubahan aliran terjadi pada jarak yang pendek maka disebut aliran berubah cepat, sedang apabila terjadi pada jarak yang panjang disebut aliran berubah tidak beraturan. Aliran disebut aliran mantap (steady flow) jika variabel aliran di suatu titik seperti kedalaman dan kecepatan tidak berubah terhadap waktu, dan apabila terjadi sebaliknya, yaitu berubah terhadap waktu maka aliran disebut aliran tidak mantap. Selain itu aliran melalui saluran terbuka juga dapat dibedakan menjadi aliran sub kritis (mengalir) yaitu aliran lambat yang memiliki nilai bilangan Froud (Fr) < 1, dan aliran super kritis (meluncur) dimana aliran ini disebut aliran cepat, jika Fr >1. Di antara kedua tipe aliran tersebut terdapat aliran kritis yaitu aliran tenang yang memiliki Fr =1.
Penggolongan aliran menurut Chow dalam Wibowo (2007) adalah sebagai berikut: Aliran saluran terbuka (Open channel flow) Aliran tetap (Steady flow) Aliran tak tetap (Unsteady flow) Aliran seragam (Uniform flow) Aliran berubah (Varied flow) Aliran seragam Aliran tak tentu Aliran tak tetap berubah tiba-tiba Aliran tak tetap berubah lambat laun Aliran berubah tiba-tiba (Rapidly flow) Aliran berubah lambat laun (Grandually varied) Gambar 1. Skema Klasifikasi Aliran 2.2 Penggerusan Proses penggerusan akan terjadi secara alami, baik karena pengaruh morfologi sungai seperti tikungan sungai atau penyempitan aliran sungai, atau pengaruh bangunan hidraulika yang menghalangi aliran seperti pilar, abutmen jembatan, krib sungai, pintu air dan sebagainya. 2.2.1 Pengertian Gerusan Gerusan adalah fenomena alam yang terjadi karena erosi terhadap aliran air pada dasar dan tebing saluran alluvial atau proses menurunnya atau semakin dalamnya dasar sungai di bawah elevasi permukaan alami (datum) karena interaksi antara aliran dengan material dasar sungai (Hoffmans and Verheij 1997).
Gerusan merupakan proses alam yang mengakibatkan kerusakan pada struktur bangunan didaerah aliran air. Penambahan gerusan akan terjadi dimana ada perubahan setempat dari geometri sungai seperti karakteristik tanah dasar setempat dan adanya halangan pada alir sungai berupa bangunan sungai. Adanya halangan tersebut akan menyebabkan perubahan pola aliran yang mengakibatkan terjadinya gerusan lokal disekitar bangunan tersebut. Dan menurut Laursen (1952), gerusan didefinisikan sebagai pembesaran dari suatu aliran yang disertai pemindahan material melalui aksi gerakan fluida. 2.2.2 Jenis Gerusan Menurut Ettema dan Raudkivi dalam Istiarto (2002), gerusan dapat dibagi menjadi: 1. Gerusan umum (general scour), gerusan yang terjadi akibat dari proses alam dan tidak berkaitan sama sekali dengan ada tidaknya bangunan sungai. 2. Gerusan di lokalisir (constriction scour), gerusan yang diakibatkan penyempitan alur sungai sehingga aliran menjadi terpusat. 3. Gerusan lokal (local scour) merupakan akibat langsung dari struktur pada alur sungai. Gerusan lokal (local scouring) ini menurut Yulistiyanto dkk (1998) merupakan gerusan yang terjadi disekitar abutmen jembatan atau pilar, disebabkan oleh pusaran air (vortex system) karena adanya gangguan pada pola aliran akibat rintangan. Aliran yang mendekati pilar dan tekanan stagnasi akan menurun dan menyebabkan aliran kebawah (down flow) yaitu aliran dari
kecepatan tinggi menjadi rendah. Kekuatan down flow akan mencapai maksimum ketika berada tepat pada dasar saluran. Gerusan lokal dapat diklasifikasikan menjadi gerusan dengan air bersih (clear water scour) dan gerusan dengan air bersedimen (live bed scour). Gerusan dengan air bersih (clear water scour) adalah aliran yang terjadi secara kasat mata tampak jernih, berkaitan dengan suatu keadaan dimana dasar sungai di sebelah hulu bangunan dalam keadaan diam (tidak ada material yang terangkut) yang secara teoritik τo<τc.pada kondisi ini belum ada gerusan atau angkutan sedimen dasar bila saluran tidak terdapat penghalang/bangunan hidraulika, ketika penghalang dipasang maka terjadilah gerusan lokal. Sedangkan gerusan dengan air bersedimen(live bed scour) terjadi ketika kondisi aliran dalam saluran menyebabkan material dasar bergerak dan aliran tampak menjadi keruh. Peristiwa ini menunjukan bahwa tegangan geser pada saluran lebih besar dari nilai kritiknya atau secara teoritik τo>τc. Sifat alami gerusan menurut Laursen (1952) mempunyai fenomena yaitu: 1. Besar gerusan akan sama selisihnya antara jumlah material yang ditranspor keluar daerah gerusan dengan jumlah material yang ditranspor masuk ke dalam daerah gerusan. 2. Besar gerusan akan berkurang apabila penampang basah di daerah gerusan bertambah (misal karena erosi). 3. Untuk kondisi aliran akan terjadi suatu keadaan gerusan yang disebut gerusan batas, besarnya akan asimtotik terhadap waktu. Gerusan lokal dipengaruhi langsung dari akibat bentuk pola aliran. Penggerusan lokal (Garde dan Raju, 1977) terjadi akibat adanya turbulensi air
yang disebabkan terganggunya aliran, baik besar maupun arahnya, sehingga menyebabkan hanyutnya material-material dasar atau tebing sungai. Turbulensi disebabkan oleh berubahnya kecepatan terhadap tempat, waktu dan keduanya. Pengerusan lokal pada material dasar dapat terjadi secara langsung oleh kecepatan aliran sedemikain rupa sehingga daya tahan material terlampui. Secara teoristik tegangan geser yang terjadi lebih besar dari tegangan geser kritis dari butiran dasar. Variabel-variabel yang berpengaruh pada gerusan lokal, meliputi: 1. Kondisi Fluida, yaitu: Kerapatan (ρ) Kekentalan (ν) Gravitasi (g) Kecepatan (U) Kedalaman aliran (d 0 ) 2. Kondisi dasar sungai Diameter butiran sedimen (Ds) Kerapatan massa (ρ s ) Distribusi butiran Bentuk butiran 3. Faktor ginetik pilar Tebal pilar (b) Panjang pilar (L) Bentuk muka pilar Sudut arah pilar (α) Jenis antar pilar (λ) Karena variabel sangat banyak maka dikaji yang relatif dominan dan kedalaman gerusan (d s ) merupakan fungsi: d s = f (ρ, vd, D s, ρ s, d o, U, b, α, λ).
2.2.3 Mekanisme Gerusan Aliran yang terjadi pada sungai sering kali disertai dengan angkutan sedimen dan proses gerusan. Proses gerusan akan terbentuk secara alamiah karena pengaruh morfologi sungai atau karena adanya struktur yang menghalangi aliran sungai. Angkutan sedimen terjadi karena aliran air sungai mempunyai energi yang cukup besar untuk membawa sejumlah material. Sedimen yang masuk lebih kecil dari pada sedimen yang keluar pada suatu penggalan sungai maka akan terjadi penurunan dasar sungai secara memanjang (agradasi). Proses gerusan dimulai pada saat partikel yang terbawa bergerak mengikuti pola aliran bagian hulu kebagian hilir saluran. Pada kecepatan yang lebih tinggi maka partikel yang terbawa akan semakin banyak dan lubang gerusan akan semakin besar, baik ukuran maupun kedalamannya bahkan kedalaman gerusan maksimum akan dicapai pada saat kecepatan aliran mencapai kecepatan kritik. Lebih jauh lagi ditegaskan bahwa kecepatan gerusan relatif tetap meskipun terjadi peningkatan kecepatan yang berhubungan dengan transpor sedimen baik yang masuk maupun yang keluar lubang gerusan, jadi kedalaman rata-rata terjadi pada kondisi equilibrium scour depth (Chabert dan Engal Dinger, 1956 dalam Breuser dan Raudkivi, 1991) Gerusan lokal umumnya terjadi pada alur sungai yang terhalang pilar jembatan akibatnya menyebabkan adanya pusaran. Pusaran tersebut terjadi pada bagian hulu pilar. Isnugroho (1992) dalam Aisyah (2004:5) menyatakan bahwa adanya pilar akan menggangu kestabilan butiran dasar. Bila perubahan air hulu tertahan akan terjadi gangguan pada elevasi muka air di sekitar pilar. Selanjutnya aliran akan berubah secara cepat. Karena adanya percepatan aliran
maka elevasi muka air akan turun. Komponen-komponen dari pola aliran adalah: 1. Arus bawah didepan pilar. 2. Pusaran sepatu kuda (horse shoes vortex). 3. Pusaran yang terangkat (cast-off vortices) dan menjalar (wake) 4. Punggung gelombang (bow wave) Bila struktur ditempatkan pada suatu arus air, aliran air di sekitar struktur tersebut akan berubah, dan gradien kecepatan vertikal (vertical velocity gradient) dari aliran akan berubah menjadi gradien tekanan (pressure gradient) pada ujung permukaan struktur tersebut. Gradien tekanan (pressure gradient) ini merupakan hasil dari aliran bawah yang membentur bed. Pada dasar struktur, aliran bawah ini membentuk pusaran yang pada akhirnya menyapu sekeliling dan bagian bawah struktur dengan memenuhi seluruh aliran (Miller 2003:6). Hal ini dinamakan pusaran tapal kuda (horseshoe vortex), karena dilihat dari atas bentuk pusaran ini mirip tapal kuda. Pada permukaan air, interaksi aliran dan struktur membentuk busur ombak (bow wave) yang disebut sebagai gulungan permukaan (surface roller). Pada saat terjadi pemisahan aliran pada struktur bagian dalam mengalami wake vortices. Gambar 2. Mekanisme gerusan akibat pola aliran air disekitar pilar
Pada umumnya tegangan geser (shear stress) meningkat pada bed bagian depan struktur. Bila bed mudah tergerus maka lubang gerusan akan terbentuk disekitar struktur. Fenomena ini disebut gerusan lokal (local or structure-induced sediment scour). Berdasarkan Vanoni dalam Indra (2000:8) terdapat tiga jenis sistem gaya pusaran yang bekerja disekitar pilar, yaitu sistem pusaran tapal kuda (horse shoes system), sistem pusaran belakang (wake vortek system) dan sistem pusaran seret (trailling vortex system). Ujung tumpul pilar membantu pemusatan pusaran yang ditimbulkan oleh aliran, dimana bentuk geometri pilar sangat penting didalam menentukan kekuatan dari pusaran tapal kuda (horseshoes vortex). Chabert dan Engeldinger (1956) dalam Breuser dan Raudkivi (1991:61) menyatakan lubang gerusan yang terjadi pada alur sungai umumnya merupakan korelasi antara kedalaman gerusan dengan kecepatan aliran sehingga lubang gerusan tersebut merupakan fungsi waktu (gambar 3), sedangkan Breusers dan Raudkivi (1991:61) menyatakan bahwa kedalaman gerusan maksimum merupakan fungsi kecepatan geser (Gambar 4). Kesetimbangan kedalaman gerusan dicapai pada daerah transisi antara live-bed scour dan clear-water scour. Scour Depth ys Equilibrium scour depth Clear - water scour Live bed scour Time Gambar 3. Hubungan kedalaman gerusan (ys) dengan waktu
Scour Depth ys maks 0,1 ys maks Live bed scour Clear - water scour Time Gambar 4. Hubungan kedalaman gerusan (ys) dengan kecepatan geser (v*) Grafik diatas meunjukkan bahwa kedalaman gerusan untuk clear water scour dan live-bed scour merupakan fungsi dari kecepatan geser. Kesetimbangan gerusan tergantung pada keadaan yang ditinjau yaitu gerusan dengan air tanpa sedimen (clear-water scour) atau gerusan dengan air besedimen (live-bed scour). Pada clear-water scour, gerakan dasar sungai diasumsikan hanya terjadi pada sekitar pilar. Kesetimbanagn tercapai bila tegangan geser yang terjadi di dekat permukaan lubang gerusan sudah tidak mampu untuk mengangkut material karena clearwater scour cenderung terjadi pada material dasar yang kasar. Sedangkan pada keadaan live-bed scour, gerakan dasar sungai terjadi pada hampir sepanjang dasar sungai. Kesetimbangan kedalaman gerusan untuk live-bed scour pada pilar hanya sekitar 10% lebih besar dari maksimal gerusan untuk clear-water scour (Shen, Schnider dan Karaki, 1969 dalam Indra 2000:10). Proses terjadinya gerusan ditandai dengan berpindahnya sedimen yang menutupi pilar jembatan serta erosi dasar sungai yang terjadi akan mengikuti pola aliran. Proses terus berlanjut dan lubang gerusan akan semakin berkembang, semakin lama semakin besar dengan mencapai kedalaman tertentu (maksimum).
Melville dalam Miller (2003:9) menjelaskan tahap-tahap gerusan yang terjadi antara lain sebagai berikut: 1. Peningkatan aliran yang terjadi pada saat perubahan garis aliran di sekeliling pilar. 2. Pemisahan aliran dan peningkatan pusaran tapal kuda yang lebih intensif sehingga menyebabkan pembesaran lubang gerusan. 3. Longsor/turunnya material disekitar lubang gerusan pada saat lubang cukup besar setelah terkena pusaran tapal kuda. Nakagawa dan Suzuki dalam Miller (2003:10) membedakan gerusan dalam empat tahap: 1. Gerusan di sisi (kanan dan kiri) pilar yang disebabkan kekuatan tarikan dari arus utama (main flow). 2. Gerusan di depan pilar yang diakibatkan pusaran tapal kuda (horseshoe vortex). 3. Pembesaran gerusan oleh pusaran stabil yang mengalir melewati pilar. 4. Periode reduksi gerusan selama penurunan kapasitas transpor di lubang gerusan. 2.2.4 Faktor yang Mempengaruhi Kedalaman Gerusan Kedalaman gerusan yang terjadi disekitar bangunan air, jembatan dan penyempitan air dipengaruhi beberapa faktor yang antara lain adalah: a. Kecepatan aliran pada alur sungai Kedalaman gerusan lokal maksimum rata-rata di sekitar pilar sangat tergantung pada nilai relatif kecepatan alur sungai (perbandingan antara kecepatan rerata aliran dan kecepatan geser), nilai diameter butiran (butiran seragam/ tidak
seragam) dan lebar pilar. Dengan demikian maka gerusan lokal maksimum rerata tersebut merupakan gerusan lokal maksimum dalam kondisi setimbang. Chabert dan Engeldinger dalam Breuser dan Raudkivi (1971), melakukan penelitian secara intensif pengaruh berbagai variabel terhadap gerusan lokal disekitar pilar. Variabel utama adalah kecepatan aliran, dimensi pilar, kedalaman air (0,1 3,5 m), ukuran butir dan bentuk pilar. Berdasarkan studi kecepatan aliran menunjukan bahwa ada dua rejim yang berpengaruh yaitu untuk kecepatan aliran pada atau dibawah kecepatan kritik (v < vc), kedalaman gerusan hanya pada batas asimtosis, seperti terlihat pada gambar 5.a sedangkan untuk kecepatan yang lebih besar (v> vc), kedalaman gerusan berfluktuasi akibat pengendapan material secara periodik pada lubang gerusan oleh gerakan bukit pasir, seperti terlihat pada gambar 5.b kedalaman gerusan maksimal diperoleh pada kecepatan aliran yang mendekati kecepatan aliran kritik dan gerusan dimulai pada kira kira setengah kecepatan aliran kritik. Gambar 5.(a) Kedalaman gerusan sebagai fungsi waktu (v < vc) Gambar 5.(b) Kedalaman gerusan sebagai fungsi waktu (v > vc)
Kedalaman gerusan lokal maksimum rerata di sekitar pilar sangat tergantung nilai relatif kecepatan alur sungai (perbandingan antara kecepatan rerata aliran dan kecepatan geser), nilai diameter butiran (butiran seragam/ tidak seragam) dan lebar pilar. Dengan demikian maka gerusan lokal maksimum rerata tersebut merupakan gerusan lokal maksimum dalam kondisi setimbang. Pengaruh kecepatan relatif pada gerusan dapat ditunjukan pada (v/vc) pada kedalaman gerusan tak berdimensi (ys/b). b. Gradasi sedimen Gradasi sedimen dari sedimen transpor merupakan salah satu faktor yang mempengaruhi kedalaman gerusan pada kondisi air bersih (clear water scour). Dari Gambar 6, kedalaman gerusan (ys/b) tak berdimensi sebagai fungsi dari karakteristik gradasi sedimen material dasar (σ/d 50 ). Dimana σ adalah standar deviasi untuk ukuran butiran dan d 50 adalah ukuran partikel butiran rerata. Nilai kritikal dari σ/d 50 untuk melindunginya hanya dapat dicapai dengan bidang dasar, tetapi tidak dengan lubang gerusan dimana kekuatan lokal pada butirannya tinggi yang disebabkan meningkatnya pusaran air. Gambar 6. Kedalaman gerusan setimbang di sekitar pilar fungsi ukuran butir relatif untuk kondisi aliran air bersih.
Dengan demikian nilai koefisien simpangan baku geometrik (σg) dari distribusi gradasi sedimen akan berpengaruh pada kedalaman gerusan air bersih dan dapat ditentukan dari nilai grafik Gambar 7. Gambar 7. Koefisien simpangan baku (Kσ) fungsi standar deviasi Geometri ukuran butir. Estimasi kedalaman gerusan dikarenakan adanya pengaruh distribusi material dasar mempunyai nilai maksimum dalam kondisi setimbang pada aliran air bersih (clear water) menurut Breuser dan Raudviki (1991:67) adalah sebagai berikut: y se (σ)/b = K d.y se /b (1) c. Ukuran Pilar dan Ukuran Butir Material Dasar Kedalaman gerusan maksimum pada media alir clear water scour sangat dipengaruhi adanya ukuran butiran material dasar relatif b/d 50 pada sungai alami maupun buatan. Untuk sungai alami umumnya koefisien ukuran butir relatif b/d 50 pada kecepatan relatif U/U c = 0,90 pada kondisi clear water dan umumnya kedalaman gerusan relatif ys/b tidak dipengaruhi oleh besarnya butiran dasar sungai selama b/d 50 > 25.
Ukuran pilar mempengaruhi waktu yang diperlukan bagi gerusan lokal pada kondisi clear water sampai kedalaman terakhir, tidak dengan jarak relatif (ys/b), jika pengaruh dari kedalaman relatif (y0) dan butiran relatif (d50) pada kedalaman gerusan ditiadakan, maka nilai aktual dari (ys/b) juga tergantung pada peningkatan dari bed material. Pada kasus gerusan yang mengangkut sedimen (live bed), waktu diberikan untuk mencapai keseimbangan gerusan dan tergantung pada rasio dari tekanan dasar ke tekanan kritikal. Para peneliti melakukan percobaan-percobaan untuk mempraktekkan pendekatan yang sama terhadap proses gerusan di sekitar pilar jembatan. Hasil dari percobaan-percobaan tersebut diantaranya pada kolom dengan ukuran kecil dimana (b/h 0 <1) kedalaman maksimum gerusan dapat digambarkan dengan persamaan berikut yang berlaku pada seluruh fase dari proses gerusan dengan y m,e > b: y m = 1 e ln 1 b t ym,e y m,e t1 y. (2) dengan: b = lebar pilar jembatan (m) = kedalaman aliran mula-mula (m) h 0 t = waktu (s) t 1 = waktu ketika ym= b (s) y m = kedalaman maksimum gerusan pada saat t (m) y m,e = kedalaman gerusan maksimum pada saat setimbang (m) γ = koefisien (-), dimana γ = 0.2-0.4 Pada fase perluasan (development phase), untuk t < t 1, persamaan di atas menjadi: y m b t = γ (3) t 1
Menurut Nakagawa dan Suzuki dalam Miller (2003) nilai γ = 0.22-0.23 dan t 1 bisa ditulis sebagai berikut: dengan: t 1 = 29,2 3 2U 0 U c b gd 50 2U 0 b = lebar pilar jembatan (m) d 50 = diameter rata-rata partikel (m) Uc = kecepatan kritis rata-rata (m/s) U 0 = kecepatan rata-rata (m/s), dengan U 0 = Q/A Q = debit (m³/s) A = luas penampang (m²) Δ = berat jenis relatif (-) b d 50 1,9 (4) Tabel 1. Koefisien Bentuk Abutmen (Mellvile, 1997) Bentuk Abutment K1 Dinding vertikal 1,00 Dinding vertikal dengan sayap 0,75 Spill-through abutment 0,45 Berdasarkan data Laursen dan Toch (1956) dalam Breuser dan Raudkivi (1971) menemukan persamaan untuk pilar bulat jembatan yaitu: y m,e = 1,35 K i b 0, 7 h 0,3 (5) dengan: b = lebar pilar jembatan (m) = kedalaman aliran (m) h 0 Ki = faktor koreksi (untuk pilar bulat Ki = 1.0) y m,e = kedalaman gerusan saat setimbang (m) Volume lubang gerusan dibentuk untuk mengelilingi pilar dan berbanding diameter kubik dari pilar itu sendiri, berarti semakin lebar pilar semakin banyak
gerusan dan semakin banyak pula waktu yang diperlukan untuk melakukan penggerusan. Koefisien pengaruh ukuran pilar dan ukuran butir material dasar (Kdt) ini menurut Ettema dalam Breuser (1991:68) dapat pula untuk live bed scour. Dari uraian diatas lebih jelas dapat di lihat pada Gambar 11 dan Gambar 12 yang memperlihatkan korelasi antara nilai kedalaman gerusan relatif dengan ukuran butir relatif v/vc dengan ukuran butir relatif. Gambar 8. Hubungan kedalaman gerusan seimbang (y se ) dengan ukuran butir relatif (b/d 50 ) untuk kondisi aliran air bersih dan bersedimen. Gambar 9. Hubungan koefisien reduksi ukuran butir relatif K(b/d 50 ) dengan ukuran butir relatif (b/d 50 ) untuk kondisi aliran air bersih dan bersedimen
d. Kedalaman Dasar Sungai dari Muka Air Dalam gerusan lokal yang terjadi dipengaruhi oleh kedalaman dasar sungai dari muka air (tinggi aliran zat air), maka kecepatan relatif (U/U c ) dan kedalaman relatif (y 0 /b) merupakan faktor penting untuk mengestimasi kedalaman gerusan lokal ini. Neil dalam Breuser (1991:70) kedalaman gerusan lokal merupakan fungsi dari tinggi aliran dengan persamaan sebagai berikut: y s /y o = 1,5 (b/y o ) 0,70 (6) Keseimbangan gerusan lokal pada aliran rendah akan tercapai jika telah terjadi kesamaan nilai v/v c dan yo, dan pengaruh dari yo tidak dapat dibedakan antara kondisi clear water scour dan live bed scour. Pada v/v c yang konstan, faktor pengaruh dari kedalaman aliran dapat diabaikan untuk y 0 2, sedangkan korelasi antara kedalaman relatif (y 0 ) dan koefisien kedalaman air (K da ) seperti Gambar 10. Gambar 10. Hubungan koefisien aliran (Kdα) dan kedalaman aliran relatif (y 0 ) dengan ukuran relatif (b/d 50 ). e. Posisi Pilar ( sudut kemiringan pilar ) Kedalaman gerusan lokal tergantung posisi pilar terhadap arah aliran yang terjadi serta panjang dan lebarnya pilar. Karena kedalaman gerusan merupakan rasio
dari panjang dan lebar serta sudut dari tinjauan terhadap arah aliran. Koefisien sudut datang aliran karena posisi pilar digunakan pada beberapa bentuk tertentu. Koefisien sudut datang arah aliran seperti Gambar 11. Menurut, Dietz dan Neil terhadap pengaruh bentuk pilar tampak horisontal croos section, mereka menegaskan dan merekomendasikan nilai faktor bentuk pilar (Ks). Laursen dan Touch, mempelajari ini pada pilar rectangular horizontal croos section dengan memberikan sudut kemiringan terhadap aliran. Bila sudut terjang aliran terhadap pilar 0 o maka Kα = 1. Nagasaki dan suzuki (1976) menyajikan beberapa pengujian gerusan disekitar pilar rectingular horizontal croos section dengan Lb/b berkisar 1,75 dengan variasi sudut 0 o 45 o. Dari penelitian tersebut gerusan yang terjadi untuk sudut 30 o hampir sama dengan 45 o, namun itu lebih besar dari 0 o yang mana Kα = 1,3 1,8 (7) Kα= (cos α + Lp/b sin α) 0,62 (8) dimana: Kα B Lp α = faktor orientasi pilar terhadap aliran = sisi lebar bentuk pilar = sisi panjang bentuk pilar = sudut datang aliran terhadap pilar
Gambar 11. Koefisien arah sudut aliran (Kα) pada pilar. f. Bentuk Pilar Pengaruh bentuk pilar berdasarkan potongan horizontal dari pilar telah diteliti oleh Laursen dan Toch, Neil dan Dietz. Bentuk potongan vertikal pilar juga dapat dijadikan dasar untuk menentukan faktor koreksi. Bentuk pilar akan berpengaruh pada kedalaman gerusan lokal, pilar jembatan yang tidak bulat akan memberikan sudut yang lebih tajam terhadap aliran datang yang diharapkan dapat mengurangi gaya pusaran tapal kuda sehingga dapat mengurangi besarnya kedalaman gerusan. Hal ini juga tergantung pada panjang dan lebar (l/b) masing-masing bentuk mempunyai koefisien faktor bentuk Ks menurut Dietz (1971) dalam Breuser dan Raudkivi (1991:73) di tujukan dalam tabel berikut:
Tabel 2. Koefisien faktor Bentuk Pilar
2.3 Persamaan Gerusan Untuk Aliran Beraturan Kedalaman gerusan tergantung oleh beberapa variabel (lihat Breuser dan Raudkivi, 1991) yaitu karakteristik zat cair, material dasar, aliran dalam saluran dan bentuk pilar jembatan yang ditulis: y s = f (ρ, v, g, d, ρ s, y o, U,b) (9) Jika persamaan dibuat tidak berdimensi maka persamaan tersebut menjadi: y s b = f Ub v, U2 gb, y 0 b, d b, = f u b v dengan:, u2, D 0, σ g, (10) gd b d 50 f = konstant v* = kecepatan geser ν = kekentalan kinematik zat cair Δ = perbandingan selisih rapat massa butiran dan rapat massa air dengan rapat massa air σg = standar deviasi geometrik Persamaan di atas dapat juga dituliskan sebagai berikut ini. y s b = f u b, ρ.u5 v, ρ s, y 0, d g(ρ ρ s ) ρ b b (11) Penggerusan pada dasar sungai di bawah pilar akibat adanya aliran sungai yang mengikis lapisan tanah dasar dapat dihitiung kedalamannya. Kondisi clearwater untuk dalamnya penggerusan dapat dihitung melalui persamaan-persamaan Raudkivi (1991) yaitu sebagai berikut: y se = 2.3 K σ K s K α K dt K d (12)
dengan: Kd Ks Kdt Kα Kσ α = faktor ketinggian aliran = faktor bentuk pilar = faktor ukuran pilar = faktor posisi pilar = fungsi dari standar deviasi geometrik distribusi ukuran partikel = sudut datang alir Dalam Melville dan Satherland (1988) dalam Pamularso (2006:36) telah dijelaskan, bahwa kedalaman gerusan dari gerusan lokal, ys, pada pilar dapat ditulis dalam persamaan: y s = f (ρ, v, U, y o, ρ s, D 50, g, b, s, ω) (13) dengan: ρ v U ρ s g b s = massa jenis zat cair = vikositas kinematik = kecepatan rerata aliran = massa jenis butiran = gravitasi = lebar pilar normal terhadap aliran = bentuk pilar y s b = f Ub, U2, y 0 v gb, ρ, d 50, σ b ρ S b g, s, ω (14) Rasio dari massa jenis diasumsikan konstan dan pengaruh Reynold number UD/v diabaikan sebagai pertimbangan aliran turbulen yang tinggi maka: y s b = f U2, y 0, d 50 gd 50 b b, σ g, s, ω (15) Hubungan fungsional telah dievaluasi menggunakan data laboratorium dengan menuliskan bentuk: y se = KI K σ K s K α K dt K d (16)
dengan: Kd KI Ks Kα Kdt Kσ = faktor ketinggian aliran = faktor intesitas aliran = faktor bentuk pilar = faktor posisi pilar [0,78(yo/b)0,225] = faktor ukuran pilar = fungsi dari standar deviasi geometrik distribusi ukuran partikel dimana: KI = 2,4(U/U c ) jika (U/U c )< 1 KI = 2,4 jika (U/U c )> 1 2.4 Kecepatan dan Pola Aliran Kondisi aliran dalam saluran terbuka berdasarkan pada kedudukan permukaan bebas cenderung tergantung pada kedalaman aliran, debit air, kemiringan dasar saluran dan permukaan bebas. Kedalaman gerusan lokal maksimum rerata disekitar pilar sangat tergantung nilai relatif kecepatan alur sungai (perbandingan antara kecepatan rerata aliran dan kecepatan geser), nilai diameter butiran (butiran seragam/ butiran tidak seragam) dan lebar pilar. Dengan demikian maka gerusan lokal maksimum dalam kondisi setimbang. Berbagai pendekatan umum mengestimasi pola arus yang terjadi di sekitar pilar jembatan umumya diperoleh dari hasil-hasil penelitian mengingat kompleksitas permasalahan tersebut seperti estimasi perilaku hidrodinamika yang terjadi pada hulu pilar jembatan. Pola arus dari aliran yang terjadi akan berkembang sesuai dengan mekanisme lubang gerusan yang terjadi di daerah amatan serta dipengaruhi adanya bentuk pilar dan telapak pilar. Berkaitan dengan hal tersebut di atas Shen (1971) dan Raudkivi (1991) dalam Aisyah (2004:7) dari hasil
penelitiannya didapat bentuk pola arus yang berbeda yang menyebabkan adanya gerusan lokal di sekitar pilar seperti pada gambar 12. Dengan demikian maka pola arus sangat dipengaruhi adanya bentuk pilar, tapak pilar serta pola debit yang terjadi. Perkembangan proses gerusan tergantung pada kecepatan aliran dan intensitas turbulen pada transisi antara fixed dan erodible bed, oleh karena itu tidak diperlukan informasi mengenai kecepatan dan turbulensi dekat dasar pada lubang gerusan. Dalam Breuser (1991:63) dikatakan bahwa bentuk aliran pada lubang gerusan di saluran dua dimensi hampir mirip dengan lapis turbulen. Arus atau olakan air lunak terbentuk dekat dasar pada lubang gerusan dan berakhir pada lokasi kedalaman gerusan maksimum, di daerah ini aliran sangat turbulen dan menyebabkan transpor sedimen dasar. Pada lokasi di sebelah hilir kedalaman gerusan maksimum, profil kecepatan menurun perlahan kembali ke kondisi normal dan turbulensi berkurang. Gambar 12. Pola arus penyebab gerusan lokal Pengaruh kecepatan relatif pada gerusan dapat ditunjukan pada (U/Uc) pada kedalaman gerusan tak berdimensi (y s /b).
Gambar 13. Kedalaman gerusan lokal maksimum rata-rata Perlu diperhatikan bahwa: Apabila 0.50 > v/v c tidak terjadi adanya pilar gerusan lokal dan tidak terjadi transpor sedimen pada daerah disekitar pilar. Apabila 1.0 > v/v c > 0.50, penyebab utama terjadi proses gerusan adalah clear water scour dan ini akan terjadi gerusan lokal didaerah sekitar pilar namun tidak terjadi proses transpor sedimen. Apabila kondisi 1 < v/v c, penyebab utama adalah Live bed scour karena proses transportasi sedimen berlangsung terus, kana tetapi tidak menimbulkan dampak sampai tergerusnya dasar si sekitar pilar berarti pada daerah tersebut terjadi kesetimbangan antara pengendapan dan erosinya.
Waktu merupakan hal yang sangat dominan pada saat terjadi aliran yang beraturan dalam mencapai kesetimbangan dalamnya gerusan, tergantung pada tipe aliran yang mengangkut sedimen (v/vc > 1 atau v/v c < 1). Kejadian pada pembentukan lubang gerusan ke sisi pilar akan terjadi perubahan bentuk menyerupai kerucut di daerah hulu yang mempunyai dimensi kedalaman gerusan sama panjang pada sisi pilarnya. Material dasar sungai yang ditranspor ke daerah hilir dapat menjadi endapan ataupun gradasi dan dapat pula ditranspor ke daerah hilir tanpa menimbulkan pengaruh pada pilarnya. Untuk menentukan kondisi gerusan yang terjadi (clear water scour atau live bed scour) perlu kiranya diidentifikasi sifat alirannya serta komposisi material granulernya. Gambar 14. Hubungan kedalaman gerusan (ys) dengan kecepatan geser (v*) dan waktu (t). 2.5 Transpor Sedimen Secara teoritis saluran stabil adalah suatu keadaan dimana gerusan dan pengendapan tidak terjadi disepanjang sungai atau saluran. Dalam proses mempelajari gerusan, tidak terlepas dari karakteristik sedimen yang ada.
Transpor sedimen dan sifat-sifat aliran pada sungai akan terganggu dengan adanya penahan sedimen yang dibangun melintang sungai. Saat dasar sungai berubah, perubahan akan berlangsung secara lambat laun, sehingga mencapai keadaan sungai yang stabil yang disebabkan oleh isfat-sifat hidraulik aliran dan transpor sedimen. Titik dimana partikel pada dasar saluran mulai bergerak adalah faktor yang paling penting dalam mekanika transpor sedimen. Distribusi kecepatan dan pergerakan sedimen pada tikungan saluran dapat dilihat pada gambar 15. Gambar 15. Distribusi kecepatan dan pergerakan sedimen pada tikungan saluran Kironoto dalam Mira (2004:13), menyebutkan bahwa akibat adanya aliran air timbul gaya-gaya aliran yang bekerja pada material sedimen. Gaya-gaya tersebut mempunyai kecenderungan untuk menggerakkan/ menyeret material sedimen. Untuk material sedimen kasar (pasir dan batuan/ granuler), gaya untuk melawan gaya-gaya aliran tersebut tergantung dari besar butiran sedimen. Untuk material sedimen halus yang mengandung fraksi lanau (silt) atau lempung (clay) yang cenderung bersifat kohesif, gaya untuk melawan gaya-gaya aliran tersebut lebih disebabkan kohesi daripada berat material (butiran) sedimen.
2.6. Awal Gerak Butiran Akibat adanya aliran air, timbul gaya-gaya yang bekerja pada material sedimen. Gaya-gaya tersebut mempunyai kecenderungan untuk menggerakkan atau menyeret butiran material sedimen. Pada waktu gaya-gaya yang bekerja pada butiran sedimen mencapai suatu harga tertentu, sehingga apabila sedikit gaya ditambah akan menyebabkan butiran sedimen bergerak, maka kondisi tersebut disebut kondisi kritik. Parameter aliran pada kondisi tersebut, seperti tegangan geser dasar (τo), kecepatan aliran (v) juga mencapai kondisi kritik (Kironoto, (1997) dalam Sucipto (1994:36)). Garde dan Raju dalam Sucipto (2004:36) menyatakan bahwa yang dikatakan sebagai awal gerakan butiran adalah salah satu dari kondisi berikut: 1. satu butiran bergerak, 2. beberapa (sedikit) butiran bergerak, 3. butiran bersama-sama bergerak dari dasar, dan 4. kecenderungan pengangkutan butiran yang ada sampai habis. Tiga faktor yang berkaitan dengan awal gerak butiran sedimen yaitu: 1. kecepatan aliran dan diameter/ukuran butiran, 2. gaya angkat yang lebih besar dari gaya berat butiran, dan 3. gaya geser kritis Distribusi ukuran partikel menurut Raudkivi dalam Aisyah (2005:10) dinyatakan dalam diameter rata-rata geometrik (d 50 ), standar geometri (σg) adalah sebagai berikut:
σ g = d 84 d 50 0,5 (17) Sheild dalam Aisyah (2005:11) mengungkapkan suatu diagram untuk awal gerak butiran pada material dasar seragam. Shield menyatakan parameter mobilitas kritis yang dinamakan parameter Shields: θ c = τ c 2 + u c ρ.g..d g..d (18) Tegangan geser: Kecepatan geser: τ 0 = ρ. g. y 0. I (19) u = τ 0 ρ 0,5 (20) Kecepatan kritik dihitung atas dasar rumus sebagai berikut: U c = u c 5,75 log y 0 2.d 50 + 6 (21) Kecepatan geser kritik diberikan: dimana: u c = θ c. g.. d (22) σ g = standar geometri d = diameter butiran d 50 (m) g = percepatan grafitasi (m/s²) Δ = relatif densiti (-) ρ = massa jenis air (kg/m³) u *c = kecepatan geser kritik (m/s) τ c = nilai kritik (N/m 2 ) θ c = parameter mobilitas kritik (-) R = jari-jari hidraulik (m) = kedalaman aliran (m) y 0 I = kemiringan dasar sungai.