1. Pendahuluan
Gerusan adalah fenomena alam yang disebabkan oleh aliran air vang mengikis dasar saluran. Gerusan vang terjadi pada pondasi pier atau abutment adalah hal yang biasa teriadi. Dari studi terdahulu, pada tahun 1973 saja, di seluruh belahan dunia, sudah terjadi 383 kerusakan jembatan, 25% disebabkan oleh adanya pier, dan 72% karena abutment (Richardson dan Richardson, 1993). Pada tahun 1960-1984, dari 108 kerusakan jembatan yang terjadi, 29 kerusakan diakibatkan oleh gerusan karena adanya abutment (National Roads Boards of New Zeland). Sedangkan dari penelitian Kandasamy dan Melville (1998), 6 dari 10 kerusakan jembatan yang terjadi di New Zeland disebabkan juga oleh abutment. Selain itu, 70% dari pengeluaran untuk perbaikan dan perawatan jembatan, teralokasikan untuk kerusakan akibat gerusan karena adanya abutment.
Keberadaan abutment di sebagian tebing sungai hingga masuk ke dalam sungai menyebabkan lebar sungai mengalami penyempitan dan akan menimbulkan pengaruh pada perilaku aliran yang melewatinya. Perubahan perilaku aliran yang direpresentasikan dalam kecepatan aliran ini akan menimbulkan perubahan pula pada distribusi sedimen. Pada debit yang sama, penyempitan badan sungai mengakibatkan bertambahnya kecepatan, yang menyebabkan terjadinya gerusan lokal. Gerusan lokal di sekitar abutment, bisa berupa live-bed scour ataupun clear
Fenomena alam ini tidak bisa diamati secara langsung. Salah satu metode untuk menyederhanakannya adalah dengan pemodelan. Pemodelan fisik, yang umumnya menggunakan model geometrik, sangat membantu dalam memvisualisasikan baik gejala-gejala alam ataupun respon yang diberikan oleh struktur akibat dari fenomena-fenomena alam tersebut.
Untuk kasus sungai alam, penyederhanaan dilakukan dengan memodelkannya sebagai saluran dengan tikungan. Meandering yang terjadi sepanjang aliran sungai disederhanakan menjadi tikungan bersudut. Dasar saluran alam yang mempunyai tingkat keragaman tinggi, dalam pemodelan juga mengalami penyederhanaan baik itu menjadi seragam jenisnya (live-bed model), ataupun bahkan dimodelkan sebagai fix bed model. Astuti dan Widyaningtias (2006) telah melakukan pemodelan untuk abutment dinding vertikal pada saluran lurus, tikungan 90° dan 180°.
2. Gerusan di Sekitar Abutment
Untuk memahami terjadi gerusan di sekitar abutment, perlu dipelajari proses terjadinya transportasi sediment, jenis dan mekanisme terjadinya gerusan serta jenis abutment yang ditinjau.
2.1 Transportasi sedimen
Secara teoritis saluran stabil adalah suatu keadaan dimana gerusan dan pengendapan tidak terjadi disepanjang sungai atau saluran. Dalam proses mempelajari gerusan, tidak lepas dari karakteristik sedimen yang ada.
Transportasi sedimen dan sifat-sifat aliran, pada sungai alam akan terganggu dengan adanya penahan sedimen vang dibangun melintang sungai. Saat dasar sungai berubah, perubahan akan berlangsung secara lambat laun sehingga akan tercapai keadaan sungai yang stabil vang disebabkan oleh sifat-sifat hidraulik aliran dan transportasi sedimen. Titik dimana partikel pada dasar saluran mulai bergerak adalah faktor yang paling penting dalam mekanika transport sedimen. Distribusi kecepatan dan pergerakan sedimen pada tikungan saluran dapat dilihat pada Gambar 1.
2.2 Jenis dan mekanisme gerusan
Ada beberapa jenis gerusan yang terjadi di sepanjang saluran terbuka selama terjadi aliran dari hulu ke hilir. Gerusan yang terjadi pada sungai dapat digolongkan meniadi:
1. Gerusan umum (general scour) Gerusan umum ini merupakan suatu proses alami yang terjadi pada saluran terbuka.
2. Gerusan lokal (local scour)
Gerusan lokal ini pada umumnya diakibatkan oleh adanya bangunan air, misalnya tiang, pilar atau abutment jembatan. Ada dua macam gerusan lokal, vaitu:
i Clear water scour
Terjadi jika tegangan geser yang terjadi lebih besar daripada tegangan geser kritis. Pergerakan sedimen hanya terjadi pada sekitar abutment. Ada dua macam:
1. Untuk \[\left(\frac{U}{U_{cr}}\right) \le 0.5\]
Gerusan lokal tidak terjadi dan proses transportasi sedimen tidak terjadi.
Gambar 1. Distribusi kecepatan dan pergerakan sedimen pada tikungan saluran (Webb, 2000)
2. Untuk \[0.5 \le \left(\frac{U}{U_{cr}}\right) \le 1.0\]
Gerusan lokal terjadi menerus dan proses transportasi sedimen tidak terjadi.
ii Live-bed scour
Terjadi karena adanya perpindahan sedimen. vaitu jika
\[\left(\frac{U}{U_{cr}}\right) > 1,0\]
dimana:
U : kecepatan aliran rata-rata (m/detik) U<sub>cr</sub> : kecepatan aliran kritis (m/detik)
a. Abutment
Abutment adalah struktur penyangga jembatan. Biasanya terletak di tebing sungai. Pembangunan abutment yang memakan lebar sungai menyebabkan penyempitan (vortex). Pada debit yang sama, penyempitan badan sungai inilah salah satu kondisi yang mempengaruhi terjadinya gerusan lokal. Gerusan lokal di sekitar abutment, bisa berupa live-bed scour ataupun clear water scour, terjadi di sekitar hulu abutment dan berakhir di hilir abutment.
Jenis abutment ada beberapa macam:
- 1. Spill-through abutment
- 2. Dinding vertikal tanpa sayap
- 3. Dinding vertikal dengan sayap
b. Formula local-scour pada abutment
Berikut ini dipaparkan beberapa formula berkaitan dengan gerusan local pada abutment.
i. Laursen (1960)
Formula yang dihasilkan adalah:
\[\frac{L_a}{y_a} = 2,75 \frac{y_s}{y_a} \left[ \frac{\left(\frac{1}{11,5} \frac{y_s}{y_a} + 1\right)^{7/6}}{\left(\frac{\tau_1}{\tau_c}\right)^{1/2}} - 1 \right]\] (1)
dimana:
L<sub>a</sub>: panjang abutment (meter) y<sub>a</sub>: kedalaman aliran (meter)
y<sub>s</sub>: kedalaman maksimum gerusan (meter)
t<sub>1</sub>: tegangan geser dasar salura (kgmeter.detik²) t<sub>c</sub>: tegangan kritis untuk gerak awal sedimen (kg/meter.detik²)
Formula di atas hanya bisa diselesaikan dengan cara iterasi. Selanjutnya, Richardson, et.al., (1991) menyederhanakan formula di atas menjadi:
\[\frac{y_s}{y_a} = 1.3 \left(\frac{L'}{y_a}\right)^{0.48} \tag{2}\]
dimana:
y<sub>s</sub>: kedalaman maksimum gerusan (meter)
y<sub>a</sub> : kedalaman aliran (meter) L' : lebar abutment (meter)
Formula Laursen yang telah dimodifikasi tersebut bisa diselesaikan dengan cara yang lebih sederhana, yaitu:
\[y_s = 1.3 \left(\frac{L'}{y_a}\right)^{0.48} y_a \tag{3}\]
ii. Froehlich (1989)
Formula Froehlich ini adalah salah satu formula pendekatan empiris yang diperoleh dari kajian laboratorium
\[\frac{y_s}{y_a} = 2,27K_1K_2 \left(\frac{L'}{y_a}\right)^{0.43} Fr^{0.61} + 1 \tag{4}\]
dimana:
y<sub>s</sub>: kedalaman gerusan (meter)y<sub>a</sub>: kedalaman aliran (meter)
K1: koefisien bentuk abutment (dapat dilihat pada Tabel 1)
K2: koefisien sudut abutment terhadap aliran
\(K_2 = (\theta/90)^{0.13}\)
q<90°: untuk aliran di hulu abutment q>90°: untuk aliran di hilir abutment
L' : lebar abutment (meter)
Fr : bilangan Froude
\[Fr = \frac{U}{\sqrt{gy_a}} \tag{5}\]
U : kecepatan aliran (m/dt)
g : percepatan gravitasi = \(9.81 \text{ m/s}^2\)
y<sub>a</sub>: kedalamaan aliran (meter)
iii. Mellvile (1997)
Berikut adalah formula Melville yang dikembangkan untuk perhitungan kedalaman gerusan pada clear-water scour dan live-bed scour:
\[y_s = K_{y_I} K_i K_1 K_2 (y_a L_a)^{0,5}\] (6)
dimana:
ys : kedalaman gerusan (meter) ya : kedalaman aliran (meter) La : panjang abutment (meter)
KyL : faktor kombinasi antara kedalaman aliran dengan panjang abutment = 10y
Ki : faktor intensitas aliran = U/Ucr
U : kecepatan aliran (m/dt)
Ucr : kecepatan kritis saat sedimen akan bergerak (m/ dt)
K1 : faktor bentuk abutment (dapat dilihat pada Tabel 1)
K2 : faktor alignment abutment
3. Metode Penelitian Laboratorium
3.1 Model saluran terbuka
Pemodelan fisik untuk mempelajari perbandingan gerusan lokal yang terjadi di sekitar abutment dinding vertikal tanpa sayap dan dengan sayap pada saluran lurus, tikungan 90 derajat, dan 180 derajat ini dilakukan di Laboratorium Uji Model Hidraulika, Departemen Teknik Sipil, Institut Teknologi Bandung.
Saluran terbuka ini dimodelkan dengan dinding fiberglass dan dasar saluran terbuat dari semen, saluran memiliki bagian lurus serta sudut tikungan 90° dan 180°. Panjang as saluran dari hulu ke hilir adalah 12,4 meter, lebar saluran 0,5 meter dan tinggi saluran 0,4 meter, dengan dasar pasir yang ditimbun setinggi 0,2 meter. Saluran terbagi menjadi lima bagian, dari hulu ke hilir yaitu:
1. Bagian lurus I :
Saluran lurus sepanjang 3 meter, memiliki segmen antara 200 cm – 0 cm
Tabel 1. Koefisien bentuk abutment (Mellvile, 1997)
| Bentuk Abutment | K1 | ||
|---|---|---|---|
| Dinding vertikal | 1,00 | ||
| Dinding vertikal dengan sayap | 0,75 | ||
| Spill-through abutment | 0,45 | ||
Gambar 2. Faktor koreksi untuk kemiringan abutment terhadap aliran (Richardson dan Davis, 1995)
2. Bagian tikungan I :
Saluran menikung 180° dan berjari–jari as 1,25 meter, memiliki segmen antara 0º - 180º
3. Bagian lurus II :
Saluran lurus sepanjang 1,5 meter, memiliki segmen antara 0 – 150 cm
4. Bagian tikungan II:
Saluran meni-kung 90° dan berjari – jari as 1,25 meter, memiliki segmen antara 0º - 90º
5. Bagian lurus III:
Saluran lurus sepanjang 2 meter, memiliki segmen antara 0 – 100 cm
Model saluran terbuka dengan tikungan 180° dan 90° ini bila dikembangkan untuk prototype di lapangan dengan asumsi undistorted scale adalah 1 : 50, maka akan serupa dengan saluran dengan panjang as 620 meter (0,6 km), lebar 25 meter, dan tinggi saluran hingga dasar adalah 10 meter. Sedangkan waktu pengaliran selama 6 (enam) jam pada model apabila diaplikasikan untuk prototype akan membutuhkan waktu pengaliran selama 42,4 jam atau 42 jam 24 menit.
3.2 Material dasar
Material dasar yang digunakan dalam penelitian berupa pasir dari Gunung Galunggung. Butiran pasir ini keras, tidak mudah pecah, sedemikian sehingga tidak mudah tergerus. Penggunaan pasir dari Gunung Galunggung bertujuan untuk mempermudah penelitian, yaitu:
- 1. Kondisinya relatif sama untuk setiap kali running.
- 2. Tidak dibutuhkan dalam jumlah yang banyak karena dapat digunakan untuk beberapa kali running.
- 3. Sudah tersedia di Laboratorium Uji Model Hidraulika ITB.
Tes gradasi agregat juga dilakukan untuk pasir yang hanyut terbawa ke hilir selama proses pengaliran debit 7 liter/detik.
3.3 Abutment
Abutment yang digunakan ada 2 (dua) jenis; abutment dinding vertikal tanpa sayap (vertical-wall abutment) dan abutment dinding vertikal dengan sayap (wingwall abutment).
3.3.1 Abutment dinding vertikal tanpa sayap
Abutment dinding vertikal tanpa sayap yang digunakan dalam percobaan terbuat dari bahan kayu. Spesifikasi ukuran dari abutment yang digunakan (lihat Gambar 5) adalah :
1. panjang : 12 cm 2. lebar : 9 cm 3. tinggi : 40 cm
Abutment yang digunakan dalam berjumlah empat buah dan ditempatkan pada:
- 1. Bagian saluran lurus (panjang 3 meter), yaitu pada titik 100 cm
- 2. Bagian menikung 180°, yaitu pada titik 90°
- 3. Bagian saluran lurus (panjang 1,5 meter), yaitu pada titik 70 cm
- 4. Bagian menikung 90°, yaitu pada titik 45°
Penempatan keempat abutment tersebut didasarkan pada perbedaan kondisi pada setiap segmen saluran, yaitu:
- 1. Pada segmen lurus I, kondisi saluran adalah saluran lurus. Dimana, air yang masuk pada segmen saluran tersebut berasal dari saluran lurus sebelumnya.
- 2. Pada segmen Tikungan I, kondisi saluran adalah tikungan saluran sebesar 180°.
- 3. Pada segmen lurus II, kondisi saluran adalah saluran lurus yang diapit oleh dua tikungan. Kondisi pada saluran lurus ini jelas berbeda dengan segmen saluran lurus I. Aliran air yang datang dari tikungan sebelumnya memberikan pengaruh terhadap kondisi aliran air pada segmen saluran ini.
- 4. Pada segmen Tikungan II, kondisi saluran adalah tikungan saluran sebesar 90°. Distribusi kecepatan aliran air pada segmen ini akan berbeda dengan distribusi kecepatan aliran air pada tikungan 180°.
3.3.2 Abutment dinding vertikal dengan sayap
Pada prinsipnya, spesifikasi dan penempatan abutment dinding vertical dengan savap sama dengan abutment dinding vertical tanpa sayap yang sudah dijelaskan pada subbab sebelumnya. Sebagai tambahan, sayap dipasang dengan sudut 45 derajat dari dinding samping abutment.Gambar peletakan abutment di model saluran terbuka dapat dilihat pada Gambar 3.
3.4 Alat ukur dan alat bantu
Alat ukur yang digunakan dalam penelitian ini adalah, sebagai berikut:
3.4.1 Alat ukur kecepatan (Currentmeter)
Currentmeter ini menggunakan kipas (fan) dan sebuah mesin penghitung (counter) untuk menghitung intensitas putaran dalam satuan Hertz (Hz). Currentmeter ini dilengkapi dengan grafik kalibrasi untuk menkonyersi satuan dari Hertz ke satuan cm/
3.4.2 Alat ukur debit (Thomson Weir)
Pengukuran dilakukan di bagian hilir saluran setelah masuk ke bak penenang. Alat ini umumnya digunakan untuk debit kecil.
Perhitungan debit yang mengalir pada Thompson Weir menggunakan rumus sebagai berikut:
\[Q = \frac{8}{15} C_d \cdot \tan \frac{\alpha}{2} \sqrt{2.g} \cdot (h_{Th})^{2.5}\] (7)
dimana:
O : debit aliran (m<sup>3</sup>/dt)
C<sub>d</sub>: koefisien debit Thompson C<sub>d</sub>: 0,58 (untuk air kotor)
C<sub>d</sub>: 0,59 (untuk air irigasi) \(C_d\): 0,61 (untuk air bersih)
\(g : 9.81 \text{ m/dt}^2\)
h<sub>Th</sub>: tinggi aliran diatas pintu Thompson (m)
Gambar 3. Abutment dinding vertikal dengan sayap dan penempatannya pada model saluran terbuka
Dengan memasukkan α = 90o , Cd = 0,58 dan g = 9,81 m/dt2 , Debit yang mengalir dihitung dengan rumus :
\[Q = 1,38.h_{Th}^{2,5} \text{ (m}^3/\text{dt)}\] (8)
3.4.3 Alat ukur topografi dasar saluran dan muka air
Alat ukur topografi dasar saluran dan muka air dalam penelitian ini adalah meteran taraf dengan ketelitian hingga 0,1 mm.
3.4.4 Alat ukur berat
Alat ukur berat yang digunakan dalam penelitian ini adalah timbangan dengan kapasitas 5000 gram dengan ketelitian hingga 25 gram.
3.4.5 Alat suplai air (pompa air)
Pompa digunakan untuk menaikkan air dari saluran penampung yang berada di sekeliling laboratorium ke saluran pengatur. Kapasitas pompa ini berkisar 20 liter/ detik hingga 240 liter/detik.
Sedangkan peralatan bantu yang digunakan adalah:
- 1. Formulir pencatatan data
- 2. Kantong penangkap pasir (tepat pada bagian hilir saluran) Disiapkan dua buah, untuk dipakai secara bergantian
- 3. Kabel listrik
- 4. Benang dan label (untuk penggambaran kontur)
- 5. Kamera dan alat dokumentasi lainnya
3.5 Pengukuran dan pengamatan
3.5.1 Langkah percobaan
Langkah-langkah dalam melakukan percobaan dalam penelitian ini adalah :
- 1. Meratakan pasir setinggi 20 cm sepanjang saluran.
- 2. Mengukur elevasi awal saluran.
- 3. Mengalirkan debit aliran ke dalam saluran. Pada penelitian kali ini debit rencana yang dialirkan sebesar 4, 5, 6, dan 7 liter/detik.
Gambar 4. Sketsa pengukuran muka air pada pelimpah Thomson
- 4. Mengukur kecepatan aliran air dengan menggunakan currentmeter pada posisi yang telah ditentukan. Pengukuran kecepatan ini dilakukan pada awal pengaliran, sebagai initial condition, dan pada waktu debit sudah relatif stabil.
- 5. Mengukur elevasi akhir saluran dengan menggunakan meteran taraf pada posisi yang telah ditentukan.
- 6. Membuat kontur dasar saluran dengan benang dan label ketinggian kontur interval 1 cm.
3.5.2 Pengukuran kecepatan
Pembacaan intensitas kecepatan pada setiap titik pengukuran akan dilakukan dua kali, yaitu pada 0,2d dan 0,8d dengan d adalah kedalaman. Kecepatan aliran diukur pada titik-titik yang sudah ditentukan. Pengukuran ini dilakukan 2 (dua) kali, pada awal pengaliran, sebagai initial condition, dan pada waktu debit sudah relatif stabil.
3.5.3 Pengukuran topografi dasar saluran
Pengukuran topografi dasar saluran untuk setiap pengaliran, dilakukan dua kali, yaitu sebelum dan sesudah percobaan. Tujuan dari pengukuran topografi adalah untuk mengetahui perubahan topografi dasar saluran yang terjadi pada setiap percobaan.
4. Hasil Pemodelan dan Analisis
4.1 Hasil perhitungan kedalaman gerusan lokal dan analisisnya
Dengan mempertimbangkan analisis parameterparameter pengaliran, seperti debit, Bilangan Froude, dan kedalaman aliran, maka berikut adalah formulaformula yang bisa digunakan untuk menghitung kedalaman gerusan lokal berdasarkan percobaan yang dilakukan di Laboratorium Uji Model Hidraulika:
- 1. Laursen (1960)
- 2. Froehlich (1989)
- 3. Mellvile (1997)
Ketiga formula ini sama dengan formula yang digunakan dalam analisis perhitungan kedalaman gerusan lokal untuk kasus abutment dinding vertikal tanpa sayap.
4.1.1 Analisis perbandingan kedalaman gerusan di sekitar 4 (empat) abutment dinding vertikal tanpa sayap dalam potongan melintang dan memanjang untuk 4 (empat) debit rencana
Selama pengaliran 4 (empat) debit yang direncanakan, apabila dilihat dalam potongan melintang, gerusan lokal terbesar di sekitar abutment relatif terjadi setelah pengaliran debit 7 liter/detik. Hal ini sangat masuk akal, mengingat secara logika, debit yang terbesar memang sepantasnya memberikan hasil gerusan yang paling besar pula.
Gambar 5. Segmen Abutment 1; (a) Posisi gerusan maksimum hasil pengaliran debit 7 liter/detik, (b) Posisi sedimentasi tertinggi hasil pengaliran debit 5 liter/detik
Gambar 6. Segmen abutment 2, posisi gerusan maksimum hasil pengaliran debit 7 liter/detik
Gambar 7. Segmen abutment 2, posisi sedimentasi tertinggi hasil pengaliran debit 4 liter/detik
Gambar 8. Segmen abutmen 3, posisi gerusan maksimum dan sedimentasi tertinggi hasil pengaliran debit 7 liter/detik
Gambar 9. Segmen abutmen 4; (a) Posisi gerusan maksimum hasil pengaliran debit 7 liter/detik, (b) Posisi sedimentasi tertinggi hasil pengaliran debit 6 liter/detik
Secara teori dapat dibuktikan dengan rumus debit, Q = V.A, dimana Q adalah debit yang mengalir (m3 / detik), V adalah kecepatan aliran (m/detik), dan A adalah luas penampang basah (m) yang merupakan fungsi dari kedalaman aliran dan lebar saluran. Dari rumus tersebut dapat dilihat hubungan secara linier bahwa untuk debit yang besar, dengan luas penampang basah yang konstan, akan menghasilkan kecepatan aliran yang besar pula..
Dokumentasi gerusan lokal maksimum dan sedimentasi tertinggi yang terjadi di sekitar abutment dinding vertikal tanpa sayap untuk masing-masing segmen abutment dapat dilihat pada Gambar 8 hingga Gambar 10.
Gambar 10. Kedalaman gerusan pada segmen hulu abutment 2 (Segmen 85°) untuk 4 (Empat) debit rencana
Gerusan lokal maksimum terjadi pada pengaliran debit rencana 7 liter/detik, di daerah hulu dan tengah abutment. Grafik vang memvisualisasikan potongan melintang gerusan lokal maksimum tersebut dapat dilihat pada Gambar 10.
Dari hasil plotting grafik yang menunjukkan visualisasi kedalaman gerusan yang terjadi selama pengaliran 4 (empat) debit rencana dalam potongan melintang, dapat dilihat bahwa gerusan maksimum selalu terjadi di sekitar abutment, pada segmen hulu dan tengah abutment. Hal ini sejalah dengan teori bahwa pada saat aliran menumbuk abutment, akan menimbulkan energi yang besar untuk menggerus sedimen (pasir) di sekitarnya. Apabila kecepatan kritis sedimen untuk bergerak lebih kecil dibandingkan kecepatan aliran saat itu, maka akan terjadi perpindahan sedimen. Kondisi inilah yang disebut live-bed scour. Namun apabila turbulensi, perbedaan kecepatan di atas dan di bawah butiran, serta drag force hanya mengakibatkan kondisi
\[0.5 \le \left(\frac{U}{U_{cr}}\right) \le 1.0\] maka gerusan yang terjadi disebut
clear water scour, dimana gerusan lokal terjadi menerus dan proses transportasi sedimen tidak terjadi.
4.1.2 Analisis pengamatan kedalaman gerusan yang terjadi selama pengaliran 4 (empat) debit rencana di model dengan abutment dinding vertikal dengan sayap
Secara umum gerusan paling dalam terjadi pada daerah sekitar tengah abutment. Sedangkan sedimentasi tertinggi untuk debit 4, 5, dan 6 liter/detik terjadi di hilir abutment, sementara untuk debit 7 liter/detik terjadi di hulu abutment. Bentuk abutment dinding vertikal dengan sayap ini merupakan salah satu faktor yang menyebabkan perbedaan posisi dan besarnya gerusan maksimum dan sedimentasi tertinggi, bila dibandingkan dengan model dengan abutment dinding vertikal tanpa savap.
Gambar 11. Segmen abutment 1, posisi gerusan maksimum dan sedimentasi tertinggi hasil pengaliran debit 7 liter/detik
Gambar 12. Segmen abutment 2, posisi gerusan maksimum hasil pengaliran debit 7 liter/detik
Gambar 13, Segmen abutment 2, posisi sedimentasi tertinggi hasil pengaliran debit 4 liter/detik
Gambar 14. Segmen abutmen 3; (a) Posisi gerusan maksimum hasil pengaliran debit 7 liter/detik, (b) posisi sedimentasiter tinggi hasil pengaliran debit 6 liter/detik
Gambar 15. Segmen abutmen 4; (a) Posisi gerusan maksimum hasil pengaliran debit 7 liter/detik. (b) posisi sedimentasi tertinggi hasil pengaliran debit 6 liter/detik
Gambar 16. Kedalaman gerusan pada segmen tengah abutment 4 (segmen 45°) untuk 4 (empat) debit rencana
Dokumentasi gerusan lokal maksimum dan sedimentasi tertinggi yang terjadi di sekitar abutment dinding vertikal tanpa sayap untuk masing-masing segmen abutment dapat dilihat pada Gambar 11 hingga Gambar 15
Gerusan lokal maksimum terjadi pada pengaliran debit rencana 7 liter/detik, di daerah tengah abutment. Grafik yang memvisualisasikan potongan melintang gerusan lokal maksimum tersebut dapat dilihat pada Gambar
Dari hasil plotting grafik vang menunjukkan visualisasi kedalaman gerusan yang terjadi selama pengaliran 4 (empat) debit rencana dalam potongan melintang, dapat dilihat bahwa gerusan maksimum sebagian besar terjadi di segmen tengah abutment. Hal ini bisa dijelaskan dengan teori bahwa pada saat aliran mulai masuk bagian saluran dengan abutment, kontraksi yang ditimbulkan karena adanya abutment dinding vertikal dengan sayap lebih halus dibanding dengan abutment dinding vertikal tanpa sayap. Keberadaan sayap di samping kanan dan kiri abutment menyebabkan aliran menjadi lebih smooth saat menumbuk dinding abutment sehingga perbedaan kecepatan yang terjadi juga tidak terlalu besar. Pada saat aliran masuk ke segmen tengah abutment, badan saluran menjadi semakin sempit. Untuk pengaliran dengan debit yang sama hal ini menyebabkan peningkatan kecepatan yang mengakibatkan gerusan yang tejadi juga semakin besar. Sama seperti analisis sebelumnya apabila kecepatan kritis sedimen untuk bergerak lebih kecil dibandingkan kecepatan aliran saat itu, maka akan terjadi perpindahan sedimen. Kondisi inilah yang disebut livebed scour. Namun apabila turbulensi, perbedaan kecepatan di atas dan di bawah butiran, serta drag force
\(0.5 \le \left(\frac{U}{U}\right) \le 1.0\)hanya mengakibatkan kondisi
maka gerusan yang terjadi disebut clear water scour, dimana gerusan lokal terjadi menerus dan proses transportasi sedimen tidak terjadi.
4.2 Visualisasi dan pengukuran kedalaman gerusan serta kecepatan yang terjadi di posisi tengah abutment dinding vertikal dengan savap pada saluran dengan tikungan 180 derajat terhadap fungsi waktu
Untuk mendapatkan grafik kedalaman gerusan terhadap fungsi waktu dan distribusi kecepatan fungsi waktu, dilakukan pengukuran kedalaman gerusan dan distribusi kecepatan sepanjang aliran untuk setiap selang waktu 1 jam. Pengamatan dan pengukuran untuk mendapatkan kedua grafik tersebut dilakukan hanya di abutment kedua, yaitu di segmen saluran dengan tikungan 180°, dengan memasang abutment dinding vertikal dengan sayap yang terbuat dari kaca sehingga diharapkan untuk sisi dalam dan luar tikungan bisa terdokumentasikan kedalaman gerusan jam-jaman. Kedalaman gerusan untuk bagian tepi luar dan dalam tikungan dilihat dengan bantuan sebuah alat bernama periskop. Prinsip kerja periskop ini adalah menerima pantulan cahaya dari kaca sehingga kedalaman gerusan dapat terbaca dan terukur dengan menggunakan bacaan meteran yang menempel dan disesuikan posisinya dengan periskop. Instalasi abutment kaca di segmen tikungan 180° dapat dilihat pada Gambar 17.
Gambar 17. Instalasi abutment kaca di segmen saluran tikungan 180° (a) Tampak atas, (b) dari arah hulu, (c) Abutment kaca dengan periskop
4.2.1 Debit 4 liter/detik
Hubungan antara kedalaman gerusan terhadap fungsi waktu dan distribusi kecepatan di posisi tengah abutment 2 (tikungan 180°) untuk debit rencana 4 liter/ detik dapat dilihat pada Gambar 18.
4.2.2 Debit 5 liter/detik
Hubungan antara kedalaman gerusan terhadap fungsi waktu dan distribusi kecepatan di posisi tengah abutment 2 (tikungan 180°) untuk debit rencana 5 liter/ detik dapat dilihat pada Gambar 19.
4.2.3 Debit 6 liter/detik
Hubungan antara kedalaman gerusan terhadap fungsi waktu dan distribusi kecepatan di posisi tengah abutment 2 (tikungan 180°) untuk debit rencana 6 liter/ detik dapat dilihat pada Gambar 20.
4.2.4 Debit 7 liter/detik
Hubungan antara kedalaman gerusan terhadap fungsi waktu dan distribusi kecepatan di posisi tengah
abutment 2 (tikungan 180°) untuk debit rencana 7 liter/ detik dapat dilihat pada Gambar 21.
4.3 Analisis perhitungan angkutan sedimen
Sesuai tinjauan pustaka, dijelaskan bahwa angkutan sedimen dasar merupakan fungsi dari kapasitas transport aliran. Tujuan perhitungan ini yaitu memberikan jumlah maksimum material yang dapat diangkut untuk kondisi aliran dan jenis sedimen tertentu. Sebelum melakukan analisis lebih lebih jauh, perlu diketahui jenis dari angkutan sedimen yang terjadi. Parameter yang berperan dalam analisis perhitungan angkutan sedimen ini adalah diameter butiran. Diameter butiran inilah yang akan menentukan metode perhitungan untuk mendapatkan besaran kecepatan kritis aliran (Van Rijn, 1984).
Penentuan jenis angkutan sedimen gerusan yang terjadi di model saluran dengan abutment dinding vertikal tanpa sayap dapat dilihat pada Tabel 2. Sedangkan untuk kasus pada abutment dinding vertikal dengan sayap dapat dilihat pada Tabel 3.
Gambar 18. (a) Hubungan kedalaman gerusan terhadap fungsi waktu, (b) Distribusi kecepatan jam-jaman di posisi tengah abutment 2 (tikungan 1800 ) untuk debit 4 liter/detik
Gambar 19. (a) Hubungan kedalaman gerusan terhadap fungsi waktu, (b) Distribusi kecepatan jam-jaman di posisi tengah abutment 2 (Tikungan 1800 ) untuk debit 5 liter/detik
Gambar 20. (a) Hubungan kedalaman gerusan terhadap fungsi waktu, (b) distribusi kecepatan jam-jaman di posisi tengah abutment 2 (tikungan 180°) untuk debit 6 liter/detik
Gambar 21. (a) Hubungan kedalaman gerusan terhadap fungsi waktu, (b) Distribusi kecepatan jam-jaman di posisi tengah abutment 2 (Tikungan 180°) untuk debit 7 liter/detik
Tabel 2. Penentuan jenis angkutan sedimen yang terjadi di model saluran dengan abutment dinding vertikal tanpa sayap
| Debit Rencana Q (It/dtk) | 7 6 | 5 | 4 | |||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Kec. Aliran rata-rata hasil Pengamatan, U (m/dtk) | 0,298 | 0,298 | 0,278 | 0,286 | ||
| d50 (mm) | 0,78 | |||||
| d90 (mm) | 1,50 | |||||
| Lebar saluran B (cm) | 50 | |||||
| Kedalaman aliran normal y (cm) | 4,7 4,2 | 3,6 | 2,8 | |||
| Luas basah A (cm2) | 234 | 207 | 180 | 139 | ||
| Keliling basah P (cm) | 59,5 58,3 | 57,2 | 55,7 | |||
| Jari-jari hidrolis Rb (cm) | 3,94 | 3,56 | 3,15 | 2,50 | ||
| Kecepatan kritis Ucr (m/det) | 0,235 | 0,225 | 0,219 | 0,210 | ||
| U/Ucr | 1,272 | 1,255 | 1,241 | 1,357 | ||
| Kesimpulan | Live bed scour | Live bed scour | Live bed scour | Live bed scour | ||
Tabel 3. Penentuan jenis angkutan sedimen yang terjadi di model saluran dengan abutment dinding vertikal dengan sayap
| Debit Rencana Q (It/dtk) | 7 6 | 5 | 4 | |||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Kec. Aliran rata-rata hasil Pengamatan, U (m/dtk) | 0,298 | 0,298 0,31 | 0,304 | |||
| d50 (mm) | 0,9 | |||||
| d90 (mm) | 1,1 | |||||
| Lebar saluran B (cm) | 50 | |||||
| kedalaman aliran normal y (cm) | 2,69 3,36 | 3,87 | 4,61 | |||
| Luas basah A (cm2) | 134,36 | 167,93 | 193,59 | 230,3 | ||
| Keliling basah P (cm) | 55,37 56,72 | 57,74 | 59,21 | |||
| Jari-jari hidrolis Rb (cm) | 2,43 | 2,43 2,96 | 3,89 | |||
| Kecepatan kritis Ucr (m/det) | 0,25 | 0,26 | 0,26 | 0,27 | ||
| U/Ucr | 1,21 | 1,21 1,16 | 1,12 | |||
| kesimpulan | Live bed scour | Live bed scour | Live bed scour | Live bed scour | ||
Tabel 4. Hasil perhitungan kedalaman gerusan lokal maksimum dengan beberapa metode untuk abutment dinding vertikal tanpa sayap dan prosentase kesalahan
| Debit Q (lt/dtk) | Segmen Abutment | Kedala | Kedalaman Gerusan | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Froehlich (cm) | Kesalahan (%) | Melville | Kesalahan (%) | Laursen (cm) | Kesalahan (%) | Maksimum Pengamatan (cm) | ||
| 4 | 100 cm | 2,90 | 56,99 | 17,24 | 155,83 | 5,78 | 11,90 | 6,74 |
| 90° | 3,14 | 52,93 | 16,05 | 140,57 | 5,25 | 6,23 | 6,67 | |
| 70 cm | 2,85 | 57,64 | 17,49 | 93,27 | 5,88 | 33,36 | 8,82 | |
| 45° | 2,91 | 57,31 | 17,20 | 93,50 | 5,95 | 33,09 | 8,89 | |
| 5 | 100 cm | 3,44 | 60,00 | 18,84 | 119,33 | 7,01 | 23,79 | 7,88 |
| 90° | 3,52 | 39,66 | 18,46 | 216,61 | 7,05 | 13,99 | 9,63 | |
| 70 cm | 3,86 | 59,87 | 17,04 | 76,91 | 6,65 | 26,96 | 5,83 | |
| 45° | 3,83 | 51,41 | 17,17 | 117,85 | 6,55 | 1,03 | 8,59 | |
| 6 | 100 cm | 3,88 | 59,56 | 20,63 | 115,09 | 7,00 | 26,96 | 9,59 |
| 90° | 4,22 | 38,71 | 19,22 | 179,37 | 7,38 | 7,30 | 6,88 | |
| 70 cm | 3,62 | 63,68 | 21,92 | 120,08 | 6,70 | 32,76 | 9,96 | |
| 45° | 3,87 | 56,27 | 20,67 | 165,68 | 6,99 | 10,11 | 7,78 | |
| 7 | 100 cm | 4,69 | 57,79 | 20,75 | 86,97 | 7,82 | 29,51 | 11,10 |
| 90° | 5,33 | 70,00 | 18,72 | 5,28 | 8,46 | 52,40 | 17,78 | |
| 70 cm | 5,20 | 68,43 | 19,09 | 15,93 | 8,34 | 49,39 | 16,47 | |
| 45° | 4,65 | 65,98 | 20,89 | 52,93 | 7,79 | 43,00 | 13,66 | |
| Rata-rata | 56,98 | 127,36 | 20,02 | |||||
| Maksimum | 67,64 | 216,61 | 23,36 | |||||
| Minimum | 39,66 | 79,91 | 6,23 |
Tabel 5. Hasil Perhitungan kedalaman gerusan lokal maksimum dengan beberapa metode untuk abutment dinding vertikal dengan sayap dan persentase kesalahan
| Debit Q (lt/dtk) | Segmen Abutment | Kedala | Kedalaman Gerusan | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Froehlich (cm) | Kesalahan (%) | Melville | Kesalahan (%) | Laursen (cm) | Kesalahan (%) | Naksimum Pengamatan (cm) | ||
| 4 | 100 cm | 7.135 | 47.72 | 12.782 | 164.64 | 6.329 | 31.04 | 4.83 |
| 90° | 7.007 | 13.93 | 13.913 | 126.22 | 5.945 | 3.33 | 6.15 | |
| 70 cm | 7.189 | 27.67 | 12.418 | 24.93 | 6.467 | 34.94 | 9.94 | |
| 45° | 7.078 | 34.53 | 13.225 | 22.34 | 6.172 | 42.91 | 10.81 | |
| 5 | 100 cm | 7.913 | 39.56 | 14.755 | 160.24 | 6.717 | 18.46 | 5.67 |
| 90° | 7.922 | 16.67 | 14.692 | 116.38 | 6.739 | 0.76 | 6.79 | |
| 70 cm | 8.070 | 27.43 | 13.799 | 24.09 | 7.065 | 36.47 | 11.12 | |
| 45° | 4.161 | 35.23 | 13.352 | 5.97 | 7.243 | 42.52 | 12.60 | |
| 6 | 100 cm | 8.852 | 3.46 | 15.204 | 65.80 | 7.538 | 17.79 | 9.17 |
| 90° | 8.966 | 9.70 | 14.693 | 47.97 | 7.728 | 22.07 | 9.93 | |
| 70 cm | 9.061 | 21.34 | 14.315 | 24.26 | 7.895 | 31.47 | 11.52 | |
| 45° | 8.920 | 41.20 | 14.892 | 1.83 | 7.659 | 49.51 | 15.17 | |
| 7 | 100 cm | 9.723 | 44.66 | 15.911 | 9.44 | 8.196 | 53.35 | 17.57 |
| 90° | 9.812 | 27.75 | 15.581 | 14.74 | 8.330 | 38.66 | 13.58 | |
| 70 cm | 9.955 | 18.80 | 15.099 | 23.16 | 8.536 | 30.37 | 12.26 | |
| 45° | 9.890 | 40.99 | 15.311 | 8.65 | 8.444 | 49.62 | 16.76 | |
| Rata-rata | 28.17 | 52.54 | 31.45 | |||||
| Maksimum | 47.72 | 164.64 | 53.35 | |||||
| Minimum | 3.46 | 1.83 | 0.76 |
Hasil perhitungan kedalaman gerusan maksimum dengan beberapa metode untuk abutment dinding vertikal tanpa sayap dan persentase kesalahannya dapat dilihat pada Tabel 4. Sedangkan untuk kasus pada abutment dinding vertikal dengan sayap dapat dilihat pada Tabel 5.
5. Kesimpulan
Berikut adalah kesimpulan yang bisa diambil dari penelitian yang telah dilakukan:
- 1. Abutment dinding vertikal tanpa sayap:
- a) Gerusan maksimum terjadi pada pengaliran debit 7 liter/detik, mencapai elevasi -17,8 cm. Gerusan maksimum ini terjadi di segmen hulu abutment
- b) Sedimentasi tertinggi hingga elevasi +2,53 cm terjadi setelah pengaliran debit 5 liter/detik, dan berada di segmen hilir abutment.
- c) Gerusan maksimum untuk pengaliran setiap debit rencana terjadi sebagian besar di daerah hulu abutment
- 2. Abutment dinding vertikal dengan savap:
- a) Gerusan maksimum mencapai elevasi -17,57 cm, terjadi pada pengaliran debit 7 liter/detik, terletak di tengah abutment.
- b) Sedimentasi tertinggi dicapai hingga elevasi +3.07 cm, terjadi pada pengaliran debit 6 liter/ detik. Sedimentasi tertinggi ini terjadi di segmen hilir abutment.
- c) Gerusan maksimum untuk pengaliran setiap debit rencana terjadi relatif terjadi di segmen tengah abutment.
- 3. Faktor kecepatan aliran mempunyai hubungan sebanding dengan kedalaman gerusan. Semakin besar kecepatan, maka gerusan yang terjadi juga semakin dalam.
- 4. Hasil pengamatan dan pengukuran distribusi kecepatan untuk kondisi selama pengaliran dibandingkan dengan kondisi awal sebelum tergerus memberikan kesimpulan kecepatan untuk kondisi selama pengaliran relatif lebih besar dibanding
- kondisi awal sebelum mulai tergerus. Hal ini sejalan dengan teori bahwa salah satu faktor yang menentukan besarnya gerusan adalah kecepatan aliran.
- 3. Jenis angkutan sedimen yang terjadi di sepanjang aliran untuk kedua jenis abutment adalah live-bed scour. Hal ini membenarkan bukti pengamatan, bahwa selama pengaliran empat debit rencana terjadi perpindahan sedimen dasar saluran.
- 4. Untuk percobaan abutment dinding vertikal tanpa sayap dari hasil perhitungan dengan Formula Laursen (1960), Froehlich (1989), dan Mellvile (1997), diperoleh formula yang paling mendekati kondisi aktual adalah Formula Laursen dengan persentase kesalahan 20,02%. Sedangkan untuk abutment dinding vertikal dengan sayap, dengan 3 (tiga) formula yang sama, persentase kesalahan terkecil adalah sebesar 28,17%, hasil perbandingan dengan menggunakan Formula Froehlich.
- 5. Sesuai dengan jenis abutment berdasarkan standar internasional, setelah penelitian abutment dinding vertikal tanpa sayap dan dengan sayap ini perlu juga dilakukan penelitian untuk abutment spill-through.
- 6. Untuk menunjang analisis yang lebih komprehensif, pengukuran kedalaman gerusan dan distribusi kecepatan jam-jaman perlu dilakukan di ketiga abutment lain selain abutment di segmen saluran dengan tikungan 180°. Peralatan pendukung yang sesuai perlu dipersiapkan sebelumnya.
- 7. Percobaan mengalirkan keempat debit rencana sebaiknya tidak hanya dilakukan sekali untuk masing-masing debit. Hal ini penting sebagai bahan cross check terhadap validasi pengukuran dan pengamatan. Untuk itu pertimbangan waktu dan biaya penelitian menjadi faktor yang harus diperhatikan.