1. Pendahuluan
Kapasitas tampungan bendungan yang besar dan elevasi muka air yang tinggi, dapat mengatur besar aliran ke sebelah hilirnya menjadi lebih merata sepanjang tahun. Bendungan/waduk juga dapat berfungsi sebagai sarana
pengendali banjir yang efektif, dapat menggerakkan turbin PLTA, keperluan lain seperti air baku, kebutuhan irigasi, perikanan, dan pariwisata.
Dalam merencanakan sebuah bendungan, perlu diperhatikan stabilitasnya terhadap bahaya longsoran, erosi lereng, dan kehilangan air akibat rembesan melalui
tubuh bendungan. Setiap bendungan pasti mengalami rembesan air, namun bagaimana pengaruh rembesan air terhadap bendungan sangat tergantung pada bentuk dan jenis bahan timbunan bendungan. Volume rembesan air yang terlalu besar, mengakibatkan pengoperasian bendungan menjadi terganggu, hingga rawan terjadi longsor bahkan keruntuhan.
Keruntuhan bendungan homogen tanah kemungkian besar terjadi diakibatkan oleh timbulnya gaya-gaya yang terdapat pada prilaku rembesan air. Penelitian ini bertujuan untuk mengamati pola aliran garis freatis pada tubuh bendungan dan menghitung debit rembesan yang terjadi. Pemodelan tubuh bendungan ini divariasikan berdasarkan kepadatan tanah dengan tipe bendungan urugan homogen,dimana jenis tanah yang digunakan adalah tanah lempung kekuning-kuningan. Model tubuh bendungan berbentuk trapesium dengan variasi kepadatan tanah sebesar 60%, 65%, dan 70% yang didapat dari hasil perbandingan antara Uji Standar Proctor dan Sand Cone Test. Gejala pengaruh garis depresi (tekanan) air rembesan dianalisis dengan menggunakan teori aliran Dupuit, Schaffernak, A. Casagrande.
2. Karakteristik Tanah dan Rembesan
Pemilihan tanah dalam kelompok atau subkelompok vang menunjukkan sifat yang sama akan sangat membantu dalam penelitian. Klasifikasi tanah didasarkan atas ukuran partikel yang diperoleh dari analisis saringan (Das, 1995) dan analisis mineralogi serta plastisitas tanah (Chen, and Baladi, 1985).
Menurut Wesley (2012), permeabilitas didefinisikan sebagai sifat bahan berpori yang memungkinkan aliran rembesan dari cairan yang berupa air atau minyak mengalir lewat rongga pori. Koefisien permeabilitas (coefficient of permeability, k) tergantung dari beberapa faktor, yaitu: kekentalan cairan, distribusi ukuran pori, distribusi ukuran butir, angka pori, kekasaran permukaan butiran tanah, dan derajat kejenuhan tanah. Harga koefisien permeabilitas untuk tiap-tiap tanah bernilai variasi.Tanah termasuk bahan yang permeable sehingga air dapat mengalir melalui pori-pori tanah. Uji permeabilitas dengan tinggi energi turun (falling-head) lebih cocok untuk tanah berbutir halus.
Pada pembuatan tubuh bendungan tipe urugan homogen, tanah dipadatkan untuk meningkatkan berat volumenya. Pemadatan berfungsi untuk meningkatkan kekuatan tanah, mengurangi besarnya rembesan air yang terjadi, mengurangi besarnya penurunan tanah yang tidak diinginkan, dan meningkatkan kemantapan lereng timbunan. Pada perencanaan, kepadatan tanah lapangan diambil sebesar 90-95% kepadatan tanah laboratorium. Berat volume kering maksimum didapat dari hasil percobaan dengan uji Proctor atau dimodifikasi di laboratorium (Bowles, 1993).
Erosi internal dan piping pada main-dam merupakan penyebab kegagalan bendungan kedua setelah aliran yang melewati puncak bendungan (overtopping flow). Untuk bendungan baru, potensi erosi internal dan piping dapat dikontrol dengan desain yang baik dan pembangunan bendungan dan penyediaan filter untuk mencegah rembesan melalui main-dam. Namun banyak bendungan yang ada tidak dilengkapi dengan filter dan rentan terhadap kegagalan erosi internal, dengan kemungkinan yang meningkat umur bendungan (Anonim. 2011).
Kemiringan rata-rata lereng waduk (sebelah hulu dan hilir) adalah perbandingan antara panjang garis vertikal yang melalui tumit masing-masing lereng. Kemiringan lereng urugan harus ditentukan sedemikian rupa agar stabil terhadap longsoran. Hal ini sangat tergantung pada jenis material urugan seperti yang diberikan pada Tabel 1. Kestabilan urugan harus diperhitungkan terhadap frekuensi naik turunnya muka air, rembesan, dan tahan terhadap gempa.
Metode penelurusan garis freatis dapat diamati dengan menggunakan model fisik bendungan maupun dengan metode elemen hingga. Noori dan Khaleel (2011) melakukan evaluasi rembesan dan stabilitas bendungan Duhok pada Sungai Rubar dengan menggunakan metode elemen hingga melalui program komputer bernama SEEP2D. Hasil yang diperoleh yaitu jalur rembesan permukaan bebas, jumlah rembesan melalui bendungan, distribusi tekanan air pori, head total pengukuran dan efek anisotropi bahan inti bendungan urugan Duhok.
A. Casagrande memberikan metode perhitungan rembesan vang melewati tubuh bendungan vang didasarkan pada pengujian model (Hardiyatmo, 2006:257). Parabola AB berawal dari titik A' dengan A'A = 0,3 (AD) yang dapat dilihat pada Gambar 1.
Garis freatis atau garis depresi sebagai garis batas kejenuhan pada struktur tubuh bendungan. Garis freatis akan memisahkan daerah yang mengalami rembesan dengan daerah yang tidak mengalami rembesan. Garis ini dihubungkan oleh dua titik kritis, titik yang pertama adalah titik pertemuan antara muka air banjir (MAB) dengan sisi hulu bendungan, sedangkan titik yang kedua adalah titik setinggi garis miring yang disebut titik a yang terletak di bagian hilir bendungan. Cassagrande memberikan formula untuk mendapatkan nilai a sebagai berikut:
\[a = \sqrt{d^2 + H^2} \sqrt{d^2 - H^2 ctg^2} \theta \tag{1}\] dengan:
tinggi garis kemiringan hilir dari dasar bendungam (m):
jarak lintasan rembesan di dasar bendungan, jarak E-C (m);
H = tinggi muka air banjir MAB (m); dan sudut kemiringan lereng hilirbendungan (°).
Tabel 1. Kemiringan lereng berdasarkan jenis material
| Kemiringan Lereng Vertikal : Horizontal | ||||
|---|---|---|---|---|
| Material Urugan | Material Utama | |||
| Hulu | Hilir | |||
| a. Urugan Homogen | CH | 1 : 3 | 1 : 2,25 | |
| CL | ||||
| SC | ||||
| GC | ||||
| GM | ||||
| SM | ||||
| b. Urugan Majemuk | ||||
| 1. Urugan batu dengan inti lempung atau dinding diafragma 2. Kerikil dengan inti lempung atau dinding diafragma | Pecahan batu | 1 : 1,5 | 1 : 1,25 | |
| Kerikil | 1 : 2,5 | 1 : 1,75 | ||
Sumber: (Hardiyatmo, 2006)
Keterangan:
CH = Lempung inorganik dengan plastisitas tinggi;
CL = Lempung inorganik dengan plastisitas rendah-sedang, lempung lanauan, pasiran, dan kerikilan;
SC = Kerikil lempungan, campuran pasir; GC = Kerikil lempungan, campuran kerikil;
GM = Kerikil lanauan; dan SM = Pasir lanauan.
Gambar 1. Perhitungan rembesan metode cassagrande Sumber: Hardiyatmo (2006)
Darcy mengusulkan hubungan antara kecepatan dan gradien hidrolik sebagai berikut:
\[v = ki \tag{2}\]
Debit rembesan (q) dinyatakan dalam persamaan:
\[q = kiA (3)\]
dengan :
v = kecepatan air (cm/det);
q = debit rembesan (cm3 /dt);
i = gradient hidrolik;
k = koefisien permeabilitas (cm/det); dan
A = luas penampang aliran.
Beberapa metode diberikan untuk menentukan besarnya rembesan yang yang melewati bendungan dengan urugan tanah homogen.
2.1 Metode dupuit
Dupuit menganggap bahwa gradient hidrolik (i) adalah sama dengan kemiringan permukaan freatis dan besarnya konstan dengan kedalamannya, yaitu i = dz/ dx, sehingga didapatkan persamaan:
\[q = \frac{k}{2d} (H_1^2 - H_2^2) \tag{4}\]
dengan :
H1= tinggi muka air di hulu bendungan (m); dan H2 = tinggi muka air di hilir bendungan (m).
2.2 Metode schaffernak
Schaffernak mengganggap bahwa permukaan freatis merupakan garis yang memotong garis kemiringan
hilir pada jarak a dari dasar lapisan kedap air. Dari anggapan Dupuit, gradient hidrolik \(i = dz/dx = tg \alpha\). Maka didapatkan persamaan:
\[q = kz \frac{dz}{dx} = k a \sin \alpha tg \alpha\] (5)
2.3 Metode Sassagrande
Casagrande mengusulkan cara untuk menghitung rembesan lewat tubuh bendungan yang didasarkan pada pengujian model. Besarnya debit rembesan dapat ditentukan dengan persamaan
\[q = ka \sin^2 \alpha \tag{6}\]
3. Kalibrasi Pemodelan
Menurut Adidarma (2004) untuk menilai kedekatan atau kecocokan data hasil pemodelan dengan data hasil pengamatan. dilakukan uji kecocokan menggunakan fungsi objektif atau fungsi kesalahan yang merupakan persamaan dari perhitungan dan pengamatan menggunakan Kesalahan Absolute Ratarata (KAR). Persamaan untuk menghitung KAR menggunakan persamaan berikut:
\[KAR = \frac{1}{n} \sum \frac{abs(Qcomp - Qobs)}{Qobs} \tag{7}\] dengan:
Qcomp = debit hasil perhitungan; = debit hasil pengamatan; dan = banyak data pengamatan.
4. Skenario Pemodelan
Penelitian ini dimulai dengan pekerjaan persiapan uji laboratorium, pembuatan model, dan pemodelan di laboratorium. Analisa data dilakukan setelah semua pengukuran selesai dikerjakan. Data yang dianalisis berupa pengamatan garis freatis yang terjadi pada tubuh bendungan yaitu pola aliran rembesan dan gradien hidrolik aliran, data debit rembesan, dan kalibrasi pemodelan. Selengkapnya metode penelitian ini ditunjukkan pada Gambar 2. Pada penelitian ini dilakukan uji laboratorium yaitu uji pemadatan tanah dan uji permeabilitas, serta dilanjutkan dengan pembuatan model.
a. Uji pemadatan tanah
Uji pemadatan tanah dilakukan pada Laboratorium Mekanika Tanah Fakultas Teknik Universitas Syiah Kuala dengan uji Proctor dan di lapangan dengan uji Sand Cone.
b. Uji permeabilitas dengan tinggi energi turun (Falling-head)
Pada uji permeabilitas falling head, tanah benda uji dimasukkan di dalam tabung. Pipa pengukur didirikan di atas benda uji. Air dituangkan melalui pipa pengukur dan dibiarkan mengalir melewati benda uji. Ketinggian air pada awal pengujian \((h_l)\) pada saat waktu \(t_l = 0\) dicatat. Pada waktu tertentu (t2) setelah pengujian berlangsung, muka air menjadi \(h_2\).
Gambar 2. Bagan alir metode penelitian
c. Pembuatan model
Pada penelitian ini digunakan model dengan tubuh bendungan tipe urugan homogen menggunakan tanah lempung kekuning-kuningan. Model fisik yang dirancang pada penelitian ini merujuk pada penelitian Kusnan (2008). Kemiringan lereng sesuai dengan referensi yaitu bagian hulu 1 : 3 dan kemiringan lereng bagian hilir 1 : 2,25 dan memiliki permeabilitas sebesar 4,9 × 10-7cm/det.
Pada saat pembentukan,tanah dipadatkan dengan menggunakan balok kayu seberat 3 kg. Tanah dipadatkan per lapisan (10 cm per lapisan) dengan jumlah tumbukan yang bervariasi berdasarkan tingkat kepadatan tanah. Untuk tanah dengan kepadatan 60% ditumbuk sebanyak 5 kali ditempat yang sama dan dengan tinggi jatuh yang sama. Pada tingkat kepadatan 65% tanah ditumbuk sebanyak 10 kali, sedangkan untuk kepadatan tanah 70% tanah ditumbuk sebanyak 15 kali di tempat yang sama dengan tinggi jatuh yang sama. Sketsa model bendungan dapat dilihat pada Gambar 3.
Gambar 3. Sketsa model tubuh bendungan
Pembuatan model dilakukan sebagai berikut:
- a. Pengadaan bahan penelitian meliputi air, tanah, pasir, karet, dan aspal.
- b. Persiapan peralatan yang digunakan pada penelitian yaitu berupa bejana kaca sebagai alat model fisik dengan ketebalan 10 mm dan ukuran panjang, lebar, dan tinggi wadah yaitu180 cm x 44 cm x 68 cm.
- c. Selang-selang yang berfungsi sebagai pizometer dipasang pada dinding arah memanjang kaca. Jumlah yang dipasang sebanyak 9 selang dengan jarak setiap selang 10 cm.
- d. Bahan-bahan berupa pasir, karet, dan aspasl dihamparkan sebagai dasar bejana alat model fisik.
- e. Tanah ditimbun per lapisan dengan tinggi 10 cm dan ditumbuk dengan menggunakan balok seberat 3 kg sesuai dengan kepadatan. Tanah ditimbun hingga membentuk trapesium dengan lebar 44 cm, panjang 134,4 cm, dan tinggi 68 cm. Pembentukan tubuh bendung tersebut berdasarkan variasi kepadatan tanah yang direncanakan.
- f. Air diisi pada bagian hulu tubuh bendungan sebagai daerah genangan dengan variasi tinggi muka air 35 cm, 45 cm, dan maksimum 55 cm.
- g. Pengamatan garis aliran pada tubuh bendungan diamati melalui selang yang dipasang pada kaca. Kenaikan air pada selang dilakukan tiap 30 menit selama 8,5 jam sampai aliran konstan dan diperoleh debit rembesan dari tubuh bendungan.
- h. Observasi dilakukan sebanyak 9 kali dengan variasi tingkat kepadatan tanah yaitu 60%, 65%, dan 70%, serta variasi tinggi air tampungan 35 cm, 45 cm, dan 55 cm.
- i. Debit observasi yang ditampung di dalam gelas ukur dibandingkan dengan debit hasil analitis dari perhitungan sebagai kalibrasi model alat uji fisik.
5. Hasil dan Pembahasan
5.1 Pola aliran garis freatis
Pola aliran garis freatis dengan tingkat kepadatan tanah diamati dengan 3 variasi tinggi air tampungan, yaitu 35 cm, 45 cm, dan 55 cm. Pada masing-masing tinggi air tampungan, terjadi perbedaan bentuk pola aliran, hal ini disebabkan karena besarnya tekanan yang terjadi berbeda yang disebabkan oleh pengaruh tinggi air tampungan tersebut. Dari ketiga variasi tersebut, hanya tinggi air maksimum 55 cm yang dapat memenuhi salah satu teori garis aliran rembesan, yaitu Metode Cassagrande karena garis aliran yang terbentuk memenuhi persyaratan dari metode tersebut. Grafik kenaikan air pada selang dengan interval waktu 30 menit pada tinggi tampungan 55 cm untuk masingmasing kepadatan diberikan pada Gambar 4.
Garis aliran mulai melengkung pada selang pengamatan pertama dan memotong tubuh bendungan bagian hilir. Pada tinggi tampungan 35 cm dan 45 cm tidak ada metode yang memenuhi, hal ini disebabkan oleh garis aliran yang tidak sampai pada tubuh bendung bagian hilir. Keterbatasan lamanya waktu pengamatan menjadi salah satu penyebab hal tersebut. Bila waktu pengamatan diperpanjang, diyakini bahwa akan terdapat debit rembesan pada kaki hilir bendungan baik pada tinggi tampungan 35 cm maupun 45 cm. Pada penelitian ini kenaikan air pada selang diamati selama 8,5 jam sampai aliran konstan dan diperoleh debit rembesan dari tubuh bendungan.
Gambar 4. Grafik kenaikan air pada pizometer dengan kepadatan tanah yang berbeda (H=55 cm)
Hasil yang diperoleh berupa sketsa gambar terjadinya rembesan dalam tubuh bendungan. Pola aliran dengan tingkat kepadatan tanah 60%, 65%, dan 70% diamati dengan 3 variasi tinggi air tampungan, yaitu 35 cm, 45 cm, dan 55 cm. Selengkapnya pola aliran dan bentuk gradien hidrolik dari masing-masing sudut dapat dilihat pada Gambar 5, 6, dan 7.
Dari ketiga variasi tersebut, hanya tinggi air maksimum 55 cm yang dapat memenuhi salah satu teori garis aliran rembesan, yaitu metode Cassagrande. Dalam metode Cassagrande harus memenuhi persyaratan garis aliran yang terbentuk mulai melengkung pada selang pengamatan pertama dan memotong tubuh bendungan bagian hilir. Hal ini disebabkan karena garis aliran yang tidak sampai pada tubuh bendung bagian. Dari ketiga garis freatis, aliran air pada tubuh bendungan mulai konstan pada pukul 15.00 WIB. Uji model tubuh bendungan ini dilakukan mulai puluk 9.30 pagi sampai 18.00. Keterbatasan lamanya waktu pengamatan menjadi salah satu penyebab hal tersebut.
Dari grafik hubungan antara tinggi muka air tampungan dan jarak, maka diperoleh gradient hidrolik garis freatis dengan masing-masing tingkat kepadatan tanah 60%, 65%, dan 70% adalah 6,3733, ,4067, dan pada kepadatan tanah 70% adalah sebesar 6,295.
5.2 Debit rembesan
Besarnya debit yang terjadi dihitung dengan langkah perhitungan metode Cassagrande, yang merupakan teori yang memenuhi garis aliran freatis yang telah dijelaskan pada bagian sebelumnya. Besarnya debit analitis dan debit observasi diberikan pada Tabel 2.
Tabel 2. Debit rembesan analitis dan observasi
| Q (cm3/ detik) | h (cm) | R= 60% | R= 65% | R= 70% |
|---|---|---|---|---|
| Analitis Observasi | 35 | - | - | - |
| Analitis Observasi | 45 | - | - | - |
| Analitis Observasi | 55 | 6,15x10-6 8,07x10-6 | 5,81x10-6 7,80x10-6 | 5,37x10-6 7,21x10-6 |
Dari hasil analitis dan observasi, rembesan yang paling besar terjadi pada tingkat kepadatan tanah 60% dengan tinggi air tampungan 55 cm, sedangkan rembesan terkecil terjadi pada tanah dengan tingkat kepadatan 70%.Besarnya rembesan yang terjadi dipengaruhi oleh tingkat kepadatan tanah, tinggi air tampungan, dan juga tinggi dari tubuh bendungan itu sendiri.
Tanah dengan kadar air yang optimum jika ditambah kepadatannya menghasilkan rembesan yang kecil, hal ini disebabkan karena angka pori dari tanah tersebut semakin berkurang, sehingga mempertinggi kuat geser tanah dari tubuh bendungan itu sendiri. Semakin tinggi tingkat kepadatan tanah, maka semakin kecil nilai koefisien permeabilitas dan debit rembesan yang dihasilkan. Dengan hasil yang telah didapatkan pada penelitian ini, maka tingkat kepadatan tanah terbaik untuk debit rembesan terkecil terjadi pada tingkat kepadatan tanah 70%.
5.3 Kalibrasi pemodelan
Debit yang didapatkan dari perhitungan berbeda dari debit yang dihasilkan dari penelitian. Debit yang didapatkan dari perhitungan lebih kecil dari debit hasil penelitian. Hubungan antara debit analitis dengan debit observasi dapat dilihat pada Gambar 8.
Dari grafik tersebut dapat dilihat bahwa perbandingan hasil debit analitis dengan debit observasi memiliki trend yang sama walaupun hasil yang didapatkan sedikit berbeda. Perbedaan tersebut dikarenakan karena peralatan yang digunakan dalam penelitian ini masih memiliki kekurangan dalam ketelitian. Grafik kalibrasi pemodelan dapat dilihat pada Gambar 9.
Gradien hidrolik
Gambar 5. Pola aliran dengan tingkat kepadatan tanah 60%
Gambar 6. Pola aliran dengan tingkat kepadatan tanah 65%
Gambar 7. Pola aliran dengan tingkat kepadatan tanah 70%
Gambar 8. Grafik hubungan antara debit analitis dengan debit observasi
Gambar 9. Grafik kalibrasi pemodelan
Pada grafik tersebut terlihat bahwa debit observasi melalui uji model fisik lebih besar dari debit hasil analitis. Hal ini disebabkan oleh beberapa faktor, yaitu kepadatan tanah yang belum memenuhi standar, ketepatan alat, dan lamanya waktu pengamatan. Namun pola aliran dan debit rembesan yang diperoleh dari hasil observasi telah sesuai dengan trend analitis. Uji kedekatan atau kecocokan data hasil analitis dan observasi dengan menggunakan fungsi objektif atau fungsi kesalahan menghasilkan nilai Kesalahan Absolut Rata-rata (KAR) sebesar 0,25. Hal ini memberikan informasi bahwa estimasi ketelitian penelitian yang merupakan faktor dari kepadatan tanah, ketepatan alat, dan lamanya waktu pengamatan adalah sebesar 0,75.
6. Kesimpulan
1. Dari hasil penelitian, tingkat kepadatan tanah tubuh bendungan yang menghasilkan rembesan terkecil yaitu kepadatan 70%. Semakin tinggi tingkat kepadatan pada tubuh bendungan, maka semakin kecil rembesan yang terjadi. Hal ini disebabkan karena semakin padat timbunan tanah, maka semakin kecil rongga pori dari tanah tersebut sehingga menghambat atau memperlambat jalannya air dari tanah itu sendiri dan juga kuat geser tanah semakin besar.
2. Sebaliknya, semakin kecil tingkat kepadatan tanah semakin besar debit rembesan yang dihasilkan. Hal ini disebabkan karena butiran tanah memiliki rongga yang mudah dilalui oleh air, sehingga mempercepat terjadinya rembesan air yang melalui tubuh bendungan. Dengan demikian, tingkat kepadatan tanah sangat mempengaruhi besar kecilnya debit rembesan yang terjadi. Untuk pengelolaan (management) debit rembesan yang terjadi dengan membangun konstruksi drainase pada kaki bendungan. Hal ini memiliki keuntungan secara konstruksi yang berimbas pada faktor finansial. Karena konstruksi drainase yang diperlukan pada kaki bendungan tidak terlalu besar, namun cukup efisien dan efektif dalam pengelolaannya.