1. Pendahuluan
Aliran clear water yang mengalir pada saluran atau sungai dengan dasar gravel, akan mengangkut sedimen sampai dengan tercapai kondisi dasar yang statis. Sedimen yang terangkut terhambat pergerakannya di permukaan yang kasar, mengakibatkan sebagian sedimen tetap tertahan atau berlindung diantara rongga-rongga butir. Butiran tersebut memiliki ukuran sedimen berdiameter besar, sebagai armour layer pada sedimen halus di bawahnya.
Armour layer memiliki ukuran butir yang hamper seragam, namun bergradasi butir yang bervariasi diantara butiran penyusunnya. Struktur armour layer yang terbentuk, didasarkan pada besarnya tegangan geser dasar selama proses degradasi, yang digambarkan pada grafik distribusi grain size. Nampak bahwa struktur lapisan armour memiliki ukuran butir yang lebih besar dari pada lapisan di bawahnya (substrate). Butiran armour akan menghambat gerak sedimen yang melintas sehingga terjadi pertukaran butir antar fraksi disekitar rongga lapisan armour pada peristiwa interloking dan placement sedimen yang bergerak pada aliran rendah.
2. Pustaka
Para pakar sedimen seperti Wilcock (2001) menyebutkan bahwa pembentukan armour layer didasarkan pada perbedaan tegangan geser yang terjadi pada fraksi pasir dan gravel. Wilcock (2003) mengembangkan suatu hubungan antara bedload dengan lapisan armour serta substrate yang tergambar pada distribusi grain size secara keseluruhan, termasuk adanya butir pasir yang mengisi gravel pada saat terjadi angkutan sedimen. Curran and Wilcock (2005) melakukan eksperimen flume dengan intensitas debit yang besar dan mengukur bedload yang terangkut dan tertinggal di lapisan armour. Curran dan Tan (2010) meneliti tentang formasi klaster armouring. Struktur armour layer yang tersortir secara periodik.
3. Tegangan dasar
3.1 Shear stress
Analisis shear stress pada kondisi uniform flow pada Gambar 1. sebagai berikut;
Gambar 1. Profil gaya pada bidang miring
Aliran uniform pada saluran terbuka pada Gambar 1 sebagai berikut;
- 1. Sudut kemiringan dasar saluran \((\theta)\) relatif kecil maka \(sin (\theta) \approx tan (\theta) = So\), dengan So adalah kemiringan dasar saluran.
- 2. Saluran dengan penampang segi empat.
- 3. Kedalaman aliran (h) adalah jauh lebih besar dari diameter butir (D).
- 4. Kondisi aliran merupakan aliran turbulent uniform
5. Profil kecepatan rata-rata menurut hokum logaritmik (log-law).
Pada aliran turbulent, persamaan tegangan geser adalah;
\[\tau_t = \rho g R \sin(\theta) = \rho g R S o \tag{1}\] dengan \(\tau_t = \rho u_*^2\)
\(T_t\) adalah tegangan geser turbulent
g adalah percepatan gravitasi
\(\rho\) adalah massa jenis air
\(u_*\) adalah kecepatan geser
\[u_* = \sqrt{gRS_o} \tag{2}\]
3.2 Angkutan sedimen dasar (Bedload)
Sedimen dasar yang terangkut merupakan jumlah dari fraksi butir yang lepas dari permukaan dasar dan bergerak. Jumlah sedimen dasar total yang terangkut persatuan lebar dirumuskan;
\[q_{bT} = \sum_{i=1}^{N} q_{bi}\] (3)
Sedangkan rasio sedimen yang terangkut merupakan perbandingan jumlah sedimen yang terangkut tiap fraksi butir dengan jumlah totalnya yang dirumuskan;
\[P_{bi} = \frac{q_{bi}}{q_{bT}} \tag{4}\]
Pada tegangan geser untuk non dimensional grainsize spesifik Shields number dirumuskan;
\[\tau^* = \frac{\tau_b}{\rho RgD_i} \tag{5}\] dengan
\[\tau_b = \rho g R S\] atau \(\tau_b = \rho u_*^2\)
sehingga besarnya tegangan geser non dimensional dirumuskan;
\[\tau_i^* = \frac{\rho u_*^2}{\rho RgDi} = \frac{u_*^2}{RgDi} \tag{6}\]
Sedimen dasar yang terangkut akan bergerak dengan cara sliding, rolling dan saltating. Besarnya \(q_b\) diasumsikan akan senantiasa meningkat jika aliran kuat pada kedalaman rata-rata kecepatan \((\overline{U})\) atau pada tegangan geser batas (boundary shear stress) \(\tau_b\). Pada non dimensional Einstein bedload namber \((q_b)\) untuk untuk setiap fraksi butir dirumuskan \(q_{bi}^* = \frac{q_{bi}}{\sqrt{RgD_i}D_iF}\)
hubungan Einstein bedload namber \((q_{bi}^*)\) non dimensional dengan grainsize spesifik Shield number dirumuskan \(q_{bi}^* = (\tau^*)^{\frac{3}{2}}\). Jadi jumlah sedimen yang terangkut pada non dimensional dirumuskan;
\[W^* = \frac{\left[\tau_i^*\right]^{\frac{3}{2}}}{q_{bi}^*} \text{ atau } W^* = \frac{\left[\frac{u_*^2}{RgD_i}\right]^{\frac{3}{2}}}{\frac{q_{bi}}{\sqrt{RgD_i}D_iF_i}} \text{ maka } W^* = \frac{u_*^3F_i}{Rgq_{bi}} (7)\] pada persamaan tersebut dapat dicari besarnya diameter fraksi butir (F<sub>i</sub>) armour dirumuskan;
\[F_{i} = \frac{W^{*}Rgq_{bi}}{u_{*}^{3}} \quad \text{atau} \quad F_{i} = \frac{W^{*}Rgq_{bi}}{u_{*}^{3}} p_{bi}\] (8)
dengan W* merupakan bilangan non dimensional jumlah sedimen yang terangkut, W<sup>*</sup> juga merupakan fungsi dari \[\tau_i^* = \frac{u_*^2}{RgDi}\] maka \[F_i = \frac{w^* \left[\frac{u_*^2}{RgD_i}\right] Rgq_{bi}}{u_*^3} p_{bi}\](9)
4. Metode
Pada percobaan ini menggunakan flume segi empat yang dimodifikasi dengan send feeder. Pada penelitian ini, sedimen diambil dari sungai kemudian dilakukan analisis saringan dengan sieve analisis dan diperoleh hasil distribusi grain size sesuai pada Gambar 2.
Gambar 2. Grain size material dasar sungai
Sedimen dasar yang digunakan, dicampur dengan perbandingan berat 70% gravel dan 30% pasir, dipasang di dasar flume secara merata dengan batas kedalaman 150 mm dari batas dasar. Metode flume pada percobaan sedimen dasar ini adalah suatu metoda yang dipakai untuk mengamati dan mengukur sedimen dasar yang terangkut dan tertinggal di atas dasar permukaan kasar (gravel) pada jenis aliran steady univorm flow (debit konstan) pada aliran rendah (low flow). Sedimen yang tertinggal di flume memiliki gradasi yang kasar (gravel) sebagai respon dari tegangan geser aliran tersebut.
Penelitian menggunakan a small, tilting, sediment feed flume dengan dimensi panjang 10,0 m, tinggi 0,45 m, dan lebar flume 0,6 m. Kaca flume terbuat terbuat dari plexiglass yang jelas dan bersih, yang memungkinkan pengamatan langsung terhadap angkutan sedimen Gambar 3. Pada sistem sirkulasi air flume, dilakukan feeding sedimen dari arah hulu dan pada bagian hilir di beri kotak saringan sebagai tangkapan sedimen (sediment trap). Pada umumnya pengamatan melibatkan 3 orang selama running, pengamatan di hulu flume, di hilir flume dan di posisi sedimen trap. Tahapan running pada pelaksanaan penelitian, terdiri dari dua fasa yaitu degradasi dan equilibrium Gambar 4.
Gambar 3. Sediment feed flume
Fase degradasi ditandai dengan pengangkutan sedimen secara besar-besaran sampai dicapai pengangkutan maksimal, selanjutnya akan berkurang sampai diperoleh keseimbangan dinamis (equilibrium) yaitu ketika jumlah sedimen inflow (feeding) di hulu pada selang waktu tertentu menyamai jumlah sedimen outflow yang tertangkap oleh sediment trap di hilir flum. Sedimen yang terangkut ditangkap di sediment trap setiap interval 2 menit, kemudian ditimbang dan dibuat grafik transport sedimen. Pengukuran terus dilakuakan sampai tercapai kondisi equilibrium yang ditandai dengan mulai terbentuknya armour layer Gambar 4.
Gambar 4. Running
Pada saat awal eksperimen dimulai, ditandai dengan tercapainya kondisi aliran yang uniform flow, kemiringan dasar saluran diatur sesuai rencana (1% sampai dengan 3%) dan kedalaman aliran menunjukkan kondisi yang sama sepanjang flume. Pada awalnya kondisi batas hulu diatur untuk mencapai aliran yang seragam, namun akan terus berubah seiring dengan kedalaman aliran yang berbeda. Perbedaan kedalaman (variasi kedalaman) pada saluran disebabkan terjadinya degradasi dasar saluran, lalu dilakukan pengukuran
kedalaman dan penangkapan sedimen yang terangkut di hilir flume.
Running terus dilakukan sampai sedimen yang tertangkap semakin berkurang, hingga mencapai 1% dari berat awal sebaran di hulu, untuk lebih jelasnya kami sampaikan bagan alir skema pelaksanaan penelitian Gambar 5.
5. Pembahasan
5.1 Komposisi sedimen bedload yang terangkut
Komposisi sedimen bedload ditentukan selama berlangsungnya eksperimen yang diperoleh dengan menangkap sedimen yang terangkut di hilir flume. Perubahan pada distribusi ukuran butir mencerminkan perubahan tegangan geser yang terdapat pada sedimen dasar (armour layer) tersebut. Distribusi ukuran butir
sedimen kususnya butiran kasar yaitu armour (Fi) sudah mulai nampak pada dasar permukaan pada saat running sudah mencapai 160 menit sampai dengan akhir eksperimen, seperti pada Gambar 6.
Pada saat awal pelaksanaan running, sudah terjadi peningkatan jumlah sedimen yang terangkut dan menunjukkan kecenderungan bahwa sedimen yang terangkut meningkat namun masih dibawah rata-rata ukuran medium.
Pada percobaan yang dilakukan dengan berbagai kondisi yang berbeda, percobaan 1(energi gradien awal curam) dan percobaan 2 (energi gradien awal tengahan), sedimen yang terangkut menunjukkan pola yang sama yaitu ukuran butirnya antara 0.35 mm sampai dengan 5.6 mm. Pada akhir fase running nampak sedimen yang
Gambar 5. Skema pelaksanaan penelitian
Gambar 6. Sedimen yang terangkut
halus bersembunyi diantara butiran yang kasar, tinggal dan berlindung di bawah armour layer.
Untuk mengetahui perubahan distribusi ukuran bedload dan prosentase fraksi ukuran butir dengan cara diplotkan pada grafil logaritmik pada Gambar 7(a,b) untuk debit aliran yang konstan. Pada kemiringan yang curam, semua ukuran butir di bawah ukuran rata-rata mengalami pengurangan.
Gambar 7(a). Grain size bedload
Gambar 7(b). Grain size bedload
Sedangkan ukuran butir di atas rata-rata akan semakin bertambah. Jadi pembentukan struktur armour layer senantiasa berbeda pada setiap proses kemiringan.
5.2 Variasi kemiringan dasar saluran dan tebal armour layer
Hasil pengamatan dan pengukuran yang dilakukan pada tiap running disajikan pada tabel dan grafik grain size untuk tiap variasi material. Hasil running material M3 pada variasi debit dan kemiringan dasar disajikan pada Tabel 1.
Tabel 1. Hasil eksperimen pada M3
| Run | Q | S | h | R | τ | D60 | D30 | D10 | Cu | Сс | La |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| (m3/s) | (mm) | (mm) | (N/m2) | (mm) | (mm) | (mm) | (mm) | ||||
| M3Q151 | 25 | 0,01 | 80 | 63,2 | 6,2 | 50 | 21 | 13 | 3,8 | 0,7 | 46,3 |
| M3Q1S2 | 25 | 0,014 | 70 | 56,8 | 7,8 | 51 | 22 | 14 | 3,6 | 0,7 | 48,1 |
| M3Q153 | 25 | 0,018 | 65 | 53,4 | 9,4 | 53 | 23 | 15 | 3,5 | 0,7 | 51,8 |
| M3Q1S4 | 25 | 0,022 | 60 | 50,0 | 10,8 | 54 | 24 | 16 | 3,4 | 0,7 | 54,3 |
| M3Q1S5 | 25 | 0,026 | 55 | 46,5 | 11,8 | 55 | 25 | 17 | 3,2 | 0,7 | 57,6 |
| M3Q2S1 | 30 | 0,01 | 90 | 69,2 | 6,8 | 50 | 20 | 14 | 3,6 | 0,6 | 47,8 |
| M3Q252 | 30 | 0,014 | 80 | 63,2 | 8,7 | 52 | 21 | 15 | 3,5 | 0,6 | 50,1 |
| M3Q2S3 | 30 | 0,018 | 75 | 60,0 | 10,6 | 54 | 22 | 16 | 3,4 | 0,6 | 53,9 |
| M3Q254 | 30 | 0,022 | 70 | 56,8 | 12,2 | 56 | 23 | 16 | 3,5 | 0,6 | 54,3 |
| M3Q2S5 | 30 | 0,026 | 65 | 53,4 | 13,6 | 58 | 24 | 17 | 3,4 | 0,6 | 58,3 |
| M3Q3S1 | 40 | 0,01 | 110 | 80,5 | 7,9 | 50 | 20 | 13 | 3,8 | 0,6 | 49,6 |
| M3Q3S2 | 40 | 0,014 | 100 | 75,0 | 10,3 | 53 | 21 | 14 | 3,8 | 0,6 | 53,1 |
| M3Q3S3 | 40 | 0,018 | 90 | 69,2 | 12,8 | 55 | 22 | 15 | 3,7 | 0,6 | 55,0 |
| M3Q3S4 | 40 | 0,022 | 85 | 66,2 | 14,3 | 57 | 23 | 16 | 3,6 | 0,6 | 59,4 |
| M3Q3S5 | 40 | 0,026 | 80 | 63,2 | 16,1 | 60 | 24 | 17 | 3,5 | 0,6 | 59,9 |
| M3Q4S1 | 45 | 0,01 | 120 | 85,7 | 8,4 | 50 | 22 | 13 | 3,8 | 0,7 | 51,8 |
| M3Q4S2 | 45 | 0,014 | 110 | 80,5 | 11,0 | 53 | 23 | 14 | 3,8 | 0,7 | 55,6 |
| M3Q4S3 | 45 | 0,018 | 100 | 75,0 | 13,2 | 55 | 24 | 15 | 3,7 | 0,7 | 56,3 |
| M3Q4S4 | 45 | 0,022 | 90 | 69,2 | 14,9 | 58 | 24 | 16 | 3,6 | 0,6 | 60,1 |
| M3Q4S5 | 45 | 0,026 | 85 | 66,2 | 16,9 | 60 | 25 | 17 | 3,5 | 0,6 | 61,3 |
Grafik grain size armour M3 (Q:25 l/s)
Gambar 8. Grain size armour M3 (Q:25 l/s)
Grafik hubungan antara kemiringan dasar dengan armour layer untuk semua material.
Gambar 9. Hubungan antara kemiringan dasar dengan armour layer
Grafik hubungan antara tegangan geser terhadap armour layer untuk semua jenis material.
Gambar 10. Hubungan antara tegangan geser terhadap armour layer
6. Kesimpulan
Kesimpulan dari penelitian adalah sebagai berikut :
- 1. Karakteristik pembentukan armour layer dipengaruhi oleh kemiringan dasar saluran yang berdampak pada peningkatan nilai tegangan geser.
- 2. Pembentukan armour layer terjadi bila sedimen yang terangkut sudah mencapai maksimal selanjutnya berkurang secara bertahap sampai mendekati nol, maka sedimen yang tertinggal di permukaan dasar (surface) nampak jelas dan memiliki ukuran diameter butir hampir seragam.
- 3. Rongga pada struktur armour sebagai tempat untuk pertukaran antar butir yang mengakibatkan terjadinya interloking dan placement.
- 4. Pada saat proses eroded surface, struktur armour layer nampak semakin kokoh di permukaan karena tegangan geser yang dimiliki butir armour lebih besar dari tegangan geser dasar, jadi butir armour merupakan struktur butir sedimen yang memiliki critical shear stress lebih besar dari bed shear stress.
- 5. Rumus tebal armour layer dinyatakan dalam bilangan tak berdimensi dengan batasan nilai; diameter bedload 0,8 mm sampai dengan 2,9 mm; koefisien uniformity 2,5 sampai dengan 5; tegangan geser kritik 0,61 N/m2 sampai dengan 2,7 N/m2 dan tegangan geser dasar minimal 6 N/m2.