Penentuan Dimensi Saluran (Hidrolika) berdasarkan nilai debit yang dibuang

Kriteria Desain

Kecepatan maksimum aliran hendaknya ditentukan tidak lebih besar dari kecepatan maksimum yang diijinkan sehingga tidak terjadi penggerusan/erosi dasar/dinding saluran (untuk saluran tanah V < 0,7 m/det,saluran pasangan batu kali V < 2 m/det,sal beton V < 3 m/det ).

Kecepatan minimum aliran hendaknya ditentukan tidak lebih kecil dari kecepatan minimum yang diijinkan sehingga tidak terjadi pengendapan dan pertumbuhan tanaman air (V > 0,5 m/det atau berkisar 0,3 – 0,76 m/det).

Bentuk penampang saluran dapat dipilih berupa segi empat, trapesium, lingkaran, setengah lingkaran, bulat telor, setengah bulat telor, segitiga atau modifikasi/kombinasi dari bentuk-bentuk di atas. Kapasitas saluran dihitung dengan persamaan Manning atau persamaan lain yang sesuai.

Lanjutan…

Kelancaran pengaliran air dari jalan ke dalam saluran drainase dilewatkan lubang pematus (street inlet) yang berdimensi dan penempatannya berjarak tertentu.

Dimensi bangunan pelengkap seperti gorong-gorong, pintu air dan lubang pemeriksaan agar ditentukan berdasarkan kriteria perancangan sesuai dengan macam kota, daerah dan macam saluran.

Saluran drainase yang terpengaruh aliran balik (back water) perlu memperhitungkan pengaruh tersebut yang dihitung dengan Direct Step Method.

PRINSIP DASAR HIDROLIKA Aliran saluran terbuka (open channel flow) atau

aliran permukaan bebas (free surface flow) adalah apabila saluran terbuka terhadap atmosfer, seperti sungai, kanal, gorong-gorong.

Aliran saluran tertutup atau aliran penuh (full flow) adalah apabila aliran mempunyai penampang penuh seperti aliran melalui suatu pipa dan tidak terdapat permukaan yang berhubungan dengan udara

Elemen Geometri

Kedalaman aliran (hydraulic depth) dengan notasi d adalah kedalaman dari penampang aliran, sedang kedalaman y adalah kedalaman vertikal

Duga (stage) adalah elevasi atau jarak vertikal dari permukaan air di atas suatu datum (bidang persamaan).

dy

θ DatumDatumPenampang melintang

Elemen Geometri

Lebar permukaan (top width) adalah lebar penampang saluran pada permukaan bebas (lihat Gb.2). Notasi atau simbol yang digunakan untuk lebar permukaan adalah T, dan satuannya adalah satuan panjang.

Luas penampang (area) mengacu pada luas penampang melintang dari aliran di dalam saluran. Notasi atau simbol yang digunakan untuk luas penampang ini adalah A, dan satuannya adalah satuan luas.

Keliling basah (wetted parimeter) suatu penampang aliran didefinisikan sebagai bagian/porsi dari parameter penampang aliran yang bersentuhan (kontak) dengan batas benda padat yaitu dasar dan/atau dinding saluran

Jari-jari hydraulik (hydraulic radius) adalah luas penampang dibagi keliling basah, dan oleh karena itu mempunyai satuan panjang; notasi atau simbul yang digunakan adalah R, dan satuannya adalah satuan panjang.

Elemen Geometri

Kedalaman hydraulik (hydraulic depth) dari suatu penampang aliran adalah luas penampang dibagi lebar permukaan, dan oleh karena itu mempunyai satuan panjang. Simbol atau notasi yang digunakan adalah d. d = A/TPenampang untuk perhitungan aliran kritis (section factor for critical-flow computation) adalah perkalian dari luas penampang aliran A dan akar dari kedalaman hydraulik d. Simbol atau notasi yang digunakan adalah Z. Z = A.d0.5 Faktor Penampang untuk perhitungan aliran seragam (section factor for uniform-flow computation) adalah perkalian dari luas penampang aliran A dan pangkat 2/3 dari jari-jari hydraulik

AR2/3

Tinggi Jagaan

Tinggi jagaan diperlukan untuk menampung gelombang karena angin dan fluktuasi permukaan air agar tidak terjadi luapan (over topping).

Besarnya debitQ (m3/det)

Tinggi jagaan (m)untuk pasangan

batu

Tinggi jagaan (m)saluran dari tanah

< 0,500,50 – 1,501,50 – 5,005,00 – 10,00

10,00 – 15,00> 15,00

0,200,200,250,300,400,50

0,400,500,600,750,851,00

Tabel 1

Kemiringan Tebing SaluranKemiringan tebing saluran (side slope) pada dasarnya ditetapkan berdasarkan sifat-sifat tanah dimana saluran dibuat. Angka-angka di dalam tabel tersebut adalah kisaran kemiringan tebing untuk beberapa jenis tanah untuk saluran tahan erosi yang pelapisn tebingnya mengikuti lereng alamnya. Sedang untuk saluran tidak tahan erosi harus diadakan pemeriksaan terhadap kecepatan maksimum yang diijinkan agar tidak terjadi erosi

Jenis tanah untuk saluranKisaran kemiringan

tebing

- Batu- Gambut kenyal- Lempung kenyal geluh (loom),

tanah- Lempung pasiran, tanah pasiran

kohesif- Pasir lanauan, kerikil halus- Gambut tanah

< 0,251 – 21 – 2

1,5 – 2,52 – 33 – 4

Tabel 2

Unsur Geometri berbagai Penampang Saluran

Persamaan Kontinuitas

Debit aliran adalah volume air yang mengalir melalui suatu penampang tiap satuan waktu, simbol/notasi yang digunakan adalah Q.Apabila hukum ketetapan massa diterapkan untuk aliran diantara dua penampang, maka didapat persamaan sebagai berikut: m1 = 1 A1V1 = m2 = 2 A2V2 untuk kerapatan tetap 1 = 2, sehingga persamaan tersebut menjadi : A1V1 = A2V2 = Q Persamaan diatas tersebut disebut persamaan kontinuitas.

Persamaan Energi

Datum

1

HL

z2z1

2

g

V

2

2

2

g

V

2

2

1

1

p

2

p

g

1p

V

2g

2

1 Z1 + + + HG = z2 + + + HL

2

p V

2g

2

2

z = elevasi lokasi yang ditinjau (ft atau m)p = tekanan (lbs/ft2 atau N/m2) = berat jenis (lbs/ft3 atau N/m3)V = kecepatan ( ft/s atau m/s)g = percepatan gravitasi (ft/s2 atau m/s2)HG= tambahan tinggi energi (ft atau m) [karena kerja pompa]HL= Kehilangan tinggi energi (ft atau m) [akibat geseran, perubahan penampang aliran, kerja turbin]

Persamaan Kecepatan Aliran SeragamPersamaan Chezy

V = C R0.5.If0.5

dimana :

V = kecepatan rata – rata (m/det)

R = jari – jari hidrolik (m)

if = kemiringan garis energi (m/m) = kemiringan dasar saluran untuk aliran seragam

C = suatu faktor tahanan aliran yang disebut koefisien Chezy (m2/det)

Koefisien C

Ganguitlef aunt Kutter

C =

dimana :n = koefisien kekasaran dasar dan dinding

saluranR = jari – jari hidrolikS = kemiringan dasar saluran

R

n

S

n

0,028141,651

1,811

3

0,0028165,41

Persamaan Kecepatan Aliran SeragamRumus Manning (1889)

V = 1/n . R⅔. if½

dimana :

V = kecepatan aliran (m/det)

n = angka kekasaran Manning

R = Jari – jari hidrolik (m)

if = kemiringan garis energi (m/m)

Koefisien Kekasaran Manning, n

Tipe Saluran Harga n

1. Saluran dari pasangan batu tanpa plesteran 0,025

2. Saluran dari pasangan batu dengan plesteran halus 0,015

3. Saluran dari beton 0,017

4. Saluran alam dengan rumput 0,020

5. Saluran dari batu 0,025

Penentuan dimensi Penampang Saluran Tahan Erosi1. Kumpulkan semua informasi yang diperlukan, perkirakan

besarnya angka kekasaran Manning (n) dan kemiringan aliran (longitudinal) if

2. Hitung faktor penampang AR2/3 dengan menggunakan persamaan Manning

3. Tentukan lebar dasar dan kemiringan tebing. 4. Tentukan kedalaman awal y1 dan hitung A, R, AR2/3, tentukan

interval kenaikan y dan hitung y2, y3 dst.5. Buat grafik hubungan antara y dan AR2/3 , kemudian plot nilai

AR2/3 yang dihitung pada langkah ke 2 untuk mendapatkan nilai y yang berhubungan. Nilai y tersebut adalah kedalaman aliran pada saluran.

6. Periksa kecepatan minimum yang diijinkan apabila aliran membawa lumpur atau tanaman air.

7. Perkirakan tinggi jagaan dan pelapisan yang diperlukan.8. Simpulkan hasil perhitungan dengan sket berdimensi.

Contoh Perencanaan

Rencanakan penampang saluran untuk mengalirkan air sebesar Q = 11 m3/det. Saluran tahan erosi dari pasangan batu yang tidak diplengseng dengan kemiringan dasar ib = 0,0016.DESAIN :1. Dengan mempertimbangkan ketersediaan lahan dan jenis tanah, saluran direncanakan berbentuk trapesium. Aliran seragam, Kemiringan aliran if = ib = 0.0016 dan Koefisien Manning, n = 0.025

Contoh Perencanaan

2. dengan menggunakan persamaan Manning

V = 1/n . R⅔ if½

Q = A.V = V = A. 1/n . R⅔ if½

AR2/3 = Q.n/if1/2 = 11*0.025/0.00160.5 = 6,785

Contoh Perencanaan

Lebar dasar saluran : B = 6 m Kemiringan lereng : z = 2

A = (B + zy)y = (6 + 2y)y = 2(3 + y)y

P = B + 2y (1 + z2)1/2 = 6 + 2y(5)1/2 = 2 (3 + y(5) 1/2)

R = A/P

Contoh Perencanaan

Y A P R AR^(2/3)

0.10 0.62 6.45 0.10 0.13

0.20 1.28 6.89 0.19 0.42

0.30 1.98 7.34 0.27 0.83

0.40 2.72 7.79 0.35 1.35

0.50 3.50 8.24 0.42 1.98

0.60 4.32 8.68 0.50 2.71

0.70 5.18 9.13 0.57 3.55

0.80 6.08 9.58 0.63 4.49

0.90 7.02 10.02 0.70 5.54

1.00 8.00 10.47 0.76 6.69

1.10 9.02 10.92 0.83 7.94

1.20 10.08 11.37 0.89 9.30

1.30 11.18 11.81 0.95 10.78

1.40 12.32 12.26 1.00 12.36

1.50 13.50 12.71 1.06 14.06

1.60 14.72 13.16 1.12 15.87

1.70 15.98 13.60 1.17 17.79

Contoh Perencanaan

Kurva y VS AR^(2/3)

0.001.002.003.004.005.006.007.008.009.00

10.0011.0012.0013.0014.0015.00

0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 1.00 1.10 1.20 1.30 1.40 1.50

Kedalaman Aliran (y)

Fak

tor

AR

^(2

/3)

6.785

1.01

Untuk AR2/3 = dari grafik diperoleh terdekat adalah y = 1,01 m.

Contoh Perencanaan

Luas penampang A = 2(3 + 1,01)1,01 = 8,10 m2 Kecepatan aliran V =11/8.1 = 1,358 m/det(lebih besar daripada kecepatan minimum yang

diijinkan). Dengan menambah jagaan sebesar 0,40 m

y = 1,01 m

B = 6 m

w= 0,40 m

1

2

Penentuan Dimensi Penampang Saluran Mudah Erosi

Perencanaan saluran mudah tererosi mengacu pada kecepatan maksimum yang diijinkan.

Kecepatan maksimum yang diijinkan adalah kecepatan yang tidak menyebabkan erosi.

Kecepatan ini merupakan kecepatan rata-rata terbesar yang tidak menyebabkan erosi pada penampang saluran.

Air Jernih Air mengandung

lanau koloidal Jenis bahan dari saluran n

u

m/dt

0τ

N/m2

u

m/dt

0τ

N/m2

Pasir 0,020 0,457 1,29 0,762 3,59

Lanau berpasir, non kalloidal 0,020 0,533 1,77 0,762 3,59

Lanau halus, non kalloidal 0,020 0,610 2,30 0,914 5,27

Lanau alluvial, non kalloidal 0,020 0,610 2,30 1,07 7,18

Lanau kaku biasa 0,020 0,762 3,59 1,07 7,18

Abu Vulkanik 0,020 0,762 3,59 1,07 7,18

Lempung keras, sangat kalloidal 0,025 1,140 12,40 1,52 22,00

Lanau alluvial, kalloidal 0,025 1,140 12,40 1,52 22,00

Serpih dan pecahan keras 0,025 1,830 32,10 1,83 32,10

Kerikil halus 0,020 0,762 3,59 1,52 15,30

Lanau bergradasi sampai kerakal 0,030 1,140 18,20 1,52 31,60

Lanau bergradasi sampai kerakal

bila kalloidal 0,030 1,220 20,60 1,68 38,30

Kerikil kasar non kalloidal 0,025 1,220 14,22 1,83 32,10

Kerakal dan batuan bulat 0,035 1,520 43,60 1,68 52,70

Kecepatan maksimum yang diijinkan

Sumber :Fortier dan Scoby USBR

Tabel 5

Langkah Perencanaan Saluran mudah Tererosi Untuk jenis material yang membentuk tubuh

saluran diperkirakan harga n dan kecepatan maksimum yang diijinkan (Tabel 5) serta kemiringan tebing (Tabel 2).

Hitung jari-jari hidrolik R dari penerapan persamaan Manning

V = 1/n . R2/3 . i1/2 R2/3 = n.V/i1/2

Langkah Perencanaan Saluran mudah Tererosi Hitung luas penampang basah dari persamaan

kontinuitas Q = A . V A = Q/V

Hitung keliling basah dari harga A dan R yang telah diperoleh tersebut diatas.P=A/R

Dengan didapatnya harga A dan P maka dapat dihitung harga y

Tentukan tinggi jagaan (Tabel 1) Gambar dimensi Saluran

Contoh perencanaan saluran mudah tererosiRencanakan sebuah saluran berpenampang trapesium mempunyai kemiringan dasar (longitudinal) sebagai ib = 0,0016 mengalirkan air sebesar Q = 11 m3/det. Saluran di gali pada tanah non kalloidal yang terdiri dari kerikil kasar dan serpihan batu.

Contoh perencanaan saluran mudah tererosi1. Untuk kondisi yang diketahui tersebut diperkirakan

harga n dan kecepatan maksimum yang diijinkan. Untuk tanah kerikil kasar non kalloidal harga n = 0,025 dan kecepatan maksimum yang diijinkan V = 1,22 m/det. Dari Tabel kemiringan tebing diperkirakan kemiringan tebing z = 2.

Contoh perencanaan saluran mudah tererosi2. Perhitungan jari-jari hidrolik dari penerapan

persamaan Manning.

V = 1/n . R2/3 . i1/2

R2/3 =n.V/i1/2 = 0.025*1.22/0.00161/2 = 0,7625

R= (0,7625)3/2 = 0,67 m

3. Perhitungan luas penampang basah dilakukan dengan menerapkan hukum kontinuitas.

Q = A . V atau,

A = Q/V =11/1.22 = 9,016 m2

Contoh perencanaan saluran mudah tererosi4. Hitung keliling basah dari harga A dan R

yang telah diperoleh tersebut diatas.

P = A/R = 9.016/0.67 = 13,46 m

5. Dari harga A dan P dapat dihitung harga y sebagai berikut.

A = (B + zy)y = (B + 2y)y = 9,016

P = B + 2y = B + 2y = 13,46 atau

B = 13,46 – 2y

2z 1

5

5

Contoh perencanaan saluran mudah tererosiHarga ini dimasukkan ke persamaan luas :

A = (B + 2y)y = (13,46 – 2y(5)1/2 +2y)y = 9,016

13,46y – 4,472y2 + 2y2 = 9,016 atau

2,472y2 – 13,46y + 9,016 = 0

y2 – 5,44y + 3,65 = 0

dicari harga y seperti berikut :

y1,2 = =

y1 = = 4,66 m

y2 = = 0,79 m

2

)65,3(45,44 5,44 2 2

,873 5,44

2,873 5,44

2,873 5,44

Contoh perencanaan saluran mudah tererosi Apabila diambil y1 = 4,66 m Maka B = 13,46 – 2 x 4,66 = - 7,38 (tidak mungkin) Apabila diambil y2 = 0,79 m Maka B = 13,46 – 2 x 0,79 = 9,9 m 10 m Di dalam praktek dimensi penampang dengan lebar

B = 10 m dan kedalaman air hanya 0,80 m dimensi yang kurang baik karena apabila sesuatu hal debit aliran berkurang maka kedalaman air menjadi sangat dangkal, dan terjadi kecenderungan aliran berada di tengah dan berbelok-belok.

Contoh perencanaan saluran mudah tererosi Karena lebar dasar saluran jauh lebih besar

daripada kedalaman aliran maka perhitungan harus di ulang dengan memperkirakan lebar menjadi B < 10 m, dengan kedalaman air y < 1,50 m. Dengan dimensi ini hitung harga kecepatan aliran untuk y = 1,20 m.

A = (B + zy)y = (6 + 2 x 1,20)1,20 A = 10,00 m2 V = Q/A =11/10 = 1,09 m/det < 1,20 m/det