ALIRAN SALURAN TERBUKA

Aliran air dalam suatu saluran dapat berupa aliran saluran terbuka (open

channel flow) maupun aliran pipa (pipa flow). Kedua jenis aliran ini memiliki

prinsip yang sangat berbeda. Aliran melalui saluran terbuka adalah aliran yang

memiliki permukaan bebas sehingga tekanan udara walaupun berada dalam

saluran yang tertutup.

Analisis yang dilakukan pada saluran terbuka lebih sulit dibandingkan

analisis yang dilakukan pada aliran dalam pipa dan pada umumnya analisis

saluran terbuka menggunakan persamaan-persamaan empiris. Hal tersebut karena

analisis aliran pada saluran terbuka memiliki banyak variabel yang berubah-ubah

dan tidak teratur terhadap ruang dan waktu. Variabel-variabel tersebut antara lain

penampang saluran, kekasaran permukaan saluran, kemiringan saluran, debit

aliran, kecepatan aliran, pertemuan saluran (junction) dan sebagainya.

Perbandingan bentuk kedua aliran tersebut dapat dilihat pada gambar

dibawah ini:

Gambar 1. Perbandingan antara aliran pipa dengan aliran saluran terbuka

Perbandingan rumus energy untuk kedua type aliran tersebut adalah :

Aliran pada saluran tertutup

1

h1 + P1

ρg +

V 12

2 g = h2 +

P2

ρg +

V 22

2 g + hf

Aliran pada saluran terbuka

Umumnya, penyelesaian untuk aliran-aliran terbuka lebih didasarkan pada

hasil pengamatan dibandingkan dengan aliran pipa. Metode empiris ini

merupakan metode terbaik yang ada pada saat ini, dan bila diterapkan secara hati-

hati dapat menghasilkan nilai yang sesuai dengan praktek.

Aliran dalam saluran tertutup tidak selalu bersifat aliran pipa. Bila terdapat

suatu permukaan bebas, harus digolongkan sebagai aliran saluran terbuka.

Mislanya, saluran pembuangan air banjir yang merupakan saluran tertutup,

biasanya direncanakan untuk aliran saluran terbuka sebab aliran dalam saluran

pembuang diperkirakan hamper setiap saat memiliki permukaan bebas.

1. Tipe Aliran

Aliran saluran terbuka dapat digolongkan menjadi beberapa type dan

diuraikan dengan berbagai cara. Penggolongan berikut ini dibuat berdasarkan

perubahan kedalaman aliran sesuai dengan waktu dan ruang.

Aliran tetap (steady flow) dan Aliran tak tetap (unsteady flow). Aliran

dalam saluran terbuka dikatakan tetap bila kedalaman aliran tidak berubah

atau dianggap konstan selama jangka waktu tertentu. Aliran dikatakan tak

tetap bila kedalaman berubah sesuai dengan waktu.

Pada umumnya, perhitungan saluran terbuka hanya digunakan pada aliran

tetap dengan debit Q dinyatakan sebagai :

Dimana : V = Kecepatan rata-rata aliran (m/det)

A = Luas penampang melintang saluran (m2)

Aliran seragam (uniform flow) dan Aliran berubah (varied flow). Aliran

saluran terbuka dikatakan seragam bila kedalaman aliran sama pada setiap

penampang saluran. Suatu aliran seragam dapat bersifat tetap atau tidak tetap

2

Q = V . A

h1 + V 12

2 g = h2 +

V 22

2 g + hf

tergantung dari kedalamannya yang berubah sesuai dengan perubahan waktu.

Aliran disebut berubah bila kedalaman aliran berubah disepanjang saluran.

2. Keadaan Aliran

Keadaan atau sifat aliran terbuka pada dasarnya ditentukan oleh pengaruh

kekentalan dan gravitasi sehubungan dengan gaya-gaya inersia aliran.

Tegangan permukaan air dalam keadaan tertentu dapat pula mempengaruhi

sifat aliran.

Pengaruh kekentalan (viscosity). Aliran dapat bersifat laminar, turbulen,

atau peralihan, tergantung pada pengaruh kekentalan sehubungan dengan

kelembamannya (inertia). Aliran dikatakan laminar bila gaya kekentalan

relative sangat besar dibandingkan dengan gaya kelembaman sehingga

kekentalan berpengaruh besar terhadap sifat aliran. Dalam aliran laminar

butir-butir air seolah-olah bergerak menurut lintasan tertentu yang tertaur atau

lurus, dan selapis cairan yang sangat tipis seperti menggelincir di atas lapisan

di sebelahnya. Aliran dikatakan turbulen apabila gaya kekentalan relative

lemah dibandingkan gaya kelembamannya. Pada aliran turbulen, butir-butir air

bergerak menurut lintasan yang teratur, tak lancar, maupun tidak tetap. Di

antara keadaan laminar dan turbulen terdapat suatu campuran atau keadaan

peralihan.

Aliran Laminer dan Aliran Turbulen. Aliran laminar didefinisikan sebagai

aliran dengan fluida yang bergerak dalam lapisan-lapisan atau lamina-lamina

dengan satu lapisan meluncur secara lancer pada lapisan yang bersebelahan.

Kecenderungan kea rah kestabilan dan turbulensi diredam habis oleh gaya-

gaya geser viskos yang memberikan tahanan terhadap gerakan relative

lapisan-lapisan fluida yang bersebelahan. Aliran turbulen mempunyai gerakan

partikel yang tidak menentu.

Perbandingan gaya-gaya yang disebabkan oleh gaya Inersia, gravitasi, dan

kekentalan dikenal sebagai bilangan Reynolds (Re):

3

Re = V . h

ν

Dimana : V = Kecepatan rata-rata aliran (m/det)

h = Panjang karakteristik untuk aliran terbuka (m)

ν = Viskositas kinematik (m2/det)

Gambar 2. Aliran Laminer dan Turbulen

Pengaruh gravitasi (gaya tarik bumi) terhadap keadaan aliran dinyatakan

dengan perbandingan gaya Inersia dengan gaya tarik bumi. Perbandingan ini

ditetapkan sbagai bilangan Froude, didefinisikan sebagai :

Dimana : V = Kecepatan rata-rata aliran (m/det)

g = Percepatan gaya tarik bumi (9,81 m/det2)

h = Panjang karakteristik (m)

Bila Fr sama dengan satu maka aliran dikatakan berada dalam keadaan

kritis. Bila Fr kurang dari satu aliran bersifat subkritis. Dalam keadaan ini

peranan gaya tarik bumi lebih menonjol, sehingga aliran mempunyai

kecepatan rendah dan sering dikatakan tenang atau mengalir. Bila Fr lebih

besar dari satu aliran bersifat superkritis. Dalam keadaan ini gaya-gaya inersia

sangat menonjol, sehingga aliran mempunyai kecepatan tinggi dan biasanya

disebut cepat atau menjeram.

4

Leminer → Re < 2000 Turbulen → Re > 4000

Fr = V

√g . h

Fr = 1 → aliran kritis

Fr < 1 → aliran subkritis

Fr > 1 → aliran superkritis

Resim aliran. Kombinasi pengaruh kekentalan dan gaya tarik bumi dapat

menimbulkan salah satu dari empat resim aliran pada saluran terbuka, yakni :

1. Laminer subkritis (sub-critical laminar), bila Fr lebih kecil dari satu

dan Re terletak dalam daerah laminer.

2. Laminer superkritis (super-critical laminar), bila Fr lebih besar dari

satu dan Re terletak dalam daerah laminer.

3. Turbulen superkritis (super-critical turbulent), bila Fr lebih besar dari

satu dan Re terletak dalam daerah turbulen.

4. Turbulen subkritis (sub-critical turbulent), bila Fr lebih kecil dari satu

dan Re terletak dalam daerah turbulen.

Gambar 3. Hubungan antara kedalaman dengan kecepatan untuk keempat

macam resim aliran saluran terbuka

Hubungan antara kedalaman untuk keempat resim aliran dalam saluran

terbuka yang lebar dapat dilihat dari gambar logaritmis. Garis tebal untuk Fr

sama dengan satu dan jalur arsir untuk daerah peralihan laminar-turbulen

berpotongan pada gambar tersebut dna membaginya menjadi empat bagian,

masing-maisng menyatakan suatu resim aliran.

Dua resim aliran yang pertama, laminar subkritis dan laminar superkritis

tidak banyak dijumpai dalam praktek hidrolika saluran terbuka, karena

alirannya biasanya bersifat turbulen.

Namun resim-resim ini kadang-kadang terjadi bilamana air sangat

dangkal, dikenal sebagai aliran dangkal (sheet flow) dan tampak jelas dalam

percobaan dengan model hidrolis, penilitian aliran permukaan dan pencegahan

erosi.

5

3. Jenis Saluran Terbuka

Saluran yang mengalirkan air dengan suatu permukaan bebas disebut

saluran terbuka. Menurut asalnya, saluran dapat digolongkan menjadi saluran

alam (natural) dan saluran buatan (artificial).

Saluran alam meliputi semua alur air yang terdapat secara alamiah di

bumi, mulai anak selokan kecil di pegunungan, selokan kecil, kali, sungai

kecil dan sungai besar sampai ke muara sungai. Aliran air di bawah tanah

dengan permukaan bebas juga dianggap sebagai saluran terbuka alamiah.

Sifat-sifat hidrolis saluran alam biasanya sangat tidak menentu. Dalam

beberapa hal dapat dibuat anggapan pendekatan yang cukup sesuai dengan

pengamatan dan pengalaman sesungguhnya, sehingga persyaratan aliran pada

saluran ini dapat diterima untuk penyelesaian analisa hidrolika teoritis.

Saluran buatan dibentuk oleh manusia, seperti saluran pelayanan, saluran

pembangkit listrik, saluran irigasi dan talang, parit pembuangan, pelimpah

tekanan, saluran banjir, saluran pengangkutan kayu, selokan dan sebagainya,

termausk model saluran yang dibuat di laboratorium untuk keperluan

penelitian.

Menurut bentuknya, saluran dapat digolongkan menjadi saluran prismatis

(prismatic channel) dan saluran tidak prismatis (non-prismatic channel).

Saluran prismatis merupakan suatu saluran yang penampang

melintangnya dibuat tidak berubah-ubah dan kemiringan dasarnya tetap. Dan

sebaliknya untuk saluran tidak prismatis. Contohnya adalah pelimpah

tekanan yang memiliki lebar berubah-ubah dengan trase melengkung.

Penampang saluran alam umumnya sangat tidak beraturan, biasanya

bervariasi dari bentuk seperti parabola sampai trapesium. Untuk saluran

6

↘ Saluran Alamiah :Bentuk, arah dan kekasaran permukaannya tidak beraturanContohnya :Sungai besar atau kecil

↘ Saluran Buatan :Bentuk dan arah teratur, kekasaran permukaan sekelilingnya pun seragamContohnya :Irigasi dan pembangkit tenaga air

pengatur banjir, dapat terdiri dari satu penampang saluran utama yang

mengalirkan debit normal dan satu atau lebih penampang saluran tepi untuk

menampung kelebihan air.

Penampang saluran buatan biasanya direncanakan berdasarkan bentuk

geometris yang umum. Bentuk yang paling umum dipakai untuk berdinding

tanah yang tidak dilapisi adalah bentuk trapesium sebab stabilitas kemiringan

dapat disesuai. Bentuk persegi panjang dan segitiga merupakan bentuk khusus

selain trapezium. Berhubung bentuk persegi-panjang mempunyai sisi tegak,

biasanya dipakai untuk saluran yang dibangun dengan bahan yang stabil,

seperti pasangan batu, logam atau kayu. Penampang segitiga hanya dipakai

untuk saluran kecil, selokan, dan penyelidikan di laboratorium.

Unsur-unsur geometri penampang saluran :

a. Kedalaman aliran

(y) adalah jarak vertical titik terendah pada suatu penampang saluran

sampai kepermukaan bebas.

b. Lebar dasar saluran (b)

c. Lebar puncak

(T) adalah lebar penampang saluran pada permukaan bebas.

d. Luas basah

(A) adalah luas penampang melintang aliran yang tegak lurus arah aliran.

e. Keliling basah

(P) adalah panjang garis perpotongan dari permukaan basah dengan

bidang penampang melintang yang tegak lurus arah aliran.

f. Jari-jari hidrolis

(R) adalah perbandingan antara luas basah dengan keliling basah.

g. Kedalaman hidrolis

(D) adalah perbandingan antara luas basah dengan lebar puncak.

7

R= AP

D= AT

h. Faktor penampang

(Z) adalah hasil perkalian luas basah dan akar kedalaman hidrolis.

Untuk berbagai macam penampang :

A = b . y

P = b + 2y

T = b

Z = b.y1,5

A = (b + m.y).y

P = b + 2.y √1+m2

T = b + 2.m.y

Z = ¿¿

A = m.y2

P = 2.y √1+m2

T = 2.m.y

Z = 1

√2 m.y2,5

Pembagian kecepatan pada penampang saluran tergantung pada factor-

faktor seperti bentuk penampang yang tidak lazim, kekasaran saluran dan

adanya tekukan-tukukan. Pada arus yang lebar, deras dan dangkal atau saluran

yang sangat licin kecepatan maksimum sering terjadi di permukaan bebas.

Kekasaran saluran dapat menyebabkan pertambahan kelengkungan kurva

pembagian kecepatan vertical.

8

Z= A √ D

b

y

T

T

y

bm

1

y

m

1

b

Gambar 4. Kurva kecepatan sama yang khas pada berbagai penampang saluran

4. Aliran Seragam

Aliran seragam (steady uniform flow) merupakan aliran yang terjadi

dalam saluran terbuka bila saluran itu prismatic dan dibuat dengan kemiringan

tetap. Aliran seragam tidak dapat terjadi pada kecepatan tinggi sebab aliran

akan menjadi tidak stabil dan ada kemungkinan kemasukan udara.

Aliran seragam adalah aliran yang mempunyai :

a. Bentuk penampang prismatis

b. Kemiringan dasar saluran tetap

c. Kedalaman aliran tetap

d. Luas penampang basah tetap

e. Kecepatan aliran tetap

f. Debit aliran tetap

Bila air mengalir dalam saluran terbuka, air akan mengalami tahanan saat

mengalir ke hilir. Tahanan ini biasa dilawan oleh komponen gaya berat yang

bekerja dalam air dalam arah geraknya. Aliran seragam akan terjadi bila

tahanan ini seimbang dengan gaya berat. Besarnya tahanan bila factor-faktor

9

fisik lain dari saluran dianggap tidak berubah, tergantung pada kecepatan

aliran.

Bila air memasuki saluran secara perlahan, kecepatan mengecil dan

tahanan juga mengecil, dan tahanan lebih kecil dari gaya berat sehingga terjadi

aliran percepatan dibagian yang lurus di sebelah hulu. Kecepatan dan tahanan

akan meningkat lambat laun sampai terjadi keseimbangan antara tahanan

dengan gaya-gaya berat. Pada keadaan ini dna selanjutnya aliran menjadi

seragam.

Gambar 5. Pembentukan aliran seragam pada saluran yang panjang

Bagian lurus di hulu yang diperlukan untuk membentuk aliran seragam

dikenal sebagai daerah peralihan. Dalam daerah ini aliran dipercepat dan

berubah. Bila saluran lebih pendek daripada panjang daerah peralihan yang

diperlukan untuk kondisi yang ditetapkan, maka tidka terjadi aliran seragam.

Di bagian hilir saluran, tahanan mungkin akan terjadi lebih kecil daripada

gaya-gaya berat, sehingga aliran menjadi tidak seragam lagi atau berubah.

10

Kecepatan aliran seragam. Kecepatan rata-rata aliran seragam turbulen

dalam saluran terbuka biasanya dinyatakan dengan perkiraan yang dikenal

dengan rumus aliran seragam. Sebagian besar rumus-rumus aliran seragam

dapat dinyatakan dalam bentuk umum sebagai berikut :

Dimana : V = Kecepatan rata-rata aliran (m/det)

C = Faktor tahanan aliran

R = Jari-jari hodrolis (m)

S = Kemiringan energy

Rumus Chezy. Pada awal tahun 1769 seorang insinyur Prancis, Antoine

Chezy membuat rumus yang mungkin merupakan rumus pertama kali untuk

aliran seragam yakni rumus Chezy yang terkenal, yang biasanya dinyatakan

sebagai berikut :

Dimana : V = Kecepatan aliran seragam (m/det)

C = Koefisien Chezy

R = Jari-jari hodrolis (m)

S = Kemiringan dasar saluran

m = Koefisien Bazin

11

V = C Rx Sy

V = C √ R .S

C = 157,6

1+m

√ R Dalam satuan

C = 87

1+γ

√ R Dalam satuan metrik

γ = m

1,81

Tabel 1. Nilai m yang diusulkan Bazin

No. Permukaan Saluran m1 Semen yang sangat halus atau kayu diketam 0,112 Kayu tidak diketam atau beton bata 0,213 Papan, batu 0,294 Pasangan batu pecah 0,835 Saluran tanah dalam keadaan baik 1,546 Saluran tanah dalam keadaan rata 2,367 Saluran tanah dalam keadaan kasar 3,17

Rumus Strikler. Strickler menyarankan lagi dengan memberikan

konstanta :

Sehingga

Rumus Manning. Pada tahun 1889 seorang insinyur Irlandia, Robet

Manning mnegemukakan sebuah rumus yang akhirnya diperbaiki menjadi

rumus yang sangat dikenal sebagai berikut :

n = Koefisien kekasaran manning

Baik menggunakan rumus Chezy maupun rumus manning terlihat bahwa

R adalah parameter yang turut menentukan besarnya V. Untuk mendapatkan V

yang tetap untuk semua kedalaman (y) pada kemiringan dasar (S0) yang tetap,

maka R harus konstan pada kedalaman tersebut (bentuk penampanganya harus

sedemikian rupa sehingga R-nya tetap sama).

12

K = 1n

V = K . R2/3 . S1/2

V = 1, 49

n . R2/3 . S1/2 Dalam satuan

V = 1n

. R2/3 . S1/2 Dalam satuan metrik

V = 1n

. (AP

¿2/3 . S1/2

Dalam slauran terbuka kecepatan bertambah dengan bertambahnya

kedalaman aliran. Kecepatan yang bertambha ini dapat menyebabkan

pengikisan pada dasar dan sisi-sisi saluran. Sebaliknya apabila kecepatan

berkurang, ini dapat menyebabkan pengendapan bahan yang melayang dalam

cairan itu.

Saluran dengan kecepatan tetap terhindar dari keadua hal yang kurang baik

tersebut. Kecepatan tidak merata diseluruh penampang dekat permukaan bebas

disebabkan terhambat oleh tegangan permukaan dan angin.

Kemiringan normal dan kemiringan kritis.

- Untuk n, Q, S tertentu, hanya ada satu kedalaman air yang

mempertahankan kondisi aliran seragam, yaitu “Kedalaman normal” → yn

- Untuk yn, n, S tertentu hanya ada satu harga debit (Q) yang

mempertahankan kondisi aliran seragam yaitu “Debit normal” → Qn.

- Jika Q dan n diketahui, maka dengan rumus manning dapat dihitung

kemiringan saluran prismatic dimana mengalir aliran seragam dengan

kedalaman normal (yn), kemiringan inni disebut kemiringan normal (Sn)

- Dengan mengubah kemiringan saluran, yn dapat diubah sehingga aliran

seragam tersebut menjadi aliran kritis (Debit tetap). Kemiringan ini

disebut “kemiringan kritis (Sk)” dan keadalaman aliran disebut kedalaman

kritis.

13

Q = 1n

. A . R2/3 . S1/2

Q = 1n

. A . (AP

¿2/3 . S1/2 = A

53

P23

.

Sn = n2 .Q2

A2 . R43 Satuan inggris

Sn = n2 .Q2

2,22 A2 . R43 Satuan metrik

- Dengan mnegatur kemiringan dan debit pada kedalaman normal tertentu

dapat dicapai suatu keadaan aliran yang kritis. Kemiringan ini disbeut

kemiringan kritis pada kedalaman normal tertentu → Skn.

Penampang melintang terefisien. Penampang disebut terefisien jika

memberikan Q yang maksimum untuk A, S dan n yang diketahui, tahanan

tersedikit pada aliran sehingga daya angkut maksimum, agar K maksimum

maka P harus minimum dan harus ekonomis dalam artian biaya sebagian besar

tergantung pada galian, banyaknya galian berbanding lurus dengan luas

penampang, diharapkan galian minimum untuk debit yang diketahui sehingga

biaya menjadi minimum dan karena P minimum maka biaya pemerataan dan

pelapisan saluran juga akan minimum.

Kecepatan dalam saluran terbuka adalah fungsi daripada R dan S.

Persamaan debit :

Persamaan ini menyatakan bahwa :

- Untuk A dan S diketahui, Q akan maksimum jika R maksimum.

- Karena R = AP

, maka R akan maksimum jika P minimum. Oleh karena itu

untuk penampang yang terefisien, keliling basah harus minimum.

Aliran Berubah Lambat Laun

Merupakan aliran tetap yang kedalamannya berubah-ubah secara lambat

laun sepanjang saluran. Definisi ini mencantumkan dua syarat yaitu :

14

Sk = n2. Q2

A k2 . R k43 Satuan inggris

Sk = n2 . Q2

2,22 A k2 . R k43 Satuan

Q = 1n

. A . R2/3 . S1/2

1. Aliran tetap, yakni sifat-sifat hidrolis aliran tetap konstan selama

jangka waktu yang ditentukan.

2. Garis arus praktis sejajar, yakni pada penampang saluran terdapat

pembagian tekanan hidrostatis.

Aliran Berubah Tiba-tiba

Aliran berubah tiba-tiba memiliki kelengkungan garis aliran yang sangat

jelas. Perubahan kelengkungan dapat terjadi sedemikian mendadak sehingga

profil aliran terputus, menghasilkan keadaan turbulensi tinggi; inilah yang

disebut aliran berubah tiba-tiba (Rapidly Varied Flow) dengan profil terputus,

dengan loncatan hidrolis sebagai salah satu contohnya.

Untuk membedakannya dengan aliran berubah lambat laun (Gradually

Varied Flow), sifat-sifat berikut dari aliran berubah tiba-tiba perlu

diperhatikan :

1. Kelengkungan aliran sangat nyata, sehingga pembagian tekanan tidak

dapat dianggap hidrostatis lagi

2. Perubahan resim aliran (flow regime) yang tiba-tiba sering terjadi

dalam jarak yang relative pendek.

3. Bila aliran berubah tiba-tiba terjadi pada bangunan peralihan tiba-tiba,

cirri-ciri fisik aliran pada dasarnya tergantung pada batas-batas

geometri bangunan, juga pada keadaan aliran.

4. Bila pada aliran berubah tiba terjaid perubahan luas basah yang tiba-

tiba, koefisien-koefisien pembagian kecepatan biasanya jauh lebih

besar dari satu dan tidak dapat ditentukan dengan tepat.

5. Daerah-daerah pemisah, olakan dan pusaran yang mungkin terjadi

pada aliran berubah tiba-tiba cenderung memperumit pola aliran dan

mendistorsi pembagian kecepatan yang sesungguhnya di sungai.

15