Perhitungan Design dan Hidrolika Pelimpah Bangunan Embung #Contoh1

 1. Bangunan Pelimpah

Bangunan pelimpah merupakan bangunan pelengkap dari embung yang berfungsi untuk mengalirkan air berlebih dari tampungan secara aman menuju ke arah hilir. Terdapat berbagai macam tipe dan bentuk embung yang dapat digunakan dan bangunan pelimpah yang digunakan pun dapat menyesuaikan tipe embung serta bentuk topografi yang ada. Bentuk bangunan embung yang dipilih adalah embung dengan tipe gravity sehingga bangunan pelimpah dapat menyatu dengan tubuh embungnya. Berdasarkan tipe dan kondisi dari embung sendiri digunakan mercu dengan tipe Ogee 1 yang relatif lebih mudah dikonstruksi dan tipe mercu dengan nilai koefisien debit yang cukup besar serta telah umum digunakan. Detail perhitungan dijabarkan pada berikut ini:

1.1. Debit Desain Bangunan Pelimpah

Debit desain yang digunakan dalam perhitungan berdasarkan analisa hidrologi yang telah dilakukan sebelumnya. untuk debit yang digunakna desain dalam perencanaan embung Conto adalah debit dengan periode ulang 100 tahun yang mana tinggi jagaannya kemudian dikontrol dengan debit dengan periode ulang 1000 tahun.

Hasil perhitungan hidrologi yang telah dilakukan terkait dengan embung Soal dapat dilihat pada Tabel berikut ini:

Hasil Analisa Debit Banjir Rancangan Embung Soal

1.2. Perhitungan Lebar Pelimpah dan Kapasitas Debit Pelimpah

Perhitungan lebar pelimpah sangat bergantung pada debit yang digunakan pada lokasi pekerjaan. Dengan CA yang cukup besar, embung Soal memang berpotensi memiliki debit banjir yang relatif besar. Sehingga dengan debit sesuai analisa hidrologi yang telah dilakukan, kapasitas mercu pelimpah harus mampu melewatkan debit banjir tersebut.

Hasil pengukuran topografi menunjukkan bahwa tampungan banjir yang tersedia dari kapasitas tampungan embung Soal relatif sangat kecil sehingga reduksi banjir karena tampungan banjir dianggap 0%. Untuk perhitungan detail hasil coba – coba didapatkan:

a.     Q100                                                   = 97.548 m³/dt

b.     L                                                          = 25 m

c.     n Pilar                                                 = 1 buah

d.     P                                                          = 6 m

e.     Elevasi Mercu Pelimpah                     = +849.00 m

Elevasi Dasar Sungai                          = +843.00 m

A. Analisa Koefisien Debit Pelimpah

Koefisien debit dihitung berdasarkan metode Iwasaki

Dengan debit desain yang ada, dilakukan coba – coba untuk mendapatkan nilai C, Hd, dan a sebagai parameter untuk perhitungan kapasitas debit pelimpah.

Hasil Coba Coba Parameter Kapasitas Debit Pelimpah

Sehingga hasil coba – coba menunjukkan hasil untuk nilai

Hd                   = 1.470 m

a                      = 0.5836

C                     = 2.1897

B. Analisa Panjang Efektif Mercu Pelimpah

Panjang efektif mercu pelimpah sangat dipengaruhi terhadap bentuk pilar dan abutmennya. Panjang efektif dihitung berdasarkan pengurangan yang dipengaruhi oleh nilai koefisien abutmen dan koefisien pularnya serta tnggi muka air yang terjadi kemudian dihitung dengan persamaan berikut:

Le                    = L – 2 x (n x Kp + Ka) x H

Denngan

Le                    = panjang efektif (m)

L                      = panjang mercu (m)

n                      = jumlah pilar

Kp                   = Koefisien pilar

Ka                   = koefisien abutmen

H                     = tinggi muka air (m)

 

Koefisien pilar dan abutmen didapatkan berdaasarkan bentuk pilar dan abutmen yang masing – masing nilainya disesuaikan berdasarkan Kriteria perencanaan yang ada.

Koefisien Pilar

Koefisien Abutmen

C. Perhitungan Kapasitas Debit Pelimpah

Kapasitas debit pelimpah untuk mercu dengan bentuk Ogee dapat didekati dengan persamaan berikut:

Q                     = C x Le x H^3/2

Dengan

Q                     = debit pelimpah (m³/dt)

Le                    = panjang efektif mercu pelimpah (m)

H                     = tinggi muka air diatas mercu pelimpah (m)

 

Hasil perhitungan yang dilakukan dengan coba – coba dan penyesuaian dengan debit desain serta pertimbangan tinggi jagaan yang ada didapatkan panjang mercu pelimpah adalah 25 m. sebagai Soal perhitungan berikut disajikan perhitungan debit pada mercu pelimpah ketika H = 0.1 m.

Soal perhitungan:

H                     = 0.1 m

L                      = 25 m

Kp                   = 0.01

Ka                   = 0.1

Jumlah Pilar    = 1

Le                    = L – 2 x (n x Kp + Ka) x H

                        = 25 – 2 x (1 x 0.01+ 0.1) x 0.1

                        = 24.98 m

C                     = 1.6 x 

                        = 1.6 x 

                        = 1.66

Q                     = C x Le x H^3/2

                        = 1.66 x 24.98 x 0.1^3/2

                        = 1.312 m³/dt

 

Sehingga untuk tinggi muka air 0.1 m, debit pada mercu pelimpah adalah 1.312 m³/dt. Untuk perhitungan kapasitas debit pada tinggi muka air yang lainnya disajikan pada bentuk Tabel dan grafik lengkung kapasitas debit diatas mercu pelimpah sebagaimana berikut ini:

Kapasitas Debit Mercu Pelimpah Embung Soal

Lengkung Kapasitas Debit Pelimpah Embung

C. Penentuan Tinggi Jagaan dan Puncak Embung

Pada tampungan waduk yang memiliki volume tampungan cukup besar akan dilakukan flood routing  untuk perhitungan tinggi muka air banjir dan tinggi jagaan berdasarkan debit yang telah didhitung diatas mercu pelimpah. Namun karena tampungan embung relatif kecil, maka tinggi muka air akan dihitung langsung berdasarkan kapasitas debit yang telah dianalisa sehingga dianggap bahwa reduksi banjir = 0%.

Hasil perhitungan dan penentuan tinggi jagaan serta puncak embung dikontrol dengan debit Q1000 sehingga hasil perhitungan dapat dilihat pada Tabel berikut ini untuk masing – masing debit pada periode ulang tertentu.

Perhitungan Tinggi Jagaan dan Puncak Embung Berdasarkan Lengkung Kapasitas Debit Mercu Pelimpah

Hasil perhitungan menunjukkan bahwa dengan menentukan elevasi puncak pada elevasi +851.00 debit banjir desain masih berada pada elevasi +850.48 m sehingga masih ada tinggi jagaan sekitar 0.52 m. kemudian dikontrol dengan debit dengan kala ulang 1000 tahun, dengan elevasi puncak pada elevasi +851.00 m tinggi muka air banjir masih berada pada elevasi +850.88 m sehingga masih aman.

1.3. Perhitungan Mercu Pelimpah

Pelimpah yang digunakan dalam desain merupakan pelimpah langsung yang menyatu dengan tubuh embung. Mercu pelimpah tersebut menggunakan tipe Ogee 1 yang memiliki kaidah perhitungan lengkung yang disesuaikan dengan pedoman. Bagian hulu dan kemiringan akan dihitung berdasarkan persamaan lengkung Harold pada masing – masing dan berpengaruh pada hidrolika dari mercu itu sendiri.

Penggambaran Mercu Pelimpah dengan Menyesuaikan Bentuk Ogee 1

Ogee 1 memiliki kemiringan hulu tegak kemudian berdasarkan hasil perhitungan iwasaki dan coba – coba Hd yang telah dilakukan sebelumnya didapatkan Hd = 1.478 m. sehingga dimensional mercu dapat dihitung sebagai berikut:

Hd                   = 1.478 m

R                     = 0.2 Hd

                        = 0.2 x 1.478

                        = 0.296 m

R                     = 0.5 Hd

                        = 0.5 x 1.478

                        = 0.739 m

Xu₁                  = 0.282 Hd

                        = 0.282 x 1.478

                        = 0.417 m

Xu₂                  = 0.175 Hd

                        = 0.175 x 1.478

                        = 0.259 m

 

Koordinat lengkung harold dihitung sebagai berikut:

X^1.85                 = 2 x Hd^0.85 x Y

Sehingga Y     = 0.359 x X^1.85

Y’                    = 0.664 x X^0.85

 

Titik awal melalui gradien:

Y’                    = 1

1                      = 0.664 x X^0.85

X^0.85                 = 1.507

X                     = 1.620

Y                     = 0.359 x X^1.85

Y                     = 0.876

Sehingga pada koordinat X = 1.620 dan Y = 0.876 dilanjutkan dengan kemiringan 1:1 sesuai dengan nilai kemiringan yang direncanakan. Untuk koordinat X dan Y yang lain dijabarkan pada Tabel berikut ini:

Koordinat Perhitungan Lengkung Harold

Sesuai dengan parameter dan kordinat yang telah dihitung tersebut bisa digambar untuk bentuk mercu pelimpahnya.

1.4. Hidrolika Peluncur

Peluncur pelimpah merupakan bagian saluran yang miring yang menerjunkan air dari puncak mercu menuju kolam peredam energi. Tinggi muka air pada saluran peluncur tersebut dapat didekati dengan pendekatan hidrolika. Pada perhitungan ini digunakan pendekatan persamaan energi spesifik dimana energi spesifik merupakan energi yang timbul dari perbandingan kecepatan dan debit yang terjadi. Energi spesifik bersifat tetap namun berbanding dengan tinggi muka air dan kecepatan. Semakin tinggi kecepatan air, maka tinggi muka air akan semakin rendah, begitu pula sebaliknya.

Energi spesifik dirumuskan sebagai berikut:

E_s                     = h + 

                        = h +  

Dengan

E_s                     = Energi Spesifik

h                      = tinggi muka air yang ditinjau (m)

Q                     = debit (m³/dt)

q                      = debit/satuan lebar (m²/dt)

A                     = luas penampang yang ditinjau (m²)

 

Perhitungan dilakukan dengan coba – coba h hingga didapatkan nilai energi spesifik yang mendekati energi spesifik yang pada bagian yang ditinjau sebelumnya. berikut hasil perhitungannya:

Perhitungan Hidrolika pada Saluran Peluncur

Hasil perhitungan yang telah dilakukan selanjutnya dapat digunakan sebagai acuan dalam penentuan jenis peredam energi yang bisa digunakan. Kolom ke 4 baris pertama merupakan tinggi muka air hasil perhitungan kapasitas debit yang telah dilakukan dimana H = 1.48 m saat debit desain. Kemudian dengan persamaan energi spesifik dapat dihitung masing – masing section hingga section terakhir yang menjadi nilai y1 dengan besar y1 = 0.31 m dan memiliki bilangan froude sebesar Fr (y1) = 7.199

1.5. Perhitungan Peredam Energi

Kondisi perubahan tiba – tiba dari aliran superkritis menjadi aliran subkritis dapat menyebabkan fenomena yang dinamakan lompatan hidrolis. Lompatan hidrolis tersebut cukup sangat berbahaya apabila dibiarkan dan dapat menimbulkan potensi kerusakan. Kerusakan yang terjadi bisa gerusan hingga fenomena cave in dimana terjadi scouring pada bangunan mercu pelimpah. Sehingga untuk mencegah hal tersebut, didesain peredam energi yang dapat meredam lompatan hidrolis sehingga tidak berbahaya.

A. Pemilihan Tipe Peredam Energi

Tipe peredam energi cukup banyak jenisnya. Secara umum masing – masing memiliki syarat hidrolika tertentu untuk keefektifan dalam penggunaannya yang diambil dari berbagai literatur. Sehingga pemilihan tipe peredam energi yang tepat perlu disesuaikan dengan kondisi hidrolika dari struktur yang direncanakan.

a.     Tipe Vlughter

Tipe vlughter secara bentuk hidrolis merupakan peremuan suatu penampang lurus yang merupakan suatu lapisan struktur lantai dengan endsill di hilirnya. Namun bentuk dan hidrolis ruang olak tipe vlughter dipengaruhi oleh:

-       Cocok digunakan pada sungai aluvial yang tidak membawa material batu besar. Kondisi ini sudah cocok dengan kondisi lapangan dari embung Soal.

-       Dalamnya lantai ruang olakan dari puncak mercu tidak lebih dalam dari 8 m. kondisi embung Soal memiliki mercu pada elevasi +849.00 sedangkan kolam olak berada pada elevasi +842.00 sehingga terdapat perbedaan tinggi 7 m. sehingga kondisi ini cocok dengan kondisi embung Soal.

-       Perbedaan muka air di hulu dan hilir tidak lebih dari 4.5 m. kondisi ini tidak cocok dengan kondisi embung Soal yang memilii tinggi muka air cukup signifikan.

Kolam Olak Tipe Vlughter

a.     Tipe MDO dan MDE

Kolam olak tipe MDO dan MDE merupakan tipe yang dikembangkan di laboratorium hidrolika pusat litbang Sumber Daya Air (Pusair). Beberapa parameter hidrolika yang berpengaruh dan menjadi syarat dari tipe ini adalah:

-       Kemiringan tubuh bendung bagian hilir tegak sampai 1:1. Kemiringan mercu pelimpah embung memiliki kemiringan 1:1 sehingga kondisi ini sesuai dengan kondisi yang disyaratkan.

-       Bentuk mercu bulat. Mercu pelimpah menggunakan mercu tipe ogee yang memiliki koefisien debit relatif lebih kecil sehingga tinggi muka air rendah. Berbeda dengan fungsi embung yang digunakan untuk menaikkan tinggi muka air secara maksimum dengan menggunkaan mercu tipe bulat. Sehingga kondisi ini tidak sesuai.

Kolam Olak Tipe MDO

a.     Olak Tipe Solid Bucket

Tipe solid bucket adalah kolam olak loncat air yang dibuat agak melingkar sampai pada bagian cut off. Kolam olak ini lebih cocok digunakan pada sungai yang membawa material besar seperti batu. Namun kondisi lapangan menunjukkan bahwa sungai pada lokasi rencana embung tidak ada potensi membawa material tersebut sehingga lebih cocok digunakan kolam olak dengan tipe lainnya.

Kolam Olak Tipe Bucket

a.     Tipe USBR II

USBR atau singkatan dari United States Bureau of Reclamation adalah agensi federal dibawah Departemen Interior amerika Serikat yang mengawasi terkait dengan sumber daya air. USBR mengembangkan kolam olak yang bisa digunakan dan secara hidrolika terdapat beberapa aspek yang mempengaruhi sehingga terdapat beberapa perubahan pada kolam olaknya. Secara umum kolam olak tipe USBR ditinjau dari bilangan froudenya dimana untuk USBR II memiliki syarat bilangan froude pada Y1 berkisar 1.7 sampai dengan 2.5. karena bilangan froude hasil analisa hidrolika sebelumnya adalah 7.199 maka tidak cocok dengan kondisi yang ada.

Kolam Olak USBR II

 

a.     Tipe USBR III

Tipe USBR III menambahkan Buffle blok dan endsill yang lebih sederhana. Syarat utama dari USBR III adalah bilangan froude > 4.5. karena kondisi dari hasil analisa hidrolika sebelumnya pada Y1 adalah 11.806 maka kondisi sesuai.

Kolam Olak USBR III

a.     Kolam Olak USBR Type IV

Kolam olak USBR tipe 4 menghilangkan Buffle Blok yang ada di tengah. Panjang lantai yang digunakan pun relatif lebih panjang daripada kolam olak USBR IV. Bilangan froude pada Y1 yang disyaratkan adalah berkisar antara 2.5 sampai dengan 4.5. karena bilangan froude pada Y1 hasil analisa sebesar 7.199 maka kondisi tidak sesuai.

Kolam Olak USBR IV

            Sehingga kesimpulan dari berbagai macam kolam peredam energi yang bisa digunakan dalam meredam energi dan masing – masing faktor yang mempengaruhi serta setelah dicocokan dengan desain, paling sesuai adalah dengan menggunakna kolam olak tipe USBR III.

B. Analisa Dimensi Kolam Olak

            Sesuai dengan analisa pemilihan kolam olak, kolam olak yang dirasa sesuai dengan lokasi adalah kolam olak USBR III. Dimensional dari masing – masing item yang ada pada kolam olak USBR III bisa dihitung berdasarkan pedoman pada USBR sendiri yang menggunkana grafik atau dengan persamanaan yang telah dikembangkan dan tercantum pada Kriteria Perencanaan Irigasi. Masing – masing memiliki hasil yang mirip.

Dimensional USBR III Sesuai dengan KP Irigasi

Agar lebih mudah dan sederhana, perhitungan menggunakan grafik sebagaimana pada pedoman USBR.

Grafik Penentuan Panjang Kolam Olak untuk USBR I, II, dan III dari pedoman USBR

Grafik Dimensional Buffle Blok dan End Sill

Dari analisa hidrolika yang telah dilakukan diketahui:

Y₁                                = 0.3105 m

Fr₁                               = 7.199

Y₂                                = (0.5 x ((1 + (8 x Fr²)^0.5-1) x Y₁

                                    = (0.5 x ((1 + (8 x 7.199)^0.5-1) x 0.311

                                    = 3.01 m

 

Sehingga tinggi muka air setelah lompatan hidrolis adalah 1.53 m.

Berdasarkan grafik panjang kolam olak didapatkan

Fr₁₌                                             = 7.199

L/Y₂                                           = 2.597

L                                  = 2.597 x Y₂

                                    = 2.597 x 3.01

                                    = 7.82 m

Sehingga panjang kolam olak adalah 7.82 m

Berdasarkan gambar, jarak anatara buffle blok ke chute blok adalah

Jarak Buffle Blok        = 0.8 x Y­₂

                                    = 0.8 x 3.01

                                    = 2.41 m

Berdasarkan grafik didapatkan:

H₃/Y₁                           = 1.812

H₃                                = 1.812 x Y₁

                                    = 1.812 x 0.311

                                    = 0.563 m

Sehingga tinggi buffle blok adalah 0.564 m

H₄/Y₁                           = 1.406

H₄                                = 1.406 x Y₁

                                    = 1.406 x 0.311

                                    = 0.436 m

Sehingga tinggi end sill 0.436 m.

1.6. Perlindungan dan Ketahanan Struktur Terhadap Gerusan (Scouring)

            Kerusakan struktur yang paling sering terjadi bermula karena gerusan yang teradi. Kolam olak yang didesain umumnya sudah cukup kuat, namun karena perbedaan massa jenis dari struktur beton dan struktur tanah yang cukup besar di hilir dari lompatan hidrolis berpotensi terjadi proses gerusan (scouring). Kemudian kolam olak akan rusak dan dilanjutkan dengan bangunan utama apabila tidaks segera diatasi. Sehingga untuk menghindari proses tersebut, dibuatlah kaki lantai pada ujung lantai olak dan ditambahkan material rip rap pada hilir untuk mengantisipasi terjadinya scouring sehingga struktur menjadi lebih aman. Perhitungan dapat dilakukan dengan metode Zimeerman dan Naniak sebagai berikut:

 

Qd                                                                   = 97.55 m³/dt

B                                                                     = 25 m

Debit per meter pelimpah (q)                         = 3.902 m^2/dt

Tinggi air dihulu main dam (h_h)                     = 1.256 m

Diameter batu kali (d)                                     = 0.8 m

Sehingga didapatkan kedalaman gerusan       = 3.68 m

Sehingga untuk perlindungan gerusan diambil 3.7 m pada bagian hilir.