Pertemuan 17-18 SALURAN TERBUKA

1. Pertemuan 17-18SALURAN TERBUKA Matakuliah : S0054 / Mekanika Fluida dan Hidrolika Tahun : 2006 Versi : 1

2. Learning Outcomes Pada akhir pertemuan ini, diharapkan mahasiswa akan mampu : • aliran lambat laun Saluran Terbuka • dapat menghitung dimensi saluran berdasarkan kecepatan maksimum yang diijinkan

3. Outline Materi • Sifat-sifat Aliran Kritis • Kedalaman Kritis • Profil Muka Air • Perhitungan Muka Air • Kecepatan Maksimum yang Diijinkan • Geometri Penampang Melintang • Metoda Tegangan Geser Kritis

4. Penampang Berbentuk Persegi yang Ekonomis • Pada penampang melintang saluran berbentuk persegi dengan lebar dasar B dan kedalaman air h, luas penampang basah, A dan keliling basah P dapat dituliskan : A= B.h atau B = A/h

5. P = B = 2h • Apabila disubstitusikan maka diperoleh : P = (A/h) + 2h • Apabila asumsi luas penampang A adalah konstan, maka persamaannya dapat dideferensialkan terhadap h dan dibuat sama dengan nol untuk memperoleh harga P minimum h B

6. Atau B = 2h • Jari-jari hidraulik : R = A/P = (Bh/(B+2h)) apabila nilai B di substitusikan, maka R = h/2

7. Penampang Berbentuk Trapesium • Luas penampang melintang, A dan keliling basah, P, saluran dengan penampang melintang yang berbentuk trapesium dengan lebar dasar B, kedalaman aliran, h, dan kemiringan dinding 1 : m dapat dirumuskan sebagai berikut : A = (B + mh)h 1 h m B

8. Apabila nilai B disustitusikan kedalam persamaan A, maka diperoleh : • Apabila diasumsikan bahwa luas penampang A dan kedalaman dinding , m adalah konstan, maka persamaan dapat dideferensialkan terhadap h dan dibuat sama dengan nol untuk memperoleh kondisi P minimum

10. Penampang Berbentuk Segitiga

11. METODE PERHITUNGAN ALIRAN DAN PROFIL ALIRAN (BACKWATER) PERHITUNGAN DEBIT BANJIR (Aliran Seragam) UMUM Secara teoritis dalam perhitungan Aliran Seragam : Sf = Sw = So, dimana : Sf = Kemiringan Energi Sw = Kemiringan Muka Air So = Kemiringan Dasar Saluran • Pada sungai (saluran alamiah), karena kondisi saluran yang tidak teratur, maka : Sf ≠ Sw ≠ So Namun secara praktis dapat diasumsikan sbb : Bila perubahan kecepatan pada bagian sungai yang lurus tidak terlalu besar, maka : • Sf = Sw = So

12. Bila perubahan/perbedaan tersebut cukup nyata, maka : • Sf ≠ Sw ≠ So dan Sf = H/L Dimana H = perbedaan tinggi tekanan / energi L = panjang bagisan sakuran yang lurus Berhubung tinggi tekanan mencakup tinggi kece-patan yang tidak diketahui, maka diperlukan penye-lesaian secara pendekatan.

13. APLIKASI RUMUS ALIRAN SERAGAM • Pada taraf banjir ; kecepatan aliran berubah-ubah dengan cepat, aliran sangat bervariasi dan tidak tunak (Unsteady Flow), sehingga Rumus Aliran Seragam tidak dapat dipakai. • Rumus Aliran Seragam hanya dapat dipakai bila perubahan taraf air banjir dan debitnya relatif berlangsung secara lamban laun.

14. METODE PERHITUNGAN DEBIT BANJIR 1 Metode Kemiringan luas (Slope Area Method) 2. Metode Penyempitan Bukaan (Contracted Opening Method) - prinsip : energi ditetapkan langsung ke penyempitan bukaan di sungai - berhubung sifat aliran berubah tiba-tiba, metode ini tidak dibahas di sini. Data-data yang diperlukan : • Data tinggi muka air (di sungai dana anak sungai) • Lokasi ada bagian sungai yang relatif lurus (tidak berbelok-belok)

15. . METODE KEMIRINGAN LUAS (SLOPE AREA METHOD) Langkah perhitungan : • Penentuan Kemiringan Energi pada bagian saluran yang lurus atau Perhitungan Kehilangan Energi akibat gesekan : • Data-data : - Pengukuran Luas Penampang Melintang Rata-rata - Pengukuran Panjang Bagian yang Lurus - Penaksiran Koefisien Kekasaran (angka “N”) - Perhitungan debet dengan rumus aliran seragam : Rumus Manning

16. Tata cara perhitungan : Dari nilai A,R, dan n yang telah diketahui, hitung hantaran Ku dan Kd berturut-turut di penampang bagian hulu dan hilir dari bagian saluran yang lurus. 2. Hitung hantaran rata-rata K sebagai akar dari Ku dan Kd, atau (1)

17. 3. Anggap tinggi kecepatan = 0, kemiringan energi sama dengan terjunan F dari permukaan air di bagian saluran yang lurus dibagi dengan panjang L bagian yang lurus, atau (2)

18. Dengan demikian, debitnya dapat dihitung dengan persamaan 3 atau 4. Anggap debit sama dengan perkiraan awal, hitung tinggi kecepatan di penampang hulu dan hilir, atau dan . Dengan demikian, kemiri-ngan energi sama dengan

19. Dengan demikian, kemiri-ngan energi sama dengan

20. dengan k merupakan suatu faktor tertentu. Bila bagian saluran yang lurus ini menyempit (Vu = Vd), k = 1,0 . Bila melebar (Vu = Vd), k = 0,5. Penurunan nilai k sebesar 500% akibat pelebaran ini memang dimaksudkan untuk penyesuaian tinggi kecepatan akibat pelebaran aliran. Debitnya kemudian dihitung dengan persamaan 1 memakai kemiringan yang telah dikoreksi dengan persamaan 4. Ini merupakan perkiraan kedua dari debit tersebut

21. 5. Ulangi langkah 4 utnuk perkiraan ke 3 dan ke 4 dan seterusnya sampai debit yang ditaksir sama dengan debit yang dihitung. 6. Rata-ratakan debit yang dihitung dari beberapa anak sungai, anggap setara atau sesuai dengan keadaan sekelilingnya. Contoh • Hitung debit banjir melalui bagian sungai sepanjang 500 kaki yang luas basah, hantaran dan koefisien energi di penampang hulu dan hilir telah diketahui. Penurunan muka air = 0,50 kaki.

22. PERHITUNGAN PROFIL ALI-RAN AKIBAT ALIRAN BALIK (BACK WATER) DENGAN METO-DE TAHAPAN (Step method) 1.Umum • Aliran balik terjadi apabila aliran menagalami hambatan akibat adanya bangunan atau rintangan pada saluran tersebut, misal : bendung, bendungan, jembatan, dll. • Pengaruh kenaikan muka air pada bagian hulu bangunan tersebut perlu dianalisis dengan sasaran utama menentukan bentuk profil aliran (aliran berubah lambat-laun / Gradually Varied Flow)

23. 2.Metode Perhitungan • Metode Integrasi Grafis (Graphical – Integration Method) mengintegrasikan persamaan dinamis aliran berubah lamban laun secara grafis • Metode Integrasi Langsung (Direct Integration Method) integrasi langsung terhadap persamaan diffe-rensial aliran berubah lambat laun • Metode Pentahapan (Step Method) • Metode Tahapan Langsung (Direct Step Method) • Metode Tahapan Standar (Standard Step Method)

24. Metode Tahapan Langsung (Direct Step Method) • Metode tahapan dinyatakan dengan membagi saluran menjadi bagian-bagian saluran yang pendek. Kemudian menghitung secara bertahap dari satu ujung ke ujung saluran lainnya. • Metode sederhana yang dapat digunakan untuk saluran prismatic dengan kemiringan dasar saluran tetap/konstan. • Untuk aliran subkritis perhitungan dimuali dari bagian hilir(pada bendung) dan untuk aliran superkritis dimulai dari bagian hulu

26. Langkah perhitungan • Persamaan tinggi tekanan total pada penam-pang lebar • Cari x ………………………………(2) dengan E = energi spesifik Rumus Manning untuk Sf

27. Dimana • y = kedalaman air (m) • V = Kecepatan aliran Rata-rata (m/d) • = koefisien energi • So = Kemiringan dasar saluran • Sf = Kemiringan gesek

28. Saluran trapezium dengan b=20 kaki, s0 = 0,0016 dan n = 0,025 koefisien energi  = 1,10 mengalirkan debit Q=400 kaki kubik perdetik. Hitunglah profil air balik(backwater profile) yang terbentuk oleh bendung yang menahan air sampai kedalaman 5 kaki tepat sebelum bendung. Ujung hulu profil dianggap pada kedalaman 1 % lebih besar dari kedalaman normal.

29. Q=400 kkd n=0,025 So=0,0016 =1,10 yc=2,22kaki yn=3,36kaki

30. Contoh (2) • Hitung profile aliran pada contoh(1) berdasarkan metode tahapan standar. Anggap bahwa pos-pos pengamat di sepanjang saluran telah tetap sesuai dengan penyelesaian contoh(1). • Tinggi lokasi bendung adalah +600m di atas permukaan air laut

32. PERENCANAAN SALURAN TERBUKA UNTUK ALIRAN SERAGAM SALURAN TAHAN EROSI • Ketentuan • Faktor-faktor yang Dipertimbangkan dalam Perencanaan Saluran Tahan Erosi • Bahan-bahan Lapisan Penguat • Kecepatan Minimum yang Diizinkan • Kemiringan Dasar Saluran • Kemiringan Dinding Tebing Saluran • Jagaan (Freeboard) • Penampang Hidrolis Terbaik • Menentukan Dimensi Penampang

33. SALURAN-SALURAN TAHAN EROSI KETENTUAN • Saluran tahan erosi ialah saluran yang mampu menahan erosi dengan memuaskan. Dalam kategori saluran tersebut di atas termasuk : • Saluran2 yang dinding2 dan dasarnya diberi lapisan • Saluran2 yang dibuat sebagai galian di atas tanah dasar yang kuat seperti tanah cadas. • Tujuan : • mencegah erosi • mengontrol kehilangan air akibat rembesan

34. FAKTOR-FAKTOR YANG DIPERTIMBANGKAN DALAM PERENCANAAN SALURAN TAHAN EROSI • Macam material yang membentuk tubuh saluran untuk menentukan koefisien kekasarannya. • Kecepatan aliran minimum yang diizinkan agar tidak terjadi pengendapan apabila air mengandung lumpur (silt) dan sisa-sisa kotoran. • Kemiringan dasar dan dinding saluran. • Jagaan (freeboard) • Penampang yang paling efisien, baik hidrolis maupun empiris

35. Dimensi saluran dihitung dengan menggunakan rumus-rumus untuk perhitungan aliran seragam (beraturan) dengan mempertimbangkan. • Efisiensi • Kepraktisan • Ekonomis

36. BAHAN-BAHAN LAPISAN • Lapisan bisa dibuat dari : Beton, pas.batu, baja, besi cor, kayu, kaca, plastik, aspal, dll. • Pemilihan bahan terutama tergantung pada : -Tersedianya serta harga bahan -Cara konstruksi saluran -Tujuan penggunaan saluran tersebut.

37. KECEPATAN MINIMUM YANG DIIZINKAN • Kecepatan minimum yang diizinkan adalah kecepatan terkecil yang tidak menimbulkan pengendapan dan tidak merangsang tumbuhnya tanaman aquatic serta lumut. • V = 0,60 – 0,90 m/det : aman, apabila prosentase lumpur dalam air cukup kecil • V = 0,75 m/det ; bisa mencegah tumbuhnya tumbuhan yang dapat memperkecil daya angkut saluran

38. KEMIRINGAN DASAR SALURAN • Kemiringan dasar sakuran pada umumnya dipe-ngaruhi oleh topografi serta tinggi energi yang diperlukan untuk menyebabkan adanya pengaliran. KEMIRINGAN DINDING TEBING SALURAN • Kemiringan dinding tebing saluran tergantung pada macamnya material yang membentuk tubuh saluran. Lain2 faktor yang perlu dipertim-bangkan dalam menentukan kemirungan terse-but adalah cara konstruksi, kehilangan2 yang diakibatkan oleh rembesan, geometri saluran, perubahan iklim dan lain sebagainya. • Lihat tabel A-1, A-2 dan A-3.

39. JAGAAN (FREEBOARD) • Yang dimaksudkan dengan jagaan dari suatu saluran adalah jarak vertikal dari puncak tanggul sampai permukaan air pada kondisi peren-canaan. Jarak tersebut harus sedemikian rupa, hingga dapat mencegah peluapan air akibat gelombang serta fluktuasi permukaan air. • Jagaan tersebut direncanakan antara kurang dari 5% sampai 30% lebih dari dalamnya aliran. Untuk saluran tanpa lapisan (unlined channel), jagaan pada umumnya dipengaruhi oleh pertimbangan-pertimbangan mengenai besarnya serta lokasi dari saluran penambahan-penam-bahan air akibat hujan, fluktuasi permukaan air tanah,gerakan angin, karakteristik tanah, gradien rembesan, persyaratan mengenai jalan serta bahan-bahan atau material setempat.

40. MENENTUKAN DIMENSI PENAMPANG Tabel A-1. Tabel kemiringan dinding saluran yang cocok untuk bermacam-macam material.

41. Tabel A-2. Tabel kemiringan dinding saluran yang kena air (bagian dalam) tanpa lapisan (menurut Etcheverry dan Harding).

42. Tabel A-3. Tabel kemiringan tebing saluran yang tidak kena air (bagian luar) - (menurut Etcheverry dan Harding).

43. Tabel A-4 .*) Penampang-penampang hidrolis terbaik.