ALIRAN BERUBAH DENGAN CEPAT

1. Pendahuluan.

Dalam hal aliran tetap berubah dengan cepat, maka perlu diperhatikan karakteristik aliran antara lain :

Kedalaman aliran berubah dengan cepat pada jarak pendek diarah panjang saluran.

Aliran ini mempunyai garis-garis arus yang melengkung, sehingga pembagian tekanan tidak lagi hidrostatis (non hidrostatis).

Perubahan lengkung profil aliran dapat terjadi tiba-tiba sehingga profil aliran dapat dikatakan patah dan terjadi turbulensi yang tinggi seperti pada kejadian loncatan air

Aliran berubah dengan cepat dapat dibagi menjadi :

1. Aliran diperlambat dengan cepat Pelebaran tiba-tiba dasar saluran dlm arah

horizontal Pelebaran tiba-tiba dalam arah vertical

(perubahan elevasi dasar saluran)2. Aliran dipercepat dengan cepat

Aliran melalui gorong-gorong Aliran melalui pelimpah

a. Pelimpah ambang lebar : Ambang lebar sempurna Ambang lebar tidak sempurna

b. Pelimpah ambang pendek Ambang Tajam / tipis :

1. Pintu ukur Rehbock2. Pintu ukur Thomson3. Pintu ukur Chipoletti

Bendung Pelimpah (Spillway) : 1. Mercu Bulat2. Tipe Ogee

2. Aliran Diperlambat Dengan CepatPelebaran tiba-tiba :

dapat terjadi dipenampang horizontal maupun penampang vertical,

dimana hal tersebut menyebabkan terjadinya kehilangan energi (

a. Pelebaran tiba-tiba dalam arah vertical :

Besarnya kehilangan energi :

b. Pelebaran tiba-tiba dalam arah horisontal :

Dengen asumsi :- Saluran segi empat - Koefisien energi

- kehilangan energi akibat gesekan diabaikan

diperoleh :

3. Aliran dipercepat dengan cepat .

Aliran Melalui Pelimpah :

Aliran melalui pelimpah adalah salah satu bentuk dari dua bentuk aliran berubah dengan cepat, yaitu bentuk aliran dipercepat.

Aliran ini pada dasarnya merupakan gejalah local dalam arti bahwa jarak dari aliran berubah dengan cepat ini pendek, maka gesekan dianggap tidak memegang peranan.

Dalam praktek terdapat bendung-bendung didalam saluran yang berbentuk pelimpah, dimana fungsinya untuk menaikkan tinggi muka air agar dapat dialirkan ke daerah2 irigasi

Bendung ini dapat pula digunakan sebagai alat pengukur debit aliran.

Sehubungan dengan hal tersebut, maka uraian berikutnya ditujukan untuk menjelaskan penggunaan pelimpah sebagai alat pengukur debit aliran, dengan memperhatikan dua kelemahan dari karakteristik pelimpah, yaitu :

Terjadinya kehilangan energi

Terjadinya akumulasi sediman dihulu bendung.

Dua hal tersebut perlu dipertimbangkan benar-benar sebelum memilih bentuk pelimpah tertentu.

3.1 Pelimpah Ambang Lebar.

Pelimpah ambang lebar adalah :

Pelimpah dimana paling tidak terdapat satu penampang diatas ambang yang mempunyai garis-garis arus yang lurus, sehingga sebagian tekanan dipenampang tersebut adalah Hidrostatis.

Alat ukur ambang lebar banyak digunakan bahkan dianjurkan penggunaannya didalam jaringan irigasi karena : Bangunannya kokoh dan mudah dibuat Bisa mempunyai berbagai bentuk mercu Mudah disesuaikan dengan type saluran apa saja Hubungan tunggal antara muka air hulu dan debit,

mempermudah bacaan debit secara langsung dari papan duga tanpa memerlukan table debit.

3.1.a. Pelimpah Ambang Lebar Sempurna :

Pelimpah ambang lebar dikatakan sempurna apabila

Besarnya debit aliran Q tidak ditentukan atau tidak dipengaruhi oleh kedalaman aliran dihilir bendung.

Apabila kedalaman air dihilir menurun, debit aliran bertambah sampai aliran diatas ambang menjadi aliran kritis.

Pada aliran kritis dimana Energi spesifik minimum, maka debit (Q) adalah maksimum.

Dengan demikian apabila aliran diatas ambang merupakan aliran kritis, maka debit aliran adalah maksimum.

Sesudah itu penurunan kedalaman aliran dihilir tidak lagi menyebabkan bertambah nya debit aliran (karena sudah maksimim).

Jadi, debit akan maksimum apabila kedalaman aliran dipenampang 2 (diatas ambang) :

;

untuk dan

dimana q = debit per satuan lebar bendung

Dikatakan q maksimum apabila

akan terjadi q maksimum !!

Berhubung pengukuran H1 sulit dilaksanakan, sehingga pada umumnya yang diukur adalah h1 (kedalaman air dihulu bendung).

Jadi : H1 = m h1

m = 0,9 s/d 1,3 (koef debit)

Untuk lebar bendung B :

3.1.b. Pelimpah Ambang Lebar Tidak Sempurna :

Dikatakan pelimpah ambang lebar tidak sempurna bila debit aliran tergantung pada kedalaman aliran dihilir pelimpah

Menurut persamaan energi, untuk tiap satuan lebar

Seperti telah dijelaskan didepan, penampang kritis adalah merupakan penampang aliran yang kondisinya tidak stabil sehingga pengukuran kedalaman dipenampang kritis (h2) menjadi agak sulit.

Oleh karena itu untuk keperluan didalam praktek, lebih praktis menerapkan h3 dalam persamaan dengan memberi-kan factor koreksi m.

Maka persamaan menjadi :

Untuk lebar bendung B :

dimana : q = debit per satuan lebar Q = debit aliranB = lebar saluran

h3 = kedalaman dihilir pelimpah (diukur dari mercu pelimpah)

m = koefisien debit (0,9 s/d 1,3) m = 0,9 utk pelimpah kasar & tajam

m = 1,3 utk pelimpah licin & lengkun

Contoh Soal 1:Suatu aliran melalui bendung pelimpah mempunyai:

Kedalaman dihulu h1 = 8,00 m Kecepatan diatas bendung V2 = 4,00 m/dt Elevasi mercu bendung :

* 5,25 m diatas dasar saluran dihulu* 1,58 m diatas dasar saluran dihilir.

Apabila = 1 dan kehilangan energi diatas bendung diabaikan

hitunglah :1. Kecepatan rata-rata dihulu 2. Kedalaman aliran diatas mercu 3. Kedalaman aliran dihilir mercu 4. Kecepatan rata-rata dihilir 5. m (koefisien debit)

Penyelesaian :a. Pers. Bernoulli antara penampang 1 & 2

. . . . . . . (a)

b. Persamaan continuitas :

harga masukkan ke pers. (a)

Dengan rumus abc didapat :

(**)

kecepatan dihulu bendung adalah

kedalaman aliran diatas pelimpah

c. Antara penampang 2 & 3 terjadi loncatan air (ambang lebar tdk sempurna, dimana h3 berpengaruh).

c.1. Pers. Continuitas :

c.2. Pers. Momentum :

*

*

*

* ……….. (c) (debit /satuan lebar)

Dengan cara coba-coba didapat :

Kedalaman dihilir bendung

Kecepatan dihilir bendung

Debit untuk ambang lebar tidak sempurna :

dimana h3 adalah tinggi air diatas ambang dipenam pang 3 4 – 1,58 = 2,42

…… (d)

(c) = (d)

(berada pada kisaran 0,9 s/d 1,3)

Dari gambar diatas terlihat :

3.2. Pelimpah Ambang Pendek.

Pelimpah ambang pendek adalah suatu pelimpah dimana garis-garis arus dari aliran diatas ambangnya, melengkung.

Dalam kondisi ini tidak terdapat satu penampangpun yang mempunyai grs arus yang lurus. sehingga pembagian tekanan tidak lagi hidrostatis.

Didalam praktek pelimpah ambang pendek dapat digunakan menurut bentuk dan fungsinya yaitu : a. Pelimpah ambang tajam.b. Bendung pelimpah (Spillway).

3.2.a. Pelimpah Ambang Tajam :

Pelimpah ambang tajam dipakai untuk mengukur debit aliran didalam saluran irigasi, bentuknya ada beberapa macam yaitu :

* Alat Ukur Rehbock

* Alat Ukur Thomson* Alat Ukur Chipoletti.

Alat ukur Rehbock :

Alat Ukur Thomson :

Alat Ukur Chipoletti :

3.2.b. Bendung Pelimpah ( Over Flow Spillway)

Disamping sebagai alat ukur debit aliran, bendung pelimpah ambang pendek juga dapat digunakan sebagai bangunan pelimpah (spillway).

Di Indonesia pada umumnya digunakan dua tipe ambang untuk pelimpah, yaitu :1. Ambang tipe Ogee2. Ambang tipe bulat

Ambang tipe Ogee.

Ambang Ogee berbentuk tirai bawah dari pelimpah ambang tajam.

Dari data-data percobaan USBR persamaan bentuk bidang hilir yaitu :

dimana :x, y, = koordinat, diukur dari titik puncakHd = tinggi muka airK, n, = parameter, yang bergantung pada

kemiringan bidang muka

Kemiringan muka/bgn hulu K nTegal lurus 2 1,853 : 1 (Vertikal/Horisontal) 1,936 1,8363 : 2 (Vertikal/Horisontal) 1,939 1,8103 : 3 (Vertikal/Horisontal) 1,873 1,776

Debit yang mengalir melalui overflow spillway

Persamaan umum debit :

dimana : C = koefisien pengaliran

L = panjang effektif spillwayHe = tinggi total energi diatas mercu

Untuk spillway tinggi :

*

*

* C = 4,03

*

Untuk spillway rendah :

*

*

*

* C didapat dari grafik antara

(Hidrolika saluran terbuka Ven te Chou hal 362)

- dimana Cd = 4,03 dan - bentuk lantai depan vertical.

* Bila lantai depan tidak vertical maka harga C hrs dikalikan dengan factor koreksi.

Panjang effektif spillway :

dimana : L’ = lebar mercu (lebar bentang bersih)n = banyaknya penyempitan sisiK = 0,1 bentuk pier tebal dan tumpul

0,04 bentuk pier runcing dan tipis 0,035 bentuk pier bulat

Aliran pada lantai belakang spillway:

Kecepatan teoritis adalah : dimana :

z = jarak vertical dari muka air didepan spillway sampai lantai belakang spillway

= kedalaman aliran dibelakang spillway.

Kecepatan sebenarnya adalah lebih kecil dari kecepatan teoritis, tergantung pada Head (Hd), dan tinggi jatuh (z).

Dari beberapa percobaan dapat pula dilihat bahwa kecepatan sebenarnya bisa menjadi lebih besar dp kecepatan teoritis bila : Head (Hd) kecil dan tinggi jatuh (z) besar.

Dari hasil studi mengenai hubungan antara kec sebenarnya dan kecepatan teoritis, USBR menyusun sebuah grafik yang menunjukkan besarnya kecepatan sebenarnya untuk berbagai harga Head (Hd) dan z dengan kemiringan punggung 1 : 0,6 s/d 1 : 0,8 (Hidrolika saluran terbuka Ven te Chou hal 379)

Pada pertemuan antara permukaan lantai dan punggung spillway biasanya dibuat melengkung

dan ini disebut bucket, dimana jari-jari bucket dihitung dengan rumus :

Contoh Soal : Diketahui sebuah bendung pelimpah (spillway) dengan

bidang muka (bagian hulu) tegak lurus, dan panjang mercu 250 ft.

Debit rencana 75.000 cfs. Elevasi muka air dihulu bendung adalah 1000 ft Elevasi lantai muka (bgn hulu bendung) adalah 880 ft. Elevasi lantai belakang (bgn hilir) adalah 850 ft. Bentuk bidang hilir, miring 1 : 0,6 (V/H = 1/0,6) Tentukan tinggi mercu dan bentuk penampang

spillway.

Jawab :

a. Misalkan pelimpah dianggap cukup tinggi.

Total energi diatas mercu :

Kecepatan aliran masuk :

Tinggi kecepatan :

Tinggi muka air diatas mercu :

Tinggi bendung :

spillway tinggi

Ternyata pemisalan benar !!

Elevasi mercu bendung = 880 + 102,40 = 982,40 ft atau = 1000 – 17,60 = 982,40 ft

b. Bentuk mercu bagian hilir (punggung spillway) dinyatakan dengan persamaan :

untuk spillway vertical : K = 2 & n = 1,85

c. Menghitung koorbinat titik B :Bentuk lengkung AB mengikuti persamaan

X 5 10 15 20 25 30 35,2Y 0,85 3,09 6,55 11,15 16,80 23,61 31,74

d. Bentuk puncak spillway (ketentuan) :

e. Lantai belakang spillway :

Tinggi jatuh ( z ) = 1000 – 850 = 150 ft

Tinggi energi ( ) = 17,60 ft

Dari grafik antara z & didapat

Jari-jari bucket

Soal 2.

Pada sebuah sungai yang mengalirkan debit sebesar 80.000 cfs dibuat spillway dengan bidang muka mempu-nyai kemiringan 3:2. elevasi lantai muka 676 ft dan elevasi garis energi adalah 700 ft.Bila panjang spillway adalah selebar sungai yaitu 240 ft,

1. berapakah elevasi mercu ?2. Bagaimanakah persamaan lengkung AB (punggung

spillway) ?

a. Misalkan spillway tinggi.

(dari gambar)

spillway rendah,

(pemisalan keliru)

b. Spillway rendah, dihitung dengan cara coba-coba.Prosedur perhitungan :

1. Ambil

2.

3.

4.

5.

6. Dari grafik hal 362 Aliran sal terbuka – Ven te

chou dengan didapat

7. Hitung

8.

9. Ternyata

10. Perhitungan diulang dengan mengambil sampai diperoleh harga He yang dimisalkan = He hasil hitungan.

h Koreksi

C

18,99

19,13

16

16,14

5,01

4,87

1,187

1,185

0,313

0,302

0.976

0,972

1.013

1,012

3,984

3,964

83,67

84,09

19,13

19,19

19,19

19,22

16,20

16,23

4,81

4,78

1,185

1,184

0,297

0,295

0,970

0,969

1,012

1,012

3,956

3,955

84,36

84,28

19,22

19,22

El puncak mercu = el. Lantai muka + tinggi bendung

= 676 + 4,78

= 680,78 ft

Persamaan lengkung AB :

Dengan kemiringan bidang muka 3 : 2 didapat K= 1,939 dan n = 1,81