i

HALAMAN JUDUL

KAJIAN HIDRAULIK FLAP GATE

PADA ALIRAN BEBAS DAN ALIRAN TENGGELAM

Tesis

Untuk memenuhi sebagian persyaratan mencapai derajat Sarjana S-2

Program Studi Teknik Sipil Kelompok Bidang Ilmu-ilmu Teknik

diajukan oleh

ZUFRIMAR

22531/I-1/2330/05

kepada SEKOLAH PASCASARJANA

UNIVERSITAS GADJAH MADA YOGYAKARTA

2007

ii

HALAMAN

PENGESAHAN

AN

iii

PERNYATAAN

Dengan ini saya menyatakan bahwa dalam tesis ini tidak terdapat

karya yang pernah diajukan untuk memperoleh gelar kesarjanaan

di suatu Perguruan Tinggi, dan sepanjang pengetahuan saya juga

tidak terdapat karya atau pendapat yang pernah ditulis atau

diterbitkan oleh orang lain, kecuali yang secara tertulis diacu dalam

naskah ini dan disebutkan dalam daftar pustaka.

Yogyakarta, November 2007

Z U F R I M A R

iv

HALAMAN PERSEMBAHAN

”Sesungguhnya sesudah kesulitan itu ada kemudahan. Maka apabila kamu telah selesai (dari sesuatu urusan), kerjakanlah dengan

sungguh-sungguh (urusan) yang lain” (Alam Nasyrah : 6-7)

Persembahan kecil ini untuk : Kedua orang tuaku Zamzami dan Zainimar,

Kakakku Misnarti serta Adik-adikku Sri Maizarti Dewi Zuherni dan Ilham Kurniawan,

Terima kasih atas do’a, dukungan, kepercayaan, dorongan semangat, perhatian dan kasih sayangnya

v

KATA PENGANTAR

Puji syukur penulis panjatkan kepada Allah SWT, atas rahmat dan

hidayah-Nya penulis dapat menyelesaikan tesis ini.

Tesis dengan judul Kajian Hidraulik Flap Gate Pada Aliran Bebas dan

Aliran Tenggelam disusun sebagai salah satu syarat untuk menyelesaikan

pendidikan program strata-2 di Sekolah Pascasarjana Universitas Gadjah Mada

Yogyakarta.

Penulis menyadari selesainya tesis ini merupakan bantuan dari berbagai

pihak sebelum, selama penelitian, dan selama penyusunan tesis ini. Semoga Allah

SWT memberikan balasan dengan yang lebih baik dan berlipat ganda. Amin.

Terima kasih penulis sampaikan kepada :

1. Prof. Dr. Ir. Budi Wignyosukarto, Dip.HE, DEA, selaku Pembimbing Utama.

2. Dr. Ir. Istiarto, M.Eng., selaku Pembimbing Pendamping.

3. Prof. Dr. Ir. Djoko Legono, selaku Penguji Tesis.

4. Dr. Ir. Bambang Agus Kironoto, selaku Pengelola Program Studi Teknik Sipil

Program Pascasarjana Universitas Gadjah Mada,

5. Dr. Ir. Radianta Triatmadja, selaku Kepala Laboratorium Hidrologi dan

Hidraulika Pusat Studi Antar Universitas, Universitas Gadjah Mada.

6. Teman sepenelitian Budi dan Tengku

7. Seluruh dosen dan karyawan bagian akademik Program S2 Reguler Teknik

Sipil Universitas Gadjah Mada.

8. Seluruh karyawan Laboratorium Hidrologi dan Hidraulika Pusat Studi Antar

Universitas, Universitas Gadjah Mada.

9. Kedua orang tuaku Zamzami dan Zainimar, kakakku Misnarti serta adik-

adikku Sri Maizarti, Dewi Zuherni dan Ilham Kurniawan.

10. Sdr. Sanidhya Nika Purnomo, S.T., M.T., Daru Purbaningtyas, S.T., M.T., dan

Dwi Anung Nindito, S.T., M.T.

11. Rekan-rekan S-2 angkatan 2005 minat studi Keairan Eko Rusdianto, Asta,

Ratna Septi H, Yolly Adriati, Ferdian A.S. Hanmi, Erni Rante Bungin, Karni

vi

Natalia P.R, Reni O. Tarru, Andrea Sumarah Asih, Arvandi, Drestanto dan

semua pihak yang tidak dapat disebutkan satu persatu.

Penulis menyadari bahwa Tesis ini masih jauh dari sempurna. Untuk itu,

penulis dengan senang hati menerima kritik dan saran yang bersifat membangun.

Akhir kata, semoga Tesis ini dapat bermanfaat bagi siapa saja yang membacanya

terutama bagi penulis, dalam pengembangan ilmu di bidang Teknik Sipil. Amin.

Yogyakarta, November 2007

Penulis

vii

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL ....................................................................................

HALAMAN PENGESAHANAN ................................................................

PERNYATAAN ............................................................................................

HALAMAN PERSEMBAHAN ..................................................................

KATA PENGANTAR ..................................................................................

DAFTAR ISI .................................................................................................

DAFTAR GAMBAR ....................................................................................

DAFTAR TABEL ........................................................................................

DAFTAR LAMPIRAN ................................................................................

DAFTAR NOTASI .......................................................................................

INTISARI .....................................................................................................

ABSTRACT ..................................................................................................

i

ii

iii

iv

v

vii

ix

xi

xii

xiii

xv

xvi

BAB I. PENDAHULUAN ................................................................................... 1

A. Latar Belakang ...................................................................................... 1

B. Tujuan Penelitian .................................................................................. 2

C. Batasan Penelitian ................................................................................. 2

BAB II. TINJAUAN PUSTAKA ......................................................................... 3

A. Umum .................................................................................................... 3

B. Fenomena Aliran pada Flap Gate .......................................................... 5

C. Aliran di Hilir Pintu .............................................................................. 5

D. Gaya-Gaya Hidrodinamik pada Pintu ................................................... 7

E. Profil Aliran .......................................................................................... 8

F. Hidraulik Flap Gate ............................................................................. 10

BAB III. LANDASAN TEORI ............................................................................ 11

A. Umum .................................................................................................. 11

B. Persamaan Energi ................................................................................ 11

C. Persamaan Momentum ........................................................................ 12

D. Keseimbangan Momen ....................................................................... 14

E. Persamaan Aliran Bebas ..................................................................... 18

viii

F. Persamaan Aliran Tenggelam ............................................................. 20

G. Hipotesis .............................................................................................. 21

BAB IV. METODE PENELITIAN .................................................................... 22

A. Umum .................................................................................................. 22

B. Instalasi Alat ....................................................................................... 22

C. Variabel yang Diteliti .......................................................................... 26

D. Kalibrasi dan Pemeriksaan Alat .......................................................... 27

E. Perancangan Model ............................................................................. 28

F. Pelaksanaan Percobaan ....................................................................... 28

G. Tahapan Penelitian .............................................................................. 30

BAB V. ANALISIS DAN PEMBAHASAN ...................................................... 31

A. Parameter Aliran ................................................................................. 31

B. Profil Aliran ........................................................................................ 32

C. Energi Spesifik dan Gaya Spesifik pada Flap Gate ............................ 33

D. Pengaruh Muka Air Hulu Terhadap Koefisien Debit pada Aliran

Bebas ................................................................................................... 37

E. Pengaruh Bukaan Sudut terhadap Gaya Berat Pintu ........................... 39

F. Proses Loncat Air ................................................................................ 41

G. Pengaruh Perubahan Debit Terhadap Bukaan Pintu ........................... 42

H. Pengaruh Bukaan Sudut Terhadap Momen Angkat pada Aliran

Tenggelam ........................................................................................... 44

I. Pengaruh Perubahan Muka Air Hilir pada Aliran Tenggelam ............ 45

J. Pengaruh Parameter Hidraulik terhadap Angka Froude ..................... 46

K. Pengaruh Perbedaan Muka Air terhadap Tinggi Bukaan Pintu .......... 48

L. Koefisien Debit pada Aliran Tenggelam ............................................. 49

M. Pengaruh Tekanan Air dan Berat Pintu pada saat Pintu Mulai

Membuka ............................................................................................ 50

BAB VI. PENUTUP ............................................................................................. 51

A. Kesimpulan ......................................................................................... 51

B. Saran .................................................................................................... 52

DAFTAR PUSTAKA .......................................................................................... 53

ix

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1. Tipe Flap Gate (Suripin, 2004) .......................................................... 4

Gambar 2.2. Aliran Melewati Flap Gate ................................................................ 5

Gambar 2.3. Berbagai Jenis Loncatan Hidraulik .................................................... 7

Gambar 2.4. Pembagian Zone Aliran ...................................................................... 8

Gambar 2.5. Profil Aliran di Saluran Landai .......................................................... 9

Gambar 3.1. Skema Persamaan Momentum (French, 1986) ................................ 12

Gambar 3.2. Gaya – Gaya pada Sluice Gate ......................................................... 13

Gambar 3.3. Gaya – Gaya pada Flap Gate ........................................................... 13

Gambar 3.4. Keseimbangan Momen pada Aliran Bebas ...................................... 14

Gambar 3.5. Skema Gaya pada Pintu Aliran Tenggelam ..................................... 15

Gambar 3.6. Keseimbangan Momen pada Pintu ................................................... 17

Gambar 3.7. Aliran Bebas pada Flap Gate ........................................................... 18

Gambar 3.8. Aliran Tenggelam pada Flap Gate .................................................. 20

Gambar 4.1. Skema Instalasi Alat .........................................................................23

Gambar 4.2. Standard Tilting Flume .................................................................... 24

Gambar 4.3. Flap Gate.......................................................................................... 25

Gambar 4.4. Pompa dan Kran ............................................................................... 25

Gambar 4.5. Point Gauge ..................................................................................... 26

Gambar 4.6. Kurva Hubungan Debit dan Kedalaman .......................................... 27

Gambar 4.7. Gambar Tuas Pengungkit ................................................................. 28

Gambar 4.8. Bagan Alir Pelaksanaan Penelitian .................................................. 30

Gambar 5.1. Letak Titik Pengamatan Aliran Bebas ............................................. 31

Gambar 5.2. Letak Titik Pengamatan Aliran Tenggelam ..................................... 31

Gambar 5.3. Profil Permukaan Aliran................................................................... 32

Gambar 5.4. Hubungan Jarak dan Tinggi Muka Air Model Q2 Aliran Bebas ..... 33

Gambar 5.5. Kurva Energi Spesifik dan Gaya Spesifik pada Hulu Flap Gate ..... 35

Gambar 5.6. Kurva Energi Spesifik dan Gaya Spesifik pada Flap Gate dengan

Δz dan ΔFs ....................................................................................... 36

Gambar 5.7. Grafik Koefisien Kontraksi pada Bukaan Pintu Berbeda ................. 37

x

Gambar 5.8. Grafik Koefisien Debit dengan Pengaruh Koefisien Kontraksi

pada Aliran Bebas ............................................................................ 38

Gambar 5.9. Grafik Koefisien Debit Tanpa Pengaruh Koefisien Kontraksi

pada Aliran Bebas ............................................................................ 39

Gambar 5.10. Grafik Hubungan β dan β’ ............................................................. 41

Gambar 5.11. Proses Loncat Air ........................................................................... 42

Gambar 5.12. Grafik Perubahan Debit terhadap Bukaan Pintu ............................ 43

Gambar 5.13. Grafik Hubungan Momen Angkat terhadap Bukaan Sudut ........... 44

Gambar 5.14. Hubungan Angka Froude terhadap y3/yj ........................................ 46

Gambar 5.15. Hubungan Angka Froude terhadap Lj/yj ........................................ 47

Gambar 5.16. Hubungan Angka Froude terhadap Lj/y3 ........................................ 47

Gambar 5.17. Grafik Hubungan Δy dan a ............................................................. 48

Gambar 5.18. Grafik Koefisien Debit pada aliran Submerged ............................. 49

xi

DAFTAR TABEL

Tabel 5.1. Hasil perhitungan gaya luar dengan prinsip momentum ..................... 40

Tabel 5.2. Hasil perhitungan gaya luar dengan prinsip keseimbangan momen .... 40

Tabel 5.3. Perhitungan Aliran Tenggelam ............................................................ 45

xii

DAFTAR LAMPIRAN

Halaman

Lampiran I

Lampiran II

Lampiran III

Lampiran IV

Lampiran V

Lampiran VI

Data Pengukuran Aliran Bebas ...........................

Perhitungan Energi Spesifik pada Hulu

pintu .....................................................................

Perhitungan Cc dan Cd pada Aliran Bebas ……

Perhitungan Gaya Spesifik tampang J dan 3

pada Aliran Bebas ……………………………

Perhitungan Pengaruh Parameter Hidraulik

terhadap Angka Froude ………………………

Perhitungan Bukaan Sudut terhadap Momen

Angkat pada Aliran Tenggelam ………………

Lampiran I – 1

Lampiran II – 1

Lampiran III – 1

Lampiran IV – 1

Lampiran V – 1

Lampiran VI - 1

xiii

DAFTAR NOTASI

A = luas penampang

a = tinggi bukaan pintu

B = lebar saluran / flume

b = tinggi miring bagian pintu terendam

β = sudut bukaan pintu yang dibentuk as pintu terhadap horizontal

Cc = koefisien kontraksi

Cd = koefisien debit

CDL = critical depth line

d = jarak vertikal pusat berat pintu terhadap muka air

Es = energi spesifik

F = gaya tekanan air pada penampang

Fr = angka Froude

g = percepatan gravitasi

γ = berat volume fluida / air

H = tinggi energi

M = kurva muka air pada saluran landai (mild slope)

Me = momen pengaruh gesekan engsel

Mb = momen angkat pada posisi daun pintu tenggelam

Mg = momen akibat berat pintu

Mr = momen akibat air dari hulu

Ms = momen akibat air dari hilir

NDL = normal depth line

Q = debit nyata / terukur

Qobs = debit observed / terukur

Qcal = debit terhitung

q = debit persatuan lebar untuk aliran tenggelam

Sc = kemiringan dasar saluran kritik

So = kemiringan dasar saluran

V = kecepatan aliran

W = berat pintu

xiv

w = lebar pintu

x,y = jarak horizontal, vertikal pusat berat pintu terhadap engsel

yn = kedalaman muka air normal

y1 = kedalaman muka air hulu

y2 = kedalaman muka air vena contacta

y3 = kedalaman muka air hilir

yj = kedalaman muka air tepat di awal loncat air

z = ketinggian titik di atas garis referensi

ΔE = kehilangan energi

xv

INTISARI

Pengoperasian pintu yang dilakukan oleh tenaga manusia tidak sesuai digunakan pada daerah yang dipengaruhi oleh aliran pasang surut. Pintu harus dibuka pada saat muka air di sebelah hulu tinggi dan ditutup saat muka air di sebelah hilir naik. Kinerja pintu dipengaruhi oleh perilaku aliran, sehingga pemahaman yang baik mengenai hidraulika aliran yang terjadi di sekitar pintu (flap gate) baik aliran bebas maupun aliran tenggelam perlu dimiliki.

Penelitian menggunakan model flap gate berbentuk segi empat yang

ditempatkan pada flume di laboratorium dengan tinjauan terhadap kondisi aliran bebas dan aliran tenggelam. Pada kondisi aliran bebas dilakukan pengujian dengan 10 variasi kisaran debit dengan masing-masing 3 atau 4 perubahan kedalaman hilir, sedangkan pada kondisi aliran tenggelam dilakukan pengujian dengan 8 variasi kisaran debit dengan masing-masing 10 perubahan kedalaman hilir. Parameter yang diukur adalah kedalaman air pada titik-titik di sebelah hulu dan hilir flap gate serta jaraknya terhadap as pintu (engsel). Pengukuran kedalaman menggunakan point gauge dan pengaturan kedalaman hilir menggunakan tail gate. Analisis pada penelitian ini didekati dengan persamaan konsevasi energi, konservasi momentum dan keseimbangan momen.

Hasil penelitian menunjukkan bahwa pada kondisi aliran bebas bukaan

pintu dipengaruhi oleh perubahan debit air di sebelah hulu, namun tidak dipengaruhi oleh perubahan muka air di sebelah hilir. Pada kondisi aliran tenggelam, gaya angkat yang semakin besar mengakibatkan bukaan pintu yang semakin besar. Perubahan aliran bebas menjadi aliran tenggelam dipengaruhi oleh debit yang mengalir dan sudut bukaan yang terjadi pada pintu. Penambahan kedalaman muka air hilir mengakibatkan semakin besar angka Froude tepat di hulu loncat air dan memperkecil jarak loncat air. Kata kunci : Hidraulik flap gate, aliran bebas, aliran tenggelam, gaya

angkat.

xvi

ABSTRACT

Manual gate operation is not suitable to be applied in tidal area. The gate has to be opened when the upstream water level is high and closed when the downstream water level rises. The gate performance depends on the flow behavior, thus a good understanding of flow hydraulic around the flap gate, either free or submerged, is a necessity.

The research was conducted by applying flap gate model in a laboratory

flume towards aspect of free and submerged flow regime. Ten discharge variations, with each 3 or 4 downstream depth changes were applied in free flow, while 8 discharge variations, with each 10 downstream depth changes were applied in free flow. Parameters measured were flow depth at the upstream and downstream points of the model and the corresponding distance towards the model centerline. Depth measurement was conducted by means of point gauge and downstream depth change was controlled by tail gate. Analyses were performed by advancing energy conservation, momentum conservation and moment balance.

The result showed that in free flow regime, gate openings were affected

by upstream discharge changes, not by downstream water level changes. In submerged flow regime, gate openings were affected by the lift force. Transition of free flow regime to submerged flow regime was affected by the flow discharge and the angle of gate opening. The increasing downstream depth affected in bigger Froude number right at the upper section of hydraulic jump, thus decreasing the distance of the jump. Keywords : Hydraulic of flap gate, free flow, submerged flow, lift force.

1

BAB I. PENDAHULUAN

A. Latar Belakang

Kawasan kepulauan mempunyai potensi daerah rawa yang cukup besar.

Luas lahan rawa di Indonesia diperkirakan 33,4 juta ha, yang terdiri atas 20 juta

ha rawa pasang surut dan 13,4 juta ha rawa lebak (Didi, 2005). Untuk

memanfaatkan daerah rawa ini, pemerintah telah mengembangan lahan pertanian

di daerah pasang surut, untuk menunjang swasembada pangan. Dalam

pengembangan lahan ini, salah satu kendala pengelolaan sumber daya air dan

tanah di daerah pasang surut adalah jenis tanah gambut yang berpotensi masam,

spesifik di daerah rawa pasang surut disamping adanya intrusi air laut.

Perubahan sumber daya air dan tanah ini sangat mengganggu aliran di

sekitar muara sungai yang digunakan untuk irigasi pertanian. Pengendalian

kualitas air di saluran untuk pengoperasian sarana pengairan perlu dilakukan

untuk penyempurnaan kapasitas saluran dalam hal mengatasi keasaman dengan

melakukan sistem aliran satu arah di saluran dengan bantuan pintu pengatur.

Kondisi muara sungai umumnya bertopografi datar, jauh dari pemukiman

penduduk serta dipengaruhi pasang surut air laut. Di daerah seperti ini

penggunaan pintu geser atau pintu sejenis yang dilakukan dengan tenaga manusia

tidak sesuai. Pada saat muka air dari hulu tinggi, pintu harus dibuka, sehingga bila

letak pintu jauh dari pemukiman akan menyulitkan dalam pengoperasiannya. Oleh

karena itu pemilihan pintu klep otomatis (flap gate) cocok digunakan untuk

kondisi tersebut.

Flap gate lebih dikenal sebagai pintu klep otomatis. Pengoperasian pintu

ini dapat membuka dan menutup secara otomatis akibat perbedaan tinggi muka air

di hulu dan di hilir bangunan. Letak pintu klep dapat diatur untuk memasukkan air

pada waktu pasang dan menahan pada waktu surut atau sebaliknya, tergantung

kebutuhan. Klep dapat dipasang supaya menahan air di saluran dan di lahan. Bila

klep membuka ke dalam, pintu terbuka pada waktu pasang dan tertutup pada

waktu surut sehingga air yang telah masuk tidak bisa keluar. Klep juga dapat

2

dipasang untuk membuang air dari saluran. Bila klep membuka ke luar, air tidak

bisa masuk pada waktu pasang, tapi dibuang pada waktu surut. Proses buka tutup

pintu ini sangat dipengaruhi oleh keseimbangan pada strukturnya. Hal ini

merupakan suatu tantangan dalam mendesain flap gate.

Dalam tesis ini, dilakukan penelitian mengenai perilaku hidraulik pintu air

model flap gate pada aliran bebas dan aliran tenggelam. Pintu ini dapat digunakan

sebagai pengatur ketinggian muka air hulu yang salah satunya untuk irigasi

disamping pengendalian muka air banjir akibat aliran balik dari laut. Penelitian ini

diharapkan dapat memberikan masukan dalam merancang pintu air di daerah yang

dipengaruhi pasang surut.

B. Tujuan Penelitian

Penelitian ini bertujuan untuk :

1. Mempelajari aliran yang melewati flap gate

2. Mengetahui perubahan aliran yang melewati flap gate sehingga dapat

digunakan sebagai dasar perencanaan pintu air di lapangan

C. Batasan Penelitian

Ruang lingkup penelitian ini dibatasi pada :

1. Flap gate berbentuk segi empat

2. Kemiringan dasar saluran landai (So ≈ 0)

3. Simulasi perubahan muka aliran menggunakan tail gate

4. Debit aliran dari pompa dengan variasi perubahan debit menggunakan kran

5. Penempatan model flap gate di tengah saluran

6. Perbedaan elevasi di hulu dan hilir pintu diabaikan.

3

BAB II. TINJAUAN PUSTAKA

A. Umum

Pengembangan flap gate telah banyak di teliti untuk meningkatkan fungsi

dan kegunaannya. Pengoperasian Flap gate tipe Xiangtan Q hanya didasarkan

pada tekanan hidraulik. Pintu secara otomatis akan membuka untuk perlindungan

terhadap banjir. Pada saat muka air rendah, pintu akan menutup untuk menyimpan

air. Pintu ini tidak menggunakan pengapung untuk menyeimbangkan berat. Pintu

berbentuk plat segi empat yang terbuat dari besi dan dapat digunakan untuk

kondisi aliran bebas maupun aliran tenggelam (Jiong, 1990)

Flap gate (Novak, 2001) mempunyai bentuk sederhana yang digunakan

untuk pengaturan puncak bendung. Awalnya terbuat dari kayu, yang dapat

digunakan setinggi 6 m dengan bentang 30 m. Untuk bentang yang lebih lebar,

flap dihubungkan satu sama lainnya, namun masing-masing digerakkan oleh

pengungkit hidraulik terpisah.

Desain flap gate sebagai kontrol elevasi aliran di hulu pintu air dapat

menggunakan excel. Desain ini berdasarkan dengan memperkirakan pasangan

penutup dan pembuka pintu pada berbagai sudut dan tingkat kedalaman air yang

diinginkan. Dengan memasukkan data-data yang dibutuhkan pada program excel,

dimensi pintu dapat ditentukan sehingga pemasangan pintu hanya membutuhkan

sedikit pemberat (Burt, 2001).

Di Indonesia biasanya flap gate terbuat dari kayu, besi atau ferrocement

Namun mempunyai permasalahan dengan mutu bahan, kestabilan struktur

terutama pada tanah lunak serta perencanaan yang tidak sesuai dengan kondisi

alam setempat. Ini menyebabkan kinerja pintu menjadi rendah, bahkan kadang

tidak berfungsi. Puslitbang Air telah membuat pintu bahan tahan korosi yaitu fiber

resin. Berdasarkan hasil model fisik dilaboratorium, pintu dapat beroperasi

dengan baik walaupun bobot pintu kecil (dapat diubah) dengan sistem engsel yang

baik serta beda muka air di hulu dan di hilir yang kecil (± 2 cm).

4

Beberapa tipe flap gate yang telah dikembangkan dapat dilihat pada Gambar 2.1

Gambar 2.1. Tipe Flap Gate (Suripin, 2004)