BAB II

KAJIAN PUSTAKA

2.1 Umum

Bendungan adalah sebuah bangunan yang dibangun melintang pada badan sungai

dengan perhitungan-perhitungan kekuatan tertentu untuk mendapatkan efek berupa

tampungan yang dinamakan waduk

Pada hakikatnya, bendungan merupakan suatu bangunan yang dibangun dengan

tujuan untuk memenuhi kebutuhan manusia akan sumberdaya air, baik untuk kebutuhan air

irigasi, air baku, industri, kebutuhan rumah tangga dll.

2.2 Terowongan Pengelak (Diversion Tunnel)

Pada sebuah bendungan yang sedang dilakukan konstruksi melintang sungai perlu

mempertimbangkan pengalihan/ pengelakan dari aliran sungai di sekitar atau melalui site

bendungan selama masa konstruksi. Tingkat variasi dari masalah pengelakan aliran tersebut

tergantung dari besar dan potensi banjir dari aliran sungai. Pada beberapa site bendungan,

pengelakan aliran bisa jadi menjadi mahal dan memakan waktu yang berakibat pada

pengaturan jadwal aktifitas konstruksi. Meskipun demikian, masalah pengelakan aliran pasti

terjadi pada semua site bendungan dimanapun, kecuali yang dibangun di luar aliran sungai

(off stream), dan pemilihan rencana pengelakan aliran yang paling tepat itu penting bagi nilai

ekonomis dari suatu bendungan.

Rencana pengelakan aliran biasanya dipilih pada lokasi yang menggambarkan suatu

keseimbangan antara biaya konstruksi fasilitas pengelak dan nilai resiko yang terjadi.

Rencana pengelakan aliran yang baik akan meminimalisasikan kemungkinan dari kerusakan

akibat banjir pada hasil konstruksi yang sedang dilakukan pada jumlah yang minimum pula.

Faktor-faktor yang harus dipertimbangkan dalam penentuan rencana pengelakan terbaik

adalah :

a. Karakterisitik aliran

b. Besar dan frekuensi banjir yang terjadi

c. Metode pengelakan aliran

d. Spesifikasi yang diinginkan.

2.3. Terowongan (Tunnels)

Biasanya tidak cocok untuk melakukan pekerjaan pondasi yang cukup besar pada

ngarai yang menyempit (narrow canyon) sebelum aliran telah terelakkan. Dalam kondisi ini

9

10

penggunaan terowongan terbuki paling cocok untuk pengelakkan aliran, baik untuk

bendungan tipe urugan maupun beton. Aliran sungai dilewatkan/ diteruskan mengelilingi

area konstruksi melalui terowongan di satu atau kedua pangkal bendungan (abutment). Jika

terowongan pelimpah atau terowongan outlet akan dibuat pada desain bendungan,

penggunaan terowongan pelimpah/ outlet sudah terbukti nilai ekonomis dari

penggunaannya dalam perencanaan bangunan pengelak. Jika bagian hulu dari terowongan

permanen berada di atas elevasi dasar sungai, sebuah saluran pengelak sementara

(temporary adit) di hillir bisa dibuat untuk menghasilkan sebuah terusan muka air (stream-

level bypass). Gambar 2.1 Menunjukkan sebuah saluran (adit), yang dikonstruksi di

Seminoe Dam yang dibuat untuk mengelakkan air melewati terowongan pelimpah.

Gambar Saluran Pengelak dan Cofferdam Hulu di Seminoe Dam

Sumber : Design of Small Dams, 1987; 496

Jika ada bangunan terowongan outlet pada sungai, terutama pada bendungan tipe

urugan, pada umumnya digunakan untuk pengelak.. normalnya, bangunan terowongan

pengelak diletakkan pada elevasi di dekat level elevasi sungai. Jika tower atau drop inlet

digunakan, maka saluran sementara (temporary adit) di hulu sebagai dasar dari struktur

intake perlu dibuat. Setelah fungsi pengelakan selesai, saluran (adit) ini ditutup dengan

pintu atau sekat, dan penyumbat dari beton yang dipasang di struktur intake sebagai penutup

permanen.

2.4 Analisis Hidrolika Pada Saluran Pengelak

Untuk analisis hidrolika pada saluran pengelak ini dibahas mengenai kapasitas

pengaliran melalui saluran pengelak, baik melalui terowongan maupun conduit karena

11

prinsip dasar dari ke-dua pengelak tersebut adalah sama. Kapasitas pengaliran saluran ini

dibedakan menjadi dua kondisi yaitu, pada saat aliran bebas (free flow) yaitu pada saat sifat

hidrolik yang terjadi berupa hidrolika saluran terbuka dan kondisi pada saat aliran tertekan

yaitu pada saat sifat hidrolik yang terjadi berupa hidrolika saluran tertutup.

tampungan. Bentuk inlet bersudut menghasilkan konstraksi yang diinginkan tanpa

mengurangi kapasitas debit utama. Konstraksi pada inlet dapat terbentuk (tetapi pada

kapasitas hidrolik yang dikurangi) dengan inlet yang diproyeksikan, dengan mengubah sudut

inlet dengan menyamakan dengan kemiringan hilir, dengan bentuk gelang orifice yang lebih

kecil dari diameter terowongan, atau dengan menutup dinding muka bagian atas dari mulut

masukan terowongan.

Jika terowongan diizinkan untuk mengalir penuh total hingga tinggi muka air yang

lebih tinggi, kontrolnya akan terjadi pada outlet dan geometri inlet akan berpengaruh lebih

kecil. Pada kasus ini inlet harus dibentuk untuk meminimalisasikan konstraksi pancar untuk

mencegah abrasi dari aliran masuk dari tubuh terowongan karena aliran pipa penuh total

diinginkan pada semua kondisi kecuali ketika inlet tidak tenggelam. Bentuk yang lebih

streamline akan mengurangi kehilangan pada mulut masukan untuk kondisi penuh total.

Penghilangan konstraksi dicapai dengan membulatkan inlet atau dengan membuat sudut

transisi bertahap menuju ke tubuh terowongan.

Gambar Model Kondisi Aliran pada Terowongan dengan Kemiringan/ Slope Landai dan

Curam.

Sumber: Design of Small Dams, 1987:423

12

2.5 Aliran Bebas (free flow)

Dalam hal ini diasumsikan bahwa akan terjadi aliran bebas apabila tinggi muka air di

waduk (H) ≤ 1,5diameter pengelak (D). Untuk menentukan besarnya debit yang lewat

pengelak pada keadaan aliran bebas dapat digunakan rumus Manning bila aliran adalah

subkritis.

Gambar 2.14 Hidrolika Aliran dalam Pengelak Pada Aliran Bebas

Sumber: Hidrolika Saluran Terbuka, Ven Te Chow, 1997; 446

v =

1n

R2 /3 S1/2

(3-1)

Q = A. v (3-2)

dimana:

v = kecepatan aliran (m/detik)

n = koefisien kecepatan manning (untuk beton n= 0,014)

R = jari-jari hidrolis =A/P (m)

A = luas penampang basah (m2)

S = kemiringan alur pengelak

Untuk memeriksa pada kedalaman berapa terjadi pengaliran kritis digunakan rumus :

Qc = √ g . A3 zB (3-3)

F =

v

√g . H (3-4)

Dimana:

Qc = debit yang melewati pengelak dalam kondisi kritis (m3/detik)

g = percepatan gravitasi (= 9,81 m/detik2)

A = luas penampang basah (m2)

F = bilangan Froude

H = kedalaman aliran (m)

13

Kondisi aliran tersebut sangat perlu untuk diketahui, karena dengan demikian dapat

diketahui karakteristik hidrolisnya. Bila kondisi aliran pada berbagai kedalaman air

superkritis (Q > Qc atau F > 1), maka rumus Manning tidak berlaku dan harus digunakan

rumus dalam kondisi kritis sebagai berikut:

Gambar 2.15 Hidrolika Aliran Dalam Pengelak pada Kondisi Superkritis

Sumber: Hidrolika Saluran Terbuka, Ven Te Chow, 1997; 446

vc = √ g. H c (3-5)

Yc = 2/3 H (3-6)

vc = √ 23

gH(3-7)

Qc = A√ 23

gH(3-8)

Dimana:

Hc = kedalaman aliran kritis (m)

2.6 Aliran Tekan (Pressure Flow)

Diasumsikan bahwa aliran tekan ini akan terjadi bila tinggi air di waduk (H) > 1,5

diameter pengelak (D). Pada keadaan demikian digunakan rumus:

Gambar 2.16 Hidrolika Aliran Dalam Pengelak Pada Aliran Tekan

Q = A. v (3-9)

14

v = √ 2 g( H + L. sin θ− D /2)(1+ΣC ) (3-10)

dimana:

H = kedalaman air waduk dihitung dari dasar inlet pengelak (m)

D = tinggi pengelak (m)

L = panjang pengelak (m)

θ = sudut yang dibentuk oleh alur pengelak

c = jumlah koefisien kehilangan energi

Untuk jumlah kehilangan energi dapat dihitung berdasarkan desain saluran yang

dibuat oleh perencana.

2.7 Macam Bentuk Terowongan pada Bendungan

2.7.1 Terowongan pada Bendungan dengan Penampang Lingkaran

Desain awal terowongan pengelak ini adalah berupa terowongan persegi. Bentuk

lingkaran diajukan sebagai alternatif desain pada tulisan ini karena strukturnya dianggap

lebih ekonomis (pembetonan yang lebil tipis) serta dapat mengalirkan air yang lebih stabil

dibanding terowongan dengan bentuk persegi. Meski perencanaan bentuk persegi mampu

menahan beban-beban yang bekerja, namun struktur berbentuk lengkung  lebih stabil dan

dengan tebal yang lebih tipis pun dapat menahan beban-beban yang bekerja.

Perhitungan gaya-gaya dalam pada perencanaan menggunakan bantuan Program

STAADPro 2004 yang menggunakan konsep metode elemen hingga. Pada penyelesaian ini

struktur terowongan dimodelkan sebagai struktur plat yang menahan beban-beban seperti

beban mati, beban batuan, tekanan tanah kondisi normal dan gempa, beban grouting, tekanan

air dalam dan tekanan air luar.

Alternatif bentuk lingkaran direncana dengan diameter  terowongan pengelak

mencapai 3,2m , setelah dilakukan perhitungan dapat disimpulkan dimensi yang direncana

mampu menampung debit banjir Q20 sebesar 92 m3/det.

15

Gambar Konstruksi Diversion Tunnel

Dalam Perencanaan Terowongan pada bendungan dengan bentuk lingkaran,terdapat

kapasitas air yang melewati terowongan.Kapasitas air ini di bagi menjadi 2 kategori yaitu :

a. Aliran bebasYaitu merupakan aliran saluran terbuka,hal ini terjadi bila terowongan tidak terisi penuh,atau

ujung udik terowongan tidak tenggelam (H/D≤1,2)

b. Aliran tekanYaitu berupa aliran pada saluran tertutup,hal ini terjadi bila terowongan terisi penuh

(H/D≥1,5) sedangkan transisi H/D = 1,2 – 1,5

Adapun kondisi dari kapasitas pada terowongan bentuk lingkaran beserta rumusnya :

16

Tabel Rumus Terowongan Penampang Lingkaran

17

Tabel Aliran Seragam pada Terowongan Berpenampang Lingkaran

18

19

20

Survei Geologi Amerika Serikat,telah mengembangkan suatu prosedur terinci yang

dapatdigunakan untuk perhitungan hidrolik perancangan terowongan.Untuk keperluan

praktis,dapat digunakan suatu penyelesaian pendekatan dengan menggunakan grafik sebagai

berikut :

Grafik

untuk nilai air

atas

pendekatan pada terowongan berbentuk lingkaran dengan saluran masuk bujur sangkar,aliran

sebagian penuh.

2.7.2 Terowongan pada Bendungan dengan Penampang Persegi

Untuk pengembangan sumber daya air guna pemenuhan kebutuhan irigasi di

Magetan, maka dibangunlah Bendungan Gonggang. Dalam pelaksanaannya diperlukan suatu

sistem pengelak berupa terowongan Pengelak (Diversion Tunnel) untuk memindahkan aliarn

air sungai. Setelah bangunan bendungan selesai, terowongan pengelak akan ditutup

dengan Stoplog. Desain awal terowongan pengelak ini adalah berupa terowongan persegi.

Penentuan Rumus Untuk Terowongan berbentuk Segi empat :

21

Energi spesifik dapat ditulis

E = y + 1

2 g(Q/A)2 , dengan :

A = luasan penampang sebagai fs(y), tergantung bentuk penampang dan persamaan

energi spesifik menjadi

E = y + 1

2 g(Q/ fs(y))2

Bila dicari energi minimum (pada saat kedalaman kritis)

dEdy

= 1 + (Q2/2g) (-2A-3 dAdy

)

Dari gambar di atas : dA = b dy , sehingga dAdy

= b, dimana :

b = lebar saluran air pada saluran pengelak

1 = Q2/2g . -2A-3 . b

g/ Q2 = b. A-3

g/ Q2 = b/ A3

Q2 = g A3/ b

Qc = √(g A3/b)

Adapun dalam terowongan berbentuk lingkaran juga terdapat Survei Geologi

Amerika Serikat,telah mengembangkan suatu prosedur terinci yang dapat digunakan untuk

perhitungan hidrolik perancangan terowongan.Untuk keperluan praktis,dapat digunakan suatu

penyelesaian pendekatan dengan menggunakan grafik sebagai berikut :

Jenis H/d < 1,0 1,0 < H/d < 1,5 H/d > 1,5Lingkaran 0,87 H/d 0,87 H/d 1,09 + 0,10 H/d

Kotak 1,00 H/d 0,36 + 0,64 H/d 0,62 + 0,46 H/d

22

Grafik untuk nilai air atas pendekatan pada terowongan berbentuk segi empat ,dengan

Satuan untuk segi empat,Aliran sebagian penuh.

2.7.3 Terowongan pada Bendungan dengan Penampang Tapal Kuda

Bentuk yang paling umum untuk sebuah terowongan aliran bebas adalah tipe tapal

kuda, portal bulat dan bulat. Bentuk tapal kuda dan portal bulat tersebut memiliki

karakteristik hidrolis yang bagus untuk kondisi aliran bebas. Jagaan dapat diperoleh tanpa

terlalu banyak kehilangan luas potongan melintang, dan langit-langit yang bulat memberikan

penyangga bangunan.

Perencanaan struktur terowongan pengelak berbentuk tapal kuda dengan

menggunakan metode Kolom Analogi (Analogy Column). Teori column analogy digunakan

untuk menganalisis suatu bentukan plane frame lengkung tertutup, dimana strukturnya

termasuk statis tak tentu dengan derajat kurang dari tiga. Analisis yang digunakan adalah

metode gaya, dengan suatu redundants dipilih pada sutu titik yang disebut clastic center,dan

menyertakan perhitungan seperti pada analisa column cross sectiontertekan, guna

mengkombinasikan gaya momen yang terjadi dengan gaya normalnya. Sehingga untuk

perhitungan dan analisa pembebanan, distribusi momen, pemodelan statika pada struktur

terowongan, serta perilaku perpindahannya (displacement) mengacu pada teori column

analogy tersebut.

Terowongan tapal kuda dapat dipakai untuk terowongan yang digali di dalam batuan

terbaik tanpa retakan, dan juga untuk terowongan-terowongan yang mampu berdiri cukup

lama untuk pemasangan penyangga tanpa mengendorkan batu besar yang bisa menyebabkan

23

keruntuhan bangunan. Pasangan yang diperlukan untuk tipe terowongan pada umumnya ini

adalah beton tumbuk.

24

Tabel Terowongan Berpenampang Tapal Kuda

25

Tabel Aliran Seragam pada Terowongan Berpenampang Tapal Kuda

26