Download - PETUNJUK PRAKTIKUM HIDROLIKA
BAGIAN I SALURAN TERBUKA (OPEN
CHANNELS)
1. HIDROLIKA BANGUNAN PENGUKUR DEBIT
1.1 Energi Spesifik
Didefinisikan sebagai rerata energi tiap satuan berat air pada setiap tampang
saluran yang diukur dari dsar saluran yang dinyatakan dengan persamaan sebagai
berikut:
E = y+α V 2
2 g
Dengan:
E = energi spesfik (m)
y = kedalaman air dari dsarsaluran (m)
= koef koriolis
(V2/2g) = tinggi kecepatan (m)
Uktuk keperluan praktis keofisien koriolis bisa diambil sama dengan 1 karena
kecepatan rata-rata sama dengan Q/A, maka persamaan di atas dapat ditulis:
E− y+ Q2
2gA2
Nampak bahwa dengan besaran debit yang tetap, besaran energi spesifik
merupakan fungsi dari kedalaman, maka akan diperoleh grafik:
Gambar 1.1 Grafik Energi Spesifik
1
Dari grafik terlihat bahwa pada saat E minimum, hanya terdapat satu harga y.
Keadaan ini disebut pengaliran dalam keadaan kritis dan kedalamannya disebut
kedalaman kritis (Yc). Energi spesifik akan minimum jika harga diferensial E terhadap
y sama dengan nol (0).
dEdy
=0
1− Q2dAg A3dy
=0
Karena dA = B dy, maka
1−V 2BgA
=0
V 2
2g− Ac
2Bc
1.2 Aliran Modular
Dasar hitungan debit adalah persamaan kontinyuitas berikut ini:
Q=A .V
Dengan:
Q = debit (m2/dt)
A = luas tampang basah (m2)
V = kecepatan rerata (m/dt)
Besar nilai kecepatan rerata dihitung dari persamaan Bernouli:
[α V 2
2g+Pg
+Z ]1
−[α V 2
2 g+ Pg
+Z ]2
Jika pada penampang 2 terjadi aliran kritis dengan kedalaman Yc dan bidang
diferensialnya adalah puncak ambang, maka z1=z2=0 (lihat gambar 1.2) dengan = 1
didapat:
H 1V 12
2g+h1−
V 22
2 g+Yc
¿¿
Hubungan H1 dengan Yc dapat dicari dengan persamaan:
H−Yc+Vc2
2gdan
Vc2
2g− Ac
2Bc
Ac merupakan fungsi dari Yc karena Bc sudah tertentu maka Ac/2Bc hanya
merupakan fungsi dari Yc.
2
H 1=f (Yc )atauYc=f (H 1)
Dengan demikian persamaan debit di atas dapat ditulis sebagai berikut:
Q−Ac [2 g(H 1−f (H 1 ))]12
Untuk mencapai aliran moduler, tinggi muka air alir ada batasnya yang
dinyatakan dengan perbandingan tinggi energi yaitu H1/H2.
Gambar 1.2 Profil Aliran di atas Ambang Leher
1.3 Koefisien Pengaliran
Persamaan debit di atas didasarkan pada anggapan bahwa tidakada gaya-gaya
sentrifugal akibat garis aliran yang melengkung di atas ambang, tidak ada pengaruh
kekentalan air, tidak terjadi turbulensi, sehingga distribusi kecepatanyya adalah
seragam. Pada kenyataannya anggapan-anggapan tadi tidak seluruhnya dipenuhi
sehingga diperlukan suatu faktor koreksi yang dinyatakan dalam bentuk koefisien yang
disebut koefisien debit (Cd).
Tinggi energi pada bagian hulu bangunan (H1) tidak dapat langsung diukur di
lapangan. Nilai yang dapat langsung diukur adalah tinggi muka air (h1). Untuk
keperluan praktis tinggi muka air dengan suatu koefisien kecepatan (Cv). Lihat
lampiran 1. Dengan demikian kecepatan debit menjadi:
Q−Cv .Cd . Ac [2 g(H 1−f (H 1 ))]12
2. BANGUNAN PENGUKUR DEBIT
2.1 Umum
Secara umum bangunan pengukur debit terdiri dari saluran pengantar, bagian
penyempitan, pengotrol, bagian pelebaran hilir dan saluran sebelah hilir. Saluran
3
pengantar dibuat lurus tanpa halangan agar tidak terjadi turbulensi sehingga distribusi
kecepatan menjadi teratur. Bagian penyempitan berfungsi sebagai peralihan supaya
pada bagain pengotrol dapat rata maupun berupa ambang. Peralihan bagaian hilir
diperlukan untuk mengurangi kehilangan energi yang terjadi.
Perlengkapan lain yang harus ada pada sebuah bangunan ukur debit adalah
stasiun pengukur muka air hulu di atas ambang bagian kontrol (h1). Alat ini berupa
papan duga (staff dauging) atau menggunkan sistem stilling well. Selain sebagi
pengkur, beberapa bangunan juga berfungsi sebagai pengatur debit yang
pemeliharaanya sangat tergantung dari kondisi daerah.
Pada dasarnya alat ukur debit dapat dibedakan menjadi dua kelompok yaitu
alat dengan pengaliran muka bebas dan dengan pengaliran melalui lubang. Alat ukur
dengan pengaliran bebas diantaranya adalah alat ukur ambang lebar, romijin, alat ukur
ambang tajam, ambang pendek, dan flume. Sedang yang termasuk alat ukur dengan
pengaliran melalui lubang adalah crump de gruyter, neyrpic, venturimeter, dan pintu
sorong.
2.2 Alat Ukur Ambang Lebar
Alat ukur ambang lebar mempunyai panjang ambang yang tergantung dari
tinggi energi total sebelah hulu sehingga diperoleh distribusi tekanan yang sesuai
dengan distribusi tekanan hidrostatik. Panjang ambang dinyatakan dengan
perbandingan 0,5 m. Karena di bawah 0,05 m kehilangan energi di atas ambang tidak
dapat diabaikan, sedangkan bila di atas 0,5 m garis aliran akan melengkung yang
mengakibatkan terjadinya gaya sentripetal yang harus diperhitungkan. Pengukuran H1
dilakukan pada jarak 2 sampai 3 kali H1 maksimum dari muka hulu ambang. Adapun
dimensi dari alat ukur ambang lebar seperti gambar 2.1
4
Gambar 2.1 Dimensi Ambang Lebar
2.2.1 Alat Ukur Romijin
Alat ini pertama kali dikembangkan di Indonesia oleh DG Romijin
(1932) yang dapat berfungsi sebagai pengatur sekaligus pengukur debit. Syarat-
syarat yang harus dipenuhi agar persamaan debit dapat digunakan adalah sebagai
berikut ini (lihat gambar 1.4).
1. Perbandingan H1/H2 harus tidak lebih dari 0,3 (terjadi aliran modular)
2. Kehilangan energi harus > 0,70 H1 maksimum
3. 0,05 < H1 < 0,45 m
4. Lebar ambang b > 0,30 m
5. 0,55 m < p < 0,95 m
6. 0,60 m < H1 + p < 1,00 m
Hitungan debit menggunakan persamaan debit pada ambang lebar
dengan tampang segi empat.
Q−23Cd .Cv ( 2
3g )12b .h1
1.5
5
Gambar 2.1 Dimensi Alat Ukur Romijin
2.2.2 Alat Ukur Ambang Lebar dengan Mulut Dibulatkan
Konstruksi dari alat ukur ambang lebar dengan mulut dibulatkan
dimaksudnkan agar tidak terjadi pemisahan aliran. Syarat dimensi bangunan
seperti terlihat pada gambar 2.2
6
Gambar 2.2 Dimensi Alat Ukur Ambang Lebar Muka Dibulatkan
Q−23Cd .Cv ( 2
3g )12b .h1
1.5
Persyaratan yang harus dipenuhi agar diperoleh pengukuran yang teliti
adalah:
1. Lebar ambang minimum dipilih harga dari 0,3 m H1 maksimum atau L/5
2. Nilai perbandingan H1/p maksimum adalah 3 dengan p > 0,15 m.
2.2.3 Alat Ukur Ambang Lebar Bentuk Segi Empat
Konstruksinya berupa sebuah ambang mercu horisontal dengan muka
hulu dan hilir berupa bidang vertikal dan membentuk sudut 90O dengan bidang
datar serta benar-benar tajam (lihat gambar 2.3). agar di atas ambang terjadi garis
aliran yang sejajar maka alat ukur ini memerlukan beberapa persyaratan yaitu:
1. Niali perbandingan H1/L terletak diantara 0,08-0,33 m
2. Nilai perbandingan h1/(h1+p) maksimum 0,60 dengan p minimum 0,15
m
3. h1 minimum adalah nilai terbesar dari 0,06 m atau 0,08L m
4. lebar ambang minimum dipilih yang terbesar dari 0,30 m atau L/5 m
Gambar 2.3 Dimensi Ambang Lebar Segi Empat
7
Q−23Cd .Cv ( 2
3g )12b .h1
1.5
2.3 Alat Ukur Ambang Tajam
Alat ukur ambang tajamadalah bangunan-bangunan yang mempunyai panjang
ambang maksimum 2 mm. Tapi hulu ambang harus betul-betul tajam dan membentuk
sudut 90o dengan muka hulu ambang. Akibatnya aliran akan terjdi pencaran yang
menyebabkan tekanan negatif sehingga harus disediakan ruang pengudaraan di bawah
tirai luapan. Disyaratkan pada saat muka air hilir maksimum, jarak antara mercu
ambang dengan muka air hilir > 0,05 mm.
Berdasarkan kontraksi yang terjadi pada dinding tepi dapat dibedakan menjadi
dua yaitu ambang dengan kontraksi sempurna dan ambang dengan kontraksi tidak
sempurna. Ambang dengan kontraksi sempurna yaitu jika puncak ambang dan dinging-
dinding tepinya cukup jauh dari dasar dan dinding tepi saluran pengantar sehingga
kontraksi yang terjadi tidak dipengaruhi oleh dinding-dinding batas saluran tersebut.
Sedangkan yang dimaksud dengan ambang tidak sempurna adalah jika ambang cukup
dekat ke dinding sehingga berpengaruh pada kontraksi yang terjadi.
Berdasarkan debit yang lewat dihitung dengan persamaan Q-h1 yang
dimodifikasi oleh Kindsvater dan Carter (1657) dimana komponen-komponen Cd dan
Cv diganti dengan koefisien debit efektif (Ce), h1 diganti he dan b dirubah menjadi be.
Dimensi alat ukur ini dapat dilihat pada gambar 2.4 berikut ini.
8
Gambar 2.4 Dimensi alat ukur ambang tajam
2.3.1 Alat Ukur Cipoletti
Alat ukur cipoletti merupakan penyempurnaan alat ukur ambang tajam
dalam segi empat. Akibat penambahan tinggi muka air hulu (h1), maka pengaruh
kontraksi tepi juga akan bertambah dan ini mengakibatkan debit yang lewat
menjadi berkurang. Untuk itu mengatasinya dibuat suatu pembesaran tampang
dengan kemiringan 4:1, lihat gambar 2.5
Gambar 2.5 Dimensi alat ukur cipoletti
Dengan demikian persamaan debit yang dipakai untuk menghitung
adalah Q-h1
Q−23Cd .Cv (2g )
12 b .h1
1.5
9
Persyaratan yang harus dipenuhi adalah:
1. 0,06 m < h1 < 0,6 m
2. Nilai perbandingan h1/b maksimum = 0,50
2.3.2 Alat Ukur Rehbock
BUD Rehbock adalah suatu alat pengukur debit yang berdasarkan
pengaliran pada peluapan sempurna, arus lepas, tanpa kontraksi tepi. Dinding
saluran (vertikal) dibuat licin dan diusahakan lebar saluran sama dengan panjang
ambang.
Gambar 2.6 Alat ukur Rehbock
Hasil penelitian yang dilakukan Rehbock menyimpulkan bahwa rumusan
untuk mengukur debit yang lewat pada peluap sempurna adalah:
Q(1,782+0,24H1
P )b . H1
32
Dengan:
H1 = H + 0,0011
b = lebar pintu
H = tinggi alir hulu
P = tinggi pintu
Disederhanakan menjadi:
Q=1,9b H 3 /2
10
Prinsip kerjanya sama dengan alat ukur ambang tajam tetapi pada
rehbock peluap diberi lubang pengudraan agar terjadi tekanan atsmosfir seperti
yang diinginkan. Alat ini hanya sesuai apabila digunakan di laboraturium dengan
kondisi ideal. Tetapi di lapangan agar tidak sukar menentukan ketelitian AUD
Rehbock. Besarnya debit yang lewat dihitung berdasarkan tinggi air di atas
ambang.
Syarat yang harus dipenuhi agar rumus di atas berlaku adalah sebagai
berikut:
1. H minimum 0,03
2. 0,10 < H/p 2,0
2.4 Alat Ukur Ambang Pendek (rendah)
Alat ukur ambang pendek adalah sebuah alat dengan ambang dimana aliran
yang leawat di atasnya mempunyai garis-garis aliran yang tidak lurus (melengkung).
Hal tersebut yang membedakan ambang pendek dengan ambang lebar. Dengan
demikian alat ukur ambang lebar pada suatu keadaan tertentu dapat berubah fungsi
menjadi alat ukur ambang pendek, misal perbandingan h1/L > 0,5.
Hitungan debit mengikuti persamaan alat ukur ambang lebar hanya disini ada
pengaruh melengkungnya garis aliran yang dimasukkan dalam koefisien debit.
2.5 Alat Ukur Parshall
Alat ukur parshall adalah alat ukur yang sudah diuji secara laboratoris untuk
mengkukur aliran pada saluran terbuka. Bangunan ini terdiri dari sebuah pengalihan
penyempitan dengan lantai datar, leher dengan lantai miring ke bawah dan peralihan
pelebaran dengan lantai miring ke atas. Karena bentuk konstruksinya yang tidak
konvensional ini, tinggi muka air hulu (h) tidak diukur pada saluran penantar tetapi
pada bagian peralihan penyempitan yaitu pada jarak a dari ujung hulu leher. Tinggi
muka air hilir (h..) diukur pada jarak x dari ujing hilir leher. Lihat gambar 2.7
11
Gambar 2.7 Alat parshall flumes
Ada 22 macam alat ukur parshall denagn berbagai ukuran. Ke-22 alat ukur
tersebut dikelompokkan menjadi 3 golongan yaitu yang berukuran sangat kecil
(kapasitas 0,09-32 liter), parshall kecil (kapasitas 0,0015-3,95 m3/dt) dan parshall besar
(kapasitas 0,16-93,04 m3/dt) dimensi masing-masing alat dapat dilihat pada lapiran 2
dan tabel 1, lampiran 3. Ada kesulitan pengukuran pada alat ukur yang tergoong sangat
kecil karena timbulnya turbulensi pada leher. Untuk mengatasi keadaan ini, tinggi muka
air hilir (hb) diukur di dekat ujung hilir peralihan pelebaran (hc), kemudian
dikonversikan ke hb dengan grafik pada gambar.., lampiran 3. Besar debit yang lewat
pada pengaliran modular untuk masing-masing alat dihitung dengan rumus empiris
hubungan Q-ha dalam bentuk:
Q=k hau
Dimana K dan u untuk masing-masing ukuran terdapat pada tabel 2, lampiran
4. Dalam praktek dalam memudahkan telah disediakan tabel-tabel debit masing-masing
ukuran sebagai fungsi ha (tabel 3, lampiran 5). Batas modular masing-masing ukuran
alat terdapat pada tabel 2 lapiran 4. Jika batas ini dilampaui, terjadi aliran non modular
sehingga besarnya debit yang telah disediakan pada tabel harus dikoreksi.
QS−Q−QE
Dengan:
Qs = debit nonmodular (m3/dt)
Q = debit dari tabe (m2/dt)
Qe = debit koreksi akibat aliran tenggelam (m3/dt)
12
Untuk mendapatka debit koreksi, telah disediakan grafik hubungan QE, ha,
dan precentage of submargence (hb/ha dalam persen) untuk masing-masing ukuran alat
(gambar 5, lampiran 6) untuk alat ukur 1,0’-8’ hanya tersedia satu buah grafik (ukuran
1,0’) sehingga untuk alat ukur yang lain harus dukalikan dengan angka koreksi yang
terdapat pada tabel 4, lampiran 8. Demikian juga alat untuk alat ukur ran 10’-50’. Nilai
perbandingan hb/ha maksimum agar alat masih dapat berfungsi adalah 0,95. Karena
letak pengukuran ha dan hb yang tidak konvensional ini, maka pada alat ukur parshall,
kehilangan energi selama air melalui bangunan (h) tidak sama dengan (ha-hb). Besar
h dapat diperoleh dari grafik pada gambar 6 lampiran 7.
Penggunaan alat ukur ini dibatasi oleh dimensi alat yang terbatas pada ukuran-
ukurn yang terdapat pada tabel 1, lampiran 3.
2.6 Orifis
Prinsip orifis adalah melewatkan air pada suatu lubang yang diketahui luasnya.
Apabila pada lubang tersebut diketahui kecepatan air, maka debit yang lewat dapat
dihitung. Kecepatan aliran dicari dengan menggunakan persamaan Bernoulli. Orifis
dibedakan menjadi dua yaitu orifis dengan pengaliran bebas dan dengan aliran
tenggelam. Lihat gambar 2.8
Gambar 2.8 alat ukur orifis
13
2.6.1 Venturimeter
Konstruksinya berupa pipa tambang segi empat dengan penyempitan
pada bagian tengahnya.pitu pengatur diletakkan pada sebelah hilir. Pada bagian
penyempitan diberi lubang yang digubungkan dengan “stilling well” untuk
mengukur tinggi tekanan (muka air) pada tempat tersebut. Lihat gambar 2.9
Gambar 2.9 alat ukur venturimeter
Jika tinggi muka air hulu (h1) diketahui (dari pembacaan papan duga),
tinggi tekanan pada bagian penyempitan diketahui (h2), maka selisih teinggi
tekanan pada kedua tempat (h) dapat diketahui yaitu h1-h2. Selanjutnya luas
tampang hulu dapat dihitung karena ukuran lebar sudah tertentu. Sementara itu
luas tampang bagian penyempitan sudah ditentukan sehingga besarnya debit yang
lewat sudah dihitunf. Dengan menggunakan persamaan Bernouli dan hukum
kontinuitas akan didapatkan hubungan antara debit (Q) dengan selisih tinggi
tekanan (h) yaitu:
Q=C A1
√1−A1
2
A22
√2 g∆h
Dengan:
Q = debit yang lewat (m3/dt)
A1 = luas tampang basah bagian hulu (m2)
A2 = luas tampang bagian penyempitan (m2)
h = selisih tekanan tinggi antara bagian hulu, bagian penyempitan (m)
C = koef koreksi
g = percepatan grafitasi (m/dt2)
14
Koefisien koreksi menyatakan faktor bentuk yang besarnya berkisar
antara 0,94 sampai 0,97 tergantung dari dimensi alat.
2.6.2 Pintu Sorong
Banyak jaringan irigasi yang dieksploitasi sedemikian rupa sehingga
muka air di saluran primer dan saluran cabang dapat diatur pada batas-batas
tertentu. Tinggi muka air diatur dengan bangunan pengatur yang dapat bergerak.
Salah satu bangunan pengatur adalah pintu sorong. Selain sebagai pengatur,
bangunan ini dapt digunakan untuk mengukur debit, lihat gambar 2.10
Gambar 2.10 alat ukur pintu sorong
Pengukuran debit dapat dilakukan baik pada aliran bebas (modular)
maupun pada saat terjadinya aliran tenggelam karena M. Schmid (1954) telah
menyediakan grafik hubungan antara angka koreksi aliran tergenang (K), tinggi
muka air hulu (h1), tinggi muka air hilir (h2), dan tinggi bukaan pintu (a) seperti
terlihat pada gambar 7 lampiran 9. Hitungan debit digunakan persamaan sebagai
berikut.
Q=Kμab√2gh1
Nilai banding h1/a dan sudut kemiringan pintu terhadap bidang
horisontal (B). Dalam hal ini = 90o. Harga dapat dipeoleh dari gambar 8 lapiran
10. Lebar pintu (b) ukuran standar adalah 0,50; 0,75; 1,00; 1,25; dan 1,50 m.
Untuk kedua ukuran terakhir pintu harus diangkat dengan dua buah stang.
15
2.6.3 Crump de Gruyter
Merupakan flum leher pendek yang dilengkapi dengan pintu gerak
vertikal sehingga selain untuk mengukur, dapat juga mengatur saluran debit.
Gambar 2.11 alat ukur crump de gruyter
Besarnya debit yang elwat hanya ditentukan oleh tinggi bukaan pintu (w)
dan tinggi muka ir hulu (h1), sehingga disyaratkan di atas leher terjadi aliran
super kritis. Kondisi aliran super kritis akan cipai apabila w < 2/3H1 persyaratan
ini dinyatakan dalam h1 menjadi w < 0,63 h1.
Alah ukur ini dapat digunakan untuk mengukur apabila persyaratan-
persyaratan di bawah ini dipenuhi, yaitu:
1. Dasar leher flum harus horisontal dengan dinding samping vertikal.
2. Pintu geraknya mempunyai ketebalan 0,5 H1 maksimum dengan rincian
ujung hulu dilengkungkan dengan jari-jari 0,375 H1 maksimum sedang
sisanya sebesar 0,125 H1 maksimum ambang 0,20 m.
3. Lebar minimum ambang 0,20 m.
4. Untuk ukuran standar, tinggi ambang sama dengan lebar ambang (p = b),
namun demikian harga p boleh sembarang asalkan p > 0,20 m.
5. Dalam praktek, tinggi bukaan pintu minimum adalah 0,02 m.
16
3. PENGUKURAN DEBIT SALURAN TERBUKA
3.1 Cara Pengukuran Debit
Pengukuran debit pada saluran terbuka dapat dilakukan dengan berbagai cara,
yaitu:
1. Pengukuran langsung yaitu dengan pembacaan pada alat/ bangunan ukur.
2. Pengukuran tidak langsung yaitu dengan pengukuran kecepatan aliran
(menggunakan current meter atau pelampung) dan luas penampang saluran.
Selain itu terdapat metoda lain dengan menggunakan kerapatan larutan obat
dan memakai pengukur aliran magnetis, gelombang supersonik, dan sebagainya.
3.2 Pengukuran Langsung
Pengukuran debit secara langsung dilakukan dengan menggunakan bangunan
ukur seperti diuraikan di atas. Dilakukan dengan pembacaan pada papan skala
(peilschaal) dan kemudian dibaca debitnya pada tabel atau dihitung dengan rumus.
3.2.1 Bangunan Ukur Cipoletti
1. Ukur lebar ambang (b) alat ukur
2. Ukur/ baca tinggi muka air (h) di hulu alat ukur
3. Besar debit dihitung dengan rumus atau menggunakan tabel. Rumus Q =
1,86 b h32 , Q dalam l/dt, b dalam m dan h dalam cm
3.2.2 Bangunan Ukur Parshall
1. Baca tinggi air di ambang (ha) pada alat ukur
2. Ukur/ baca leher lebar (w) alat ukur
3. Debit dibaca pada tabel atau menggunakan rumus
Q=0,372W (3,281ha )
Q dalam m3/dt dan ha dalam m
17
3.2.3 Bangunan Ukur Romijin
1. Ukur lebar ambang (b) alat ukur.
2. Baca/ catat tinggi muka air (h) pada papan skala (peilschaal) di hulu
bangunan ukur
3. Baca debit pada skala liter alat ukur, atau baca pada tabel ataupun
dihitung dengan rumus Q= 1,71 bh23 (Q dalam l/dt, b dalam m, dan h
dalam cm)
3.3 Pengukuran Tidak Langsung
Pada cara ini debit dapat dihitung berdsarkan hasil kali anatara hasil
pengukuran luas penampang saluran dengan kecepatan aliran. Kecepatan aliran diukur
dengan menggunakan pelampung (floater) atau menggunakan pesawat pengukur aliran
(current meter).
Current meter adalah suatu alat yang berbentuk baling atau mangkok yang
dapat berputar untuk mengukur kecepatan arus. Ada beberapa jenis current meter yang
masing-masing mempunyai bentuk yang berbeda, tetapi mempunyai prinsip dan fungsi
18
yang sama. Prinsip kerja current meter adalah menghitung kecepatan arus berdasarkan
jumlah putaran baling-baling atau mangkok dalam waktu tertentu. Dalam pemakaian
alat ini dapat dipasang pada sebuah tongkat atau digantungkan pada kabel diberi
pemberat.
3.3.1 Pengukuran Kecepatan Vertikal
Mengingat bahwa distribusi kecepatan pada suatau vertikal merupakan
distribusi parabola, maka untuk memperoleh kecepatan secara vertikal dari
kecepatan titik dapat dilakukan sebagai berikut ini.
19
1. Bila dilakukan pengukuran satu titik (one point) measurement), maka
current meter ditempatkan pada 0,6 H diukur dari permukaan air (H
sama dengan kedalaman air).
2. Pengukuran dua titik (two point measurement), maka pengukuran
dilakukan pada 0,2 H dan 0,8 H dari permukaan air.
V−V 0,2+V 0,8
2
3. Pengukuran tiga titik (three point measurement)
V−V 0,2+V 0,6+V 0,6
4
4. Pengukuran lima titik
V−V s+3V 0,2+2V 0,6+3V 0,8+V b
10
5. Untuk pengukuran lebih dari lima titik, maka kecepatan rerata dihitung
dengan cara menggambarkan distribusi kecepatan kemudian dihitung
luasnya dan dibagi dengan kedalaman.
Dari kelima alternatif pengukuran kecepatan di atas, masing-masingcara
mempunyai kelebihan dan kekurangan berdasarkan pertimbangan tertentu. Untuk
mengatasi hal tersebut maka dalam pekerjaan ini pemilihan cara pengukuran di
kelompokna menjadi dua yaitu:
1. Jika kedalaman air (h) < 30 cm dilakukan pengukuran 1 (satu) titik.
2. Jika kedalaman air (h) > 30 cm dilakukan pengukuran 2 (dua) titik.
Adapun syarat pengukuran adalah
1. Waktu pengukuran satu titik > 30 detik
2. Putaran mangkok atau baling-baling current meter > 30 putaran.
3.3.2 Pengukuran Debit
Dalam pengukuran kecepatan untuk menentukan jumlah pias vertikal
yang diukur tidak terdapat pedoman yang jelas untuk keseragaman. Karana pada
prinsipnya pertimbangan yang dilakukan unutuk menentukan jumlah pias vertikal
adalah:
1. Bentuk penampang saluran (makin tak teratur, banyak vertikal yang
harus diukur)
2. Sifat aliran.
3. Waktu yang tersedia.
20
Sehingga untuk pekerjaan ini lebar pias ditentukan berdasarkan lebar
saluran yaitu 1/10 lebar permukaan air. Untuk mengukur besarnya debit yang
lewat pada saluran ada dua metode yaitu:
1. Mid section method
Cara perhitungan dengan metode ini adalah sebagai berikut:
Debit tiap pias: q = V x H x b
Debit saluran: Q = q = V x H x b
Dimana:
V = kecepatan rerata pias
H = kedalaman air pada pias yang ditinjau
b = lebar pias
2. Mean section method
Debit pias dihitung dengan persamaan:
q=(V n+V n+1
2 )(Hn+V n+1
2 )bDebit saluran:
Q=Σq=Σ(V n+V n+1
2 )(H n+V n+1
2 )bDari kedua cara di atas, disarankan menggunakan cara yang pertama
dengan pengetian perhitungan lebih sederhana dan ketelitian yang lebih besar.
21
3.3.3 Cara Pengukuran dengan Current Meter
Pekejaan pengukuran kecepatan dan kedalaman pada masing-masing
vertikal dapat dilakukan berbagai cara namun karena saluran pada pekerjaan ini
tidak terlalu besar maka digunakan cara wading, dengan menggunakan batang
pengukur (rod), dimana langkah-langkahnya adalah sebagai berikut:
1. Siapkan alat yang digunakan yaitu:
a. Current meter A. OTT tipe C2 dan C31 atau merk SEBA ukuran
Current meter disesuaikan dengan besar saluran air.
b. Tali plastik yang sudah diberi skala meter.
c. Kartu ukur debit (bentuk kartu dapat dilihat pada lampiran).
d. Roll meter
e. Stopwatch.
2. Pilih lokasi pengukuran debit di saluran dengan syarat sebagai berikut:
a. Pada saluran yang lurus, dan yang relatif stabil penampang
lintangnya, serta tidak terjadi olakan (serat aliran lurus).
b. Diukur lebar saluran, pada lokasi yang telah dipilih dan tentukan
banyaknya vertikal (rai) pengukuran dengan pedoman:
Jarak vertikal maksimum = 1/10 lebar saluran
Jarak vertikal minimum = 10 cm
Jarak antara vertikal dalah b.
3. Atur pintu pengatur untuk tiap ketinggian muka ir yang diinginkan.
4. Ditunggu beberapa saat sampai diperoleh tinggi muka air yang stabil
(kurang lebih 15 menit).
5. Pengukuran dengan current meter dilakukan dengan point tercapai,
diukur kedalaman air pada suatu vertikal, misal vertikal1.
a. Dalamnya D < 30 cm,maka dilakukan pengukuran 1 titik kedalaman
0,6 D
b. Bila D > 30 cm dilakukan pengukuran 2 (dua) titik masing-masing
pada kedalaman 0,2 D dan 0,8 D kecepatan rerata (V) dihitung
dengan rumus.
V=V 0,2 D+V 0,8D2
22
Gambar 3.1 distribusi kecepatan arah vertikal
6. Mengulang pekerjaan 5 sampai seluruh vertikal terukur.
7. Debit tiap pias dihitung dengan q = V x D x b
Debit saluran adalah jumlah debit saluran pias pada tampang yang
diukur yaitu Q = q.
Gambar 3.2 diagram perhitungan debit
Q=Σa=ΣV ×b×hd
8. Ulangi pekerjaan 3 sampai 7 sebanyak 9 kali untuk tinggi muka air yang
berbeda, dan tersebar merata dari muka air minimum sampai muka air
maksimum.
9. Pencatatan dilakukan pada kartu pengukuran debit yang telah tersedia.
Kartu pengukuran debit
Lebar saluran (B) = ... cm
Jumlah vertikal (n) = ... buah
Lebar pias Bn
= ... cm
D = ... kedalaman air
V = ... keecepatan rerata
Untuk 1 titik Vn = V 0,6D
Untuk 2 titik Vn = V 0,2D+V 0,8 D
2
q = debit = V n( bn−1+bn
2 )23
24
BAGIAN I SALURAN TERTUTUP (CLOSE
CHANNELS)
4. SALURAN TERTUTUP
4.1 Latar Belakang Praktikum Saluran Tertutup
Pelaksanaan praktikum pada saluran tertutup dilatar belakangi oleh keingin
tahuan kita akan masalah yang terjadi pada alat praktikum yang berhubungan dengan
hidrolika, yaitu: Mayor Losses yang diakibatkan oleh gesekan pipa dan Minor Losses
yang diakibatkan belokan dan perubahan penampang pipa. Dimana hal-hal tersebut
nantinya kita analisis dan bandingkan dengan bahan-bahan bacaan hidrolika.
4.2 Maksud dan Tujuan
1. Mencari dan menggambarkan kehilangan energi akibat pengaliran dalam
saluran tertutup. Kehilangan energi berupa:
a. Mayor Losses yang terjadi akibat gesekan antara air dan dinding.
b. Minor Losses yang terjadi akibat perubahan penampang pipa
(penyempitan), pembelokkan.
2. Mencari koef gesek, koef pembelokkan, dan koef penyempitan penampang.
3. Menganalisi tentang Mayor Losses dan Minor Losses dari data percoban yang
telah didapat.
4.3 Lokasi Praktikum
Praktikum dilaksanakan di ruangan laboratorium hidrolika dan di luar fakultas
Teknik Sipil UNISSULA.
4.4 Landasan Teori
Dalam hidrolika kita mengenal dua jenis saluran, salah satunya adalah saluran
tertutup. Umumnya saluran tertutup dalam kehidupan sehari-hari diaplikasikan pada
media berupa pipa. Pipa adalah saluran tertutup yang biasanya berpenampang
lingkaran, dan digunakan untuk mengalirkan fluida dengan tampang aliran penuh.
Fluida yang dialirkan melalui pipa bisa berupa zat cair atau gas dan tekanan bisa lebih
besar atau lebih kecil dari atmosfer. Jadi yang dimaksud dengan saluran tertutup adalh
saluran dimana zat cair/ fluida yang mengalir di dalamnya penuh, dalam artian tidak 25
ada ruanagn di saluran yang tidak terisi oleh fluida, jadi tidak ada tekanan atmosfir.
Pada saluran tertutup alat-alat yang digunakan adalah:
4.1.1 Piezometer
Piezometer adalah alat yang berfungsi sebagai pengukur tinggi tekanan
hidrolik. Piezometer dipasang pada beberapa titik untuk mengukur perubahan
tinggi tekanan hidrolik air akibat kehilangan energi primer dan sekunder.
1. Untuk kehilangan energi primer akibat gesekan.
Piezometer dipasang pada dua buah titik sejarak x pada penempang yang
berdimensi sama dan tidak terjadi belokan (untuk mengukur selisih
tekanan hidolik yang terjadi karena kehilangan energi akibat gesekan).
2. Untuk kehilangan energi sekunder akibat belokan dan pengecilan
penampang. Piezometer dipasang:
a. Pada titik sebelum terjadi dan sesudah belokan (untuk mengukur
selisih tinggi tekanan hidrolik yang terjadi karena kehilangan energi
akibat belokan).
b. Pada titik sebelum dan terjadi sesudah terjadi pengecilan penampang
pipa (untuk mengukur selisih tekanan hidrolik yang terjadi karena
kehilangan energi akibat pengecilan penampang.
4.1.2 Venturimeter
venturi meter berfungsi sebagai pengukur debit pada saluran tertutup
yang dalam hal ini pipa peralon. Konstruksinya berupa pipa tampung bundar
dengan penyempitan pada bagian tengahnya. Pada bagian penyempitan diberi
lubang yang dihubungkan dengan “Stilling well” untuk mengukur tinggi tekanan
(muka air) pada tempat tersebut. Jika tinggi muka hulu (h1) diketahui (dari
pembacaan papan duga), tinggi tekanan pada kedua tempat (h) dapat diketahui
yaitu h1-h2. Selanjutnya luas tampang hulu dapat dihitung karena ukuran lebar
sudah tertentu. Sementara itu luas tampang bagian penyampitan sudah ditentukan,
sehingga besarnya debit yang leawt dapat dihitung. Dengan menggunakan
persamaan Bernoulli dan hukum kontinyuitas didapat hubungan antara debit (Q)
dengan selisih tinggi tekanan (h), yaitu:
Q = debit yang lewat (m3/dt)
1 = luas tampang basah bagian hulu (m2)
2 = luas tampang bagian penyempitan/ luas lubang (m2)
26
h = selisih tinggi tekanan antara bagian hilir dan bagian penyempitan(m)
c = koef koreksi (0,94-0,97)
Gambar 4.1 Venturi Meter
4.1.3 Bilangan Reynolds
Bilangan Reynolds (bilangan yang tidak berdimensi) menyatakan
perbandingan gaya-gaya inersia terhadap gaya-gaya kekentalan (viskositas) untuk
pipa bundar yang mengalir penuh.
Dimana:
V = kecepatan rata-rata (m/dt)
D = garis tengah pipa (m)
= jari-jari pipa (m)
v = kekentalan kinematik (m2/dt)
= kecepatan massa fluida (kg/m3)
N = kekentalan mutlak (pa.dt)
Untuk irisan-irisan yang berpenampang tidak bundar, perbandingan luas
irisan terhadap keliling yang basah, disebut jari-jari hidrolik R (m)
ℜ=V (4 R)
V
4.1.4 Diagram Moody
Pada tahun 1944 Moody menyederhakanan prosedur hitungan
berdasarkan pada rumus:
1
√F=−2.109( K
3,7D+
2,51ℜ√F )
Dengan sebuh grafik yang dikenal sebagai grafik Moody. Grafik tersebut
mempunyai daerah kritis dimana nilainya tidak tetap, karena pengaliran mungkin
laminer atau turbulen, dareah transisi F merupakan fungsi dari angka Reynolds
27
dan kekasaran dinding pipa, dan daerah turbulen sempurna dimana nilai F tidak
tergantung pada angka Reynolds tetapi hanya pada kekasaran relatif. Untuk
menggunakan grafik tersebut, nilai K diperoleh dari tabel. Untuk pipa tua nilai F
dapat jauh lebih besar dari pipa baru yang tergantung pada umur pipa dan sifat zat
cair yang dialirkan.
Tabel 4.1 Tingkat kekasaran pipa
Jenis Pipa (Baru) Nilai K (mm)
1. Kaca
2. Besi dilapisi aspal
3. Besi tua
4. Plester semen
5. Beton
6. Baja
7. Baja dikeling
8. Pasangan batu
0,0015
0,06-,024
0,18-0,90
0,27-1,20
0,30-3,00
0,03-0,09
0,90-9,00
6
4.1.5 Kehilangan Tenaga Aliran Melalui Pipa
Pada zat cair yang mengalir pada bidang batas (pipa, saluran terbuka
atau bidang datar) akan terjadi geser dan gradien kecepatan pada seluruh medan
aliran karena adanya kekentalan. Tegangan geser tersebut menyebabkan
terjadinya kehilangan tenaga selama pengaliran.
Dipandang suatu aliran turbulens dan permanan melalui pipa seperti
yang ditunjukkan dalam gambar, diameter pipa adalah D dan pipa miring dengan
sudut kemiringan . Dianggap hanya terjadi kehilangan tenaga karena gesekan.
Gaya-gaya yang bekerja adalah gaya tekanan, berat zat cair dan gaya geser
kehilangan tenaga dengan jumlah dari perubahan tekanan dan tinggi tempat.
28
Gambar 4.2 Penurunan Rumus Darcy-Weisbach
Seperti yang ditunjukkan dalam gambar di atas tampang lintang aliran
melalui pipa adalah konstan yaitu A. Tekanan pada tampang 1 dan 2 adalah P1
dan P2. Jarak antara tampang 1 dan 2 adalah 1. Gaya-gaya yang bekerja pada
zat cair adalah gaya tekanan pada kedua tampang, gaya berat dan gaya gesekan.
Apabil panjang aliran pipa adalah L, didapat persamaan:
HF=FLV 2
D 2 g
Persamaan di atas disbut persamaan Darcy-Weisbach untuk aliran
melalui pipa lingkaran. Dalam persamaan tersebut F adalah koefisien gesekan
Darcy-Weisbach yang tidak berdimensi dimana koefisien F merupakan fungsi
dari angka Reynolds dan kekasaran pipa.
τo=F8PV 2
Persamaan di atas memberikan hubungan tegangangeser dinding sebagai
fungsi koefisien gesekan F.
4.2 Persamaan Tahanan Gesek Pipa
Faktor gesekan f dapat diturunkan secara mateatis untuk aliran laminer, tetapi
tidak ada hubungan matematis yang sederhana untuk variasi f dengan bilangan Reyolds
yang tersedia untuk aliran turbulen selanjutnya, Nikuradese dan lain-lain telah
29
menemukan bahwa kekasaran relatif pipa (perbandingan ukuran ketidaksempurnaan
permukaan E terhadap garis tengah sebelah dalam pipa) mempengaruhi juga nilai f.
1. Untuk aliran laminer persamaan yang berlaku:
Head turun →64= VVϑ
Ld
Jadi untuk aliran laminer disemua pipa untuk semua fluida, f=64ℜ dimana Re
(bilangan Reynolds) adalah bilangan yang menyatakan perbandingan gaya
inersia terhadap gaya-gaya kekentalan (viskositas) untuk aliran laminer Re
mempunyai sebuah harga maksimum praktis sebesar 2000.
2. Untuk aliran turbulen
Banyak alhi hidrolika telah mencoba menghitung f dari hasil percobaan
mereka sendiri dan dari percobaan orang lain.
a. Aliran turbulen dalam pipa-pipa mulus dan kasar, hukum-hukum tahan
universal dapat diturunkan dari:
f= 8 τoPV 3 =
8V 2
V 2
b. Untuk pipa-pipa mulus glasius menganjurkan untuk bilangan-bilangan
Reynolds antara 3000 dan 105.
Acakan dan aliran akan normal kembali mulai dari tampang (2). Di daerah
tampang 1 dan 2 terjadi pemisahan aliran seperti terlihat digambar bawah ini, aliran
efektif hanya melalui tampang yang dibatasi oleh garis rus terluar. Karena V1 lebih
besar dari V2 maka akan terjadi tumbukan di daerah antara tampang 1 dan 2. Tekanan
ditampang 2 sebesar P2. Tekanan merata ditampang 1 pada bagian yang efektif (bentuk
cincin) adalah (A2-A1)P. Persamaan momentum untuk gaya-gaya yang bekerja antara
tampang 1 dan 2 adalah:
P1 A1+P ( A2−A1 )−P2 A2=PQ (V 2−V 1)
Gambar 4.3 Tahanan Gesek Pipa
30
Kedua ruas dari persamaan tersebut dibagi dengan A2
P2
δ=
A1 P1
A2δ+
( A2−A1 )PA2δ
+V 2
g(V 2−V 1)
Pemakaian persamaan bernoulli untukkedua tampang diperoleh:
P1
δ+V 1
2
2g=P2
δ+V 2
2
2g+h
he = V 1
2−V 22
2g+P1
λ−A1P1
A2δ−
(A2−A1 ) PA2δ
−V 2
g(V 2−V 1)
he=A2−A1
A
P1−P
δ+
(V 2−V 1 )2
2 g
Persamaan kontinyuitas A1 V1 = A2 V2 atau:
V 2=A1
A2
V 1
Apabila dianggap persamaan bahwa P1 = P dan berdasarkan kontinyuitas
maka persamaan di atas menjadi:
he=(V 2−V 1 )2
2g=(1− A1
A2)
2 V 12
2 g
Gambar 4.4 Pengecilan Pipa
he=[1− AcA2 ]
2Vc2
2 g
Dengan Ac dan Vc adalah luas tmpang dan kecepatan pada vena kontrakta,
Ac Vc = A2 V2 atau Vc = Vc0,6
Maka he = (1−0,6 )=(V 2 0,6 )2
2g
he=0,44Vc2
2g
31
Disini nilai he didasarkan pada pipa kecil. Dalam prakteknya nilai f diambil
0,5.
Kehilangan tenaga pada pengecilan lubang berangsur-angsur seperti
ditunjukkan pada gambar di bawah ini:
Gambar 4.5 Pengecilan Penampang Berangsur-angsur
Pengecilan penampang secara berangsur-angsur kehilangan tenaga diberikan
dalam bentuk:
he= f ' cVc2
2g
Nilai f’c tergantung dari sudut transisi dan perbandingan luas tmapang A2,
A1.
4.3 Belokan Pipa
Kehilangan tenaga yang terjadi pada belokan tergantung pada sudut belokan
pipa. Rumus kehilangan tenaga pada belokan adalah serupa dengan rumus pada
perubahan penampang, yaitu:
hb=fbVc2
2 g
Dengan fb adalah koefisien kehilangan tenaga pada belokan yang diberikan
oleh tabel di bawah ini:
Tabel 4.2
Koefisien fb Sebagai Sudut Belokan
20o 40o 60o 80o 90o
fb 0,05 0,14 0,36 0,74 0,98
32
Gambar 4.6 Belokan Pipa
Untuk sudut belokan 90o dan dengan belokan halus (berangsur-angsur).
Kehilangan tenaga tergantung pada perbandingan antara jari-jari belokan dan diameter
pipa. Nilai fb untuk berbagai nilai R/D diberikan dalam tabel di bawah ini:
Tabel 4.3
Koefisien fb dan nilai R/D
R/D 1 2 4 6 10 16 20
fb 0,35 0,19 0,17 0,22 0,32 0,38 0,42
Keterangan:
F : koef kehilangan energi primer akibat gesekan
Hf : kehilangan tenaga akibat gesekan
L : panjang aliran pipa
V : kecepatan aliran
He : kehilangan energi pada perbesaran penampang
P1 : perbesaran tekanan pipa 1
P2 : besar tekanan pipa 2
A1 : luas penampang pipa 1
A2 : luas penampang pipa 2
33
4.4 Pelaksanaan Praktikum
4.4.1 Tata Cara Pelaksanaan
A. Pesiapan
Sebelum pelaksanaan praktikum ada beberapa hal yang harus
dipersiapkan yaitu:
1. Persiapkan air secukupnya pada ketiga bak air.
2. Pastika pompa air dapat bekerja dengan baik.
3. Stabilkan sirkulasi aliran pada instrumen sebelum pengambilan data
dilakukan.
4. Pastika bahwa dalam setiap piezometer tidak ada rongga udara.
5. Kontrol venturi meter
6. Pesiapkan format pengisian praktikum.
B. Gambar Instrumen
Gambar 4.7 Instrument Kehilangan Energi Pada Aliran Pipa
C. Pelaksanaan
Dalam pelaksanaan hal-hal yang harus dilaksanakan adalah sebagai
berikut:
1. Hidupkan pompa dan buka kran pada posisi aliran stabil sehinga
sirkulasi air berjalan dengan baik (pengambilan data tidak boleh
dilakukan sebelum kedudukan air pada masing-masing bak dalam
keadaan stabil).
34
2. Melakukan pengukuran untuk ketinggian hidraulik air pada:
a. Dua lubang pada venturi meter.
b. Piezometer-piezometer yang terpasang pada:
Sebelum dan sesudah pipa lurus yang diamati friction-nya
Posisi sebelum dan sesudah belokan
Sebelum dan sesudah pengecilan penampang
D. Teknik Pengukuran
Pada tahap ini beberapa hal yng ahrus dilakukan adalah:
1. Pastika venturi meter dalam keadaan jenuh air ( tidak ada gelembung
udara)
2. Ukur ketinggia air ada lubang piezometer dengan menggunakan
waterpass.
3. Ukur ketinggian hidrulik air pada masing-masing piezometer.
E. Pengolahan Data
Pada tahap ini hasil praktikum dikelompokkan dam dihitung sesuai
dengan tahapan berikut:
1. Perhitungan debit aliran (venturi mter)
Tebel data praktikum aliran pada pipa I
Nomor Praktikum h(H1-H2) (m) Q=CA 1 A2
√A 12- A2
2√2gh (
m3
det)
35
Tebel data praktikum aliran pada pipa II
Nomor Praktikum h(H1-H2) (m) Q=CA 1 A2
√A 12- A2
2√2gh (
m3
det)
2. Beda tinggi hidraulik pada piezometer (pipa 1 dan pipa 2)
a. Pengukuran pipa 1
Tabel data praktikum ketinggian hidraulik air pada pipa I
Nomor
PraktikumP1 (m) P2 (m) P3 (m) P4 (m)
Dimana:
P1-P2 = kehilangan energi akibat belokan 1
P2-P3 = Kehilangan energi akibat gesekan
P3-P4 = Kehilangan energi akibat belokan 2
2 orang bersiap di venturi meter (1 orang memgang penggaris
ukur, 1 orang dengan waterpass (selangair)), dan 4 orang di
piezometer.
36
Pengukuran dimulai saat air di venturi meter stabil (posisi
permukaan air di waterpass sama dengan permukaan di pipa
venturi).
Saat stabil, dilakukan pembacaan secara serempak dengan aba-
aba dari petugas di venturi.
Beda tinggi di venturi dibaca saat permukaan air di waterpass
sama dengan di venturi.
Tinggi permukaan air di pipa 1-4 dibaca pada saat petugas di
venturi meberi aba-aba.
Hasil pengukuran dicatat oleh petugas.
Pengukuran dilakukan sebanyak 5 kali.
b. Pengukuran pipa II
Tabel data praktikum ketinggian hidraulik air pada pipa II
Nomor
PraktikumP1 (m) P2 (m) P3 (m) P4 (m)
Dimana:
P1-P2 = kehilangan energi akibat belokan 1
P2-P3 = Kehilangan energi akibat gesekan
37
P3-P4 = Kehilangan energi akibat belokan 2
2 orang siap di venturi meter (1 orang memegang penggaris
ukur, 1 orang dengan waterpass (selang air), 5 orang di
piezometer.
Pengukuran dimulai saat di venturi stabil (posisi permukan air
di waterpass sama dengan permukaan di pipa venturi)
Saat stabil, dilakukan pembacaan secara serempak dengan aba-
aba dari petugas di venturi.
Beda tinggi di venturi dibaca saat permukaan air di waterpass
sama dengan di venturi.
Tinggi permukaan air di pipa 1-5 dibaca pada saat petugas di
venturi meter memberi aba-aba.
Hasil pengukuran dicatat oleh petugas pencatat.
Pengukuran dilakukan sebanyak 5 kali.
38