PERENCANAAN SALURAN STABILFaktor utama yang berpengaruh pada perencanaan saluran adalah kecepatan dan tegangan geser (shear stress). Dalam praktek, tegangan geser sangat susah ditentukan. Oleh karna itu, kecepatan diterima sebagai faktor yang paling penting dalam perencanaan saluran yang stabil. Jika kecepatan maksimum telah dipilih sedemikian rupa, sehingga tidak terjadi gerusan (scouring) pada kondisi kecepatan sama atau lebih kecil dari kecepatan maksimum, maka permasalahan di anggap teratasi.a. Kecepatan Maksimum yang DiijinkanJika kecepatan rata-rata yang dipilih lebih kecil dari kecepatan maksimum yang dijinkan,maka saluran dianggap stabil. Kebanyakan investigator dalam menentukan kecepatan yang diijinkan dengan mengaitkan dengan tekstur tanah. Tekstur tanah merupakan perrbandingan relatif dari berbagai golongan besar partikel tanah dalam suatu massa tanah, terutama perbandingan antara fraksi-fraksi liat, lempung dan pasir. Yang tergolong material tanah adalah partikel mineral yang mempunyai diameter lebih kecil dari 2 mm, atau lebih kecil dari kerikil (Tabel 1). Jadi, partikel tanah meliputi pasir, lempung atau geluh, dan liat. Distribusi partikel tanah ditentukan dengan hygrometer untuk partikel halus (liat). Tekstur tanah dikelompokkan kedalam 12 kelas tekstur menurut USDA sebagaimana tertera pada Gambar 1 dibawah.Tabel 1 Klasifikasi Butir-butir Primer TanahKelasDiameter

mm Phi

KerikilKrakal KasarSedang Halus>10010-1005-102-5>10010-1005-102-5100000100000-1000005000-100002000-5000

PasirSangat kasarKasarSedangHalusSangat halus2-11----162,0-1,01,0-0,50,50-0,250,25-0,1250,125-0,0622000-10001000-500500-250250-125125-62

LempungKasarSedangHalusSangat halus16-3232-6464-128128-2560,062-0,0310,031-0,0160,016-0,0080,008-0,00462-3131-1616-88-4

LiatKasarSedangHalusSangat halus256-512512 - 1024 1024 - 20482048 - 40960,004-0,0020,002-0,0010,0010-0,00050,0005-0,000244-22-11-0,50,5-0,25

Begitu presentase kandungan pasir, lempung, dan liat pada tanah tertentu telah ditentukan, maka tanah tersebut dapat ditempatkan ke dalam salah satu dari 12 kelas utama, sebagaimana ditampilkan dalam Gambar 1. Jumlah persentase pasir, lempung dan liat selalu 100%. Titik A menggambarkan tanah dengan kandungan pasir 55%, lempung 30%, dan liat 15% menghasilkan tekstur tanah dengan nama kelas geluh lempung kepasiran (sandy clay loam). Tanah dengan kandungan pasir, lempung, dan liat yang sama dinamakan kelas geluh kelempungan (clay loam). Areal yang dibatasi oleh garis tebal di dalam segitiga memberikan batas-batas kelas.

Gambar 1 Segitiga tekstur tanah meperlihatkan batas-batas kandungan pasir,lempung, dan liat untuk berbagai kelas tekstur tanahPada Gambar 1 titik A menggambarkan tanah dengan kandungan pasir 55%, lempung 30%, dan liat 15%.Fortier dan Scobey, 1926, dan direkomendasikan oleh Special Committee on Irrigation Research, ASCE (dalam Simon dan Senturk, 1992), telah menentukan kecepatan maksimum yang diijinkan berdasarkan tekstur tanah. Hasilnya seperti yang disajikan dalam Tabel 2.Disamping kecepatan maksimum yang telah ditetapkan dalam Tabel 2 tersebut, beberapa ahli telah merumuskan beberapa persamaan untuk menentukan kecepatan maksimum yang diijinkan. Beberapa di antaranya disajikan di bawah ini (dalam Simon dan Senturk, 1992).

1). Mavis, dkk, (1973)(1)Dimana :D= diameter butiran, mmVb= kecepatan maksimum yang diijinkan pada dasar, ft/detikTabel 2 Kecepatan maksimum yang diijinkan yang diusulkan oleh Fortier dan Scobey(dalam Simon dan Senturk, 1992)NoMaterial asli di mana saluran digalinKecepatan rata-rata, m/dt

Air jernihAir mengangkut kolloidAir mengangkut non colloid lempung, pasir, kerakal, dan batu

1Pasir halus (kolloidal)0,0200,460,760,4

2Geluh kepasiran (non kolloidal)0,0200,530,760,61

3Geluh kelempungan (non kolloidal)0,0200,610,910,61

4Lempung Alluvial (non kolloidal)0,0200,611,070,61

5Geluh0,0200,761,070,69

6Abu vulkanik0,0200,761,070,61

7Kerikil halus0,0200,761,521,14

8Liat terjal0,0251,141,520,91

9Geluh krakal terseleksi (non kolloidal)0,0301,141,521,52

10Liat alluvial (kolloidal)0,0251,141,520,91

11Liat-krakal terseleksi (kolloidal)0,0301,221,681,52

12Kerikil kasar (non kolloidal)0,0251,221,831,98

13Krakal0,0351,521,681,98

14Kerang0,0251,831,831,52

2). Cartens (1966)(2)Dimana := kemiringan terhadap bidang datar= sudut geser dalam (rumus berlaku untuk satuan Inggris)

3). Neill (1967)(3)Dimana :h= kedalaman air (rumus berlaku untuk satuan Inggris)

4). Mirtskhulava, T.E.(4)Dimana :D> 2 mm (berlaku untuk satuan metrik dan SI)(5)Vper= kecepatan maksimum yang diijinkan, m/detik

b. Geometri Penampang Melintang SaluranFaktor yang terpenting dalam menentukan pilihan bentuk penampang saluran adalah pertimbangan ekonomi. Mengingat secara umum saluran dibuat dengan menggali tanah dan tidak diperkuat dengan pasangan batu/beton (lining), maka stabilitas dinding saluran perlu diperhatikan. Besar kecilnya kemiringan dinding saluran tergantung pada jenis tanah dan kedalaman saluran. Tabel 3 memperlihatkan besarnya kemiringan dinding saluran untuk berbagai jenis tanah berdasar gambar 2.Fhmb

Gambar 2 Potongan melintang saluran bentuk trapesiumUSBR menyarankan penentuan nisbah kedalaman dan lebar dasar saluran (h/b) untuk tujuan praktis sebagai berikut:(6)dimanaA = Luas penampang dalam ft2(7)

Tabel 3 Kemiringan dinding saluran yang direkomendasikan olehUSBR (dalam Kinori, 1970)No.Tipe tanahNilai m

Kedalaman sampai 1,2 mKedalaman saluran > 1,2 m

1Turf0

2Lempung keras0,51

3Geluh kelempungan dan geluh keliatan11,5

4Geluh kepasiran1,52

5Pasir23

ContohRencanakan suatu saluran stabil dengan data-data sebagai berikut: Debit 15 m3/detik, material asli yang akan digali adalah geluh kepasiran, D50 = 2,5 mm, air jernih, s = 2,6 t/m3 Percepatan gravitasi 9,81 m/detik = 30 Sudut lereng terhadap bidang datar = 0,034 Kemiringan dasar saluran S0 = 0,0006Penyelesaian1. Tentukan kecepatan maksimum yang diijinkan dari Tabel 2 dan persamaan-persamaan umum kecepatan maksimum yang diijinkan.Fortier dan Scobey: Vb = 0,53 m/dt = 1,75 ft/dtMavis: Cartens : = 0,935 ft/dt

Rumus Neill dan Mirtskhulava memberikan nilai kecepatan pada dasar saluran yang dipakai untuk mengontrol kecepatan maksimum dari Fortier dan Scobey setelah kedalaman air, h, ditemukan.

2. Dengan menggunakan kecepatan maksimum Fortier dan Scobey, Vper = 0,53 m/dt, luas penampang saluran dapat dihitung:

3. Tentukan kemiringan dinding saluran dari Tabel 3, yaitu m = 2 (kedalaman diasumsikan > 1,2 m). Dari persamaan (7) diperoleh hasil sebagai berikut:

Atau b = 2 h(2h + 2h) h = 28,30 m2h = 2,66 m2, b = 2 x 2,66 = 5,32 m.4. Check hasilnya dengan persamaan Neill (persamaan 3) sebagai berikut:

= 1,301 ft/dt = 0,396 m/dt5. Check pula dengan persamaan Mirtskhulava (persamaan 4 dan 5) sebagai berikut:

= 0,826 m/dt

Dari hasil analisis di atas tampak bahwa persamaan Mirtskhulava memberikan hasil yang terlalu tinggi dibandingkan dengan ketiga rumus lainnya yang menghasilkan nilai berada pada kisaran Fortier dan Scobey. Dengan demikian, dapat disimpulkan bahwa dimensi yang dihasilkan di atas memenuhi syarat saluran stabil, yaitu:Kedalaman air, h = 2,66 mLebar dasar salurab = 5,32 m, danKemiringan dasar saluran,m = 2

c. Metoda Tegangan Geser KritisTegangan geser kritis rata-rata dinyatakan dalam bentuk:(8)Atau dapat juga dinyatakan dalam bentuk:(9)Dimana:R= jari-jari hidraulik (m)Se= kemiringan energiV*= kecepatan geser (m/detik)= = berat jenis air (N/m3)= rapat massa air (kg/m3)

Tegangan geser pada suatu titik dapat diasumsikan konstan selama karakteristik hidarulik aliran dan geometri saluran tetap konstan, tetapi besarnya bervariasi dalam setiap titik pada penampang melintang saluran. Gambar 3 memperlihatkan variasi tegangan geser yang diamati dalam percobaan sebagaimana dilaporkan Lane (1953).h0,75hS0,97hS0,75hS

Gambar 3 Distribusi tegangan geserPengujian distribusi tegangan geser menunjukkan bahwa potongan melintang berbentuk trapesium tidak ekonomis. Dinding saluran dihitung untuk tahan terhadap tegangan geser maksimum, namun kenyataannya hanya sebagian kecil yang terpengaruh pada tegangan tersebut. Distribusi tegangan geser berpola bahwa dinding yang lebih terjal, dengan kata lain semakin terjal, maka semakin kecil tegangan geser yang terjadi. Tentu saja kemiringan dinding terbesar tidak boleh melebihi sudut geser dalam (natural angle of repose) tanah asli.Permasalahan untuk mempertahankan stabilitas muncul terutama pada saluran yang dibangun pada tanah tidak kohesif di mana partikel-partikel tanah cenderung untuk menggelinding ke bawah dinding saluran akibat gaya gravitasi. Pada kondisi ada aliran, maka partikel tanah tersebut bekerja dua gaya, yaitu gaya gravitasi dan gaya traktif. Gaya tahan, yang melawan gaya-gaya tersebut pada tanah tidak kohesif hanya gesekan internal.

d. Stabilitas Partikel Tanah pada Dinding SaluranStabilitas partikel tunggal merupakan fungsi arah dan besaran kecepatan aliran, kedalaman aliran, kemiringan dinding, serta geometrik dan karakteristik sedimen (Stevens dan Simons, 1971). Gaya yang bekerja pada partikel tanah tidak kohesif yang menempel pada dinding saluran terdiri dari gaya geser (gaya angkat dan gaya drag), dan berat partikel.Ws sin Ws cos Ws

Gambar 4 Dekomposisi berat partikel tanah pada dinding saluranGaya berat partikel Ws dapat diuraikan menjadi dua komponen, yaitu normla dan paralel dinding saluran. Komponen gaya paralel dinding Ws sin cenderung membawa partikel menggelinding ke bawah dan komponen gaya normal Ws cos menekan partikel ke dinding dan cenderung mempertahankannya di tempat (Gambar 4).Gaya geser yang bekerja pada partikel pada arah aliran adalah sa. Resultan dua gaya yang membawa kecenderungan partikel terlepas adalah :(10)Gaya ini dilawan oleh gaya gesek berikut:(11)Pada kondisi partikel akan bergerak (incipient movement), maka kedua gaya ini sama.(12)atau(13)atau dapat disederhanakan menjadi persamaan berikut:(14)Di dasar saluran atau pada sembarang titik pada bidang horizontal di mana = 0, kita dapatkan persamaan berikut :(15)Nisbah antara tegangan geser pada dinding dan dasar saluran dinamakan nisbah gaya tarik dengan persamaan berikut ini:(16)(17)Mari kita uji tegangan geser per satuan panjang saluran dengan perimeter yang mempunyai kurva menerus (Gambar 5). Gaya tarik, Ft, yang ditimbulkan oleh air setinggi h, selebar dx dengan panjang l adalah:Ft = ySdxGaya ini bekerja pada bidang luasan berikut:

Sehingga tegangan geser menjadi seperti berikut:(18)Bhydydx

Gambar 5 Potongan melintang dengan parameter lengkung menerus

Kombinasi persamaan (15) dan (18) diperoleh persamaan berikut:(19)Dengan menyusun kembali persamaan (19), kita hasilkan persamaan lengkung:

atau(20)Dengan mengatur persamaan diferensial, mengintegrasikan, serta memasukkan kondisi batas, yaitu x = 0, h = h, kita dapatkan bentuk akhir persamaan lengkung sebagai berikut:(21)(22)Dimana:Ws= berat jenis basah partikel tanaha= luas efekti geseran dari partikel tanah= sudut antara sisi dinding dan bidang horizontal= sudut geser dalam alamiahs= tegangan geser pada dinding saluranb= tegangan geser pada dasar saluranf= tan , koefisien gesekanDengan demikian, bentuk lengkung yang terjadi adalah lengkung cosinus.