Mengenal Erosi Internal di Bendungan

Di era Pemerintahan Presiden Jokowi saat ini, pembangunan infrastruktur merupakan agenda besar yang menjadi flagship dari pemerintahan beliau. Salah satu wujud infrastruktur yang akan dikebut pembangunannya adalah bendungan.

Pada tahun 2015 lalu, ada 13 bendungan yang telah dimulai pembangunannya, banyak diantaranya berlokasi di NTT, sebuah propinsi yang di masa lampau hingga kini terkenal dengan problem kekeringannya.

Sedangkan di tahun 2016 ini, ada sekitar 8 bendungan yang akan dimulai pembangunannya, ini merupakan sebagian dari total 49 bendungan yang akan dibangun selama periode 5 tahun Pemerintahan Presiden Jokowi.

Sebagai lulusan teknik sipil, tentu saya akan bicara soal hal-hal teknisnya saja. Dari sejarahnya, ada dua problem utama kegagalan bendungan yaitu (1) overtopping, alias bendungan yang diisi melebihi kapasitasnya; (2) erosi internal. Di tulisan kali ini saya akan bicara mengenai yang kedua.

Sekilas mengenai bendungan

Bendungan adalah struktur penahan air, utamanya digunakan sebagai reservoir air. Fungsinya adalah menampung curah hujan berlebih di musim hujan sehingga tidak menyebabkan banjir. Sebaliknya, di musim kemarau, air yang sudah ditampung tadi dapat dialirkan untuk kebutuhan irigasi. Bila daya tampung reservoirnya besar dan cukup ekonomis, bendungan juga bisa digunakan sebagai pembangkit tenaga listrik.

Di masa sekolah dulu di UI, saya ingat sekali ada mata kuliah yang mengajarkan mengenai stabilitas bendungan gravitasi (gravity dam). Hal yang perlu kita cek dalam desain adalah faktor keamanan terhadap gelincir dan guling.

Salah satu contoh bendungan yang terkenal dari gravity dam ini adalah Hoover Dam di Amerika Serikat. Bendungan ini sesungguhnya adalah tipe arch-gravity dam, dimana tekanan hidrostatik air ditahan oleh gabungan efek busur di struktur bendungan dan berat struktur bendungan itu sendiri.

hoover-damHoover Dam (sumber)

Namun bendungan beton massif seperti Hoover diatas bukanlah mayoritas. Tipe bendungan yang paling umum ditemui adalah bendungan yang dibuat dari timbunan. Timbunan ini bermacam-macam, umumnya dibagi menjadi dua tipe bendungan urugan batu (rockfill dam) dan bendungan tanah (earth-fill dam).

Sebagai contoh, bendungan terbesar di Indonesia, waduk Jatiluhur, yang sudah beroperasi sejak tahun 1967, merupakan bendungan urugan batu. Bendungan sepanjang 1.2 km ini membendung aliran Sungai Citarum dan hanya berjarak sekitar 100 km dari Jakarta.

jatiluhur-planTampak atas desain Bendungan Jatiluhur (sumber)

Tahu urugan batu? Urugan batu ya tidak beda dengan agregat kasar yang sering kita lihat di toko bangunan. Tentu saja, distribusi ukuran (granulometri) dan bentuknya bisa berbeda-beda tergantung dimana tempat urugan batu tersebut ditambang.

urugan-batuPembangunan bendungan urugan batu (sumber)

Pertanyaan berikutnya, bagaimana mungkin material seperti urugan batu tersebut bisa membendung air? Jangankan batu yang gede-gede seperti itu, pake pasir yang lebih kecil ukurannya juga pasti air bakal merembes koq !! Hehehe…

Nah disinilah makanya muncul bendungan urugan batu yang bagian hulunya (bagian yang menghadap air) dilapisi oleh beton, nama kerennya CFRD (concrete-face rockfill dams). Namun selain dengan cara ini, ada juga bendungan urugan batu yang intinya (bagian tengah dari bendungan) diisi dengan material tanah liat, Waduk Jatiluhur dibangun dengan teknik yang terakhir disebutkan ini.

jatiluhur-section

Tampak potongan desain Bendungan Jatiluhur dengan inti tanah liat (sumber)

Rembesan air

Air akan selalu mengalir dari tempat yang tinggi ke yang rendah. Hal ini terjadi karena adanya gradien hidrolik. Adanya gradien hidrolik di tanah akan menyebabkan rembesan (seepage). Di kuliah mekanika tanah, topik ini biasanya adalah topik pertama yang dibahas setelah mengetahui properti tanah.

Salah satu teknik yang paling umum digunakan untuk mengkalkulasi kecepatan rembesan adalah dengan metode grafis jaring aliran (flownet), yang sesungguhnya merupakan representasi grafis dari persamaan Laplace (kalau penasaran formulasinya silahkan cek postingan saya ini).

flow-net-cutoff-wallJaring aliran (biru) dan garis ekuipotensial (hijau) (sumber)

Kecepatan aliran air didalam tanah pada struktur bendungan tentu tergantung dari bentuk bendungan dan permeabilitas tanah. Semakin besar gradien hidroliknya, tentu saja semakin besar kecepatan aliran air didalam tanah.

Apakah rembesan ini berbahaya? Rembesan ini ya normal, air pasti akan merembes keluar saat ada gradien hidrolik.

Erosi internal (piping problem)

Saat kecepatan aliran rembesan terlalu tinggi, ini baru masalah !! Kecepatan aliran air yang terlalu tinggi berpotensi menggerus butiran tanah hingga terbawa aliran air. Problem inilah yang kemudian dikenal dengan nama erosi internal.

Dalam jangka waktu tertentu (bisa bertahun-tahun atau beberapa hari saja), akan terbentuk lubang seperti pipa yang diameternya bisa makin besar dari waktu ke waktu.

piping-failureErosi internal di bendungan (sumber)

Mula-mula mungkin hanya rembesan kecil, tapi lama-lama (atau tidak lama) akan semakin besar dan menjebol badan bendungan. Salah satu contohnya yang terkenal adalah keruntuhan Bendungan Teton pada tahun 1976 di negeri Paman Sam.

Bendungan ini adalah adalah bendungan tanah yang dibangun selama 4 tahun (dari 1972-1976) dengan dana 48 juta US dollar (sekitar 200 juta bila memperhitungkan inflasi). Ironisnya, bendungan ini jebol saat diisi pertama kali akibat erosi internal.

Gambar dibawah ini menggambarkan bagaimana proses jebolnya Bendungan Teton, proses dari bocor kecil hingga jebol ini terjadi hanya dalam hitungan jam saja !!

teton-failure-seq1teton-failure-seq2teton-failure-seqFinalKeruntuhan akibat erosi internal di Bendungan Teton (sumber)

Studi sains mengenai erosi internal ini masih aktif dilakukan. Salah satu hasil studi dengan simulasi 2D dapat dilihat pada video youtube dibawah ini. Di video ini, erosi internal dimodelkan dengan kombinasi 2 metode simulasi: (1) DEM – Discrete Element Method, untuk mensimulasi partikel solid dan (2) LBM – Lattice Boltzman Method, untuk mensimulasi aliran air.

Dapat kita lihat diatas, lubang dari erosi internal ini bisa semakin membesar, tidak heran di literatur berbahasa inggris, keruntuhan akibat erosi internal ini dikenal dengan nama piping failure.

Mengatasi erosi internal

Ada beberapa cara yang bisa dilakukan untuk mengurangi kecepatan aliran ini, antara lain dengan  dengan membuat cutoff wall. Di gambar jaring aliran diatas, cutoff wall ini dikonstruksi di kaki pada bagian hulu bendungan. Salah satu metode pembuatannya bisa dilihat dari video youtube dibawah ini.

Bila kita ingat definisi gradien hidrolik i=\frac{\Delta h}{L}, parameter ini terdiri dari 2 komponen, yaitu \Delta h yang merupakan beda tinggi hidrolik dan L yang merupakan panjang aliran (baca juga tulisan saya mengenai Hukum Darcy). Penambahan cutoff wall ini sebenarnya menambah panjang aliran !! Jika menggunakan metode grafis metode jaring aliran, penambahan cutoff wall akan membuat kita memiliki garis ekuipotensial lebih banyak.

Jadi selain menambah panjang aliran, kita bisa juga merekayasa beda tinggi hidrolik… Hati-hati ! Ada kasus keruntuhan bendungan terjadi akibat rekayasa beda tinggi hidrolik tidak berhasil dilakukan dengan baik… Untuk lebih jelasnya ini dibahas di kasus pertama dari tiga kasus yang dipaparkan oleh Alfred Hendron di Terzaghi Lecture tahun 2013 yang lalu (lihat video youtube dibawah).

Cara lain untuk menghadapi erosi internal ini adalah dengan menambahkan material filter pada badan bendungan. Filter adalah material yang berfungsi untuk menyaring partikel tanah halus yang bisa terbawa saat erosi.

bendungan-filter

Filter di bendungan

Pemilihan material filter ini ada aturannya, tidak sembarang material bisa dipakai, selain itu juga diperlukan analisis butiran lebih lanjut. Jangan sampai saat terjadi sufusi (tertahannya butiran halus di filter), maka filter yang sebelumnya bisa melewatkan air  menjadi kedap. Bila ini terjadi, tidak tertutup kemungkinan erosi internal bisa pindah muncul di tempat lain.

Jadi, bikin bendungan, bukan sekadar menimbun tanah. :mrgreen:

 

Iklan

Tinggalkan Balasan

Isikan data di bawah atau klik salah satu ikon untuk log in:

Logo WordPress.com

You are commenting using your WordPress.com account. Logout / Ubah )

Gambar Twitter

You are commenting using your Twitter account. Logout / Ubah )

Foto Facebook

You are commenting using your Facebook account. Logout / Ubah )

Foto Google+

You are commenting using your Google+ account. Logout / Ubah )

Connecting to %s

%d blogger menyukai ini: