Rembesan Pada Bendungan Tanah

  Bab 3 - Pengaruh Rembesan Terhadap Tekanan Efektif dan Tekanan Pori Tanah

3.1. Pengaruh Rembesan Terhadap Tekanan Efektif Tanah

Tekanan efektif tanah adalah tekanan yang bekerja pada butir-butir tanah. Sedangkan tekanan yang bekerja pada air yang ada di dalam pori tanah disebut dengan tekanan pori. Jika suatu tanah menerima tekanan dari luar, maka tekanan tersebut akan diterima oleh butir-butir tanah dan air yang ada di dalam pori tanah. Dengan demikian tekanan total dalam tanah merupakan penjumlahan antara tekanan efektif dan tekanan pori (Holtz and Kovacs, 1981). Jumlah tekanan total ini tetap selalu sama dengan tekanan dari luar yang bekerja pada tanah. Jika ada penambahan tekanan dari luar, kemungkinan air dalam tanah akan keluar sehingga tekanan porinya berkurang. Pengurangan tekanan pori ini akan mengakibatkan bertambahnya tekanan efektif tanah sebesar pengurangan tekanan pori tersebut.

 Pada turap seperti Gambar 2.3, air merembes dari muka air yang tinggi ke muka air yang rendah dengan tinggi tenaga rembesan sebesar perbedaan elevasi antara ke dua permukaan air tersebut. Pada sisi yang arah rembesannya ke bawah, maka tekanan rembesan arahnya juga ke bawah sehingga akan menambah besarnya tekanan efektif tanah. Akan tetapi sebaliknya pada sisi yang arah rembesannya ke atas, maka tekanan rembesan arahnya juga ke atas sehingga akan mengurangi besarnya tekanan efektif tanah.

Tekanan rembesan terbesar akan diderita oleh permukaan tanah yang pertama kali menerima rembesan, dan berangsur-angsur berkurang sehingga pada permukaan tanah yang merupakan akhir dari rembesan, tekanan rembesannya akan sama dengan nol. Jika terdapat gambar jaringan aliran, besarnya pengurangan tinggi tekanan rembesan adalah sama dengan jumlah penurunan potensial ( jumlah  Dh) rembesan. Dengan demikian tinggi tekanan rembesan pada suatu tempat besarnya akan sama dengan sisa dari  Dh yang masih ada dengan arah tekanan tegak lurus terhadap bidang tekan, karena sifat tekanan air akan selalu tegak lurus terhadap bidang tekan.

Contoh 3.1

Suatu dinding turap menahan air dengan jaringan aliran seperti Gambar 3.1. Jika berat isi jenuh tanah adalah 20 kN/m³ dan berat isi air 9,8 kN/m³, hitung tekanan vertikal efektif pada titik A dan B !

 

Penyelesaian :

Air akan merembes dari permukaan yang tinggi ke permukaan yang rendah. Pada titik A rembesan arahnya ke bawah sehingga tekanan rembesan akan menambah besarnya tekanan efektif pada titik A tersebut. Sedangkan pada titik B arah rembesan ke atas, sehingga tekanan rembesan akan mengurangi tekanan efektif nya. Tinggi total tekanan rembesan adalah sebesar 8 m dengan jumlah selisih potensial ( Dh ) sebanyak 12, sehingga Dh = m

Pada titik A :

Tekanan efektif semula = z_A.(g_sat-_.g_w )= (11)(20-9,8 ) = 112,2 kN/m²

Dipandang prisma tanah DA.

Tekanan rembesan merupakan tekanan air yang arahnya selalu tegak lurus dengan bidang tekan, sehingga :

Tinggi tekanan rembesan pada titik D = 12 Dh dengan arah ke bawah.

Tinggi tekanan rembesan pada titik A = 8,2 Dh dengan arah ke atas.

Sehingga resultante tinggi tekanan rembesan di A = 12 Dh – 8,2 Dh = 3,8 Dh = (3,8)( )= 2,5 m dengan arah ke bawah.

Tekanan rembesan di A = h_A x g_w = 2,5 x 9,8 = 24,5 kN/m²   (     )

(     )Tekanan vertikal efektif di A = 112,2 + 24,5 = 136,7 kN/m² (     )

Pada titik B :

Tekanan efektif semula = z_B.(g_sat-_.g_w )= (6)(20-9,8 ) = 61,2 kN/m² (     )

Tinggi tekanan rembesan pada titik B = 2,4 Dh dengan arah ke atas

Tinggi tekanan rembesan pada titik C = 0

Sehingga resultante tinggi tekanan rembesan di B = 2,4 Dh = (2,4)( )=1,6 m dengan arah ke atas.

Tekanan rembesan di B = h_B x g_w = 1,6 x 9,8 = 15,7 kN/m²   (    )

Tekanan vertikal efektif di B = 61,2 -  15,7 = 45,5 kN/m² (     )

3.2. Kondisi Apung (Quick Condition)

Kondisi apung dapat terjadi pada suatu tanah yang menerima rembesan dengan arah ke atas. Kondisi apung terjadi jika besar tekanan rembesan sama dengan tekanan efektif tanah. Dipandang suatu kubus tanah (Gambar 3.2) dengan sisi b yang dilewati rembesan air dengan arah ke atas  dengan h₁ adalah tinggi tekanan rembesan pada sisi bawah dan h₂ tinggi tekanan rembesan pada sisi atas.

Gaya rembesan pada sisi bawah, P₁ = h₁.g_w.b²

Gaya rembesan pada sisi atas, P₂ = h₂.g_w.b²

Selisih gaya yang bekerja pada kubus tanah, P = (h₁- h₂)g_w.b² = Dh.g_w.b².

Tekanan rembesan atau gaya rembesan per satuan luas yang bekerja pada kubus tanah, p = = Dh.g_w

Gaya rembesan, P = Dh.g_w.b² = = i.g_w.b³

Gaya rembesan per satuan volume tanah, D = i.g_w

Pada turap seperti pada Gambar 3.1, di daerah yang mengalami rembesan ke atas tekanan efektif tanah per satuan volume tanah, p_eff = g’- D. Sebaliknya pada daerah yang mengalami rembesan ke bawah tekanan efektif tanah per satuan volume menjadi, p_eff = g’+ D. Jika pada daerah dengan rembesan ke atas, suatu saat tekanan rembesannya sama dengan berat tanah, maka tekanan efektifnya akan sama dengan nol atau seakan akan butir butir tanah  tidak mempunyai berat lagi. Tanah dengan kondisi seperti ini, tanah disebut dalam kondisi apung (quick condition). Pada kondisi apung  p_eff = g’- D = 0,  sehingga g’= D = i.g_w. Gradien hidrolik pada kondisi ini disebut  gradien hidrolik kritis.

 i_kritis =                                                (3.1)

Pada sebagian besar tanah, besarnya gradien hidrolik kritis ini diperkirakan sama dengan 1,0. Jika gradien hidrolik suatu tanah melebihi gradien hidrolik kritis, maka kemungkinan butir-butir tanah akan terdorong aliran rembesan sehingga akan terjadi pipa aliran dalam tanah (piping).

Jika peristiwa piping ini terjadi pada sisi turap, maka turap tersebut dapat roboh karena tidak ada lagi tanah yang menahannya. Menurut Terzaghi keruntuhan mungkin akan terjadi pada masa tanah  berukuran d x d/2 pada sisi yang mengalami tekanan rembesan ke atas (Gambar 3.3) dengan d adalah ke dalaman tanah sampai dasar turap pada sisi tanah yang mengalami rembesan ke atas. Keruntuhan mula-mula ditunjukkan dengan naiknya atau terangkatnya permukaan tanah disertai dengan meningkatnya permeabilitas tanah yang menyebabkan membesarnya aliran dan terbentuknya pipa aliran dalam tanah.

`Tinggi tekanan rembesan pada batas bawah CD dari masa tanah dapat diperoleh dari garis ekipotensial jaringan aliran, sedangkan pada batas atas AB tinggi tekanan rembesan sama dengan nol. Gradien hidrolik rata-rata  adalah : i_m = , dengan h_m adalah tinggi tekanan rembesan rata-rata pada bidang CD. Karena keruntuhan akibat pengangkatan diperkirakan terjadi pada gradien hidrolik kritis (i_kritis), sehingga faktor keamanan (F) akibat pengangkatan adalah :

F =                                                  (3.2)

 

Faktor keamanan pada rembesan ke atas di sekitar dinding turap juga dapat diperhitungkan terhadap kemampuan berat tanah menahan gaya rembesan ke atas. Berat efektif masa tanah ABCD = , dengan g’ adalah berat isi tanah terendam. Tekanan rembesan pada tanah ABCD = h_mg_w, sehingga gaya rembesan pada masa tanah ABCD = . hm merupakan rata-rata tekanan rembesan di D dan di C. Faktor keamanan (F) terhadap pengangkatan atau bahaya piping menjadi :

F =                                        (3.3)

Turap akan cukup aman dari bahaya pengangkatan jika faktor keamanan (F) lebih besar dari 1,5. Bila faktor keamanan terhadap pengangkatan kurang memadai, panjang turap yang tertanam dalam tanah (d) dapat dperpanjang atau di atas permukaan AB diletakkan beban tambahan berupa tanah filter (Gambar 3.4) yang dapat menahan butiran-butiran tanah yang terkena rembesan ke atas. Bila berat filter per satuan luas adalah w’, maka faktor keamanannya menjadi :

F =                                                 (3.4)

Contoh 3.2.

Turap dengan jaringan aliran seperti Gambar 3.1, tentukan faktor keamanan terhadap keruntuhan akibat pengangkatan disekitar sisi hilir turap. Berat isi jenuh tanah adalah 20 kN/m³ dan berat isi air 9,8 kN/m³.

Penyelesaian :

Ditinjau tanah seluas EFGH pada Gambar 3.1 dengan luas potongan 6 m x 3 m.

Selisih tinggi tekanan antara 2 garis ekipotensial yang berturutan, Dh =

Nilai tinggi tekanan rembesan rata-rata pada dasar  GH adalah, h_m = 4,2Dh =4,2x = 2,33 m

Faktor keamanan, F = >1,5, berarti turap aman terhadap keruntuhan akibat pengangkatan (heaving) atau bahaya piping.

3.3. Pengaruh Rembesan Terhadap Tekanan Hidrostatis

Pada konstruksi bendung sungai, bagian dasarnya akan menerima tekanan angkat yang diakibatkan oleh tekanan air. Hal ini terjadi karena sifat tekanan air akan selalu tegak lurus terhadap bidang tekannya. Tekanan angkat akibat air ini berasal dari tekanan hidrostatis dan tekanan rembesan. Besarnya tekanan hidrostatis akan tergantung dari kedalaman air (z) pada tempat yang akan dihitung tekanannya dapat dihitung dengan rumus :

p_s = z.g_w                                                                 (3.5)

Sedangkan tekanan  rembesan akan tergantung dari besarnya tinggi tekanan rembesan (h) yang dapat dilihat pada garis ekipotensial yang ada pada gambar jaringan aliran. Tekanan rembesan merupakan akibat dari adanya perbedaan antara muka air bagian hulu dan bagian hilir. Selanjutnya tekanan rembesan dapat dihitung dengan rumus :

p_h = h.g_w                                                                       (3.6)

Sehingga tekanan angkat total (p_u) yang diderita oleh dasar bendung akan merupakan penjumlahan dari tekanan hidrostatis dan tekanan rembesan.