Rip-Rap Batu Kosong Pelindung Pondasi Pier Jembatan Pengaruh Gerusan

Pendahulan

Ranking tertinggi penyebab keruntuhan jembatan pada masa pengoperasian diduduki  oleh kegagalan pondasi bangunan bawah akibat gerusan. Data pencatatan keruntuhan jembatan dan penyebab bisa dilihat pada artikel Pendataan Jembatan Rusak. 

Gambar 1 Jembatan Ule Raket runtuh akibat banjir
(Sumber : https://aksi.id/images/posts/1/2019/2019-11-01/4beb07438ffa829512198463fbab2a52_1.jpeg)

Teknologi pelindung dari gerusan pada pondasi telah lama dilakukan studi baik skala di laboratorium maupun kejadian di lapangan. Teknologi Rip-rap batu kosong  menjadi pilihan yang paling banyak. Rip-rap batu kosong memiliki keunggulan pada struktur kaku (rigid) sebab rip-rap batu kosong adalah fleksible dibawah tabrakan arus air banjir. Rip-rap batu kosoang tetap berfungsi ketika kehilangan beberapa buah batu, dan relatif mudah dikembalikan fungsinya seperti semula. Konstruksi rip-rap yang tepat(properly) terbukti memiliki umur panjang, dengan catatan dilakukan pemeriksaan dan perawatan secara berkala selain paska banjir.

Gambar 2 Rip-rap pelindung pier
(sumber : https://www.mdpi.com/eng/eng-01-00013/article_deploy/html/images/eng-01-00013-g004-550.jpg) 

Perencanaan sistem pelindung gerusan pondasi pier dengan penggunaan rip-rap batu kosong membutuhkan pengetahuan dasar sungai dan jenis pondasi, kondisi aliran meliputi kecepatan, kedalaman dan arah aliran, spesifikasi teknis pier yang meliputi ukuran, bentung, kepencengan(skew) terhadap arah aliran, karakteristik rip-rap yang meliputi ukuran , berat isi, keawetan, ketersediaan, dan karakter pertemuan rip-rap dan pondasi. Tipikal sistem meliputi lapisan filter baik berupa pabrikasi seperti geotekstil atau alami seperti pasir, gravel. dipilih secara khusus sesuai dengan tanah di bawahnya(sub-soil). 

Pedoman penerapan rip-rap telah didokumentasikan yang utamanya dikembangkan oleh  NCHRP Project 24-07(2), Lagasse, dkk., 2007.

Konsep Dasar Rip-rap Pier Jembatan

Gerusan pier jembatan

Formasi pusaran aliran adalah mekanisma pembangikt gerusan di sekitar pier jembatan. Pusaran tapal kuda adalah yang terjadi pada dasar sungai di sekitar pondasi. Pusaran tapal kuda tumpukan air pada permukaan hulu pier selanjutnya mempercepatan  aliran air di seputar hidung pilar pier. Aksi dari pusaran tapal kuda memindahkan materal dasar sungai di sekelilingnya dan sekitar pondasi pier.  Lubang gerusan dibangun karena material yang terbuang lebih banyak dibanding material mengisi.  Kedalaman lubang gerusan diikuti melemahnya kekuatan pusaran tapal kuda. Gerusan akan berhenti ketika keseimbangan terjadi antara material dasar sungai yang masuk dan keluara dari zona yang pusaran tapal kuda. Ricardson dan Darwis, 2001 berpendapat dalam gerusan air bersih, gerusan berhenti ketika tegangan yang disebabkan oleh pusaran tapak kuda menyamai tegangan geser kritis partikel endapan pada dasar lubang. Gambar 3 memperlihatkan mekanisme pusaran air dalam membangkitan gerusan disekitar pondasi pier jembatan.

Gambar 3 Skema penggerusan disekitar pier bentuk bulat pengaruh pusaran tapal kuda
(Sumber : https://thepiersheath.com/wp-content/uploads/2019/08/Scour-mechanisms-Hamill-768x501.jpg)

Kedalaman gerusan lokal dipengatuhi oleh beberapa faktor  sebagai berikut: (1) kecepatan, (2) kedalaman aliran air yang menuju pier, geomterik pier seperti : (3) lebar pier, (4) panjang pier jika penceng terhadap arah aliran, (5) sudut tabrakan arah air, (6) bentuk kolom pier, dan karakteristik material dasar sungai seperti: (7) ukuran dan gradasi, (8) formasi, selain itu juga material hanyutan yang tertumpak pada pier.

Rip-rap Pelindung Pier Jembatan

Ukuran batu-batu, kemamampuan bertahan terhadap gaya apung dan hidrodinamika dari kecepatan aliran air menuju bangunan menjadi pertimbangan dalam kerja awal terkait kesetabilan konstruksi rip-rap. Stabilitas konstruksi rip-rap dinyatakan dengan Angka Stabiliitas Nsc yang digunakan dalam sejumlah persamaan untuk menentukan ukuran rip-rap. Berat batu rip-rap diturunkan dari hasil kerja Isbash (1936) berdasarkan pertimbangan turbulensi. Gambar 3 Grafik hubungan antara kecepatan air yang menuju rip-rap dengan berat batu.

Gambar 4 Grafik hubungan kecepatan air dan berat batu rip-rap akibat efek turbulansi dari Isbash, 1936

Ukuran Batu-batu Rip-rap Pier Jembatan

Persamaan untuk menentukan ukuran batu-batu ripa yang direkomenadikan oleh NCHRP Project 23-34 hasil penyusunan ulang persamaan Isbash dari FHWA Engineerinf Circular No. 23 Edisi ke 2 yang diajukan oleh Lagasse, dkk., 2001.

  persamaan 1 

Dimana

D50   : Ukuran batu-batu 50 % dari seluruh batu dalam berat (m)

Vdes   : Kecepatan lokal kondisi di sekitar pier (m/s)

Sg        : Berat jenis konstruksi rip-rap ( pendekatan 2,65)

g           : Percepatan grafitasi (m/s2)

Jika digunakan kecepatan rata-rata saluran maka besarnya kecepatan lokal kondisi di sekitar pier dirumuskan sebagai-berikut

Vdes = K1.K2. Vavg           persamaan 2

Jika yang digunakan adalah kecepatan maksimum pada saluran maka kecepatan lokal kondisi di sekitar pier dirumuskan sebagai berikut

Vdes = K1.Vmaks

Dimana

K1    : Faktor bentuk ( bulat , K1 = 1.5 dan persegi, K1 = 1.9)

K2    : Faktor penyesuaian kecepatan berdasrkan lokasi di dalam saluran ( pier di dekat dengan tebing saluran lurus , K2 = 0.9 dan pier di dalam saluran dengan bentuk tikungan, K2 = 1.7)

Vavg  : Kecepatan rata-rata di jembatan (m/s)

Vmaks: Kecepatan di dalam saluran (m/s)

Berat batu dan ukuran batu perlu digunakan sebagai dasar penentuan pilihan batu rip-rap, diantara keduanya diambil yang paling aman. Kriteria gradasi batu-batu rip-rap didasarkan pada sebuah nominal atau target D50 dan Rasio keseragaman (Uniformity Ratio).  Rasio keseragaman gradasi batu-batu rip-rap dinyatakan sebagai D15/D85. Lagasse, dkk. (2006) menyatakan besarnya Uniformity Ratio adalah 2.0 dan rentang ijin antara 1.5 s/d 2.5.

Ketebalan

Ketebalan minimum konstruksi rip-rap adalah 3D50

Penyaring

Parker,dkk.(1998) memberi saran pemasangan geotekstile di bawah lapisan rip-rap penambahn sejauh 2/3 nya dari pier ke keliling rip-rap  akan memberi performa lebih baik. Jika digunakan penyaring batu-batu tebalnya 4 D50 dari batu-batu penyaring.

Lay Out

Area rip-rap meliputi 2.0 kali lebar pier hal ini dikutip oleh Lagasse, 2007 sesuai dengan rekomendasi NCHRP Project 24-07(2) dalam laporan 593. 

Dalam kasus pier berupa dinding atau bent pile yang terdiri dari multi kolom pier dimana memiliki sumbu struktur menceng(skew) terhadap arah aliran, area perlindungan harus ditambah sesuai gerusan pengaruh kepencengan. Richardson dan Davis, 2001 menyarankan perluasan area lapisan rip-rap dikalikan faktor a K yang besarnya dirumuskan sebagai berikut

persamaan 3

Dimana

Ka     : Faktor a , pengali luas area 

L        : Panjang pier atau bent pier (m)

a        :  Lebar pier atau bent pier (m)

alpha : Sudut kepencengan (Deg)

Dasar area rip-rap dibuat galian dengan kedalam dari dasar sungai. Jika sistem sungai dengan dasar mengalami perubahan  adanya bukit pasir (dune) pada saat banjir kedalaman galian digunakan pendekatan hasil penelitian Van Rijn , 1984 dan Karim, 1999. Umumnya kedalaman galin diestimasi sebesar kurang dari (>) 0.4 Y dimana Y adalah kedalaman air banjir berdasarkan pendapat dari Bennett, 1997. Disarankan kedalaman maksimum galian tidak melebihi dari 0.2 Y.

Gambar 5 Diagram skema penampilan penyaring geotekstil berisi pasir di bawah rip-rap batu-batu kosong

Perencanaan

Analisis Hydrologi dan Hydraulik

Analisis hydrology dan hydraulik adalah esensial untuk menginterprestasi data kuantitas air dan hydraulik lintasan air (water way). Variasi kondisi kehydrologian memiliki dampak penting pada bangunan jembatan. Pada sungai, seperti debit air, kecepatan , turbulensi serta kedalam akan berpengaruh pada bangunan jembatan. 

Gambar 6 Daerah Aliran Sungai (DAS) hulu bangunan jembatan rencana
(Sumber : Dokumen Proyek Perencanaan Teknik Terinci dan Penyiapan Dokumen Lelang Jembatan Baru Tahun 2019 Paket II, Lelo Engineering Consultan, UNP, LDA. & PT Cipta Desain Indonesia, 2020)

Gambar 7 Lokasi Rencana Jembatan Tutu Luro
(Sumber : Dokumen Proyek Perencanaan Teknik Terinci dan Penyiapan Dokumen Lelang Jembatan Baru Tahun 2019 Paket II, Lelo Engineering Consultan, UNP, LDA. & PT Cipta Desain Indonesia, 2020)

Hasil Perhitungan dan Data

Riprap Analysis: Tuto Luro

Notes:

Input Parameters

Riprap Type: Pier

The velocity is specified as average velocity at the bridge

Channel Average Velocity (at the bridge): 3.048 (m/s)

Velocity Adjustment Factor for location in the channel: 1

The piers have a square shape

Pier Width (normal to flow): 5.6 (m)

Contraction Scour Depth: 5.2 (m)

Bed Form Depth: 1.5 (m)

Specific Gravity of Riprap: 2.65

Result Parameters

Design Velocity: 5.1816 (m/s)

Design velocity never less than average channel velocity

Computed D50: 574.116 (mm)

Riprap Class

Riprap shape should be angular

Riprap Class VII

Median Particle Diameter: 609.6 (mm)

The following values are an 'average' of the size fraction range for the selected riprap class

d15: 450.85 (mm)

d50: 641.35 (mm)

d85: 863.6 (mm)

d100: 1219.2 (mm)

Layout Recommendations

Depth of Riprap below Streambed: 5.2 (m)

Design thickness of riprap below streambed is greatest of Contraction Scour Depth (includes Long-Term Degradation, if applicable), Bed Form Depth, or 3x Design D50

Minimum Riprap Extent: 11.2 (m)

Filter Placement Extent: 7.46667 (m)

Daftar Pustaka

1. US Department of Transportatition Federal Highway Adminstration, BRIDGE SCOUR AND STREAM INSTABILITY COUNTERMEASURE : EXPERIENCE, SELECTION, AND DESIGN GUDATION THIRD EDITION VOL.2, September 2009

2. Konsultan pt. Cipta Desain Indonesia, DETAIL ENGINERING DESIGN AND BID DOCMENT PREPARATION FOR NEW BRIDGE IN 2019