HEC-RAS: Bridge Scour

Salah satu pengunjung website saya beberapa hari yang lalu menanyakan tentang contoh (cara memperkirakan) bridge scour, atau gerusan lokal di sekitar pilar dan pangkal jembatan. Tentu saja, HEC-RAS menyediakannya. Paparan mengenai contoh aplikasi HEC-RAS untuk menghitung bridge scour ada di HEC-RAS Applications Guide, Chapter 11. Petunjuk cara pemakaian fitur ada di HEC-RAS User’s Manual, Chapter 12. Penjelasan mengenai metode hitungan dan persamaan-persamaan bridge scour ada di HEC-RAS Hydraulic Reference Manual, Chapter 10.

Untuk menambah bahan bacaan, di sini saya berikan satu contoh hitungan bridge scour. Saya mengacu pada contoh jembatan yang ada di modul HEC-RAS Lanjut: Junction and Inline Structures, Sub-bab 3.1. Di dalam modul tersebut (versi saat ini), contoh bridge scour belum ada. Saya berasumsi pembaca telah pernah membaca Sub-bab 3.1 tersebut dan telah mencoba mempraktikkan simulasi aliran melalui jembatan. Di sini, saya tidak membahas persamaan-persamaan untuk menghitung kedalaman bridge scour.

Simulasi Aliran

Langkah awal dalam menghitung kedalaman bridge scour adalah melakukan analisis aliran (simulasi aliran) untuk menghitung parameter hidraulika aliran yang melewati jembatan. Mengingat kedalaman bridge scour ditujukan untuk memperkirakan kedalaman scour maksimum yang berpotensi terjadi di sekitar jembatan, umumnya dalam tahap desain jembatan, maka cukup dibutuhkan parameter aliran pada debit desain. Dengan demikian, cukup dilakukan steady flow analysis; tidak perlu melakukan unsteady flow anaylsis. Sepanjang pengetahuan saya, Indonesia belum memiliki acuan mengenai debit desain untuk keperluan perkiraan kedalaman bridge scour (mungkin saya salah, please comment). Kalau mengikuti acuan di Amerika Serikat, kedalaman bridge scour dihitung pada debit desain Q₁₀₀. Kontrol kemudian dilakukan terhadap kedalaman fondasi vis a vis kedalaman bridge scour pada debit Q₅₀₀.

Pada contoh ini, kedalaman bridge scour dihitung dengan debit 500 m³/s di S. Tirtaraya reachHulu dan 110 m³/s di S. Tirtagiri reach Gunung.

Simulation Plan

Buat simulation plan baru untuk keperluan hitungan kedalaman bridge sccour ini.

Aktifkan layar Steady Flow Analysis. Pilih “Jembatan” pada pilihan Geometry File.
Aktifkan layar editor Steady Flow Data. Masukkan data debit pada setiap batas hulu reach seperti tampak pada Gambar 1. Simpan file data aliran permanen (steady flow data) yang baru dibuat ini ke dalam file dengan judul “Gerusan lokal di pilar jembatan”.
Definisikan syarat batas hilir di setiap reach dengan mengklik tombol Reach Boundary Conditions… yang ada pada layar editor Steady Flow Data. Pilih Rating Curve sebagai batas hilir S. Tirtaraya reach Hilir dan S. Tirtabaru reach Kanal Banjir. Masukkan angka-angka koordinat rating curve seperti tampak pada Gambar 2.
Kembali ke layar Steady Flow Analysis dan tambahkan kalimat seperlunya di bagian Plan Description. Simpan file Plan dengan judul “Gerusan lokal di sekitar pilar jembatan” dan ShortID “BridgeScour” (lihat Gambar 3).

Gambar 1: Syarat batas debit aliran di batas hulu setiap reach

Gambar 2: Syarat batas rating curve di batas hilir S. Tirtaraya reach Hilir dan S. Tirtabaru reach Kanal Banjir

Gambar 3: Layar Steady Flow Analysis pada simulasi bridge scour

Flow Optimization

Syarat batas debit di hulu reach Tirtaraya Hilir adalah 366 m³/s dan di Kanal Banjir adalah 244 m³/s. Angka ini adalah perkiraan, mengingat distribusi debit di Junction Gelang tidak diketahui. Ini berbeda dengan debit di batas hulu Tirtaraya Tengah karena Junction Tanggi merupakan pertemuan (confluence) dua anak sungai. Debit di Tirtaraya Tengah merupakan jumlah debit dari Tirtaraya Hulu dan Tirtagiri Gunung. Junction Gelang merupakan percabangan (bifurcation). Di Junction Gelang, aliran dari Tirtaraya Tengah sebagian mengalir ke Tirtaraya Hilir dan sebagian yang lain mengalir ke Tirtabaru Kanal Banjir. HEC-RAS menyediakan opsi Flow Optimizations untuk menghitung distribusi debit di tempat seperti Junction Gelang tersebut.

Pada layar Steady Flow Analysis, pilih menu Options | Flow Optimizations … dan klik pada Junction Gelang seperti tampak pada Gambar 4.

Dengan pengaktifan opsi ini, maka HEC-RAS akan melakukan hitungan debit di Junction Gelang secara iteratif. HEC-RAS akan menghitung distribusi debit ke Tirtaraya Hilir dan Tirtabaru Kanal Banjir sedemikian hingga tinggi energi tepat di hilir junction, yang diperoleh dari Tirtaraya Hilir dan Tirtabaru Kanal Banjir, akan sama atau selisih keduanya lebih kecil daripada nilai toleransi (default 0.02 ft).

Gambar 4: Opsi flow optimization dalam hitungan debit di Juntion Gelang

Flow Distribution

Salah satu langkah penting yang harus dilakukan dalam simulasi aliran untuk menghitung kedalaman bridge scour adalah pengaktifan opsi Flow Distribution Location. Bridge scour analysis memerlukan informasi distribusi aliran di 3 tampang lintang (cross section), yaitu di tampang lintang jembatan, tampang lintang persis di hulu jembatan, dan tampang lintang di approach flow. Di Bab 3 ketiga tampang lintang ini dinamai cross section jembatan, cross section nomor 3, dan cross section nomor 4. Agar HEC-RAS menghitung distribusi aliran di suatu tampang, maka tampang lintang tersebut dibagi menjadi beberapa pias.

Pada layar Steady Flow Analysis, pilih menu Options | Flow Distribution Locations … Pilih River Sungai Tirtaraya, Reach Hulu. Pilih Upstream RS 5920 dan Downstream RS 5875 (lihat Gambar 5). Pilihan ini akan menetapkan cross section nomor 5920, 5905, 5900, 5890, dan 5875 sebagai tampang lintang yang akan dihitung distribusi alirannya. HEC-RAS sebenarnya hanya memerlukan distribusi aliran di cross section 5920, 5905, dan 5900, namun tidak ada salahnya untuk melakukannya pula pada tampang lintang di hilir jembatan, yaitu cross section 5890 dan 5875. Bahkan, dapat pula dilakukan pada semua cross section. Gambar 5 menunjukkan cross section 5890 sampai 5875 dibagi menjadi 31 pias, yaitu masing-masing 7 pias di left dan right overbank, serta 17 pias di main channel. Klik tombol Set Selected Range untuk mengeksekusi pembagian cross section tersebut. Apabila ingin mengubah jumlah pias, jangan lupa untuk mengklik tombol Clear All sebelum melakukan perubahan.

Jumlah pias (SubSections) di left overbank, main channel, right overbank ditentukan dengan memperhatikan bentuk tampang lintang dan pola aliran di sungai tersebut. Jumlah pias maximum dalam satu cross section adalah 45. Satu langkah yang baik dalam melakukan hitungan bridge scour adalah dengan melakukan semacam sensitivity analysis jumlah pembagian pias. Yang dicari adalah jumlah pias sedemikian hingga kedalaman bridge scour tidak berubah terhadap perubahan jumlah pias.

Gambar 5: Jumlah pias untuk hitungan distribusi aliran di cross section sekitar jembatan

Flow Computation

Setelah opsi Flow Distribution Location diaktifkan dan jumlah pias di cross section sekitar jembatan ditetapkan, lakukan hitungan aliran dengan mengklik tombol Compute. Jangan lupa untuk menyimpan file Plan terlebih dulu melalui menu File | Save Plan. Setelah hitungan aliran selesai, baru hitungan kedalaman bridge scour dapat dilakukan.

Kedalaman Bridge Scour

Hitungan kedalaman bridge scour dilakukan melalui menu Run | Hydraulic Design Functions … atau dengan mengklik papan tombol ke-13 dari kiri pada layar utama HEC-RAS. Apabila layar belum menunjukkan Hydraulic Design | Bridge Scour, pilih menu Type | Bridge Scour ….

Pada layar Bridge Scour, pilih River Sungai Tirtaraya dan Reach Hulu. Layar seharusnya sudah menunjukkan Profile PF 1 dan River Sta. 5900 BR. Apabila belum, atur hingga menunjukkan Profile PF 1 dan River Sta. 5900 BR.

HEC-RAS menyediakan 3 pilihan hitungan scour, yaitu Contraction, Pier, dan Abutment.

Contraction Scour

Data yang dibutuhkan untuk menghitung contraction scour hampir semua telah secara automatis diambil sendiri oleh HEC-RAS dari output hasil hitungan aliran di 3 cross section, yaitu di jembatan, di hulu jembatan, dan di approach flow. Data yang diinputkan oleh pengguna adalah d₅₀ dalam satuan milimeter dan koefisien K₁ (lihat Gambar 6).

Gambar 6: Layar editor data hitungan contraction scour

Dalam contoh ini, diameter sedimen d₅₀ adalah 2.1 mm, baik di left overbank, main channel, maupun right overbank. Nilai K₁ dihitung oleh HEC-RAS berdasarkan nilai temperatur air yang diinputkan oleh pengguna. Klik tombol K1 … dan tuliskan 26 pada isian data Water Temp (C). HEC-RAS menghitung K₁ bernilai 0.640.

HEC-RAS menghitung contraction scour dengan persamaan Laursen versi clear-water scour atau Laursen versi live-bed scour. Pengguna dapat memilih salah satu dari kedua versi persamaan tersebut, namun sebaiknya pilihan diserahkan kepada HEC-RAS. Biarkan pilihan Equation pada posisi Default.

Contraction scour dapat dihitung dengan mengklik tombol Compute sekarang atau setelah penginputan data untuk hitungan pier scour dan abutment scour selesai dilakukan. Saat tombol Compute diklik, HEC-RAS melakukan hitungan contraction, pier, dan abutment scour. Oleh karena itu, di sini input data untuk ketiga hitungan scour akan diselesaikan lebih dulu, baru dilakukan hitungannya.

Pier Scour

HEC-RAS menghitung pier scour dengan persamaan CSU (California State University) atau Froehlich. Dalam contoh ini, pier scour dihitung dengan persamaan CSU (lihat Gambar 7).

Gambar 7: Layar editor data hitungan pier scour

Data yang diinputkan oleh pengguna ada 4 jenis, yaitu bentuk pilar, sudut datang aliran menuju ke pilar (Angle), bentuk dasar sungai (K3), dan diameter sedimen (D95).

Bentuk pilar (Shape) adalah round nose. Sudut datang aliran menuju pilar (Angle) 0, bentuk dasar sungai adalah plane bed and antidune, dan diameter sedimen d95 adalah 56.7 mm.

Abutment Scour

HEC-RAS menghitung abutment scour di pangkal jembatan kiri dan kanan secara terpisah. HEC-RAS memakai persamaan HIRE atau Froehlich untuk menghitung abutment scour. Pengguna dapat memilih persamaan yang dipakai untuk menghitung abutment scour atau menyerahkan pemilihannya kepada HEC-RAS dengan menginputkan Default pada isian Equation (lihat Gambar 8).

Gambar 8: Layar editor data hitungan abutment scour

Pengguna memasukkan data jenis pangkal jembatan dengan memilih salah satu dari 3 jenis, yaitu vertical abutment, vertical abutment with wing walls, atau spill-through abutment. Selain itu, pengguna memasukkan sudut pangkal jembatan terhadap arah aliran sebagai data Skew dalam satuan derajat. Skew 90 jika pangkal jembatan menjorok ke dalam sungai tegak lurus arah aliran, < 90 apabila pangkal jembatan menjorok miring ke arah hilir, dan > 90 apabila pangkal jembatan menjorok miring ke arah hulu.Total Bridge Scour.

Total Bridge Scour

Setelah semua data contraction, pier, dan abutment diinputkan, hitungan kedalaman scour di masing-masing bagian (contraction scour, scour di setiap pier, dan scour di kiri dan kanan abutment) dilakukan dengan mengklik tombol Compute.

Kedalaman scour adalah kombinasi dari setiap bagian.

Kedalaman scour akibat penyempitan alur (contraction scour) ditambah kedalaman scour di setiap pilar (pier scour).
Kedalaman scour akibat penyempitan alur (contraction scour) ditambah dengan kedalaman scour di setiap pangkal jembatan (pangkal jembatan kiri dan pangkal jembatan kanan).

Hasil hitungan bridge scour disajikan dalam bentuk grafis (Gambar 9) dan resume atau ringkasan (Gambar 10).

Gambar 9: Presentasi grafis hasil hitungan bridge scour

Gambar 10: Resume hasil hitungan bridge scour

Tabel di bawah ini merangkum hasil hitungan bridge scour di atas.

Tabel 1: Estimasi kedalaman bridge scour

Scour (m)	Abutment kiri	Pilar #1	Pilar #2	Abutment kanan
Contraction	0.30	0.18	0.18	0.30
Abutment/pier	2.60	1.35	1.35	2.60
Total	2.90	1.53	1.53	2.90

Hasil hitungan pada contoh di sini menunjukkan kedalaman scour di semua pier sama. Hal ini disebabkan paramater aliran di setiap pier, yang diperoleh dari distribusi aliran (Flow Distribution Location) di setiap pilar adalah sama. Kedalaman scour di setiap pier tidak selalu sama, bergantung pada parameter aliran di setiap pier. Itulah sebabnya, opsi Flow Distribution Location pada simulasi steady flow analysis harus diaktfikan untuk menghitung parameter aliran di setiap pias.

Demikian pula, hasil hitungan pada contoh di sini menunjukkan kedalaman scour di pangkal jembatan kiri dan kanan adalah sama. Ini disebabkan geometri pangkal jembatan kiri dan kanan (data abutment) adalah sama dan, kebetulan, parameter aliran di pias pangkal jembatan kiri dan kanan juga sama. Inilah satu alasan lagi untuk mengaktifkan opsi Flow Distribution Location pada simulasi steady flow analysis.

Input Data

HEC-RAS memilih sendiri sebagian besar data yang diperlukan untuk menghitung bridge scour. HEC-RAS mengambil data geometri dari input yang pengguna masukkan pada definisi jembatan, yaitu data jembatan yang diinputkan pada layar editor geometric data. Untuk data parameter aliran, HEC-RAS mengambilnya dari output hasil hitungan (hasil run). Dalam hal ini, HEC-RAS mengambil data aliran di pias terdekat dengan posisi pilar atau pangkal jembatan. Oleh karena itu, pengguna perlu melakukan pencermatan terhadap jumlah pembagian pias pada opsi Flow Distribution Location. Lakukan sejumlah run dengan berbagai jumlah pias. Pilihlah jumlah pias sedemikian hingga jumlah pias tidak berpengaruh lagi terhadap hasil hitungan kedalaman bridge scour.

Namun demikian, apabila dikehendaki, penguna dapat pula mengubah nilai-nilai default setiap data yang telah ditetapkan oleh HEC-RAS. Setiap nilai data yang ditampilkan dengan warna font hijau pada layar editor Hydraulic Design – Bridge Scour (Gambar 6, 7, dan 8 ) dapat diubah oleh pengguna. Untuk melakukan ini, pengguna perlu mengenal setiap butir data. Silakan mempelajari arti setiap data tersebut di HEC-RAS User’s Manual, Chapter 12.

Acuan

Dalam menyusun artikel ini, saya mengacu pada tiga buku panduan HEC-RAS, yaitu:

Hydrologic Engineering Center, 2010, HEC-RAS River Analysis System, Applications Guide, Version 4.1, January 2010, Chapter 11, U. S. Army Cormps of Engineers, Davis, CA.
Hydrologic Engineering Center, 2010, HEC-RAS River Analysis System, Hydraulic Reference Manual, Version 4.1, January 2010, Chapter 10, U. S. Army Cormps of Engineers, Davis, CA.
Hydrologic Engineering Center, 2010, HEC-RAS River Analysis System, User’s Manual, Version 4.1, January 2010, Chapter 12, U. S. Army Cormps of Engineers, Davis, CA.

Di samping itu, saya mengacu pula pada modul pelatihan pemakaian HEC-RAS yang telah saya susun, khususnya modul lanjut Junction and Inline Structures.

-ist-