Uji model fisik dilakukan untuk memverifikasi desain bangunan hidraulik agar lebih aman dan lestari. Model fisik digunakan untuk memprediksi perubahan morfologi sungai akibat bangunan, mengurangi dampak negatif terhadap lingkungan, dan memantapkan desain bangunan."

1. RIWR
UJI MODEL FISIK UNTUK
MEMANTAPKAN DESIGN
BANGUNAN HIDRAULIK
Pusat Litbang Sumber Daya Air
Disampaikan Dalam Seminar Nasional Sumber Daya Air Yang Berjudul
“Menuju Bendungan Yang Aman Dan Lestari”
Penyelenggara Program Studi Magister Teknik Sipil Universitas Diponegoro
Semarang, 18 November 2014

2. RIWR
2
Lab. Hidraulik (Model Fisik) Balai BHGK,
Puslitbang SDA
Pusat Litbang Sumber Daya Air

3. RIWR
3
Pendahuluan
Usaha pemanfaatan sumber daya air – bangunan keairan
Setiap upaya pemanfaatan sumber daya sungai, harus dilakukan
dengan dasar pengertian yang mendalam mengenai respon
morfologi sungai terhadap upaya pengelolaan sungai.
Perlu dipelajari dampak respon sungai terhadap:
Fungsi dan kestabilan bangunan air
Lingkungan sungai
Dikembangkan suatu model yang mampu memprediksi
perubahan morfologi sungai, mencakup:
besaran
tingkat, dan
variasi waktu

4. RIWR
4
PermasalahanPermasalahan
Mendapatkan tingkat keyakinan yang tinggi atas keberhasilan suatu
perencanaan bangunan air
Meramalkan kemungkinan-kemungkinan yang akan terjadi setelah bangunan
dibuat
Mengetahui dan meramalkan sifat-sifat bangunan serta pengaruhnya
terhadap lingkungan dan bangunan air lain
Menanggulangi permasalahan bangunan air yang telah dibangun apabila
bangunan tersebut mengalami kerusakan atau tidak berfungsi dengan baik.
Usaha memantapkan perencanaan yang optimal:
Model hidraulik yang dikembangkan:
 Model numerik/matematik
 Model fisik

5. RIWR
5
Permasalahan
Kerusakan bangunan air di sepanjang sungai Cipamingkis (Tipe
Sabo Dam, tanpa melalui uji model fisik)

6. RIWR
6
Pemodelan Numerik
Unggul untuk mempelajari permasalahan fisik sungai yang panjang dengan
perioda waktu yang lama.
Diterapkan beberapa persamaan dasar:
Persamaan kontinuitas air
Persamaan momentum untuk sedimen-air
Persamaan keseimbangan massa sedimen
Untuk melengkapi persamaan, perlu beberapa hubungan/pemisalan:
Asumsi kekasaran dasar saluran/sungai
Persamaan untuk menentukan angkutan sedimen dasar, dan
Persamaan untuk menentukan konsentrasi angkutan sedimen layang.

7. RIWR
7
Ilustrasi Pemodelan Numerik
0.0 2000.0 4000.0 6000.0 8000.0 10000.0 12000.0 14000.0 16000.0
[m]
15.0
20.0
25.0
30.0
35.0
40.0
45.0
50.0
55.0
60.0
65.0
70.0
75.0
80.0
85.0
90.0
95.0
100.0
105.0
110.0
115.0
120.0
125.0
130.0
135.0
140.0
[meter] 1-12-2000 00:00:00
CIPAMINGKIS 0 - 17431
0
233250350
474556639721
916
1185
1416
1613
18051902199920962193
2388
2586
2793
3008
3197
4061
46514747484449405036
5251
6688
6883
7395
7780
7901
8228
8637
9220
9883
10078
10300
10473
10588
10819
11021
11426
11625
11814
12027
12227
12352
12561
12749
12962
13177
13762
13982
14139
14341
14508
14644
14871
15074
15268
15457
15681
15818
15990
16104
16305
16502
16671
1687516983
17171
1736017431
BK 1
BK 5
BK 4
BK3
Jembatan Cibarusah
BK 6
BK 7
BK 8
BK Usulan III
BK Usulan II
BK Usulan I

8. RIWR
8
Pemodelan Fisik
Unggul untuk mempelajari masalah detil dan lokal, antara lain: gerusan lokal,
longsoran tebing, kinerja bangunan air.
Untuk dapat menirukan kondisi nyata di lapangan pada model, perlu
pengetahuan yang mendasar terhadap phenomena alam terkait.
Untuk dapat mengintrepetasikan permasalahan di model terhadap kondisi
nyata di lapangan, perlu kemampuan dan pengalaman khusus.

9. RIWR
9
Penggunaan ModelPenggunaan Model
Persamaan yang harus dipecahkan dengan model sangat
komplek dan sulit dijabarkan.
Pembuat model salah dalam menjabarkan arti fisik dari proses
hidraulik dan struktur
Model terlalu komprehensif, sehingga pengujian dan modifikasi
menimbulkan banyak kesulitan/tenaga
Model salah dalam mengsimulasikan kondisi lapangan yang
sangat penting.
Model hidraulik sulit dan mahal diterapkan pada kondisi:
Harus dilakukan diskusi yang terbuka antara pembuat model
dan pengguna (Client)

10. RIWR
10
Maksud & Tujuan
Memeriksa dan memantapkan desain hidraulik suatu bangunan
Mendapatkan dimensi dan tata letak bangunan yang relatif paling
baik ditinjau dari segi hidraulik
Mendapatkan alternatif desain
Mengurangi dan mengoptimumkan biaya pelaksanaan
Memprediksi kemungkinan-kemungkinan yang akan terjadi saat dan
setelah bangunan dibuat.
Mengurangi / meminimalkan dampak negatif terhadap bangunan lain
dan lingkungan di sekitarnya.
Mendapatkan panduan operasi dan pemeliharaan bangunan

11. RIWR
11
Cakupan Layanan Model Test
Bendung Tetap
Bendung Gerak
Bendung Karet
Bangunan Pelimpah Bendungan
Bangunan Pengambil dan Pembilas Bendung
Bangunan Penangkap Sedimen
Bangunan Pengendali Dasar Sungai
Bangunan Pelindung Tebing Tak Langsung (Krib)
Bangunan Pelindung Pantai

12. RIWR
12
Lingkup Kegiatan
Pengumpulan data:
Situasi sungai, Desain/dimensi bangunan, Hidrologi, Geoteknik dll
Perencanaan dan pembuatan model fisik
Pengujian model
Desain awal (kondisi bangunan yang ada)
Desain perubahan dan usulan
Gambar Usulan Hidraulik
Penyusunan Laporan

13. RIWR
13
Sasaran Uji Model Hidraulik Fisik
o Mendapatkan bentuk/desain
hidraulik bangunan air berikut
bangunan pelengkap lainnya
yang mendukung ditinjau dari
kinerja, keamanan, biaya dan
o Meminimalkan dampak
negatif dari bangunan air
(bendung/ bendungan dll) dan
bagian-bagiannya terhadap
lingkungan

14. RIWR
14
Data Pendukung yang Diperlukan
Data Sungai
Geometri sungai
Situasi dengan skala 1 : 500
Sepanjang 2 km
Material dasar sungai
Pra Rencana Hidraulik
Desain Hidraulik Bangunan

15. RIWR
15
Data Pendukung yang Diperlukan

16. RIWR
16
Data Pendukung yang Diperlukan
Hidrologi (Qdesain)
Q100
Q1000
QPMF
Peta
Desain hidraulik bangunan air dan bagian-bagiannya dengan
skala 1 : 100
Geoteknik
Lapisan di poros bangunan & hilir peredam energi

17. RIWR
17
Prinsip/Logika Dasar Pemodelan
Analisis Dimensi
Cara untuk membentuk bilangan tak berdimensi 
pembuatan model hidraulik
Dipergunakan dalam:
Menentukan skala model
Menggambarkan hasil penelitian  bersifat umum
Besaran pokok:
Massa (M)
Panjang (L)
Waktu (T)
Balai Bangunan Hidraulik dan Geoteknik Keairan

18. RIWR
18
Prinsip/Logika Dasar Pemodelan
Analisis Dimensi
Skala dari berbagai parameter yang diamati dalam penelitian
- ditentukan dari hubungan antara parameter  bilangan tak
berdimensi  parameter fisiknya diketahui.
Bilangan Tak Berdimensi
Bilangan Reynolds : perbandingan antara gaya inersia dengan gaya kekentalan.
(ρ L 3
) ( V 2
L –1
) ρ V L V L
--------------------- = -------- = ---- = Re
(µ V L –1
) L 2
) µ ν
Bilangan Froude : perbandingan antara gaya inersia dengan gaya gravitasi atau gaya
berat.
ρ L 3
) ( V 2
L –1
) V 2
--------------------- = ----- = Fr 2
(ρ g L 3
) g L

19. RIWR
19
Prinsip/Logika Dasar Pemodelan
Prinsip Keserupaan/Similaritas antara model dan
prototipe mencakup:
Similaritas geometri, akan terpenuhi jika antara model
dan lapangan mempunyai keterkaitan melalui skala
Similaritas kinematik, akan terpenuhi jika antara model
dan prototipe mempunyai keterkaitan melalui garis-garis
aliran
Similaritas dinamik, akan terpenuhi jika antara model dan
prototipe mempunyai keterkaitan melalui gaya-gaya yang
bekerja.

20. RIWR
20
Prinsip/Logika Dasar Pemodelan
Keserupaan/Similaritas geometri (Geometric similarity)
panjang di prototip L p
n L = -------------------------- = ------, nL = skala panjang
panjang di model L m
Keserupaan/Similaritas kinematik (Kinematic similarity)
kecepatan di prototip v p
n v = -------------------------- = ------, nv = skala kecepatan
kecepatan di model v m
Keserupaan/Similaritas dinamik (Dynamic similarity)
gaya di prototip F p
n F = -------------------------- = ------, nF = skala gaya
gaya di model F m

21. RIWR
21
Prinsip/Logika Dasar Pemodelan
Permasalahan lapangan Pemecahan Lapangan
Permasalahan Model Pemecahan di Model
Pemodelan
Pemecahan
Interpretasi

22. RIWR
22
Pembuatan Model
Model fisik dua dimensi
dibuat pada saluran kaca berukuran 1 x 15 m
Potongan memanjang bendung/bangunan pelimpah sampai peredam energi
 Memeriksa kondisi aliran
 Memeriksa gerusan lokal
Saluran kaca dan saluran
jungkit

23. RIWR
23
Pembuatan Model
Model fisik tiga dimensi
dibuat pada lahan di laboratorium
Sebagian sungai/waduk di udik bangunan
Bagian-bagian bangunan air secara menyeluruh
Sebagian sungai di hilir bangunan
Laboratorium tertutup
Laboratorium terbuka

24. RIWR
24
Pembuatan Model
Model tanpa distorsi adalah model yang mempunyai skala
horizontal dan vertikal yang sama. Skala parameter aliran
ditentukan berdasarkan skala geometri, nh = nv
Contoh : Model bendung, pelimpah dll.
Model dengan distorsi adalah model yang didesain dengan skala
horizontal dan vertikal yang berbeda. Pada umumnya model ini
digunakan jika cakupan kondisi lapangan yang harus dimodelkan
sangat luas.
Contoh: Model sungai atau pantai dengan cakupan yang
panjang dan luas

25. RIWR
25
Pembuatan Model
Batas Model
Harus mencakup seluruh area yang mempengaruhi kinerja
spillway, dam dan bangunan pelengkap lainnya
Geometri Sungai dan Bangunan
Harus sesuai dengan geometri sungai dan bangunan yang akan
ditirukan dengan skala yang telah ditentukan
Kekasaran
Memerlukan proses kalibrasi sesuai dengan kondisi lapangan
Pembuatan Inlet / Outlet Model
Untuk menstabilkan aliran air yang mengarah ke model dan
meninggalkan model

26. RIWR
26
Pembuatan Model
Pemasangan Alat-alat Ukur Debit di Udik dan Hilir Model
Untuk mengukur debit masuk yang harus sama dengan debit
keluar, dan untuk mengidentifikasi kemungkinan terjadinya
kebocoran
Bagian-bagian / Komponen Bangunan Lainnya
Harus ditirukan sesuai dengan skala dan menghasilkan kinerja yang
baik ditinjau dari segi hidraulis
Pemilihan Material
Mudah didapat, sesuai dengan perilaku material di lapangan
Pekerjaan Workshop
Pintu-pintu, pilar, mal untuk penampang tertentu, sayap, tunnel,
peredam energi.

27. RIWR
27
Skala Model
Skala adalah ratio atau perbandingan antara besaran yang ada di
lapangan dan di model, yaitu paramater, n
Faktor-faktor yang mempengaruhi
Tujuan dan apa yang ingin dihasilkan
Dimensi hidraulik sistem yang disimulasikan
Kemampuan laboratorium dan peralatan yang digunakan
Ketelitian pemodelan minimum yang harus dihasilkan agar
interpretasi dan pemecahan masalah di model menjadi
pemecahan masalah di lapangan dapat dilakukan dengan
mudah dan benar
odelbesaran
ediprototipbesaran
n
dim
=

28. RIWR
28
Skala Model
Beberapa Prinsip Dasar yang Harus Dipenuhi
Teori Model Hidraulik
Kriteria kesesuaian kondisi aliran
Kriteria kesesuaian dinamika pergerakan partikel air dan
sedimen
Kriteria kesesuaian kekasaran hidraulik
Kriteria kesesuaian gaya seret dan gaya seret kritis
Kriteria kesesuaian angkutan muatan sedimen

29. RIWR
29
Skala Kecepatan Aliran, nv
Kondisi aliran ditentukan oleh bilangan Froude, Fr
Untuk mendapatkan kesamaan kondisi aliran antara model dan
lapangan, perlu dipenuhi kesamaan harga bilangan Froude, Fr :
Persyaratan ini akan memberikan hubungan sebagai berikut:
gh
v
rF =
( )
( )
[ ]
[ ] 1
mghv
pghv
mFr
pFr
Fr
n ===
1/2
m
h
ph
m
g
pg
m
v
pv






= karena ng = 1, maka ( )1/2
h
nvn =

30. RIWR
30
Skala waktu, nt
Waktu dapat dijabarkan sebagai:
Hubungan tersebut dapat dijabarkan lebih lanjut menjadi:
( )
( )vkecepa
Ljarak
t
tan
=
( )
( )
( ) 2/1
2/1
2/1
ht
h
L
t
hv
v
L
t
nnatau
n
n
n
nn
n
n
n
==⇒





=
=

31. RIWR
31
Skala Debit Aliran, nQ
Debit aliran dapat dinyatakan dengan hubungan berikut:
Hubungan tersebut dapat dijabarkan lebih lanjut menjadi:
aliranbasahpenampangluasAdenganAvQ == .
( ) ( ) ( )2
5
2/32/1
hQLhQ
hLA
hv
AvQ
nnataunnn
nnn
nn
nnn
==⇒





=
=
=

32. RIWR
32
Fasilitas Laboratorium Hidraulik
Faktor Dominan dalam Menentukan Skala Model
Area (luas tempat yg tersedia di Laboratorium Hidraulik)
Q (kapasitas pompa) harus memenuhi Qmodel
Persyaratan ketelitian dalam pemodelan

33. RIWR
33
Fasilitas Laboratorium Hidraulik
Peralatan / Instrumentasi :
Alat ukur Theodolit
Alat ukur debit (Rechbok atau Thomson)
Pengukur kecepatan aliran (Current meter)
Pengukur tekanan (Piezometer)
Pengukur tinggi muka air/meteran taraf (water level recorder)
Bed level changes follower
Automatic discharge controller
Sediment supply controller
Water level regulator and Wave Generator

34. RIWR
34
Pengujian Model Fisik
Program Pengujian
Menyelidiki kesempurnaan pra desain hidraulik,
Menyelidiki kerusakan/masalah hidraulik bangunan air yang
ada di lapangan
Mempelajari arah, kecepatan dan distribusi aliran
Mempelajari gejala parameter angkutan sedimen
Mempelajari dampak perubahan morfologi sungai
Mempelajari pengaruh degradasi dasar sungai

35. RIWR
35
Pengujian Model Fisik
Kondisi Model
Model Dasar Tetap (Fixed bed model)
Model Dasar Berubah (Movable bed model)
Skenario Pengujian
Model Desain Awal (Seri 0)
Model Seri-Seri perubahan (Seri 1,2,3 dst)
Model Seri Usulan Hidraulik (Seri Usul)

36. RIWR
36
Penyelidikan: Aspek yang Diselidiki
Aliran menuju bangunan (Approach Flow)
Distribusi arah dan kecepatan aliran menuju dan meninggalkan
bangunan perlu diupayakan agar:
Terdistribusi dengan baik dan garis aliran berubah dengan
serasi
Tidak terjadi garis-garis aliran
yang saling menyilang
Tidak terjadi pusaran-pusaran
aliran yang membahayakan

37. RIWR
37
Penyelidikan: Aspek yang Diselidiki
Profil Muka Air (Water Profile )
Dengan mempelajari profil muka air dari udik, pada, hingga hilir
bangunan dapat ditentukan:
Tinggi tembok pengiring udik, tembok pangkal, tembok
peredam energi dan tembok sayap hilir yang memadai
Kondisi aliran dan
efektivitas peredam energi

38. RIWR
38
Penyelidikan: Aspek yang Diselidiki
Lengkung Debit
Lengkung debit di udik bangunan diperlukan untuk
mengevaluasi kapasitas pelimpahan dan pada saat
bangunan dioperasikan, data ini dapat dipergunakan untuk
memperkirakan besar debit yang mengalir melalui bangunan
Lengkung debit ruas sungai di
hilir bangunan dapat digu-
nakan untuk memperkirakan
dampak negatif degradasi
dasar sungai

39. RIWR
39
Penyelidikan: Aspek yang Diselidiki
115.00
116.00
117.00
118.00
119.00
120.00
121.00
122.00
123.00
0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 2750
Debit [m3/detik]
ElevasiMukaAirUdik[m]
Semua pintu buka penuh
Pintu rebah + radial dng a = 0.5 m
Pintu rebah + radial dng a = 1 m
Pintu rebah + radial dng a = 1.5 m
Pintu rebah + radial dng a = 2 m
Pintu rebah + radial dng a = 2.5 m
Pintu rebah + radial dng a = 3 m

40. RIWR
40
Penyelidikan: Aspek yang Diselidiki
Vortex (Pusaran Air)
Pusaran aliran dapat terjadi akibat :
Ketidak sempurnaan tembok pengiring udik dan hilir dan
peredam energi
Adanya bocoran yang cukup besar pada suatu bagian
bangunan
Dampak negatif pusaran air :
Memicu ketidakstabilan aliran dan gerusan lokal, misalnya
pada tubuh tanggul/bendungan dan dasar sungai di hilir
peredam energi

41. RIWR
41
Penyelidikan: Aspek yang Diselidiki
Menurunkan
efektivitas bangunan
dan peredam energi
Menambah besar
dimensi lubang
bocoran

42. RIWR
42
Penyelidikan: Aspek yang Diselidiki
Aliran Menyilang (Cross waves)
Aliran menyilang dapat timbul akibat ketidaksempurnaan tata
letak bangunan dan tembok-tembok pengiring
Mengakibatkan aliran tidak stabil dan penurunan efektivitas
peredam energi
Dapat dihindari dengan
penyempurnaan tata letak
pelimpah dan tembok-
tembok pengiring serta
menambah kolam dan
mercu penenang

43. RIWR
43
Penyelidikan: Aspek yang Diselidiki
Kecepatan
Diusahakan agar terdistribusi “merata” saat menuju, pada
dan meninggalkan bangunan
Dibatasi sesuai dengan jenis material yang digunakan
sebagai struktur bagian-bagian bendungan
Kavitasi
Tekanan negatif pada struktur yang diakibatkan oleh kondisi
aliran yang tidak baik
Dapat terjadi akibat hal-hal sebagai berikut :
Transisi yang tidak mulus antar bagian-bagian struktur
pelimpah dan saluran peluncur

44. RIWR
44
Penyelidikan: Aspek yang Diselidiki
Bentuk mercu yang tidak mengikuti garis arus
Kecepatan aliran yang terlalu tinggi dan gelembung udara
yang terperangkap
Dampak negatif :
Aliran menjadi tidak stabil
Kerusakan pada lapisan permukaan struktur

45. RIWR
45
Penyelidikan: Aspek yang Diselidiki
Penggerusan
Terjadi akibat gaya seret aliran yang melebihi gaya seret kritis
material
Dapat terjadi pada tubuh bendung, dasar dan tebing sungai
Dapat dihindarkan dengan jalan :
Menghindarkan aliran menyusur tubuh bendungan dan
melindungi dengan rip-rap
Membangun peredam energi yang efisien dan menambah
rip-rap pada tempat-tempat tertentu
Membangun perlindungan tebing sungai langsung atau
tidak langsung
Mempertahankan muka air hilir sesuai desain

46. RIWR
46
Penyelidikan: Aspek yang Diselidiki
Pengaruh Degradasi Dasar Sungai :
Menurunkan efektivitas peredam energi
Memicu erosi buluh
Pengujian Degradasi Sungai Cipamingkis

47. RIWR
47
Pengujian Bangunan Pelimpah
Pengujian Bangunan Pelimpah Bendung Ponre-Ponre

48. RIWR
48
Pengujian Bangunan Pelimpah
Seri Usul Bangunan Pelimpah Bendung Ponre-Ponre

49. RIWR
49
Bangunan Penangkap Sedimen di Lapangan
Penangkap Pasir Pamarayan

50. RIWR
50
Pengujian Model Sungai (Krib)
Kondisi aliran sungai (Flow pattern): arah dan distribusi
kecepatan
Lengkung debit (Rating curve): pada beberapa lokasi
pengamatan yang strategis
Profil muka air (Water profile): pada potongan memanjang dan
melintang (yang diperlukan – contoh pada tikungan sungai)
Penggerusan setempat (Local scouring): pada lokasi tikungan
Distribusi endapan: prediksi sebaran endapan (dengan
menaburkan endapan dari udik)

51. RIWR
51
Pengujian Model Sungai (Krib)
Pengujian Model Sungai (Krib) di sungai Serayu udik jembatan Cindaga

52. RIWR
52
Perubahan/Perbaikan Hasil Penyelidikan
Merekomendasikan perbaikan atau penyempurnaan terhadap
hal-hal yang kurang baik yang teramati pada model desain awal
Desain Awal Usulan Penyempurnaan

53. RIWR
53
PENUTUP
Uji Model Hidraulik Fisik diperlukan untuk menunjang detil
desain, rehabilitasi bangunan, pelaksanaan konstruksi dll
Merupakan alat bantu dinamik untuk:
Menyempurnakan dan memantapkan pra desain bangunan
Mempelajari respon sungai dan meminimalkan dampak
negatif terhadap bangunan air lain dan lingkungan sungai
Dilakukan oleh tim ahli hidraulik maupun lapangan (survei,
investigasi, desain, operasi dan pengamanan)
Faktor utama adalah validasi data dan pengalaman modeler.
TERIMA KASIH – SEMOGA BERMANFAAT