## ANALISIS KAVITASI PADA BANGUNAN MERCU PELIMPAH BENDUNGAN KRUENG SABEE MENGUNAKAN MODEL FISIK SKALA
1:30
Cut Dwi Refika * , Ziana Ziana, Ikhlasul Amal Jurusan Teknik Sipil, Fakultas Teknik, Universitas Syiah Kuala, Darussalam, Banda Aceh, Indonesia * Corresponding author , e-mail address: cut.dwi.refika@usk.ac.id
A R T I C L E     I N F O

## A B S T R A C T
Article History: The  spillway  as  a  complementary  building  for  the  dam  functions  to release a volume of water that is not accommodated in the dam during a flood (overtopping). To support the continuity of the function of the dam, a  safety  factor  is  needed  to  avoid  the  potential  failure  of  the  weir construction.  One  of  the  safety  of  dams  is  safety  against  hydraulic failure, namely cavitation. This problem is caused by an increase in the water level from the dam which can cause changes in flow characteristics and  result  in  damage  to  the  spillway  overpass  building.  The characteristics of the flow passing through the spillway will depend on the shape and nature of the crest of the overflow itself. The phenomenon of  cavitation  can  be  observed  from  a  physical  model  of  the  dam. The physical model was designed according to the construction plan for the Krueng  Sabee  Dam  which  was  carried  out  at  the  River  and  Beach Laboratory of the Faculty of Engineering, Syiah Kuala University with a  model  scale  of  1:  30.  The  outflow  discharge  from  the  crest  of  the spillway is discharged with return periods of 2, 5, 10, 25, 50, 100  and 1000  years.  The  Krueng  Sabee  Dam,  which  is  located  in Aceh  Jaya Regency, Aceh Province, is a multi-purpose dam. This research aims to study  the  cavitation  that  occurs  in  the  spillway  crest  according  to  the planning  of  the  Krueng  Sabee  Dam  using  a  physical  model  test.  The research analysis method used to calculate the cavitation safety value is the calculation of the cavitation index ( ). The cavitation index value is affected by pressure and flow velocity. The results of the analysis show that the cavitation index value at each measurement point is greater than 1 (  > 1). Based on the results of the analysis of the cavitation index, its show that cavitation does not occur in the spillway crest of the Krueng Sabee Dam at all return periods, so there is no need for surface protection of the spillway crest.
Received 12 January 2023 Accepted 22 March 2023 Online 30 March 2023 Keywords: Krueng Sabee Dam physical model overflow crest cavitation
© 2023 Magister Teknik Sipil Unsyiah. All rights reserved

## 1. PENDAHULUAN
Bendungan adalah  bangunan  berupa  urukan  tanah,  batu  dan  beton  yang  berfungsi  sebagai  penahan atau penampung air ketika musim penghujan dan dapat dimanfaatkan ketika musim kemarau (Kementerian Pekerjaan Umum dan Perumahan Rakyat, 2015). Bendungan Krueng Sabee yang terletak pada Kabupaten Aceh  Jaya  Provinsi  Aceh,  merupakan  bendungan  yang  memiliki  multi  fungsi  ( multipurpose ),  dibangun untuk memenuhi kebutuhan air irigasi, pengendali banjir, air baku, pembangkit listrik tenaga air (PLTA) dan wahana rekreasi. Untuk mendukung keberlangsungan fungsi bendungan diperlukan angka keamanan untuk menghindari potensi kegagalan kontruksi  bendung. Salah satu  keamanan bendungan adalah aman terhadap  kegagalan  hidraulis  yaitu  kavitasi.  Kerusakan  bendungan  akibat  kavitasi  pernah  terjadi  pada

## Jurnal Arsip Rekayasa Sipil dan Perencanaan (JARSP) Journal of Archive in Civil Engineering and Planning
E-ISSN: 2615-1340; P-ISSN: 2620-7567
Journal homepage: http://www.jurnal.unsyiah.ac.id/JARSP/index
beberapa tempat seperti Bendungan Hoover yang terletak di Nevada (Falvey, 1990) dan Bendungan Shahid Abbaspour di Iran (Kermani, 2013).
Mercu  pelimpah  sebagai  salah  satu  bangunan  pelengkap  bendungan  berfungsi  untuk  melepaskan sejumlah  volume  air  yang tidak tertampung  di  bendungan pada  saat  banjir  (overtopping).  Permasalahan tersebut  diakibatkan  oleh  peningkatan  ketinggian  air  dari  pembendungan  yang  dapat  menyebabkan perubahan karakteristik aliran dan mengakibatkan kerusakan pada bangunan pelimpah. Karakteristik aliran yang melewati bangunan pelimpah akan tergantung kepada bentuk dan sifat pelimpah itu sendiri. Kajian mengenai  kavitasi  dapat  dilakukan  melalui  suatu  penelitian  seperti  pemodelan  model  fisik  bendungan. Tujuan  dari  penelitian  ini  adalah  untuk  mengkaji  kavitasi  yang  terjadi  pada  mercu  pelimpah  sesuai perencanaan Bendungan Krueng Sabee dengan mengunakan uji model fisik. Dengan adanya dukungan uji model fisik hidrolika ini diharapkan bisa memantapkan hasil perencanaan, sehingga keamanan bendungan tersebut dapat dipenuhi.
Pembuatan  uji  model  fisik  Bendungan  Krueng  Sabee  dilakukan  sebelum  pembangunan  bendungan dilaksanakan untuk mengkaji keamanan bendungan salah satunya dari bahaya kavitasi. Pembuatan model fisik dilakukan di Laboratorium Sungai dan Pantai Fakultas Teknik Universitas Syiah Kuala. Skala model yang  digunakan  adalah  1:30.  Pengujian  mengunakan  variasi  debit  kala  ulang  Q 2th s.d  Q 1000th .  Pengujian diawali dengan pemodelan seri awal atau seri 0 untuk mendapatkan hasil model yang optimum (aman dari bahaya kavitasi). Jika hasil pemodelan seri 0 belum memberikan hasil yang optimum maka akan dilakukan pengujian model fisik dengan beberapa modifikasi pada mercu pelimpah bendungan. Diharapkan pengujian model fisik mercu pelimpah seri modifikasi memberikan hasil yaitu berupa keamanan dari bahaya kavitasi.

## 2. KAJIAN PUSTAKA
Kavitasi adalah proses kerusakan permukaan dinding saluran, pipa, atau kipas pompa yang ditandai oleh  suara  bising  dalam  suatu  sistem  aliran.  Di  samping  itu,  kavitasi  didefinisikan  juga  sebagai pembentukan gelembung udara di dalam aliran (Sutopo, 2014). Menurut Patty (1995), kavitasi adalah suatu kejadian yang timbul dalam aliran dengan kecepatan begitu besar, sehigga tekanan air menjadi lebih kecil dari pada tekanan uap air maksimum di temperatur itu. Proses ini menimbulkan gelembung-gelembung uap air yang dapat menimbulkan erosi pada konstruksi.
Kavitasi terjadi pada tekanan lebih kecil dari 1 atm, yang mengakibatkan gelembung-gelembung udara pada permukaan badan bendung, menimbulkan lubang-lubang karena terlepasnya butiran-butiran agregat dari  permukaan  konstruksi  (Direktorat  Jenderal  Sumber  Daya  Air,  2013).  Katz  (1984)  telah  melakukan pengamatan pada air yang mengalir dan menemukan bahwa gejala kavitasi diawali oleh adanya gelembung uap air yang berukuran kecil, dan berjumlah sedikit yang selanjutnya berkembang menjadi banyak. Suatu bentuk persamaan untuk memperkirakan kavitasi berupa parameter tak berdimensi, merupakan hubungan antara gaya pelindung terhadap kavitasi ( ambient pressure ) dan penyebab kavitasi ( dynamic pressure ) yang disebut indeks kavitasi. Indeks kavitasi diperoleh dengan menggunakan persamaan berikut (Falvey, 1990):
= − 2 (1)
= + (2)
= ℎ (3)
Dimana :
 = indeks kavitasi;
Po = ambient pressure (Pa);
Pa = tekanan atmosfir (101,325 Pa);
Pg = tekanan setempat (Pa);
 = massa jenis cairan (kg/m 3 ); g = percepatan gravitasi (9,81 m/s 2 );
h = tinggi tekanan (m);
Pv = tekanan uap (Pa);
Vo = kecepatan aliran (m/dt).
Indeks kavitasi menunjukkan tingkat resiko kerusakan akibat terjadinya kavitasi. Tabel 1 menunjukkan nilai interval indeks kavitasi dan kecepatan aliran terhadap kerusakan (Kermani, 2013). Perhitungan angka kavitasi  membutuhkan data  massa jenis  air dan  tekanan  uap  yang dipengaruhi  oleh suhu  saat  dilakukan pengukuran. Tabel 2 memperlihatkan besaran nilai suhu yang mempengaruhi nilai massa jenis dan tekanan uap, (Falvey,1990).
Tabel 1. Tingkat resiko kerusakan kavitasi Indeks Kavitasi Kecepatan Aliran Resiko Kerusakan Tingkat  > 1 V ≤ 5 Tidak  terjadi  kerusakan kavitasi 1 0,45 <  ≤ 1 5 < V ≤ 16 Kemungkinan terjadi kerusakan kavitasi 2 0,25 <  ≤ 0,45 16 < V ≤ 25 Terjadi kerusakan kavitasi 3 0,17 <  ≤ 0,25 25 < V ≤ 40 Kerusakan serius 4  ≤ 0,17 V > 40 Kerusakan besar 5 Tabel 2. Sifat fisik air pada tekanan atmosfer
Temperatur Massa Jenis Tekanan Kekentalan Uap Air Kinematis (t) (P v ) 0 C Kg/m 3 kPa m 3 /dt.10 6 0 999,868 0,61 1,787 5 999,992 0,87 1,519 10 999,726 1,23 1,307 15 999,125 1,70 1,140 20 998,228 2,33 1,004 25 997,069 3,16 0,893 30 995,671 4,23 0,801 35 994,055 5,62 0,724 40 992,238 7,52 0,658 45 990,233 9,58 0,602 50 998,052 12,30 0,553 60 983,200 19,90 0,475 70 977,770 31,10 0,413 80 971,800 47,30 0,365 90 965,310 70,10 0,326 100 958,360 101,30 0,294 ( ρ) (μ)
Ada beberapa cara untuk mengurangi gejala kavitasi. Menurut Wibowo (2016), gejala kavitasi dapat dikurangi  dengan  cara  mendesain  daerah  batas  dimana  gejala  kavitasi  muncul,  didesain  sedemikian sehingga pada daerah tersebut menjadi tekanan tinggi yang dapat mereduksi bahaya kavitasi yang terjadi, penggunaan material dasar yang lebih tahan terhadap kavitasi seperti stainless steel dan beton berlapis fiber, serta  penggunaan  sistem  pengudaraan  (aerator)  kedalam  aliran  sehingga  dapat  mengurangi  kemunculan letupan-letupan udara yang dapat menyebabkan kavitasi. Kells dan Smith (1991) memberikan solusi untuk bahaya kavitasi berdasarkan tingkat resiko yang terjadi yang dicantumkan pada Tabel 3.
Tabel 3. Solusi berdasarkan tingkat kerusakan kavitasi Tingkat Resiko Kerusakan Solusi 1 Tidak terjadi kerusakan kavitasi Tidak diperlukan perlindungan permukaan. 2 Kemungkinan terjadi kerusakan kavitasi Perlu perlakuan pada permukaan, seperti pemberian aci pada permukaan, dll. 3 Terjadi kerusakan kavitasi Modifikasi desain atau pemakaian perangkat aerator. 4 Kerusakan serius Perlu pemakaian perangkat aerator. 5 Kerusakan besar Pemilihan desain baru.

## 3. METODE PENELITIAN
Analisis kavitasi pada mercu pelimpah Bendungan Krueng Sabee dengan menggunakan model fisik dilakukan pada Laboratorium Sungai dan Pantai Jurusan Teknik Sipil Fakultas Teknik Universitas Syiah Kuala. Mercu pelimpah yang diterapkan pada pemodelan fisik ini adalah Mercu Ogee tipe I dengan skala bangunan  1:  30.  Penentuan  skala ini  dilakukan  setelah  melakukan  kajian  seperti  ketersedian lahan, data teknis bangunan dan nilai rating curve . Pengujian model fisik dilakukan dengan beberapa skenario, dimulai dari seri awal (seri 0) dan seri modifikasi (Seri 1;2;…;dst). Seri modifikasi dilakukan jika model fisik seri 0 memberikan hasil yang optimum atau mercu pelimpah aman dari kavitasi. Model fisik Bendungan Krueng Sabee seri 0 dapat dilihat pada Gambar 1 dan 2.
Gambar 1. Model fisik Bendungan Krueng Sabee seri 0
Gambar 2. Mercu pelimpah model fisik seri 0
Pengujian  model  fisik  dimulai  dengan  mengaliran  debit  yang  berasal  dari  bak  penampungan  yang dipompa ke saluran terbuka yang terletak di atas bak penampungan. Selanjutnya aliran dari saluran terbuka akan  melewati rechbox (peluap  segi  empat),  dimana rechbox adalah  alat  pengukur  debit.  Debit  yang dialirkan  diatur  sesuai  dengan  kala  ulang  yang  diperoleh  dari  Dinas  Pengairan Aceh  (2020).  Data  debit yang digunakan dalam penelitian ini menggunakan pengalirkan debit dari tubuh bendungan dimulai dari Q 2 , Q 5 , Q 10 , Q 25 , Q 50 , Q 100 dan Q 1000 . Data primer yang digunakan untuk menganalisis kavitasi pada mercu pelimpah bendung yaitu pengukuran tinggi kecepatan dan tinggi tekanan. Pengukuran dilakukan pada sisi kiri, tengah dan kanan mercu pelimpah, seperti yang ditunjuk oleh Gambar 3.
Gambar 3. Titik-titik pengukuran data primer
Data tinggi kecepatan diperoleh dengan mengunakan alat ukur tabung pitot. Pembacaan beda tinggi pada tabung pitot akan memberikan nilai h v . Data tersebut dianalisis menggunakan persamaan kecepatan aliran  untuk  mendapatkan  kecepatan  aliran  pada  model.  Selanjutnya  dilakukan  perhitungan  kecepatan aliran pada prototip. Data kecepatan pada prototip dianalisis kembali untuk mendapatkan kecepatan rata- rata pada mercu pelimpah.
Data  tinggi  tekanan  diperoleh  dari  pengukuran  beda  tinggi  pada  alat  ukur  piezometer.  Data  ini dianalisis  dengan  menggunakan  persamaan  (3)  untuk  memperoleh  nilai  besaran  tekanan  setempat  pada model. Selanjutnya nilai tersebut digunakan untuk mendapatkan besaran tekanan pada prototip.
Setelah  diperoleh  nilai  kecepatan  dan  tekanan  dilanjutkan  dengan menghitung  nilai  indeks  kavitasi seperti yang ditunjukkan oleh Persamaan 1. Nilai indeks kavitasi diperoleh dari analisis besaran ambient pressure (P o ), tekanan uap (P v ) dan kecepatan aliran (V 0 ). Nilai P o didapatkan dari jumlah tekanan atmosfir (P a ) yaitu 101.325 Pa dan tekanan setempat (P g ). Nilai P g di peroleh dari pembacaan beda tinggi tekanan pada  piezometer  dan  massa  jenis  zat  cair.  Nilai  P v dan  massa  jenis  zat  cair  diperoleh  dari  Tabel  2  dan menyesuaikan  dengan  temperatur  suhu  air  ketika  dilakukan  pengujian.  Hasil  analisis  indeks  kavitasi kemudian dihubungkan dengan nilai tingkat kerusakan kavitasi sesuai dengan Tabel 3.

## 4. HASIL DAN PEMBAHASAN
Analisis  kavitasi  pada  mercu  pelimpah  Bendungan  Krueng  Sabee  dilakukan  dengan  menggunakan pengaliran  debit periode ulang Q 2 , Q 10 , Q 25 , Q 50 , Q 100 dan Q 1000 . Pengujian awal mengunakan uji model fisik seri 0. Pengujian model uji fisik di mulai dengan mengalirkan debit periode ulang Q 2 dan pembacaan alat  ukur  tinggi  kecepatan aliran dan tinggi  tekanan. Nilai-nilai  tersebut  memberikan  besaran  kecepatan aliran  dan  indeks  kavitasi.  Dimana  dua  nilai  ini  berpengaruh  terhadap  tingkatan  kerusakan  kavitasi. Pengukuran  dilakukan  pada  sisi  kiri,  tengah  dan  kanan  mercu  pelimpah.  Setiap  sisi  pengukuran  dibagi menjadi 10 titik, dimulai dari puncak mercu pelimpah sampai kaki mercu pelimpah. Dimana jarak antara titik 1 s.d titik 10 adalah 0,52; 0,76; 1,21; 1,81; 2,32; 2,89; 3,40; 3,82; 4,45 dan 5,22.
Kecepatan  aliran  yang  diperoleh  untuk  semua  debit  periode  ulang  Q 2 s.d  Q 1000 yaitu  berada  pada rentang nilai 5 < V ≤ 16. Kecepatan aliran debit periode ulang Q 1000 pada beberapa titik terjadi penurunan kecepatan.  Penurunan  tersebut  terjadi  akibat  kesalahan  letak  posisi  tabung  pitot  yang  tidak  mengikuti kemiringan mercu pelimpah. Akibat kesalah tersebut air yang masuk ke tabung berkurang dari pengukuran aktual.  Berdasarkan  Krisnayanti  dkk  (2017)  pengukuran  kecepatan  aliran  menggunakan  tabung  pitot memiliki tingkat kesalahan yang besar dibandingkan dengan alat current meter .
Hasil  pengukuran  pada  sisi  kiri  mercu  pelimpah  untuk  setiap  titik  pada  periode  ulang  Q 2 s.d  Q 100 terlihat bahwa nilai indeks kavitavi tertinggi terjadi pada titik kedua seperti pada Gambar 4. Untuk titik- titik yang lain terlihat terjadi pengurangan nilai indek kavitasi pada setiap titik. Nilai indek kavitasi terendah berada pada titik 10 yaitu pada jarak 5,22 m. Berbeda dengan nilai indek kavitasi pada debit periode ulang Q 1000 . Dimana nilai tertinggi terjadi pada titik kelima atau pada jarak 2,32 m dari puncak mercu pelimpah. Indeks kavitasi pada sisi kanan mercu pelimpah pada semua debit periode ulang memiliki trend garis yang sama tetapi pada titik ke 10 nilai indeks kavitasi pada Q 1000 terjadi kenaikan nilai yang tinggi seperti yang terlihat pada Gambar 5. Gambar 6 memperlihatkan sisi tengah mercu pelimpah nilai Q 1000 memiliki nilai indeks kavitasi yang sama pada setiap titik.
Hal  ini  terjadi  karena  ketika  pengaliran  debit  Q 1000 dimulai  ketinggian  air  pada  bangunan rechbox belum stabil tetapi pembacaan pada alat ukur tetap dilakukan sehingga pembacaan tinggi kecepatan dan tinggi tekanan tidak akurat.
Gambar 4. Indeks kavitasi pada ruas kiri mercu pelimpah
Gambar 5. Indeks kavitasi pada ruas kanan mercu pelimpah
Gambar 6. Indeks kavitasi pada ruas tengah mercu pelimpah

## 5. KESIMPULAN DAN SARAN
Pengujian model fisik berupa kajian kavitasi pada mercu pelimpah Bendungan Krueng Sabee dapat disimpulkan bahwa:
a. Berdasarkan analisis indeks kavitasi pada mercu pelimpah di sisi kanan, kiri dan tengah untuk semua periode ulang (Q 2 s.d Q 1000 ) diperoleh nilai indeks kavitasi yaitu lebih besar dari 1 (  > 1). b. Kecepatan aliran untuk semua periode ulang (Q 2 s.d Q 1000 ) yaitu berada pada rentang nilai 5 < V ≤ 16.
c. Hal ini menjelaskan bahwa dari nilai indeks kavitasi yang diperoleh tidak terjadi potensi kerusakan kavitasi  pada mercu pelimpah Bendungan Krueng Sabee. Berbeda dengan tingkat resiko kerusakan dari nilai kecepatan aliran dimana ada potensi kemungkinan terjadi kerusakan kavitasi pada bendungan tersebut.
d. Mercu  pelimpah  pada  uji  model  fisik  Bendungan  Krueng  Sabee  secara  umum  tidak  membutuhkan modifikasi desain karena tingkat kerusakan yang terjadi rendah.

## DAFTAR PUSTAKA
Dinas Pengairan Aceh, 2020. Laporan Pendahuluan Model Test dan Penyempurnan Desain Bendungan Krueng Sabee Kab. Aceh Jaya . Banda Aceh.
Direktorat Jenderal Sumber Daya Air, 2013. Kriteria Perencaaan Irigasi KP-02 . Jakarta. Falvey, H. T. 1990. Cavitation in chutes and Spillways . United States Departement of The Interior: Bureau of Reclamation.
Katz,  J.  1984. Cavitation  Phenomena  within  Region  of  Flow  separation .  Cambrigde,  University  Press: Journal of Fluid Mechanic.
Kells, J. A., Smith, C. D. 1991. Reduction of Cavitation on Spillways by Induced Air Entrainmen . Canada, Departement of Civil Engineering University of Saskatchewan.
Kementerian Pekerjaan Umum dan Perumahan Rakyat, 2015. Peraturan Menteri PUPR No. 27 Tahun 2015 tentang Bendungan. Jakarta.
Kermani, E. F. 2013. Investigation of Cavitation Damage Levels on Spillways . Iran Departemen of Civil Engineering Shahid Bahonar University.
Krisnayanti, D. S., Dermawan, V., Solichin, M., Suhardjono, S., Khaerudin, D.N. 2016. Bendung bertangga sebagai alternatif pada perencanaan bangunan irigasi. Jurnal Irigasi , 11(2), 91-102.
Patty, O. F. 1995. Tenaga Air . Erlangga, Surabaya. Sutopo, Y. 2014. Kavitasi di Dasar Saluran Curam . Andi, Yogyakarta.
Wibowo,  A.  C.  2016.  Pemodelan  Numerik  Pelimpah  Samping  Waduk  Telagawaja  Bali  Kabupaten Karangasem dengan Analisis Komputasi Fluida Dinamis. Jurnal Teknik Sipil Pengairan , 7(2), 184- 192.