4. Air permukaan dan Air bawah tanah

4.1 Perkenalan

4.1.1 Umum

Hidrologi dan Geohidrologi

Hidrologi merupakan ilmu yang berhubungan dengan air di benua, sifatnya, dan distribusinya baik di permukaan dan dibawah permukaan bumi dan di atmosfer, dari saat pengendapan sampai kembali ke atmosfer baik melalui evapotranspirasi, maupun kembali ke laut. Jadi, hidrologi membahas mengenai siklus air yang terjadi di bumi.

Geohidrologi adalah ilmu yang membahas mengenai air di bawah permukaan dan hubungannya dengan aspek geologi.

4.1.2 Aspek keteknikan

Air permukaan

Banjir merupakan salah satu bentuk kebencanaan geologi yang timbul secara alami, namun, kejadian ini meningkat disebabkan oleh ulah manusia. Erosi tanah juga muncul secara alami, dan meningkat juga disebabkan oleh ulah manusia. Suplai air untuk kebutuhan manusia berada pada reservoir permukaan yang ditampung di dam/bendungan.

Air bawah permukaan

Suplai air untuk kebutuhan manusia di dapatkan dari aquifer di bawah permukaan, maka dari itu harus dilindungi dari polusi, khususnya karena air sering digunakan namun tidak dilakukan treatment khusus. Karena air tanah berasal dari sumber alami, ekstraksi, konservasi, dan recharge membutuhkan perencanaan yang matang.

Amblesan tanah atau biasa disebut subsidence merupakan hasil dari pengambilan air tanah yang berlebihan untuk kebutuhan dasar air regional, dan dari

Kontrol rembesan dan air tanah dalam skala besar dibutuhkan dalam situasi seperti :

Ekskavasi, agar konstruksi dapat dilanjutkan pada keadaan kering dan untuk mengurangi tekanan yang berlebihan pada dinding dan bottom.

Struktur, menyediakan air untuk dry basement . Slope, untuk menjaga kestabilan lereng, baik pada kondisi alami ataupun tidak. Bendungan, untuk melindungi dari rembesan yang berlebihan yang melalui, di bawah,

atau di sekitar tanggul, yang akan mengurangi stabilitas dan menyebabkan hilangnya simpanan air yang berlebihan. Konstruksi bendungan mempunyai efek yang signifikan terhadap kestabilan lereng dan subsidence.

4.2 Air permukaan

4.2.1 Hidrologi permukaan

Siklus hidrologi

Presipitasi dalam bentuk air hujan, ataupun lelehan salju, masuk ke tanah melalui proses infiltrasi dan menjadi air tanah, sebagian yang masih tersisa di permukaan atau runoff akan terbawa ke atmosfer melalui penguapan dan transpirasi, lalu menjadi sumber untuk presipitasi berikutnya. Persamaan hidrologi yang berhubungan dengan factor-faktor tersebut dapat dituliskan sebagai :

Infiltrasi = presipitasi – (runoff + transpirasi + evaporasi)

Dengan kondisi yang mempengaruhinya adalah iklim, topografi, dan keadaan geologi daerah tersebut.

Iklim, mempengaruhi factor lain. Pada iklim yang lembab, tingkat presipitasi menjadi tinggi, namun saat tanah telah jenuh (saturated), maka tingkat runoff yang akan menjadi tinggi, saat banyak tumbuhan, tingkat transpirasi tinggi. Pada iklim yang kering, tingkat penguapannya lebih tinggi dari tingkat presipitasinya.

Topografi, memiliki pengaruh yang besar pada runoff dan penguapan. Lereng yang curam akan menambah tingkat runoff dan menghalangi infiltrasi. Lereng yang landai sampai datar akan menghalangi terjadinya runoff dan menghasilkan air yang stagnan, dan menyebabkan terjadinya penguapan.

Kondisi geologi juga mempunyai pengaruh yang signifikan terhadap runoff dan infiltrasi. Material kedap air yang dangkal akan menghasilkan runoff yang tinggi dan sedikit infiltrasi. Sebaliknya, untuk material yang tidak kedap air akan menghasilkan runoff yang rendah dan tinggi infiltrasi.

Presipitasi

Pada beberapa aplikasi keteknikan, data presipitasi digunakan dalam analisis runoff untuk mengevaluasi recharge air tanah dan zona banjir, serta untuk mendesain tempat pembuangan air seperti, selokan, gorong-gorong, dll.

Data badai, atau intensitas hujan juga merupakan data yang penting. Data badai merupakan data yang penting, karena runoff dan aliran banjir akan timbul secara maksimum selama badai terjadi, dengan pengaruh dari tempat pembuangan. Keterjadian dari erosi, mudflow, dan runtuhan, akan meningkat secara besar baik oleh intensitas dan durasi.

Runoff dan infiltrasi

Erosi tanah oleh runoff akan menghasilkan selokan yang berkembang pada stream (sungai kecil) dan akhirnya ke river (sungai besar), lalu berkembang lagi secara regional sampai danau dan laut.

Drainage basins atau cekungan pembuangan terdiri atas sungai dan anak sungai yang bercabang. Batasan dari cekungan ini dibagi berdasarkan garis punggungan atau kenampakan topografi lainnya yang membagi antara satu cekungan dengan cekungan lain yang berdekatan.

Channel mewakili volume antara penampungan sungai dengan kapasitasnya untuk membawa aliran.

Floodplain adalah bagian dari sungai di lembah yang memiliki kemungkinan akan tergenangi selama channel kelebihan kapasitasnya untuk mengalirkan.

Discharge sama dengan luas daerah dikalikan dengan kecepatan rata-rata (m3/sec). Hal ini penting diketahui untuk menentukan waktu yang dibutuhkan untuk mengisi reservoir, dengan evaluasi dari erosi permukaan, potensi banjir, dan dalam mendesain struktur kontrol pembuangan dan proteksi banjir.

Infiltration timbul saat runoff memasuki bawah permukaan melalui pori pada tanah dan batuan. Infiltrasi muncul pada batusedimen pasir dan bongkah yang porous, melalui lubang-lubang pada batuan yang dapat terlarutkan (soluble), dan melalui zona rekahan pada semua tipe batuan.

4.2.2 Erosi

Penyebab

Penyebab alami yang menyebabkan erosi termasuk air yang mengalir, air tanah, arus dan ombak, angin, gletser, serta pengaruh gravitasi pada lereng . Erosi yang disebabkan oleh aliran air dan gravitasi memiliki pengaruh yang besar pada pengembangan konstruksi dan penggunaan lahan, yang aktivitas tersebut akan meningkatkan proses erosi itu sendiri .

Kegiatan manusia juga berpengaruh terhadap proses erosi, seperti peningkatan kecepatan air yang akan meningkatkan kapasitas erosi, terutama pada lereng. Pemusnahan pohon dan vegetasi lainnya merupakan salah satu penyebab terbesar dari erosi oleh kegiatan manusia.

Efek

Erosi yang tidak terkontrol pada daerah yang berbukit ataupun pegunungan akan menyebabkan slope failure. Sedimentasi merupakan efek yang penting pada erosi. Konstruksi dari jalan tol juga dapat menciptakan lereng yang tak terlindungi/tidak stabil (unprotected slope) yang dapat dengan mudah tererosi dan merupakan sumber sedimen untuk mengalir dan mengotori penampungan air. Sehingga dapat menyumbat aliran, menyebabkan banjir, mengganggu kehidupan biota air, mengganggu suplai air, dan reduksi kapasitas reservoir.

Perlindungan dan pencegahan

River banks dan channel menyediakan perlindungan dengan menahan struktur. Pondasi untuk jembatan harus ditempatkan pada tempat yang memadai untuk menghindari gesekan, yang merupakan penyebab utama dari bridge failure (Smith, 1977).

Selokan pada lereng yang berada di atas atau bawah dari suatu konstruksi biasanya membutuhkan perlindungan dari erosi. Kecuali jika alirannya lemah, dan materialnya tahan terhadap erosi.

Pada lereng, perlindungan dilakukan dengan menanam vegetasi yang tumbuh cepat, memiliki daya akomodasi tanah yang tinggi, dan dapat berguna sebagai kontrol pembuangan air di permukaan. Contohnya, saat melakukan ekskavasi untuk membuat undakan, pada jalan tol yang memotong lereng, pada saat undakan pertama dibuat, sebaiknya vegetasi dapat langsung ditanam.

4.2.3 Banjir

Penyebab

Banjir muncul secara alami saat atau setelah hujan deras atau lelehan salju, menyebabkan runoff menjadi kelebihan kapasitas dan membuat penampungan menjadi meluap dan dapat membanjiri desa di dekatnya.

Kegiatan manusia dapat meningkatkan terjadinya banjir. Konstruksi pada floodplain akan mengurangi kemampuan alami sungai untuk menampung air. Penghilangan vegetasi dari lereng menambah volume runoff, dan sedimentasi dari erosi dapat mengurangi kapasitas penampungan sungai (stream storage capacity).

Memprediksi tingkat banjir

Umum

Memprediksi tingkat banjir sangat penting untuk zonasi wilayah banjir, yang akan menentukan pembatasan dari konstruksi, dan desain dari sistem pengontrol banjir.

Tujuannya adalah untuk memprediksi kuantitas dari aliran air dan tingkat banjir yang kemungkinan muncul dengan frekuensi satu kali dalam 25, 50, atau 100 tahun. Prediksi ini menyediakan dasar untuk pemilihan dari pengukuran perlindungan (protective measures).

Analisis prediksi

Faktor-faktor yang mempengaruihi antara lain :

Topografi dari cekungan ditambah runoff pada area studi. Tipe tanah, batuan, dan vegetasi. Intensitas dan durasi maksimum dari kemungkinan badai yang terjadi. Musim Kapasitas penampungan dari river channel dan floodplain.

Prediksi geologi

Dasar dari prediksi geologi ini adalah untuk deliniasi batas floodplain dari analisis medan untuk mengidentifikasi distribusi dari alluvium berumur recent atau quaternary-soil, untuk mengidentifikasi ciri erosi di suatu daerah yang berhubungan dengan banjir. Hasilnya dapat lebih akurat daripada prosedur analitikal.

Perlindungan banjir

Zona floodplain mampu memberikan perlindungan terbaik dari banjir. Floodplain sangat berguna sebagai tempat perlindungan alami dari banjir.

Konstruksi pada elevasi yang memadai dapat dicapai baik dengan pemilihan tempat pada dataran tinggi yang sudah ada, atau menambah ketinggian dengan filling. Filling yang berlebihan akan meningkatkan banjir di hulu.

Diking untuk menahan air merupakan solusi yang diperlukan untuk kota yang berkembang dengan cepat, namun solusi ini mahal dan tidak bebas resiko, karena bagaimanapun juga banjir dipengaruhi perubahan alami.

Pelurusan channel menjadi solusi yang sering dipakai pada sungai kecil untuk meningkatkan kecepatan aliran dan mengurangi potensi banjir dan erosi pada river bank. Namun, cara ini memiliki efek meningkatnya aliran hilir dan menyebabkan banjir di lokasi tersebut.

Bendungan pengatur banjir (flood-kontrol dams) dibangun di hulu yang bertugas sebagai reservoir penampung, dan merupakan solusi kontruksi yang paling efektif untuk perlindungan dari banjir.

4.3 Air tanah

4.3.1 Keterdapatan

Hubungan umum

Sebagian dari presipitasi runoff masuk ke tanah melalui infiltrasi, melewati pori dan rekahan akibat pengaruh gravitasi, yang dibawah kedalaman tertentu telah mencapai titik jenuhnya.

Porositas adalah persentase rongga pori dengan rongga keseluruhan batuan yang disajikan dalam persen, yang menunjukkan kapasitas material untuk menahan air saat jenuh.

Water table- Static water table

suatu tingkat dimana tekanan air tanah sama dengan tekanan atmosfer, atau dikenal juga dengan steady state. Diatas static water table ini tanahnya mungkin terisi dengan udara.

- Upper zone - Saturated zone

Permukaan preatik, adalah level air statis. Pada pasir kasar, permukaan ini menghubungkan antara zona saturasi dan tidak.

Confine water timbul di area yang bebas air, tetapi dibatasi oleh lapisan kedap air.

Aquifer merujuk kepada formasi yang mengandung air dan meneruskan dari satu titik ke titik lain dengan kuantitas yang cukup dalam pengembangan ekonomi.

Aquitard merupakan formasi jenuh, seperti pada lapisan silt, yang menghasilkan kuantitas air yang tidak sebanyak aquifer.

Aquiclude merupakan sebuah formasi, seperti lapisan clay, yang mengandung air, tetapi tidak dapat mengalirkan dengan cepat untuk mencukupi suplai untuk sumur dan mata air.

Aquifuge tidak memiliki pembukaan yang terbuka dan tidak mampu menahan ataupun mengalirkan air, contohnya seperti batugranit.

Kondisi artesis

Kondisi ini merupakan hasil dari confined groundwater dibawah tekanan hidrostatik. Jika pada lapisan yang kedap air dibawah water table terhubung dengan air tanah dengan

elevasi yang lebih tinggi, maka confined water akan memiliki apa yang disebut dengan head. Saat suatu sumur di bor untuk ditembus lapisan confined, maka level air akan naik diatas lapisan tersebut. Kenaikan itu ditunjuk sebagai kondisi artesi, yang lapisannya disebut sebagai artesian aquifer.

Air tawar diatas tubuh air asin

Air tawar yang berada di atas batas air asin muncul di sepanjang garis pantai atau pada pulau yang di dasari dari suatu lapisan batuan atau tanah kedap air dengan rongga-rongga yang besar, seperti koral. Air tawar mengambang diatas air asin disebabkan oleh perbedaan massa jenis. Di pulau, elevasi dari water table yang disebabkan oleh rembesan dari air hujan, dan menurun dari dari titik tertingginya, sampai ketemu dengan laut.

Saltwater intrusion merupakan hasil dari pumping yang berlebihan pada sumur air tawar. Air asin bermigrasi di sepanjang garis pantai., yang menghasilkan polusi air tawar dengan air asin.

Sumber mataair dan aliran airtanah

Mataair termasuk daerah discharge dari airtanah. Sumbernya mungkin bisa berasal dari free-water yang bergerak dibawah kontrol dari water table, confined water yang muncul ke permukaan disebabkan oleh tekanan hidrolik. Mataair memberikan informasi penting tentang kondisi airtanah yang diteliti di permukaan.

Aliran air tanah secara alami hanya terdapat pada batugamping, atau batuan dengan pori besar dimana air dapat mengalir dengan bebas melewatinya. Penggalian sampai ke lapisan kerakal, atau batuan yang fracture akan menemukan air dalam jumlah yang banyak, dan dapat digunakan ke dalam ekskavasi tersebut.

4.3.2 Aliran bawah permukaan

Gradien hidrolik

Kondisi umum

Kondisi hidrostatik menuju tekanan pada fluida saat tidak adanya aliran, yang dapat digambarkan sebagai

P = wh + Pa

P adalah tekanan saat kedalaman h pada air yang setara dengan berat air w dikali kedalaman,

ditambah dengan tekanan atmosferik Pa .

Aliran airtanah muncul saat ada ketidaseimbangan tekanan dari gaya gravitasional pada air, dan kemampuan air untuk menyeimbangkan tekanan. Pergerakan air di bawah tanah muncul secara lambat hampir di semua material, menyebabkan keterlambatan waktu saat proses keluarnya. Bentuk dari water table mengikuti bentuk topografi permukaan di atasnya. Pada iklim kering, batas airtanah kemungkinan besar horizontal.

Gradient hidrolik dan permeabilitas merupakan dua factor yang mempengaruhi airtanah. Gradient hidrolik antara 2 titik diatas water table adalah rasio antara perbedaan elevasi dan jarak antara 2 titik tersebut.

Hal ini mencerminkan hilangnya gaya gesek saat air mengalir antara 2 titik tersebut.

i = h/l

Permeabilitas

Merupakan kapasitas dari material untuk mengalirkan fluida. Hukum Darcy menunjukkan hubungan pengaturan aliran air melalui bawah permukaan, namun hanya saat kondisi aliran yang laminar melalui material yang jenuh :

q = kiA

Dimana q (Q/t) adalah air yang mengalir pada satuan waktu tertentu, k (cm/sec) adalah koefisien permeabilitas, i adalah gradient hidrolik, dan A (cm2) adalah luas alas yang dilewati oleh fluida.

Harga dari k sering digunakan oleh insinyur sebagai units of velocity (cm/sec) pada suhu 20oC, karena temperature mempengaruhi viskositas.

Transmissibility digunakan oleh para ahli geologi untuk mengetahui jumlah aliran dalam gallon per hari. Transmissibility sesuai dengan koefisien permeabilitas dikalikan ketebalannya.

Specific yield atau hasil spesifik didefinisikan sebagai jumlah air yang dapat diambil dari aquifer, atau rasio dari air yang mengering dari formasi terhadap volume total air.

Tekanan pori

Umum

Tekanan pori atau uw adalah tekanan yang terdapat pada pori batuan, dari elemen tanah yang sudah jenuh.

Cleft-water pressure merupakan tekanan air pada kekar yang jenuh, atau rekahan lain pada batuan.

Excess hydrostatic pressure atau tekanan hidrostatik berlebih adalah tekanan yang mampu membuat air mengalir.

Kondisi tidak ada tekanan dan tidak ada aliran

Saat kondisi seperti ini, tekanan pori sama dengan berat unit dari air dikali dengan kedalaman di bawah, yang ditunjukkan pada persamaan :

U = wzw

Tekanan efektif

Merupakan perkembangan dari tekanan pori yang tinggi sebagaimana tinggi permukaan air meningkat pada lereng yang menyebabkan reduksi kestabilan lereng dan dapat menyebabkan longsor atau slope failure. Tekanan pori tinggi juga berkembang pada bendungan saat tingkat preatik meningkat dan membutuhkan pertimbangan saat mendesain.

Rasio tekanan pori ru

Didefinisikan sebagai rasio antara tekanan pori dan tekanan beban total.

ru = volume of sliding mass under water x unit weight of water

volume of sliding x unit weight of soil

atau

ru = cross-sectional area of sliding mass underwater

2 x total cross-sectional area of sliding mass

Applied stresses

Applied stresses dapat meningkatkan tekanan pori. Memuat tanah lempungan dapat menyebabkan terjadinya konsolidasi. Pertama, air pada pori akan membawa muatan, lalu saat air telah keluar dari tanah, tekanan pori akan menghilang, void akan menjadi lebih kecil, dan muatannya dipindahkan ke rangka tanah. Jika muatan dimasukkan secara cepat, walaupun tanahnya belum kering sepenuhnya, maka tidak akan terjadi pergerseran. Walaupun tanah telah mongering sepenuhnya, kekuatan dari komponen pergeseran akan berkurang oleh tekanan pori.

ekanan pada air pori dianggap netral karena tidak meningkatkan baik ketahanan geser, ataupun gaya kompresinya.

Rembesan

Velositas

Kecepatan rata-rata rembesan vs yang mengalir melalui pori dari massa tanah yang jenuh, sama dengan kecepatan saat discharge (vd = ki) dikalikan rasio (2+e)/e, dimana e adalah void ratio, atau kecepatan saat discharge dibagi dengan porositas efektif (ne) yang ditunjukkan oleh persamaan :

vs = ki / ne (ft/day or cm/sec)

Kepentingan dari mengetahui kecepatan rembesan ini adalah untuk evaluasi dari k, menggunakan suatu pewarna pada air, dan mengukur waktu yang dibutuhkan air berwarna itu untuk bergerak dari satu titik ke titik lainnya, dan mengestimasi tingkat pergerakan dari studi kontrol polusi.

Tekanan dan pencairan

Tekanan rembesan j merupakan tekanan pada tanah yang disebabkan oleh aliran air. Nilainya sama dengan gradient hidrolik i dikali dengan berat unit air, ditunjukkan sebagai :

j = h / L w = i w

Saat aliran cenderung bergerak ke hulu, seperti saat di dasar bendungan, ataupun pada lereng, tekanannya akan ditahan oleh berat dari pilar tanah.

Quick conditions

Muncul saat gradient di hulu meningkat sampai tekanan rembesan melebihi berat tanah yang terendam, dan tanah pun terangkat. Hasilnya adalah hilangnya gaya gesek intergranular dan kapasitas pendukung dari tanah.

Massa batuan

Tekanan air yang berkembang pada rekahan massa batuan sering disebut dengan cleft-water pressures. Pada saat tingkat tinggi, hal ini akan menghasilkan ketidakstabilan fondasi batuan pada bendungan, dan biasa menjadi penyebab slope failure. Rembesan juga akan menghasilkan pengurangan dari joint filling, dan perkembangan dari tekanan pori yang tinggi pada material pengisinya (filling material) dapat mengurangi kekuatannya.

Perubahan tekanan

Dapat mempengaruhi permeabilitas dan rembesan pada massa batuan. Tekanan compressive dapat menyebabkan penutupan dari rekahan walaupun dalam tekanan yang relative rendah, menurunkan aliran rembesan, dll. Tekanan tensile dapat meningkatkan permeabilitas dan aliran, pada batuan yang di lereng, dapat menyebabkan deformasi.

Kebocoran

Kebocoran (leakage) timbul melalui lereng yang alami, melalui tanggul, fondasi, atau pangkal jembatan, dan dibawah penggalian yang menangga. Pengelupasan dari muka hulu dari tanggul bendungan ataupun pada lereng merupakan fenomena yang biasa. Hal ini biasanya muncul saat tingkat tekanan preatik memotong lereng. Tekanan dari rembesan (seepage forces) pada zona lemah akan menyebabkan pelonggaran pada material di permukaan, dan menimbulkan bahaya local.

Kebocoran yang melewati material fondasi bendungan lebih sering terjadi daripada yang melalui tanggul. Hal ini disebabkan karena tanah pada fondasi kurang padat dan lebih tidak teratur dibandingkan dengan yang di tanggul. Rembesan yang tidak terkontrol pada bagian bawah tanggul akan berkumpul dan membentuk suatu mata air, dan partikel tanah halus yang terbawa, akan terendapkan di permukaan sekitar mata air tersebut sebagai “sand boils” . Hal ini sering ditemukan di bagian bawah lereng yang terpotong, dan pada permukaan setelah terjadinya gempa pada area yang berbutir halus dan cohensionless , serta di belakang tanggul saat banjir.

Piping

Merupakan erosi progresif dari partikel tanah di sepanjang jalur. Partikel tanah halus di dekat titik zona lemah dapat di dihilangkan oleh aliran, dan pada saat itu, aliran dan erosi meningkatkan massa tanah, lalu akan semakin berkembang dan menghasilkan aliran dan erosi yang lebih kuat dan pada akhirnya akan menyebabkan bencana yang besar.

Piping melalui tanggul muncul pada tanah yang lebih halus sepanjang lapisan material yang kasar, melalui rekahan pada tanah tanggul, atau massa batuan yang berdekatan dimana retakannya berhubungan dengan tanah berbutir halus. Rekahan pada tanggul dapat timbul karena penyusutan dari tanah lempung atau perbedaan settlement pada fondasi tanggulnya. Settlement pada tanggul disebabkan kompresi pada material fondasinya yang menimbulkan penerobosan yang menyebabkan terjadinya piping pada tanah tanggul.

4.3.3 Sistem aliran dan analisis

Umum

Sistem aliran

Secara fisik, semua sistem aliran menyebar ke tiga arah. Aliran air melalui tanah yang jenuh akan membentuk aliran streamlined (tangen dari titik manapun pada garis aliran sedang berada pada arah dari kecepatan pada titik tersebut) dan dapat dilihat pada persamaan LaPlace untuk aliran 3-dimensi pada media yang porous. (DeWeist, 1985).

Jaringan aliran

Deskripsi

Jaringan aliran (flow nets) merupakan presentasi grafik 2-dimensi dari aliran yang terdiri atas garis aliran dan garis equipotential. Yang pada akhirnya akan menghubungkan semua titik pada tingkat piezometric sepanjang garis aliran.

Aplikasi

Jaringan aliran ini dapat digunakan untuk evaluasi :

1. Kuantitas rembesan yang keluar melalui atau dibawah bendungan atau struktur penahan lainnya.

2. Kuantitas aliran yang masuk ke well atau lubang lain di permukaan.3. Tekanan rembesan yang menghasilkan uplift pada bagian bawah dari bendungan.4. Potensi keluarnya air (liquefaction) dari bendungan, lereng, dan penggalian.5. Tekanan pori di sepanjang failure surface pada lereng.

Kondisi aliran untuk analisis

Aliran yang terperangkap (confined flow) merupakan keadaan dimana permukaan preatik diketahui, dan biasanya muncul dibawah cutoff walls.

Aliran yang tidak terperangkap (unconfined flow) merupakan keadaan dimana lokasi garis preatik tidak diketahui, dan biasanya muncul pada bendungan alami dan lereng.

Konstruksi jaringan aliran

Flow net construction ini merupakan prosedur grafikal yang didapat dari percobaan (trial and error) terbagi atas zona aliran pada penggambaran berskala dari suatu masalah yang mendekati kemungkinan equidimentional quadrilaterals yang dibatasi oleh garis aliran dan garis equipotentional yang memotong pada sudut yang tepat.

Garis equipotential menghubungkan titik dengan tingkat piezometric yang sama pada garis aliran. Kondisi anisotropic dihasilkan oleh stratifikasi karena permeabilitas horizontal lebih besar dari permeabilitas vertical.

Analisis

Kuantitas rembesan dapat dihitung, setelah flow net digambar, dengan persamaan :

q = kh(Nf/Ne)

q adalah discharge (ft3/sec per running foot), k adalah koefisien permeabilitas (m/sec), Nf

adalah jumlah aliran channel, dan Ne merupakan jumlah titik equipotential di sepanjang aliran channel.

Kesimpulan

Jaringan aliran merupakan alat yang berguna, karena dapat menentukan secara akurat kuantitas dan tekanan rembesan pada tanah.

Sistem aliran alami pada lereng

Sistem aliran regional yang telah disederhanakan

Deskripsi sederhana biasanya mempertimbangkan sistem aliran air tanah sebagai hidrostatik, yang mana pada realitanya, penyebaran non-hidrostatik merupakan hal yang umum di sekitar lereng (Patton dan Hendron, 1974). Pada daerah recharge dibukit, aliran airnya cenderung mengarah ke hilir, dan daerah discharge , alirannya cenderung ke hulu. Hal ini berlaku pada kondisi dimana materialnya seragam; penyebaran non-hidrostatik di sepanjang lereng, seperti yang diilustrasikan pada garis equipotential adalah nyata. Jika permeabilitas rendah, maka perbedaan antara penyebaran hidrostatik dan yang sebenarnya akan menonjol.

Rembesan lereng

Sistem aliran antara lereng yang berdekatan sangat penting untuk diketahui, dalam hal pertimbangan masalah stabilitas lereng.

Massa batuan

Variasi dari potensi equipotential untuk konfigurasi permeabilitas yang berbeda, sangat penting pada massa batuan, terutama saat aliran di sepanjang bidang perlapisan dan dip sejajar dengan slope.

Flow to wells

Umum

Water well adalah penggalian vertical yang bertujuan untuk mengambil airtanah untuk suplai, atau mengontrol air selama konstruksi. Menurut Driscollm 1986, terdapat dua kasus umum pada hal ini :

1. Single well, mempengaruhi zona pada daerah elips atau melingkar.2. Slots, adalah suatu garis kontinyu seperti puritan yang terisi batuan, dll.

Dua tipe umum dari well adalah gravity well dan water-table well, yang menembus unconfined aquifer dan sumur artesis yang menembus lapisan confined.

Karakteristik gravity wells

Depresi kerucut (cone of depression) dihasilkan pada water table yang mengelilingi sumur, karena proses pumping akan menurunkan water level dan mengambil air dari lapisan pembawa air di sekitarnya. Drawdown merupakan jarak vertical dari water table yang asli dengan bagian bawah dari depresi kerucut. Hal ini dapat menambah jarak horizontal dari sumur sebanyak 10 kali dari kedalaman sumur, atau lebih, yang dapat menyebabkan subsidence.

Factor yang mempengaruhi cone of depression :

1. Yield, kuantitas air yang di pumping per satuan waktu (L/min).2. Drawdown, saat sudah mencapai steady state, suplai airtanah alami akan kembali mengisi

sumur sampai batas depresi kerucut sama dengan air yang telah di pump, dan menyediakan informasi suplai air yang tersedia.

3. Kapasitas spesifik (gal/ft dari drawdown), meyediakan pengukuran terbaik untuk perbandingan yield dari 2 sumur atau lebih. Bergantung pada permeabilitas dan ketebalan akuifer, serta ketahanan gesekan pada well entrance.

4. Overpumping pada akuifer diindikasikan saat level air tidak meningkat sampai batas aslinya, walaupun setelah pumping selesai.

5. Safe yield diindikasikan jika recovery antara periode pumping telah selesai.6. Tingkat recovery, bergantung pada permeabilitas dari akuifer di sekitarnya.7. Bentuk depresi kerucut selama proses pumping ditentukan dari pengukuran kedalaman

sumur terhadap water tablenya.

Analisis gravity well

Karena adanya heterogenitas formasi, penghitungan kuantitas sebelum data diambil melalui pumping hanya sedikit mendekati. Karena hal ini sebaiknya ditentukan dari pumping test, dan observasi sumur yang menghasilkan data tambahan pada drawdown. Karena kecepatan aliran rendah pada aliran airtanah, kondisi equilibrium yang sebenarnya muncul setelah interval tertentu saat pumping.

Combined artesian-gravity flow

Pada kasus sumur artesis, level air tetap berada pada lapisan kedap. Hal ini mungkin terjadi pada tingkat pumping yang tinggi, dan menurukan water table dibawah lapisan kedap atau pada bagian atas akuifer. Pada kondisi seperti ini, pola aliran dekat artesian well mirip dengan gravity well, hanya saja pada artesian well jaraknya lebih jauh.

Overlapping cones of depression

Saat beberapa sumur saling berdekatan, depresi kerucut saling tumpang tindih satu sama lain, menyebabkan interferensi, dan water table mengalami depressed pada area yang luas. Pada beberapa titik overlap, total drawdown merupakan jumlah drawdown per sumur.

4.3.4 Aspek praktis dari airtanah

Umum

Aspek praktis dari masalah airtanah dapat dikelompokkan kedalam tiga kelompok utama : kuantitas aliran, masalah stabilitas, dan kualitas air.

Kuantitas aliran menyangkut kepada suplai air, dan penggalian untuk struktur, tambang, channel, terowongan, dll.

Masalah stabilitas pada formasi tanah berhubungan untuk mengatur tekanan pada lereng, dasar penggalian, dibawah tanggul; dan berhubungan dengan pengurangan dan penghilangan pengisi rekahan.

Kualitas air menyangkut suplai air dari sumur. Air tanah membutuhkan perlindungan terhadap polusi, dan kontaminasi yang dapat mempengaruhi pada kehidupan air.

Suplai air

Formasi tanah yang menyediakan kuantitas yang cukup untuk suplai air adalah clean sand dan lapisan kerakal. Massa batuan yang merupakan akuifer yang paling penting adalah batupasir, batuan yang mengalami fracture secara terus menerus, batuan vesicular, atau batugamping yang besar. Pada batuan metamorf dan batuan beku, sumber air tanah biasanya ditemukan pada zona patahan utama, atau kumpulan dari joints/rekahan. Ekstraksi airtanah secara cepat dapat menyebabkan tumbuhnya lubang besar, dan runtuhnya tanah.

Lereng

Peningkatan tekanan pori pada lereng tanah dan peningkatan tekanan air celah pada batuan di lereng merupakan penyebab utama terjadinya slope failure.

Aliran dari muka batuan merupakan hal biasa tetapi dapat menjadi bahaya saat peningkatan dari infiltrasi air hujan atau terhalang oleh pembekuan. Permukaan lereng yang kering tidak dapat menjadi indikasi kurangnya gaya rembesan pada massa tanah.

Reservoirs

Reservoir mempunyai efek regional pada kondisi air tanah, karena peningkatan level reservoir dapat menyebabkan kenaikan secara regional pada level piezometric.

Pada massa batuan, lapisan horizontal yang berubah-ubah dari antara lapisan kedap dan tidak kedap dapat menjadi penyebab tingginya tekanan pori pada fondasi batuan.

Kestabilan lereng di area reservoir dapat menyebabkan kemungkinan bahaya karena lereng berada pada kondisi yang tidak stabil. Lereng yang curam dengan colluvium, atau batuan sedimen dengan arah dip searah lereng dengan lapisan sepanjang lereng, merupakan daerah yang rentan untuk mengalami pergeseran saat terjadi perubahan kondisi hidrostatik pada lereng.

Bendungan

Stabilitas fondasi

Analisis kestabilan dari fondasi bendungan merupakan masalah prosedur standar. Pada kasus di Bendungan Malpasset diperkirakan disebabkan oleh peningkatan tekanan rembesan pada bagian bawah fondasi. Rembesan yang terjadi di bawah bendungan biasanya dikontrol oleh grouting (memasukkan bahan dalam keadaan cair ke dalam tanah, untuk perbaikan tanah), membangun puritan yang terpotong, atau memasang sistem pelepas tekanan.

Seepage losses dan piping failures

Rembesan dapat bertanggung jawab atas hilangnya penyimpanan air dalam jumlah besar dan fondasi batuan yang porous , terkena fracture dengan hebat, dapat menyebabkan piping pada material tanggul, yang dapat menyebabkan failure. Saat melakukan inspeksi terhadap bendungan, semua titik rembesan harus diperhatikan dan dicatat, termasuk kuantitas alirannya dan kondisi airnya. Hal ini mungkin kecil, namun sangat penting untuk diperhatikan. Seperti yang terjadi pada Bendungan Teton, yang disebabkan oleh rembesan yang tidak terkontrol, dan menyebabkan 11 orang meninggal dan kerugian 400juta dolar (Penman, 1977 ; Fecker, 1980)

Pada dasar Sungai Teton merupakan material alluvial, yang mendasari alluvium tersebut adalah riolit yang porous dan memiliki banyak rekahan atau disebut welded tuff.

Penggalian terbuka

Kebanyakan penggalian terbuka yang dibangun dibawah watertable membutuhkan kontrol airtanah, agar kontruksi dapat berlanjut dalam keadaan kering dan menurunkan tekanan lateral pada sistem penahan. Masalah seperti bottom heave (dorongan pada bagian bawah), boiling, dan piping harus sangat diperhatikan. Amblesan pada backslope atau penyesuaian yang berbeda pada struktur yang berdekatan dapat menyebabkan penurunan muka airtanah, atau dari piping oleh tanah melalui struktur penahan jika terdapat lubang.

Struktur yang dibangun dibawah watertable harus dilindungi dari uplift dimana watertable dapat naik sampai level aslinya, dan menahan infiltrasi dan basah pada bagian basement.

Terowongan pada batuan

Aliran tinggi dibawah tekanan tinggi yang muncul secara tiba-tiba merupakan masalah serius yang dihadapi saat membangun konstruksi terowongan pada batuan. Tekanan air yang sama dengan tingkat hidrostatik dapat menyebabkan ledakan pada atap atau lantai, meskipun di batuan yang keras. Aliran yang tinggi, namun tidak tekanan tinggi dapat ditemui pada batuan porous seperti lava vesikuler atau batugamping yang besar.

Saat menemui penggalian, aliran reruntuhan yang jenuh mengalir ke dalam terowongan, seringkali dalam kuantitas dan tekanan yang tinggi. Pada kebanyakan kasus, alirannya berhubungan dengan zona patahan yang terisi oleh lempung. Pada hanging wall , tekanan piezometric relative rendah dan dapat dikontrol , dan sebaliknya pada footwall.

Kualitas air

Kepentingan

Dua aspek dasar dari kualitas air adalah :

1. Kualitas yang diinginkan dari suplai air tergantung pada penggunaannya.2. Efek korosif pada material konstruksi , dipengaruhi oleh kualitas air.

Garam terlarut

Pada keadaan normal, garam ditemukan pada semua airtanah. Konsentrasi garam terlarut tergantung pada pergerakan air, suhu, dan asal. Saat air tanah melewati batuan dan tanah, mineralnya akan terlepas ; batuan sedimen secara umum lebih mudah terlarutkan dibandingan dengan batuan beku dan metamorf. Garam muncul dalam bentuk karbonat, bikarbonat, dan sulfat. Pada batuan calcareous, airnya diperkaya dengan karbonat ; sedangkan pada batuan ferrugionous diperkaya dengan besi.

Efek

Karat dan penutupan air (corrosive and incrusting water) menyebabkan pemburukan pada bahan pipa metal dan alat geoteknik dan penyumbatan pyrometers.

Aggressive salts menyerang beton, menyebabkan terjadinya pemburukan (deterioration) dibawah watertable. Bahan kimia yang biasa mneyerang beton adalag CO2, klorida,

magnesium, sulfat, dan ammonia. Nilai pH juga harus menjadi pertimbangan karena juga dapat mempengaruhi efek korosi.

Peningkatan ketahanan beton dapat dicapai dengan mencampur material beton dengan bahan kimia, melindungi beton dengan melapisinya.

4.4 Kontrol rembesan dan airtanah

4.4.1 Perkenalan

UmumKontrol rembesan dan airtanah merupakan pertimbangan penting dalam stabilitas

lereng, dam, dan bendungan ; penggalian untuk struktur, pembukaan tambang, dll. Investigasi harus dilakukan selama dan setelah konstruksi berlangsung.

KepentinganSelama konstruksi, kontrol ini diperlukan untuk :1. Lancarnya proses konstruksi.2. Menstabilisasi keadaan dasar, dan mencegah bottom heave dan piping.3. Meningkatkan daya akomodasi dari material fondasi.4. Meningkatkan kestabilan lereng.5. Mengurangi tekanan udara pada operasi pembuatan terowongan.

Setelah konstruksi, kontrol diperlukan untuk :

1. Menyediakan basement tetap kering.2. Mengurangi tekanan lateral pada struktur penahan.3. Kontrol rembesan pada tanggul.4. Kontrol rembesan fondasi dan abutment (pangkal jembatan) pada semua bendungan.5. Mencegah air permukaan dan airtanah dari polutan.

Rembesan yang tidak terkontrolBanyak investigasi yang berfokus terhadap penggalian kering (dry excavation), tetapi

kontrol gaya oleh rembesan sama pentingnya dengan pencegahan. Terdapat 2 kategori dalam hal rembesan yang tidak terkontrol (Cedergren, 1967)1. Failure disebabkan perpindahan partikel

a) Piping failure pada bendungan dan tanggul yang disebabkan oleh :- Kurangnya filter pelindung- Lemahnya kompaksi pada fondasi- Lubang pada tanggul

b) Penyumbatan oleh sistem filter dan pengeringan

2. Failure disebabkan kejenuhan yang tidak terkontrol dan tenaga rembesana) Kebanyakan slope failure disebabkan oleh tenaga rembesan (seepage forces)b) Fondasi dan tanggul jebol yang disebabkan tekanan pori berlebihc) Dinding penahan runtuh disebabkan tekanan hidrostatik tinggi

Investigasi

Prior to construction

Melalui citra satelit dan survey langsung, dapat melihat keadaan dari watertable. Semua kondisi mata air dan rembesan dari lereng harus dicatat. Data endapan digunakan untuk menyediakan data untuk menilai kondisi airtanah.

Eksplorasi harus diperluas untuk kedalaman secara signifikan dibawah penggalian untuk menggambarkan kondisi airtanah termasuk pada kedalaman steady state dan kondisi artesis.

Tes in situ dilakukan untuk mendapatkan data permeabilitas dan drawdown, dan evaluasi potensi rembesan pada tanggul dan fondasi.

Piezometers dipasang untuk memonitori tekanan pori dan perubahan kondisi airtanah.

Selama konstruksi, perubahan pada kondisi airtanah muncul selama konstruksi yang diawasi oleh piezometer.

Setelah kontruksi, kemungkinan perkembangan dari lubang rembesan dapat membahayakan struktur. Dan titik-titik rembesan terus diawasi agar tidak terjadi hal yang tidak diinginkan.

Kesimpulan

Jika dilakukan dan dipasang dengan benar, maka cutoff dan barrier dapat kemungkinan untuk menutup aliran pada rembesan. Sistem dewatering dapat mengurangi tekanan pori. Dan drains untuk mengontrol aliran.

4.4.2 Cutoffs dan Barriers

Liners, blankets, and membranes

Clay blanket ditempatkan pada material untuk melembutkan permeabilitas, memperluas hulu dari tanggul bendungan untuk meningkatkan panjang horizontal dari jalur aliran dan menurunkan kuantitas rembesan dan tekanan pada hilir.

Clay liners digunakan untuk menutup kebocoran dari reservoir.

Penginjeksian grout yang terdiri dari campuran semen dan bahan kimia merupakan solusi permanen untuk menjaga aliran, dan memperkuat formasi tanah dan batuan.

4.4.3 Dewatering

Sistem dewatering digunakan untuk menurunkan level watertable agar kontruksi dapat berjalan dengan kering, dan menurunkan tekanan rembesan pada lereng dan dasar penggalian/ekskavasi. Dewatering dapat dilakukan dengan sump pumps, wellpoints, deep wells, dan electro-osmosis.

4.4.4 Drains

Drains dapat mengontrol aliran yang muncul pada jalur. Mengurangi tekanan rembesan pada bendungan, lereng, struktur penahan, tunnel, dll. Ketebalan dari drains ini bergantung pada kuantitas aliran yang ingin dikontrol dan permeabilitas dari material yang tersedia.

4.4.5 Filters

Filter digunakan untuk mengurangi kecepatan aliran dan mencegah perpindahan dan penyumbatan dari tanah yang berdekatan yang dilewati oleh aliran dengan perbedaan permeabilitas yang signifikan. Saat air melewati lapisan dengan besar butir yang berbeda jauh seperti dari lempung ke kerakal, butiran lempung akan terbawa ke lapisan kerakal, dan akan terbentuk lubang yang dapat menyebabkan failure pada struktur, atau dapat menyumbat lapisan kerakal sehingga menghentikan aliran dan meningkatkan tekanan air.

4.4.6 Perlakuan di permukaan

Dilakukan dengan tujuan untuk mencegah infiltrasi air dan meningkatkan kestabilan lereng. Teknik yang dilakukan dapat dengan menanam vegetasi yang memiliki nilai akomodasi tinggi, menutup celah di permukaan dengan material khusus, memasang drains.

4.4.7 Solusi untuk masalah keteknikan

Pada tanggul, tujuannya adalah untuk mengontrol rembesan, menahan reservoir, dan mencegah aliran dari muncul ke muka hilir, dimana dapat menimbulkan erosi piping.

Pada tanggul yang homogen, beberapa material alami terdiri atas variasi besar butir yang luas, yang menyediakan kekuatan yang tinggi, dan permeabilitas rendah.

Jika pada fondasi bendungan terdiri atas material yang dapat ditembus air, maka reservoir dapat kehilangan banyak air, dan tekanan rembesan yang besar dapat menyebabkan failure.

Grout curtains terkadang digunakan untuk mengurangi uplift dari tekanan dibawah fondasi dan mengurangi tekanan pori pada pangkal jembatan dari bendungan beton

Pemotongan lereng biasanya dibarengi dengan penanaman vegetasi untuk mencegah erosi dan menghalangi infiltrasi.

Drainage dibutuhkan untuk mencegah meningkatnya tekanan hidrostatik dibelakang dinding beton yang menahan lereng. Desain disesuaikan dengan kuantitas aliran.

4.5 Konservasi Lingkungan

4.5.1 Kontrol banjir dan konservasi air

Airtanah merupakan sumber alami yang sangat penting, khususnya di area dengan curah hujan yang rendah, keteradaannya sangat penting untuk pertumbuhan kota di area tersebut. Pengambilan air tanah yang berlebihan dapat menyebabkan efek yang merusak seperti menurunnya muka air tanah, subsidence, ataupun intrusi air laut. Pengembangan lahan yang tidak terkontrol juga dapat meningkatkan erosi.

4.5.2 Kontrol polusi airtanah

Polutan seperti pembuangan limbah cair dan padat yang langsung menuju sistem airtanah. Limbah cair berasal dari septic tank, industry, atau bahan kimia pertanian. Sedangkan, limbah padat berasal dari sampah rumah tangga. Maka dari itu, sebaiknya penggunaan barang-barang lebih dikontrol lagi dan menekan perilaku konsumerisme yang tinggi di kalangan masyarakat sekarang.

Kondisi iklim juga mempengaruhi. Dalam keadaan lembab, potensi polusi akan lebih tinggi daripada daerah yang kering. Potensi maksimum dari polusi airtanah muncul pada daerah dengan watertable yang dangkal, dimana limbah kontak dengan airtanah secara konstan dan terus-menerus.

Untuk limbah cair, sewage plant treatment merupakan solusi yang dirasa paling tepat. Dan untuk limbah cair sebaiknya diolah terlebih dahulu sebelum di buang sehingga menurunkan potensi polutan.

Untuk limbah padat, pembuangan pada daerah terbuka membawa potensi untuk polusi air, bagaimanapun komposisi dan perlakuan limbah tersebut. Limbah industry ditambah dengan air hujan dan air tanah dapat membentuk unsur kimia polutan. Pembuangan limbah padat di dekat sumber air sebaiknya dibatasi oleh suatu tempat yang terbuat dari material kedap air sehingga dapat menurunkan tercermarnya air di sekitar tempat pembuangan tersebut.

4.5.3 Kesimpulan

Evaluasi kualitas air dan kestabilan kuantitas air sangat penting pada daerah dengan padat penduduk, dan daerah industry serta pertanian.

Identifikasi area recharge yang utama. Evaluasi potensi subsidence. Hindari konstruksi di dekat floodplains dan sungai. Menanam pohon pada lereng curam untuk mencegah erosi.