Bendungan Beton

Latar Belakang

Bendungan beton dibangun dalam empat bentuk dasar. Bendungan gravitasi beton memiliki berat sebagai kekuatannya. Penampang bendungan ini tampak seperti segitiga, dan lebar dasarnya sekitar tiga perempat dari tinggi bendungan. Air di reservoir hulu bendungan mendorong secara horizontal terhadap bendungan, dan berat bendungan gravitasi mendorong ke bawah untuk melawan tekanan air. Bendungan penopang beton juga menggunakan beratnya untuk menahan gaya air. Namun, lebih sempit dan memiliki penopang di dasar atau kaki bendungan di sisi hilir. Penopang ini dapat berupa dinding sempit yang memanjang dari muka bendungan, seperti "banir terbang" yang menopang dinding katedral atau penopang tunggal seperti bendungan pendek dapat dibangun di sepanjang lebar kaki bendungan.

Bendungan lengkung adalah salah satu struktur teknik sipil yang paling elegan. Pada penampang melintang bendungan ini lebarnya menyempit, tetapi jika dilihat dari atas, bendungan tersebut melengkung sehingga lengkungan menghadap air dan cekungan cekungan terlihat ke hilir. Perancangan ini menggunakan sifat-sifat beton sebagai kekuatannya. Beton tidak kuat terhadap tarik (ketika ditarik atau diregangkan), tetapi sangat kuat dalam tekan (bila didorong atau dibebani). Bendungan lengkung menggunakan berat air di belakangnya untuk mendorong beton dan menutup semua sambungan; kekuatan air adalah bagian dari desain bendungan. Bendungan gravitasi lengkung merupakan kombinasi dari tipe lengkungan dan tipe gravitasi, seperti namanya; itu adalah bentuk lengkung yang lebih lebar. Bendungan multi-lengkungan menggabungkan teknologi desain lengkungan dan penopang dengan sejumlah lengkungan tunggal yang didukung oleh penopang.

Bendungan beton lebih sering digunakan daripada bendungan pengisi untuk menghasilkan pembangkit listrik tenaga air karena gerbang (juga disebut pintu air) atau jenis struktur saluran keluar lainnya dapat dibangun ke dalam beton untuk memungkinkan air dilepaskan dari reservoir secara terkendali. Ketika air untuk listrik, air minum, atau irigasi diperlukan di hilir, pintu dapat dibuka untuk melepaskan jumlah yang dibutuhkan selama waktu tertentu. Air dapat terus mengalir di hilir sungai sehingga ikan dan satwa liar lainnya dapat bertahan hidup. Baik beton maupun bendungan pengisi harus memiliki saluran pelimpah darurat sehingga air banjir dapat dengan aman dilepaskan ke hilir sebelum air mengalir di atas atau puncak bendungan dan berpotensi mengikisnya. Spillways menyalurkan air ke hilir dan jauh di bawah dasar atau kaki bendungan sehingga bendungan dan pondasinya tidak tergerus.

Sebagian besar bendungan yang dibangun pada abad kedua puluh dan yang sedang dirancang saat ini memiliki beberapa tujuan. Lebih dari 40.000 bendungan lebih tinggi dari 45 kaki (15 m) dan diklasifikasikan sebagai bendungan besar, dan lebih dari setengahnya telah dibangun sejak tahun 1960. Dari bendungan ini, 16% di antaranya berada di Amerika Serikat dan 52% di Cina; 83% adalah bendungan pengisi yang digunakan terutama untuk penyimpanan air, dan 17% sisanya adalah bendungan beton atau pasangan bata dengan berbagai tujuan. Bendungan yang menghasilkan tenaga hidroelektrik menghasilkan 20% listrik di dunia.

Sejarah

Bendungan pengisi mungkin merupakan teknik konstruksi yang jauh lebih tua daripada bendungan beton atau batu, tetapi bendungan tertua yang masih ada adalah Sadd el Kafara sekitar 20 mil (32 km) selatan Kairo, Mesir. Bendungan ini sebenarnya merupakan komposit yang terdiri dari dua dinding pasangan bata dengan ruang antara diisi dengan kerikil; itu dibangun antara 2.950 dan 2.750 SM.

Bangsa Romawi kuno mengembangkan teknik-teknik unggul untuk membangun dengan pasangan bata, tetapi, anehnya, mereka tidak sering menggunakan keahlian pasangan bata mereka dalam konstruksi bendungan. Pengecualian adalah Bendungan Proserpina di Merida, Spanyol, yang masih berdiri sampai sekarang. Perkembangan oleh orang Romawi tidak diabaikan oleh orang lain. Sekitar tahun 550 AD , Bizantium di pinggiran timur Kekaisaran Romawi menggunakan bentuk lengkungan batu Romawi untuk membangun apa yang menurut sejarah adalah bendungan gravitasi lengkung pertama di dunia. Pembangunan bendungan datang ke Amerika bersama para conquistador. Di Meksiko, mereka melihat lahan kering yang membutuhkan irigasi dan meniru bendungan yang dibangun oleh orang Romawi, Muslim, dan Kristen Spanyol di tanah air mereka; Gereja Katolik mendanai pembangunan, dan banyak misionaris adalah insinyur yang terampil.

Pembangunan bendungan jarang terjadi di Eropa sampai Revolusi Industri. Iklim utara menghasilkan lebih banyak curah hujan, sehingga tenaga air terjadi secara alami dan persediaan air berlimpah. Namun, pada abad kedelapan belas, kebangkitan industri mengharuskan pasokan tenaga air yang konstan dan andal yang dikirim dengan kekuatan yang lebih besar, sehingga konstruksi batu dan bendungan beton menjadi populer di Eropa. Revolusi Industri juga mendorong perkembangan dalam sains dan teknik, dan spesialisasi teknik sipil, yang meliputi merancang dan membangun struktur untuk meningkatkan kualitas hidup, muncul pada tahun 1850-an. Insinyur sipil awal mulai mempelajari fisika Sir Isaac Newton dan teori ilmiah lainnya dan menerapkannya pada struktur praktis termasuk bendungan.

Sisa-sisa bendungan Austin, Pennsylvania, setelah runtuh pada 30 September 1911.

Pada tanggal 30 September 1911, kota Austin (populasi 3.200) di negara pegunungan di bagian utara tengah Pennsylvania dirusak oleh semburan air yang menderu melalui lembah, disalurkan oleh dindingnya yang sempit dan kasar. Kekuatan itu merobek saluran gas dari bawah jalan; dan segera setelah dinding air lewat, nyala api yang salah menyalakan gas dan api melompat dari pipa gas ke pipa gas dan rumah ke gedung di seluruh sisa-sisa berdiri kota Austin yang berusia 30 tahun. Laporan awal mengklaim bahwa 1.000 orang telah tewas, meskipun informasi kemudian menyebutkan jumlah korban tewas antara 50 dan 149. Sumber kesedihan ini juga merupakan sumber mata pencaharian bagi Austin. Bayless Pulp and Paper Mill memiliki bendungan beton, yang dibangun pada tahun 1909 untuk menyediakan reservoir penyimpanan air untuk bisnis pembuatan pulp dan kertas yang intensif air. Sebelumnya bencana ini telah terjadi pada bulan Januari 1910 ketika, setelah hujan musim dingin yang intens dan pencairan salju, retakan telah diamati di bendungan. Retakan diperbaiki, tetapi tidak dikenali sebagai indikasi masalah yang berkaitan dengan pondasi, desain, dan konstruksi struktur.

Bendungan itu masih dalam pembangunan saat musim dingin 1909-10 mendekat. Suhu berada di bawah titik beku ketika beberapa beton ditempatkan, dan tahap akhir konstruksi diselesaikan dengan tergesa-gesa. Bendungan itu selesai dibangun pada sekitar 1 Desember 1909, dan retakan yang membentang dari puncak bendungan secara vertikal ke tanah terlihat ketika konstruksi selesai. Pada akhir bulan, retakan kedua telah muncul. Kedua retakan tersebut tampaknya diakibatkan oleh kontraksi beton. Pada tanggal 17 Januari 1910, cuaca hangat membawa hujan lebat dan menyebabkan pencairan salju yang cepat, dan empat hari kemudian, air banjir mengalir di atas pelimpah.

Semua aspek teknis Bendungan Austin buruk. Kegagalan konstruksi terlihat jelas dan termasuk penggunaan agregat yang lemah dan terlalu besar yang ditempatkan pada beton yang tidak dirawat dengan baik dalam cuaca yang sangat dingin. Ketika kegagalan Januari 1910 terjadi, itu menunjukkan bahwa struktur bendungan dan batuan dasar fondasi telah runtuh. Pengabaian pemilik/operator terhadap perbaikan yang direkomendasikan insinyur adalah segel yang fatal.

Bahan baku

Bahan baku utama untuk bendungan beton adalah beton itu sendiri dan tulangan baja. sejumlah bahan dan komponen lain yang dibuat oleh kontraktor khusus dapat digunakan dalam pembangunan bendungan dan termasuk gerbang baja dan pelapis terowongan, penahan air karet, senyawa pengisi sambungan plastik untuk melarang pergerakan air, kontrol dan kabel listrik, sifon, katup, generator listrik , berbagai macam instrumen, dan bahkan terpal Teflon untuk melapisi struktur saluran air untuk mencegah turbulensi dan kavitasi (kerusakan karena air yang berputar).

Beton sendiri terbuat dari semen, air, dan bahan yang secara kolektif disebut agregat yang terdiri dari pasir atau kerikil. Semen memiliki sifat unik yang harus diperhatikan dalam pemilihan semen, perancangan bendungan, dan pemilihan waktu konstruksi. Pencampuran semen dan air menyebabkan reaksi kimia yang membuat beton menjadi keras tetapi juga melepaskan panas. Hal ini menyebabkan kenaikan suhu yang berbeda di dalam massa beton, dan, ketika beton mulai mendingin, ia menyusut dan retak, yang berpotensi menyebabkan kebocoran. Untuk membatasi efek ini, beton dapat ditempatkan ketika suhu udara rendah, semen panas rendah dapat digunakan, dan air dapat disirkulasikan melalui pipa di beton. Selanjutnya, beton harus ditempatkan di lift yang dangkal (yaitu, hanya beberapa kaki atau meter yang ditambahkan pada suatu waktu) dan di blok sempit; maka itu harus dibiarkan untuk menyembuhkan selama waktu minimum yang ditentukan sehingga panas menghilang. Tergantung pada desain bendungan, para insinyur akan memilih campuran beton (termasuk semen dan jenis agregat) dengan sangat hati-hati; bendungan lengkung tipis dirancang dengan campuran beton yang berbeda dari bendungan gravitasi besar.

Desain

Desain bendungan beton tergantung pada tujuan bendungan dan konfigurasi lokasi di mana ia akan dibangun. Bendungan terdiri dari dua jenis umum. Bendungan pelimpah memblokir aliran di sungai dan memanfaatkan air untuk menghasilkan tenaga atau untuk meningkatkan navigasi dan menyediakan air irigasi. Komponen bendungan pelimpah dirancang agar air dapat dilepaskan dan ketinggian air di waduk diatur oleh serangkaian pintu air, saluran pelimpah, atau terowongan saluran keluar. Bendungan non-luapan menyimpan air untuk pasokan air minum, irigasi, atau listrik; mereka juga memiliki spillway, tetapi penggunaannya dibatasi untuk keadaan darurat untuk menurunkan ketinggian air dengan cepat selama banjir. Metode untuk melepaskan air yang disimpan jauh lebih terbatas daripada di bendungan pelimpah, dan bendungan itu sendiri mungkin tidak memiliki struktur saluran keluar. Sebaliknya, air dapat dipompa keluar untuk irigasi, misalnya, dari bagian reservoir.

Beberapa lokasi paling cocok untuk jenis bendungan tertentu. Bendungan lengkung paling sesuai untuk konstruksi di ngarai yang tinggi dan sempit di mana lengkungan bentuk struktural memberikan kekuatan. Tetapi sebuah lengkungan juga dapat dibangun melintasi ngarai yang lebih luas di mana efek lain seperti gesekan di dasar bendungan menambah kekuatan dan ketahanan terhadap gerakan. Demikian pula, bendungan gravitasi adalah pilihan khas untuk ngarai yang dangkal dan lebar, tetapi jika dibangun dengan beberapa lengkungan, tindakan melengkung juga akan memperkuat bendungan gravitasi di ngarai yang lebih sempit dan lebih tinggi. Dimana dasar sungai sangat lebar, bendungan dapat dirancang untuk memiliki beberapa bentang, masing-masing dengan sifat teknik yang berbeda tergantung pada variasi bahan pondasi. Bentang yang terpisah biasanya didukung di sisi hilir (udara) oleh penopang atau lekukan yang diperpanjang dari beberapa lengkungan. Kadang-kadang, bentang bendungan bentang ganda dibuat dari pelat beton atau pelat baja yang ditopang pada tiang.

Seperti bendungan pengisi, bendungan beton melalui putaran ekstensif desain awal dan studi kelayakan untuk memilih dan menjelajahi lokasi, untuk mengevaluasi jumlah air yang tertahan dan nilainya (sebagai sumber listrik atau sumber pasokan) versus biaya proyek selama tahun-tahun operasi yang diantisipasi, untuk mempertimbangkan berbagai efek lain seperti perubahan lingkungan, dan untuk memilih bendungan dengan ukuran dan konfigurasi yang optimal. Ratusan faktor masuk ke dalam studi ini, dan prosesnya biasanya berulang. Sebuah desain dipilih dan diuji terhadap semua faktor ini sampai gagal memenuhi satu atau lebih faktor, dan variasi desain berikutnya dipilih dan dipelajari sampai gagal—atau lolos.

Proses desain untuk bendungan beton biasanya melibatkan profesional dari berbagai disiplin ilmu yang lebih luas daripada desain bendungan pengisi. Profesional teknis yang menyumbangkan keahlian mereka untuk merancang bendungan beton mungkin termasuk ahli geologi, seismolog, ilmuwan lingkungan, insinyur geoteknik (tanah), insinyur sipil, insinyur struktural, analis komputer (spesialis dalam aplikasi perangkat lunak yang memeriksa kekuatan dan keamanan bendungan), ahli hidrologi dan insinyur hidrolik, insinyur mesin, dan insinyur listrik jika bendungan akan digunakan untuk pembangkit listrik. Masih lebih banyak spesialis dapat mempelajari aspek-aspek seperti korosi beton dan struktur baja. Kerja tim yang diperlukan untuk desain dan konstruksi bendungan sangat penting bukan hanya karena biaya yang sangat besar dari proyek-proyek ini tetapi juga karena keamanannya Contoh rencana bendungan gravitasi lengkung beton tipikal. orang dan properti hilir menuntut kesempurnaan.

Proses Konstruksi

1. Sebelum konstruksi bendungan dapat dimulai, air di dasar sungai harus dialihkan atau dihentikan agar tidak mengalir melalui lokasi. Seperti dalam kasus bendungan pengisi, bendungan peti (struktur sementara untuk menahan air) harus dibangun atau air harus dialihkan ke saluran atau daerah lain di hilir dari lokasi bendungan. Untuk proyek besar, konstruksi ini dapat dilakukan beberapa musim sebelum pembangunan bendungan dimulai. Aliran air ditutup pada saat-saat terakhir.

2. Area pondasi untuk setiap bendungan beton harus bersih sebelum beton pertama untuk bendungan ditempatkan. Sedangkan untuk bendungan pengisi, ini adalah proses rinci penggalian, pembersihan, dan perbaikan batu di seluruh "jejak" fondasi dan di kedua abutment (sisi ngarai yang membentuk ujung bendungan). Lokasi di hilir bendungan untuk pembangkit listrik, kolam penenang, atau struktur lain juga harus disiapkan.

   Di beberapa lokasi, pekerjaan ekstensif mungkin diperlukan. Jika batuan pada pondasi atau abutmen rentan terhadap keretakan karena beban yang ditimbulkan oleh bendungan dan reservoirnya, aktivitas gempa, atau sifat batuan, mungkin perlu untuk memasang sistem baut batuan atau baut jangkar yang ekstensif. grouting ke dalam batuan melalui zona rekahan potensial. Pada abutmen di atas bendungan, sistem baut batu dan jaring mungkin diperlukan untuk menjaga agar pecahan batu besar tidak jatuh ke bendungan. Instrumen untuk memantau muka air tanah, pergerakan sendi, potensi rembesan, pergerakan lereng, dan aktivitas seismik dipasang mulai dari tahap awal persiapan pondasi hingga penyelesaian bendungan.

   Dinding cutoff dapat digali jauh ke dalam batu atau lubang dapat dibor di fondasi untuk pemasangan baja tulangan, yang disebut tulangan, yang memanjang ke bendungan dan akan diikat ke baja di dalam lift pertama bendungan. Idenya adalah untuk membangun reservoir yang, seperti mangkuk, memiliki suara yang sama di sekelilingnya. Air terdalam dan terberat di bendungan (ketika reservoir mendekati kapasitas) sehingga bendungan dan fondasinya tidak dapat menjadi titik lemah di perimeter itu.

3. Bentuk-bentuk yang terbuat dari kayu atau baja dibangun di sepanjang tepi setiap bagian bendungan. Tulangan ditempatkan di dalam cetakan dan diikat ke tulangan yang berdekatan yang sebelumnya dipasang. Beton kemudian dituang atau dipompa. Ketinggian setiap pengangkatan beton biasanya hanya 5-10 kaki (1,5-3 m) dan panjang serta lebar setiap bagian bendungan yang akan dituang sebagai satu unit hanya sekitar 50 kaki ( 15m). Konstruksi berlanjut dengan cara ini saat bendungan dinaikkan bagian demi bagian dan diangkat dengan lift. Beberapa bendungan besar dibangun di bagian yang disebut blok dengan kunci atau inter-lock yang menghubungkan blok yang berdekatan serta sambungan baja struktural.

   Prosesnya mirip seperti membangun sebuah bangunan kecuali bahwa bendungan memiliki ruang internal yang jauh lebih sedikit; Namun secara mengejutkan, bendungan beton besar memiliki galeri pengamatan di berbagai tingkat sehingga kondisi bagian dalam bendungan dapat diamati untuk rembesan dan pergerakan. Terowongan inlet dan outlet atau struktur lain juga melewati bendungan beton, membuatnya sangat berbeda dari bendungan pengisi yang memiliki struktur yang menembus massa bendungan sesedikit mungkin.

4. Segera setelah sebagian besar bendungan dibangun, proses pengisian waduk dapat dimulai. Hal ini dilakukan dengan cara yang sangat terkontrol untuk mengevaluasi tegangan pada bendungan dan mengamati kinerja awalnya. Pelimpah darurat sementara dibangun jika pembangunan bendungan membutuhkan lebih dari satu musim konstruksi; konstruksi yang panjang biasanya dilakukan secara bertahap yang disebut tahap, tetapi setiap tahap sepenuhnya selesai dengan sendirinya dan merupakan bendungan operasional. Cofferdam hulu dapat dibiarkan di tempat sebagai tindakan pencegahan sementara, tetapi biasanya tidak dirancang untuk menampung lebih dari aliran sungai dan curah hujan minimal dan akan dibongkar sesegera mungkin. Tergantung pada desain, beberapa bendungan tidak diisi sampai konstruksi pada dasarnya selesai.

5. Struktur lain yang membuat bendungan beroperasi ditambahkan segera setelah ketinggian lokasi tercapai saat bendungan naik. Komponen terakhir adalah perlindungan erosi di sisi hulu (air) bendungan (dan kadang-kadang di hilir di dasar struktur outlet), instrumen di sepanjang puncak (atas) bendungan, dan jalan, trotoar, lampu jalan, dan penahan dinding. Bendungan besar seperti Bendungan Hoover memiliki jalan raya yang lengkap di sepanjang puncaknya; bendungan kecil akan memiliki jalan pemeliharaan yang memungkinkan akses kendaraan satu arah saja.

   Penampang melintang dari bendungan gravitasi lengkung beton tipikal. Tingginya 280 kaki (85 m). Ketebalannya bertambah dari 16 kaki (4,9 m) di bagian atas hingga 184 kaki (56 m) di dasarnya.

   Jauh dari bendungan itu sendiri, pembangkit tenaga listrik, bangunan instrumen, dan bahkan rumah bagi penduduk operator bendungan juga telah selesai dibangun. Tes awal dari semua fasilitas bendungan dilakukan.

6. Detail akhir dari konstruksi diselesaikan saat bendungan mulai beroperasi. Awal masa kerja bendungan juga dijadwalkan dengan hati-hati sebagai item desain, sehingga air tersedia di reservoir segera setelah sistem pasokan siap untuk memompa dan menyalurkannya ke hilir, misalnya. Sebuah program operasi, pemeliharaan rutin, rehabilitasi, pemeriksaan keamanan, pemantauan instrumen, dan pengamatan rinci akan berlanjut dan diamanatkan oleh undang-undang selama bendungan itu ada.

Kontrol Kualitas

Tidak ada pembangunan bendungan tanpa pengawasan kualitas yang intensif. Proses pembangunan sendiri melibatkan alat berat dan kondisi berbahaya bagi pekerja konstruksi serta masyarakat. Penduduk yang tinggal di hilir bendungan harus dilindungi di atas struktur itu sendiri; para profesional yang merancang dan membangun proyek ini benar-benar berkomitmen terhadap keselamatan, dan mereka dipantau oleh lembaga lokal, negara bagian, dan federal seperti Divisi Keamanan Bendungan, Korps Insinyur AS, dan Departemen Reklamasi.

Produk Sampingan/Limbah

Tidak ada produk sampingan dalam desain atau konstruksi bendungan meskipun sejumlah fasilitas terkait atau pendukung lainnya mungkin diperlukan agar proyek dapat berjalan. Limbah juga minimal karena bahan terlalu mahal untuk limbah yang akan diizinkan. Selain itu, lokasi sering terpencil, dan proses pengangkutan sampah dari lokasi dan membuangnya menjadi penghalang. Tanah dan batuan yang mungkin digali dari area pondasi, lokasi hilir, abutment, atau bagian dari reservoir biasanya digunakan di tempat lain di lokasi proyek. Jumlah bahan yang dipotong atau ditempatkan sebagai pengisi dihitung dengan cermat untuk menyeimbangkan.

Masa Depan

Masa depan bendungan beton menjadi bahan perdebatan. Setiap tahun, lebih dari 100.000 nyawa hilang dalam banjir, dan pengendalian banjir adalah alasan utama untuk membangun bendungan, serta melindungi muara dari gelombang pasang dan meningkatkan navigasi. Kehidupan juga diuntungkan oleh bendungan karena bendungan menyediakan pasokan air untuk mengairi sawah dan untuk air minum, dan pembangkit listrik tenaga air merupakan sumber listrik yang tidak menimbulkan polusi. Waduk juga dinikmati untuk rekreasi, pariwisata, dan perikanan.

Namun, bendungan juga merusak lingkungan. Mereka dapat mengubah ekosistem, menenggelamkan hutan dan satwa liar (termasuk spesies yang terancam punah), mengubah kualitas air dan pola sedimentasi, menyebabkan hilangnya lahan pertanian dan tanah subur, mengatur aliran sungai, menyebarkan penyakit (dengan membuat waduk besar yang menjadi rumah bagi serangga pembawa penyakit. ), dan bahkan mungkin mempengaruhi iklim. Ada juga efek sosial yang merugikan karena populasi manusia dipindahkan dan tidak dimukimkan kembali secara memuaskan.

Selama bertahun-tahun sebelum dimulainya pembangunan Bendungan Tiga Ngarai pada tahun 1994 di Cina, para pemerhati lingkungan di seluruh dunia mengorganisir protes untuk mencoba menghentikan proyek besar ini. Mereka belum berhasil, tetapi kontroversi atas proyek ini mewakili argumen yang akan dihadapi semua bendungan yang diusulkan di masa depan. Keseimbangan antara memenuhi kebutuhan manusia akan air, listrik, dan pengendalian banjir serta melindungi lingkungan dari pemusnahan atau perambahan manusia harus dipertimbangkan dengan cermat.