Development of slope protection system for landslide prevention by bioengineering in Kalibawang, Indonesia

TRUNG, Nguyen Minh, Promotor Prof. Ir. Dwikorita Karnawati, Ph.D., M.Sc

2009 | Disertasi |

Wilayah studi terletak di sub-catchment Kalibawang, pada jarak 20m km di sebelah barat Yogyakarta, Indonesia, yang sebagian besar tersusun oleh endapan kolluvial dan tanah residual. Penelitian ini dilakukan dengan tujuan untuk mengembangkan sistem perlindungan lereng untuk mencegah longsor. Vegetasi merupakan komponen utama dalam sistem bio-engineering ini. Penelitian ini dilakukan berdasarkan penyelidikan lapangan untuk mengidentifikasi karakteristik lokasi penelitian, terutama untuk memahami kemapuan vegetasi dapat memperkuat lereng. Analisis numeris juga diterapkan untuk mengetahui mekanisme longsor yang dipicu oleh hujan dengan menggunakan Seep/W dan Slope/W; untuk mengestimasi hubungan perkuatan antara akar tanaman terhadap tanah pada lereng dengan menggunakan PFC3D (Particle Flow Code 3 Dimension); serta untuk memperhitungkan kontribusi vegetasi terhadap kestabilan lereng dengan menggunakan CHASM (Combined Hydrology and Stability Model). Hasil analisis pada lereng dengan kemiringan 40o menunjukkan bahwa longsoran dangkal pada endapan koluvial yang lolos air dapat terjadi akibat penurunan matric suction secara cepat sebagai reaksi terhadap hujan deras yang merupakan single event; sebaliknya longsor dengan bidang gelincir dalam pada tanah kurang lolos air umumnya disebabkan oleh proses pengurangan matric suction yang berlangsung secara lebih lambat dalam durasi lama dan oleh proses pengurangan tekanan air pori dalam tanah secara perlahan. Analisis dengan PFC3D yang mensimulasikan uji geser langsung dalam memperhitungkan hubungan antara akar tanaman dan tanah (dengan sampel berukuran 30 cm x 30 cm) menunjukkan bahwa akar tanaman mampu menahan ikatan tanah secara kuat dengan cara meningkatkan nilai kohesi pada tanah dari 7,182kPa menjadi 18,9kPa. Peningkatan nilai kohesi akibat peran akar tanaman dikontrol oleh kekuatan tarik akar tanaman tersebut, serta ratio luas penambang akar dan morfologi akar. Penanaman vegetasi pada lereng ini terbukti mampu mempertahankan kestabilan lereng secara efektif pada saat hujan, yang ditunjukan dengan peningkatan nilai Faktor KeamananLereng hingga mencapai 42% akibat perkuatan oleh akar tanaman keras, sedangkan peran akar rumput dan tanaman semak hanya mampu meningkatkan nilai Faktor Keamanan Lereng sebesar kurang dari 11% pada kasus lereng curam (400 s/d 600) dan sekitar 1% pada lereng landai (150). Sementara itu beban vegetasi hanya mampu meningkatkan nilai Faktor Keamanan Lereng sebesar 2% pada lereng landai (150), dan sebaliknya justru mengurangi nilai Faktor Keamanan Lereng sebesar 2% s/d 3% pada lereng curam (400 s/d 600). Dari hasil pengamatan lapangan dan simulasi numerik disarankan agar lereng landai diperkuat dengan tanaman keras seperti pohon mahoni (Swietena Macrophilla), jati (Tectona grandis), petai (Parkia sp.) dan didukung dengan sistem drainase yang tepat terutama di daerah dengan curah hujan tinggi. Untuk lereng curam perlu ditanami dengan tanaman keras yang ringan, seperti sonokeling (Dalbergia latifolia), kaliandra (Kalliandra calothyrsus), glirisidea (Gliricidia sepium), serta diterapkan kombinasi antara sistem drainase dan/atau perkuatan lereng secara struktural seperti tembok penahan, gabion dan crib wall. Penanaman rumput juga direkomendasikan sebagai pelindung lereng terhadap hantaman curah hujan dan proses erosi permukaan lereng.

The study area of Kalibawang catchment, located around 20km in the western part of Yogyakarta, Indonesia, mostly covered by loose colluvial deposits and highly weathered residual soils, is very susceptible to rain-induced landslide occurrence, particularly in rainy seasons. The research is aimed to develop appropriate slope protection system for landslide prevention by soil bioengineering, of which vegetation is the main component. This research performed field investigation to identify site characteristics, especially to understand how the local vegetation can reinforce the slope stability. Numerical analyses have been applied to investigate the rain-induced landslide mechanisms with finite element and limit equilibrium methods (Seep/W and Slope/W); the reinforcement of tree root in the soil-root composite with distinct element method (PFC3D); and the contribution of vegetation on slope stability with CHASM (Combined Hydrology and Stability Model). The stability analysis results on a 400 slope from Seep/W and Slope/W showed that shallow-seated landslides on highly permeable colluvial deposit can occur due to rapid decrease of matric suction in quick response to individual intense rainfall; while deep-seated landslides of less permeable soil are usually induced by long term reduction of matric suction and gradual increase in pore-water pressure, which is caused by slow infiltration process of rain water. The PFC3D simulation of direct shear test of soil-root composite (30×30cm specimen) proved that tree roots can strongly reinforce the soil by adding an increase of cohesion to the soil strength, from 7.182 to 18.9kPa. The cohesion increase contributed by the root depends upon the root tensile strength, root area ratio, as well as root morphology. The interception of vegetation was found able to maintain the slope stability against rainfall effectively while the vegetation root system can enhance the slope stability remarkably. Tree root was proved that it can increase the factor of safety (FS) up to 42% otherwise grass/shrub play minor contribution, less than 11% for steep slope case (40-600) and around 1% for gentle slope case (150). The vegetation surcharge can increase FS a 2% on gentle slopes; conversely it decreases FS a 2-3% on steep slopes (40-600). From field observation and simulated results, it is recommended that gentle slopes can be reinforced by planting potential wooden trees such as Mahoni (Swietenia macrophylla), Teak (Tectona grandis), Petai (Parkia sp) and combined with supported drainage system in high precipitation areas. Steep slopes should be planted with lighter wooden trees such as Rosewood (Dalbergia latifolia), Kaliandra (Calliandra calothyrsus), Glirisidea (Gliricidia sepium), and combined with drainage system and/or retaining structures such as stone wall, stone gabion, or timber cribwall. The grass/shrub cover is recommended to protect the slope against rainfall impact and erosion process.

Kata Kunci : Rain-induced landslide, Soil bioengineering, Vegetation, Slope reinforcement