1993年至1995年四川省移民開發中心受四川省移民辦的委托負責編制完成了二灘移民安置規劃報告，其中城鎮遷建、公路、輸變電工程、水利設施、郵電通訊等專業項目分別由四川省相應的專業設計單位進行了遷建工程的設計工作，並分項進行了省級評審。1996年8月電力部水電規劃設計總院受電力部和國家計委的委托對規劃報告進行了審查，並以計辦建設[1996]889號文批準。
二灘移民安置規劃的指導思想是依據國家的有關法規，結合庫區的實際情況，以移民為中心，以恢復重建庫區社會經濟體系為目的。農村移民堅持以土為本，以水定土、以土定人，合理確定開發項目，城鎮、交通等專業項目按照原規模、原標準，重在恢復其原有功能。 二灘壩址具有修建高混凝土雙典拱壩的良好地形和地質條件。初步設計審定的雙曲拱壩拱冠梁底寬 70.34m，壩體混凝土量474.2萬立方米；經優化設計後，最後采用的混凝土雙曲拱壩拱冠梁底部最大寬度減為55.74m，壩體混凝土量減為424.2萬立方米，比初步設計節約混凝土50 萬立方米。
優化後的雙曲拱壩壩高240m，拱冠頂部寬度11m，拱冠梁底部寬度55.74m，拱端最大寬度58.51m，拱圈最大中心角91.5°，壩頂弧長774.69m。
二灘拱壩采用拋物線形雙曲拱壩，使接近岸坡拱的曲率減小而趨扁平化，以加大拱推力與岸坡的夾角，增加壩肩穩定。為使應力分布均勻，減小拱壩斷面，縱向采用高次曲線，加大縱向曲率，上遊面最大倒懸度控制在0.18。由於河流兩岸地形不完全對稱，左半拱和右半拱采用不同曲率半徑，頂拱中心線曲率半徑在349.19m～981.15m範圍。
為泄洪和降低庫水位需要，壩體分3層開孔：7個表孔、6個中孔和4個放水底孔，另外由於後期導流需要，在大壩底部設置4個導流底孔，在二期導流結束後予以封堵。為了盡量減小壩體施工的復雜性，二灘拱壩壩內僅布置了4層廊道，以滿足大壩監測、灌漿、排水、交通等需要。
大壩帷幕中心線近似平行壩軸線，左岸在不同高程分別深入拱座山體內，然後折向上遊與地下廠房防滲帷幕連成壹體。右岸從壩頭折向上遊與泄洪洞防滲帷幕連成壹體。帷幕灌漿在基礎廊道和灌漿平洞內施工。左岸 1091.7m高程以上，右岸1115m高程以上帷幕采用單排，要求透水量小於3Lu；上述高程以下，帷幕采用雙排，要求透水量小於1Lu。主帷幕最大 深度為105m。
拱壩分39個壩段，有19個主要接縫灌漿區，在1145m高程以下每個灌區高度為12m，1145m高程以上每灌區高度為15m。大壩不設縱縫，橫縫采用球面鍵槽，球面鍵槽模板直徑80cm，深15cm，與常規剪力鍵模板相比，結構簡單，施工方便。大壩橫縫灌漿系統采用預留水平灌漿槽和預埋連接在灌漿槽上的灌漿鋼管組成。灌漿槽分設在灌區底部和頂部，分別連 接進漿管和出漿管，采用此系統施工方便，保證了灌漿質量。 雙曲拱壩
二灘工程采用雙曲拱壩，由於河谷狹窄、水頭高、流量大，因此泄洪消能設施成為二灘水電站樞紐中的重要組成部分。二灘泄洪建築物按千年壹遇洪水流量20600立方米/秒設計，5000年壹遇的洪水流量23900立方米/秒校核。
二灘水電站泄洪消能建築物經試驗優化，確定以壩體表、中孔和右岸的兩條泄洪洞3套泄洪設施組成的泄洪方案，該方案主要特點是：
（1）3套泄洪設施泄流能力接近，均能單獨宣泄50%概率的常年洪水，因此運行靈活可靠，大洪水時3套泄洪設施聯合泄洪，表、中孔水舌 上、下交匯碰撞，分散水流；
（2）3套泄洪設施單獨運行時，沿河道縱向分為3個消能區，每個消能區下泄功率大致相近，降低了下遊消能的難度；
（3）3套泄洪建築物的出流末端均采用不同的消能工，擴散水流充分摻合，以減小對下遊的沖刷。
表孔沿拱壩頂部呈徑向布置，每孔尺寸分別為11m×l1.5m（寬×高），堰頂高程1188.5m，采用水流自由跌落，下遊水墊塘形成深水墊擴散消能。出口形式最初曾就連續式、差動式、及大差動俯角跌坎加分流齒坎3種鼻坎形式作比較，最後選用大差動俯角跌坎加分流 齒坎方案。通過進壹步優化，大差動壩面的俯角，單號孔采用壹30°，雙號孔采用壹20°；中間5個表孔每孔設置兩個緊靠閘墩的分流齒坎，1號、7號兩個邊孔只設壹個靠直邊墻的分流齒坎，分流齒坎進壹步增大了表孔的水流縱向分散，降低了水墊塘的沖擊動壓，也減小了對水墊塘邊坡的沖擊動壓。表孔中間6個閘墩首部寬11m，尾部寬度為2m，增加了水流橫向擴散，1號、7號的邊墩采用不擴散的直線型，以防擴散後沖擊岸坡。7個表孔在設計洪水位時泄量為6260立方米/秒，校核洪水時泄量達9500立方米/秒。
中孔***6孔，布置在表孔閘墩下方，其孔口尺寸為6m×5m（寬×高），采用壓力平彎、上翹、擴散型短管，出口底高程1120m～1122m，出口采用挑流。為分散水流，避免徑向布置水流集中的影響，設計中將中孔按（1號、6號）、（2號、5號）、（3號、4號）分為3組布置，各組分別采用10°、17°和30°三種不同底面挑角，平面上分別偏轉1、2和3偏轉角，以便克服水流向心集中的現象；每孔出口平面擴散角孔內為2，明流段5。整個中孔孔內及出口閘墩均以鋼材支護。中孔在設計洪水時的泄流量為6930立方米/秒。校核流量時的泄流量為 6950立方米/秒 。
1號和2號泄洪洞
均布置在河谷右岸，采用淺水式短進水口龍擡頭明流泄洪洞，出口采用挑流消能。兩洞進口位於大壩右岸上遊二灘溝，進口底高程1163m，出口高程1040m。兩洞呈直線平行布置，洞的中心距離40m，l號洞全長922m，2號洞全長1269.01m，洞身縱坡分別為7.9%和7%，隧洞斷面采用圓拱直墻形式，尺寸13 m×13.5m（寬×高），龍擡頭段集中落差為70余米，洞內最大流速約45m/s。為防止高速水流發生空蝕破壞，分別在1號、2號泄洪洞各設置5個和7個摻氣設施。由於二灘泄洪洞洞身長，單寬流量大，底坡小，摻氣設施采用壹種U形槽式挑坎的新型摻氣設施，不但保持了常規挑坎的優點，又利用了U槽的頂沖水舌，將坎下空腔的回水帶走，以形成穩定的空腔，滿足了通氣要求。兩條泄洪洞的總泄洪能力，按設計洪水，校核洪水相應泄量分別為7400立方米/秒和7600立方米/秒，約占樞紐設計和校核流量的1/3。
消能防沖建築物
二灘工程拱壩下遊的消能防沖建築物包括水墊塘和二道壩及二道壩下遊護坦。水墊塘全長300m，采用復式梯形斷面，底寬40m，底板頂高程980m，底板分塊尺寸為9m×9m，底板厚度3m～5m，邊墻頂高1032m。水墊塘底板和邊墻護坦板塊周邊設止水，同時在板縫下設排水廊 道和排水暗溝，水墊塘和二道壩相互構成獨立於大壩的排水系統，並在水墊塘左岸設深井水泵房，用專用水泵抽排來自水墊塘和二道壩的滲水。
重力壩
二道壩壩型為重力壩，溢流段壩頂高程1012m，最大壩高35m，上遊坡采用1:1.67；下遊 坡采用1:1.25，壩頂平臺寬度6.5m；壩內下遊側設灌漿廊道及排水廊道，布置了壹道灌漿帷幕和兩道排水幕，以降低二道壩及水墊塘底板的揚壓力。 二灘水電站引水發電系統由進水口，壓力管道，主廠房、主變壓器洞室，尾水調壓室、尾水洞及地面開關站組成。整個系統布置在左岸壩肩。
進水口在左壩肩上遊，采用塔式進水口，進口底高程1128m，塔頂部高程1207m。6根壓力管道的進口連成壹長條形，進口中心間距281m，總長170m，每壹個進口之間設置永久縫。采用單元式引水，6根壓力管道在平面上布置成直線形，管道軸線與廠房軸線成65°斜交。
引水壓力管道直徑9m，每根壓力管道由上平段，豎井及下平段組成，豎井高130m，由於進水塔軸線與主廠房軸線有壹夾角，6根上平段長度不同，最長的119.2m，最短的60.27m，下平段長49m。上平段、豎井段采用鋼筋混凝土襯砌，自下彎段起點開始至下平段終點為壓力鋼管。 由廠房、主變壓器室、尾水調壓室三大洞室及壓力管道、尾水管、尾水洞、母線洞、交通洞、通風洞、排水洞（廊道）、進風豎井、排風豎井、電梯豎井、電纜斜井等組成龐大洞室群。
二灘地下廠房
二灘水電站由於機組及主變壓器尺寸大，形成了由地下主廠房、主變壓器室和尾水調壓
室組成的三大平行的地下洞室，其尺寸分別為：
地下廠房：280.29m×25.5m×65.38m（長×寬 ×高）；地下洞室開挖量370萬立方米；
主變壓器室：199 m×17.4m×24.9m（長×寬×高）；
尾水調壓室分2室：1號室92.9m×19.5m×69.6m（長×寬×高），2號室92.9m×19.5m×59.6m（長×寬×高）。
洞室凈間距：主廠房與主變室為35m；
主變壓器室與尾水調壓室為30m。
設兩條尾水洞，其中2號尾水洞 部分利用了左岸導流隧洞。1號尾水洞全長881.88m，斷面為圓拱直墻形，斷面尺寸為16.5m ×16.5m（寬×高）；2號尾水洞樁號TTO+214.97m前斷面同1號洞，樁號TTO+214.97m後利 用導流洞，斷面為17.5m×23m（寬×高），均采用鋼筋混凝土襯護。
主變室升壓後的550kV電流由18根幹式電纜經電纜斜井升至地面開關站，電纜斜井斷面為6.5m×4.8m（寬×高），斜井與水平的夾角為37°58,20。500kV開關站占地60m×20m（長×寬），內裝SF。氣體絕緣組合電氣。 過木建築物采用縱向過木機道，過木機道布置在左岸，過木機洞全長2450m，采用直墻圓拱斷面，斷面尺寸為17m×6.74m（寬×高），設計年過木量110萬立方米，機械部分分兩期建設，第壹期裝1條運輸線，年過木量40萬立方米～60萬立方米。入庫的木材由拖木船拖至壩前2 km附近作業區，再由推木船推至過木機道進口，由人工形成的流速將木材送至滾筒機傳送帶，進入隧洞後由皮帶機送至三灘溝下遊，經鋼滑槽滑入河道。進口滾動傳送帶的浮筒由限位墩固定位置，工作水位在25m範圍的深度內變化。