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。
大壩為混凝土雙曲拱壩，為使壩體應力分布均勻，壩肩推力更偏向山體，有利於壩身穩定，水平拱圈為二次拋物線，拱冠梁的上遊面為三次多項式曲線。壩頂高程1205米，頂部厚度11米，拱冠梁底部厚度55.74米，拱端最大厚度58.51米，厚度比0.232，拱圈最大中心角91.49°，上遊面最大倒懸度0.18。壩頂弧長775米。壩體混凝土量400萬立方米。
泄洪表孔設於拱壩壩頂中央，***7孔，每孔寬11米，高11.5米，堰頂高程1188.5米，裝設弧形閘門。采用相鄰大差動30°與20°的俯角跌坎，跌坎上設分流齒坎消能工。泄水中孔***6孔，布置在拱壩壩體中。為使水舌能與表孔水舌有較大碰撞角，中孔體型呈上翹形。出口高程1120米，孔口斷面為方形，尺寸為6米×5米。為避免水流徑向集中，中孔在平面上實行壓力偏轉，並用30°、17°、10°三組不同挑角將水舌在橫向和縱向散開，以避免水舌重疊而加深對下遊的沖刷。
兩條泄洪洞布置在右岸，采用短進水口龍擡頭式直線布置，隧洞為方形斷面明流洞，尺寸13米×13.5米（寬×高）。進口底部高程1163米。1號洞長866.53米，2號洞長1197.33米。兩洞直坡段底坡分別為7.9%和7%，龍擡頭段集中落差為70米，洞內最大流速約45米/秒。為了防止高速水流發生空蝕破壞，分別在這兩條泄洪洞各設5個和7個摻氣設施。摻氣設施為壹種U型槽式挑坎的新型摻氣設施。3套泄洪設施的泄流能力均能單獨泄放常年遇到的洪水。大洪水時3套泄洪設施聯合泄洪，表、中孔水舌上下碰撞，分散消能。
下遊設置水墊塘和二道壩作為防沖保護措施。二道壩軸線距拱壩線330米，壩頂高1010米（河床）～1017米（兩岸）。水墊塘用鋼筋混凝土保護，底板高程980米，長354.14米。當枯水期檢修時，只需將二道壩臨時加高4～6米，可保證水墊塘有半年多的檢修期。
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
70.34米，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55.74米，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240米，拱冠頂部寬度11米，拱冠梁底部寬度55.74米，拱端最大寬度58.51米，拱圈最大中心角91.5°，壩頂弧長774.69米。
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349.19米～981.15米範圍。
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 1091.7米高程以上，右岸1115米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105米。
拱壩分39個壩段，有19個主要接縫灌漿區，在1145米高程以下每個灌區高度為12米，1145米高程以上每灌區高度為15米。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。 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：
⑴3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；
⑵3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；
⑶3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11米×l1.5米（寬×高），堰頂高程1188.5米，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11米，尾部寬度為2米，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6米×5米（寬×高），采用壓力平彎、上翹、擴散型短管，出口底高程1120米～1122米，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1163米，出口高程1040米。兩洞呈直線平行布置，洞的中心距離40米，l號洞全長922米，2號洞全長1269.01米，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 米×13.5米（寬×高），龍擡頭段集中落差為70余米，洞內最大流速約45米/秒。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300米，采用復式梯形斷面，底寬40米，底板頂高程980米，底板分塊尺寸為9米×9米，底板厚度3米～5米，邊墻頂高1032米。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1012米，最大壩高35米，上遊坡采用1:1.67；下遊
坡采用1:1.25，壩頂平臺寬度6.5米；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1128米，塔頂部高程1207米。6根壓力管道的進口連成壹長條形，進口中心間距281米，總長170米，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9米，每根壓力管道由上平段，豎井及下平段組成，豎井高130米，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119.2米，最短的60.27米，下平段長49米。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：280.29米×25.5米×65.38米（長×寬 ×高）；地下洞室開挖量370萬立方米；
主變壓器室：199 米×17.4米×24.9米（長×寬×高）；
尾水調壓室分2室：1號室92.9米×19.5米×69.6米（長×寬×高），2號室92.9米×19.5米×59.6米（長×寬×高）。
洞室凈間距：主廠房與主變室為35米；
主變壓器室與尾水調壓室為30米。
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881.88米，斷面為圓拱直墻形，斷面尺寸為16.5米 ×16.5米（寬×高）；2號尾水洞樁號TTO+214.97米前斷面同1號洞，樁號TTO+214.97米後利 用導流洞，斷面為17.5米×23米（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6.5米×4.8米（寬×高），斜井與水平的夾角為37°58,20。500kV開關站占地60米×20米（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17米×6.74米（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。