木曽ダム
発電所を2か所に分割したのは、水路敷設ルート上に地質不良箇所が複数発見され難工事が予想されたため。また1960年9月には、ダム側の三尾発電所に揚水発電機能を持たせることも決定された。こうして木曽発電所は、5か所の既存流込み式発電所の再開発に加え、三尾発電所に揚水発電のための下部池を提供する、という2つの役割が与えられることとなった。
1963年(昭和38年)5月、出力3万4000キロワットの三尾発電所が牧尾ダム下流に完成した。一方、木曽発電所は補償交渉が難航して着工が2年後の1965年(昭和40年)5月にずれ込んだ。工法の特徴として、木曽ダム左岸河床砂礫層におけるイコス止水壁・グラウト止水壁による貯水滲透防止、水圧鉄管内圧の一部地山負担があり、どちらも社内初の試みであった。また水車は容量12万6000キロワットという当時としては大型のものを採用しており、これも社内初となった。工事中、水路トンネルの掘削が断層・悪地質のため2か月遅延したが、コンクリート巻き立てとグラウチングを並行して施工するなど工期短縮の努力が続けられた結果、予定通り1967年11月竣工に至った。12月31日に通水式が挙行され、翌1968年(昭和43年)1月27日より木曽発電所は出力11万6000キロワットにて営業運転に入った。
木曽発電所の完成により木曽川中流部の再開発が完了し、河川利用率は57パーセントから76パーセントへと飛躍的に向上した。
小川堰堤からの支水路は1.26キロメートルの長さがあり、同じく圧力トンネルで構成される。導水路終端にはサージタンクが設置されている。
サージタンクの水は長さ249.3メートルの水圧管路にて発電所に落とされる。発電所建屋は全地下式。発電設備は出力12万6000キロワットの立軸単輪単流渦巻フランシス水車 (VF-1RS) と容量12万5000キロボルトアンペア (kVA)・電圧16.5キロボルト (kV)・力率90パーセントの発電機を各1台備える。発生電力の周波数は60ヘルツに設定されている。なお設備の製造者は水車が三菱重工業、発電機が三菱電機である。
発電所を過ぎた水は、さらに2.8キロメートルの放水路(圧力トンネルと蓋渠からなる)を経て放水口へと至る。放水口は大桑発電所の直上流に立地(北緯35度40分52.2秒 東経137度38分36.0秒 / 北緯35.681167度 東経137.643333度 / 35.681167; 137.643333 (木曽発電所放水口))。元の計画ではここに発電所建屋が半地下式で建設される予定であったが、工事の都合や導水路との関係から上流側に改められた経緯がある。