上、下水庫均屬流溪河水系。上水庫位于召大水上游的陳禾洞盆地，壩址以上集雨面積5平方公里， 多年平均流量0．209立方米/秒，多年平均徑流量660萬立方米；下水庫位于九曲水上游的小杉盆地，壩址以 上集雨面積13平方公里，多年平均流量0．544立方米/秒，多年平均年徑流量1716萬立方米。上水庫地形是一個天然庫盆，組成庫底及庫岸的基巖絕大部分為花崗巖，僅右庫尾的東南角分布有少量的砂頁巖，兩者呈侵入緊密接觸；斷層絕大部分寬度不大，充填膠結較好的構造巖；地下水補給水庫，因此蓄水后不會向庫外滲漏。下水庫庫底雖分布有石灰巖，但四周均被花崗巖山體所包圍，是封閉的殘留體；庫周及通向庫外的斷層，一般規模不大，充填膠結良好；地下水補給水庫，因此，也不會向庫外滲漏。上庫壩址河谷狹窄，兩岸山體雄厚，為花崗巖，巖性單一，斷裂構造規模小，地質條件優越。下庫基石也為花崗巖，河庫沖積層薄，兩岸山坡全、強風化帶不深，弱風化帶巖石較堅硬，斷裂雖 較發育，仍具有良好的建壩條件。根據廣東省地震局鑒定本電站地區地震基本烈度為6度。引水系統巖性主要為中粗粒黑云母花崗巖，還夾有少量煌斑巖脈及細粒花崗巖脈等。規模較大的有北西向斷層如F2、F4、F109、F110等。引水洞地質條件主要是受斷層和蝕變巖控制，沿線可分為四段，其中以第二段（2+010～2+500）和第四段（2+910至下庫進出口處）。地下廠房巖性也為花崗巖，布置時應盡量避開F4斷層及旁側F179和較密集的蝕變帶。廣東省自實行特殊的經濟政策后，工農業生產發展較快，電力負荷急劇增長，峰谷差懸殊，最小負荷率低（B=0.51）；廣東電網以火電為主，而大多數火電機組為最小技術出力很高的高溫高壓凝汽式燃煤機組，只宜安排在基荷運行；同時，大亞灣核電站投產后，從安全經濟出發也只適宜于基荷運行。因此，為了增加網內調峰容量，配合核電和大容量火電站建設，迫切需要在靠近負荷中心的廣州附近興建抽水蓄能電站。經論證，蓄能電站裝機120萬kW是適宜的。電站投入系統后起到調峰、填谷的作用，使核電站長年滿載運行，可把低谷電量變為調峰電量（2000年水平可將31.38億kW·h低谷電量變為23.8億kW·h高峰電量），可增加售電收入；比火電調峰經濟；還能改善系統經濟運行條件（2000年水平可節約年運行費折合標準煤約100萬t，多利用棄水電量約9億kW·h），為系統提供備用容量，動態效益、經濟效益和社會效益均十分顯著。
廣州抽水蓄能電站樞紐由上水庫、引水隧洞、上游調壓井、高壓隧洞（管道）、地下廠房系統、尾水調壓井和尾水隧洞等組成。上、下水庫正常蓄水位分別為810m和283m，庫容分別為1700萬立方米和1750萬立方米，有效庫容均為1000萬立方米；大壩均采用鋼筋混凝土面板堆石壩，壩頂高程分別為813m和286．3m，壩軸線處最大壩高分別為60m和37m，壩頂寬8m，上、下游壩坡均采用1：1.4。上水庫采用側槽式岸邊溢洪道，側堰寬40m，堰頂高程與正常水位齊平，不設閘門，自由溢流；下水庫右壩頭設兩孔每孔寬9m的有閘門控制的側槽式岸邊溢洪道，堰頂高程281m，在溢洪道左側設置直徑為1m的放水底孔。水道系統采用1洞4機的供（排）水方式；引水隧洞自進水口至上游調壓井長約925m，襯砌內徑9m；上游調壓井采用阻抗式、大井內直徑18m，連接管內直徑9m，最高涌浪825m，最低涌浪787.31m；壓力隧洞在調壓井后采用斜井布置，進廠前1洞分岔為4支洞，總長度1395.4，主管內直徑8.5～8m；4條尾水管合為1條進入尾水調壓井，尾水調壓井也為阻抗式，大井內直徑20m，連接管內直徑9m，井頂高程313m，井底高程250m；尾水隧洞自尾水調壓井至下游出口長約1230．7m，襯砌內直徑9m。廣州抽水蓄能電站由廣東省水利水電勘測設計院設計；經過投標招標，集團公司水電十四局等承擔施工任務，由中國水利水電建設工程咨詢公司中南分公司承擔工程監理。本工程于1988年3月由廣東省計委批準進行開工準備。