La diga di Nuraghe Arrubiu costituisce la struttura nodale del sistema idraulico del medio Flumendosa, formato appunto dal bacino di Nuraghe Arrubiu, da quello di Monte Su Rei sul rio Mulargia, in comunicazione col primo mediante una galleria in pressione di 4 metri di diametro lunga circa 6 km, e dal serbatoio di Capanna Silicheri, che sbarra il rio Flumineddu convogliandone le acque a Nuraghe Arrubiu attraverso una condotta di collegamento di 2,5 metri di diametro lunga circa 7 km. 

Il serbatoio di Nuraghe Arrubiu, in particolare, ha una capacità di invaso di circa 300 Mm³ alla quota massima di regolazione (267 m s.l.m.). Di questi, 263 Mm³ sono trasferibili, per deflusso libero a gravità, al serbatoio di Monte Su Rei (332 Mm³), il quale può essere riempito solo grazie a questi apporti, essendo il suo bacino assai più modesto (172 km² contro i 579 km² di Nuraghe Arrubiu). Ulteriori 30 Mm³, sottostanti alla soglia della galleria di collegamento, sono trasferibili a Monte Su Rei per pompaggio, mediante la stazione di sollevamento realizzata ai piedi della diga di Nuraghe Arrubiu. Dal lago del Mulargia si diparte la galleria di derivazione, al cui imbocco è ubicata in caverna la centrale idroelettrica di Uvini. 

Il sistema di bacini del Medio Flumendosa è a sua volta parte del sistema idraulico Flumendosa - Campidano - Cixerri, il quale si sviluppa nell’area centro meridionale della Sardegna e provvede a soddisfare i fabbisogni idrici in diversi settori di utilizzo: irriguo, potabile, idroelettrico e industriale. La popolazione servita (fra cui quella della città di Cagliari e del suo hinterland) è di circa 700.000 abitanti; la superficie irrigata è pari a 60.000 ettari. Il sistema Flumendosa - Campidano - Cixerri, assai complesso e articolato, comprende 7 grandi dighe (ai sensi della L. 584/94) che realizzano una capacità complessiva di circa 700 Mm³, 6 traverse di derivazione, 2 centrali idroelettriche, 8 centrali di sollevamento, 2 impianti di potabilizzazione, 150 chilometri di canali a cielo aperto, 23 chilometri di gallerie e centinaia di chilometri di condotte in pressione.

Il Flumendosa, il principale tra i fiumi che versano sulla costa orientale della Sardegna, si origina dalle pendici meridionali e orientali del massiccio del Gennargentu con una serie di rivoli che confluiscono a formare il corso principale. Il bacino idrografico è tipicamente montuoso, con quote spesso superiori ai 1000 m, essendosi sviluppato prevalentemente nei massicci della Sardegna centro-orientale. Quasi tutto il bacino è occupato dal complesso metamorfico-sedimentario paleozoico, e solo limitatamente si osservano i sedimenti e le vulcaniti delle ere successive, soprattutto depositi marini (calcari e dolomie) del Mesozoico e rocce magmatiche plio-pleistoceniche. In questi terreni, particolarmente impermeabili, il Flumendosa e i suoi affluenti hanno scavato profonde gole scendendo verso il mare con notevole velocità e con andamento irregolare caratterizzato da brusche variazioni e gomiti acuti. 

La zona di imposta presenta in destra idraulica in alto una zona basaltica, al disotto della quale si trovano degli speroni di gneiss separati da bande di materiale alluvionale e di detriti di falda. Il versante di sponda sinistra è costituito da un massiccio gneissico continuo, alterato alla sommità da materiale fluviale. 

La diga è del tipo ad arco gravità a doppia curvatura, munita di pulvino perimetrale, ha sviluppo del coronamento di 316 m, larghezza variabile da m 3,77 a m 6,90 in sommità fino a un massimo di 29 m al contatto col pulvino. La volta, simmetrica, è definita da archi orizzontali circolari policentrici con spessore in aumento verso gli appoggi; spicca il forte strapiombo verso valle, in modo particolare nella parte centrale dello sbarramento. 

La struttura è impostata sul pulvino perimetrale tramite il giunto perimetrale sagomato a culla, difeso dalla penetrazione dell’acqua mediante un coprigiunto doppio e un dispositivo di tenuta in mastice bituminoso. 

Il corpo della diga è stato realizzato per conci, in numero di 25, separati da giunti di costruzione successivamente sigillati che si spingono fino alla roccia di imposta, tagliando il pulvino ortogonalmente. La tenuta dei giunti è assicurata da lamierini di rame murati in prossimità dei paramenti e protetti da un prisma di calcestruzzo armato isolato con materiale plastico. 

Il corpo diga è attraversato da tre cunicoli di ispezione orizzontali ai piani di quota 245,00, 225,00 e 193,00 m s.l.m., aventi pareti verticali e volta policentrica, e da un cunicolo perimetrale corrente lungo tutto l’appoggio della diga sul pulvino. Ai cunicoli si accede da tre passerelle a sbalzo che corrono sul paramento di valle o dal pozzo centrale sboccante sul piano di coronamento. Alla base del cunicolo perimetrale può accedersi attraverso un cunicolo trasversale con uscita a valle diga. L’altezza dei cunicoli è m 1,80 e la larghezza è di m 0,90. Sul piano di calpestio dei cunicoli, lato monte, sboccano sia i drenaggi ascendenti che quelli discendenti. 

La diga è dotata di uno sfioratore libero in sinistra e da due sfioratori regolati in destra. Gli scarichi profondi consistono in uno scarico di mezzofondo ricavato in sponda destra sotto la spalla della diga e in due scarichi di fondo ricavati uno in sponda destra e uno in sponda sinistra.

Lo sfioratore libero in sponda sinistra è formato da due soglie con disposizione planimetrica ad L, entrambe a quota 267 m s.l.m., aventi uno sviluppo di 7 m e 63 m rispettivamente. Le acque sfiorate sono immesse in una galleria di scarico a sezione policentrica. 

Gli sfioratori regolati in destra hanno ciascuno una luce di 12 m e soglia a quota 255,50 m s.l.m.; sono provvisti di paratoie piane scorrevoli su ruote del tipo “à crochet” (“a gancio”, in italiano), composte ciascuna di due elementi, con il superiore che può essere abbassato consentendo lo scarico dell’acqua a stramazzo, e l’inferiore che può essere sollevato per scaricare l’acqua a battente. Ciascuno dei due sfioratori è seguito da una propria galleria a sezione circolare di 9 metri di diametro che, aggirando la spalla della diga, convoglia a valle le acque di sfioro. L’altezza complessiva delle paratoie è pari a 12 m; l’altezza dell’elemento inferiore è di 6,50 m; quella dell’elemento superiore è di 5,50 m. La manovra avviene mediante argani di sollevamento indipendenti per i due elementi di ciascuna paratoia, con portata ognuno di 80 t, del tipo a catena Galle, comandati da servomotore rotativo oleodinamico a portata costante e azionabili sia a distanza che sul posto. In condizioni di emergenza è possibile tanto la manovra sussidiaria meccanica a mano, quanto l’azionamento dei motori mediante un gruppo turbopompa a funzionamento idraulico. 

Lo scarico di mezzofondo, avente l’imbocco in comune con la galleria di collegamento Flumendosa-Mulargia, a quota in asse 215,45 m s.l.m. (e direttrice inferiore a quota 212,95 m s.l.m.), è costituito da una galleria a sezione circolare, del diametro di 5 m, che sottopassa la spalla destra della diga. È regolato da due paratoie metalliche piane a strisciamento delle dimensioni di 2,80 x 3,40 m disposte in serie, precedute e seguite da un tratto di raccordo in lamiera blindata dotate di un by-pass DN 150 mm. Alla camera di manovra delle paratoie, situate a circa 163 m dall’imbocco, si accede da un pozzo verticale ubicato sulla spalla destra. Le paratoie sono manovrabili con comando oleodinamico locale o a distanza dalla sala quadri. È inoltre possibile il comando di emergenza manuale o con turbinetta idraulica. 

I due scarichi di fondo, pressoché simmetrici, sono ricavati uno in sponda destra e uno in sponda sinistra, con bocche di presa a monte dell’avandiga che fu realizzata in occasione della costruzione dello sbarramento. Si tratta, in entrambi i casi, di una condotta circolare del diametro di 7,30 m, di cui quella in destra con soglia a quota 184,35 m s.l.m. e quella in sinistra con soglia a quota 183,05 m s.l.m.. Lo sviluppo complessivo delle due gallerie è di 369 m e di 290 m rispettivamente. La sezione di entrambe le gallerie è completamente rivestita con calcestruzzo armato per un tratto di 140 m a cavallo della diga. Poco a valle della diga, su ciascuna condotta, sono sistemate due paratoie piane a strisciamento delle dimensioni di 3,70 x 7,30 m disposte in serie, precedute e seguite da un tratto di raccordo in lamiera blindata, anche in considerazione della forte velocità di deflusso dell’acqua (36 m/sec). Le camere di manovra, per entrambe le gallerie, sono accessibili da valle. Le paratoie, come per lo scarico di mezzofondo, sono manovrabili con comando oleodinamico locale o a distanza dalla sala quadri. È inoltre possibile il comando di emergenza manuale o con turbinetta idraulica.

La portata totale esitabile dal serbatoio alla quota di massimo invaso (269,00 m s.l.m.) è pari a 4.490 m³/s, di cui:

• 412 m³/s dallo sfioratore libero in sinistra (ad L);
• 2.534 m³/s dai due scarichi di superficie in destra (complessivamente);
• 262 m³/s dallo scarico di mezzofondo;
• 1.282 m³/s dai due scarichi di fondo (complessivamente).

La portata totale esitabile alla quota massima di regolazione (267,00 m s.l.m.) è pari invece a 3.515 m³/s, di cui:

• 1.990 m³/s dai due scarichi di superficie in destra (complessivamente);
• 257 m³/s dallo scarico di mezzofondo;
• 1.268 m³/s dai due scarichi di fondo (complessivamente).

Come sopra accennato, la galleria di derivazione destinata ad alimentare due centrali idroelettriche e infine le utenze irrigue e potabili della Sardegna centro-meridionale si diparte dal serbatoio del Mulargia, riempito in massima parte con le acque provenienti dal serbatoio del medio Flumendosa formato dalla diga di Nuraghe Arrubiu. Le opere di derivazione dal serbatoio del Flumendosa sono invece destinate al convogliamento delle acque al serbatoio del Mulargia. 

In particolare, la galleria di collegamento Flumendosa-Mulargia, del diametro di 4,5 m e della lunghezza di circa 6 km, consente di trasferire a gravità al serbatoio di Monte Su Rei sul rio Mulargia 263 Mm³, sui circa 300 Mm³ invasabili dalla diga di Nuraghe Arrubiu. La galleria si diparte dalla condotta dello scarico di mezzo-fondo, a monte delle paratoie di regolazione di quest’ultima; è a sua volta regolata da due paratoie metalliche piane a strisciamento delle dimensioni di 2,00 x 2,40 m disposte in serie, precedute e seguite da un tratto di raccordo in lamiera blindata. Alla camera di manovra delle paratoie si accede da un pozzo verticale ubicato sulla spalla destra a monte della diga (diverso da quello dello scarico di mezzofondo, situato a valle). 

Dalla galleria dello scarico di fondo sinistro, subito a monte del tratto rivestito in lamiera blindata che precede le paratoie, si dirama la condotta di derivazione del diametro di 3,50 m che adduce all’impianto di sollevamento realizzato in caverna, a valle della diga, sulla sponda destra. L’impianto, come detto in altro paragrafo, consente il convogliamento al lago del Mulargia di circa 30 milioni di metri cubi non trasferibili per gravità perché sottostanti alla soglia dello scarico di mezzofondo (e quindi della galleria di collegamento Flumendosa-Mulargia). 

I lavori di costruzione della diga iniziarono nel mese di giugno del 1953. Compiuti dal Servizio Dighe e dall’Ufficio del Genio Civile di Cagliari gli accertamenti riguardanti gli scavi di fondazione e la messa a punto degli impianti di cantiere, l’Ufficio del Genio Civile rilasciò l’autorizzazione all’inizio dei getti nell’agosto del 1955. I lavori di elevazione dello sbarramento si svolsero con continuità dall’inizio dei getti fino all’ultimazione degli stessi, nel settembre del 1957. In totale furono messi in opera circa 316.000 m³ di calcestruzzo. Il montaggio degli organi di intercettazione sugli scarichi regolati (di fondo, di mezzofondo, di superficie) fu ultimato nel marzo del 1959.

Il calcestruzzo della diga fu confezionato con inerti ottenuti per frantumazione di calcare del Giurese, assortiti secondo la curva granulometrica parabolica con esponente 1/3, e cemento pozzolanico «550», dosato a 250 kg/m³, con uno 0,5% (in peso del cemento) di additivo fluidificante aerante.

La struttura fu costruita per conci indipendenti, mantenendo più elevati quelli centrali. Nella parte più alta della diga, strapiombante verso valle, la scelta di far salire prima i conci centrali, senza che questi potessero inizialmente appoggiarsi sui conci vicini e sulle sponde per effetto arco, fu causa di una flessione dei conci verso valle e di trazioni sul lato di monte che produssero numerose filature suborizzontali. Le lesioni furono definitivamente riparate negli anni ’90, con una importante campagna di iniezioni di resina epossidica.