大坝基本建成后，于1960年9月至1962年3月为蓄水拦沙运用期，最高蓄水位达332.58m，水位高于330m的时间有200天。在一年半时间内，水库淤积15.34亿立方米，潼关流量1000立方米/秒，水位
较建库前抬高4.5m，并在渭河口形成“拦门沙”。渭河下游两岸农田受到淹没和浸没，严重危害农业生产，若继续发展，将会严重威胁关中平原和西安市的安全。为了减少库区淤积，从1962年3月起水库运用方式由“蓄水拦沙”改为“滞洪排沙”，暂不考虑发电和灌溉，同时拆除已安装的唯一一台15万kW机组。
三门峡枢纽改为"滞洪排沙"运用后，水库下泄沙量增加，库区虽在个别年份(1965年)发生冲刷现象，但由于水库的泄流规模小，遇一般洪水即产生淤积，库区淤积继续发展。到1964年10月，330m高程以下库容淤积损失37.5亿立方米，占原始库容的62.9%。要缓解库区的淤积速度，必须扩大水库的泄洪排沙能力，对枢纽工程进行改建，决定增建2条隧洞和改建4条发电钢管(5～8号)为泄流排沙钢管。
增建的隧洞位于左岸，进口在大坝轴线上游100～140m，1号洞长393.9m，2号洞长514.5m，两轴平行中心线间距40m。洞前设有进水渠，渠底宽14m，底坎高程290m。隧洞分为有压与明流两段，有压段为圆形，直径11m；明流段为城门洞型，9m×12m(宽×高)。有压洞段设有检修叠梁闸门。在明流段前面设有工作闸门。出口在大坝轴线下游约250～280m处。库水位315m时单洞泄流能力1040立方米/秒。4条泄流排沙钢管是利用电站4条引水钢管改建而成，每条管平均长度21.45m，上游端与原压力管相接。钢管进口高程为300m，钢管由直径为7.5m的圆形断面逐渐收缩为2.6m×3.4m(宽×高)的孔口。检修闸门利用原电站进水口的工作闸门。工作闸门为平板门，设在出口，尺寸为2.6m×3.4m(宽×高)，每条钢管在库水位315m时的泄流能力为225立方米/秒。
此次改建简称为“两洞四管”。
第一次改建工程投入运用后，库水位315m时的泄流能力由3084立方米/秒提高到6064立方米/秒，提高了将近1倍，水库排沙比增至80.5%，减缓了库区淤积，但泄流排沙能力仍感不足，库区冲淤难以达到平衡。因此，1969年6月确定将枢纽泄洪设施进一步改建。决定打开8个施工导流底孔，将1～5号5个发电钢管的进水口高程由原建300m下卧至287m，在厂房内装机5台，单机容量5万kW，总装机25万kW。
导流底孔断面尺寸为3m×8m(宽×高)，进口底坎高程280m，4～8号孔分别位于1～5号深孔下方，与其构成5个双层孔。1970年6月和1971年10月先后投入运用。库水位315m时，单底孔下泄能力为405立方米/秒。1973年完成电站1～5号引水钢管进口改建，1973～1978年电站安装了5台国产轴流转叶式水轮发电机组。
第二次改建工程结束后，库水位315m时的总泄流能力达到9064立方米/秒(不包括机组泄流)，超过原设计2倍，使库区淤积得到很大程度的缓和，加上自1973年10月起水库开始采取非汛期蓄“清水”兴利，汛期排“浑水”以恢复库容的“蓄清排浑”运用方式，基本实现了年内泥沙冲淤平衡，控制了淤积上延。从库容变化来看，330m高程以下库容已恢复并长期维持在32亿立方米以上；335m高程以下库容基本上维持在60亿立方米左右。
改建后随着水库的运用，又暴露出新问题。1980年底发现高含沙水流对底孔的斜门槽、工作门槽主轨及混凝土过流面磨蚀严重，危及大坝的正常安全运用；同时还发现坝下游临水建筑物张公岛导水墙、2号隧洞出口及尾水渠右岸护坡等基础均遭到不同程度的淘刷破坏，影响防洪安全。为此又作进一步改建。
泄流工程改建主要的改建项目有：1～8号底孔斜门槽及工作门槽改建并压缩出口；5个双层孔增设一门一机(实际上只有2个双层孔完成增设)；打开并改建9、10号底孔；左岸隧洞进出口加固处理。在底孔改建中成功地采用软膜混凝土支座钢叠梁围堰封堵进口。
1993年又在6号钢管装2台7.5万机组发电。因此仅剩1条8号钢管未用于发电。
改建后投运的1～5号机组为竖轴转浆式水轮发电机组、额定转数100r/min，转轮直径6m。发电机为悬式空冷型、额定容量62.5MVA。6、7号机组为混流式水轮发电机组，水轮机额定水头36m，最大水头47.7m，最小水头27.4m，转轮直径5.5m，额定转速88.2r/min。发电机为悬式空冷型，额定容量88.235MVA。工程运用中，过流部位用高强混凝土和钢纤维混凝土作抗磨层。
