1958年12月，黄委会设计院首先完成了三盛公水利枢纽工程初步设计方案。枢纽工程位于磴口县原三盛公镇（1958年改为巴彦高勒镇）的黄河干流上，上距包兰铁路三盛公黄河大桥八百米。拦河引水工程横跨河身，由拦河闸、拦河坝、北岸总干渠进水闸、沈乌进水闸、南岸总干渠进水闸、总干渠跌水闸及库区围堤等项目工程组成，是一座以农牧业灌溉为主，兼有局部通船和发电效益的水利枢纽工程。
当三盛公水利枢纽工程被批准进行设计之后，内蒙古自治区有关部门积极行动，开始尽快筹备施工，工程很快得到国家计委批准。自治区副主席王逸伦带领有关业务人员赴京与水电部副部长钱正英协商三盛公水利枢纽工程的施工问题。最后决定，由自治区负责施工，由三门峡抽调一部分技术人员前来支援，并先拨付五十万元经费作为前期费用，抓紧筹备。
1958年2月，黄委会设计院组织由测绘、地质、规划设计人员组成的勘察设计工作组赴内蒙古工作。三盛公水利枢纽工程设计由林显邦工程师任组长、龚时旸工程师任副组长。3月，黄委会设计院又组成以韩培诚副院长为首的由测量、地质、规划设计人员参加的查勘组，对河套灌区及三盛公水利枢纽工程机械全面开展调查、勘测工作，自治区水利厅设计院院长蔡子萍等工程设计人员陪同。
1959年5月13日，水利部工作组和苏联专家柯尔理夫·勃列索夫斯基·赫赴三盛公水利枢纽工地审查设计。1959年8月，水利部正式行文批复：同意三盛公水利枢纽工程防洪标准按Ⅱ级建筑物，即百年一遇洪水设计，千年一遇洪水校核，拦河闸与北岸进水闸抗滑稳定安全系数按l级，正常高水位为一千零五十五米。同年11月，水电部通过了黄委会设计院与黄河三盛公工程局共同完成的《三盛公水利枢纽工程初步设计（修正）说明书》。
1958年8月，为兴建黄河三盛公水利枢纽工程，经国务院七十三次会议通过，黄河内蒙古自治区水利建设委员会批准成立，自治区副主席王逸伦任主任，自治区水利厅厅长周北峰、农牧部部长常正玉为副主任。同时成立自治区黄河灌区工程局，作为三盛公水利枢纽工程的施工机构，水利厅副厅长李直任局长，并兼任党委书记，云祥生为副书记，何生岫为副局长。1959年上半年，两万多人的施工队伍正式组建，水利厅指派水利专家赵家璞为技术总负责人。后来，李直作为水利厅副厅长常驻工地，巴彦淖尔盟派出盟领导杨力生、李桂芳参加施工领导，施工队伍从四面八方涌到工地。
李直，内蒙古水利厅副厅长，枢纽工程总负责人。1917年11月10日出生，河北保定人。1937年参加革命，同年加入中国共产党；1949年调入绥远省新解放区工作；1950年任绥远省水利局副局长。曾协助绥远省水利局局长、为河套水利事业作出杰出贡献的王文景同志开展水利工作。李直在河套解放后第一个闸——黄杨闸建设期间作出了突出贡献，保证了黄杨闸1952年的按时放水。在三盛公水利枢纽工程施工时，李直被组织上委以重任，兼任新组建的黄河工程局局长兼党委书记，枢纽工程总负责人，为枢纽工程的兴建付出汗水和心血。
枢纽工程的原设计方案设计完成后，三盛公水利枢纽工程总负责人李直曾专门向水利部副部长李葆华作了详细汇报。李葆华副部长认真听取汇报后建议，在黄河当中打钢板建闸困难很多，如果大坝下移，在黄河岸滩上施工，然后导流，这样会给施工带来很多好处。李直连夜给工地施工技术人员打电话，指示对拦河闸坝址下移进行勘察，最后，经施工技术人员勘察研究后决定，将闸址由黄河路桥下游三百米处下移三千米，避免施工困难。在施工中尽可能地偏向左岸滩地，以利施工期间的黄河行水。这一决策不仅有利于施工安保，同时还为上游河段创造出了人工环流的条件。
设计方案因地制宜也有多处修改，力求符合实际。李葆华副部长、自治区主席乌兰夫等都参加了枢纽工程设计方案的讨论。另外，对原设计方案还有两处重大修改，一是原设计在渠口修建沉砂池，根据实际情况决定不建。沉砂池设于总干渠进水闸下游右岸，东至黄河滩地之间，以六条沉砂条渠组成，渠长三千米。计划从进水闸引水入条渠，经过沉淀后，再将清水从跌水闸附近泄入总干渠，然后把条渠内的沉砂用水冲入黄河。这是黄委会委托泥砂研究所代为设计的。后经在工地仔细研究，大家一致认为工程操作繁杂，管理困难，功效不尽可靠，决定可预留位置暂缓施工。在枢纽工程的施工中，通过采取一些简便可行的工程措施，尽可能地减少直接进闸的泥砂量。二是将拦河坝由混凝土浇筑改为土料堵筑，土法上马，柴埽截流。这一条是由技术总工程师赵家璞提出来的，可以节省投资和促使工程提前竣工。
1958年春天，内蒙古黄河三盛公水利枢纽工程招收了一千多名学徒工到三门峡工程局培训学习，作为三盛公水利枢纽工程施工的各种技术骨干。与此同时，三门峡工程局支援派出书记、局长、总工程师、技术处处长各一人以及必要的施工技术处人员和行政人员，参加兴建三盛公水利枢纽工程的领导和施工。后因水利部工程局在施工尚未开始之际把总工程师调走，黄河三盛公水利枢纽工程的施工技术责任，由内蒙古水利厅直接承担。
