本文针对重大水工混凝土结构运行期的裂缝问题，应用粗集理论、数据挖掘、神经网络、小波分析、混沌理论、突变理论等前沿数学方法及断裂力学等力学方法，以及数值仿真等数值模拟方法和逻辑诊断方法，结合实测资料，对运行期裂缝的成因、演变规律以及转异诊断等方面进行了系统的研究。主要研究内容如下：(1)在研究逻辑诊断方法的基础上，采用故障树分析方法分析裂缝产生的可能原因；据此提出了裂缝成因挖掘的粗集方法，对裂缝成因的潜在规律性和裂缝的主要成因进行挖掘，分析裂缝产生的主要原因。(2)概要阐述了温度场的仿真，研究了薄层单元和分布裂缝模型，应用数值仿真分析方法，结合工程实际，分析了荷载对裂缝的作用效应；在对人工神经网络方法与数据挖掘关系深入研究的基础上，提出了基于神经网络的裂缝不利荷载组合挖掘方法，提取裂缝的不利荷载组合，并研制了三维荷载组合曲面图。(3)用接触模型模拟裂缝，结合工程实际，应用数值仿真分析方法研究裂缝开度和开裂深度随外荷载(水压、温度等)的演变规律，分析了裂缝演变的荷载效应。(4)基于实测资料，综合应用小波分析理论和相空间重构技术，对裂缝开度随时间的演变规律进行了研究，提出了基于小波分析理论和相空间重构技术的裂缝时变规律分析方法，并对其可行性进行了工程实例验证。(5)利用相空间重构技术重构裂缝时效变形的相平面，提出了裂缝时效转异点的相平面识别法；并且基于突变理论和灰色系统理论，建立了裂缝转异诊断的灰色尖点突变模型；并将以上方法和模型用于工程实际，由此对所提方法的可行性进行了验证。(6)应用断裂力学理论，对裂缝转异进行诊断，并探讨了混凝土断裂韧度的反演分析方法；建立了反映荷载组合与应力强度因子之间关系的神经网络模型，反馈分析裂缝的转异荷载，在此基础上，研制了应力强度因子的三维荷载曲面图以及相应的二维平面图，提出裂缝转异荷载的空间预报模型；并通过实例验证。