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牛心堆在曼头山东南方向，湟水和黄河中间的位置，距曼头城近两百里，因附近一条河流名牛心川而得名。
从牛心堆到曼头山间，地势还算平坦，但牛心堆面对鄯州方向，有高大的拉脊山耸立着，此是吐谷浑人抵御唐军攻击的一道天然屏障，吐谷浑人在此筑有军营，在拉脊山各险要山口地段派驻不少的士兵据守，并修筑有城堡箭跺等防御工事。
以吐谷浑人的估计，唐军会沿着湟水先攻击库山，或者越过拉脊山向牛心堆一线进攻，因此慕容伏允在这两地集结了大量精锐的军队驻守。
牛心堆因从地理位置上更接近鄯州，兵力配置也是很多，三万多人的吐谷浑大军聚集在这一带。
出乎吐谷浑人的意外，唐军用极快的速度攻占库山，面对放火烧毁牧草的举动，没有停留，即快速南下，以精锐的骑兵击溃曼头山的守军，并迅速占领，唐军的主力部队也是随后跟进抵达，抄了牛心堆吐谷浑人的后路。
牛心堆以南，是水流湍急的黄河，东北面是高大雄伟的拉脊山，唐军的快速攻击，截断了牛心堆吐谷浑人向西逃的退路。
在李业诩所部攻占曼头山后不久，薛万彻和薛万均兄弟即率部抵达这里，傍晚时分，李靖率领其余各部也抵达曼头山。
为了不让牛心堆之吐谷浑人西逃，李靖所部都是轻装急行军而来。
在结束曼头山战役后，李业诩命令所部抓紧时间休整，为接下来的聚歼牛心堆之敌做准备。
特卫及契苾何力部，高强度的急行军及冲杀下来，已经没有体力继续追击逃跑的慕容伏允，李业诩只得放弃追踪其部的诱人想法。南面和西面有段志玄和李大亮部的拦截，慕容伏允的残部也是没这么容易逃脱的。
牛心堆的吐谷浑人探知唐军攻击曼头山后，马上倾巢出动，想趁唐军立足未稳之时，集中优势兵力消灭疲乏的唐军，并趁机西逃。库山和曼头山两地的惨败，已经让知道消息的牛心堆吐谷浑人心惊胆战，指挥的几名名王明白，若他们无法趁这个机会逃跑，下场会和库山曼头山的族人一样悲惨。
只是吐谷浑人得到的情报还是慢了好几拍，其大部队还未行进到一半路程，李靖所率的大军也已经抵达这一带，等着吐谷浑人。
从牛心堆出发的吐谷浑人在侦知唐军的行踪后，马上停下了行进的脚步，不知是否是吐谷浑人怕中了唐军伏击，率部回缩，背倚着几处山坡前停了下来。
李靖所部快速推进，在离吐谷浑人三十里地左右停了下来，安营休整，并不急着进攻。
一个夜晚，唐军不断地派出小股的骑兵袭扰吐谷浑人，而大部队则轮流休息。面对不断袭扰的唐军小股部队，吐谷浑人整个晚上都是处于高度紧张中，又不敢趁夜进击，待第二天天明后，才又缓缓地向前推进，准备与唐军决一死战。
面对没有退路的牛心堆吐谷浑之敌，李靖和所部的唐军将领都知道，这将会是一场恶战。
双方人数基本相当，三万多吐谷浑人全部是骑兵，唐军所部也是三余万人，但只有约两万的骑兵，且还是远道急行军而来，体力上处于劣势，占骑兵人数近三分之一的李业诩部和契苾何力部刚刚结束曼头山之战，疲乏之极，极需休整。
但有一点吐谷浑人无法比及的是，唐军连续几场大战的胜利，士气高涨，而吐谷浑人被唐军围截，又闻知连续几场败战，人心惶惶，士气低落。
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夜晚的李靖大帐内，还是灯火通明，李靖正召集诸将进行着战前的紧急军情商议，修正一些原先的布署。
曼头山的吐谷浑人已经被击溃，慕容伏允西逃，但这不是李靖最关心的事，段志玄部和李大亮部，会在远处等着溃逃的慕容伏允的。眼下最重要的，是消灭牛心堆的三万余吐谷浑人。
待一番密议后，诸将纷纷领命而去。
李靖只留下李业诩和契苾何力，“此战是一场正面对决的硬战，总体兵力上来讲，我们没有丝毫优势，胜负的关键就在于你们两部的突袭，你们可明白？”
“末将明白，”李业诩和契苾何力用力吼了一声，领命而去。
军情过于紧急，李业诩部和契苾何力部只得到了短暂的休整，即要去执行更加艰巨的任务。
第二天天色未明时，李业诩所部和契苾何力部，即在几名熟悉这地方地形的特战队员带领下，出营而去。
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草原上的清晨，飘荡着一些雾气。
这是一片宽阔的草场地，风景秀美，因为几条河流的分割，那场绵延几百里的大火并没烧到这儿。
但此时的草场，却充满了杀戮之气，两支几万人的大军，即将在这儿进行厮杀。
两支队伍在相距约三里地都停了下来，摆开阵型，各自做好攻击和迎敌的准备。
唐军官兵此战最重要的任务是阻止吐谷浑人拼死的冲击，并全歼所面对的吐谷浑人。
在李靖的安排下，唐军已经做好了迎敌的准备。
以步兵置于中军，最前排的是手持盾牌护卫的步兵，后面是步兵中的弩弓手约一千五人，分成三排，再后面的是弓箭手，约四千人，也是成三队排列，最后还有三千左右手持长枪的步兵。
因为是快速行进的作战，军中并没配置重甲的陌刀手。
这些步兵后侧两翼，是一万五千名骑兵，左侧是由薛万彻领军的约五千名汉军士兵及两千执失思力部的突厥骑兵，右侧由执失思力亲率，人数约四千的突厥骑兵，还有薛万均所领的约四千汉军骑兵。
弩弓的有效射程约三百步以上，在吐谷浑人开始冲锋到这个距离时，开始第一轮打击，有幸运地躲过此轮射击的吐谷浑人，迎接他们的将是更加密集的弓箭手射出的箭，弓箭的射程约七十到一百五十步，而两轮打击后，两侧的骑兵将开始冲击。唐军如此的配置，并没有打算让步兵去抵挡吐谷浑的骑兵冲击，而是要用一场大的对战，彻底消灭正前方的吐谷浑人。
但这些并不构成最后的胜利，李靖寄希望的还是另外的一支奇兵。
这样的战争布置，并不是李靖所希望看到的。
也许是吐谷浑人对于唐军在库山和曼头山所取得的胜利有些忌惮，待唐军布阵好了，迟迟没有发动冲击。只是不断地有一群群人马在哪里跑来跑去。
李靖手举望远镜，察看着吐谷浑人的动静。
接近中午的太阳有些火辣，照得人有些睁不开眼。
望远镜里，吐谷浑人开始有了动静，大群的骑兵集结在正面，阵势很宽。
没有了退路，吐谷浑人只能玩命一次，寄希望于冲开前方唐军的阵形，给予唐军有效的打击后，全军或者大部分军力得以逃脱，进了他们异常熟悉的青海湖南岸的那片草原。
这个河湟谷地较平坦的地方，摆开阵型的双方军队剑拔弩张，投入最多兵力的一场战役即将打响。
吐谷浑人手中的刀和枪开始举起来，在阳光的照映下闪着耀眼的光辉，接着脚下的土地开始慢慢地颤抖起来，吐谷浑骑兵开始奔跑、加速。
随着李靖的命令下达，阵前手持盾牌的士兵蹲下，后排手持弩弓的士兵上前一步，把手中的弩弓举向天空。
整个大地都感觉在振动着，第一批开始攻击的约六千名吐谷浑骑兵已经把速度提了起来，以箭形开始冲击，往正面的唐军步兵而来，后面第二批骑兵也开始启动。
距离最前面的骑兵约五百步，随着李靖身旁亲卫手中令旗的挥舞，前方弩弓队的指挥官口型张大，“放…”
随着“嗖嗖”的声音，几百支强弩箭从唐军阵中射出，射向天空，形成一个抛物线后向下掉落。而发射完的唐军弩兵马上退下，装填弩箭，后面一组的弩弓手快速上前，依然举起手中的弩弓，又是一阵箭雨。
随着箭雨的落下，最前面那些奔跑中的吐谷浑人不断地倒下，这弩的射程和射劲不是一般的厉害，一些箭从前面奔跑着的人身上透过，再射到后面奔跑着的人或者马上，许多吐谷浑人连人带马被射倒，倒下的人马上被后面奔跑着的战马踩踏，也有许多的骑兵连人带马被跘倒在地。
第三组的唐军弩兵射击完退下时，第一批弩手已经把再次装填好的箭射出，接着第二第三批弩手也把装填好的箭射出。
大批的吐谷浑人被射倒，一些没有死亡的士兵被后面飞奔而来的战马踩死，但更多的吐谷浑人还是拼命地往前冲，并加强两翼的冲击。他们知道，若冲到唐军阵前，让他们心寒的弓箭才发挥不出威力来。
已经完成使命的弩手们全部有序地退下，后排的弓箭手们上前，把手中的弓拉满，箭尖对着天空。两侧的骑兵也做好了出击的准备!
随着尖利的哨响，更加密集的箭矢射向天空，往冲到二百步左右的吐谷浑骑兵群中射击…